郭连文，陈 宏，* ，姜玉花，张洋洋，薄 乐，励建荣，*

(1.渤海大学化学化工与食品安全学院，渤海大学食品科学研究院，辽宁省食品安全重点实验室，“食品贮藏加工及质量安全控制工程技术研究中心”辽宁省高校重大科技平台，辽宁锦州121013;2.辽宁石化职业技术学院应用化学系，辽宁锦州121001)

土壤污染影响农产品安全，污染土壤的生态风险评价与早期预警已成为全球关注的热点问题之一。重金属具有亲脂性、高富集性和难降解性，为环境优先污染物。重金属污染不但对生态环境产生危害，影响植物生长和发育，而且还可以通过食物链进入人体，危害到人类的生存和健康。研究表明，重金属污染物对植物的毒性主要取决于其赋存形态而不是总量［1］，何种形态的重金属能够表明土壤污染程度一直是难以回答的问题。重金属植物有效性(Phytoavailability)是指重金属能对植物产生毒性效应或被植物吸收的性质，包括毒性和植物可利用性［2］，被认为是衡量重金属元素迁移性、植物可利用性和生态影响的关键参数［3］。在过去的十几年里，许多研究者利用不同的分析方法和技术手段来预测植物中的重金属含量［4－6］，如 Tessier等提出的连续提取法［5］，欧共体(现欧盟)标准物质局提出的三步提取法(BCR法)［6］等，但这些重金属植物有效性分析方法往往都只是操作定义，化学萃取剂缺乏选择性，各形态之间存在一定程度的重叠，提取过程中存在重金属的再吸附与再分配问题，金属离子被提取液溶解以后又被土壤吸附，而且缺乏对重金属在环境中动态变化的研究。因此，建立基于重金属形态、能够模拟植物对重金属的动态吸收过程、且所测定土壤中重金属有效态与其植物有效性密切相关的科学表征土壤重金属污染程度的分析评价方法已成为土壤生态风险评价与食品安全早期预警研究的当务之急。

由英国科学家Davison和Zhang于1994年发明的薄膜梯度扩散(Diffusive gradients in thin－films，DGT)技术是一种新型的原位被动采样技术，能富集被监测物质，并能根据被监测物质的富集量定量测定环境中该物质的有效态浓度，是目前较为理想的元素形态采集和分析的方法［7－10］，已广泛地应用到天然水体、土壤、沉积物间隙水中重金属形态的采集与测量［11－22］。DGT技术可以通过模拟植物对重金属的吸收过程来进行重金属植物有效性研究，可用于研究重金属形态与重金属可被植物吸收程度的相关性［23－28］。本文就DGT技术在重金属植物有效性研究中的应用进行了综述。

1 DGT技术用于重金属形态分析的原理与机理

DGT装置主要由扩散相和结合相两部分组成［29］:扩散相是DGT技术定量的基础，主要由含有一定孔径的水凝胶或半透膜构成;结合相是由带有能提供配位电子对的官能团的高分子化合物构成，其作用是配位扩散过来的金属，使扩散相与结合相间的金属浓度降至最低。DGT技术以Fick第一扩散定律为理论基础［29］。结合相被厚度为Δg的扩散相与本体溶液分开，离子的传输仅仅通过面积为A的扩散相进行。在时间t内，金属离子从扩散相到结合相的扩散量(M)可以表达为:

式中:D为金属离子在扩散相的扩散系数，Cb为本体溶液中金属离子浓度。

通过测定结合相中被测金属的量M，便可确定本体溶液中金属离子浓度Cb。

扩散系数是影响DGT技术准确测量的关键因素［12］。此外，影响DGT分析的因素还包括被测组分与扩散相的相互作用、扩散边缘层厚度、离子强度、pH以及固体结合相的洗脱效率等［8］。

由于本体溶液(如天然水、土壤溶液等)中存在多种络合剂(L)，所形成金属络合物(ML)的稳定性各不相同，DGT测定金属形态的机理也不相同。根据DGT结合剂(B)与ML的反应情况，DGT测定金属形态的机理主要分为3种情况(图1):活性反应;完全惰性反应;部分活性反应［17，30］。

第1种情况(图1a):活性反应，金属自由离子与结合剂的络合反应速度很快，ML迅速离解后的金属离子与B结合形成稳定络合物(MB)。扩散相与结合相间M和ML的浓度均为零，而且在扩散层中形成了稳定的扩散梯度，DGT测量的是溶液中金属M的所有形态的总浓度。

第2种情况(图1b，图1c):完全惰性反应，图1b表示金属络合物ML几乎不发生离解，且ML也不与B发生配体交换反应，只有M与B反应形成稳定络合物MB;图1c表示由于扩散膜的孔径小，而ML分子体积较大，ML不能穿过扩散膜与结合剂反应。以上两种情况 DGT只能测量 M的浓度，而检测不到ML。

图1 DGT对金属(M)和络合物(ML)的吸收过程以及它们与结合剂之间存在的反应［17，30］Fig.1 Schematic representation of concentration profiles for the DGT uptake of M and the complexes ML［17，30］

第3种情况(图1d):部分活性反应，M可以迅速与B反应形成稳定络合物MB，但ML却只有部分与B发生反应。ML与B的配体交换反应程度主要取决于ML在扩散中的解离程度和ML与B的反应程度。ML离解程度受扩散膜厚度的影响，当其足够厚时，ML就有足够的时间进行离解，否则络合物就离解较少。ML与B的反应程度取决于MB和ML的相对稳定性，如果MB的稳定常数远远大于ML的稳定常数，扩散相与结合相界面上ML的浓度将会显著降低。

DGT技术目前已成为最有发展潜力的原位被动采样技术之一。结合相研究发展迅速，从单一结合相发展到复合结合相，从固体结合相发展到液体结合相，从选择性较差的结合相发展到具有高度选择性的结合相。扩散相研究不断推进，从水凝胶扩散相发展到透析膜扩散相，从电中性扩散相发展到荷电性扩散相［29］。由以上 DGT测定机理分析可知，DGT测量的是自由金属离子和部分金属络合物。扩散相的孔径、厚度，结合相与金属的络合能力、结合相与金属络合物的交换反应速度，以及金属络合物分子大小等都影响 DGT对金属测量的有效态［29］。DGT技术正是通过改变以上各因素，调整其测定的有效态，使DGT有效态与植物有效性相关联，从而实现DGT技术预测重金属植物有效性的目的。

2 应用DGT技术研究重金属植物有效性

DGT技术是一种新型的原位被动采样技术，DGT技术具有形态选择性，只能测量那些能够通过扩散层并能被结合相累积的可溶性形态;DGT技术具有形态原位固定和富集功能，能真实反映实际形态，可测量超痕量被监测物质;DGT技术具有定量测量功能，根据DGT中的累积量可推算环境中被测组分的浓度，并可提供被监测物质有效态在监测期间的平均浓度;DGT技术是一种动力学采样技术，可通过模拟生物对物质的吸收过程来进行物质生物有效性的研究［17，29］。应用DGT技术研究重金属植物有效性，其核心任务在于建立重金属的DGT有效态与重金属植物有效性的相关性，用相对简单和易重复的化学方法取代生物测试方法，使化学形态的测定能够提供植物毒性和植物有效性的信息［29］。

Davison等［31］1999年首次探讨DGT测定土壤中重金属有效态浓度(CDGT)与其植物有效性之间的关系。研究表明，水芹中 Cd、Co、Cu、Ni、Pb 和 Zn 的浓度和CDGT都随着土壤湿度的增大而增大，而土壤溶液中的金属浓度则下降。该实验说明DGT技术能够很好地预测植物对重金属的吸收，同时也表明DGT对重金属的富集与植物对重金属的吸收具有相似的机理。该结果还表明植物对重金属的吸附不是简单由土壤溶液控制，土壤溶液的金属扩散补给和颗粒物上的金属解吸都影响植物对重金属的吸收。

Zhang等［32］利用 DGT 法预测了植物(lepidium heterophyllum)对铜的植物可利用性。研究组在欧洲范围内测定了29种含铜量不同土壤中铜的DGT有效态浓度(CDGT)、EDTA萃取态铜浓度、Cu2+的活度和土壤溶液铜的总浓度，并与种植在这些土壤上的植物对铜的累积浓度进行了比较。研究表明，铜在植物中累积的浓度与铜的CDGT有高度的相关性，但是与铜离子活度、EDTA萃取浓度、土壤溶液总浓度则没有相关性。说明土壤中重金属主要供给过程是扩散和不稳定金属的释放，为使用CDGT预测土壤中重金属植物有效性提供了可能。

Song等［33］比较了 DGT 法和 1mol/L NH4NO3溶液萃取法预测了一种铜超积累植物(Elsholtzia splendens)和一种耐铜植物(Silene vulgaris)对30种不同浓度铜污染土壤中铜的植物有效性。实验表明，两种植物中铜的累积浓度与铜的DGT有效态浓度CDGT有很好相关性。与土壤中铜的总浓度、EDTA萃取铜浓度和Cu2+的活度相比，CDGT更适合作为铜的植物有效性的评价依据。Tian等［34］野外采集水稻及其根际土壤，比较各种化学提取法(土壤溶液、醋酸提取和提)和DGT技术分析土壤中重金属(Cd、Cu、Pb和Zn)的含量。结果表明，CDGT与植物吸收金属浓度的相关性明显优于其他的形态分析方法。

宋宁宁等［35］分别采用固态结合相(chelex100)和液态结合相(聚丙烯酸钠，PAAS)的DGT装置，对广西桑田土壤中Pb进行了累积和测定。实验表明，两种装置测定的土壤中Pb的有效态浓度与桑树老叶和嫩叶中的Pb含量都显著相关，表明两种结合相的DGT装置均能较好预测桑田土壤中Pb的植物有效性。融合土壤 pH、阳离子交换量(CEC)、有机质(OM)和土壤颗粒组成等理化指标影响，运用多元统计分析，建立了逐步回归模型。多元统计分析表明，两种结合相的DGT技术所构建的回归模型是可靠的，其调整判定系数 R2分别为 0.87、0.89、0.96和0.95，且预测结果融合了影响土壤有效态Pb含量的pH、CEC、有机质和土壤质地等各种因素。

王芳丽［36］等采用田间调查及ICP－MS等技术手段结合，在广西采集田间甘蔗和甘蔗根际土，分别用乙酸、乙二胺四乙酸二钠、氯化镁3种化学提取方法和DGT技术提取甘蔗根际土中有效态Cd含量，研究其与甘蔗根、叶和茎中Cd含量之间的关系。简单相关分析表明，4种方法提取的有效态Cd含量都与甘蔗根和茎中Cd含量显著相关，但DGT的相关性优于化学提取方法。综合土壤pH、阳离子交换量、有机质和土壤颗粒组成等理化指标对土壤有效态Cd含量的影响，运用多元统计分析，确定两种主成分因子，建立了多元回归模型。结果表明，DGT技术模型融合了影响土壤Cd植物有效性的主要因子，预测结果几乎不受本研究所选取的土壤基本理化指标影响，因而是一种预测Cd植物有效性的较好方法。

Liu等［37］使用DGT技术对水稻中甲基汞富集机理进行了研究。以3－巯基丙基－官能化硅胶为结合相，以聚丙烯酰胺凝胶为扩散相，利用DGT技术在水稻整个生长生殖期对稻田土壤中甲基汞的含量变化进行动态监测。研究发现，DGT技术测定的土壤－孔隙水界面甲基汞通量与水稻根系吸收土壤甲基汞通量呈显著正相关(R=0.853，p＜0.01)，且DGT对土壤甲基汞的富集量与水稻果实对甲基汞的富集量呈显著正相关(R=0.768，p＜0.05)。这一发现证明DGT技术可用于有效评估汞污染土壤种植水稻可能存在的生态毒性风险。

Divis等［38］以斯维塔瓦河中苔藓类植物三角莫丝(Fontinalis antipyretica)为实验生物，以聚丙烯酰胺凝胶为扩散相，以chelex100为结合相，利用DGT技术研究了Cd，Pb，Cr和Zn的DGT有效态与三角莫丝植物有效性的相关性。研究表明，三角莫丝体内Cd、Pb、Cr和 Zn的富集量与河水中 Cd、Pb、Cr和 Zn的DGT有效态浓度有很好的相关性。

以上研究表明DGT技术能够很好地预测重金属的植物有效性，但DGT技术在对重金属植物有效性的预测方面，并没有取得一致的结论。Koster等［39］比较了DGT法和0.01mol/L CaCl2溶液萃取法在28种外加标的土壤中对锌的植物可利用性进行了测量。在土壤溶液中DGT法测量的锌的有效态浓度与0.01mol/L CaCl2溶液萃取法测量的锌的浓度有很好的相关性。在莴苣和草类植物中的锌的累积与锌的DGT有效态浓度也表现出很好相关性。而在羽扁豆类植物和等足目动物中的锌的累积与锌的DGT有效态浓度则没有相关性。Amas等［40］应用DGT技术研究工业污染土壤中Cd和Pb的形态对菠菜(Spinacia oleracea)和意大利黑麦草(Lolium multiflorum)的影响。在非毒性浓度范围内，两种植物体内的Cd和Pb的浓度与CDGT之间有很好的相关性，但是在毒性范围内，CDGT则高估这两种植物对Cd和Pb的吸收。对于生菜(Lettuce，Lactuva sativacv Appia)来说，能够有效地预测生菜对Pb的吸收，却无法有效地预测生菜对Cd的吸收。可能存在其他过程(植物内在控制机制)而非土壤过程控制着生菜对Cd的吸收。

3 展望

土壤污染属于食品安全的源头性污染，我国目前土壤污染总体形势严峻，土壤污染造成有害物质在农作物中积累，并通过食物链进入人体，引发各种疾病，最终危害人体健康。土壤中的重金属污染问题尤为突出，1.5亿亩耕地受重金属污染，环保部门估算全国每年因重金属污染的粮食高达1200万吨，造成的直接经济损失超过200亿元。随着生活水平的提高和营养与安全意识的加强，食品质量安全越来越得到人们的关心和重视。加强食品有害物质形成、迁移转化规律及控制方法研究，食品中有毒物质风险评估的技术与方法研究，食品安全溯源与预警的理论和方法研究，建立土壤重金属污染的监测预警体系，是食品安全与质量控制领域的重要任务。

重金属植物有效性研究是环境生态和食品安全风险评价与早期预警研究中的热点和难点问题。虽然近年来人们已经做了广泛和深入的研究，但是对于重金属有效性的认识十分有限，在研究方法及定量化研究方面还存在诸多不足［3］。迄今为止，尚没有一个被公认的、可以普遍运用的形态与植物有效性之间关系的方法，可以用来进行分析研究［41］。

DGT技术之所以能够有效地预测重金属的植物有效性，关键在于DGT技术在测量重金属植物有效性方面有着不同于其他化学分析方法的优势，DGT技术引入了一个动态概念，可以通过模拟植物对重金属的吸收过程进行重金属植物有效性的研究。虽然DGT技术在模拟植物吸收重金属方面有着不错的效果，但并不是在所有条件下都能有效地预测重金属的植物有效性，这是因为DGT技术并不能完全包含植物生长过程中所受的各种影响因素，如植物根际区域的微生物、根部分泌物等方面的作用，而这些作用对植物吸收金属有着不容忽视的影响。因此，今后应加强DGT技术如何更好地反映这些影响方面的研究。DGT技术若与生态毒理学研究手段相结合，便可用于环境生态和食品安全风险评价与早期预警，亦可为制定基于重金属形态的水和土壤环境质量标准提供依据，推进环境质量和生态风险评价的科学化。

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