腐殖酸的提取、研究及应用进展简析

周乘风，刘李柱，李嘉伦，潘 轩，肖冬杰

（湖南军信环保股份有限公司，湖南 长沙 410000）

引言

腐殖酸（Humic Acid，HA）源于动植物残体分解后难被分解的腐殖类物质，是对其中包含疏水或交联部分的一类聚合物的统称，其平均性质相似并能抵抗进一步的生物降解[1]。目前，对HA的定义主要基于其宏观性质，如棕色、芳香基团的存在，以及酚基和羧基导致的酸性等。HA在碱性条件下溶于水，与胡敏素（Humin，HM既不溶于碱也不溶于酸）和富里酸（Fulvic Acid，FA溶于水）共同构成腐殖质（HS）的主要成分，后者分子量102～106Da，占自然水体沉积物和溶解有机碳的50%～75%，是植物氮、磷和硫的主要来源之一[2-3]。

HA具有基于多酚或醌的芳族核，以及分布在环状、脂肪族和芳香族链上的-O-、-CH2-、=CH-、-NH-、-S-S-等多种基团连接，富含羧基、酚基和羰基、糖、肽等官能团。由于HA结构的酚和羧酸官能团中H元素易于去质子化，使得HA具有改善植物生长和营养、与重金属络合、抗病毒和抗炎活性等多种功能[4]。

1 HA的形成

在HA的形成过程中，基质有机质经历了有机产物水解、初始转化和木质素结构腐殖化三个阶段，其性质在依次完成芳香结构共聚、HS核心致密化和HS“熟化”后趋于稳定[5]。目前，HA形成理论包括木质素-蛋白合成缩合的木质素假说、木质素多酚氧化为醌后与含氮物质缩合的多酚假说、微生物合成假说和糖-胺缩合假说等多种理论，其中的多酚假说认可度较高。有研究认为，氧键非质子化碳（如芳基酮）、非质子化烷基C-O和丰富的COOH基团是HA和FA的特征，而未在植物生物聚合物中观察到相应特征，HA是生物残体降解过程的重要中间产物[6]。Zou J等人[7]以多酚和氨基酸为原料，以MnO2为催化剂非生物腐殖化获得了与国际腐殖质协会（IHSS）标准泥炭相似 HA，FTIR光谱和分子量分布对比结果驳斥了提取方法导致的HA二次合成的观点。

2 不同来源HA的提取

HA的提取主要有碱溶酸析法、微生物溶解法和膜浓缩法等，其中碱溶酸析法适用性广，是IHSS推荐使用的提取方法[8]，但其提取效率和样品质量存在很大提升空间。

2.1 碱溶酸析

碱溶酸析法是利用腐殖酸易溶于碱不易溶于酸的特性，用NaOH/KOH溶液溶解后再利用HCl溶液将HA析出。碱溶酸析法特别适用于不同类型煤炭腐殖质酸的提取。Nazarbek U等人[9]从煤矿废弃物中利用KOH水溶液萃取获得有机矿物腐殖酸钾。李美兰等人[10]利用造纸黑液含有的大量残碱提取风化煤中的腐殖酸，产率可达40%以上，实现了废水资源化利用。此外，毛静春[11]采用该方法提取了草原地区土壤中的腐殖酸、富里酸，通过土壤腐殖质结构特征及羧基和酚羟基定量分析发现，地域干燥指数与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关关系。

2.2 微生物溶解

污水污泥的资源化处理是HA提取领域研究热点，也是行业内污水污泥处理企业关注的重点之一。微生物溶解法主要利用细胞破壁处理，获取释放的HA，Anielak A.M等人[12]从两家污水处理厂的消化污泥中提取HA、FA和吉马多美朗酸（HMA），消化污泥中腐殖酸类物质约占污泥干重10%。Qiu C等人[13]提出了一种简便的水热碱性处理方法，可同时实现污泥脱水和HA的回收，在最佳条件下HA的提取率为89.1%，纯度为96.2%。Bakhsh E.M等人[14]以富硅污泥为原料，水热法促进微生物破壁溶解，合成了高活性腐殖酸，HA与介孔SiO2共同用于铀的吸附处理，吸附量高达220.26 mg/g。

2.3 膜浓缩

膜浓缩法多用于破壁污泥及污水中HA的分离提取，利用不同的膜材料可以选择性获得不同分子量的HA。金鹏康等人[15]通过反渗透富集浓缩并结合大孔树脂分离发现，生化过程胞外聚合物的参与使得污水中HA和FA类物质分子量相对集中并呈现增大趋势。付小康[16]分析了膜对腐殖酸的分离富集及腐殖酸的膜污染行为，发现铁元素有利于缓解膜表面的腐殖酸污堵，从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）对聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）多孔膜进行改性，对HA的截留率高达75.92%。

2.4 辅助方法

H2O2处理、催化活化、超声等处理对HA提取具有显著影响。Wang M等人[18]研究发现H2O2处理可增加HA含氧官能团，有利于提高HA生物活性、亲疏水指数和热氧化稳定性。Song等人[19]利用 溶胶-凝胶法合成Fe3O4/LaNiO3纳米催化剂，催化风化煤氧化生成HA，产品中反应基团量为对照样品的7倍，并有效提高了风化煤HA的产率。崔文娟等人[20]比较空气氧化、硝酸氧化和超声波等方法处理原煤，再通过碱溶酸析获得腐殖酸产品，发现超声时长有利于腐殖酸的提率提升。此外，利用酸溶液中的H+破坏腐殖酸盐中羧基与金属阳离子化学键，从而形成腐殖酸的酸抽提剂法工艺流程及操作简单，如Zhumanova M.O等人[21]利用混合的HNO3和H2SO4溶液氧化褐煤，发现煤酸比1∶2，反应2 h后，硝基腐植酸（NHA）产率最高，但按照该法生产的腐殖酸杂质较多，产品应用受限。

3 HA的研究及应用

3.1 农业领域

HA能提供各种大量和微量元素，在决定有机/无机养分和矿质肥料的流动性和生物利用方面具有重要的作用，同时也能充当植物生长素，对植物生理、根系和土壤结构产生积极影响。Monda H等人[22]从沉积页岩矿提取的HA产品可使小番茄产量提高19%并改善果实品质，效果与施用较高氮磷钾营养的对照处理相当。植物生长过程与土壤微生物环境密切相关，同时施用HA和其他营养剂可显著提高细菌生长速率。Rasouli F等人[23]发现开花前施用蚯蚓堆肥（VC）和商品HA提取物（CHA），香菜植株可溶性总蛋白质含量提高，开花初期施用有机肥和CHA可显著提高光合色素含量和N、P、K、Fe、Zn、Mn含量，开花期施用化肥、蚯蚓粪和CHA肥可提高香菜籽精油含量和产量。HA有利于植物在钙质土壤的生长，并能刺激根系生长，HA芳香环和脂肪链上含多种 活性官能团，在实际生产应用中可与其他营养物质配合制成复合肥。HA可改善缺铁禾本科植物的铁营养能力，HA中络合铁与根系释放的植物铁载体相互作用促进了地上部分铁含量的增加，从而增加叶片 活性铁水平[24]。

HA可以作为相对土壤固碳能力、土壤质量和作物管理措施的指标，用于生态脆弱土壤环境的针对性轮作施肥方案的重要评估依据，还可通过软、硬物质的胶体相互作用改善土壤结构，将矿物颗粒与松散、开放的团聚体结合，去除胶结作用，进一步促进多孔、水稳、孔隙结构稳定的土壤的形成，如Tang H等人[25]在喀斯特地区石灰岩土壤生态修复中的研究表明，Ca2+与HA的组合对石灰石土壤的有机质保存具有重要作用。

3.2 环境领域

HA环境修复功能主要是依靠其丰富的官能团产生的对重金属和有机物的直接吸附作用，并可促进植物及微生物生长代谢而实现间接修复效应。如Lu X等人[26]研究指出HA复杂的官能团组成有利于强化聚苯乙烯微塑料（PSMPs）的重金属Pb2+的吸附能力。Wang Q等人[27]研究发现HA可增加生菜对镁、钙、钼、锰等营养物质矿质元素的吸收，促进植物叶片中氨基酸、碳水化合物和小分子酸的合成，有效地缓解As诱导的植物毒性和生长抑制。李杰等人[28]通过对腐殖酸高温改性制备的水铁矿-不溶性腐殖酸（Fh-IHA）复合材料可通过表面络合及静电吸附作用，有效降低土壤中Cd、Pb重金属的活性。Xu L等人[29]发现HM对疏水性有机污染物的治理效果优于HA，HS芳香结构对Cr（VI）的还原活性比脂肪族结构高，不饱和程度较高的HS对五氯苯酚（PCP）的吸附分别由π-π作用和疏水作用驱动。

3.3 医学领域

HA由丰富的官能团组成，具有抗病毒、抗炎、抗氧化、抗肿瘤和抗毒素等特性，在医用方面有广泛应用潜力。Verrillo M等人[30]提取褐煤和洋蓟堆肥中的HA，发现HA的疏水结构可促进其在靶细胞表面的粘附，构型较不稳定的HA会促进生物活性成分的释放，并降低细胞炎症因子的表达。Salehi M等人[31]在细胞和分子水平上，证实并比较了HA和FA对人类黑色素瘤A375细胞系的促凋亡和抗黑素生成作用，发现HA和FA可增加BAX/BCL-2在A375细胞中的表达，具有促凋亡作用，并通过降低TYR基因的表达来抑制黑素生成。此外，在动物医学方面，HA也被作为家禽生长促进剂研究，如Maguey-Gonzalez J.A等人[32]指出HA可以被细菌用作多种肠道微生物能源底物，改善鸡消化系统对于营养物质吸收。

3.4 其他领域

根据HA具备的不同性质开发其在不同领域中的应用，发掘HA作为配合物、中间载体、添加剂等多种用途的可能性是扩大HA应用市场的必要途径。Skripkina T等人[33]通过机械化学活化，将93±7%的稀土元素转移到HA中，且不引起原煤中HA-稀土配合物的降解，为稀土资源的获取提供了新方案。Tohry A等人[34]发现低浓度HA即可显著抑制赤铁矿的浮选效果，且对角闪石和辉石反浮选分离具有类似吸附效应。此外，HA还可应用于提高电池容量，改善电池性能，作为改性剂调节黏土流变性及分散性；用作水泥缓凝剂，可调节水泥凝结时间[35-37]等。

4 结论与展望

HA复杂的有机成分及结构是HA提取方法十分复杂多样的原因。HA丰富的官能团组成为其多功能用途提供了可能，HA参与植物生长代谢，提高其营养吸收效率；其重金属和有机物质的吸附固定能力可以推动其在污染治理领域的应用；其多种有机活性基团、碳链、杂环及芳香结构等所具有的抗炎、缓凝、吸附等多种活性能促进其在医药及其他工程领域的应用。针对性地提高不同来源HA提取效率，纯化出具有特定功能的HA样品，是对其进行复合材料开发的关键。