魏天嬌，管冬興，方 文，羅 軍

（污染控制與資源化研究國家重點實驗室，南京大學環(huán)境學院，南京 210023）

土壤、自然水體、沉積物等環(huán)境介質中的磷和金屬（類金屬）濃度處于適宜范圍是實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)正常功能和良好農業(yè)產出的重要前提。環(huán)境中磷過量可導致富營養(yǎng)化現(xiàn)象，而金屬（類金屬）過量可對植物造成毒害。對于特定環(huán)境介質中的磷和金屬（類金屬），具有生物有效性的部分才能被植物吸收利用并產生環(huán)境影響。因此，解釋和預測這些元素的生物有效性成了近些年的研究熱點。生物有效性目前沒有明確一致的定義[1-2]，但一些研究者給出了生物有效性的概念，這些概念總體上可分為基于化學的和基于生物學的兩個方面[3]。McCarthy和Mackay[4]指出，生物有效性評價需綜合考慮物理化學作用驅動的供給和生物學驅動的吸收這兩個階段的動態(tài)過程。因此，不同概念的實質都在于，將生物體與環(huán)境中的物理化學過程綜合起來考慮其潛在的相互關系。正因如此，植物特定的生理特性以及環(huán)境中的地球化學條件均是影響磷和金屬（類金屬）等生物有效性的重要因素。綜合考慮多過程、多機制的耦合作用是現(xiàn)有生物有效性評價方法的重要發(fā)展方向。

梯度擴散薄膜技術（DGT）是一種原位監(jiān)測和形態(tài)分析技術[5]。自1999年以來[6]，諸多研究將DGT廣泛應用于土壤、水體、沉積物等多種環(huán)境介質中磷和金屬（類金屬）的植物有效性解釋和預測。大量研究發(fā)現(xiàn)，DGT技術預測與其他傳統(tǒng)的植物有效性評價技術相比，能更好地反映植物對磷和金屬（類金屬）的吸收[7]。與基于分配平衡原理的有效性評估方法（如毒性浸出實驗等）不同，DGT技術是一種基于解離、擴散動力學的方法。DGT技術測定的有效態(tài)濃度包括溶液中的離子態(tài)物質、絡合態(tài)物質中的可解離部分以及固相向液相的補給部分，該濃度反映了環(huán)境介質對目標元素的再補給能力以及對補給過程有所貢獻的形態(tài)[8]。植物對磷和金屬（類金屬）的吸收消耗過程也引起了目標物質從環(huán)境介質到植物體表面的動力學過程，這與DGT吸收待測物質的過程機理類似，因此DGT技術是一種研究植物有效性機制的工具。

在此，本文主要關注DGT技術對磷和金屬（類金屬）的植物有效性評價，簡要闡述了DGT技術基于動力學過程進行有效性測定的原理；剖析DGT技術涉及的動力學過程與植物吸收機制的相似性與差異性；詳細評估DGT技術在預測植物吸收磷和金屬（類金屬）的效果；并基于以上內容，對DGT技術在植物有效性方面的應用進行總結和展望。

1 DGT技術基本原理

DGT是基于Fick第一擴散定律開發(fā)的污染物原位研究技術，其由最內側的吸附層、覆蓋于其上的特定厚度擴散層、起保護作用的濾膜組成[9-11]。吸附膜中的吸附材料與特定的磷和金屬（類金屬）有很強的結合能力，溶液中的待測物透過擴散膜到達吸附膜后立即被吸附而消耗，在擴散層-吸附層界面上濃度降為零，從而形成了貫穿整個擴散層的濃度梯度[8]。這一濃度梯度驅動著待測物以一定通量從擴散層外側的環(huán)境介質向擴散層內側的吸附層不斷擴散?；贔ick第一定律，則待測物的擴散通量為：

式中：D為待測物質在擴散膜中的擴散系數(shù)；C為待測物質在溶液中的濃度；C1為待測物質在吸附膠與擴散膠界面處的濃度；Δg為擴散膠的厚度。在吸附膠飽和之前，C1等于 0。因此，式（1）可以轉化為式（2）：

通量F也可以表述為：

式中：M為待測物質在吸附膠中的積累量；A為DGT裝置窗口的面積；t為吸附時間。將式（3）帶入式（2）得到：

圖1 DGT和土壤溶液測得的土壤中元素形態(tài)（改編自Davison[16]和Luo等[17]）Figure1 Soil componentsaccessed by diffusivegradientsin thin-films（DGT）and soil solution measurements（Adopted from Davison[16]and Luo et al[17]）

DGT在測定無機物時，通常認為只有自由離子能被吸附層吸附[12-13]。當環(huán)境介質中的自由離子持續(xù)遷移并積累到吸附層上，就需要從動力學角度考慮環(huán)境介質中其他絡合物對自由離子的補充[14]。當自由離子被DGT吸附引起靠近DGT裝置區(qū)域的濃度下降，環(huán)境介質溶液中原有的平衡被打破時，與有機物等配體絡合的相應元素就會發(fā)生解離，以維持溶液中原有的自由離子濃度。同時，動態(tài)交換過程也發(fā)生在溶液和固相之間[15]。這兩種方式供給自由離子的能力取決于待測物解離或解吸的速率。當配合物解離或固相解吸釋放自由離子的速率足夠快時，被固相吸附的相應元素就會對溶液起到很強的緩沖作用，自由離子濃度的降低也就非常少，溶液保持了原有的平衡狀態(tài)。如果自由離子釋放的速率很慢，DGT界面附近的自由離子濃度逐漸降低，則會改變系統(tǒng)的平衡狀態(tài)，使得系統(tǒng)中的化學平衡向解離或解吸出自由離子的方向移動[16]。圖1以土壤為例說明了這一過程。最終，環(huán)境介質中的自由離子以及能夠快速從固相和絡合態(tài)解離的形態(tài)，即為DGT測量得到的有效態(tài)。

圖2 植物吸收機制示意圖（改編自Davison[16]和Degryse等[22]）Figure 2 Schematic diagramof plant uptake mechanisms（Adopted from Davison[16]and Degryse et al[22]）

2 DGT與植物吸收機制

2.1 植物與DGT吸收磷和金屬離子過程的比較

理解植物吸收磷以及金屬（類金屬）離子的相關機制和平衡模型（Equilibriummodels），是對比DGT測量得到的有效態(tài)濃度與植物吸收的濃度的前提。相比于溶液中的溶質以擴散形式供應的速率，如果植物吸收自由離子的速率非常緩慢，那么吸收過程對該區(qū)域內元素形態(tài)分布的擾動就微乎其微，生物膜表面自由離子的濃度也不會降低，整個體系的平衡未被打破。這種情況下限速的是生物吸收的速率，該情況通常被稱為自由離子活度模型（FIAM），吸收量與自由離子活度成正比[18]。這個模型適用于許多浮游植物的吸收過程。生物配體模型（BLM）在FIAM的基礎上考慮了競爭離子的影響，該模型認為，待吸收的離子需首先結合在生物膜表面的結合位點，進而被植物體吸收，而環(huán)境介質中Ca2+等其他離子會與目標離子競爭這些結合位點，導致植物體對目標離子的吸收通量下降。如果環(huán)境中存在能夠解離出目標離子的絡合物，則這些絡合物解離出的離子也對擴散通量有貢獻，該離子總的擴散通量將會提高。圖2a以示意圖的形式描述了這一模型。BLM成功預測了許多水生生物對金屬的吸收[19-20]?？偟膩碚f，F(xiàn)IAM和BLM適用的情況僅限于體系中供給的自由離子流量大于生物吸收的流量，即溶液所受的擾動可被忽略的情況。

如果生物吸收速率非常快，溶質擴散的速率相對很慢，生物膜表面自由離子的濃度就會降低，進而溶液平衡被打破，此時溶質擴散的速率是植物吸收待測物的限速步驟。這種情況下，生物膜表面自由離子的濃度幾乎為零，因此形成了從溶液主體到生物膜表面的濃度梯度，這與DGT技術的原理非常相似[16]。在形成濃度梯度的區(qū)域，自由離子濃度低于主體溶液，配合物發(fā)生解離，其產生的自由離子也對供應植物吸收的流量有所貢獻。不同植物平衡模型下，系統(tǒng)中自由離子濃度與通過生物膜的待測物通量的關系如圖2b所示，簡要來說，如果環(huán)境介質通過擴散提供的自由離子通量高于植物的吸收能力，那么植物吸收的限制因素為植物自身，如果植物自身所能達到的最大吸收通量高于環(huán)境介質能提供的最高的自由離子擴散通量，那么擴散通量則成為吸收過程的限制因素。上述討論表明，被化學方法測定的有效態(tài)不一定全部被植物吸收，而是包括了潛在的植物有效性部分，僅當生物吸收速率非?？鞎r有效態(tài)才能全部被吸收[21]。

2.2 擴散層對DGT模擬植物吸收的影響

DGT有效態(tài)不是指某些固定的形態(tài)，除了自由離子，還包括在一定時間內能夠解離出自由離子的形態(tài)。這個時間范圍主要是由DGT擴散層厚度決定的。只有在絡合物穿過擴散膜到達吸附膜的這段時間內能夠解離的部分才對DGT所測的通量有貢獻。同樣地，在植物吸收過程受擴散限制的情況下，只有在絡合物穿過生物膜外側的濃度梯度區(qū)域到達生物膜表面的這段時間內，解離出的自由離子形態(tài)，才能被植物吸收，即對擴散通量有貢獻。在擴散控制的條件下，相似的擴散層厚度意味著相近的擴散時間。擴散層厚度相近可以更準確地反映擴散控制條件下植物吸收元素的真實情況。van Leeuwen等[21]發(fā)現(xiàn)，相比于比其他動力學技術，DGT的擴散層與植物擴散層的相似程度尤其高。需要注意的是，雖然某些情況下DGT擴散通量與植物吸收通量相似，但二者也非完全吻合，主要因為：（1）不同的土壤水分含量；（2）CDGT一定程度上受放置時間的影響；（3）DGT與根系幾何形狀不同；（4）植物誘導的根際變化[22]。

3 DGT在植物吸收機制研究方面的應用

FIAM或BLM模型適用于模擬水體中植物體對磷及金屬元素的緩慢吸收，而DGT作為基于擴散的動力學技術，適用于模擬植物體吸收速率較快、擴散補給是限速過程的情況。DGT測得的有效態(tài)濃度與植物吸收的實際濃度之間的關系是推導植物對磷和金屬吸收機制的關鍵證據。

Degryse等[23-24]將DGT用于陸生植物水培實驗，探究菠菜對Cd的吸收機制。水培實驗中，向Cd溶液加入不同濃度的合成配體，同時保持自由離子濃度和總濃度不變，測定菠菜對Cd的吸收。結果顯示菠菜對Cd的吸收量隨離解速率增加而上升，并與DGT測定結果相關性良好，證明這一體系下菠菜對Cd的吸收受擴散作用限制，此時FIAM等模型不適用于模擬植物的吸收過程。對油菜籽的實驗也得到了類似的結果。Oporto等[25]對比了在不同濃度Cd溶液下DGT對菠菜吸收Cd能力的預測情況。低濃度（1 nmol·L-1）Cd2+條件下，氯配合物的存在增加了菠菜吸收的通量，但高濃度（1 μmol·L-1）Cd2+條件下菠菜對 Cd 的吸收未受氯配合物的影響。DGT可以較好地模擬低濃度Cd2+條件下菠菜對Cd的吸收。這證明了在低濃度的Cd2+條件下植物對Cd的吸收過程主要受擴散限制，而高濃度Cd2+條件下植物的吸收速率已經達到飽和，對Cd的吸收主要受自身吸收速率的限制。將DGT應用于番茄和菠菜對Cd和Ni吸收的實驗發(fā)現(xiàn)，DGT可解離的配合物（Labile complex）的存在增大了植物對Cd的吸收，但對Ni沒有影響。證實在環(huán)境相關濃度下，番茄和菠菜對Cd吸收受擴散控制，而Ni則相反[24]。Wang等[26]研究小麥對Zn的吸收機制采用了微分脈沖陽極溶出伏安法（DPASV）和DGT兩種動力學方法，發(fā)現(xiàn)二者與植物吸收均有很好的相關性，驗證了擴散作用對小麥吸收Zn的控制作用。

Luo等[17]在土培條件下研究了超富集植物和非超富集植物對Cd和Ni的吸收機制，探究植物中Cd和Ni的含量與DGT測定的有效態(tài)濃度的相關性。研究結果顯示，超富集植物對Ni的吸收受擴散過程控制，非超富集植物對Ni的吸收受植物吸收能力的控制，而兩種植物對Cd的吸收均受擴散過程的控制。Luo等[2]進一步研究小蘿卜對13種土壤中Ni的吸收與3種方法（DGT、土壤溶液、Ni2+）的相關性。研究發(fā)現(xiàn)低濃度下只有DGT與小蘿卜體內Ni濃度有較好的相關性，說明此時Ni的吸收受擴散控制，而高濃度下這3種方法均與小蘿卜體內Ni濃度相關性較高，此結果表明當植物吸收量與DGT有效態(tài)濃度相關性較好時，不能完全證明植物對目標物質的吸收受擴散過程控制，可能是因為二者恰好具有相似的吸收通量。

4 DGT在評價陸生植物有效性方面的應用

當DGT技術應用于土壤中有效態(tài)濃度的分析，其綜合考慮了土壤溶液中目標物質的交換與擴散過程，以及目標物質從土壤固相向液相補給的動態(tài)平衡[2,27]。DGT裝置放置于土壤中后，臨近DGT暴露窗口區(qū)域的土壤溶液中目標物質濃度開始降低，體系中原有的平衡狀態(tài)受到了擾動。此時，土壤固相中可交換態(tài)的目標物質釋放出來，向土壤溶液補給，同時，土壤溶液中的配合物也發(fā)生解離，這兩個過程產生的自由離子均會對DGT的吸收通量做出貢獻。已有文獻[22,28]從模型角度對植物吸收量和DGT測定的有效態(tài)濃度相似之處進行討論。簡言之，有兩種典型情況：（1）土壤溶液中目標物質的濃度很低，植物需求高，在界面上目標物質濃度不斷下降，此時DGT測定的有效態(tài)濃度與植物吸收量存在較好的相關性，該情況一般發(fā)生于土壤中微量元素含量不足時；（2）植物需求低，土壤溶液中目標物質濃度高，界面上目標物質濃度變化很小，此時DGT測定的有效態(tài)濃度可能與植物吸收量的相關性較差，該情況一般發(fā)生于土壤污染程度較高并對植物產生毒害作用時[29]。

在土壤環(huán)境中利用DGT研究生物有效性時，DGT測得的濃度數(shù)據有兩種表達方式，即CDGT和CE。如前所述，CDGT反映了一段時間內DGT-土壤界面上的平均濃度，包括瞬時界面濃度下降后通過土壤固相解吸出的離子。土壤固相對土壤溶液活性物質的補充能力受多方面因素的影響，比如目標物質自身特性（吸附能力和擴散能力）和土壤性質（土壤曲折度、土壤密度）等。因此，土壤固相對活性物質的補充能力存在兩種極端情況：完全持續(xù)型和單擴散型[30]。完全持續(xù)型指土壤固相補充待測物質的速率足夠快且不會衰竭，此時DGT-土壤界面上的濃度則不會下降，CDGT與土壤溶液初始的瞬時濃度非常接近。單擴散型指土壤固相對土壤溶液待測物質的補充能力非常弱，當DGT-土壤界面上的待測物質被移除后，只能靠遠離該界面的高濃度土壤溶液以擴散的方式補充到DGT-土壤界面。介于兩種之間的被稱為部分持續(xù)型。為了考察土壤固相和土壤溶液中全部能被有效利用的待測物質濃度，DGT用于研究土壤環(huán)境時常使用有效濃度CE這一概念[31]。

式中：Rdiff指土壤中只存在溶液擴散補充而沒有固相補充的情況下，DGT-土壤理論界面濃度與土壤溶液濃度的比值。Rdiff取決于土壤性質，可以通過2DDIFS模型（2DDGTinduced fluxesin soils）計算得到。通過Rdiff對CDGT進行校正，得到土壤中全部能被有效利用的待測物質濃度。一般情況下，CE和CDGT有很強的相關性。

DGT以及其他方法對磷和金屬植物有效性的評估效果已被廣泛探討（表1）。大多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)DGT測定的有效態(tài)濃度與植物體內的金屬和磷濃度有較好的相關性，但也有一些例外。Nawara等[32]用包括DGT在內的5種方法預測了十余種長期田間試驗土壤中磷的生物有效性，并將這些方法分為預測土壤有效態(tài)磷的總量（Q）和強度（I）兩類，發(fā)現(xiàn)以DGT為代表的I方法與Q方法相比沒有明顯優(yōu)勢。Dai等[33]比較了DGT、化學提取法和總量法預測Cd植物有效性的效果，發(fā)現(xiàn)雖然DGT與植物體內Cd含量相關性略高于其他方法，但各方法預測效果均受土壤性質的影響。Zhang等[34]發(fā)現(xiàn)DGT有效態(tài)金屬（Cd、Cu、Ni、Pb、Zn）與小白菜體內金屬含量并未取得很好的相關性，同時，該研究將金屬吸收過程分為吸附在根表、根表轉移至根內、根部轉運至地上部分等幾個步驟進行預測，得到了很好的結果，由此可見金屬吸收過程受復雜的生物因素影響，而DGT無法反映生物因素對植物有效性的影響。根據DGT技術預測植物吸收元素的案例對比，可以發(fā)現(xiàn)當土壤過程作為限制因素影響植物吸收的時候，DGT技術相對其他方法能夠比較好地反映植物吸收，這也說明DGT技術比其他化學方法能更好地研究磷和金屬的土壤動力學過程，并反映其對植物有效性的影響。

此外，DGT技術作為一種研究溶質一維或二維空間分布的工具，能夠構建高度異質性的土壤-根系界面的高分辨率（≤mm）剖面圖，可以顯示出土壤亞毫米結構范圍內的地球化學反應[35]。通過聯(lián)用平面光極等二維高分辨技術獲取環(huán)境參數(shù)的二維分布信息，可以進一步解釋磷和金屬（類金屬）與植物相互作用的機制[36]。

5 DGT在評價水生植物有效性方面的應用

目前，水體環(huán)境中磷和金屬（類金屬）的生物有效性評價多采用BLM和FIAM模型，用DGT評價生物有效性的研究遠少于土壤，利用DGT對水生植物有效性進行評價的結果也不甚一致。DGT和中空纖維滲透液膜（HFPLM）（自由離子）預測黑海綠藻（Chlorella salina）對 Cd、Cu、Ni和 Pb 的吸收均取得了較好的結果[37]。Schintu等[38]研究了地中海沿岸5個采樣點的藻類對金屬的吸收，發(fā)現(xiàn)只有Pb對Padina pavonica L.的生物有效性與DGT測定值有顯著相關。水生苔蘚（Fontinalis antipyretica）的中宇宙研究[39]發(fā)現(xiàn)DGT對苔蘚吸收Cu的預測比Cu2+選擇電極好，這可能反映了與自由離子活性相比，將DGT與陽離子競爭模型相結合是預測水生植物吸收磷和金屬的相對較好的方法。然而在野外實驗中，DGT與水生苔蘚中多種金屬濃度并無顯著相關性，這可能是因為野外生長的苔蘚中含有特定的顆粒狀金屬，無法透過擴散層而被DGT測到。

在沉積物環(huán)境中，DGT多被用于對動物體（雙殼類、螺類等）生物有效性的評估[40-42]，實驗室和野外應用的對比研究取得了較好的效果。Ren等[43]探討了DGT與BCR提取法的關系，認為DGT具有評價沉積物中植物有效性的潛力。Song等[44]利用DGT研究了河流系統(tǒng)的沉積物上生長的蘆葦（Phragmites australis）對多種金屬和類金屬的生物累積，發(fā)現(xiàn)DGT測得的沉積物中有效態(tài)濃度與蘆葦體內累積的Cr、Zn、Cu、Cd有很強的相關性，而與As相關性很弱。利用DGT對水生植物Zizania latifolia和Myriophyllum verticiilaturn 體內和沉積物中的 P、Cu、Cd、Pb、Zn 的研究表明，DGT能夠提供沉積物中植物吸收磷和金屬（類金屬）的原位、動力學信息，從動力學角度證明DGT能夠預測沉積物中水生植物有效性[45-46]。

表1 植物體內含量與土壤測定方法（包括DGT）關系（在Zhang等[7]基礎上補充）Table 1 Publicationsreportingrelationships between elements in plant and soil measurements,including DGT（Adopted from Zhang et al[7]）

此外，已有研究初步發(fā)現(xiàn)了DGT在污水處理廠脫水污泥[70]等環(huán)境介質中評價植物有效性的潛力。

6 展望

由于DGT技術有基于動力學的元素形態(tài)分析能力，其在測量元素的植物生物有效性方面有獨特的優(yōu)勢，能更好地研究磷和金屬（類金屬）的植物有效性。通過探討植物吸收過程引起的元素形態(tài)變化的動力學過程，DGT可以作為深入揭示植物吸收磷和金屬（類金屬）等物質的化學和生物學機理的工具之一。通過結合生態(tài)毒理學研究手段和模型，可以進一步建立和推廣以DGT為基礎的普適的土壤環(huán)境質量評價體系。

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