改性壳聚糖联合植物修复铅污染土壤试验研究

艾林芳，吴振宇，熊萍萍，李建昌，刘永泉

(江西省职业病防治研究院，江西 南昌 330006)

植物修复重金属污染土壤技术具有原位修复、成本低廉、环境友好等优势。部分植物对重金属离子有明显的累积效应，如蜈蚣草、印度芥菜、黑麦草等对铅有较强的耐受性[1-4]；蚕豆(种子)对土壤中的铅、镉有较好的吸附性[5]；旱莲草(Ecliptaprostrata)对铅有较强的胁迫生理适应性和耐受性[6]；乌柏、泡桐、栾树等对铅锌尾矿库中的铅、锌有较突出的富集和转运能力[7]。

壳聚糖(CTS)来源广泛、无毒、可降解，同时具有较强的金属离子配位能力[8]。壳聚糖有助于火炬树体内铅的积累[9]；可提高铅在植物体内的迁移速度，使植物中铅含量提高[10]；但壳聚糖只溶解于稀酸和一些特定的溶剂，限制了其应用范围。对壳聚糖进行羧甲基改性[11]，增加羧甲基团，制成水溶性羧甲基壳聚糖(WCTS)，可提高其在水中的溶解度(20 ℃时的溶解度为2 g/L)，并促进其与重金属离子的配位能力。羧甲基壳聚糖可使土壤中的Cd2+、Pb2+、Zn2+有长期稳定性，降低它们的可迁移性，明显改善土壤环境[12]。

试验利用铅污染土壤盆栽油菜，同时添加羧甲基壳聚糖作为螯合剂，考察羧甲基壳聚糖协同植物修复铅污染土壤的效果。

1 试验部分

1.1 试剂与仪器

壳聚糖(脱乙酰度≥95%)，油菜种子(购自江西省宜春市春华种业种子经营部)；硝酸铅、氢氧化钠、异丙醇、氯乙酸，均为分析纯。

AL204电子天平，LD4-2离心机，102-1红外线干燥箱，SHZ-82A型恒温振荡仪，AA-800原子吸收分光光度计，Perkin-Elmer1700FT红外光谱仪。

1.2 试验方法

1.2.1 水溶性羧甲基壳聚糖(WCTS)的制备

根据文献[12]方法制备WCTS：称取5 g壳聚糖于烧杯中，加入50 mL异丙醇及12 mL浓度为10 mol/L的氢氧化钠溶液；浸泡10 h后，分多次搅拌加入6 g氯乙酸；将反应温度升高至60 ℃，反应4 h后加入去离子水20 mL，用乙酸调pH为7左右，抽滤；滤饼用75 mL体积分数为70%的甲醇溶液洗涤，再用无水乙醇洗涤，之后置于60 ℃真空干燥箱中干燥至恒重，即得水溶性羧甲基壳聚糖。

1.2.2 污染土壤的配制

试验用土壤风干后过筛，参照盆栽植物对养分的需求，1 kg土壤中加入尿素 2 g、磷酸二氢钾0.4 g及硫酸钾0.4 g作为底肥，充分混匀。以硝酸铅作为污染物，投加水平分别为0.0、0.1、0.5、1.0、1.5 g/kg，采用逐层喷洒、翻土混合方式加入，稳定一段时间后种植油菜。

试验用油菜，在自然环境中培养，定期浇自来水，生长50 d后收割。

选择Pb质量分数0.5 g/kg的土壤添加改性壳聚糖WCTS。WCTS用去离子水配成溶液，逐级稀释后，按0.0、0.1、0.2、0.5、1.0 g/kg水平分别喷洒到土壤中。加入WCTS 10 d后收割植物并取土壤样品。

1.2.3 植物样品的处理

采集植物样品后，先测量株高，再用清水洗净自然晾干后用天平称量新鲜样品质量；经红外干燥箱烘干至恒重后测定干样品质量；研磨并经电热板加热消解后，以原子吸收分光光度法测定其中Pb质量分数。

2 试验结果与分析

2.1 WCTS的红外光谱分析

图1为羧甲基壳聚糖改性前后的红外光谱。可以看出：改性前，在1 082 cm-1处有吸收峰，改性后移至1 069 cm-1处，而且强度减弱，这是O—羧甲基化所致；改性后，在1 612 cm-1处出现羧酸官能团吸收峰，说明通过羧甲基化，CTS中引入了羧基官能团；由于羟基官能团和氨基官能团形成了氢键而变宽，2个振动峰互相叠加，使得2条曲线均在3 440 cm-1处存在一较宽峰，相比CTS，WCTS在此处的特征峰强度明显变弱，进一步证实CTS通过改性后发生了羧甲基取代。

图1 CTS与WCTS的红外光谱

2.2 Pb2+质量分数对油菜生物量的影响

不同水平Pb2+处理下的植物株高及干样品质量如图2所示。可以看出：土壤中低含量Pb2+的存在会促进油菜根茎生长；当Pb2+质量分数超过0.5 g/kg时，这种促进作用逐渐减弱；Pb2+质量分数为1.0 g/kg时，油菜开始出现长势缓慢、叶片发黄现象。这表明高含量Pb2+的存在对油菜的生长产生明显抑制作用。

图2 不同水平Pb2+处理下的植物株高及干样品质量

2.3 土壤中Pb质量分数对油菜富集Pb2+的影响

油菜根部与Pb2+污染土壤直接接触，因此其根部对Pb2+的富集量远高于茎部，主要依靠根部富集Pb2+。土壤中Pb质量分数小于1.0 g/kg时，油菜根部对Pb2+的富集量随土壤中Pb质量分数增大而提高；土壤中Pb质量分数为1.0 g/kg时，油菜根部对Pb2+的富集量最高，为0.5 g/kg，其富集系数为0.5(富集系数=植物地上部分重金属含量/土壤中重金属含量)；土壤中Pb质量分数大于1.0 g/kg后，油菜根部对Pb2+的富集量下降。土壤中Pb质量分数增大，土壤毒性增强，影响植物对其他矿物质的吸收，扰乱植物生理生化和代谢过程，进而影响甚至抑制植物生长，同时也抑制油菜对Pb2+的富集及迁移。

图3 土壤中Pb质量分数对油菜富集Pb2+的影响

2.4 WCTS添加量对油菜富集Pb2+的影响

WCTS添加量对油菜富集Pb2+的影响试验结果如图4所示。

图4 WCTS添加量对油菜富集Pb2+的影响

由图4看出：土壤中加入0.1～1.0 g/kg WCTS，油菜根部对Pb2+富集量相比未加WCTS的土壤的对照组分别提高0.8、2.0、4.0、5.0倍；其中WCTS添加量为1.0 g/kg时，油菜对Pb2+富集系数由0.1提高至0.6。可见，添加WCTS作为植物修复螯合剂，可明显提高植物根茎部生物量及对Pb2+的富集量。土壤中添加不同质量分数的WCTS后，油菜根部Pb2+含量升高明显，与对照组对比，植株生长状况基本一致，这说明Pb2+经过一定程度的螯合后毒性降低，这与文献[13-14]关于水溶性羧甲基壳聚糖的毒性影响所得研究结果一致。

3 WTCS富集Pb2+的机制

油菜吸收重金属离子并将其转移和累积到植株体内，要经过一系列的生理生化过程，如根际土壤离子的活化，金属离子的跨膜转运，通过木质部、韧皮部向地上部分的长途运输，重金属离子在细胞内的分配和区室化等。若土壤中重金属离子含量过高，油菜自身可通过调整形态、分布和生理生化反应来适应环境的胁迫。

重金属离子Mn+与WCTS之间的配位作用主要是通过WCTS分子中的氨基对金属离子的螯合作用来实现，其配合物结构如图5所示。

图5 Mn+与WCTS配合物的分子结构

土壤中重金属离子形态主要有可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态、残渣态。研究结果表明，WCTS分子链中的氨基与吸附在土壤表面的重金属进行配位，可加速土壤中固态铅的释放，促使土壤中难溶解形态金属向可溶形态转变[11]，并通过固-液两相的再次分配使重金属逐渐转移到溶液中，强化重金属的累积。同时，WCTS与重金属发生配位作用后，还可降低铅对植物的毒害。

4 结论

在室内盆栽油菜，土壤中添加水溶性羧甲基壳聚糖作为Pb2+螯合剂可强化植物修复铅污染土壤。壳聚糖经羧甲基化改性后发生了O—羧甲基化反应，增加了羧甲基官能团，提高了在水中的溶解性，同时保证了与Pb2+的配位作用。

植物体内蓄积的铅量与土壤中的铅量有明显相关性。土壤中铅含量对植物的生长作用大致为低促进、高抑制；高剂量铅对植物有毒害作用。添加水溶性羧甲基壳聚糖后，土壤中固态铅活性增强，释放加速，在植物根部的迁移能力及在植物体内的富集量得以提高，植物对铅的累积得以强化。