综述：关于扩散梯度（DGT）在评估新兴有机污染物环境行为中的应用领域的批判性综述：优势、局限性及方法学考量

《Talanta Open》：A Critical Review of the Field Applications of Diffusive Gradients (DGT) in Assessing the Environmental Behavior of Emerging Organic Contaminants: Advantages, Limitations, and Methodological Considerations

DGT技术综述：扩散梯度薄层技术（DGT）在新兴有机污染物（EOCs）监测中的应用进展、优势与挑战。研究系统梳理了DGT在水体重金属、抗生素、内分泌干扰物等EOCs的分布与行为分析中的实践，重点评估了扩散层材料（如琼脂糖）、滤膜选择（如聚四氟乙烯）及建模方法（DIFS模型）的效能，发现DGT在时间加权平均浓度测定、减少扩散边界层干扰方面具有显著优势，但存在生物污染、材料脆弱性和长期稳定性不足等问题。未来需优化材料设计、开发便捷水分保持方案并加强与其他技术的耦合应用。

　　近年来，随着新兴有机污染物（EOCs）对环境影响的关注不断加深，监测其浓度以及评估其生态风险已成为环境科学研究的重要领域。传统的主动采样方法虽然能够采集环境样本，但在实际应用中存在诸多局限性，例如只能反映采样时的瞬时浓度、对流动速率变化和沉淀等过程的敏感性，以及在运输、储存和预处理过程中可能引入的误差。为了克服这些问题，被动采样技术逐渐成为研究EOCs污染状况和环境行为的重要手段之一。其中，扩散梯度薄层（DGT）技术因其在复杂环境条件下能够提供时间加权平均（TWA）浓度，而受到越来越多的关注。本文综述了DGT技术在水体、土壤和沉积物中的应用进展，探讨了其材料选择、适用性及局限性，并针对实际应用中遇到的挑战提出了改进建议。

DGT技术基于菲克第一定律，通过一个由滤膜、扩散层、结合层和模具组成的装置，对污染物进行持续采集。与传统的主动采样相比，DGT能够更准确地反映真实污染情况，尤其在水体中，其TWA浓度数据对于评估污染物的生态风险具有重要意义。在实际应用中，DGT装置的稳定性、准确性以及其对不同环境因素的响应是关键考虑因素。例如，DGT对流速的依赖性较低，因为其扩散层厚度远大于扩散边界层（DBL），这使得它在不同水环境中的表现更加稳定。此外，pH值、溶解有机碳（DOC）和温度等因素对DGT的性能影响较小，因此在野外应用中，其测量结果主要取决于目标污染物的扩散系数，而该系数通常在实验室条件下预先确定。

在DGT材料的选择上，扩散层通常采用水凝胶材料，如琼脂糖（AG）或聚丙烯酰胺（PA）。其中，AG凝胶因其较大的孔径和较高的扩散系数被广泛使用，但在某些情况下，如在含有大量微生物的环境中，AG凝胶容易受到生物污染的影响，从而影响其性能。相比之下，PA凝胶在野外环境中更稳定，不易被微生物降解，因此在某些特定污染物的测量中更受欢迎。为了减少生物污染的影响，研究者们尝试在AG凝胶中加入氧化锌，以抑制微生物的生长。此外，尼龙膜和陶瓷膜也被用作扩散层材料，以提高其机械强度和抗污染能力。这些材料的选择需要综合考虑其吸附性能、扩散效率以及在野外环境中的稳定性。

DGT的结合层通常由吸附材料组成，如HLB树脂、XAD18、活性炭（AG）、非极性XDA-1和Poly-Sery MCX（MCX）。这些材料能够高效地吸附大多数EOCs，从而确保在结合层与扩散层交界处的浓度保持为零。然而，结合层材料的吸附过程也存在一定的挑战，例如吸附速度慢、吸附容量有限以及对目标污染物之间的竞争吸附现象。因此，研究者们也在探索其他具有更好吸附性能的材料，如分子印迹聚合物（MIP）和环糊精聚合物，以提高DGT在特定污染物检测中的准确性。

在野外水体分析中，DGT的应用已取得显著进展。不同国家的研究者们利用DGT技术对多种水体中的EOCs进行了监测，包括抗生素、农药、个人护理产品（PPCPs）、全氟辛烷磺酸（PFOS）、全氟辛烷羧酸（PFCs）等。例如，在英国的Aire河中，DGT用于测量三种抗生素的浓度；在中国的污水处理厂（WWTPs）中，DGT被用来评估多种抗生素的污染状况。此外，DGT在海水中也展现出良好的应用前景，能够准确测定抗生素和内分泌干扰物（EDCs）的浓度。然而，DGT在某些高污染水体中可能会低估某些污染物的浓度，这可能是由于污染物与有机质或铁氧化物等物质结合，导致其难以被吸附到结合层中。因此，未来的研究需要进一步优化DGT的材料和结构，以提高其在高污染环境中的适用性。

在比较DGT与其他被动采样技术（如POCIS和Chemcatcher）时，DGT表现出更高的稳定性和可靠性。POCIS和Chemcatcher由于缺乏扩散层，容易受到DBL的影响，导致其测量结果与实际浓度存在偏差。相比之下，DGT的扩散层能够有效减少DBL的影响，从而提供更准确的污染物浓度数据。此外，DGT在低温条件下的表现优于POCIS，这可能与POCIS在低温下采样速率降低有关。然而，DGT的性能仍受到DBL厚度的影响，尤其是在低流速的湖泊和池塘环境中，DBL的影响可能更为显著。因此，未来的研究需要进一步探索如何通过调整扩散层厚度来减少DBL的影响，以提高DGT在不同水环境中的适用性。

在土壤和沉积物环境中，DGT的应用相对较少，主要原因是土壤通常较为干燥，而DGT需要保持较高的含水率（超过90%）才能正常工作。为了克服这一问题，研究者们正在探索更便捷的方法来维持土壤中的含水率。此外，DGT在沉积物中的应用主要是通过垂直分布的监测来评估污染物的迁移和转化过程。例如，通过DGT探头和DIFS模型的结合，可以更精确地测定沉积物中污染物的动态变化。然而，DGT在土壤和沉积物中的应用仍面临诸多挑战，包括设备的损坏和丢失。在某些情况下，长时间的野外部署会导致DGT装置的损坏，尤其是在水流湍急或微生物活动频繁的环境中。因此，未来的研究需要改进辅助部署设备，并优化设备的放置位置，以减少设备损坏和丢失的风险。

尽管DGT技术在EOCs的监测中表现出色，但其在实际应用中仍存在一些局限性。例如，某些污染物可能由于与有机质或颗粒物的结合而被低估，或者由于高浓度的污染物影响其吸附过程。此外，DGT的采样过程可能受到生物污染和膜损伤的影响，导致测量结果的偏差。因此，未来的研究需要进一步优化DGT的材料选择，提高其在复杂环境条件下的稳定性和准确性。同时，改进DGT的提取方法，以提高其提取效率和速度，也是提升其应用价值的重要方向。

总的来说，DGT技术在监测EOCs的环境行为和生态风险评估方面具有重要价值。它不仅能够提供更准确的TWA浓度数据，还能模拟污染物在自然环境中的吸附和释放过程，从而为环境管理提供科学依据。然而，为了进一步提升其应用效果，研究者们需要在材料选择、设备改进和数据处理等方面进行深入探索。未来，随着DGT技术的不断完善，它有望在更广泛的环境监测和研究中发挥更大的作用。