根際有機(jī)酸對土壤中重金屬化學(xué)行為和生物有效性的影響研究進(jìn)展

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(xué) 資源與環(huán)境學(xué)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(jī)制能力，如沉淀、吸附及氧化還原反應(yīng)等[1]。但是當(dāng)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(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品或地下水受到污染，進(jìn)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(fù)受到重金屬污染的土壤。

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

有研究指出，有機(jī)酸的羧基官能團(tuán)可以釋放質(zhì)子，使自身顯負(fù)電荷，從而對陽離子表現(xiàn)出很高的絡(luò)合親和力；同時，金屬與有機(jī)酸的絡(luò)合作用影響著金屬的形態(tài)、毒性及生物利用度，并促進(jìn)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(jī)酸的添加有利于鎘污染土壤的修復(fù)，并且施加量為1.00 mmol/kg的乙酸修復(fù)效果最好[4]。此外，根際有機(jī)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(jī)酸與鋁螯合，進(jìn)而減輕或避免鋁毒的迫害[5]。

近年有研究揭示了根際有機(jī)酸在影響土壤重金屬的化學(xué)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(jī)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(jī)酸、特別是根際有機(jī)酸對土壤重金屬環(huán)境行為的作用，為今后有機(jī)酸治理與修復(fù)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(jī)酸

1.1 土壤中有機(jī)酸的來源及種類

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

上層土壤中有機(jī)質(zhì)(包括動植物殘體、排泄物等)的分解可以產(chǎn)生有機(jī)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(jī)酸主要包括檸檬酸和蘋果酸。此外，在有機(jī)質(zhì)的分解過程中，釋放的低分子量有機(jī)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(xì)菌和真菌)本身產(chǎn)生并釋放的有機(jī)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(jī)酸是土壤中有機(jī)酸的主要來源。植物根系釋放的有機(jī)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(jī)酸含量高于非根際土壤有機(jī)酸的含量。Cieslinski等[10]指出低分子量有機(jī)酸濃度在硬粒小麥的根際中達(dá)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(jī)酸。類似的，鷹嘴豆根際土壤中可提取有機(jī)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(jī)酸的含量。此外，土壤有機(jī)酸的種類及來源等詳細(xì)信息，通過對相關(guān)文獻(xiàn)材料進(jìn)行匯總整理(表1)。

表1 土壤有機(jī)酸的來源、種類

1.2 有機(jī)酸分泌差異化的影響因素

土壤有機(jī)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(jī)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(jī)質(zhì)與微生物分泌有機(jī)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(yīng)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(jī)質(zhì)和微生物相比，植物根系有機(jī)酸分泌差異化的原因更為多樣。首先，植物根系分泌的有機(jī)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(jī)酸的產(chǎn)生量最大相差近40倍[12]。此外，植物根系有機(jī)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(jī)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(jī)酸的影響則更為普遍。從植物根中排出的有機(jī)酸提高了土壤養(yǎng)分的有效性，并保護(hù)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(jī)酸的差異化保持著密切聯(lián)系。

2 有機(jī)酸對重金屬化學(xué)行為與生物有效性影響機(jī)理

2.1 根系有機(jī)酸對土壤酸堿度的影響

土壤酸堿度一直被認(rèn)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(jī)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(jī)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(jī)酸對重金屬的作用

植物根際分泌的有機(jī)酸多為分子量低于200的低分子量有機(jī)酸(LMWOAs)。該類有機(jī)酸可通過生物或非生物(化學(xué))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(jī)酸對土壤中重金屬化學(xué)行為及生物有效性具體的影響機(jī)制如圖1所示。

圖1 水稻根際有機(jī)酸對土壤中重金屬化學(xué)行為及生物有效性的影響機(jī)制

2.2.1 非生物作用

(1)根系有機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)絡(luò)合物，從而促進(jìn)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(jī)酸對重金屬生物有效性的影響。根系有機(jī)酸對土壤礦物的作用已有研究，主要集中在根系有機(jī)酸通過酸化、絡(luò)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)酸具有一個或多個羥基、氨基或羧基等活性官能團(tuán)，因而可在根-土界面與金屬離子產(chǎn)生良好的絡(luò)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(dá)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(qiáng)絡(luò)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(jī)酸來應(yīng)對重金屬脅迫，鋁解毒機(jī)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(jī)酸來緩解鋁的毒害作用[5]。

再者，根系有機(jī)酸可以通過吸附和絡(luò)合作用與重金屬離子形成金屬-有機(jī)物絡(luò)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(qiáng)重金屬離子的遷移能力和活性。Krishnamurti等[21]證明根系有機(jī)酸能與Cd形成絡(luò)合物，進(jìn)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(qiáng)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(jìn)了金屬在針鐵礦表面的吸附。

不僅如此，根系有機(jī)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(jī)酸與重金屬的相互作用也受到根系有機(jī)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(jìn)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(jī)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(yīng)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(xì)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(jī)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(jī)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(yīng)對重金屬脅迫而自發(fā)進(jìn)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(jìn)化出的砷代謝機(jī)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(jī)酸作為電子供體耦合其他無機(jī)或有機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)酸可作為電子供體來提高微生物的汞甲基化率。有機(jī)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(jìn)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(jī)酸，尤其是根際有機(jī)酸在修復(fù)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(jī)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(fù)雜的土壤環(huán)境也使得土壤中有機(jī)酸的產(chǎn)生與數(shù)量存在一定的差異。土壤有機(jī)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(xué)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(jī)酸的探討已經(jīng)開展了很多行動，人們對土壤有機(jī)酸的認(rèn)知也越來越立體；但還需要在一些方面進(jìn)行更深入、更系統(tǒng)的研究，如土壤有機(jī)酸是否還存在新的結(jié)構(gòu)與種類？土壤有機(jī)酸是否還存在新的來源？土壤有機(jī)酸對所處環(huán)境Eh值的影響、土壤有機(jī)酸通過生物作用對重金屬的影響及其具體機(jī)理的研究都還存在很多的不足。此外，土壤有機(jī)酸對土壤中有機(jī)污染物質(zhì)以及對有機(jī)-重金屬復(fù)合污染土壤的作用和機(jī)理等方面的研究依然還存在很多的空白需要填補(bǔ)與充實。