陳 靜 黃占斌
(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 北京 100083)
土壤是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),土壤質(zhì)量的好壞直接決定著農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的好壞,也間接影響著地下水的品質(zhì)。
目前,我國耕地土壤質(zhì)量日趨惡化,主要表現(xiàn)在:土壤有機(jī)質(zhì)含量總體水平降低,土壤養(yǎng)分失調(diào),水土流失、土壤沙化、酸化、鹽漬化等面積不斷擴(kuò)大,土壤污染尤其是重金屬含量超標(biāo)極為嚴(yán)重。土壤中的污染物可經(jīng)由食物鏈進(jìn)入人體,直接危害人體健康。因此,土壤質(zhì)量至關(guān)重要,關(guān)乎人類的發(fā)展大計。
腐植酸是動植物遺骸,主要是植物遺骸經(jīng)過微生物的分解和轉(zhuǎn)化,以及地球化學(xué)的一系列過程形成和積累起來的一類有機(jī)物[1]。腐植酸廣泛分布于土壤中,不僅能為土壤中的植物提供營養(yǎng),還能改良土壤結(jié)構(gòu),提高土壤肥力,改造鹽堿地等。另外,腐植酸特定的組成結(jié)構(gòu),決定了其在重金屬以及有毒有機(jī)污染物污染的土壤修復(fù)方面發(fā)揮重要作用。因此,腐植酸改善土壤環(huán)境,尤其在污染土壤修復(fù)和改良方面具有廣闊的發(fā)展前景和空間。
腐植酸的來源可以分為兩類:一類是天然腐植酸;一類是人工腐植酸。有機(jī)物在自然條件下,經(jīng)過微生物的分解和轉(zhuǎn)化作用形成的腐植酸統(tǒng)稱為天然腐植酸。天然腐植酸主要包括土壤腐植酸、水體腐植酸和礦物腐植酸,其中土壤和水體中的腐植酸主要是有機(jī)物經(jīng)過好氧微生物生物化學(xué)分解作用形成的,而礦物腐植酸主要是厭氧微生物經(jīng)幾千年到幾萬年作用下形成的。隨著科技的發(fā)展,人工腐植酸產(chǎn)量越來越大。人工腐植酸原料來源十分廣泛,可以農(nóng)作物秸稈、工業(yè)生產(chǎn)的各種有機(jī)廢棄物等為原料,經(jīng)過可調(diào)控的微生物發(fā)酵以及物理化學(xué)作用而制得。
腐植酸是一類有機(jī)高分子弱酸,有碳、氫、氧、氮、硫等元素組成,以芳香核為中心,具有脂肪族環(huán)狀結(jié)構(gòu),并連有多種功能基:主要有含氧的酸性功能基,包括芳香族和脂肪族化合物上的羧基和芳香環(huán)上的酚羥基,還有羧基、羰基、醇羥基、甲氧基、醌基等多種功能基團(tuán)。腐植酸本身是一種親水膠體,是帶有負(fù)電荷的高分子混合物。腐植酸的結(jié)構(gòu)組成決定了它具有弱酸性、親水性、膠體性、吸附性、離子交換性、絡(luò)合性、氧化還原性及生理活性等,能夠與許多有機(jī)、無機(jī)物發(fā)生相互作用[2]。許多研究表明,腐植酸可以改良土壤,提高作物產(chǎn)量和品質(zhì),在農(nóng)業(yè)應(yīng)用上有巨大的潛力。
腐植酸類物質(zhì)具有膠體性質(zhì),通過絮凝作用能夠與土壤中團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體形成團(tuán)粒,降低土壤容重,增加孔隙度,使土壤具有良好的通透性,有利于土壤中水、肥、氣、熱狀況的調(diào)節(jié),形成適合植物根系生長發(fā)育的良好土壤環(huán)境,提高作物產(chǎn)量[3]。有研究表明,施用有機(jī)肥料、綠肥壓青等能夠產(chǎn)生腐植酸物質(zhì),可改善土壤結(jié)構(gòu)、增加作物產(chǎn)量[4]。
腐植酸是一種帶有負(fù)電的膠體,與土壤結(jié)合后,能夠增加陽離子的吸附量,起到隔鹽、吸鹽作用,抑制鹽分上升,降低表土鹽分含量。
腐植酸是一種弱酸,能夠與土壤中的各種陽離子結(jié)合,生成腐植酸鹽,形成腐植酸-腐植酸鹽相互轉(zhuǎn)化的緩沖系統(tǒng),對土壤的酸堿度起到很好的調(diào)節(jié)作用。
腐植酸還可與土壤中的堿性物質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng),降低土壤的堿度。腐植酸的鹽基交換量為200~300 cmol/kg,是土壤中粘土礦物的10~20倍,使得土壤溶液中的有害離子能夠與腐植酸發(fā)生交換反應(yīng),降低土壤鹽基含量[5]。因此,腐植酸對鹽堿地改良具有很好的作用。
腐植酸中的羧基、羰基、醇羥基、酚羥基等官能團(tuán),有較強(qiáng)離子交換和吸附能力,能減少銨態(tài)氮損失,提高氮肥利用率[6]。研究表明,尿素被水解成NH3,NH3經(jīng)水合反應(yīng)成NH4+。由于腐植酸巨大的內(nèi)表面積和較強(qiáng)吸附能力,NH4+很快被腐植酸吸附,并與其發(fā)生氨化反應(yīng),生成解離度很低的腐植酸銨鹽,既可為作物提供NH4+,又減少氨的揮發(fā)[7]。此外,土壤中的腐植酸能夠加劇土壤中微生物活動,尤其能使土壤自生固氮菌的數(shù)量顯著增加,生物固氮作用得到加強(qiáng),土壤中硝酸鹽含量增加,為作物提供豐富的氮素營養(yǎng)。有研究表明,土壤施用腐植酸能夠使土壤堿解氮含量比對照提高9.0%,腐植酸和硫酸鐵配施使土壤中有機(jī)質(zhì)、堿解氮含量分別比對照提高19.6%、10.5%[8]。
土壤中的Ca3(PO4)2是一種很難溶于水的物質(zhì),在腐植酸存在的條件下,能夠形成溶于水的磷酸氫鹽和磷酸二氫鹽,被作物吸收,減少土壤對可溶性磷的固定,使磷肥能夠緩慢釋放出來,提高磷肥利用率。
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腐植酸具有活化鉀的功能,可使鉀肥緩慢分解,增加鉀釋放量,促進(jìn)作物對鉀的吸收,提高鉀肥利用率。
腐植酸可與土壤中難溶性的中微量元素發(fā)生螯合反應(yīng),使其從不可利用態(tài)變?yōu)榭衫脩B(tài),溶于水,利于作物吸收。
此外,腐植酸分子具有多種活性功能基團(tuán),可增強(qiáng)作物體內(nèi)過氧化氫酶活性,加快作物生理代謝,促進(jìn)植物的生長。因此,腐植酸能夠提高肥料利用率,促進(jìn)作物生長,增加作物產(chǎn)量。
隨著工業(yè)的迅速發(fā)展,電鍍、采礦、冶金、化工等過程中會產(chǎn)生大量含鎳、銅、鈷等重金屬的廢水。廢水進(jìn)入江河湖泊,不僅對水體產(chǎn)生污染,而且用這些污水灌溉農(nóng)田,會造成農(nóng)田中重金屬的含量嚴(yán)重超標(biāo)。有關(guān)統(tǒng)計數(shù)字顯示,截至20世紀(jì)末,我國受污染的耕地面積達(dá)2000多萬公頃,約占耕地總面積的1/5[9]。根據(jù)環(huán)保部和國土資源部2014年4月聯(lián)合發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》,全國土壤中的點(diǎn)位超標(biāo)率最高的是耕地,達(dá)到19.4%。其中,南方土壤污染重于北方,西南、中南地區(qū)土壤重金屬超標(biāo)范圍較大,鎘、汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅、鎳8種無機(jī)污染物點(diǎn)位超標(biāo)率分別為7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%。土壤重金屬污染一方面會導(dǎo)致土壤退化,農(nóng)作物品質(zhì)降低,進(jìn)一步降低農(nóng)作物產(chǎn)量,甚至導(dǎo)致絕產(chǎn);另一方面,土壤中的重金屬通過植物的富集和食物鏈的作用進(jìn)入人體,危害人體健康。
土壤中游離態(tài)的腐植酸很少,大部分腐植酸通過范德華力、氫鍵、靜電吸附等作用形成土壤有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體,這種腐植酸有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體能夠很好地與金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)。腐植酸中的羧基、羥基、羰基和氨基等均能與重金屬發(fā)生絡(luò)合、螯合反應(yīng),使土壤中水溶態(tài)和交換態(tài)的重金屬含量降低;腐植酸還能與一些重金屬形成難溶性的鹽類,抑制重金屬的遷移,使重金屬在土壤中的穩(wěn)定性增強(qiáng)[6]。
土壤對可溶態(tài)的重金屬離子吸附量很小,即使有吸附,其穩(wěn)定性也很差。腐植酸能夠改變土壤中重金屬的存在形態(tài),在土壤中加入腐植酸可以降低可溶態(tài)重金屬含量,增加碳酸鹽結(jié)合態(tài)、氧化物結(jié)合態(tài)的含量,使有機(jī)結(jié)合態(tài)的Cu2+、Cd2+、Zn2+、Pb2+含量降低,從而降低 Cu2+、Cd2+、Zn2+、Pb2+等在土壤中的活性、毒性以及生物可利用性。
腐植酸能將土壤中重金屬離子還原,形成穩(wěn)定的螯合物。參與反應(yīng)的腐植酸基本單元主要是醌類物質(zhì),還原過程為:氧化態(tài)的腐植酸結(jié)合來自電子供體的電子,轉(zhuǎn)化為還原態(tài)的的羥醌,而后通過電子轉(zhuǎn)移使金屬離子還原,還原后的腐植酸又重新轉(zhuǎn)化為氧化態(tài),這樣重復(fù)循環(huán),形成對金屬離子持續(xù)的還原轉(zhuǎn)化[14],減少土壤中重金屬離子的遷移。作為還原劑,腐植酸能夠使土壤中的鎘、汞形成穩(wěn)定的硫化物沉淀,使毒性較高的六價鉻還原為毒性較小的三價鉻,降低鉻毒性。腐植酸能夠?yàn)橥寥乐械纳锾峁┗|(zhì)和能源,間接影響土壤中重金屬離子活動能力。
土壤溶液pH值的變化也會影響腐植酸對土壤中重金屬的凈化和修復(fù)。盧靜等研究結(jié)果表明,當(dāng)土壤溶液的pH值為4~7時,腐植酸通過吸附作用能夠較好地去除土壤中的二價鎳離子[15]。張翼峰等研究發(fā)現(xiàn),土壤溶液pH值對土壤中鉻離子去除也有很大影響。隨著pH值的升高,腐植酸對六價鉻的去除能力降低,當(dāng)pH值為3時,腐植酸對六價鉻的去除效果最好,且隨著腐植酸量的增加,六價鉻的去除率上升[16]。
進(jìn)入土壤中的有機(jī)污染物有天然有機(jī)污染物和人工合成有機(jī)污染物兩種,前者主要是在自然條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或生物代謝過程中產(chǎn)生的,后者主要是由于人類的生產(chǎn)和生活活動產(chǎn)生的。隨著工業(yè)的迅速發(fā)展,產(chǎn)生大量的有機(jī)工業(yè)廢水,這些廢水直接或間接地對水體周圍的土壤造成污染。生活中洗滌劑的使用以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中有機(jī)農(nóng)藥、地膜等使用,使有機(jī)污染物殘留在土壤中,造成土壤有機(jī)物污染。有機(jī)污染物會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生有害影響,不僅影響農(nóng)作物的生長和發(fā)育,降低作物品質(zhì)和產(chǎn)量;同時,有機(jī)物能夠通過植物進(jìn)行富集,并通過食物鏈的作用進(jìn)入人體,嚴(yán)重威脅人類健康。因此,修復(fù)有毒有機(jī)物污染土壤意義重大。
腐植酸主要是通過物理吸附、分配、氫鍵、共價鍵等途徑與有機(jī)污染物結(jié)合,降低有毒有機(jī)污染物在土壤中的生物有效性[17]。腐植酸具有表面活性劑增溶作用,使有機(jī)物從土壤中洗脫出來,然后把淋洗液抽到地表做進(jìn)一步處理,降低有機(jī)物在土壤中的含量。腐植酸與土壤膠粒形成的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合膠體,進(jìn)一步增強(qiáng)對有機(jī)物的吸附。腐植酸對離子的吸附性能,能夠使有機(jī)物的陽離子緊緊吸附在腐植酸分子周圍,減少了土壤中有機(jī)污染物的遷移。
腐植酸分子量的大小直接影響對有機(jī)污染物的吸附有效果。隨著腐植酸分子量的增大,對疏水性有機(jī)物的吸附增強(qiáng);在腐植酸結(jié)構(gòu)中,脂肪結(jié)構(gòu)的增加,促進(jìn)腐植酸對疏水性物質(zhì)的吸附,芳香結(jié)構(gòu)的增加,減弱腐植酸對疏水性物質(zhì)的吸附,其極性強(qiáng)弱可能是控制疏水性有機(jī)物吸附的一個重要參數(shù)[18]。Murphy等研究表明,二價陽離子(Ca2+等)可通過促進(jìn)腐植酸的疏水位點(diǎn)的暴露增強(qiáng)對疏水有機(jī)污染物(如某些農(nóng)藥)的吸附[19]。Permminova等研究發(fā)現(xiàn),土壤腐植酸、泥炭腐植酸和水體腐植酸都對芘、熒蒽、蒽等有結(jié)合和解毒作用,其解毒常數(shù)KocD隨著腐植酸的含量和芳香度的增加而提高[20]。與此同時,腐植酸類物質(zhì)能夠很好地固定、沉淀有機(jī)污染物,這種作用在水體中更為顯著,能夠很好地減輕有機(jī)污染物造成的水體污染。
腐植酸含有多種功能基團(tuán),其中一些功能基團(tuán)有可逆性的氧化還原和離子交換功能,可以降低土壤中有機(jī)物的含量,其機(jī)理主要有以下兩種方式:
(1) 腐植酸能夠?qū)㈦娮訌倪€原態(tài)的化合物轉(zhuǎn)移到芳香族化合物等有毒有機(jī)污染物上,將這些有機(jī)污染物降解,這個過程中腐植酸僅起到電子轉(zhuǎn)遞體的作用。李蘭生等研究表明,腐植酸類物質(zhì)對六六六降解有促進(jìn)作用,其原因是腐植酸類物質(zhì)促進(jìn)了水中激發(fā)氧和·OH生成,氧化了有機(jī)物,降解產(chǎn)物主要是醇類和酚[21]。
(2) 腐植酸接受有毒有機(jī)污染物提供的電子,將這些有機(jī)污染物氧化,這個過程中腐植酸作為電子受體,該方式能夠支持菌體的生長,形成一種新型的細(xì)菌厭氧呼吸方式—腐植酸類物質(zhì)呼吸。有關(guān)研究表明,發(fā)揮腐植酸類物質(zhì)呼吸作用的成分主要是腐植酸中醌類成分,在氧化降解有機(jī)物過程中起到最終電子受體的作用。Cer-vantes等同位素示蹤試驗(yàn)結(jié)果證明,在還原態(tài)腐植酸類物質(zhì)存在情況下,13C標(biāo)記甲苯可以被厭氧氧化,產(chǎn)物為13CO[22]。
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腐植酸是一種有機(jī)物質(zhì),可以為土壤中的微生物提供營養(yǎng)物質(zhì)。腐植酸能夠改良土壤結(jié)構(gòu),減少土壤容重,增加土壤空隙度和通透性,調(diào)節(jié)土壤pH值,降低土壤中的鹽分,從而為微生物提供一個非常好的生存環(huán)境,使微生物大量繁殖,促進(jìn)微生物對土壤中有機(jī)物的降解。同時,腐植酸能夠提高氧化酶的活性,加快對有機(jī)污染物的降解速度。Pellegrino等研究結(jié)果表明,由于含天然腐植酸的溶液能夠促進(jìn)土壤中微生物的活性,使用含天然腐植酸的溶液淋洗高度有機(jī)物污染的土壤,可以有效去除土壤中的污染物,其土壤中有機(jī)污染物去除率高達(dá)90%[23]。
腐植酸來源廣泛,價格低廉。腐植酸與肥料相結(jié)合,既提高了肥效,又減少了肥料的流失。腐植酸與化學(xué)農(nóng)藥相結(jié)合,既可提高藥效,又可加速農(nóng)藥降解。此外,腐植酸在土壤改良、重金屬污染防治與修復(fù)、鹽堿地治理、中低產(chǎn)田改造等方面具有重要作用。因此,應(yīng)加強(qiáng)腐植酸與農(nóng)藥和肥料相結(jié)合的研究,制造出更加綠色環(huán)保的腐植酸農(nóng)藥和肥料,充分發(fā)揮其在土壤改良和修復(fù)中的作用。腐植酸的結(jié)構(gòu)組成及其在土壤修復(fù)中所表現(xiàn)出來的優(yōu)良特性,值得我們更深入地去研究,期望使其在土壤改良和修復(fù)中得到更廣泛的應(yīng)用。
隨著生態(tài)文明和環(huán)境健康及循環(huán)經(jīng)濟(jì)等理念深入人心,進(jìn)一步發(fā)揮和拓展腐植酸在土壤改良和環(huán)境污染治理中的應(yīng)用,將具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。腐植酸在土壤改良和環(huán)境治理中的應(yīng)用還存在許多需要探索和研究的課題,也有待于新領(lǐng)域、新產(chǎn)品的拓展與開發(fā)。但在現(xiàn)實(shí)中,也存在一些問題。Stevenson等發(fā)現(xiàn),除草劑和殺蟲劑在土壤中的保留量與腐植酸含量呈正比關(guān)系[24]。Tessema等發(fā)現(xiàn),隨著土壤中有機(jī)酸特別是腐植酸含量增加,重金屬砷(As)的釋放量也隨之增加[25]。有些有機(jī)污染物在含腐植酸的土壤或沉積物中,毒性不僅沒減少,反而增強(qiáng)[26]。這些現(xiàn)象表明,有必要對影響腐植酸與污染物作用的關(guān)鍵因子及作用機(jī)制進(jìn)行更加深入地探討。此外,腐植酸類物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其變化等應(yīng)用基礎(chǔ)研究也需要加強(qiáng),在測定和分析方法上也需要加大探索力度。值得肯定的是,腐植酸在修復(fù)土壤重金屬和有毒有機(jī)污染物方面得到初步驗(yàn)證,今后需要努力擴(kuò)大試驗(yàn)規(guī)模,獲得充分的試驗(yàn)數(shù)據(jù),爭取早日用于我國大面積污染土壤的治理中去。
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