梯度扩散薄膜技术_DGT_的理论及其在环境中的应用I_工作原理_特性与在土壤中的

摘要：根据文献资料，详细阐述了梯度扩散薄膜技术（DGT）的原理、影响DGT 技术测量的因素和它的应用特性，同时回顾了DGT技术问世以来在土壤中的应用实例，并认为DGT 技术为研究土壤重金属的生物可利用性提供了可行可靠而又有效的方法。

    土壤污染不仅导致土地质量退化，影响农产品安全，并可通过食物链对人类和动物健康构成严重威胁。由于土壤污染具有隐蔽性、累积性、滞后性等特点，一旦污染就会造成不可逆转的严重后果。因此，污染土壤的生态风险评价与早期预警已成为全球关注的热点问题之一。已有研究表明，土壤重金属污染物对生物的毒性主要取决于其赋存形态而不是总量[1-3]，而目前依靠土壤中重金属污染物总量作为土壤环境质量与污染生态风险评价标准，根本无法对污染物所产生的毒性效应和污染程度进行准确评估，迫切需要建立基于重金属形态、科学表征土壤整体质量的评价方法。但是，何种形态浓度的重金属才能表明土壤污染程度一直是难以回答的问题。由于元素的形态直接决定了其生物可利用性和迁移性，在过去的十几年里，许多研究者利用不同的分析方法和技术手段来预测生物中的金属含量[4-5]，但这些元素形态的生物有效性分析方法往往都是操作定义，如Tessier 等[6]提出的连续提取法和欧共体（现欧盟）标准物质局提出的三步提取法（BCR 法）[7]，已被广泛应用于土壤和沉积物的形态分析。但是这些方法存在着化学提取剂缺乏选择性，提取过程中痕量金属的再吸附及再分配等问题，如何能得到反映土壤/沉积物重金属存在的真实形态，至今仍备受关注，并不断探索基于不同原理的各种新方法。如根据金属的化学性质提出自由离子活性模型，根据金属在土壤表面和液相之间的分配提出的同位素稀释交换，根据金属元素在土壤溶液中的扩散行为提出薄层梯度扩散与生物有效性关系，这些方法主要关注金属在固液两态间的静态平衡，而对于重金属在环境中是个不断变化的过程则显得重视不够，特别是在生物存在的条件下。这些方法均忽略了植物根际微环境对生物有效性的影响，因为植物根系分泌的低分子量有机酸将极大改变植物对污染物的生物可利用性。植物根部对重金属的吸收作用导致根部附近土壤溶液中的重金属浓度下降，由此促使土壤颗粒态重金属补充给土壤溶液，这个动态反应过程是不可忽略的[8-9]，而这种动态反应过程对于重金属的生物有效性有着重要影响。
    1994 年，由英国科学家Davison 和张昊发明的梯度扩散薄膜技术（Diffusive Gradients in Thin-films，DGT）[10] 可以有效地测定自然界中重金属生物有效态，与其他传统的形态分析技术相比，能更好地反映生物体所吸收的重金属[11-13]。梯度扩散薄膜技术引入了一个动态概念，可以通过模拟植物或者其他生物对重金属的吸收过程来进行重金属生物有效性的研究。该技术可以更加真实有效地模拟土壤动态反应过程，并且运用模型可以估算出土壤动态过程的动力学参数，从而能够更好地评估土壤动态过程的重要性。因此所获结果不仅仅反映静态过程（土壤颗粒和土壤溶液），还包括了动态过程（图1）。这就是DGT 技术异于其他测量方法的关键之处。