薄膜擴散梯度技術預測環境重金屬生物有效性的研究進展

摘要：重金屬生物有效性是評估不同環境介質中重金屬生態風險的關鍵參數，目前，重金屬生物有效態的提取方法尚未建立統一的標準。在重金屬生物有效態提取方法中，比較發現，薄膜擴散梯度技術（DGT）的測定結果不僅反映環境介質中靜態下游離態的重金屬，還包含動態補給到環境介質中的不穩定重金屬。DGT技術是一種具有應用前景的原位動態被動采樣技術。水、沉積物和土壤是3種常見的環境介質。基于不同的環境介質，本文分析DGT技術在重金屬生物有效態提取中的應用，對比DGT技術和其他提取技術的有效態重金屬含量預測效果，闡述DGT技術在重金屬生物有效性評估中的可行性和優越性，總結過去DGT技術的局限性及發展過程中的改進之處，探討未來DGT技術發展的方向。

關鍵詞：薄膜擴散梯度；重金屬；生物有效性；被動采樣；原位測定

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）07-00-06

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.07.027

Research Progress in predicting the bioavailability of heavy metals in the environment by using diffusive Gradients in thin-films

WEI Wei1，2， MAI Yongshi3， QIN Li4，5， LIU Yu4，5， ZOU Peng4，5

（1. Guangdong Provincial Academy of Environmental Science; 2. Guangdong Huankeyuan Environmental Technology Co.， Ltd.;

3. Guangdong Zhihuan Innovation Environment Technology Co.， Ltd.， Guangzhou 510045， China; 4. BCEG Environmental Remediation Co.， Ltd.; 5. National Engineering Laboratory for Site Remediation Technologies， Beijing 100015， China）

Abstract： The bioavailability of heavy metals is a key parameter for assessing the ecological risk of heavy metals in different environmental media， currently， there is no unified standard for the extraction method of bioavailability of heavy metals. In the extraction methods of bioavailability of heavy metals， the comparison finds that the determination results of diffusive gradients in thin-films （DGT） not only reflect the static downstream dissociated heavy metals in the environmental media， but also include the unstable heavy metals dynamically supplied to the environmental media. DGT technology is a promising in-situ dynamic passive sampling technology. Water， sediment， and soil are three common environmental media. Based on different environmental media， this paper analyzes the application of DGT technology in the extraction of bioavailability of heavy metals， compares the prediction effect of effective heavy metal content between DGT technology and other extraction technologies， elaborates on the feasibility and superiority of DGT technology in the evaluation of bioavailability of heavy metals， summarizes the limitations of past DGT technology and improvements in the development process， and explores the direction of future development of DGT technology.

Keywords： diffusive gradients in thin-films; heavy metals; bioavailability; passive sampling; in-situ measurement

隨著工業化和城市化進程的加快，過量的重金屬進入環境中，不可避免地對生態環境造成嚴重的威脅[1-2]。因此，評估重金屬污染對生態環境的風險，制定相應的風險管控和治理修復策略勢在必行。目前，世界范圍內的重金屬環境質量參數大多以總濃度為基礎[3]。然而，與總量相比，重金屬總量中可被吸收而對生物體產生潛在影響的那部分，即重金屬的生物有效性，可以更有代表性地反映污染程度，指示健康和生態風險[4-5]。迄今為止，由于生物有效組分提取的研究基礎薄弱，重金屬生物有效性評價尚無普遍認可的方法。鑒于此，建立基于重金屬生物有效性的環境標準是一項具有挑戰性的任務。因此，尋找一種簡單有效、能被廣泛推廣和認可的方法成為近年來的研究熱點。

現有的測定環境中重金屬生物有效性的方法主要分為化學提取法[6-7]和生物試驗法[8]。這些方法都有一定的局限性。化學提取法的提取程序提供了依據特定試劑提取的由易到難的組分分類，如傳統的多種重金屬適用的順序提取方法Tessier五步連續提取法[9-10]，然而，這些都是基于一系列化學試劑的響應，而不是基于生物本身吸收過程的反應[11]。此外，對于提取前的一系列操作，如采樣、運輸、臨時保存等，樣品的化學和生物變化是不可忽略的[12]。生物試驗法直接將生物置于待研究的環境介質中，探究一段時間后生物積累的目標污染物，確實能真實描述該金屬在設置條件下的生物有效性。然而，不同生物可能在特定介質中通過不同機制運輸金屬，分析每種生物對每種重金屬的反應極大地增加了生態風險評估的復雜性。從實際應用的角度來看，選擇一種簡單的物化方法來評估給定介質中重金屬的潛在生物有效性組分才是可行的。上述局限可以通過原位被動取樣來突破。原位被動采樣是一種微量無機通量測量方法。其中，能夠提供環境的時間集成量化和低擾動采樣的DGT技術是近年來被廣泛關注的被動采樣技術之一[13-14]。與傳統的化學提取和生物試驗法相比，DGT技術操作簡單、測量精度高，被認為是重金屬生物有效性研究中最有前途和最受歡迎的技術之一[15]。

2022年10月，基于Web of Science數據庫，筆者對2000年以來發表的論文進行檢索，搜索主題為“生物有效性/DGT/金屬”，結果發現，相關論文有446篇，合計被引用11 171次。DGT測定生物有效性的相關研究通常有6個關鍵環節。一是選擇研究的環境介質，如土壤、沉積物和水。二是選擇參考生物，它可以是植物、動物或微生物。值得注意的是，上述446篇論文中有153篇是關于植物的。三是將選定的參考生物體置于選擇的環境介質中生長一段時間。四是利用DGT在選定的環境介質中選擇性吸附目標污染物。五是研究人員通常會選擇其他種類的樣品采集和評價方法與DGT進行比較，如順序提取法。六是探索生物吸收與DGT吸附的關系，并得出結論。

經過多年的發展，DGT在化學形態分析和生物有效性測定方面的研究取得諸多成果。本文介紹了近年來DGT技術在重金屬生物有效性評估中的應用，包括鎘（Cd）、鉻（Cr）、銅（Cu）、鈷（Co）、鎳（Ni）、鋅（Zn）、鉛（Pb）、鐵（Fe）、錳（Mn）、汞（Hg）等重金屬相關的研究，并基于水、沉積物和土壤等環境介質，綜述DGT技術應用于重金屬生物有效性預測的最新進展。主要目標有3個。一是指出各種生物有效性測量方法的優缺點；二是將DGT技術獲得的重金屬生物有效性與傳統方法進行對比；三是舉例說明不同環境下DGT技術應用于不同研究對象的適用性，并指出重金屬生物有效性研究的未來發展方向。

1 DGT技術基本理論

薄膜擴散梯度技術（DGT）于1994年開發，它是一種操作簡單、成本效益高、環境干擾小、可同時監測多種分析物的選擇性采樣技術。經過近30年的發展，DGT技術日益成熟。DGT技術的關鍵提取步驟在原位進行，經證實，可利用DGT測量水、沉積物和土壤中各組分特異性金屬通量的時間加權平均濃度。因此，DGT是一項具有應用潛力的地球化學監測和環境風險研究技術。

DGT裝置的結構通常包括對要吸附的目標物質有顯著親和力的功能化結合層、水凝膠擴散層、過濾膜和支撐上述功能層的底座。DGT裝置的外觀根據使用地點的不同略有差異。水和土壤介質中放置的DGT裝置呈圓柱狀，如圖1（a）所示，而為了放置方便，沉積物中插入的DGT裝置呈長條狀，如圖1（b）所示。多DGT搭載系統構成如圖1（c）、圖1（d）所示。

對于不同的目標污染物，可以通過特定的結合層材料達到吸附效果。在工作條件下，被測基質與DGT裝置面積為A（cm2）的窗口完全接觸。此時，DGT器件內外存在濃度差。在部署時間t（s）內，目標金屬離子首先通過過濾膜擴散，然后穿透厚度Δg（cm）的擴散層，再瞬間不可逆地與結合層結合。最后，重金屬通過擴散層的輸運達到平衡狀態，基于菲克第一定律的方程，定量計算目標污染物的DGT測得濃度（CDGT），如式（1）所示。

（1）

式中：M為結合層材料富集的重金屬量，ng；D為金屬離子在擴散層中的擴散系數，cm2/s，可在試驗溫度下測量，也可參考以往數據求得。不過，在一些情況下也有例外，如意外的生物污染、部署時間過短或環境介質中離子強度過低，因此，DGT技術研究的難點不在操作過程，而在借助物理化學和生物理論對結果進行解釋和分析。

結合層是DGT元件的關鍵部件，圍繞選擇性，結合凝膠開發和性能驗證的研究一直廣受關注。不同的結合層可以實現DGT對不同目標金屬污染物的特異性吸附。在對鉻的環境風險進行評估時，通常會單獨測定毒性較高的六價鉻含量。DGT裝置裝配對六價鉻具有強親和力的N-甲基-D-葡胺功能樹脂材料，可以實現線性積累六價鉻，而幾乎不吸附三價鉻。同時，某些結合材料也具有吸附多種金屬的功能，后續洗脫和分析過程將不同的金屬分餾，這樣可以節約采樣時間和經濟成本。近年來，相關文獻提到的結合層基礎材料類型及其在不同環境介質中對應的目標金屬種類如表1所示。目前，根據不同的應用場景設計特異性吸附的結合材料以及相應材料的優化改性依然是DGT研究的重要方向。

2 利用DGT預測重金屬生物有效性

DGT可以從水、土壤和沉積物中被動提取重金屬，與某些生物在環境中消耗重金屬的結果進行對比，從而探究其對重金屬生物有效性是否具有準確而穩定的預測能力。DGT可以在水、土壤和沉積物中原位進行鎢（W）的測定，明確W的生物有效性。DGT具有較大的W測量能力，可用于4≤pH≤8的各種環境條件。對比發現，不同環境介質中部署DGT單元的步驟略有不同。水的原位測定通常是將DGT直接懸浮在待測水體中。對于沉積物，DGT裝置穿過沉積物巖心的沉積物-水界面插入。而對于土壤，這個過程就有點復雜。收集的土壤需要根據規定的持水量進行干燥和復濕。在大多數研究中，研究人員只會集中研究一種環境介質中重金屬的生物有效性。下面以不同環境介質為視角，分析DGT在重金屬生物有效性預測中的應用。

2.1 DGT在水中的應用

DGT技術最初是針對淡水中痕量金屬的測定開發的，后來擴展到海水和廢水監測領域。在政府監管下，實驗室可以利用DGT技術監測海水中的Cd、Ni和Pb，并優化關鍵步驟，即在DGT打開和回收時使用聚四氟乙烯涂層工具，減少操作時間，以增加測定結果的穩定性。DGT可用于研究水中金屬化學分餾、物種形成和生物有效性。

為了證明使用DGT預測金屬生物有效性的可行性，可以將DGT結果與特定分析物的生物指示物模型進行比較。DGT取樣器與從浮游植物中收集Cd和釩（V）濃度的細胞內監測技術比較，它們的結果呈正相關，表明具有可比性的積累趨勢。值得注意的是，在這種情況下，DGT裝置是在每年春季融水期部署的，當時水文和水質變化迅速。因此，DGT可以作為異常不穩定環境系統中Cd生物積累的預測工具。

除了生物學比較，DGT結果還可以與現有的物理化學模型進行比較。將DGT結果與化學平衡模型計算結果比較，可以確定受礦山排水和金屬工業影響的河流中金屬的生物有效性。綜合運用DGT和化學平衡模型，可以合理預測金屬的生物有效濃度。對于水中低濃度不穩定金屬的采樣，DGT應部署較長時間（至少24 h或數周）。

長時間部署確實有助于完全吸收被測金屬，但它也會導致一些問題，如生物污染。南極海洋環境中經過21 d連續采樣后，DGT窗口容易積累明顯的生物污垢。生物污垢會使計算產生偏差，這一偏差難以量化。為了在金屬檢測限度和減輕生物污染阻礙之間保持平衡，根據試驗，南極洲近岸海洋環境的部署周期可控制在14～21 d。

事實上，生物有效性研究的關鍵目的是獲取環境中重金屬對生物體（包括人類）的風險信息。金屬的效應濃度可以將DGT不穩定濃度與海洋生物的毒性閾值聯系起來。DGT采樣器是監測與環境風險相關的時間平均不穩定金屬濃度的通用工具，特別是在偏遠和惡劣的環境中。類似的研究結果并不總是符合預期。

2.2 DGT在沉積物中的應用

沉積物是一種經常被大眾忽視的環境介質，因為它不像水或土壤那樣容易被人類直接接觸。然而，生活在沉積物中的貝類、蓮子等食用動植物與人類健康息息相關。對底棲生物的毒性威脅的警惕意識引起對沉積物中重金屬生物有效性的研究。生物指示物模型和化學形態分析是預測沉積物中重金屬生物有效性的常用傳統方法。目前，DGT的可靠性是通過與傳統方法的比較來檢驗的。

DGT可以與常規方法比較，以準確測定金屬含量。研究發現，DGT測定的Cr、Ni、Cu、Pb與野外棲息淡水蝸牛組織中的金屬濃度顯著相關，而土壤重金屬順序提取僅與蝸牛的Pb生物積累具有較好的相關性。DGT操作簡單且有效，推薦使用DGT預測沉積物金屬生物有效性。DGT可用于測定片腳類植物中Cd、Cu、Ni、Pb、Zn的生物有效性。DGT可以在受污染的沉積物中很好地預測對河口生物生存和繁殖的不利影響。同樣，對Cd進行順序提取法和DGT的比較，經相關性分析，DGT測定的Cd與Cd的交換性和弱酸溶性部分呈顯著正相關，而DGT測定的Cd與Cd的殘留部分呈顯著負相關，這從形態學分析的角度解釋DGT測定的生物有效組分。

DGT技術能適應比較復雜的污染類型，可以同時采集重金屬和有機物的信息。DGT技術也經常作為耦合的方法，全方位地進行生物有效性評價。固態伏安法是一種具有補充作用的方法，它能夠以高靈敏度對孔隙水的地球化學性質進行原位和實時觀測。可利用DGT技術、鹽酸萃取法以及固態伏安傳感器對Cr、Cu、Ni、V進行測量，孔隙水中的微量金屬分布與沉積物固相（DGT衍生濃度）存在顯著相關性。在持續和特定的金屬輸入情況下，綜合運用各種技術，可以更全面地評估陸地和水生生態系統之間潛在有毒金屬的流動性、形態和風險。

在某些情況下，比較多種技術時可能會發現不一致的結果，DGT并不總是最佳選擇。經相關性分析，表層沉積物中的DGT金屬通量與搖蚊金屬生物積累顯著相關。與酸揮發硫化物法和同時提取金屬法等傳統方法相比，DGT測定金屬通量是一種更好的替代方法。然而，在針對同一種底棲生物的類似研究中，同步提取金屬的風險商比DGT獲得的風險商更好地解釋沉積物對搖蚊的毒性。原因可能是它們的目標重金屬和生物并不完全相同，這就需要進一步的研究來解釋這種差異。

2.3 DGT在土壤中的應用

近年來，基于DGT技術的土壤重金屬研究在挑戰中逐漸發展，特別是在與生物有效性相關的過程調查中。這些研究通常將DGT與陸地植物/動物作為生物指標建立的模型進行比較。

與植物相關的研究中，研究對象主要是與人類健康息息相關的糧食作物和經濟作物中的蔬菜作物。Docekalova等[11]研究發現，蘿卜植株組織的Cd和Cu通量與被DGT吸附的Cd和Cu通量顯著相關。化學提取法、DGT技術可用于提取老化時間不同的土壤中的Cd，然后與植物的生物學指標進行相關性分析，DGT測得的Cd與老化360 d土壤中能被植物提取的Cd的相關性更強，而CaCl2與老化20 d土壤的相關性更強。在對土壤中汞的生物有效態提取方法的比較中，DGT對空心菜可吸收汞的預測相關性高于蛋白酶Ｋ仿生法，預測穩定性僅次于化學提取法。DGT的測定過程主要受土壤固液界面處Cd的遷移轉化影響，它可以模擬固液平衡離子流的動態變化過程，DGT可能更適用于實際污染土壤的評價。DGT與植物的比較可以細化到植物的各個部位，從而了解重金屬在植物各個部位的遷移和分布。研究發現，將DGT測定結果分別與培育在低Hg含量土壤中的豌豆各部分（葉、根、莖、花、種子）的Hg積累進行比較，進入DGT單元的汞通量與進入豌豆植株根部、葉片和莖的Hg通量顯著正相關。

DGT技術可以規避土壤樣品采集、運輸、儲存、處理和分析過程中重金屬形態變化的風險，在適用性上比化學提取方法更有優勢，但是DGT技術本身很難解決野外土壤環境的非均質所帶來的原位測定信息不全面的問題。經田間試驗，DGT預測水稻籽粒對土壤中Cd的積累，結果存在一定差異。田間試驗為優化土壤重金屬風險評估的采樣環節提供前瞻視角。為了在保證采集質量的情況下兼顧成本節約，借鑒目前的土壤污染狀況調查思路，在原位采樣前對待測場地進行污染識別，劃定疑似污染區域，再進行DGT的布置。

除此之外，以接觸污染土壤的動物為基準，研究DGT對土壤中重金屬生物有效性的預測效果。這類試驗對試驗人員的生物試驗能力要求較高，需要考慮與活體動物模型相關的倫理問題，因此相關研究較少。為了彌補與人類吸收和消化機制相似的動物評價研究空白，模擬動物消化過程試驗利用與動物胃腸液性質相似的溶液對重金屬進行消解。研究表明，DGT測定的Pb與小鼠體外模擬試驗溶解的Pb相關性較弱，同時，DGT測定結果受不同土壤性質的影響較小。

隨著研究的逐漸深入，DGT技術預測土壤重金屬生物有效性的可靠性被越來越多的研究者認可，近期的一些研究中，測試生物吸收量與DGT吸附量的相關性已不再是主要目的，DGT技術被直接用作提供管理和修復建議的基礎。可利用DGT技術，評估不同土壤中微生物活性和生物量對重金屬生物有效性的影響。盡管如此，該方向仍有一些重點、難點問題亟待解決。目前，DGT預測土壤中重金屬生物有效性的障礙主要有3個。一是不同種類的生物對不同重金屬元素的吸收機制復雜而不明確。二是應用DGT時污染土壤中重金屬的擴散-再補給動力學研究不夠深入和全面。三是DGT可能并不適用于所有情況下重金屬的提取。例如，DGT很難從金屬氧化物納米顆粒修飾的土壤中提取重金屬。

3 結論

近年來，DGT技術廣泛用于測定水、沉積物和土壤中重金屬生物有效性。DGT技術具有預測各種環境介質中重金屬生物有效性的能力，特別是作為土壤中重金屬生物有效性評估的替代方法被廣泛應用。目前的應用主要是將DGT結果與生物相關指標進行關聯和分析，建立耦合方法模型預測生物有效性。盡管DGT技術的基本理論框架已建立多年，但要完全解釋復雜自然環境系統的DGT測量值，仍有一些研究障礙需要清除。為了促進環境風險評估、管理和環境整治，科學家、監管部門和企業需要達成共識，將生物有效性知識納入現有生態風險評估框架。鑒于DGT技術在原位、低干擾和時間集成測量潛在生物可利用性組分方面的優勢，可將DGT吸附過程測得的重金屬濃度作為生態評估的重要參考。

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