利用一种新型基于薄膜扩散梯度技术（DGT）的方法对原状土壤孔隙水胶体进行可视化表征

《Environmental Science: Nano》：Visualization of pore water colloids in intact soil using a new diffusive gradients in thin films (DGT)-based approach

　　

可迁移胶体，尤其是粒径位于<100 nm范围内的天然纳米颗粒（natural nanoparticles, NP），会增强土壤中养分与污染物的迁移性；然而，目前缺乏能够对胶体促迁移（colloid-facilitated transport）进行准确定量的无偏采样方法。该研究对成像型薄膜扩散梯度技术（diffusive gradients in thin films, DGT）进行了拓展，使其不仅能够采集溶质，还能够采集原状土壤中的孔隙水胶体。DGT装置由氧化锆（zirconium oxide）–Chelex结合层（binding layer, BL）构成，并通过一层厚度为9 μm、孔径为1 μm的膜与土壤分隔，从而提供较短扩散路径，以提高对胶体的灵敏度。该方法在耕作犁底层附近、约30 cm深处的一段15 cm垂向剖面中进行了测试，研究对象为一种粉壤质耕地土壤（Luvisol）。研究人员采集原状土柱，沿纵轴剖开，并将DGT布设于暴露表面。通过激光剥蚀-飞行时间质谱（laser ablation-Time-of-Flight mass spectrometry, LA-TOF-MS）对DGT进行二维制图，识别出Al、Si、Rb与Cs的显著共定位，提示存在黏土胶体。对同一土柱提取的孔隙水采用流场流分离（Flow Field Flow Fractionation）分析，证实2:1型黏土矿物为优势胶体。实验室研究进一步证实，DGT结合层具有从悬浮液中富集黏土胶体的潜力，其机制可能与带负电的黏土表面与结合层中氧化锆之间经阳离子桥联（cation bridging）发生相互作用有关。布设于土壤中的凝胶上所检测到的胶体，主要出现在孔隙水Ca²⁺浓度较低的位置，这些位置很可能对应于采样时已基本排水的较大孔隙。该研究首次给出了土壤孔隙水胶体的二维分布图，未来工作将聚焦于将DGT数据转换为原位胶体浓度。

该文发表于《Environmental Science: Nano》，围绕原状土壤中孔隙水胶体的原位采样与空间成像这一核心问题，提出并验证了一种新型基于薄膜扩散梯度技术（diffusive gradients in thin films, DGT）的分析策略。研究背景在于，土壤中可迁移胶体，尤其是天然纳米颗粒（natural nanoparticles, NP）和更广义的纳米至微米级胶体，是养分、金属、放射性核素及含氧阴离子迁移的重要载体。既有研究已表明，胶体促迁移（colloid-facilitated transport）可显著增强污染物和磷等营养元素在土壤中的淋失与再分配。然而，传统孔隙水采样方法，如离心、吸力杯、过滤及批量提取，往往会破坏土壤团聚体和孔隙结构，或者因压实、筛滤和截留效应而低估胶体含量，从而引入明显伪影。特别是在结构异质性强的土壤中，孔隙尺度上的水流、氧化还原状态和离子环境共同控制胶体的释放、迁移和滞留，常规方法难以在保留原位结构的前提下解析这些微尺度过程。因此，开发一种能够在原状土壤中原位、低扰动、二维解析孔隙水胶体分布的新方法，具有明确的方法学必要性与环境意义。

研究人员据此对传统DGT装置进行了针对胶体采样的结构改造。标准DGT通常包含扩散凝胶层与保护膜，适于溶质扩散采样，但胶体扩散系数低，在常规厚扩散层中通量过小，灵敏度不足。为克服这一限制，研究构建了以氧化锆–Chelex混合结合层为核心、仅以9 μm厚且孔径1 μm的蚀刻膜作为扩散界面的新型DGT体系，取消常规扩散凝胶层，显著缩短扩散路径，从而提升对<1 μm胶体的捕集能力。研究最初拟在犁底层附近识别与局部厌氧微区相关的有机矿物Fe胶体及其携带的胶体态P，但在原状土壤应用和配套孔隙水分析中，结果显示该土壤体系中的优势孔隙水胶体实际上为黏土胶体。二维元素成像显示Al、Si、Fe、Mn、Rb和Cs在结合层上的高度共定位；其中Rb和Cs作为2:1型层状硅酸盐黏土矿物的示踪元素，提供了极具说服力的矿物学证据。流场流分离（field flow fractionation, FlFFF）进一步证实，孔隙水中主要矿物胶体为2:1型黏土矿物，且其Fe多表现为黏土结构Fe而非独立Fe氧化物颗粒。研究由此得出结论：该改良DGT方法能够在原状土壤中原位捕集并二维可视化孔隙水胶体，其成像结果与独立孔隙水表征方法相互印证，证明该策略可用于研究土壤中胶体相关过程，并为更准确评估养分与污染物迁移风险提供新工具。

作者开展研究所采用的关键技术方法主要包括：在法国Feucherolles长期QualiAgro田间试验地采集6个原状土柱样品，来源于对照（CON）、城市生活垃圾堆肥（MSW）和农家肥（FYM）处理；构建含氧化锆–Chelex结合层和9 μm、1 μm孔径膜的新型DGT装置并在剖开的原状土柱表面原位布设24 h；采用同步辐射X射线荧光显微成像（X-ray fluorescence microscopy, XFM）筛选感兴趣区域，并以激光剥蚀-飞行时间电感耦合等离子体质谱（LA-TOF-ICP-MS）进行高分辨二维元素成像与共定位分析；对同一土柱离心提取孔隙水，结合FlFFF-ICP-MS表征胶体粒径分布与组成；通过黏土分级、X射线衍射（XRD）和消解元素分析鉴定黏土矿物学组成；最后以土壤胶体提取液和分离黏土悬液开展DGT性能验证，并辅以扫描电子显微镜（SEM）观察凝胶中滞留胶体。

在“Characterisation of pore water colloids obtained with centrifugation”部分，研究人员首先对离心获得的<0.45 μm孔隙水进行化学组成与胶体分级表征。结果显示，三种处理的孔隙水中Al浓度均显著高于Fe和Mn，提示优势矿物胶体可能并非单纯Fe、Mn氧化物。以FYM土壤为例的FlFFF分离结果表明，在较短保留时间（Tr < 300 s）处，存在高UV吸收峰，对应约1–5 nm有机胶体，主要为腐殖质；Cu与该峰同步出现，支持其与有机质复合。较长保留时间（Tr > 300 s）处则为5–450 nm矿物胶体，其中Si为主要组分，其次为Al和Fe，而Mn仅占较小比例。大粒径矿物胶体中Si/Al摩尔比约为2.1，与2:1型层状硅酸盐的特征相吻合。结合土壤黏粒分离后的XRD结果，<0.2 μm黏粒组分主要由伊利石（illite）、蒙脱石（smectite）、伊/蒙混层（illite–smectite）和高岭石（kaolinite）组成。黏粒消解表明其含有结构Fe，且Fe/Al摩尔比与FlFFF中矿物胶体接近，说明孔隙水中的Fe主要内嵌于黏土结构中，而非主要以独立Fe氧化物存在。研究还指出，在该Luvisol深层，较低溶解性有机碳（dissolved organic carbon, DOC）不利于有机矿物Fe胶体稳定，而较低Ca浓度则有利于黏土分散，因此黏土胶体占据主导。关于P形态，FYM土壤孔隙水中P以真正溶解态为主，而MSW和CON中胶体态P比例更高；但总体上P与矿物胶体的结合较弱，且本次采样条件下Mn还原溶解并非控制P释放的主导机制。

在“Visualisation of pore water colloids with DGT”部分，研究人员利用XFM对整个DGT结合层进行Fe、Mn筛查，再选取局部区域开展LA-TOF-ICP-MS高分辨成像。结果显示，在MSW土壤代表性图像中，Fe、Si、Al和Mn空间分布高度相似，支持存在氧化物-黏土复合胶体。像素级相关分析表明，Al与Fe的相关系数≥0.96，Al与Si、Mn也表现出极高相关性。更关键的是，非靶向TOF全谱检测同时记录到Rb和Cs分布，这两种碱金属与Al之间亦表现出极强相关性（r ≥ 0.94），并且热点区重叠率≥83%。由于Rb和Cs优先结合于风化云母类2:1黏土矿物的楔形边缘位点（frayed-edge sites），这些结果构成了结合层上捕获物为2:1型黏土胶体的有力证据。三种土壤的图像学结果总体一致，说明该DGT方法能够在原状土壤中识别孔隙水黏土胶体，并在约20 mg L^?1黏土浓度水平下实现检测。

在“Spatial distribution of pore water colloids in intact soil”部分，文章进一步讨论了结合层上胶体分布的空间异质性及其土壤学含义。二维图像显示，胶体并非均匀分布，而是在局部区域富集。这种异质性并不支持“膜-土接触不良”这一简单伪影解释，因为背景区域仍可检测到P、Ca等其他元素信号。值得注意的是，尽管Ca是黏土矿物组成元素之一，但Al与Ca相关性较弱，而Al与Mg相关性很高。研究人员据此指出，结合层上的Ca主要反映真正溶解态Ca，而非黏土结构Ca。图像中黏土胶体往往缺失于Ca浓度最高区域，这与低Ca促进黏土分散的经典认识一致。文章据此将胶体空间分布与土壤孔隙结构联系起来：低Ca、胶体富集区可能对应较大孔隙和较高水流通量区域，因水停留时间较短而Ca积累有限；相反，高Ca区域可能对应较小孔隙和较长停留时间区域。尽管文中对这一解释保持审慎，但明确指出DGT成像揭示了原状土壤中孔隙水胶体的细尺度空间差异。

在“Co-localisation of P with colloids on the BL”部分，研究重点检验了P是否与Fe-富集胶体共同分布，以验证先前关于厌氧微区诱导胶体态P释放的设想。结果表明，尽管部分区域Fe与P存在共定位，但在整幅图像中P与Fe之间并无强线性关系；即使将分析限定于Fe热点区域，P与Fe或Fe/Si的相关性仍然很弱，且P热点与Fe热点重叠程度很低。放大图进一步显示，Fe、Si、Rb热点可高度重叠，而P虽可局部升高，却呈现独立分布模式。研究人员认为，这一现象说明胶体对DGT采样到的P贡献有限，DGT通量更偏向真正溶解态P。由于胶体扩散较慢、固相补给过程不确定，其向结合层的通量相对受限，因此DGT图像中的P分布并不能直接代表孔隙水中各P物种的原位浓度组成。FYM土壤中虽然检测到局部高Mn区，但这些区域并未伴随显著Fe、Si、Al富集，也未引起明显P升高，表明本次采样期间并未观察到预期的Fe、Mn、P强共定位特征，也即未捕捉到先前推断的厌氧微区胶体态P释放机制。

在“Performance test of DGT for suspensions of soil colloids and pure clay”部分，研究人员通过后验验证实验确认了氧化锆–Chelex结合层对黏土胶体的实际结合能力。使用MSW土壤CaCl₂提取液和分离得到的<0.2 μm黏土悬液，分别比较了标准胶体DGT、含1 kDa透析膜的nano-DGT以及无结合相的DET装置。结果表明，土壤提取液中DGT结合层累积的Fe明显高于nano-DGT，差值对应胶体态Fe负载，换算后约为4.44 μg cm^?2黏土，证明结合层除捕集离子外也能结合黏土胶体。LA-ICP-MS线扫显示，无论在纯黏土悬液还是土壤提取液中，DGT结合层上的Al累积均高于DET，说明胶体并非仅扩散进入凝胶后被动滞留，而是发生了对结合相的增强吸附。基于Al的估算表明，在纯黏土悬液中，结合层上的Al主要来自胶体态，且其胶体态负载约为DET的8倍；在土壤提取液中，结合层上的胶体态Al也约为DET的2倍。SEM进一步直接观察到干燥结合层基质中的黏土颗粒。研究据此提出，黏土与结合层的相互作用机制可能为阳离子桥联，即Ca²⁺等多价阳离子在带负电的黏土表面与氧化锆表面之间形成桥梁，促进胶体滞留。文章同时指出，后续仍需系统界定该体系对不同胶体浓度和作用时间的线性响应范围。

讨论部分总体强调，该研究的创新在于首次实现了土壤孔隙水胶体的二维原位成像，并且尽可能避免了传统孔隙水提取造成的结构扰动和采样偏差。研究表明，标准DGT对胶体灵敏度低这一局限，可通过“胶体可累积结合层+超薄大孔膜”的组合设计得到有效克服。在所研究的Luvisol原状土柱中，DGT图像和FlFFF表征均指向黏土胶体为主要迁移胶体，而非研究初始预期的有机矿物Fe胶体。由此可见，胶体类型受土壤类型、层位、水文条件和孔隙水化学环境共同制约。文章也坦率指出当前方法仍存在定量不足：其一，LA-ICP-MS成像尚未以富集黏土的基质匹配标准进行定量校准；其二，模型悬液实验提示DGT对黏土表现出“汇”（sink）特征，这意味着无法直接套用面向溶质建立的标准DGT理论来反演原位胶体浓度，尚需发展针对胶体扩散、吸附与补给过程的专门模型。此外，该方法还需在更广泛pH范围和不同胶体组成土壤中进一步验证其适用性。尽管如此，研究已经明确证明，基于该新型DGT的原位成像为认识土壤中胶体控制的养分与污染物迁移过程提供了独特手段。

研究结论部分可译为：综上，研究建立了一种基于DGT的原位土壤孔隙水胶体采样方法，可用于改进对养分和污染物胶体促迁移的预测。研究表明，标准DGT由于胶体在扩散水凝胶层中扩散缓慢而对胶体灵敏度较低，这一局限可通过采用能够累积胶体的结合层并配合9 μm超薄膜扩散层加以克服。原状土柱中的应用显示，在本研究所考察的条件和土壤中，孔隙水胶体主要为黏土胶体，这一点已由图像分析中的元素共定位所证实。考虑到样品采自一个在高冬季降雨后处于淋溶层位的Luvisol，这一结果并不令人意外。结合层上胶体的性质与同一土柱孔隙水样品经FlFFF分析得到的结果一致，从而相互印证了DGT结果。本研究聚焦于土壤孔隙水胶体的高分辨可视化，以探索检测由土壤结构异质性引起的小尺度（亚毫米尺度）胶体过程的可能性。此类原位采样可减少孔隙水提取方法相关伪影，并能独特地提供胶体分布的二维空间分辨信息。需要指出的是，目前在空间分辨DGT分析中对黏土矿物的识别仍缺乏充分定量性。首先，LA-ICP-MS数据尚未利用结合层上富集黏土矿物的基质匹配标准进行校准。其次，模型悬液中黏土在DGT上的累积表明，DGT对黏土表现为汇，这要求采用更复杂的模型将其转换为有意义的原位孔隙水浓度；针对溶质建立的标准原理不太可能直接适用于孔隙水胶体。此外，还需要在具有不同pH范围和胶体组成的土壤中进一步验证，以充分限定其对土壤胶体的适用性。尽管如此，研究结果已经证明，利用该胶体DGT开展原位DGT成像，为更深入理解土壤中与胶体相关的过程提供了新的机会。