天然有機質-金屬離子/氧化物-磷復合物的研究進展

吳文麗，閆金龍，①，江 韜，魏世強

(1.重慶理工大學藥學與生物工程學院，重慶 400054；2.西南大學資源環境學院，重慶 400716)

天然有機質(NOM)主要來源于動植物殘體分解，其結構和組成十分復雜，廣泛存在于環境中，如土壤有機質(SOM)和水體溶解性有機質(DOM)等。土壤和水體中有機質以腐殖物質(HS)為主，HS約占土壤和水體生態系統中總有機質的50%～80%，同時HS對環境中金屬離子(metal ion)和磷酸鹽(P)等營養物質的環境行為及生物有效性產生極其重要的影響[1]。HUTCHINSON[2]發現富含腐殖質的污染湖泊水體中磷濃度高于未污染湖泊水體，從此越來越多的學者開始關注有機質與磷的相互關系[3]。水體系統中，研究發現P能與DOM和金屬離子/氧化物形成有機質-金屬離子/氧化物-磷(NOM-Metal-P)三元復合物，使P長期處于溶解態，進而改變水體環境中P的賦存形態和化學行為[4-5]。土壤系統中，HS能與金屬(尤其是Al3+和Fe3+)氧化物(metal oxide)形成穩定的HS-metal oxide復合物，且復合物較單一金屬(Al3+或Fe3+)氧化物對P的吸附能力更強，進而形成HS-Metal-P三元復合物，改變P在土壤系統中的可溶性和生物有效性等[6]。WELP等[7]研究發現土壤溶液中有機碳與鐵和磷的溶解性表現一致，認為這是土壤溶液中形成的DOM-Fe-P復合物造成的。此外，有研究認為，土壤中磷形態以NOM-Metal-P復合物存在時，作物更利于吸收磷，NOM-Metal-P復合物可作為作物重要磷源[8]。NOM-Metal-P復合物作為水體和土壤環境中一種常見的磷賦存形態，國外學者對其結構[9]、穩定性[10]和生物有效性[11]等方面已開展較多研究。目前，國內已經開始關注人工合成的NOM-Metal復合物對P的吸附解吸行為[12-14]和復合物作為磷肥的應用等方面研究[15]，然而有關天然環境中NOM-Metal-P復合物形態磷的遷移轉化研究還鮮見報道。

水體富營養化問題仍是世界各國關心的重點和熱點，磷作為大多數水體富營養化的限制性因子，其在環境中的形態直接影響其生物有效性。在土壤或水體底泥等固相環境中時，復合物形態磷被視為重要的“磷匯”(磷固定途徑)，而從土壤或底泥環境遷移至水體環境時，溶解態復合物形態磷被視為重要的“磷源”(磷釋放途徑)，影響水體富營養化水平。由此可知，復合物形態磷在水土界面的遷移轉化過程是磷形態的重要調控途徑。因此，深入探究復合物形態磷在天然環境中的環境行為顯得十分重要。鑒于此，從賦存形態、結合方式、分子特點、分離和測定方法、生物有效性及其穩定性影響因素等方面綜述了水體和土壤環境中NOM-Metal-P復合物的研究進展，同時對NOM-Metal-P復合物今后研究方向做出展望。

1 NOM-Metal-P復合物在環境中的賦存狀態

水環境中廣泛存在的DOM影響著生態系統中營養元素、金屬元素和有機污染物的環境地球化學行為。一般認為，DOM與磷酸鹽都具有陰離子特征，兩者不能直接結合[16]，但EISENREICH等[17]發現在鐵、鋁等金屬離子的橋聯作用下，DOM能與磷酸鹽結合，形成DOM-Metal-P復合物，且DE HAAN等[4]更是通過55Fe和32P同位素標記方法直接證實了天然水環境中DOM-Fe-P復合物的存在。研究還發現DOM-Metal-P復合物能抑制鐵以氫氧化物形式存在，進而抑制水體中鐵的氫氧化物與磷酸鹽結合形成沉淀[18]。此外，在未受污染的湖泊水體中添加Fe-DOM復合物后也發現相似結果，處理后的水樣中磷的生物有效性受到強烈抑制，同時發現過濾后濾液中磷含量顯著增加，FRANCKO[19]認為這可能是因為溶液中形成了溶解態DOM-Fe-P復合物。在對Tjeukemeer湖研究時也發現，超過50%的溶解性磷是與Fe-DOM結合的[20-21]。在酸性沼澤湖泊中同樣發現60%～90%的溶解性磷與DOM結合形成復合物，且這部分磷不易被堿性磷酸酶水解，但易被低劑量紫外光照射而發生光解[22]。

有關土壤環境中磷形態和遷移轉化研究多與如鐵、錳、鈣和鋁等金屬無機氧化物或氫氧化物結合討論。而土壤有機質在其中的作用則常常被忽略，尤其是含有大量酚羥基、羧羥基等官能團的HS，能與Al3+和Fe3+等金屬的氧化物形成穩定的HS-Metal復合物，會對土壤中磷的形態特征產生重要影響。事實上，SIBANDA等[23]發現，添加HS后土壤對磷酸鹽的吸附量比未處理土壤小，土壤對磷酸鹽的吸附量與有機碳含量呈密切的正相關關系。目前，HS對土壤中磷形態的影響主要有3種可能機制：(1)HS占據鐵/鋁氧化物表面吸附位點，從而減少鐵/鋁氧化物對磷的吸附[24]；(2)HS抑制鐵/鋁氧化物的晶型化過程，使其處于非晶型或弱晶型狀態，從而促進鐵/鋁氧化物對磷的吸附[25]；(3)HS與鐵/鋁氧化物形成HS-Fe/Al復合物，較單一鐵/鋁氧化物能吸附更多磷酸鹽[26]；以上3種機制可能同時存在，一般而言，在吸附初期，HS與磷酸鹽競爭吸附位點可能是最主要機制，而在吸附后期，可能以HS抑制鐵/鋁氧化物晶型化或與其形成HS-Metal-P復合物而促進磷酸鹽吸附為主要機制。在森林土壤中，有研究發現磷與HS和3價鐵共同形成的較高分子質量HS-Fe3+-P復合物是造成磷遷移的主要機制[27-28]。在大量施肥的砂土中，GERKE[29]也發現大量較高分子質量可反應磷，且這部分磷是以HS-Metal-P復合物形式存在。此外，通過超濾和陰離子交換樹脂方法，GUARDADO等[30]在實驗室也分離出游離磷酸根和DOM-Fe-P復合物形態磷，發現DOM-Fe-P復合物對土壤中磷的賦存形態變化有重要影響，且研究結果與土壤類型有密切關系。綜上可知，在水體和土壤環境中，NOM-Metal-P復合物形態磷是磷的重要賦存形態，有時甚至是主要賦存形態[31]，有報道認為復合物形態磷可占溶液中磷總量的50%，有時甚至達80%[32]。因此，深入研究和探析復合物形態磷對了解環境中磷的生物有效性和環境遷移能力等方面有著重要作用。

2 NOM-Metal-P復合物的結合方式

目前，關于環境中NOM-Metal-P復合物的結合方式有兩種主要觀點：一種認為NOM作為膠溶劑包裹無機Metal-P而形成復合物[33]；另一種認為NOM的特定配位基(羧基)與磷酸鹽能通過金屬離子，尤其是Fe3+和Al3+，作為鍵橋而結合形成復合物[8，10](圖1[8])。事實上，自然環境中上述兩種結合方式都可能存在。研究也發現NOM-Metal-P復合物能以溶解態穩定存在于水環境或土壤溶液中[34]。基于斯卡查德方法，GUARDADO等[30]對實驗室制備的DOM-Fe-P復合物分析發現，磷酸鹽與DOM-Fe復合物的結合存在兩個穩定性不同的結合位點，一個穩定性高，另一個穩定性低，且在不同pH條件下，兩個結合位點的最大結合能力(MBA)和表觀穩定常數(lgK)都有差異。此外，RIGGLE等[35]采用鈷基磷選擇性電極測定HS-Zn/Cd/Fe/Ca/Mg-P復合物lgK值分別為4.87、5.64、5.84、5.84和5.92，還發現lgK值與溶液pH、金屬離子類型等都有密切關系，其中DOM-Fe3+/Al3+-P復合物lgK值較高[10]。采用紅外光譜對Al3+、Fe3+和Zn2+等金屬離子合成的復合物研究發現，除DOM-Al-P復合物外，另外兩種復合物羧基功能團波數比對應的Metal-DOM復合物羧基功能團小，這表明復合物中可能形成穩定的金屬羧酸鹽鍵。由熒光光譜圖也得到相似結論，與Metal-P復合物相比，DOM-Metal-P復合物發生明顯熒光猝滅效應，且猝滅效應也與溶液pH有關，3種金屬復合物的猝滅效應由強到弱為Fe>Al>Zn，該結果也間接反映不同金屬離子形成復合物的穩定順序[11，36]。

圖1 NOM-Metal-P復合物結構示意

3 NOM-Metal-P復合物的分子特點以及分離和測定方法

DOM是由多種有機化合物組成，結構復雜，其中HS一般占50%～80%，且分子質量從幾百到幾百萬Da[37]。由此可知，天然水體和土壤溶液中DOM-Metal-P復合物形態磷分子質量比游離磷酸鹽大。目前，關于DOM-Metal-P復合物分子質量的研究結果還存在爭議，如表1[4，30-31，38-39]所示，有學者認為復合物分子質量為10 000～20 000 Da[4]，另有學者認為其分子質量大于5 000 Da[40]。MINEAR[41]通過凝膠排阻發現，溶解性有機磷復合物要么為分子質量大于100 000 Da的高分子質量化合物，要么為分子質量在100～2 500 Da之間的低分子質量化合物，且大多數處于低分子質量部分。GERKE等[39]在測定砂土溶液DOM-Metal-P復合物形態磷含量時，將溶液過截留分子質量為20 000 Da的濾膜，測定結果顯示復合物形態磷占提取總磷的80%。綜上，不同地域和環境系統中DOM-Metal-P復合物形態磷分子質量差異明顯，還有待進一步研究。

表1 NOM-Metal-P復合物分子質量和分離方法

Table 1 Molecular mass and separation method of NOM-Metal-P complexes

研究對象特點分離方法復合物類別復合物分子質量/Da來源文獻Iso Valkjlrvi、Alinen Mustaj&vi和Mekkojlrvi湖湖泊水體中腐殖質含量較高凝膠過濾層析dissolved humic substances-Fe-P10 000～20 000 [4]長壽湖中到富營養化狀態超濾dissolved organic matter-Fe-P>1 000[38]人工合成復合物腐殖質來源于風化褐煤超濾leonardite humic acid-Fe-P>3 000[30]草地、耕地和森林土壤土壤過度施用無機肥料和廄肥凝膠過濾soil fulvic acid-Fe/Al-P>10 000[31]砂質土壤堿性土壤浸出液離子交換樹脂、超濾soil extract organic matter-Fe/Al-P>20 000[39]

天然水體和土壤溶液中DOM-Metal-P復合物形態磷是一種非常規的磷素形態，鑒于其分子質量差異大的特點，采用傳統磷形態分級方法不能直接進行有效測定。采用傳統鉬藍比色法測定磷含量時要求溶液pH值<1，在H+強質子化作用下，會造成復合物形態磷發生水解，使測定的游離磷酸鹽結果偏高[42]。而已有研究發現在比色過程中超過50%，有時甚至是80%的DOM-Metal-P復合物被水解成游離磷酸鹽，這可能正是DOM-Metal-P復合物形態磷常被忽略的重要原因之一[32]。因此在樣品測定前，可將大分子質量的復合物形態磷與游離磷酸鹽分開，再分別測定其含量，從而準確得到復合物形態磷所占比例。目前，分離復合物形態磷與游離磷酸鹽的方法主要有超濾[9]、透析[30]、凝膠過濾柱[43]和離子交換樹脂[39]等，超濾中則多采用截留分子質量為500或1 000 Da的濾膜分離游離磷酸鹽和復合物形態磷[44-45]，不同分離方法優缺點見表2。此外，有研究通過同位素標記[4]、固相核磁共振磷譜(31PNMR)等方法定性測定HS-Metal-P復合物形態磷，發現以風化褐煤提取的腐殖質與金屬離子和磷形成的HS-Metal-P復合物31P共振峰寬度較無金屬離子的復合物更寬，不同HS-Metal-P復合物的31P共振峰寬度分別為670 (Fe)、1 050(Ca)、1 088 (Mg)、1 300 (Zn)和1 800 Hz(Cd)[46-47]。

表2 NOM-Metal-P復合物分離方法比較

Table 2 Comparison of separation method for NOM-Metal-P complex

分離方法 優點 缺點 超濾效果好,回收率高價格昂貴,超濾膜污染凝膠過濾層析可按分子質量不同分級分離,應用廣泛相近分子質量物質較難分離透析操作簡單,透析袋可重復利用耗時,效率低離子交換樹脂快速,便宜,存在競爭吸附可能導致復合物水解

4 NOM-Metal-P復合物形態磷的生物有效性

水體環境中，DOM-Metal-P復合物形態磷與游離磷酸鹽均處于溶解狀態，但兩種形態磷的生物有效性卻不盡相同，游離磷酸鹽能直接被生物吸收利用，是生態系統中重要營養物質，而復合物形態磷的生物有效性目前還處于爭議狀態。在初級生產率低的湖泊中，有研究認為游離磷酸鹽和溶解態DOM-Metal-P復合物形態磷這2種形態磷可被浮游生物利用[48]。另有研究認為，DOM-Fe-P復合物形態磷將導致磷的生物有效性降低[4]。SHAW[18]則認為復合物形態磷在短期內能降低磷的生物有效性，但長期而言，其可能是潛在的磷釋放風險源。事實上水環境中磷形態是動態變化的，在生物和非生物作用下，可從一種形態向另一種形態轉化，復合物形態磷與游離磷酸鹽也應該處于動態平衡。

鈣質土壤中，NOM-Ca-P復合物形態磷能抑制磷酸鹽形成磷酸鈣沉淀，同時，在酸性土壤中，NOM-Fe/Al-P復合物形態磷亦能抑制磷酸鹽與鐵鋁氧化物發生共沉淀，從而增加磷的生物可利用性[11，32]。此外，RIGGLE等[35]研究也發現，金屬腐殖酸復合物對磷有增溶作用，能增強環境中磷遷移性，對磷的環境行為產生重要影響。為評價復合物形態磷的生物有效性，URRUTIA等[8]以復合物形態磷為磷源對小麥和鷹嘴豆進行植物培養試驗，結果發現以P-Fe-HS復合物為磷源的處理作物磷吸收利用率高于以單一磷酸鹽為磷源的處理。因此，ERRO等[49-50]以NOM-Metal-P復合物作為磷源培養根際控制肥，以期作物能更高效地利用營養物質磷，研究表明復合物中腐殖酸濃度增加，HS-Zn/Mg-P復合物的水溶性增加。沈玉君等[15]也發現，在堆肥過程中外源添加鐵鹽和磷酸鹽后，可能形成HS-Fe-P復合物，從而提高堆肥品質和鐵、磷的生物有效性。綜上可知，盡管復合物形態磷在環境中的生物有效性還存在爭議，但大多數學者認為復合物形態磷能夠增加磷素在環境中的遷移能力。由于復合物形態磷的特殊性質，在土壤(底泥)與上覆水體等土水界面，特別是三峽庫區消落帶等生態敏感區，土壤(底泥)中NOM-Metal-P復合物能不斷地向上覆水中釋放，增加磷素的生態環境風險。從長期而言，水環境中溶解態DOM-Metal-P復合物形態磷在光照和pH等環境因素的影響下將發生降解，使磷素從復合物中釋放出來，在貧營養水體中，這將大大增加磷的生物有效性，而在富營養水體中，這可能進一步加重水體富營養化。

5 影響環境中NOM-Metal-P復合物穩定性的因素

5.1 紫外光照射

紫外光照射下，NOM將發生濃度降低、芳香性減弱、與金屬結合能力減弱等變化[51]，同時，光照也是控制環境中鐵形態的重要因素[52]，光照引發的電子轉移可直接導致Fe3+還原為Fe2+，進而改變鐵在環境中的行為。Fe3+是形成NOM-Metal-P復合物最重要的金屬離子，因此紫外光照射對NOM-Metal-P復合物必將產生極其重要的影響。事實上，已有研究發現在大量施肥的草地和耕地土壤中，低強度紫外光照射條件下的草地和耕地土壤高分子質量的NOM-Metal-P復合物形態磷含量比未進行光照處理的空白樣分別低17%和11%[31]。對于湖泊水體也得到相似結論，高分子質量NOM-Metal-P復合物形態磷不易被堿性磷酸酶水解，而易在低劑量(14 J·m-2·h-1)紫外光照射條件下分解，相反，低分子質量NOM-Metal-P復合物則易被堿性磷酸酶水解，不易被低劑量紫外光照射而發生光解過程[22]。SOLRZANO等[53]采用高強度紫外光對復合物進行照射后發現，復合物均發生光降解，并最終降解為磷酸鹽。國內也有相似報道，紫外光(500 μW·cm-2)照射后，渠江-嘉陵江、涪江-嘉陵江交匯處水樣中10 kDa～0.22 μm和0.5～10 kDa不同組分中磷含量均降低，<0.5 kDa組分磷含量明顯增加[44]。上述研究結果表明，紫外光照是影響環境中復合物形態磷穩定性的重要因素。PANT等[54]研究發現，分別采用高強度(45 mW·S-1·m-2)和低強度(45 mW·S-1·m-2)UV-B紫外光照射田間濕潤土壤后，土壤釋放的可溶性反應磷含量并沒有明顯差異。另一方面，由于Fe3+為NOM-Metal-P復合物中金屬離子的主要形式，因此目前復合物光降解的機制被普遍認為是復合物中Fe3+光還原成Fe2+造成的。FRANCKO[19]研究認為復合物中鐵處于3價時能與磷酸鹽結合，而Fe2+-NOM復合物則不能結合磷。研究還發現，上述光降解還原過程具有季節性，在夏季生物作用較強時，環境中鐵離子被大量吸收，這種光降解行為較少[55]。除Fe3+光還原外，紫外光照射后，NOM將發生降解[56]，分子中如羥基、酚基等重要基團的減少，也必將影響其與金屬離子結合，進而導致復合物形態磷轉化為游離磷酸鹽。

5.2 pH

GERKE[29]研究發現，測定游離無機磷酸鹽時，溶液pH值調至<1，NOM-Metal-P復合物形態磷發生水解，進而導致游離無機磷酸鹽測量值偏高。JONES等[43]在富含腐殖質的湖泊水體中發現，當pH值從8降到4時，DOM-Fe-P復合物濃度顯著減小。此外，另有研究也發現，當pH值<5.0時，HS-Fe/Al復合物吸附的磷酸鹽量顯著降低，Al/Fe、P同時從復合物中解吸，處于游離狀態，而當pH值從5.2升到6.2時，Fe-HS復合物吸附的磷酸鹽量增加，這可能是由于在低pH條件下，H+與Fe、Al等金屬離子共同競爭HS表面有限的吸附位點，從而抑制NOM-Metal-P復合物的穩定存在，導致金屬離子從復合物中被釋放出來，進而使結合的磷酸鹽也被釋放出來[31，57]。

5.3 共存離子

5.4 其他因素

SHAW[18]發現在湖泊水體中，調節Ca2+強度對HS-Metal-P復合物的形成影響很小，但調節金屬離子種類對復合物的形成影響較大。JONES等[43]亦得到相似結論。另有研究發現，離子強度的增加能促進鐵氧化物-腐殖酸復合物對磷的吸附[38]。此外，厲月含[62]發現溫度對腐殖酸-納米Al2O3復合物吸附磷酸根離子過程的影響不明顯，而當海水鹽度增加時，腐殖酸-納米Al2O3復合物對磷酸根離子的吸附量降低。

6 展望

NOM-Metal-P復合物作為一種廣泛存在于天然水體和土壤環境中的磷素形態，土壤固相中HS-Metal-P復合物溶于水后能在土壤溶液中形成可溶的DOM-Metal-P復合物，從而使更多的鐵和磷處于溶解態，經過雨水沖刷、徑流等作用匯集到水體中；另一方面，隨著上覆水環境條件發生變化，湖泊等水體底泥中HS-Metal-P復合物也能遷移至上覆水形成可溶的DOM-Metal-P復合物。綜上可知，復合物形態磷的遷移轉化將給水環境安全帶來一定的生態風險，成為潛在的磷釋放因子，影響水體環境富營養化水平。如前文所述，目前，國內外學者已從NOM-Metal-P復合物的賦存形態、結合方式、分子特點、分離和測定方法、生物有效性及其穩定性影響因素等方面開展了大量研究，且以國外研究為主，國內研究相對不足。因此，今后的研究工作可從以下方面加強：(1)針對國內天然水體環境，探究不同水體系統中NOM-Metal-P復合物占溶解性總磷的比例，不同分子質量NOM-Metal-P復合物形態磷的生物有效性及其對水體富營養化的貢獻；(2)進一步探究影響NOM-Metal-P復合物形態磷穩定性的因素〔如共存含氧酸根陰離子(砷酸鹽、硅酸鹽等)、光敏物質、HS結構等〕；(3)深入研究NOM-Metal-P復合物形態磷在水土界面遷移轉化的機制(特別是在三峽庫區消落帶、濕地等周期性干濕交替的水土界面)。