根际有机酸对土壤中重金属化学行为和生物有效性的影响研究进展

周 松，杨健豪，晏士玮，闫玥童，张玲玉，叶文玲

(安徽农业大学 资源与环境学院，合肥 230036)

重金属对土壤的污染及危害不容忽视，尽管土壤具有使重金属移动和削弱重金属的生物有效性等天然机制能力，如沉淀、吸附及氧化还原反应等[1]。但是当土壤中重金属的浓度足够高时，土壤自身无法完全消除重金属带来的潜在危害，可能直接导致农产品或地下水受到污染，进而通过食物链等富集作用危害人体健康。因此有必要采取措施修复受到重金属污染的土壤。

土壤有机酸是广泛存在于水体和土壤中的一种有机组分。Strom等[2]指出土壤中有机酸浓度在1.00～100.00 mmol/kg。当有机酸在土壤中合成时，一部分有机酸经过进一步代谢转变为新的化合物，另一部分有机酸则吸附在土壤胶体上，因此很难完全计算土壤中有机酸的实时总量。

有研究指出，有机酸的羧基官能团可以释放质子，使自身显负电荷，从而对阳离子表现出很高的络合亲和力；同时，金属与有机酸的络合作用影响着金属的形态、毒性及生物利用度，并促进其迁移或转运[3]。在碱性土壤中植物生长实验发现，外源有机酸的添加有利于镉污染土壤的修复，并且施加量为1.00 mmol/kg的乙酸修复效果最好[4]。此外，根际有机酸的金属解毒作用尤为突出。自然状态中的不同植物，如高粱、玉米、大豆及水稻等遭受铝胁迫时，通过根系分泌的有机酸与铝螯合，进而减轻或避免铝毒的迫害[5]。

近年有研究揭示了根际有机酸在影响土壤重金属的化学行为及其生物有效性方面的重要性。但各项研究往往比较片面，缺乏系统性，因此有必要用更全面的方法来理解有机酸的作用，尤其是关于重金属污染的方面。综述主要是讨论土壤有机酸、特别是根际有机酸对土壤重金属环境行为的作用，为今后有机酸治理与修复重金属污染土壤等方面提供更多的理论支持与技术依据。

1 土壤有机酸

1.1 土壤中有机酸的来源及种类

土壤有机酸的种类按分子量高低大致可分为低分子量有机酸(如草酸、乙酸和苹果酸等)和高分子量有机酸(主要是腐殖酸和富里酸)[6]。土壤有机酸来源主要分为3类，即植物根系分泌、微生物代谢和有机质分解。高分子量有机酸主要通过有机质分解(如有机改良剂和土壤有机质)产生，而低分子量有机酸可以通过植物根系分泌物、微生物代谢产物或有机质分解产物在土壤中富集。

上层土壤中有机质(包括动植物残体、排泄物等)的分解可以产生有机酸。在对植物凋落物的研究中，Lasota等[7]指出其分解释放的低分子量有机酸主要包括柠檬酸和苹果酸。此外，在有机质的分解过程中，释放的低分子量有机酸还包括乌头酸、甲酸、乳酸、马来酸、丙二酸、琥珀酸、富马酸及酒石酸等[8]。此外，土壤微生物(包括细菌和真菌)本身产生并释放的有机酸种类也很丰富，包括甲酸、柠檬酸、乙酸、草酸、乳酸、丙二酸和琥珀酸等。例如，Alonso等[9]报道了多种微生物可以产生琥珀酸、苹果酸和丁酸。

已有研究表明，植物根系释放的有机酸是土壤中有机酸的主要来源。植物根系释放的有机酸主要包括甲酸、乙酸、柠檬酸、草酸、苹果酸、酒石酸、丙二酸、延胡索酸和琥珀酸等[8]。Strom 等[2]指出玉米根际土壤中的有机酸含量高于非根际土壤有机酸的含量。Cieslinski等[10]指出低分子量有机酸浓度在硬粒小麦的根际中达到953.60 μmol/kg，而非根际土壤中极少、甚至不存在低分子量有机酸。类似的，鹰嘴豆根际土壤中可提取有机酸(柠檬酸、草酸和苹果酸)的含量在0.01～8.40 μmol/kg[11]，显著高于非根际土壤中有机酸的含量。此外，土壤有机酸的种类及来源等详细信息，通过对相关文献材料进行汇总整理(表1)。

表1 土壤有机酸的来源、种类

1.2 有机酸分泌差异化的影响因素

土壤有机酸的产生受到诸多生物因素和非生物因素的影响，如有机酸来源的差异、气候条件、营养条件和金属毒性等。土壤有机质与微生物分泌有机酸产生差异化的原因主要受自身属性的约束，然而为了适应非生物和生物胁迫，外界条件的刺激有时也发挥着重要的作用。Adeleke等[6]报道了芽孢杆菌受到铝胁迫时会分泌更多的乳酸。

与土壤有机质和微生物相比，植物根系有机酸分泌差异化的原因更为多样。首先，植物根系分泌的有机酸会因植株品种不同和植物所处生长发育阶段等因素而存在差异。在相同的处理条件下，34个不同品种的苹果总有机酸的产生量最大相差近40倍[12]。此外，植物根系有机酸的分泌还受到气候变化的影响。在灌木林和原生林植物分泌有机酸差异的研究中发现，无论是根际土还是非根际土，其分泌的草酸含量均是雨季大于旱季，而苹果酸和乙酸含量则是旱季大于雨季[13]。金属毒性对植物根系分泌有机酸的影响则更为普遍。从植物根中排出的有机酸提高了土壤养分的有效性，并保护植物免受重金属的伤害[14]。此外，土壤性质(包括土壤养分、土壤水分及土壤类型)及温度也都与植物根系分泌有机酸的差异化保持着密切联系。

2 有机酸对重金属化学行为与生物有效性影响机理

2.1 根系有机酸对土壤酸碱度的影响

土壤酸碱度一直被认为是调节土壤重金属分布、养分可用性和土壤微生物活动的主要因素之一[15]。因此，在评估根系有机酸对土壤理化性质的影响时，土壤酸碱度的变化就显得极为重要。植物根系分泌的有机酸能从其羧基上解离出H+，从而对土壤酸碱度、土壤环境变化和根际生化过程会产生一定的影响。

2.2 根系有机酸对重金属的作用

植物根际分泌的有机酸多为分子量低于200的低分子量有机酸(LMWOAs)。该类有机酸可通过生物或非生物(化学)作用来改变重金属在环境中的赋存形态，从而影响重金属的生物有效性。水稻根际有机酸对土壤中重金属化学行为及生物有效性具体的影响机制如图1所示。

图1 水稻根际有机酸对土壤中重金属化学行为及生物有效性的影响机制

2.2.1 非生物作用

(1)根系有机酸对重金属形态的影响。一般来说，重金属在土壤中的存在形态被划分为5类，即可交换态、残渣态、碳酸盐结合态、有机物结合态和铁锰氧化结合态。而植物根际分泌的有机酸作为植物分泌物中一种重要成分，对根际环境中重金属形态转化的作用不容忽视。柠檬酸能通过和Pb形成表面有机络合物，从而促进水稻土中铅的吸附[18]。李坤[19]也发现草酸能够提高土壤中有效态砷的含量，通过持续降低O-As含量，提高Al-As和Fe-As含量，从而提高土壤中砷的活性。

(2)根系有机酸对重金属生物有效性的影响。根系有机酸对土壤矿物的作用已有研究，主要集中在根系有机酸通过酸化、络合及交换作用来释放土壤矿物中的重金属。植物根系分泌有机酸与重金属的相互作用如图2所示。

图2 植物根系分泌有机酸与重金属的相互作用(非生物作用)

土壤中的重金属一般以难溶态存在，根系有机酸通过对土壤矿物的酸化作用，使大多数金属变得可溶，并被释放到土壤溶液中。

此外，由于根系有机酸具有一个或多个羟基、氨基或羧基等活性官能团，因而可在根-土界面与金属离子产生良好的络合-解离作用或参与土壤基质的阴离子置换，植物可通过这一过程达到活化土壤营养物质或金属解毒的目的。柠檬酸与苹果酸作为铁的强络合物，能够有效地活化土壤中的Fe[20]。除此之外，植物也会通过释放有机酸来应对重金属胁迫，铝解毒机制就具有代表性。一些抗铝作物已经被证实可以通过释放有机酸来缓解铝的毒害作用[5]。

再者，根系有机酸可以通过吸附和络合作用与重金属离子形成金属-有机物络合物，继而抑制土壤矿物质对重金属离子的吸附作用，增强重金属离子的迁移能力和活性。Krishnamurti等[21]证明根系有机酸能与Cd形成络合物，进而影响不同土壤根际中Cd的释放,并改变Cd在土壤中的溶解度。寇乐勇等[22]也报道了苹果酸和甲酸对土壤中的 Cu、Mn、Zn和Pb 4种重金属具有较强的释放能力。然而，吴江彤等[20]通过红外光谱发现，柠檬酸和重金属在针铁矿表面有可能形成的三元配合物，从而促进了金属在针铁矿表面的吸附。

不仅如此，根系有机酸还可以通过与大多数吸附在土壤胶体上的矿物质(包括重金属)竞争并取代它们。根系有机酸与重金属的相互作用也受到根系有机酸浓度和种类、土壤理化性质和重金属形态等因素的影响。沈美红等[23]指出，柠檬酸对土壤中Pb、Cd、Cu及Zn等金属离子都有很好的解吸能力，进而引起金属离子在土壤固-液两相中向液相移动。

根系分泌物是土壤与植物相互作用的重要媒介，根系有机酸作为根系分泌物中重要的组成部分，在调节根际范围生态系统的动态平衡中起到重要作用，尤其是植物在缺少营养成分和应对重金属胁迫的过程中发挥难以替代的生态功能。

2.2.2 生物作用

微生物在土壤生态系统中扮演着重要角色，尤其是在植物根际的微生态体系中体现得更加明显。植物通过向根际环境中释放根系分泌物，来为根际环境中的微生物提供营养物质。柏佳等[24]报道，柠檬酸处理的河潮土中细菌和真菌数量分别增加34.38%和68.42%，草酸处理的红黄泥中放线菌数量增加了150.00%。Sandra等[25]也发现有机酸(特别是乳酸、草酸及柠檬酸)对微生物的刺激作用，土壤微生物利用这3种酸(乳酸、草酸及柠檬酸)作为碳源和能量源，可以快速且完全地代谢这3种酸。

土壤微生物往往可以作为根系有机酸-重金属相互作用体系的中间体，在土壤体系中重金属的形态或价态改变上起到至关重要的作用。在部分土壤微生物为应对重金属胁迫而自发进行的代谢过程中，重金属的形态和价态可能会发生变化。微生物与砷长期共存而进化出的砷代谢机制(包括砷还原、砷氧化和砷甲基化)证实了该观点[26]。

此外，微生物也能利用有机酸作为电子供体耦合其他无机或有机物质来为自身生长提供能量并改变重金属的形态或作为电子穿梭体加速重金属的形态变化过程。以异化砷还原微生物为例，Ahmann等[27]报道的砷呼吸菌MIT-13菌株，能够以乳酸为电子供体、As(V)为电子受体进行代谢，使As(V)还原为As(Ⅲ)，并从中获得能量。Wang等[28]研究发现，乙酸盐和乳酸盐虽不会明显地影响氧化还原电位，但它们为微生物生长提供碳源或电子供体，从而促进特定微生物种群(如Desulfomicrobium,Acetobacterium和Fusibacter)释放砷。Zhao等[29]实验结果也表明，利用模拟根系分泌物MRE(主要成分是草酸盐和乙酸盐)处理汞污染稻田，显著提高甲基汞的产量，其中有机酸可作为电子供体来提高微生物的汞甲基化率。有机酸作为电子供体和电子穿梭体对重金属的影响研究还有待进一步拓展。

3 结语与展望

由于人类活动的影响，土壤重金属污染问题受到关注，随着探索深入，除了已经得到推广与使用的解决方法与措施之外，土壤有机酸，尤其是根际有机酸在修复与治理重金属污染土壤方面展现出巨大的潜力与优势。土壤有机酸广泛存在于土壤环境中，根据分子量与结构的不同又分为众多种类；此外，复杂的土壤环境也使得土壤中有机酸的产生与数量存在一定的差异。土壤有机酸依据自身的特征属性，不但能改变所处环境的pH值，更重要的是可以通过生物或非生物作用在影响重金属的化学行为及生物有效性方面发挥着不可忽视的作用。如今，针对土壤有机酸的探讨已经开展了很多行动，人们对土壤有机酸的认知也越来越立体；但还需要在一些方面进行更深入、更系统的研究，如土壤有机酸是否还存在新的结构与种类？土壤有机酸是否还存在新的来源？土壤有机酸对所处环境Eh值的影响、土壤有机酸通过生物作用对重金属的影响及其具体机理的研究都还存在很多的不足。此外，土壤有机酸对土壤中有机污染物质以及对有机-重金属复合污染土壤的作用和机理等方面的研究依然还存在很多的空白需要填补与充实。