悬铃木果毛的污染防治与综合利用研究进展

秦桐，刘冰心，段延民，刘铭，沈韵，姜元，杨莉

(1.长安大学 水利与环境学院 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西 西安 710054；2.农业农村部工程建设服务中心，北京 100081；3.陕西省洛川县农业技术推广中心，陕西 延安 727400)

天然植物纤维含有丰富的纤维素、半纤维素和木质素，具有资源丰富、廉价易得、可生物降解等优势，是一种重要的可再生资源。为了实现天然纤维资源的综合利用和社会可持续发展，学者们对稻壳[1]、木棉[2]、蔗渣[3]、柚子皮[4]、秸秆[5]等植物纤维的资源化利用进行了深入而广泛的研究。近年来，植物果毛纤维的综合利用引起了人们的关注。果毛纤维是一些植物实现种子风力传播的重要结构，这类天然纤维不仅产量大，而且季节性随风飘散。如果任由其随意堆弃飘散，不仅对大气环境造成污染，也是自然资源的巨大浪费。因此，选择科学合理的果毛纤维防治手段并开展综合开发利用研究具有重要的现实意义和社会价值。

悬铃木俗称法国梧桐，属悬铃木科，原产北美洲、墨西哥、地中海和印度一带，我国引进种植的悬铃木科植物有一球悬铃木、二球悬铃木和三球悬铃木[6-7]。该树种枝叶茂密、树干通直、生长快、耐修剪、易繁殖，具有较强的适应各种土壤及城市环境的能力[8-9]。此外，悬铃木还具有较强的抗空气污染、抗光化学烟雾和有害气体(二氧化硫、氯气等)性能，可有效地降尘和减低噪声[6]，因此悬铃木被广泛用作城市的绿化树种，被誉为“行道树之王”[10]。然而，悬铃木果毛对环境的污染也由来已久，对居民生活带来的长期负面影响涉及到呼吸道健康、机体过敏、公共环境卫生和交通隐患等诸多方面。针对悬铃木果毛所造成的环境问题，众多学者从不同角度进行了研究探讨，一方面主要集中在利用多种生物技术防控悬铃木果毛的产生，另一个方面是利用悬铃木果毛作为天然中空纤维的优良性能，将其应用于环境友好材料的开发研究，实现这类天然废弃物的资源化利用。

1 悬铃木果毛简介

悬铃木的果实是由许多小坚果组合成球形的聚花果，叫做悬铃木球果。每个小坚果的基部围有长绒毛，称为悬铃木果毛[11]。果毛细胞一般在6月前分裂，10～11月果毛发育成熟，至翌年果毛和球果一起脱落，随风飘散。据测算，每个悬铃木果球有600～1 400个小坚果，每个成熟后的小坚果约有 3 258 根果毛，所以每个果序共有195.48～456.12万悬铃木果毛[12]。

悬铃木果毛质地坚硬，不易形变，是一种性能优良的天然纤维。该纤维表面光滑无褶，呈节状，内部为中空管状结构，管壁厚约4.3 μm，管内直径约 23 μm[13]。悬铃木果毛纤维的空心管壁比较薄，是由果胶、纤维素和木质素组成的死细胞线性排列而成，具有较大的比表面积和内部空间。

图1 悬铃木果球(a)及果毛(b)

2 悬铃木果毛的污染现状及防治进展

悬铃木球果成熟后悬挂于树上，经冬不落，翌年4月和5月间，球果干枯炸裂，悬铃木果毛以及花粉会随处飘散[7]，以不同的方式污染环境，给人民的生产生活带来诸多负面影响：第一，悬铃木作为可吸入颗粒物PM10，随风飞入人的眼睛和鼻孔，使人感到呼吸道不适，严重的可导致皮肤瘙痒、角膜炎，甚至部分人群过敏；第二，悬铃木果毛可携带细菌和病毒，进入人体后引发哮喘、支气管炎等疾病；第三，悬铃木果毛随风飘散会影响行人和司机的视线，进而给交通带来一定隐患；此外，大量的悬铃木果毛还会给城市环境卫生带来负担[14]。基于此，政府部门以及相关单位采用了各种生物防治手段，以求最大限度地减轻悬铃木果毛的环境危害。

图2 悬铃木果毛SEM照片[15]

2.1 修剪控果

修剪控果是悬铃木果毛防治最简单有效的方法之一，具体就是剪去当年生的枝条，以使第二年的新枝条上不再有花果，从而减少果球的产生和果毛的掉落。章利民等对应用修剪控果法治理悬铃木果毛污染的效果进行了研究[16]，提出三级分支的修剪措施不仅可以减少结果量，减轻果毛造成的环境污染，还能使行道绿化更加美观整齐。蒋淮军[17]认为抹头重剪法也可解决悬铃木果毛产生的危害，这种方法具有调整树形、树姿，减少病虫害和枝叶星毛球等益处。虽然修剪控果法简单有效，但是修剪的工作量大且繁杂，不仅要求每年都要进行，而且需要定期管理，因此采用修剪控果法控制悬铃木果毛污染必须结合实际情况进行综合考虑。

2.2 树冠嫁接

采用树冠嫁接来进行悬铃木果毛污染的治理，首先需培育出无果或少果品种，然后再用该品系的优良悬铃木种条进行接穗，取代普通悬铃木的树冠，后期可配合水肥管理和整形来治理悬铃木果毛的危害。戴耀良[18]报道了换冠嫁接的方法，用良种悬铃木种条取代普通悬铃木树冠，配合水肥管理和整形，不仅实现了悬铃木的复壮，而且有效治理了果和叶毛所产生的危害。该方法在充分利用大量大中龄悬铃木的基础上，不仅可以做到保持优良品种少果少毛的特点，还能推广良种、减少公害。通过在一些城市的实行和推广，取得了良好的社会效益。当然，必须认识到树冠嫁接所涉及的程序较复杂，所需费用也较高，需要大量的人力和物力。

2.3 无果品系的选育

无果品系的选育方法主要是通过自然突变或人工诱变的方法获得不产生悬铃木果球的品系。自然突变是不经任何人工处理、在自然条件下的基因突变，温度剧变、宇宙射线、化学污染和生物体内或细胞内新陈代谢的异常产物都有可能引起自然突变。基于此，有学者提出[19]可以从大量的悬铃木实体中选取少果甚至无果的单株进行单株选育和无性系繁育，再经过对比和筛选，从中选育出极少果球的优良品种。人工诱变就是人为地利用一些物理诱变因素(如γ射线、β射线、中子、紫外线等)和化学诱变剂(如烷化剂、叠氮化物和碱基类似物等)诱发遗传变异，这样可以在短时间内获得有利用价值的变异体。人工诱变所引起的变异一般发生在体细胞内，所以需要及时将变异的组织从母体上分离出来，随后再采用一些无性繁殖的育种方法，使突变体的性状保存下来[20]。因此，通过无果品系选育手段实现悬铃木果毛的治理涉及到基因工程和植物生物技术，需要较长的选育和筛选周期。

2.4 化学药剂的处理

采用化学药剂处理防治悬铃木果毛的依据是一些化学药剂(如乙烯利、脱落酸和赤霉素等)对植物的花果具有催熟脱落的作用[21]。此方法可在悬铃木开花期间在其树冠喷洒药剂或在其树干进行药剂的注射，促使悬铃木的花和幼果提前脱落，从而在一定程度上减轻悬铃木果毛的污染[19]。

王长剑等[22]研究发现春季对悬铃木施用20%乙烯利具有较好的效果，可以减少50%的球果，能有效抑制悬铃木球果的生长；最佳的用药时间在春季的3月中下旬和4月份；对树干进行药剂注射时，使用细管植物专用输液袋可大大降低对树干的损伤。郭传友等[23]使用自制的悬铃木脱果剂对悬铃木落果进行化学调控，实验证实，在悬铃木的初花期向茎干注射脱果剂可破坏球果的正常发育，果球在药剂处理后的40 d内会大量脱落，脱果率可达到93.8%。相比于其它方法，化学药剂处理成本较低，操作简单且见效快，是一种普遍常用的方法。

综上，随着社会经济和科学技术的进步，悬铃木果毛的生物防治手段已经取得了长足的进步，在一定程度上减轻了悬铃木果毛的环境危害，但依然存在周期长、消耗大量人力物力、需要定期管理等问题。

3 悬铃木果毛的综合利用研究进展

在倡导绿色环保和循环经济的时代，如何在治理悬铃木果毛污染的同时，从悬铃木果毛作为天然中空纤维的特性出发，加以综合利用并应用于新型环境友好材料的制备合成，对于减少悬铃木果毛的环境污染及绿色可持续发展具有重大意义。

3.1 悬铃木果毛作为吸附材料的应用

悬铃木果毛具有丰富的化学基团，果毛内部中空，比表面积大，具有巨大的吸附潜力和贮存空间，因此可作为一种优良的天然吸附剂应用于废水处理等领域。金军等[24]以悬铃木果毛为基质，经过预处理、炭化和活化三个阶段得到了活性炭纤维，并考察了所制备的活性炭纤维对甲基橙的吸附性能，实验结果表明，所制备的悬铃木果毛基活性炭纤维对甲基橙染液的吸附量高达83.56 mg/g，活化条件对吸附性能的影响最大。

油类是重要的工业必需品，素有“工业血液”之称。近年来，随着全球经济的不断发展，各种工业油的泄露及工业废油的排放造成的水体溢油类污染日趋严重[25]。吸油材料是适用于多种环境溢油污染治理的有效手段，价格低廉、操作简便，易于再生等优势，具有广阔的应用前景[26]。汪子孺等[27]探索了采用悬铃木果毛制备吸油剂的方法及其对油类和有机溶剂的吸油效率。该研究充分利用悬铃木果毛纤维巨大的表面积和中空结构，结合醋酸酐化学疏水改性制备得到悬铃木果毛基吸油材料，实验结果表明悬铃木果毛基吸油材料对四氯化碳和机油的最大吸附量为55.98，46.41 g/g。同时证实所制备的吸油材料重复利用性高，在重复使用8次后该样品仍能保持最初吸油能力的90%左右。

3.2 悬铃木果毛作为生物模板的应用

近年来，生物模板法越来越多地应用于微纳米材料合成的领域。生物模板法是采用自然界中的天然生物体或结构作为材料合成的模板，在结合生物模板本身的天然特性的基础上实现新颖材料高效简单合成一种有效方法。作为一种优良的天然中空纤维，悬铃木果毛具有表面光滑、质硬、比表面积大等特点，其独特的空心结构可以作为制备空心微米管理想的生物模板。Yang等[15]选择悬铃木果毛作为生物模板，通过二次浸渍溶胶-凝胶法制备得到了具有双层壁的TiO2空心微米管光催化剂。二次浸渍溶胶-凝胶法制备TiO2空心微米管不需要特定的水解控速条件和繁杂的步骤，是一种简单高效的微米管合成方法。研究发现悬铃木果毛模板中存在的天然水分在钛溶胶的部分水解中起到了关键性作用，促成了TiO2空心微米管双壁结构的形成，制备得到的TiO2空心微米管在对盐酸四环素的降解实验中表现出优于商品TiO2(P25)的优异光催化性能。

3.3 悬铃木果毛作为微纳米材料载体的应用

从悬铃木果毛巨大的比表面积和中空的内部结构出发，将其作为一种生物质载体应用于微纳米粒子的负载具有广阔的前景。苟海刚等[28]以悬铃木果毛为载体，首先利用多巴胺的粘附性将氮肥固定在悬铃木果毛表面，然后采用接枝共聚的方法在载氮纤维表面合成一层高吸水树脂，制备得到无污染且吸水量大的悬铃木果毛基吸水缓释氮肥，该研究充分证实了悬铃木果毛应用于缓释材料载体的优势。杨莉等[29]以悬铃木果毛为基质，通过表面化学改性实现了Fe3O4纳米粒子在悬铃木果毛表面的成功负载，制备得到的磁性微米空心管复合吸附材料具有良好的吸附能力，在25 ℃对亚甲基蓝的吸附量可达12.6 mg/g。Fe3O4纳米粒子的负载有利于样品分离，促进了悬铃木果毛基磁性吸附材料的实际应用。经过5次重复使用后，Fe3O4@改性悬铃木果毛复合中纤维的吸附性能无明显下降，证明Fe3O4@改性悬铃木果毛复合中纤维具有较好的利用可再生性。悬铃木果毛作为微纳米材料载体的应用研究还有巨大的空间，可尝试将悬铃木果毛与多种微纳米材料通过不同的技术手段进行结合负载，在降低悬铃木果毛污染的同时，制备得到更多成本低廉、环境友好、性能优异的负载型微米管材料，其在环境治理中的应用具有突出的以废治废的优势。

3.4 悬铃木果毛作为超级电容器电极的应用

近年来，随着富勒烯、碳纤维、碳纳米管和石墨烯等的相继发现，碳材料越来越受到人们的重视和追捧。微纳米碳材料具有特定的结构和多种优良性能，广泛应用于太阳能利用、航空航天、超级电容器和燃料电池等领域。马延文等[30]以悬铃木果毛为原材料，通过炭化制备得到了管径为20～30 μm的碳微米管，并利用扫描电镜、X射线衍射、X射线光电子能谱以及拉曼光谱进行样品表征和测试，结果发现由悬铃木果毛经过简单炭化处理制备得到的碳微米管可作为电极并应用于超级电容器。实验结果证实获得的碳微米管电化学稳定性优异，显示出在超级电容器的应用领域中巨大潜力。Tan等[31]对比了分别由悬铃木果毛和柳絮制备得到的两种空心碳纤维，发现以悬铃木果毛制备的空心碳微纤维极性更强，在10 A/g的电流密度下电容保持率为88.5%，具有优异的循环稳定性。这是由于悬铃木果毛中高含量的N和S元素导致中空碳微纤维的高掺杂浓度，进而赋予悬铃木果毛优良的导电性，并且其高含量的无机元素也促使样品在活化过程中出现自激活效应，最终促使悬铃木果毛制备的空心碳微纤维中特殊多孔微结构的形成。

4 结束语

随着科技的进步和实验手段的不断创新，将具有环境污染性的悬铃木果毛作为优良的天然纤维看待，结合其来源广泛、性能稳定及独特的空心管状结构等特性，可面向环境工程、化学工程和生物工程等多个领域，开发出一系列新颖的环境友好材料。到目前为止，对悬铃木果毛纤维进行资源化及应用的研究广度仅集中在吸附材料、微纳米材料载体、生物模板和超级电容器电极等方面；从研究深度上讲，现在对悬铃木果毛的资源化和开发利用正处在初始阶段，应用还仅限于实验室阶段。因此，应在加强对悬铃木果毛资源化的基础研究的同时，进一步深化应用潜力的挖掘，实现悬铃木果毛等天然废弃物的充分利用，为这类植物果毛纤维造成的资源浪费以及环境污染提供新的资源化策略。