改性殼聚糖聯(lián)合植物修復(fù)鉛污染土壤試驗(yàn)研究

艾林芳，吳振宇，熊萍萍，李建昌，劉永泉

(江西省職業(yè)病防治研究院，江西 南昌 330006)

植物修復(fù)重金屬污染土壤技術(shù)具有原位修復(fù)、成本低廉、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)。部分植物對(duì)重金屬離子有明顯的累積效應(yīng)，如蜈蚣草、印度芥菜、黑麥草等對(duì)鉛有較強(qiáng)的耐受性[1-4]；蠶豆(種子)對(duì)土壤中的鉛、鎘有較好的吸附性[5]；旱蓮草(Ecliptaprostrata)對(duì)鉛有較強(qiáng)的脅迫生理適應(yīng)性和耐受性[6]；烏柏、泡桐、欒樹等對(duì)鉛鋅尾礦庫(kù)中的鉛、鋅有較突出的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)能力[7]。

殼聚糖(CTS)來源廣泛、無毒、可降解，同時(shí)具有較強(qiáng)的金屬離子配位能力[8]。殼聚糖有助于火炬樹體內(nèi)鉛的積累[9]；可提高鉛在植物體內(nèi)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(yīng)用范圍。對(duì)殼聚糖進(jìn)行羧甲基改性[11]，增加羧甲基團(tuán)，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(shí)的溶解度為2 g/L)，并促進(jìn)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(zhǎng)期穩(wěn)定性，降低它們的可遷移性，明顯改善土壤環(huán)境[12]。

試驗(yàn)利用鉛污染土壤盆栽油菜，同時(shí)添加羧甲基殼聚糖作為螯合劑，考察羧甲基殼聚糖協(xié)同植物修復(fù)鉛污染土壤的效果。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

殼聚糖(脫乙酰度≥95%)，油菜種子(購(gòu)自江西省宜春市春華種業(yè)種子經(jīng)營(yíng)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(jī)，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(jì)，Perkin-Elmer1700FT紅外光譜儀。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 水溶性羧甲基殼聚糖(WCTS)的制備

根據(jù)文獻(xiàn)[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(yīng)溫度升高至60 ℃，反應(yīng)4 h后加入去離子水20 mL，用乙酸調(diào)pH為7左右，抽濾；濾餅用75 mL體積分?jǐn)?shù)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(yàn)用土壤風(fēng)干后過篩，參照盆栽植物對(duì)養(yǎng)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(wěn)定一段時(shí)間后種植油菜。

試驗(yàn)用油菜，在自然環(huán)境中培養(yǎng)，定期澆自來水，生長(zhǎng)50 d后收割。

選擇Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jí)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(cè)量株高，再用清水洗凈自然晾干后用天平稱量新鮮樣品質(zhì)量；經(jīng)紅外干燥箱烘干至恒重后測(cè)定干樣品質(zhì)量；研磨并經(jīng)電熱板加熱消解后，以原子吸收分光光度法測(cè)定其中Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度減弱，這是O—羧甲基化所致；改性后，在1 612 cm-1處出現(xiàn)羧酸官能團(tuán)吸收峰，說明通過羧甲基化，CTS中引入了羧基官能團(tuán)；由于羥基官能團(tuán)和氨基官能團(tuán)形成了氫鍵而變寬，2個(gè)振動(dòng)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(qiáng)度明顯變?nèi)?，進(jìn)一步證實(shí)CTS通過改性后發(fā)生了羧甲基取代。

圖1 CTS與WCTS的紅外光譜

2.2 Pb2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)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(zhì)量如圖2所示?？梢钥闯觯和寥乐械秃縋b2+的存在會(huì)促進(jìn)油菜根莖生長(zhǎng)；當(dāng)Pb2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.5 g/kg時(shí)，這種促進(jìn)作用逐漸減弱；Pb2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0 g/kg時(shí)，油菜開始出現(xiàn)長(zhǎng)勢(shì)緩慢、葉片發(fā)黃現(xiàn)象。這表明高含量Pb2+的存在對(duì)油菜的生長(zhǎng)產(chǎn)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(zhì)量

2.3 土壤中Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)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(duì)Pb2+的富集量遠(yuǎn)高于莖部，主要依靠根部富集Pb2+。土壤中Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1.0 g/kg時(shí)，油菜根部對(duì)Pb2+的富集量隨土壤中Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而提高；土壤中Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0 g/kg時(shí)，油菜根部對(duì)Pb2+的富集量最高，為0.5 g/kg，其富集系數(shù)為0.5(富集系數(shù)=植物地上部分重金屬含量/土壤中重金屬含量)；土壤中Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1.0 g/kg后，油菜根部對(duì)Pb2+的富集量下降。土壤中Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，土壤毒性增強(qiáng)，影響植物對(duì)其他礦物質(zhì)的吸收，擾亂植物生理生化和代謝過程，進(jìn)而影響甚至抑制植物生長(zhǎng)，同時(shí)也抑制油菜對(duì)Pb2+的富集及遷移。

圖3 土壤中Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)油菜富集Pb2+的影響

2.4 WCTS添加量對(duì)油菜富集Pb2+的影響

WCTS添加量對(duì)油菜富集Pb2+的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 WCTS添加量對(duì)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(duì)Pb2+富集量相比未加WCTS的土壤的對(duì)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(shí)，油菜對(duì)Pb2+富集系數(shù)由0.1提高至0.6。可見，添加WCTS作為植物修復(fù)螯合劑，可明顯提高植物根莖部生物量及對(duì)Pb2+的富集量。土壤中添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的WCTS后，油菜根部Pb2+含量升高明顯，與對(duì)照組對(duì)比，植株生長(zhǎng)狀況基本一致，這說明Pb2+經(jīng)過一定程度的螯合后毒性降低，這與文獻(xiàn)[13-14]關(guān)于水溶性羧甲基殼聚糖的毒性影響所得研究結(jié)果一致。

3 WTCS富集Pb2+的機(jī)制

油菜吸收重金屬離子并將其轉(zhuǎn)移和累積到植株體內(nèi)，要經(jīng)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(zhuǎn)運(yùn)，通過木質(zhì)部、韌皮部向地上部分的長(zhǎng)途運(yùn)輸，重金屬離子在細(xì)胞內(nèi)的分配和區(qū)室化等。若土壤中重金屬離子含量過高，油菜自身可通過調(diào)整形態(tài)、分布和生理生化反應(yīng)來適應(yīng)環(huán)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(duì)金屬離子的螯合作用來實(shí)現(xiàn)，其配合物結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 Mn+與WCTS配合物的分子結(jié)構(gòu)

土壤中重金屬離子形態(tài)主要有可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)物結(jié)合態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)。研究結(jié)果表明，WCTS分子鏈中的氨基與吸附在土壤表面的重金屬進(jìn)行配位，可加速土壤中固態(tài)鉛的釋放，促使土壤中難溶解形態(tài)金屬向可溶形態(tài)轉(zhuǎn)變[11]，并通過固-液兩相的再次分配使重金屬逐漸轉(zhuǎn)移到溶液中，強(qiáng)化重金屬的累積。同時(shí)，WCTS與重金屬發(fā)生配位作用后，還可降低鉛對(duì)植物的毒害。

4 結(jié)論

在室內(nèi)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(qiáng)化植物修復(fù)鉛污染土壤。殼聚糖經(jīng)羧甲基化改性后發(fā)生了O—羧甲基化反應(yīng)，增加了羧甲基官能團(tuán)，提高了在水中的溶解性，同時(shí)保證了與Pb2+的配位作用。

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