腐植酸提取及其应用的研究进展

刘超 赵建亮 尹春艳 陶然 赵新巍 周平

(青岛苏贝尔作物营养有限公司，山东 青岛 266000)

腐植酸(Humic acid)是自然界中广泛存在的大分子有机物质，又称胡敏酸，是由微生物将动植物的残骸分解转化，再经过一系列的物理化学反应而生成的具有胶体性质和多位空间结构的高分子化合物[1]。腐植酸的结构和组成相当复杂，基本结构包含核、桥键和官能团。其中，官能团主要有羧基、酚羟基、磺酸基等，多种官能团决定了腐植酸具有多种性能，如离子交换、吸附、催化等。Sutton[2]认为腐植酸是由小分子构成的簇形成的一种超分子结构，其内嵌了一些很难分离的非腐植酸类物质。Wolfrum、Huttinger及Stevenson都有提出腐植酸的结构模型，最典型权威的为Stevenson提出的模型，如图1所示。

图1 Stevenson腐植酸模型[2]

腐植酸可溶于碱性溶液、部分溶于水，但不溶于酸性溶液。按照腐植酸在不同pH溶液中的溶解度可以将其分为黄腐酸(Fulvic acid)、黑腐酸(Pyrotomalenic acid)和棕腐酸(Hymatomelanic acid)[1]。黄腐酸是可溶于碱性、酸性、中性水溶液以及丙酮等有机溶剂中的组分，相较于其它2种分子量最小；黑腐酸只溶于碱性溶液，不溶于丙酮等有机溶剂，相较于其它2种分子量最大，在俄文文献中称其为“真腐酸”；棕腐酸可溶于碱性溶液以及丙酮等极性有机溶剂，分子量介于黄腐酸和黑腐酸之间。

腐植酸被誉为“乌金”，总量可以以万亿t计，在江河湖海、土壤煤矿以及海洋沉积物中都有其影子[3]。褐煤、风化煤、泥炭中含有大量的腐植酸，相关资料显示，我国褐煤储量约为1216.09亿t，风化煤尚无统计数据，丰富的煤储量为我国开展腐植酸研究奠定了良好基础[4]。基于腐植酸物质的特殊结构以及物理化学性能，腐植酸类物质已经是农业、工业等方面重要的一环，农业上可以为植物提供养分，改良土壤；工业上可以用于煤炭工业。国家主席习近平在亚太经合组织第二十二次领导人非正式会议致辞中表示，腐植酸是绿色环保产业[5]。因此，在对腐植酸提取及应用的研究上是具有重要意义的。本文综述了腐植酸提取的方法，系统地阐述了腐植酸的应用，并对未来进行了展望。

1 腐植酸提取的方法

腐植酸的提取方法有很多种，主要有酸提取法、碱溶酸析法、微生物提取法等。

1.1 酸提取法

酸提取法需要用到硝酸等无机酸，主要用于煤炭中黄腐酸的提取，主要原理是无机酸中的H+夺取腐植酸盐中金属离子生成腐植酸，再经过滤、洗涤、干燥即可得到腐植酸产品。张艳玲等[6]先使用盐酸酸洗风化煤样品，以除去部分金属离子，再利用碱溶酸析法提取腐植酸，显著提高了提取率。陈泽盛先用盐酸浸泡样品，而后进行碱提，这样损失了大量的黄腐酸。酸提取法的优势在于操作简单、生产效率高，但是存在纯度低、杂质含量高且难以洗净的弊端，对后续的应用带来较大影响。

1.2 碱溶酸析法

碱溶酸析法是目前较为常用的一种方法，其原理是将样品溶解于碱溶液中，生成可溶性的腐植酸盐，过滤，利用腐植酸不溶于酸性溶液的特性向滤液中加酸进行酸化沉淀，所得沉淀即为所提取的腐植酸。常用的碱有Na4P2O7、NaOH、Na2CO3。此方法较酸提取法而言所得产品中杂质含量减少，剔除了样品中的金属离子。反应原理如下方程式所示：

R-(COOH)4+ Na4P2O7→ R-(COONa)4+H4P2O7

R-(COOH)4+4NaOH→ R-(COONa)4+4H2O

R-(COOH)4+2Na2CO3→R-(COONa)4+2H2O+2CO2

Lukyanov N V等探究了NaOH、KOH及NH4OH提取腐植酸的能力，NH4OH的提取能力最弱。丛兴顺以洼里褐煤为原料探究NaOH、Na2CO3以及Na4P2O7对腐植酸提取率的影响，结果表明，1%的NaOH碱液提取效果最佳，腐植酸产率可达6.82%。吕丰等[7]采用碱溶法对宁夏石嘴山褐煤进行腐植酸提取实验，设定固液比为1∶20，在80℃下添加10%的NaOH浸渍1.5h，腐植酸提取量可达0.4723mg·g-1。程明轩以风化煤为原料采用碱溶酸析法提取腐植酸，设定固液比为1∶10，在70℃下添加2%的KOH搅拌30min，腐植酸产率达82.61%。Huculak-Maczka M等使用不同碱液对褐煤中的腐植酸进行提取，发现使用NaOH进行实验时腐植酸的提取率要优于使用KOH和Na4P2O7，用Na4P2O7提取的腐植酸相对而言含有更多的羧基。需要注意的是，Na4P2O7提取可能会导致腐植酸的性质发生变化。

1.3 微生物提取法

微生物提取法是利用真菌、细菌等微生物的分解转化能力对样品进行降解，作用来源主要是微生物分泌的活性物质，这些活性物质可以将腐植酸大分子降解为小分子，提高腐植酸的活性，利于腐植酸的提取。Tripathi R C等探究了真菌对褐煤分解产生腐植酸的能力，发现黑曲霉可以有效地将褐煤分解为腐植酸。张亚婷等[8]发现，黄杆菌XK-c可以直接溶解腐植酸，转化率高达36.34%，测试发现黄腐酸转化后羟基、羧基含量减少，棕腐酸及黑腐酸的羟基、羧基含量有所增加，二者芳香度却明显降低。微生物提取法具备清洁的优良特性，但是存在生产效率低下的较大弊端。

1.4 化学氧化法

化学氧化法是利用氧化剂对原料进行氧化处理，常用的氧化剂有硝酸、过氧化氢以及臭氧等。腐植酸的大分子链由于氧化作用而断裂成小分子链，同时总酸性基的含量提高，活性基团增加。袁川舟以硝酸和过氧化氢为氧化剂提取胜利褐煤中的腐植酸，并探究了其提取的最佳工艺条件。高丽娟[9]等通过正交试验设计法，采用超声-硝酸联合氧化法，所得最佳预氧化条件和褐煤腐植酸的提取条件为超声频率80kHz，硝酸固液比1∶5，50℃氧化90min，硝酸浓度1.5mol·L-1，提取率可达50%以上。张丽光等以过氧化氢为氧化剂氧化降解风化煤，使用煤粒径为120目、固液比为1∶3，在50℃下氧化4h时可以得到较高的腐植酸产率。大连理工大学的何德民发明了一种电化学氧化制取腐植酸的方法，将加碱液后的煤浆加入电化学反应器的阳极区，阴极区加入等浓度碱液，阳极为工作电极，阴极为对电极，参比电极为饱和甘汞电极；电解完毕后离心分离阳极所产生的浆液，将上层液酸化至pH为3，此时所得到的固体产品即为腐植酸，产率高达70%。Erdogan S等以空气为氧化剂，发现反应温度为200℃时效果较好，且随氧化时间增加腐植酸产率呈先增后减的趋势。

Garcia D等[10]采用褐煤为原料，以HNO3为氧化剂，腐植酸产率提高的同时含氧官能团含量增多、H/C及O/C质量比增加，反应活性更高。需要注意的是，使用硝酸为氧化剂所制得的腐植酸含量较高，但是此法容易产生NOx等污染物，不符合安全环保的理念，有一定的危险性，因而绿色无污染的氧化剂逐渐成为近年来的研究热点。

除了上述提取腐植酸的方法以外，国内外学者们还进行了其它提取方法的研究。Tang Y等制备了新型的Pd/CeO2纳米催化剂，用于腐植酸提取时有效提高了水溶性腐植酸的含量，增加了小分子活性基团数量。Valencia S等利用TiO2为催化剂对腐植酸进行光降解，发现腐植酸的分子量明显降低。刘光灿采用加NaOH进行机械活化的方式，得到的产品颗粒粒度明显减小，提取时间大幅缩减，腐植酸的产率可达89%。Skybová M等也采用机械活化的方式，在转速400r·min-1的条件下研磨样品20min，提高了煤样中腐植酸的提取率。

2 腐植酸的应用研究

腐植酸分子中含有大量的官能团，多种官能团的存在使腐植酸具有离子交换性、吸附性以及络合螯合性等特性，也使得腐植酸可以与各种有机、无机物质发生反应。腐植酸对天然物质的溶解、缓冲、迁移以及生物圈碳循环等有着直接或间接的影响，被誉为地球的庞大“碳库”和碳轮回的“缓冲器”。

2.1 农业领域

腐植酸可以改善土壤结构，络合土壤中的重金属离子，促进植物对氮、磷、钾元素的吸收，其作用机理是促进合成载体蛋白、提高酶的活性，进而促进植物的根系发育，实现作物增产。腐植酸在土壤中以有机胶体的形式存在，对土壤团粒结构的形成十分有利。Ghosh R等进行了腐植酸对土壤中Cu(II)、Pb(II)、Cd(II)的络合作用实验，所形成的络合物稳定顺序为Cu-HA>Pb-HA>Cd-HA。柴鑫鑫以腐植酸为包膜材料制备了一种包膜尿素的控释氮肥，充分发挥腐植酸脲酶抑制剂的作用，抑制尿素水解，减少了氮元素的损失。Ahmed O H等[11]发现，将腐植酸与过磷酸钙和硅酸盐混合可以降低尿素中的氨损失，提高土壤中铵态氮和硝态氮的含量。刘秀梅等对土壤的研究结果表明，腐植酸的使用可以令磷酸铵中磷的固定量减少6.6%～44.9%，且当土壤pH为7时对钾元素的解析率高达41.3%。

2.2 工业领域

在工业上，腐植酸可以用作铅蓄电池膨胀剂、重金属离子吸附剂等。张翼峰等探究了腐植酸对Pb2+、Cu2+、Zn2+等重金属离子的络合作用，发现随体系温度与pH的升高，形成的金属络合物的稳定常数增大。钟世杰[5]研究了腐植酸对铁铝的分离性实验，单离子吸附时，腐植酸对铁铝离子最大吸附量分别为0.79mg·g-1、1.57mg·g-1；混合离子吸附时对铁、铝离子的最大吸附量分别为0.69mg·g-1、1.19mg·g-1。Martyniuk H等测试了腐植酸的离子交换能力，发现腐植酸会在不同的pH条件下对不同金属离子的吸附表现出选择性。Zhang J研究了腐植酸对Hg2+的吸附脱附性能，得出Hg2+主要在腐植酸的羟基、羰基以及羧基上发生反应的结论。

2.3 医学领域

腐植酸是国家二级保护药材，药学巨著《本草纲目》中所提到的“乌金散”实际上就是腐植酸类物质，临床试验表明，腐植酸具有抗病毒、止血等优良作用。张敉等以中医五行学说为主线，提出了煤炭腐植酸医药的中医中药学基础理论。

Junek R等发现，10～80μg·mL-1的腐植酸可以增加TNF-α的释放，起到促炎的效果；≥100mg·mL-1的腐植酸可以抑制人体中由脂多糖诱导的炎症因子TNF-α的释放，具有消炎作用。朱晓斌[12]以腐植酸和其它天然大分子物质为原料，制备了具有三维空间结构的pH敏感性水凝胶缓释材料，并以核黄素为模型药物通过数学模型法分析水凝胶溶胀过程和药物释放过程，发现所制备的腐植酸水凝胶符合Schotts二阶溶胀动力学和Fickian药物释放机理。何静等[13]探究了黄腐酸对小鼠体内血糖、血清甘油三酯、总胆固醇以及口服耐糖量的影响，结果发现，随着黄腐酸剂量的提高，小鼠血糖含量、血清甘油三酯以及总胆固醇的含量降低，而口服耐糖量提高，这表明黄腐酸具有降血糖和改善脂质代谢的功能。Tsai M L等在对人宫颈癌SiHa细胞的研究中发现，当使用腐植酸处理SiHa细胞时，细胞的增殖和迁移能力大幅提高，这表明在腐植酸环境下生存可能会促进宫颈癌的发展。Miao Z H等将腐植酸钠开发成一种药物，具备低毒性的特点，并以肿瘤内注射的方式实现了对人宫颈癌HeLa细胞的消融。

腐植酸的应用范围甚是广泛，除上述应用领域以外，还可以用于其它方面。可以通过氧化还原法制备腐植酸基石墨，合成石墨烯[14]，可以用于超级电容器、锂离子电池等。张阳阳制备了包覆有不同浓度的MW-HA的磁性腐植酸纳米材料，研究了不同环境因素下磁性腐植酸纳米材料对U(VI)的吸附性能和吸附机理。

3 展望

2021年3月11日，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和二○三五年远景目标纲要》中提出，生态安全和生态修复是“十四五”期间的重点关注工作，而腐植酸恰是一种低碳环保、环境友好的材料，其自身的特点昭示着其在“十四五”期间将大有作为。

正如Schnitzer所言，“腐植物质广泛分布于地球表面，直接或间接地控制着许多反应，影响着这个星球上人类的生存，并持续地向许多久经考验的科学家的好奇心和只会发起挑战”。虽然腐植酸的分子结构、形成机理等尚无定论，也没有完全了解其结构特性，但腐植酸已经在工业、农业以及医药等行业中开始深入应用，这对腐植酸的提取无疑是一个考验。因此，有关腐植酸的研究还需更加深入，探求更为环保高效的提取工艺，助力“碳达峰”与“碳中和”的实现。