腐殖酸的提取、研究及應(yīng)用進(jìn)展簡析

周乘風(fēng)，劉李柱，李嘉倫，潘 軒，肖冬杰

（湖南軍信環(huán)保股份有限公司，湖南 長沙 410000）

引言

腐殖酸（Humic Acid，HA）源于動(dòng)植物殘?bào)w分解后難被分解的腐殖類物質(zhì)，是對其中包含疏水或交聯(lián)部分的一類聚合物的統(tǒng)稱，其平均性質(zhì)相似并能抵抗進(jìn)一步的生物降解[1]。目前，對HA的定義主要基于其宏觀性質(zhì)，如棕色、芳香基團(tuán)的存在，以及酚基和羧基導(dǎo)致的酸性等。HA在堿性條件下溶于水，與胡敏素（Humin，HM既不溶于堿也不溶于酸）和富里酸（Fulvic Acid，F(xiàn)A溶于水）共同構(gòu)成腐殖質(zhì)（HS）的主要成分，后者分子量102～106Da，占自然水體沉積物和溶解有機(jī)碳的50%～75%，是植物氮、磷和硫的主要來源之一[2-3]。

HA具有基于多酚或醌的芳族核，以及分布在環(huán)狀、脂肪族和芳香族鏈上的-O-、-CH2-、=CH-、-NH-、-S-S-等多種基團(tuán)連接，富含羧基、酚基和羰基、糖、肽等官能團(tuán)。由于HA結(jié)構(gòu)的酚和羧酸官能團(tuán)中H元素易于去質(zhì)子化，使得HA具有改善植物生長和營養(yǎng)、與重金屬絡(luò)合、抗病毒和抗炎活性等多種功能[4]。

1 HA的形成

在HA的形成過程中，基質(zhì)有機(jī)質(zhì)經(jīng)歷了有機(jī)產(chǎn)物水解、初始轉(zhuǎn)化和木質(zhì)素結(jié)構(gòu)腐殖化三個(gè)階段，其性質(zhì)在依次完成芳香結(jié)構(gòu)共聚、HS核心致密化和HS“熟化”后趨于穩(wěn)定[5]。目前，HA形成理論包括木質(zhì)素-蛋白合成縮合的木質(zhì)素假說、木質(zhì)素多酚氧化為醌后與含氮物質(zhì)縮合的多酚假說、微生物合成假說和糖-胺縮合假說等多種理論，其中的多酚假說認(rèn)可度較高。有研究認(rèn)為，氧鍵非質(zhì)子化碳（如芳基酮）、非質(zhì)子化烷基C-O和豐富的COOH基團(tuán)是HA和FA的特征，而未在植物生物聚合物中觀察到相應(yīng)特征，HA是生物殘?bào)w降解過程的重要中間產(chǎn)物[6]。Zou J等人[7]以多酚和氨基酸為原料，以MnO2為催化劑非生物腐殖化獲得了與國際腐殖質(zhì)協(xié)會(huì)（IHSS）標(biāo)準(zhǔn)泥炭相似 HA，F(xiàn)TIR光譜和分子量分布對比結(jié)果駁斥了提取方法導(dǎo)致的HA二次合成的觀點(diǎn)。

2 不同來源HA的提取

HA的提取主要有堿溶酸析法、微生物溶解法和膜濃縮法等，其中堿溶酸析法適用性廣，是IHSS推薦使用的提取方法[8]，但其提取效率和樣品質(zhì)量存在很大提升空間。

2.1 堿溶酸析

堿溶酸析法是利用腐殖酸易溶于堿不易溶于酸的特性，用NaOH/KOH溶液溶解后再利用HCl溶液將HA析出。堿溶酸析法特別適用于不同類型煤炭腐殖質(zhì)酸的提取。Nazarbek U等人[9]從煤礦廢棄物中利用KOH水溶液萃取獲得有機(jī)礦物腐殖酸鉀。李美蘭等人[10]利用造紙黑液含有的大量殘堿提取風(fēng)化煤中的腐殖酸，產(chǎn)率可達(dá)40%以上，實(shí)現(xiàn)了廢水資源化利用。此外，毛靜春[11]采用該方法提取了草原地區(qū)土壤中的腐殖酸、富里酸，通過土壤腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)特征及羧基和酚羥基定量分析發(fā)現(xiàn)，地域干燥指數(shù)與土壤中腐殖酸和富里酸的含量及腐殖酸分子中氧含量呈正相關(guān)關(guān)系。

2.2 微生物溶解

污水污泥的資源化處理是HA提取領(lǐng)域研究熱點(diǎn)，也是行業(yè)內(nèi)污水污泥處理企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)之一。微生物溶解法主要利用細(xì)胞破壁處理，獲取釋放的HA，Anielak A.M等人[12]從兩家污水處理廠的消化污泥中提取HA、FA和吉馬多美朗酸（HMA），消化污泥中腐殖酸類物質(zhì)約占污泥干重10%。Qiu C等人[13]提出了一種簡便的水熱堿性處理方法，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)污泥脫水和HA的回收，在最佳條件下HA的提取率為89.1%，純度為96.2%。Bakhsh E.M等人[14]以富硅污泥為原料，水熱法促進(jìn)微生物破壁溶解，合成了高活性腐殖酸，HA與介孔SiO2共同用于鈾的吸附處理，吸附量高達(dá)220.26 mg/g。

2.3 膜濃縮

膜濃縮法多用于破壁污泥及污水中HA的分離提取，利用不同的膜材料可以選擇性獲得不同分子量的HA。金鵬康等人[15]通過反滲透富集濃縮并結(jié)合大孔樹脂分離發(fā)現(xiàn)，生化過程胞外聚合物的參與使得污水中HA和FA類物質(zhì)分子量相對集中并呈現(xiàn)增大趨勢。付小康[16]分析了膜對腐殖酸的分離富集及腐殖酸的膜污染行為，發(fā)現(xiàn)鐵元素有利于緩解膜表面的腐殖酸污堵，從而利于膜法富集腐殖酸。Arahman N等人[17]利用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）對聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）多孔膜進(jìn)行改性，對HA的截留率高達(dá)75.92%。

2.4 輔助方法

H2O2處理、催化活化、超聲等處理對HA提取具有顯著影響。Wang M等人[18]研究發(fā)現(xiàn)H2O2處理可增加HA含氧官能團(tuán)，有利于提高HA生物活性、親疏水指數(shù)和熱氧化穩(wěn)定性。Song等人[19]利用 溶膠-凝膠法合成Fe3O4/LaNiO3納米催化劑，催化風(fēng)化煤氧化生成HA，產(chǎn)品中反應(yīng)基團(tuán)量為對照樣品的7倍，并有效提高了風(fēng)化煤HA的產(chǎn)率。崔文娟等人[20]比較空氣氧化、硝酸氧化和超聲波等方法處理原煤，再通過堿溶酸析獲得腐殖酸產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)超聲時(shí)長有利于腐殖酸的提率提升。此外，利用酸溶液中的H+破壞腐殖酸鹽中羧基與金屬陽離子化學(xué)鍵，從而形成腐殖酸的酸抽提劑法工藝流程及操作簡單，如Zhumanova M.O等人[21]利用混合的HNO3和H2SO4溶液氧化褐煤，發(fā)現(xiàn)煤酸比1∶2，反應(yīng)2 h后，硝基腐植酸（NHA）產(chǎn)率最高，但按照該法生產(chǎn)的腐殖酸雜質(zhì)較多，產(chǎn)品應(yīng)用受限。

3 HA的研究及應(yīng)用

3.1 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域

HA能提供各種大量和微量元素，在決定有機(jī)/無機(jī)養(yǎng)分和礦質(zhì)肥料的流動(dòng)性和生物利用方面具有重要的作用，同時(shí)也能充當(dāng)植物生長素，對植物生理、根系和土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生積極影響。Monda H等人[22]從沉積頁巖礦提取的HA產(chǎn)品可使小番茄產(chǎn)量提高19%并改善果實(shí)品質(zhì)，效果與施用較高氮磷鉀營養(yǎng)的對照處理相當(dāng)。植物生長過程與土壤微生物環(huán)境密切相關(guān)，同時(shí)施用HA和其他營養(yǎng)劑可顯著提高細(xì)菌生長速率。Rasouli F等人[23]發(fā)現(xiàn)開花前施用蚯蚓堆肥（VC）和商品HA提取物（CHA），香菜植株可溶性總蛋白質(zhì)含量提高，開花初期施用有機(jī)肥和CHA可顯著提高光合色素含量和N、P、K、Fe、Zn、Mn含量，開花期施用化肥、蚯蚓糞和CHA肥可提高香菜籽精油含量和產(chǎn)量。HA有利于植物在鈣質(zhì)土壤的生長，并能刺激根系生長，HA芳香環(huán)和脂肪鏈上含多種 活性官能團(tuán)，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中可與其他營養(yǎng)物質(zhì)配合制成復(fù)合肥。HA可改善缺鐵禾本科植物的鐵營養(yǎng)能力，HA中絡(luò)合鐵與根系釋放的植物鐵載體相互作用促進(jìn)了地上部分鐵含量的增加，從而增加葉片 活性鐵水平[24]。

HA可以作為相對土壤固碳能力、土壤質(zhì)量和作物管理措施的指標(biāo)，用于生態(tài)脆弱土壤環(huán)境的針對性輪作施肥方案的重要評估依據(jù)，還可通過軟、硬物質(zhì)的膠體相互作用改善土壤結(jié)構(gòu)，將礦物顆粒與松散、開放的團(tuán)聚體結(jié)合，去除膠結(jié)作用，進(jìn)一步促進(jìn)多孔、水穩(wěn)、孔隙結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的土壤的形成，如Tang H等人[25]在喀斯特地區(qū)石灰?guī)r土壤生態(tài)修復(fù)中的研究表明，Ca2+與HA的組合對石灰石土壤的有機(jī)質(zhì)保存具有重要作用。

3.2 環(huán)境領(lǐng)域

HA環(huán)境修復(fù)功能主要是依靠其豐富的官能團(tuán)產(chǎn)生的對重金屬和有機(jī)物的直接吸附作用，并可促進(jìn)植物及微生物生長代謝而實(shí)現(xiàn)間接修復(fù)效應(yīng)。如Lu X等人[26]研究指出HA復(fù)雜的官能團(tuán)組成有利于強(qiáng)化聚苯乙烯微塑料（PSMPs）的重金屬Pb2+的吸附能力。Wang Q等人[27]研究發(fā)現(xiàn)HA可增加生菜對鎂、鈣、鉬、錳等營養(yǎng)物質(zhì)礦質(zhì)元素的吸收，促進(jìn)植物葉片中氨基酸、碳水化合物和小分子酸的合成，有效地緩解As誘導(dǎo)的植物毒性和生長抑制。李杰等人[28]通過對腐殖酸高溫改性制備的水鐵礦-不溶性腐殖酸（Fh-IHA）復(fù)合材料可通過表面絡(luò)合及靜電吸附作用，有效降低土壤中Cd、Pb重金屬的活性。Xu L等人[29]發(fā)現(xiàn)HM對疏水性有機(jī)污染物的治理效果優(yōu)于HA，HS芳香結(jié)構(gòu)對Cr（VI）的還原活性比脂肪族結(jié)構(gòu)高，不飽和程度較高的HS對五氯苯酚（PCP）的吸附分別由π-π作用和疏水作用驅(qū)動(dòng)。

3.3 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

HA由豐富的官能團(tuán)組成，具有抗病毒、抗炎、抗氧化、抗腫瘤和抗毒素等特性，在醫(yī)用方面有廣泛應(yīng)用潛力。Verrillo M等人[30]提取褐煤和洋薊堆肥中的HA，發(fā)現(xiàn)HA的疏水結(jié)構(gòu)可促進(jìn)其在靶細(xì)胞表面的粘附，構(gòu)型較不穩(wěn)定的HA會(huì)促進(jìn)生物活性成分的釋放，并降低細(xì)胞炎癥因子的表達(dá)。Salehi M等人[31]在細(xì)胞和分子水平上，證實(shí)并比較了HA和FA對人類黑色素瘤A375細(xì)胞系的促凋亡和抗黑素生成作用，發(fā)現(xiàn)HA和FA可增加BAX/BCL-2在A375細(xì)胞中的表達(dá)，具有促凋亡作用，并通過降低TYR基因的表達(dá)來抑制黑素生成。此外，在動(dòng)物醫(yī)學(xué)方面，HA也被作為家禽生長促進(jìn)劑研究，如Maguey-Gonzalez J.A等人[32]指出HA可以被細(xì)菌用作多種腸道微生物能源底物，改善雞消化系統(tǒng)對于營養(yǎng)物質(zhì)吸收。

3.4 其他領(lǐng)域

根據(jù)HA具備的不同性質(zhì)開發(fā)其在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用，發(fā)掘HA作為配合物、中間載體、添加劑等多種用途的可能性是擴(kuò)大HA應(yīng)用市場的必要途徑。Skripkina T等人[33]通過機(jī)械化學(xué)活化，將93±7%的稀土元素轉(zhuǎn)移到HA中，且不引起原煤中HA-稀土配合物的降解，為稀土資源的獲取提供了新方案。Tohry A等人[34]發(fā)現(xiàn)低濃度HA即可顯著抑制赤鐵礦的浮選效果，且對角閃石和輝石反浮選分離具有類似吸附效應(yīng)。此外，HA還可應(yīng)用于提高電池容量，改善電池性能，作為改性劑調(diào)節(jié)黏土流變性及分散性；用作水泥緩凝劑，可調(diào)節(jié)水泥凝結(jié)時(shí)間[35-37]等。

4 結(jié)論與展望

HA復(fù)雜的有機(jī)成分及結(jié)構(gòu)是HA提取方法十分復(fù)雜多樣的原因。HA豐富的官能團(tuán)組成為其多功能用途提供了可能，HA參與植物生長代謝，提高其營養(yǎng)吸收效率；其重金屬和有機(jī)物質(zhì)的吸附固定能力可以推動(dòng)其在污染治理領(lǐng)域的應(yīng)用；其多種有機(jī)活性基團(tuán)、碳鏈、雜環(huán)及芳香結(jié)構(gòu)等所具有的抗炎、緩凝、吸附等多種活性能促進(jìn)其在醫(yī)藥及其他工程領(lǐng)域的應(yīng)用。針對性地提高不同來源HA提取效率，純化出具有特定功能的HA樣品，是對其進(jìn)行復(fù)合材料開發(fā)的關(guān)鍵。