薄膜梯度擴散技術在重金屬植物有效性研究中的應用

郭連文，陳 宏，* ，姜玉花，張洋洋，薄 樂，勵建榮，*

(1.渤海大學化學化工與食品安全學院，渤海大學食品科學研究院，遼寧省食品安全重點實驗室，“食品貯藏加工及質量安全控制工程技術研究中心”遼寧省高校重大科技平臺，遼寧錦州121013;2.遼寧石化職業技術學院應用化學系，遼寧錦州121001)

土壤污染影響農產品安全，污染土壤的生態風險評價與早期預警已成為全球關注的熱點問題之一。重金屬具有親脂性、高富集性和難降解性，為環境優先污染物。重金屬污染不但對生態環境產生危害，影響植物生長和發育，而且還可以通過食物鏈進入人體，危害到人類的生存和健康。研究表明，重金屬污染物對植物的毒性主要取決于其賦存形態而不是總量［1］，何種形態的重金屬能夠表明土壤污染程度一直是難以回答的問題。重金屬植物有效性(Phytoavailability)是指重金屬能對植物產生毒性效應或被植物吸收的性質，包括毒性和植物可利用性［2］，被認為是衡量重金屬元素遷移性、植物可利用性和生態影響的關鍵參數［3］。在過去的十幾年里，許多研究者利用不同的分析方法和技術手段來預測植物中的重金屬含量［4－6］，如 Tessier等提出的連續提取法［5］，歐共體(現歐盟)標準物質局提出的三步提取法(BCR法)［6］等，但這些重金屬植物有效性分析方法往往都只是操作定義，化學萃取劑缺乏選擇性，各形態之間存在一定程度的重疊，提取過程中存在重金屬的再吸附與再分配問題，金屬離子被提取液溶解以后又被土壤吸附，而且缺乏對重金屬在環境中動態變化的研究。因此，建立基于重金屬形態、能夠模擬植物對重金屬的動態吸收過程、且所測定土壤中重金屬有效態與其植物有效性密切相關的科學表征土壤重金屬污染程度的分析評價方法已成為土壤生態風險評價與食品安全早期預警研究的當務之急。

由英國科學家Davison和Zhang于1994年發明的薄膜梯度擴散(Diffusive gradients in thin－films，DGT)技術是一種新型的原位被動采樣技術，能富集被監測物質，并能根據被監測物質的富集量定量測定環境中該物質的有效態濃度，是目前較為理想的元素形態采集和分析的方法［7－10］，已廣泛地應用到天然水體、土壤、沉積物間隙水中重金屬形態的采集與測量［11－22］。DGT技術可以通過模擬植物對重金屬的吸收過程來進行重金屬植物有效性研究，可用于研究重金屬形態與重金屬可被植物吸收程度的相關性［23－28］。本文就DGT技術在重金屬植物有效性研究中的應用進行了綜述。

1 DGT技術用于重金屬形態分析的原理與機理

DGT裝置主要由擴散相和結合相兩部分組成［29］:擴散相是DGT技術定量的基礎，主要由含有一定孔徑的水凝膠或半透膜構成;結合相是由帶有能提供配位電子對的官能團的高分子化合物構成，其作用是配位擴散過來的金屬，使擴散相與結合相間的金屬濃度降至最低。DGT技術以Fick第一擴散定律為理論基礎［29］。結合相被厚度為Δg的擴散相與本體溶液分開，離子的傳輸僅僅通過面積為A的擴散相進行。在時間t內，金屬離子從擴散相到結合相的擴散量(M)可以表達為:

式中:D為金屬離子在擴散相的擴散系數，Cb為本體溶液中金屬離子濃度。

通過測定結合相中被測金屬的量M，便可確定本體溶液中金屬離子濃度Cb。

擴散系數是影響DGT技術準確測量的關鍵因素［12］。此外，影響DGT分析的因素還包括被測組分與擴散相的相互作用、擴散邊緣層厚度、離子強度、pH以及固體結合相的洗脫效率等［8］。

由于本體溶液(如天然水、土壤溶液等)中存在多種絡合劑(L)，所形成金屬絡合物(ML)的穩定性各不相同，DGT測定金屬形態的機理也不相同。根據DGT結合劑(B)與ML的反應情況，DGT測定金屬形態的機理主要分為3種情況(圖1):活性反應;完全惰性反應;部分活性反應［17，30］。

第1種情況(圖1a):活性反應，金屬自由離子與結合劑的絡合反應速度很快，ML迅速離解后的金屬離子與B結合形成穩定絡合物(MB)。擴散相與結合相間M和ML的濃度均為零，而且在擴散層中形成了穩定的擴散梯度，DGT測量的是溶液中金屬M的所有形態的總濃度。

第2種情況(圖1b，圖1c):完全惰性反應，圖1b表示金屬絡合物ML幾乎不發生離解，且ML也不與B發生配體交換反應，只有M與B反應形成穩定絡合物MB;圖1c表示由于擴散膜的孔徑小，而ML分子體積較大，ML不能穿過擴散膜與結合劑反應。以上兩種情況 DGT只能測量 M的濃度，而檢測不到ML。

圖1 DGT對金屬(M)和絡合物(ML)的吸收過程以及它們與結合劑之間存在的反應［17，30］Fig.1 Schematic representation of concentration profiles for the DGT uptake of M and the complexes ML［17，30］

第3種情況(圖1d):部分活性反應，M可以迅速與B反應形成穩定絡合物MB，但ML卻只有部分與B發生反應。ML與B的配體交換反應程度主要取決于ML在擴散中的解離程度和ML與B的反應程度。ML離解程度受擴散膜厚度的影響，當其足夠厚時，ML就有足夠的時間進行離解，否則絡合物就離解較少。ML與B的反應程度取決于MB和ML的相對穩定性，如果MB的穩定常數遠遠大于ML的穩定常數，擴散相與結合相界面上ML的濃度將會顯著降低。

DGT技術目前已成為最有發展潛力的原位被動采樣技術之一。結合相研究發展迅速，從單一結合相發展到復合結合相，從固體結合相發展到液體結合相，從選擇性較差的結合相發展到具有高度選擇性的結合相。擴散相研究不斷推進，從水凝膠擴散相發展到透析膜擴散相，從電中性擴散相發展到荷電性擴散相［29］。由以上 DGT測定機理分析可知，DGT測量的是自由金屬離子和部分金屬絡合物。擴散相的孔徑、厚度，結合相與金屬的絡合能力、結合相與金屬絡合物的交換反應速度，以及金屬絡合物分子大小等都影響 DGT對金屬測量的有效態［29］。DGT技術正是通過改變以上各因素，調整其測定的有效態，使DGT有效態與植物有效性相關聯，從而實現DGT技術預測重金屬植物有效性的目的。

2 應用DGT技術研究重金屬植物有效性

DGT技術是一種新型的原位被動采樣技術，DGT技術具有形態選擇性，只能測量那些能夠通過擴散層并能被結合相累積的可溶性形態;DGT技術具有形態原位固定和富集功能，能真實反映實際形態，可測量超痕量被監測物質;DGT技術具有定量測量功能，根據DGT中的累積量可推算環境中被測組分的濃度，并可提供被監測物質有效態在監測期間的平均濃度;DGT技術是一種動力學采樣技術，可通過模擬生物對物質的吸收過程來進行物質生物有效性的研究［17，29］。應用DGT技術研究重金屬植物有效性，其核心任務在于建立重金屬的DGT有效態與重金屬植物有效性的相關性，用相對簡單和易重復的化學方法取代生物測試方法，使化學形態的測定能夠提供植物毒性和植物有效性的信息［29］。

Davison等［31］1999年首次探討DGT測定土壤中重金屬有效態濃度(CDGT)與其植物有效性之間的關系。研究表明，水芹中 Cd、Co、Cu、Ni、Pb 和 Zn 的濃度和CDGT都隨著土壤濕度的增大而增大，而土壤溶液中的金屬濃度則下降。該實驗說明DGT技術能夠很好地預測植物對重金屬的吸收，同時也表明DGT對重金屬的富集與植物對重金屬的吸收具有相似的機理。該結果還表明植物對重金屬的吸附不是簡單由土壤溶液控制，土壤溶液的金屬擴散補給和顆粒物上的金屬解吸都影響植物對重金屬的吸收。

Zhang等［32］利用 DGT 法預測了植物(lepidium heterophyllum)對銅的植物可利用性。研究組在歐洲范圍內測定了29種含銅量不同土壤中銅的DGT有效態濃度(CDGT)、EDTA萃取態銅濃度、Cu2+的活度和土壤溶液銅的總濃度，并與種植在這些土壤上的植物對銅的累積濃度進行了比較。研究表明，銅在植物中累積的濃度與銅的CDGT有高度的相關性，但是與銅離子活度、EDTA萃取濃度、土壤溶液總濃度則沒有相關性。說明土壤中重金屬主要供給過程是擴散和不穩定金屬的釋放，為使用CDGT預測土壤中重金屬植物有效性提供了可能。

Song等［33］比較了 DGT 法和 1mol/L NH4NO3溶液萃取法預測了一種銅超積累植物(Elsholtzia splendens)和一種耐銅植物(Silene vulgaris)對30種不同濃度銅污染土壤中銅的植物有效性。實驗表明，兩種植物中銅的累積濃度與銅的DGT有效態濃度CDGT有很好相關性。與土壤中銅的總濃度、EDTA萃取銅濃度和Cu2+的活度相比，CDGT更適合作為銅的植物有效性的評價依據。Tian等［34］野外采集水稻及其根際土壤，比較各種化學提取法(土壤溶液、醋酸提取和提)和DGT技術分析土壤中重金屬(Cd、Cu、Pb和Zn)的含量。結果表明，CDGT與植物吸收金屬濃度的相關性明顯優于其他的形態分析方法。

宋寧寧等［35］分別采用固態結合相(chelex100)和液態結合相(聚丙烯酸鈉，PAAS)的DGT裝置，對廣西桑田土壤中Pb進行了累積和測定。實驗表明，兩種裝置測定的土壤中Pb的有效態濃度與桑樹老葉和嫩葉中的Pb含量都顯著相關，表明兩種結合相的DGT裝置均能較好預測桑田土壤中Pb的植物有效性。融合土壤 pH、陽離子交換量(CEC)、有機質(OM)和土壤顆粒組成等理化指標影響，運用多元統計分析，建立了逐步回歸模型。多元統計分析表明，兩種結合相的DGT技術所構建的回歸模型是可靠的，其調整判定系數 R2分別為 0.87、0.89、0.96和0.95，且預測結果融合了影響土壤有效態Pb含量的pH、CEC、有機質和土壤質地等各種因素。

王芳麗［36］等采用田間調查及ICP－MS等技術手段結合，在廣西采集田間甘蔗和甘蔗根際土，分別用乙酸、乙二胺四乙酸二鈉、氯化鎂3種化學提取方法和DGT技術提取甘蔗根際土中有效態Cd含量，研究其與甘蔗根、葉和莖中Cd含量之間的關系。簡單相關分析表明，4種方法提取的有效態Cd含量都與甘蔗根和莖中Cd含量顯著相關，但DGT的相關性優于化學提取方法。綜合土壤pH、陽離子交換量、有機質和土壤顆粒組成等理化指標對土壤有效態Cd含量的影響，運用多元統計分析，確定兩種主成分因子，建立了多元回歸模型。結果表明，DGT技術模型融合了影響土壤Cd植物有效性的主要因子，預測結果幾乎不受本研究所選取的土壤基本理化指標影響，因而是一種預測Cd植物有效性的較好方法。

Liu等［37］使用DGT技術對水稻中甲基汞富集機理進行了研究。以3－巰基丙基－官能化硅膠為結合相，以聚丙烯酰胺凝膠為擴散相，利用DGT技術在水稻整個生長生殖期對稻田土壤中甲基汞的含量變化進行動態監測。研究發現，DGT技術測定的土壤－孔隙水界面甲基汞通量與水稻根系吸收土壤甲基汞通量呈顯著正相關(R=0.853，p＜0.01)，且DGT對土壤甲基汞的富集量與水稻果實對甲基汞的富集量呈顯著正相關(R=0.768，p＜0.05)。這一發現證明DGT技術可用于有效評估汞污染土壤種植水稻可能存在的生態毒性風險。

Divis等［38］以斯維塔瓦河中苔蘚類植物三角莫絲(Fontinalis antipyretica)為實驗生物，以聚丙烯酰胺凝膠為擴散相，以chelex100為結合相，利用DGT技術研究了Cd，Pb，Cr和Zn的DGT有效態與三角莫絲植物有效性的相關性。研究表明，三角莫絲體內Cd、Pb、Cr和 Zn的富集量與河水中 Cd、Pb、Cr和 Zn的DGT有效態濃度有很好的相關性。

以上研究表明DGT技術能夠很好地預測重金屬的植物有效性，但DGT技術在對重金屬植物有效性的預測方面，并沒有取得一致的結論。Koster等［39］比較了DGT法和0.01mol/L CaCl2溶液萃取法在28種外加標的土壤中對鋅的植物可利用性進行了測量。在土壤溶液中DGT法測量的鋅的有效態濃度與0.01mol/L CaCl2溶液萃取法測量的鋅的濃度有很好的相關性。在萵苣和草類植物中的鋅的累積與鋅的DGT有效態濃度也表現出很好相關性。而在羽扁豆類植物和等足目動物中的鋅的累積與鋅的DGT有效態濃度則沒有相關性。Amas等［40］應用DGT技術研究工業污染土壤中Cd和Pb的形態對菠菜(Spinacia oleracea)和意大利黑麥草(Lolium multiflorum)的影響。在非毒性濃度范圍內，兩種植物體內的Cd和Pb的濃度與CDGT之間有很好的相關性，但是在毒性范圍內，CDGT則高估這兩種植物對Cd和Pb的吸收。對于生菜(Lettuce，Lactuva sativacv Appia)來說，能夠有效地預測生菜對Pb的吸收，卻無法有效地預測生菜對Cd的吸收。可能存在其他過程(植物內在控制機制)而非土壤過程控制著生菜對Cd的吸收。

3 展望

土壤污染屬于食品安全的源頭性污染，我國目前土壤污染總體形勢嚴峻，土壤污染造成有害物質在農作物中積累，并通過食物鏈進入人體，引發各種疾病，最終危害人體健康。土壤中的重金屬污染問題尤為突出，1.5億畝耕地受重金屬污染，環保部門估算全國每年因重金屬污染的糧食高達1200萬噸，造成的直接經濟損失超過200億元。隨著生活水平的提高和營養與安全意識的加強，食品質量安全越來越得到人們的關心和重視。加強食品有害物質形成、遷移轉化規律及控制方法研究，食品中有毒物質風險評估的技術與方法研究，食品安全溯源與預警的理論和方法研究，建立土壤重金屬污染的監測預警體系，是食品安全與質量控制領域的重要任務。

重金屬植物有效性研究是環境生態和食品安全風險評價與早期預警研究中的熱點和難點問題。雖然近年來人們已經做了廣泛和深入的研究，但是對于重金屬有效性的認識十分有限，在研究方法及定量化研究方面還存在諸多不足［3］。迄今為止，尚沒有一個被公認的、可以普遍運用的形態與植物有效性之間關系的方法，可以用來進行分析研究［41］。

DGT技術之所以能夠有效地預測重金屬的植物有效性，關鍵在于DGT技術在測量重金屬植物有效性方面有著不同于其他化學分析方法的優勢，DGT技術引入了一個動態概念，可以通過模擬植物對重金屬的吸收過程進行重金屬植物有效性的研究。雖然DGT技術在模擬植物吸收重金屬方面有著不錯的效果，但并不是在所有條件下都能有效地預測重金屬的植物有效性，這是因為DGT技術并不能完全包含植物生長過程中所受的各種影響因素，如植物根際區域的微生物、根部分泌物等方面的作用，而這些作用對植物吸收金屬有著不容忽視的影響。因此，今后應加強DGT技術如何更好地反映這些影響方面的研究。DGT技術若與生態毒理學研究手段相結合，便可用于環境生態和食品安全風險評價與早期預警，亦可為制定基于重金屬形態的水和土壤環境質量標準提供依據，推進環境質量和生態風險評價的科學化。

［1］胡霞林，劉景富，盧士燕，等.環境污染物的自由溶解態濃度與生物有效性［J］.化學進展，2009，21(2/3):514－522.

［2］陶澍，駱永明，曹軍，等.水生與陸生生態系統中微量金屬的形態與生物有效性［M］.北京:科學出版社，2006:45－48.

［3］黃立章，金臘華，萬金保.土壤重金屬生物有效性評價方法［J］.江西農業學報，2009，21(4):129－132.

［4］Rieuwerts J S，Thornton I，Farago M E，et al.Factors influencing metal bioavailability in soils:preliminary investigations for the development of critical loads approach for metals ［J］.Chem Spec Bioavailab，1998，10(2):61－75.

［5］Tessier A，Campbell P G C，Bisson M.Sequential extraction procedure for the speciation of particulate trace metals［J］.Anal Chem，1979，51(7):844－851.

［6］Pueyo M，Mateu J，Rigol A，et al.Use of the modified BCR three－step sequential extraction procedure for the study of trace element dynamics in contaminated soils ［J］.Environ Pollut，2008，152(2):330－341.

［7］Davison W，Zhang H.In situ speciation measurements of trace components in natural waters using thin－film gels［J］.Nature，1994，367(6364):546－548.

［8］Davison W，Zhang H.Progress in understanding the use of diffusive gradients in thin films(DGT)－back to basics［J］.Environ Chem，2012，9:1－13.

［9］Panther J G，Bennett W W，Teasdale P R，et al.DGT measurement of dissolved aluminum species in waters:comparing Chelex－100 and titanium dioxide－ based adsorbents［J］.Environ Sci Technol，2012，46:2267－2275.

［10］Liu Y，Chen H，Bai F，Gu，et al.Application of sodium poly(aspartic acid)as a binding phase in the technique of diffusive gradients in thin films［J］.Chem Lett，2012，41:1471－1472.

［11］陳宏，王冬梅，范洪濤，等.聚丙烯酸鈉為結合相的薄膜擴散梯度技術測定水中 Cu2+［J］.環境化學，2011，30(5):1034－1039.

［12］Chen H，Sun T，Sui D，et al.Effective concentration difference model to study the effect of various factors on the effective diffusion coefficient in the dialysis membrane［J］.Anal Chim Acta，2011，698:27－35.

［13］Li W，Teasdale P R，Zhang S，et al.Applicatio n o f a poly(4－styrenesulfonate)liqiud binding layer for measurement of Cu2+and Cd2+with the diffusive gradients in thin－films technique［J］.Anal Chem，2003，75(11):2578－2583.

［14］H Fan，T Sun，W Li，et al.Sodium polyacrylate as a binding agent in diffusive gradients in thin－films technique for the measurement of Cu2+and Cd2+in waters［J］.Talanta，2009，79:1228－1232.

［15］范洪濤，孫挺，薛明智，等.巰基改性聚乙烯醇為結合相的薄膜擴散梯度技術［J］.分析化學，2009，37:1379－1381.

［16］陳宏，邸萬山，趙晉，等.應用聚丙烯酸鈉為結合相的薄膜擴散梯度技術測定水中 Cd2+［J］.冶金分析，2011，31(2):15－19.

［17］羅軍，王曉蓉，張昊，等.梯度擴散薄膜技術(DGT)的理論及其在環境中的應用I:工作原理、特性與在土壤中的應用［J］.農業環境科學學報，2011，30:205－213.

［18］Lucas A，Rate A，Zhang H，et al.Development of the diffusive gradients in thin films technique for the measurement of labile gold in natural waters［J］.Anal Chem，2012，84:6994－7000.

［19］Bennett W W，Teasdale P R，Panther J G，et al.Speciation of Dissolved Inorganic Arsenic by Diffusive Gradients in Thin Films:Selective Binding of AsIIIby 3－Mercaptopropyl－Functionalized Silica Gel［J］.Anal Chem，2011，83:8293－8299.

［20］Chen H，Guo L，Cai Y，et al.Determination of Ni2+in waters with Sodium Poly(aspartic Acid)as a Binding Phase in Diffusive Gradients in Thin－ films Technique ［J］.Chem Lett，2013，42:372－373.

［21］Panther J G，Bennett W W，Teasdale P R，et al.DGT measurement of dissolved aluminum species in waters:comparing Chelex－100 and titanium dioxide－based adsorbents［J］.Environ Sci Technol，2012，46:2267－2275.

［22］Panther J G，Stewart R R，Teasdale P R，et al.Titanium dioxide－based DGT for measuring dissolved As(V)，V(V)，Sb(V)，Mo(VI)and W(VI)in water［J］.Talanta，2013，105:80－86.

［23］Degryse F，Smolders E，ZhangH， etal.Predicting availability of mineral elements to plants with the DGT technique:a review of experimental data and interpretation by modeling［J］.Environ Chem，2009，6(3):198－218.

［24］Nolan A L，Zhang H，Mclaughlin M J J.Prediction of zinc，cadmium，lead and copper availability to wheat in contaminated soils using chemical speciation，diffusive gradients in thin－films，extraction，and isotopic dilution techniques ［J］.Environ Qual，2005，34(2):496－507.

［25］Zhang H，Zhao F J，Sun B，et al.A new method to measure effective soil solution concentration predicts copper availability to plants［J］.Environ Sci Tech，2001，35(12):2602－2607.

［26］王芳麗，宋寧寧，趙玉杰，等.聚丙烯酸鈉為結合相的梯度擴散薄膜技術預測甘蔗田土壤中鎘的生物有效性［J］.環境科學，2012，33(10):3562－3568.

［27］Fischerová Z，Száková J，Pavlíková D，et al.The application of diffusive gradient technique(DGT)for assessment of changes in Cd，Pb and Zn mobility in rhizosphere［J］.Plant Soil Environ，2005，51(12):532－538

［28］Nolan A L，Zhang H，Mclaughlin M J.Prediction of znic，cadmium，lead and copper availability to wheat in contaminated soils using diffusive gradients in thin films，extraction and isotopic dilution technique［J］.Environ Qual，2005，34:496－507.

［29］陳宏，劉玉靜，包德才，等.薄膜梯度擴散技術在重金屬形態分析中的應用［J］.化學通報，2012，75(12):1109－1113.

［30］Li W，Zhao H J，Teasdale P T，et al.Metal speciation measurement by diffusive gradients in thin films technique with different binding phases ［J］.Anal Chim Acta，2005，533:193－202.

［31］Davison W，Hooda P S，Zhang H，et al.DGT measured fluxes as surrogates for uptake of metals by plants ［J］.Adv Environ Res，2000，3:550－555.

［32］Zhang H，Zhao H J，Sun B，et al.A new method to measure effective soil solution concentration predicts copper availability to plants［J］.Environ Sci Tech，2001，35(12):2602－2607.

［33］Song J，Zhao F J，Luo Y M，et al.Copper uptake by Elsholtzia splendens and Silene vulgaris and assessment of copper phytoavailability in contaminated soils［J］.Environ Pollut，2004，128(3):307－315.

［34］Tian Y，Wang X，Luo J，et al.Evaluation of holistic approaches to predicting the concentrations of metals in fieldcultivated rice［J］.Environ Sci Tech，2008，42(20):7649－7654.

［35］宋寧寧，王芳麗，唐世榮，等.基于梯度薄膜擴散技術的廣西環江流域桑田土壤中鉛的生物有效性［J］.農業環境科學學報，2012，31(7):1317－1323.

［36］王芳麗，宋寧寧，王瑞剛，等.土壤－甘蔗作物系統中鎘的生物有效性研究［J］.農業環境科學學報，2012，31(5):904－912.

［37］Liu J，Feng X B，Qiu G L，et al.Prediction of methyl mercury uptake by rice plants(Oryza sativa L.)using the diffusive gradient in thin films technique ［J］.Environ Sci Tech，2012，46:11013－11020.

［38］Divis P，Docekalova H，Brulik L，et al.Use of the diffusive gradients in thin films technique to evaluate(bio)available trace metal concentrations in river water［J］.Anal Bioanal Chem，2007，387:2239－2244.

［39］Koster M，Reijnders L，Van Oost N R，et al.Comparison of the method of diffusive gels in thin films with conventional extraction techniques for evaluating zinc accumulation in plants and isopods［J］.Environ Pollut，2005，133(1):103－116.

［40］Almas A R，Lombnaes P，Song T A，et al.Speciation of Cd and Zn in contaminated soils assessed by DGT－ DIFS，and WHAM/Model VI in relation to uptake by spinach and ryegrass［J］.Chemosphere，2006，62(10):1647－1655.

［41］宋吉英，侯明.水體中重金屬的生物有效性［J］.凈水技術，2006，31(7):19－23.