环境科技评论CREST.
Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，环境科技评论）期刊官方公众号
浙江大学马奇英团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“梯度扩散薄膜技术在土壤养分和污染物的形态、生物有效性、模拟与成像方面的应用（Application of diffusive gradients in thin-films technique for speciation, bioavailability, modeling and mapping of nutrients and contaminants in soils; 2022, 52(17): 3035-3079）”的综述。
土壤主要由矿物质、有机质、水和微生物组成，是地球关键带的核心组成部分，在控制环境中养分和污染物的生物地球化学循环方面起着重要作用。受土壤因素（例如土壤pH值、有机质和粘土含量）和生物特征（例如基因型和生长阶段）的影响，化学物质的生物可利用部分控制其从土壤到包括植物和蚯蚓在内的生物体的转移和积累。此外，发生在不同时空尺度的土壤中的许多生物化学过程，也影响土壤中化学物质的循环和生物有效性。要解开这些过程，需要可靠且易于使用的技术。梯度扩散薄膜技术（Diffusive Gradients in Thin-films，DGT）就是其中一种技术。由于其固有的优点，包括容易使用、原位测量和仿生应用等，DGT越来越受到全球多学科研究人员的关注。该技术是由吸附膜、扩散膜和滤膜组成的被动采样器，通过扩散层的化学物质以受速率控制的方式结合到吸附膜上。DGT最初用于测量水中的痕量金属，后应用到沉积物和土壤，包括营养元素、微量元素和有机污染物方面的分析。近年来，DGT在土壤研究中的应用取得了许多进展，主要包括四个方面：1）化学形态分析，2）生物有效性测定，3）解吸动力学模拟，4）养分和污染物的界面过程成像。本文主要从这四个方面对DGT在土壤研究中取得的进展进行总结，并重点关注过去五年的研究进展。
主要内容
鉴于每种化学形态可能遇到的与生物体和环境的独特相互作用，以及它们在储存时的不稳定行为，DGT作为一种原位采样技术，可以成为选择性测定化学形态的有用工具。在化学物质通过扩散膜扩散后，它会结合到吸附膜上，然后通过溶液洗脱的方式将其从凝胶转移到溶液中以定量。因此，可以通过DGT将特定形态结合到吸附膜上以测定其形态。通常，有四种方法可以获得特定化学形态的DGT测定浓度。这四种方法分别是：使扩散过程具有选择性、将化学物质选择性地结合到吸附膜上、从DGT吸附膜中选择性地洗脱一种化学物质、分别量化洗脱液或凝胶中的不同化学物质（图2）。其中，选择性地将化学物质结合到结合凝胶上是常见且最可靠的。
化学物质的生物有效性定义了环境中化学元素的浓度与其实际进入受体影响生物体的水平之间的关系。不同的过程控制化学物质的生物有效性，例如固相结合态化学物质的释放及其随后的扩散、结合态化学物质的传输、跨生理膜的化学物质吸收以及结合到生命系统中。因此，需要合适的方法测量土壤中化学物质的生物有效性。目前，基于动力学的DGT方法已被用于评估化学物质的生物有效性。该方法以DGT充当高需求“汇”，诱导DGT吸附土壤溶液界面处的化学物质。当有机体对化学物质的需求高于土壤可以供应（供应限制）时，DGT可以预测有机体对化学物质的吸收。从物理角度来看，DGT扩散层的厚度（μm至mm范围）与供应限制条件下植物根部的扩散层非常吻合，因此这些生物体和DGT采样器的化学扩散是相似的。不可否认，DGT有望为理解土壤中化学元素生物有效性提供重要信息。
当 DGT 装置/探针放置于土壤中时，DGT/土壤界面处化学物质的浓度通常会被消耗。为了应对化学物质的消耗，土壤会将化学物质从土壤固相补充到土壤溶液中，以及从土体溶液补充到界面土壤溶液中，但化学物质的扩散速率通常远低于化学物质的释放速率。DGT测量浓度 (CDGT) 与土壤溶液浓度的比值表示为R，它通常反映了土壤向DGT提供化学物质的能力。目前，已开发了DIFS（DGT-induced fluxes in soils and sediments）模型来模拟化学物质从土壤到DGT探针的扩散传输以及土壤中一到三维的吸附/解吸反应。多项研究表明，DGT与DIFS模型结合可有效研究土壤中固相和液相微量元素、营养元素以及有机污染物的解吸和交换。
对于沉积物和土壤来说，它们都具有垂向和水平异质性的特征，而生物扰动、生化吸收、根系分泌和微生物活动的过程进一步使其复杂化。因此，在沉积物/土壤-水和沉积物/土壤-根系（即植物根际）等界面处，存在固溶化学分布复杂的三维镶嵌结构。传统的方法，如针型微电极和分层采样，已被应用于解决这些界面处化学物质的空间分布。这些方法具有厘米到微米范围内的空间分辨率，但一般只能提供一维化学分布。因此，这些方法通常不可能更好地了解化学物质的分布情况。此外，在环境界面，许多营养物质和污染物的浓度处于低水平，使测量更加困难。引入DGT作为测量毫米和亚毫米范围内一维和二维化学分布的工具，使得全面理解营养物质和污染物的界面过程迈出了一大步。DGT可用于确定土壤中化学物质的一维垂向分布。对于此应用，平板式DGT可以大显身手。在这种情况下，将DGT探针插入土壤柱或穿过土壤-水界面，并标记对应于DGT暴露面的采样区域的垂向位置信息。在根据化学类型和浓度放置DGT探针适当的时间后，回收DGT探针以获取吸附膜。然后分析得到吸附膜上的一维化学分布。通常，一维切割吸附膜（垂向分辨率约为 1~5 mm）用于获得凝胶小片，将其洗脱以将凝胶结合的化学物质转移到溶液相中进行定量分析。通过将DGT测量的浓度分布与具体研究对象的一维剖面对应起来，即获得土壤中化学物质的一维浓度分布信息。此外，DGT的优势之一是它可用于收集土壤中有效态化学物质的二维亚毫米高分辨率分布。在实践中，平板式DGT探针或由吸附膜和扩散膜组成的双层结构可在淹水/湿润土壤中放置数小时至数天。然后取出吸附膜进行分析。与一维测量类似，土壤中化学物质的二维浓度分布是通过将吸附膜上浓度分布与测试环境空间坐标对应来获得的。然而，并非所有的吸附膜都适合这种高分辨率分析，因为高分辨率吸附膜需要膜上吸附材料颗粒足够小（≤10 μm）且分布足够均匀。
为了更好地将DGT应用于土壤研究，需要进一步的研发。首先，需要加强金属络合物对DGT测定土壤金属元素的贡献的理论解释。其次，包括广谱和高选择性在内的DGT装置/探针需要进一步开发。广谱DGT可用于养分状况调查（例如，N、P 和K，如果它们可以在单个结合凝胶中捕获）和污染物筛查，而高选择性DGT有助于复杂土壤基质下的化学形态分析。第三，利用DGT研究污染物对植物和土壤动物的毒性目前关注仍较少，值得进行更多的探索。这是因为多项研究表明，基于生物吸收响应，DGT测定值在预测有效毒性浓度方面可能更准确。数据表明DGT在推导毒性阈值和可能建立土壤修复标准方面具有潜在用途。第四，为了更好地研究高度异质土壤和土壤-植物系统中的污染物迁移，有必要将高分辨率DGT技术与其他成像技术相结合，例如用于pH、O2、CO2、NH4+和H2S成像的平面光极技术、土壤酶活性成像的土壤酶谱技术以及用于微生物丰度的荧光原位杂交技术。同步表征元素活性和环境因素的时空变化有助于确定土壤中元素迁移和循环的驱动因素与动力学特征。
DGT在环境监管中的使用正在增加，但仍然有限。例如，DGT在澳大利亚是测量磷的商业化工具，部分原因是它在预测澳大利亚土壤磷高缓冲能力环境中的作物磷提取方面优于传统化学提取（例如 Colwell P土壤测试）。在中国，DGT已被推荐为贵州省的省级标准（DB52/T 1465-2019），用于预测农业土壤中的生物可利用Cd。因此，DGT在土壤养分缺乏的环境调控、风险评估和常规诊断方面具有潜力，但仍需进一步研发。进一步的工作包括：1）明确DGT技术在土壤测试中的应用范围；2）开发用于DGT分析的土壤标准物质；3）在实验室之间进行土壤DGT应用的比对分析。
总结与展望
过去的二十年，DGT在土壤中的应用已取得了实质性进展。DGT适用于营养元素、金属和极性有机污染物的生物可利用浓度和化学形态方面的分析。通常，在土壤供应限制的条件下，与基于化学提取方法相比，DGT可以更好地评估植物对化学物质的吸收。DGT应用在土壤中时，通过作为“汇”不断积累化学物质来扰动环境。这种扰动功能使得DGT可以提供有关溶液中化学形态和土壤中固溶相互作用的信息。借助DIFS模型，可以获取与化学解吸相关的参数，包括解吸速率常数和消耗响应时间。随着不同吸附膜的出现，包括均匀分散的吸附膜（即高分辨率膜），再加上膜分析技术（计算机/比色成像密度测定法和 LA-ICP-MS）的发展，DGT已被应用于土壤和根际化学物质的成像。因此，可以通过DGT获得磷和金属元素的亚毫米级高分辨率图像。通过耦合平面光极技术对pH和O2进行级联分析，可以表征化学热点和根际化学的动力学。尽管DGT不是万无一失的工具，但它被普遍认为是一种可靠且通用的分析土壤中化学物质的工具，值得进一步研发。
作者简介
第一作者简介：
管冬兴，浙江大学副教授，从事环境土壤学与环境地球化学方面的研究，主要关注污染物和养分在土壤-植物系统的生物有效性和迁移转化机制、环境微界面典型污染物运移的原位表征方法开发和动力学机制研究。主持国家自然科学基金等项目多项，已在国内外学术期刊发表论文40余篇，获授权中国发明专利5项。
通讯作者简介：
马奇英，浙江大学求是讲席教授、博士生导师，美国科学促进会会士，美国土壤学会会士，美国农学会会士。现任Critical Reviews in Environmental Science and Technology主编，Chemosphere副主编。长期从事土壤重金属特别是砷的生物地球化学与环境修复技术方面的研究，是国际著名土壤化学家，也是环境生态领域最具影响力的华人科学家之一。入选“2019年科睿唯安全球高被引科学家”、“爱思唯尔2020年中国高被引科学家”、“2020年全球前2%顶尖科学家”榜单、2021年和2022年“全球顶尖前10万科学家排名”榜单。在Nature、Environment Science & Technology等发表SCI收录论文400余篇，据Web of Science，总引次数2.2余万次，H指数为73。出版全英文学术专著（含编写章节）30余部；获得美国土壤污染修复技术专利5项。并受邀担任多个国际会议主席或副主席，先后在国际、国内学术会议作大会报告200余次。
|撰稿：浙江大学马奇英团队