腐殖酸的提取、研究及應用進展簡析

周乘風，劉李柱，李嘉倫，潘 軒，肖冬杰

（湖南軍信環保股份有限公司，湖南 長沙 410000）

引言

腐殖酸（Humic Acid，HA）源于動植物殘體分解后難被分解的腐殖類物質，是對其中包含疏水或交聯部分的一類聚合物的統稱，其平均性質相似并能抵抗進一步的生物降解[1]。目前，對HA的定義主要基于其宏觀性質，如棕色、芳香基團的存在，以及酚基和羧基導致的酸性等。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，FA溶于水）共同構成腐殖質（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，以及分布在環狀、脂肪族和芳香族鏈上的-O-、-CH2-、=CH-、-NH-、-S-S-等多種基團連接，富含羧基、酚基和羰基、糖、肽等官能團。由于HA結構的酚和羧酸官能團中H元素易于去質子化，使得HA具有改善植物生長和營養、與重金屬絡合、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，基質有機質經歷了有機產物水解、初始轉化和木質素結構腐殖化三個階段，其性質在依次完成芳香結構共聚、HS核心致密化和HS“熟化”后趨于穩定[5]。目前，HA形成理論包括木質素-蛋白合成縮合的木質素假說、木質素多酚氧化為醌后與含氮物質縮合的多酚假說、微生物合成假說和糖-胺縮合假說等多種理論，其中的多酚假說認可度較高。有研究認為，氧鍵非質子化碳（如芳基酮）、非質子化烷基C-O和豐富的COOH基團是HA和FA的特征，而未在植物生物聚合物中觀察到相應特征，HA是生物殘體降解過程的重要中間產物[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協會（IHSS）標準泥炭相似 HA，FTIR光譜和分子量分布對比結果駁斥了提取方法導致的HA二次合成的觀點。

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化煤中的腐殖酸，產率可達40%以上，實現了廢水資源化利用。此外，毛靜春[11]采用該方法提取了草原地區土壤中的腐殖酸、富里酸，通過土壤腐殖質結構特征及羧基和酚羥基定量分析發現，地域干燥指數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關系。

2.2 微生物溶解

污水污泥的資源化處理是HA提取領域研究熱點，也是行業內污水污泥處理企業關注的重點之一。微生物溶解法主要利用細胞破壁處理，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，可同時實現污泥脫水和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合大孔樹脂分離發現，生化過程胞外聚合物的參與使得污水中HA和FA類物質分子量相對集中并呈現增大趨勢。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，發現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）多孔膜進行改性，對HA的截留率高達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]研究發現H2O2處理可增加HA含氧官能團，有利于提高HA生物活性、親疏水指數和熱氧化穩定性。Song等人[19]利用 溶膠-凝膠法合成Fe3O4/LaNiO3納米催化劑，催化風化煤氧化生成HA，產品中反應基團量為對照樣品的7倍，并有效提高了風化煤HA的產率。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品，發現超聲時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，發現煤酸比1∶2，反應2 h后，硝基腐植酸（NHA）產率最高，但按照該法生產的腐殖酸雜質較多，產品應用受限。

3 HA的研究及應用

3.1 農業領域

HA能提供各種大量和微量元素，在決定有機/無機養分和礦質肥料的流動性和生物利用方面具有重要的作用，同時也能充當植物生長素，對植物生理、根系和土壤結構產生積極影響。Monda H等人[22]從沉積頁巖礦提取的HA產品可使小番茄產量提高19%并改善果實品質，效果與施用較高氮磷鉀營養的對照處理相當。植物生長過程與土壤微生物環境密切相關，同時施用HA和其他營養劑可顯著提高細菌生長速率。Rasouli F等人[23]發現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含量提高，開花初期施用有機肥和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量。HA有利于植物在鈣質土壤的生長，并能刺激根系生長，HA芳香環和脂肪鏈上含多種 活性官能團，在實際生產應用中可與其他營養物質配合制成復合肥。HA可改善缺鐵禾本科植物的鐵營養能力，HA中絡合鐵與根系釋放的植物鐵載體相互作用促進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、土壤質量和作物管理措施的指標，用于生態脆弱土壤環境的針對性輪作施肥方案的重要評估依據，還可通過軟、硬物質的膠體相互作用改善土壤結構，將礦物顆粒與松散、開放的團聚體結合，去除膠結作用，進一步促進多孔、水穩、孔隙結構穩定的土壤的形成，如Tang H等人[25]在喀斯特地區石灰巖土壤生態修復中的研究表明，Ca2+與HA的組合對石灰石土壤的有機質保存具有重要作用。

3.2 環境領域

HA環境修復功能主要是依靠其豐富的官能團產生的對重金屬和有機物的直接吸附作用，并可促進植物及微生物生長代謝而實現間接修復效應。如Lu X等人[26]研究指出HA復雜的官能團組成有利于強化聚苯乙烯微塑料（PSMPs）的重金屬Pb2+的吸附能力。Wang Q等人[27]研究發現HA可增加生菜對鎂、鈣、鉬、錳等營養物質礦質元素的吸收，促進植物葉片中氨基酸、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）復合材料可通過表面絡合及靜電吸附作用，有效降低土壤中Cd、Pb重金屬的活性。Xu L等人[29]發現HM對疏水性有機污染物的治理效果優于HA，HS芳香結構對Cr（VI）的還原活性比脂肪族結構高，不飽和程度較高的HS對五氯苯酚（PCP）的吸附分別由π-π作用和疏水作用驅動。

3.3 醫學領域

HA由豐富的官能團組成，具有抗病毒、抗炎、抗氧化、抗腫瘤和抗毒素等特性，在醫用方面有廣泛應用潛力。Verrillo M等人[30]提取褐煤和洋薊堆肥中的HA，發現HA的疏水結構可促進其在靶細胞表面的粘附，構型較不穩定的HA會促進生物活性成分的釋放，并降低細胞炎癥因子的表達。Salehi M等人[31]在細胞和分子水平上，證實并比較了HA和FA對人類黑色素瘤A375細胞系的促凋亡和抗黑素生成作用，發現HA和FA可增加BAX/BCL-2在A375細胞中的表達，具有促凋亡作用，并通過降低TYR基因的表達來抑制黑素生成。此外，在動物醫學方面，HA也被作為家禽生長促進劑研究，如Maguey-Gonzalez J.A等人[32]指出HA可以被細菌用作多種腸道微生物能源底物，改善雞消化系統對于營養物質吸收。

3.4 其他領域

根據HA具備的不同性質開發其在不同領域中的應用，發掘HA作為配合物、中間載體、添加劑等多種用途的可能性是擴大HA應用市場的必要途徑。Skripkina T等人[33]通過機械化學活化，將93±7%的稀土元素轉移到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]發現低濃度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。此外，HA還可應用于提高電池容量，改善電池性能，作為改性劑調節黏土流變性及分散性；用作水泥緩凝劑，可調節水泥凝結時間[35-37]等。

4 結論與展望

HA復雜的有機成分及結構是HA提取方法十分復雜多樣的原因。HA豐富的官能團組成為其多功能用途提供了可能，HA參與植物生長代謝，提高其營養吸收效率；其重金屬和有機物質的吸附固定能力可以推動其在污染治理領域的應用；其多種有機活性基團、碳鏈、雜環及芳香結構等所具有的抗炎、緩凝、吸附等多種活性能促進其在醫藥及其他工程領域的應用。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，是對其進行復合材料開發的關鍵。