改性殼聚糖聯合植物修復鉛污染土壤試驗研究

艾林芳，吳振宇，熊萍萍，李建昌，劉永泉

(江西省職業病防治研究院，江西 南昌 330006)

植物修復重金屬污染土壤技術具有原位修復、成本低廉、環境友好等優勢。部分植物對重金屬離子有明顯的累積效應，如蜈蚣草、印度芥菜、黑麥草等對鉛有較強的耐受性[1-4]；蠶豆(種子)對土壤中的鉛、鎘有較好的吸附性[5]；旱蓮草(Ecliptaprostrata)對鉛有較強的脅迫生理適應性和耐受性[6]；烏柏、泡桐、欒樹等對鉛鋅尾礦庫中的鉛、鋅有較突出的富集和轉運能力[7]。

殼聚糖(CTS)來源廣泛、無毒、可降解，同時具有較強的金屬離子配位能力[8]。殼聚糖有助于火炬樹體內鉛的積累[9]；可提高鉛在植物體內的遷移速度，使植物中鉛含量提高[10]；但殼聚糖只溶解于稀酸和一些特定的溶劑，限制了其應用范圍。對殼聚糖進行羧甲基改性[11]，增加羧甲基團，制成水溶性羧甲基殼聚糖(WCTS)，可提高其在水中的溶解度(20 ℃時的溶解度為2 g/L)，并促進其與重金屬離子的配位能力。羧甲基殼聚糖可使土壤中的Cd2+、Pb2+、Zn2+有長期穩定性，降低它們的可遷移性，明顯改善土壤環境[12]。

試驗利用鉛污染土壤盆栽油菜，同時添加羧甲基殼聚糖作為螯合劑，考察羧甲基殼聚糖協同植物修復鉛污染土壤的效果。

1 試驗部分

1.1 試劑與儀器

殼聚糖(脫乙酰度≥95%)，油菜種子(購自江西省宜春市春華種業種子經營部)；硝酸鉛、氫氧化鈉、異丙醇、氯乙酸，均為分析純。

AL204電子天平，LD4-2離心機，102-1紅外線干燥箱，SHZ-82A型恒溫振蕩儀，AA-800原子吸收分光光度計，Perkin-Elmer1700FT紅外光譜儀。

1.2 試驗方法

1.2.1 水溶性羧甲基殼聚糖(WCTS)的制備

根據文獻[12]方法制備WCTS：稱取5 g殼聚糖于燒杯中，加入50 mL異丙醇及12 mL濃度為10 mol/L的氫氧化鈉溶液；浸泡10 h后，分多次攪拌加入6 g氯乙酸；將反應溫度升高至60 ℃，反應4 h后加入去離子水20 mL，用乙酸調pH為7左右，抽濾；濾餅用75 mL體積分數為70%的甲醇溶液洗滌，再用無水乙醇洗滌，之后置于60 ℃真空干燥箱中干燥至恒重，即得水溶性羧甲基殼聚糖。

1.2.2 污染土壤的配制

試驗用土壤風干后過篩，參照盆栽植物對養分的需求，1 kg土壤中加入尿素 2 g、磷酸二氫鉀0.4 g及硫酸鉀0.4 g作為底肥，充分混勻。以硝酸鉛作為污染物，投加水平分別為0.0、0.1、0.5、1.0、1.5 g/kg，采用逐層噴灑、翻土混合方式加入，穩定一段時間后種植油菜。

試驗用油菜，在自然環境中培養，定期澆自來水，生長50 d后收割。

選擇Pb質量分數0.5 g/kg的土壤添加改性殼聚糖WCTS。WCTS用去離子水配成溶液，逐級稀釋后，按0.0、0.1、0.2、0.5、1.0 g/kg水平分別噴灑到土壤中。加入WCTS 10 d后收割植物并取土壤樣品。

1.2.3 植物樣品的處理

采集植物樣品后，先測量株高，再用清水洗凈自然晾干后用天平稱量新鮮樣品質量；經紅外干燥箱烘干至恒重后測定干樣品質量；研磨并經電熱板加熱消解后，以原子吸收分光光度法測定其中Pb質量分數。

2 試驗結果與分析

2.1 WCTS的紅外光譜分析

圖1為羧甲基殼聚糖改性前后的紅外光譜。可以看出：改性前，在1 082 cm-1處有吸收峰，改性后移至1 069 cm-1處，而且強度減弱，這是O—羧甲基化所致；改性后，在1 612 cm-1處出現羧酸官能團吸收峰，說明通過羧甲基化，CTS中引入了羧基官能團；由于羥基官能團和氨基官能團形成了氫鍵而變寬，2個振動峰互相疊加，使得2條曲線均在3 440 cm-1處存在一較寬峰，相比CTS，WCTS在此處的特征峰強度明顯變弱，進一步證實CTS通過改性后發生了羧甲基取代。

圖1 CTS與WCTS的紅外光譜

2.2 Pb2+質量分數對油菜生物量的影響

不同水平Pb2+處理下的植物株高及干樣品質量如圖2所示。可以看出：土壤中低含量Pb2+的存在會促進油菜根莖生長；當Pb2+質量分數超過0.5 g/kg時，這種促進作用逐漸減弱；Pb2+質量分數為1.0 g/kg時，油菜開始出現長勢緩慢、葉片發黃現象。這表明高含量Pb2+的存在對油菜的生長產生明顯抑制作用。

圖2 不同水平Pb2+處理下的植物株高及干樣品質量

2.3 土壤中Pb質量分數對油菜富集Pb2+的影響

油菜根部與Pb2+污染土壤直接接觸，因此其根部對Pb2+的富集量遠高于莖部，主要依靠根部富集Pb2+。土壤中Pb質量分數小于1.0 g/kg時，油菜根部對Pb2+的富集量隨土壤中Pb質量分數增大而提高；土壤中Pb質量分數為1.0 g/kg時，油菜根部對Pb2+的富集量最高，為0.5 g/kg，其富集系數為0.5(富集系數=植物地上部分重金屬含量/土壤中重金屬含量)；土壤中Pb質量分數大于1.0 g/kg后，油菜根部對Pb2+的富集量下降。土壤中Pb質量分數增大，土壤毒性增強，影響植物對其他礦物質的吸收，擾亂植物生理生化和代謝過程，進而影響甚至抑制植物生長，同時也抑制油菜對Pb2+的富集及遷移。

圖3 土壤中Pb質量分數對油菜富集Pb2+的影響

2.4 WCTS添加量對油菜富集Pb2+的影響

WCTS添加量對油菜富集Pb2+的影響試驗結果如圖4所示。

圖4 WCTS添加量對油菜富集Pb2+的影響

由圖4看出：土壤中加入0.1～1.0 g/kg WCTS，油菜根部對Pb2+富集量相比未加WCTS的土壤的對照組分別提高0.8、2.0、4.0、5.0倍；其中WCTS添加量為1.0 g/kg時，油菜對Pb2+富集系數由0.1提高至0.6。可見，添加WCTS作為植物修復螯合劑，可明顯提高植物根莖部生物量及對Pb2+的富集量。土壤中添加不同質量分數的WCTS后，油菜根部Pb2+含量升高明顯，與對照組對比，植株生長狀況基本一致，這說明Pb2+經過一定程度的螯合后毒性降低，這與文獻[13-14]關于水溶性羧甲基殼聚糖的毒性影響所得研究結果一致。

3 WTCS富集Pb2+的機制

油菜吸收重金屬離子并將其轉移和累積到植株體內，要經過一系列的生理生化過程，如根際土壤離子的活化，金屬離子的跨膜轉運，通過木質部、韌皮部向地上部分的長途運輸，重金屬離子在細胞內的分配和區室化等。若土壤中重金屬離子含量過高，油菜自身可通過調整形態、分布和生理生化反應來適應環境的脅迫。

重金屬離子Mn+與WCTS之間的配位作用主要是通過WCTS分子中的氨基對金屬離子的螯合作用來實現，其配合物結構如圖5所示。

圖5 Mn+與WCTS配合物的分子結構

土壤中重金屬離子形態主要有可交換態、碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態、有機物結合態、殘渣態。研究結果表明，WCTS分子鏈中的氨基與吸附在土壤表面的重金屬進行配位，可加速土壤中固態鉛的釋放，促使土壤中難溶解形態金屬向可溶形態轉變[11]，并通過固-液兩相的再次分配使重金屬逐漸轉移到溶液中，強化重金屬的累積。同時，WCTS與重金屬發生配位作用后，還可降低鉛對植物的毒害。

4 結論

在室內盆栽油菜，土壤中添加水溶性羧甲基殼聚糖作為Pb2+螯合劑可強化植物修復鉛污染土壤。殼聚糖經羧甲基化改性后發生了O—羧甲基化反應，增加了羧甲基官能團，提高了在水中的溶解性，同時保證了與Pb2+的配位作用。

植物體內蓄積的鉛量與土壤中的鉛量有明顯相關性。土壤中鉛含量對植物的生長作用大致為低促進、高抑制；高劑量鉛對植物有毒害作用。添加水溶性羧甲基殼聚糖后，土壤中固態鉛活性增強，釋放加速，在植物根部的遷移能力及在植物體內的富集量得以提高，植物對鉛的累積得以強化。