腐植酸提取及其應用的研究進展

劉超 趙建亮 尹春艷 陶然 趙新巍 周平

(青島蘇貝爾作物營養有限公司，山東 青島 266000)

腐植酸(Humic acid)是自然界中廣泛存在的大分子有機物質，又稱胡敏酸，是由微生物將動植物的殘骸分解轉化，再經過一系列的物理化學反應而生成的具有膠體性質和多位空間結構的高分子化合物[1]。腐植酸的結構和組成相當復雜，基本結構包含核、橋鍵和官能團。其中，官能團主要有羧基、酚羥基、磺酸基等，多種官能團決定了腐植酸具有多種性能，如離子交換、吸附、催化等。Sutton[2]認為腐植酸是由小分子構成的簇形成的一種超分子結構，其內嵌了一些很難分離的非腐植酸類物質。Wolfrum、Huttinger及Stevenson都有提出腐植酸的結構模型，最典型權威的為Stevenson提出的模型，如圖1所示。

圖1 Stevenson腐植酸模型[2]

腐植酸可溶于堿性溶液、部分溶于水，但不溶于酸性溶液。按照腐植酸在不同pH溶液中的溶解度可以將其分為黃腐酸(Fulvic acid)、黑腐酸(Pyrotomalenic acid)和棕腐酸(Hymatomelanic acid)[1]。黃腐酸是可溶于堿性、酸性、中性水溶液以及丙酮等有機溶劑中的組分，相較于其它2種分子量最小；黑腐酸只溶于堿性溶液，不溶于丙酮等有機溶劑，相較于其它2種分子量最大，在俄文文獻中稱其為“真腐酸”；棕腐酸可溶于堿性溶液以及丙酮等極性有機溶劑，分子量介于黃腐酸和黑腐酸之間。

腐植酸被譽為“烏金”，總量可以以萬億t計，在江河湖海、土壤煤礦以及海洋沉積物中都有其影子[3]。褐煤、風化煤、泥炭中含有大量的腐植酸，相關資料顯示，我國褐煤儲量約為1216.09億t，風化煤尚無統計數據，豐富的煤儲量為我國開展腐植酸研究奠定了良好基礎[4]。基于腐植酸物質的特殊結構以及物理化學性能，腐植酸類物質已經是農業、工業等方面重要的一環，農業上可以為植物提供養分，改良土壤；工業上可以用于煤炭工業。國家主席習近平在亞太經合組織第二十二次領導人非正式會議致辭中表示，腐植酸是綠色環保產業[5]。因此，在對腐植酸提取及應用的研究上是具有重要意義的。本文綜述了腐植酸提取的方法，系統地闡述了腐植酸的應用，并對未來進行了展望。

1 腐植酸提取的方法

腐植酸的提取方法有很多種，主要有酸提取法、堿溶酸析法、微生物提取法等。

1.1 酸提取法

酸提取法需要用到硝酸等無機酸，主要用于煤炭中黃腐酸的提取，主要原理是無機酸中的H+奪取腐植酸鹽中金屬離子生成腐植酸，再經過濾、洗滌、干燥即可得到腐植酸產品。張艷玲等[6]先使用鹽酸酸洗風化煤樣品，以除去部分金屬離子，再利用堿溶酸析法提取腐植酸，顯著提高了提取率。陳澤盛先用鹽酸浸泡樣品，而后進行堿提，這樣損失了大量的黃腐酸。酸提取法的優勢在于操作簡單、生產效率高，但是存在純度低、雜質含量高且難以洗凈的弊端，對后續的應用帶來較大影響。

1.2 堿溶酸析法

堿溶酸析法是目前較為常用的一種方法，其原理是將樣品溶解于堿溶液中，生成可溶性的腐植酸鹽，過濾，利用腐植酸不溶于酸性溶液的特性向濾液中加酸進行酸化沉淀，所得沉淀即為所提取的腐植酸。常用的堿有Na4P2O7、NaOH、Na2CO3。此方法較酸提取法而言所得產品中雜質含量減少，剔除了樣品中的金屬離子。反應原理如下方程式所示：

R-(COOH)4+ Na4P2O7→ R-(COONa)4+H4P2O7

R-(COOH)4+4NaOH→ R-(COONa)4+4H2O

R-(COOH)4+2Na2CO3→R-(COONa)4+2H2O+2CO2

Lukyanov N V等探究了NaOH、KOH及NH4OH提取腐植酸的能力，NH4OH的提取能力最弱。叢興順以洼里褐煤為原料探究NaOH、Na2CO3以及Na4P2O7對腐植酸提取率的影響，結果表明，1%的NaOH堿液提取效果最佳，腐植酸產率可達6.82%。呂豐等[7]采用堿溶法對寧夏石嘴山褐煤進行腐植酸提取實驗，設定固液比為1∶20，在80℃下添加10%的NaOH浸漬1.5h，腐植酸提取量可達0.4723mg·g-1。程明軒以風化煤為原料采用堿溶酸析法提取腐植酸，設定固液比為1∶10，在70℃下添加2%的KOH攪拌30min，腐植酸產率達82.61%。Huculak-Maczka M等使用不同堿液對褐煤中的腐植酸進行提取，發現使用NaOH進行實驗時腐植酸的提取率要優于使用KOH和Na4P2O7，用Na4P2O7提取的腐植酸相對而言含有更多的羧基。需要注意的是，Na4P2O7提取可能會導致腐植酸的性質發生變化。

1.3 微生物提取法

微生物提取法是利用真菌、細菌等微生物的分解轉化能力對樣品進行降解，作用來源主要是微生物分泌的活性物質，這些活性物質可以將腐植酸大分子降解為小分子，提高腐植酸的活性，利于腐植酸的提取。Tripathi R C等探究了真菌對褐煤分解產生腐植酸的能力，發現黑曲霉可以有效地將褐煤分解為腐植酸。張亞婷等[8]發現，黃桿菌XK-c可以直接溶解腐植酸，轉化率高達36.34%，測試發現黃腐酸轉化后羥基、羧基含量減少，棕腐酸及黑腐酸的羥基、羧基含量有所增加，二者芳香度卻明顯降低。微生物提取法具備清潔的優良特性，但是存在生產效率低下的較大弊端。

1.4 化學氧化法

化學氧化法是利用氧化劑對原料進行氧化處理，常用的氧化劑有硝酸、過氧化氫以及臭氧等。腐植酸的大分子鏈由于氧化作用而斷裂成小分子鏈，同時總酸性基的含量提高，活性基團增加。袁川舟以硝酸和過氧化氫為氧化劑提取勝利褐煤中的腐植酸，并探究了其提取的最佳工藝條件。高麗娟[9]等通過正交試驗設計法，采用超聲-硝酸聯合氧化法，所得最佳預氧化條件和褐煤腐植酸的提取條件為超聲頻率80kHz，硝酸固液比1∶5，50℃氧化90min，硝酸濃度1.5mol·L-1，提取率可達50%以上。張麗光等以過氧化氫為氧化劑氧化降解風化煤，使用煤粒徑為120目、固液比為1∶3，在50℃下氧化4h時可以得到較高的腐植酸產率。大連理工大學的何德民發明了一種電化學氧化制取腐植酸的方法，將加堿液后的煤漿加入電化學反應器的陽極區，陰極區加入等濃度堿液，陽極為工作電極，陰極為對電極，參比電極為飽和甘汞電極；電解完畢后離心分離陽極所產生的漿液，將上層液酸化至pH為3，此時所得到的固體產品即為腐植酸，產率高達70%。Erdogan S等以空氣為氧化劑，發現反應溫度為200℃時效果較好，且隨氧化時間增加腐植酸產率呈先增后減的趨勢。

Garcia D等[10]采用褐煤為原料，以HNO3為氧化劑，腐植酸產率提高的同時含氧官能團含量增多、H/C及O/C質量比增加，反應活性更高。需要注意的是，使用硝酸為氧化劑所制得的腐植酸含量較高，但是此法容易產生NOx等污染物，不符合安全環保的理念，有一定的危險性，因而綠色無污染的氧化劑逐漸成為近年來的研究熱點。

除了上述提取腐植酸的方法以外，國內外學者們還進行了其它提取方法的研究。Tang Y等制備了新型的Pd/CeO2納米催化劑，用于腐植酸提取時有效提高了水溶性腐植酸的含量，增加了小分子活性基團數量。Valencia S等利用TiO2為催化劑對腐植酸進行光降解，發現腐植酸的分子量明顯降低。劉光燦采用加NaOH進行機械活化的方式，得到的產品顆粒粒度明顯減小，提取時間大幅縮減，腐植酸的產率可達89%。Skybová M等也采用機械活化的方式，在轉速400r·min-1的條件下研磨樣品20min，提高了煤樣中腐植酸的提取率。

2 腐植酸的應用研究

腐植酸分子中含有大量的官能團，多種官能團的存在使腐植酸具有離子交換性、吸附性以及絡合螯合性等特性，也使得腐植酸可以與各種有機、無機物質發生反應。腐植酸對天然物質的溶解、緩沖、遷移以及生物圈碳循環等有著直接或間接的影響，被譽為地球的龐大“碳庫”和碳輪回的“緩沖器”。

2.1 農業領域

腐植酸可以改善土壤結構，絡合土壤中的重金屬離子，促進植物對氮、磷、鉀元素的吸收，其作用機理是促進合成載體蛋白、提高酶的活性，進而促進植物的根系發育，實現作物增產。腐植酸在土壤中以有機膠體的形式存在，對土壤團粒結構的形成十分有利。Ghosh R等進行了腐植酸對土壤中Cu(II)、Pb(II)、Cd(II)的絡合作用實驗，所形成的絡合物穩定順序為Cu-HA>Pb-HA>Cd-HA。柴鑫鑫以腐植酸為包膜材料制備了一種包膜尿素的控釋氮肥，充分發揮腐植酸脲酶抑制劑的作用，抑制尿素水解，減少了氮元素的損失。Ahmed O H等[11]發現，將腐植酸與過磷酸鈣和硅酸鹽混合可以降低尿素中的氨損失，提高土壤中銨態氮和硝態氮的含量。劉秀梅等對土壤的研究結果表明，腐植酸的使用可以令磷酸銨中磷的固定量減少6.6%～44.9%，且當土壤pH為7時對鉀元素的解析率高達41.3%。

2.2 工業領域

在工業上，腐植酸可以用作鉛蓄電池膨脹劑、重金屬離子吸附劑等。張翼峰等探究了腐植酸對Pb2+、Cu2+、Zn2+等重金屬離子的絡合作用，發現隨體系溫度與pH的升高，形成的金屬絡合物的穩定常數增大。鐘世杰[5]研究了腐植酸對鐵鋁的分離性實驗，單離子吸附時，腐植酸對鐵鋁離子最大吸附量分別為0.79mg·g-1、1.57mg·g-1；混合離子吸附時對鐵、鋁離子的最大吸附量分別為0.69mg·g-1、1.19mg·g-1。Martyniuk H等測試了腐植酸的離子交換能力，發現腐植酸會在不同的pH條件下對不同金屬離子的吸附表現出選擇性。Zhang J研究了腐植酸對Hg2+的吸附脫附性能，得出Hg2+主要在腐植酸的羥基、羰基以及羧基上發生反應的結論。

2.3 醫學領域

腐植酸是國家二級保護藥材，藥學巨著《本草綱目》中所提到的“烏金散”實際上就是腐植酸類物質，臨床試驗表明，腐植酸具有抗病毒、止血等優良作用。張敉等以中醫五行學說為主線，提出了煤炭腐植酸醫藥的中醫中藥學基礎理論。

Junek R等發現，10～80μg·mL-1的腐植酸可以增加TNF-α的釋放，起到促炎的效果；≥100mg·mL-1的腐植酸可以抑制人體中由脂多糖誘導的炎癥因子TNF-α的釋放，具有消炎作用。朱曉斌[12]以腐植酸和其它天然大分子物質為原料，制備了具有三維空間結構的pH敏感性水凝膠緩釋材料，并以核黃素為模型藥物通過數學模型法分析水凝膠溶脹過程和藥物釋放過程，發現所制備的腐植酸水凝膠符合Schotts二階溶脹動力學和Fickian藥物釋放機理。何靜等[13]探究了黃腐酸對小鼠體內血糖、血清甘油三酯、總膽固醇以及口服耐糖量的影響，結果發現，隨著黃腐酸劑量的提高，小鼠血糖含量、血清甘油三酯以及總膽固醇的含量降低，而口服耐糖量提高，這表明黃腐酸具有降血糖和改善脂質代謝的功能。Tsai M L等在對人宮頸癌SiHa細胞的研究中發現，當使用腐植酸處理SiHa細胞時，細胞的增殖和遷移能力大幅提高，這表明在腐植酸環境下生存可能會促進宮頸癌的發展。Miao Z H等將腐植酸鈉開發成一種藥物，具備低毒性的特點，并以腫瘤內注射的方式實現了對人宮頸癌HeLa細胞的消融。

腐植酸的應用范圍甚是廣泛，除上述應用領域以外，還可以用于其它方面。可以通過氧化還原法制備腐植酸基石墨，合成石墨烯[14]，可以用于超級電容器、鋰離子電池等。張陽陽制備了包覆有不同濃度的MW-HA的磁性腐植酸納米材料，研究了不同環境因素下磁性腐植酸納米材料對U(VI)的吸附性能和吸附機理。

3 展望

2021年3月11日，《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二○三五年遠景目標綱要》中提出，生態安全和生態修復是“十四五”期間的重點關注工作，而腐植酸恰是一種低碳環保、環境友好的材料，其自身的特點昭示著其在“十四五”期間將大有作為。

正如Schnitzer所言，“腐植物質廣泛分布于地球表面，直接或間接地控制著許多反應，影響著這個星球上人類的生存，并持續地向許多久經考驗的科學家的好奇心和只會發起挑戰”。雖然腐植酸的分子結構、形成機理等尚無定論，也沒有完全了解其結構特性，但腐植酸已經在工業、農業以及醫藥等行業中開始深入應用，這對腐植酸的提取無疑是一個考驗。因此，有關腐植酸的研究還需更加深入，探求更為環保高效的提取工藝，助力“碳達峰”與“碳中和”的實現。