周 松，楊健豪，晏士瑋，閆玥童，張玲玉，葉文玲

(安徽農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，合肥 230036)

重金屬對土壤的污染及危害不容忽視，盡管土壤具有使重金屬移動和削弱重金屬的生物有效性等天然機制能力，如沉淀、吸附及氧化還原反應等[1]。但是當土壤中重金屬的濃度足夠高時，土壤自身無法完全消除重金屬帶來的潛在危害，可能直接導致農(nóng)產(chǎn)品或地下水受到污染，進而通過食物鏈等富集作用危害人體健康。因此有必要采取措施修復受到重金屬污染的土壤。

土壤有機酸是廣泛存在于水體和土壤中的一種有機組分。Strom等[2]指出土壤中有機酸濃度在1.00～100.00 mmol/kg。當有機酸在土壤中合成時，一部分有機酸經(jīng)過進一步代謝轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌幕衔?，另一部分有機酸則吸附在土壤膠體上，因此很難完全計算土壤中有機酸的實時總量。

有研究指出，有機酸的羧基官能團可以釋放質(zhì)子，使自身顯負電荷，從而對陽離子表現(xiàn)出很高的絡合親和力；同時，金屬與有機酸的絡合作用影響著金屬的形態(tài)、毒性及生物利用度，并促進其遷移或轉(zhuǎn)運[3]。在堿性土壤中植物生長實驗發(fā)現(xiàn)，外源有機酸的添加有利于鎘污染土壤的修復，并且施加量為1.00 mmol/kg的乙酸修復效果最好[4]。此外，根際有機酸的金屬解毒作用尤為突出。自然狀態(tài)中的不同植物，如高粱、玉米、大豆及水稻等遭受鋁脅迫時，通過根系分泌的有機酸與鋁螯合，進而減輕或避免鋁毒的迫害[5]。

近年有研究揭示了根際有機酸在影響土壤重金屬的化學行為及其生物有效性方面的重要性。但各項研究往往比較片面，缺乏系統(tǒng)性，因此有必要用更全面的方法來理解有機酸的作用，尤其是關(guān)于重金屬污染的方面。綜述主要是討論土壤有機酸、特別是根際有機酸對土壤重金屬環(huán)境行為的作用，為今后有機酸治理與修復重金屬污染土壤等方面提供更多的理論支持與技術(shù)依據(jù)。

1 土壤有機酸

1.1 土壤中有機酸的來源及種類

土壤有機酸的種類按分子量高低大致可分為低分子量有機酸(如草酸、乙酸和蘋果酸等)和高分子量有機酸(主要是腐殖酸和富里酸)[6]。土壤有機酸來源主要分為3類，即植物根系分泌、微生物代謝和有機質(zhì)分解。高分子量有機酸主要通過有機質(zhì)分解(如有機改良劑和土壤有機質(zhì))產(chǎn)生，而低分子量有機酸可以通過植物根系分泌物、微生物代謝產(chǎn)物或有機質(zhì)分解產(chǎn)物在土壤中富集。

上層土壤中有機質(zhì)(包括動植物殘體、排泄物等)的分解可以產(chǎn)生有機酸。在對植物凋落物的研究中，Lasota等[7]指出其分解釋放的低分子量有機酸主要包括檸檬酸和蘋果酸。此外，在有機質(zhì)的分解過程中，釋放的低分子量有機酸還包括烏頭酸、甲酸、乳酸、馬來酸、丙二酸、琥珀酸、富馬酸及酒石酸等[8]。此外，土壤微生物(包括細菌和真菌)本身產(chǎn)生并釋放的有機酸種類也很豐富，包括甲酸、檸檬酸、乙酸、草酸、乳酸、丙二酸和琥珀酸等。例如，Alonso等[9]報道了多種微生物可以產(chǎn)生琥珀酸、蘋果酸和丁酸。

已有研究表明，植物根系釋放的有機酸是土壤中有機酸的主要來源。植物根系釋放的有機酸主要包括甲酸、乙酸、檸檬酸、草酸、蘋果酸、酒石酸、丙二酸、延胡索酸和琥珀酸等[8]。Strom 等[2]指出玉米根際土壤中的有機酸含量高于非根際土壤有機酸的含量。Cieslinski等[10]指出低分子量有機酸濃度在硬粒小麥的根際中達到953.60 μmol/kg，而非根際土壤中極少、甚至不存在低分子量有機酸。類似的，鷹嘴豆根際土壤中可提取有機酸(檸檬酸、草酸和蘋果酸)的含量在0.01～8.40 μmol/kg[11]，顯著高于非根際土壤中有機酸的含量。此外，土壤有機酸的種類及來源等詳細信息，通過對相關(guān)文獻材料進行匯總整理(表1)。

表1 土壤有機酸的來源、種類

1.2 有機酸分泌差異化的影響因素

土壤有機酸的產(chǎn)生受到諸多生物因素和非生物因素的影響，如有機酸來源的差異、氣候條件、營養(yǎng)條件和金屬毒性等。土壤有機質(zhì)與微生物分泌有機酸產(chǎn)生差異化的原因主要受自身屬性的約束，然而為了適應非生物和生物脅迫，外界條件的刺激有時也發(fā)揮著重要的作用。Adeleke等[6]報道了芽孢桿菌受到鋁脅迫時會分泌更多的乳酸。

與土壤有機質(zhì)和微生物相比，植物根系有機酸分泌差異化的原因更為多樣。首先，植物根系分泌的有機酸會因植株品種不同和植物所處生長發(fā)育階段等因素而存在差異。在相同的處理條件下，34個不同品種的蘋果總有機酸的產(chǎn)生量最大相差近40倍[12]。此外，植物根系有機酸的分泌還受到氣候變化的影響。在灌木林和原生林植物分泌有機酸差異的研究中發(fā)現(xiàn)，無論是根際土還是非根際土，其分泌的草酸含量均是雨季大于旱季，而蘋果酸和乙酸含量則是旱季大于雨季[13]。金屬毒性對植物根系分泌有機酸的影響則更為普遍。從植物根中排出的有機酸提高了土壤養(yǎng)分的有效性，并保護植物免受重金屬的傷害[14]。此外，土壤性質(zhì)(包括土壤養(yǎng)分、土壤水分及土壤類型)及溫度也都與植物根系分泌有機酸的差異化保持著密切聯(lián)系。

2 有機酸對重金屬化學行為與生物有效性影響機理

2.1 根系有機酸對土壤酸堿度的影響

土壤酸堿度一直被認為是調(diào)節(jié)土壤重金屬分布、養(yǎng)分可用性和土壤微生物活動的主要因素之一[15]。因此，在評估根系有機酸對土壤理化性質(zhì)的影響時，土壤酸堿度的變化就顯得極為重要。植物根系分泌的有機酸能從其羧基上解離出H+，從而對土壤酸堿度、土壤環(huán)境變化和根際生化過程會產(chǎn)生一定的影響。

2.2 根系有機酸對重金屬的作用

植物根際分泌的有機酸多為分子量低于200的低分子量有機酸(LMWOAs)。該類有機酸可通過生物或非生物(化學)作用來改變重金屬在環(huán)境中的賦存形態(tài)，從而影響重金屬的生物有效性。水稻根際有機酸對土壤中重金屬化學行為及生物有效性具體的影響機制如圖1所示。

圖1 水稻根際有機酸對土壤中重金屬化學行為及生物有效性的影響機制

2.2.1 非生物作用

(1)根系有機酸對重金屬形態(tài)的影響。一般來說，重金屬在土壤中的存在形態(tài)被劃分為5類，即可交換態(tài)、殘渣態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、有機物結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化結(jié)合態(tài)。而植物根際分泌的有機酸作為植物分泌物中一種重要成分，對根際環(huán)境中重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化的作用不容忽視。檸檬酸能通過和Pb形成表面有機絡合物，從而促進水稻土中鉛的吸附[18]。李坤[19]也發(fā)現(xiàn)草酸能夠提高土壤中有效態(tài)砷的含量，通過持續(xù)降低O-As含量，提高Al-As和Fe-As含量，從而提高土壤中砷的活性。

(2)根系有機酸對重金屬生物有效性的影響。根系有機酸對土壤礦物的作用已有研究，主要集中在根系有機酸通過酸化、絡合及交換作用來釋放土壤礦物中的重金屬。植物根系分泌有機酸與重金屬的相互作用如圖2所示。

圖2 植物根系分泌有機酸與重金屬的相互作用(非生物作用)

土壤中的重金屬一般以難溶態(tài)存在，根系有機酸通過對土壤礦物的酸化作用，使大多數(shù)金屬變得可溶，并被釋放到土壤溶液中。

此外，由于根系有機酸具有一個或多個羥基、氨基或羧基等活性官能團，因而可在根-土界面與金屬離子產(chǎn)生良好的絡合-解離作用或參與土壤基質(zhì)的陰離子置換，植物可通過這一過程達到活化土壤營養(yǎng)物質(zhì)或金屬解毒的目的。檸檬酸與蘋果酸作為鐵的強絡合物，能夠有效地活化土壤中的Fe[20]。除此之外，植物也會通過釋放有機酸來應對重金屬脅迫，鋁解毒機制就具有代表性。一些抗鋁作物已經(jīng)被證實可以通過釋放有機酸來緩解鋁的毒害作用[5]。

再者，根系有機酸可以通過吸附和絡合作用與重金屬離子形成金屬-有機物絡合物，繼而抑制土壤礦物質(zhì)對重金屬離子的吸附作用，增強重金屬離子的遷移能力和活性。Krishnamurti等[21]證明根系有機酸能與Cd形成絡合物，進而影響不同土壤根際中Cd的釋放,并改變Cd在土壤中的溶解度?？軜酚碌萚22]也報道了蘋果酸和甲酸對土壤中的 Cu、Mn、Zn和Pb 4種重金屬具有較強的釋放能力。然而，吳江彤等[20]通過紅外光譜發(fā)現(xiàn)，檸檬酸和重金屬在針鐵礦表面有可能形成的三元配合物，從而促進了金屬在針鐵礦表面的吸附。

不僅如此，根系有機酸還可以通過與大多數(shù)吸附在土壤膠體上的礦物質(zhì)(包括重金屬)競爭并取代它們。根系有機酸與重金屬的相互作用也受到根系有機酸濃度和種類、土壤理化性質(zhì)和重金屬形態(tài)等因素的影響。沈美紅等[23]指出，檸檬酸對土壤中Pb、Cd、Cu及Zn等金屬離子都有很好的解吸能力，進而引起金屬離子在土壤固-液兩相中向液相移動。

根系分泌物是土壤與植物相互作用的重要媒介，根系有機酸作為根系分泌物中重要的組成部分，在調(diào)節(jié)根際范圍生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)平衡中起到重要作用，尤其是植物在缺少營養(yǎng)成分和應對重金屬脅迫的過程中發(fā)揮難以替代的生態(tài)功能。

2.2.2 生物作用

微生物在土壤生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要角色，尤其是在植物根際的微生態(tài)體系中體現(xiàn)得更加明顯。植物通過向根際環(huán)境中釋放根系分泌物，來為根際環(huán)境中的微生物提供營養(yǎng)物質(zhì)。柏佳等[24]報道，檸檬酸處理的河潮土中細菌和真菌數(shù)量分別增加34.38%和68.42%，草酸處理的紅黃泥中放線菌數(shù)量增加了150.00%。Sandra等[25]也發(fā)現(xiàn)有機酸(特別是乳酸、草酸及檸檬酸)對微生物的刺激作用，土壤微生物利用這3種酸(乳酸、草酸及檸檬酸)作為碳源和能量源，可以快速且完全地代謝這3種酸。

土壤微生物往往可以作為根系有機酸-重金屬相互作用體系的中間體，在土壤體系中重金屬的形態(tài)或價態(tài)改變上起到至關(guān)重要的作用。在部分土壤微生物為應對重金屬脅迫而自發(fā)進行的代謝過程中，重金屬的形態(tài)和價態(tài)可能會發(fā)生變化。微生物與砷長期共存而進化出的砷代謝機制(包括砷還原、砷氧化和砷甲基化)證實了該觀點[26]。

此外，微生物也能利用有機酸作為電子供體耦合其他無機或有機物質(zhì)來為自身生長提供能量并改變重金屬的形態(tài)或作為電子穿梭體加速重金屬的形態(tài)變化過程。以異化砷還原微生物為例，Ahmann等[27]報道的砷呼吸菌MIT-13菌株，能夠以乳酸為電子供體、As(V)為電子受體進行代謝，使As(V)還原為As(Ⅲ)，并從中獲得能量。Wang等[28]研究發(fā)現(xiàn)，乙酸鹽和乳酸鹽雖不會明顯地影響氧化還原電位，但它們?yōu)槲⑸锷L提供碳源或電子供體，從而促進特定微生物種群(如Desulfomicrobium,Acetobacterium和Fusibacter)釋放砷。Zhao等[29]實驗結(jié)果也表明，利用模擬根系分泌物MRE(主要成分是草酸鹽和乙酸鹽)處理汞污染稻田，顯著提高甲基汞的產(chǎn)量，其中有機酸可作為電子供體來提高微生物的汞甲基化率。有機酸作為電子供體和電子穿梭體對重金屬的影響研究還有待進一步拓展。

3 結(jié)語與展望

由于人類活動的影響，土壤重金屬污染問題受到關(guān)注，隨著探索深入，除了已經(jīng)得到推廣與使用的解決方法與措施之外，土壤有機酸，尤其是根際有機酸在修復與治理重金屬污染土壤方面展現(xiàn)出巨大的潛力與優(yōu)勢。土壤有機酸廣泛存在于土壤環(huán)境中，根據(jù)分子量與結(jié)構(gòu)的不同又分為眾多種類；此外，復雜的土壤環(huán)境也使得土壤中有機酸的產(chǎn)生與數(shù)量存在一定的差異。土壤有機酸依據(jù)自身的特征屬性，不但能改變所處環(huán)境的pH值，更重要的是可以通過生物或非生物作用在影響重金屬的化學行為及生物有效性方面發(fā)揮著不可忽視的作用。如今，針對土壤有機酸的探討已經(jīng)開展了很多行動，人們對土壤有機酸的認知也越來越立體；但還需要在一些方面進行更深入、更系統(tǒng)的研究，如土壤有機酸是否還存在新的結(jié)構(gòu)與種類？土壤有機酸是否還存在新的來源？土壤有機酸對所處環(huán)境Eh值的影響、土壤有機酸通過生物作用對重金屬的影響及其具體機理的研究都還存在很多的不足。此外，土壤有機酸對土壤中有機污染物質(zhì)以及對有機-重金屬復合污染土壤的作用和機理等方面的研究依然還存在很多的空白需要填補與充實。