李瑞豐，蘭貴紅，魯瑩純，張吉紅，徐倩霞，張名，邱海燕，徐波，鄧春萍

(1.西南石油大學 化學化工學院，四川 成都 610500；2.吉林省環(huán)境工程評估中心，吉林 長春 131000；3.中國石油天然氣股份有限公司天然氣銷售廣東分公司，廣東 廣州 510000；4.四川省生態(tài)環(huán)境科學研究院，四川 成都 610041)

土壤污染問題嚴峻，農(nóng)田土壤重金屬污染由于直接影響人體健康，更受政府和廣大群眾的關注[1]。近年來，基于成本低、環(huán)境友好等特點，植物修復被廣泛應用于重金屬污染土壤的修復治理中[2]。據(jù)報道，樹脂不但具有優(yōu)異的重金屬吸附性能，還具有生物友好性，常被用作保水抗旱劑、種子萌發(fā)拌種劑等[3]。

本研究將樹脂投加至重金屬污染土壤中，探討了樹脂對土壤可溶態(tài)重金屬的吸附效果，然后分析了樹脂對土壤保水性能和孔隙結構的影響，最后與雍菜進行聯(lián)合修復，分析了施加樹脂對雍菜各組織轉運重金屬的影響，以期為重金屬污染土壤修復提供參考。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

供試土壤于2018年8月采自四川省成都市某重金屬污染農(nóng)業(yè)土壤，選用土壤取樣器于土壤5～20 cm處進行采集，除去砂礫、殘根等雜物后在陰涼處風干，研磨，過2 mm篩備用。土壤pH=6.31，重金屬主要根據(jù)《土壤和沉積物 銅、鋅、鉛、鎳、鉻的測定 火焰原子吸收分光光度法》(HJ 491—2019)[4]測定，含量分別為Zn：352.37 mg/kg、Cu：214.55 mg/kg、Cr：39.39 mg/kg、Pb：48.61 mg/kg、Cd：未檢出、Ni：23.31 mg/kg，其中Cu、Zn超過我國土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB 15618—2018；Cu：50 mg/kg，Zn：200 mg/kg)，因此本研究選擇Cu和Zn作為主要測試指標;淀粉改性樹脂,自制(制備方法見文獻[5])。

ZEISS stemi SV 11光學顯微鏡；JSM-7500F掃描電鏡；X-Max 20 X射線能譜儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 可溶態(tài)重金屬含量測試 參考《固體廢物 浸出毒性浸出方法 水平振蕩法》(HJ 577—2010)[6]中提取方法的固液配比，稱取5.0 g風干的重金屬污染土壤于100 mL玻璃錐形瓶中，加入50 mL去離子水，然后加入0～0.05 g淀粉改性樹脂，在110 r/min、25 ℃下振蕩8 h，抽濾，采用火焰原子吸收分光光度計測定浸出液中Cu2+、Zn2+濃度。

1.2.2 土壤保水性能測試 準確稱取200 g風干的土壤于250 mL燒杯中，然后分別加入0，0.6，1.0，1.6，2.0 g 淀粉改性樹脂，充分混勻，然后加入80 mL去離子水。將燒杯置于室溫，嚴格控制相同條件并靜置30 d，每天連續(xù)稱取燒杯中的土壤重量。土壤水分散失率計算公式如下：

(1)

式中m0——加水后的初始土壤重量，g；

mi——加水后第i天的土壤重量，g；

80——土壤初始含水重量，g。

1.2.3 植物栽培實驗 稱取10 kg土壤于聚乙烯盆中，以添加一定量樹脂的土壤為實驗組(SR)，以未添加樹脂的土壤為空白組(CK)，加水至含水率為70%，靜置穩(wěn)定平衡1 d備用。挑選大小均一的雍菜種子，浸泡1 d后移栽至土壤中，每盆種植100株。待15 d植株長出一定高度后，五點取樣法連續(xù)間隔采樣，并采用硝酸-高氯酸消解/火焰原子吸收分光光度計測定植株組織根、莖、葉中的重金屬含量。

1.2.4 表征測試 采用光學顯微鏡觀察投加樹脂后土壤的形貌結構變化，采用掃描電鏡觀察雍菜各組織的形貌結構，并采用X射線能譜儀測試植株組織界面Cu、Zn元素分布。

1.3 數(shù)據(jù)分析

為保證實驗數(shù)據(jù)的準確性，本實驗均設置3組平行，實驗數(shù)據(jù)經(jīng)OriginPro 2016軟件處理，采用SPSS 22.0軟件進行差異顯著性分析，設置當p<0.05時，差異顯著。

2 結果與討論

2.1 淀粉改性樹脂對土壤可溶態(tài)重金屬濃度的影響

樹脂表面存在大量活性基團(如—OH、—COOH等)，可以通過靜電吸引、表面絡合等作用吸附土壤中的重金屬污染物[7]，因此探究了不同樹脂加量對土壤可溶態(tài)重金屬濃度的降低效果，實驗結果見圖1。

圖1 樹脂投加量對可溶態(tài)重金屬濃度的影響Fig.1 Influence of resin dosage on the concentration of water-soluble heavy metals

由圖1可知，土壤重金屬浸出濃度為Cu2+8.14 mg/L，Zn2+18.32 mg/L(m±∶v液= 1∶10)；當加入樹脂后，浸出液中重金屬濃度均明顯降低；當樹脂加量為1.0%時，可溶態(tài)Cu2+、Zn2+濃度分別降至2.20 mg/L和1.74 mg/L，去除率分別達到72.95%和90.50%。在投加量對可溶態(tài)Cu2+濃度的影響中，通過ANOVA分析，可溶態(tài)Cu2+濃度隨投加量增加而顯著減少(p<0.05)；另外，通過Kruskal-Wallis分析，投加量對可溶態(tài)Zn2+濃度的影響同樣達到顯著水平(p<0.05)，樹脂能夠在短時間內(nèi)對土壤中的大部分重金屬進行固定。

前期實驗測試了淀粉改性樹脂的重金屬吸附容量，對Cr3+、Ni2+的吸附容量分別達到106.53 mg/g和133.25 mg/g[8]，淀粉改性樹脂在土壤環(huán)境中對重金屬同樣產(chǎn)生了吸附作用。在植物修復重金屬污染土壤的過程中，可溶態(tài)重金屬更容易被植物吸收，誘導植物突變，影響植物生長。宋清梅等研究了香根草與可溶態(tài)重金屬的協(xié)同作用，結果發(fā)現(xiàn)幼苗對重金屬的耐受能力隨生長時間的增加而增強[9]。在本研究中，樹脂的施加降低了修復初期土壤中可溶態(tài)重金屬的濃度，為植物前期的萌芽和生長提供了一個毒性較低的環(huán)境，進而為植物生長后期富集吸收更多重金屬創(chuàng)造了條件。

同時，為了更直觀地觀察淀粉改性樹脂添加到重金屬污染土壤中的變化，采用土柱填充實驗，實驗現(xiàn)象見圖2。

圖2 淀粉改性樹脂投加土柱填充效果圖Fig.2 Effect of the starch modified resin filled with soil column

由圖2可知，將樹脂投加至Cu、Zn污染土壤后，樹脂顆粒在吸水膨脹的同時其顏色從無色轉變?yōu)樗{色，樹脂在土壤中依然對Cu2+產(chǎn)生了良好吸附作用，樹脂可以作為一種保水和重金屬吸附雙重作用的化學藥劑，應用到重金屬污染土壤的修復中。考慮經(jīng)濟和實際效果，選用0.5%的樹脂投加量進行后續(xù)實驗，此時Cu2+濃度降至4.07 mg/L，去除率達50.02%； Zn2+濃度降至3.04 mg/L，去除率達83.41%。

2.2 淀粉改性樹脂對土壤保水性能的影響

樹脂，不同于常規(guī)的海綿、布等材料，其大量的親水基團和網(wǎng)絡狀結構能減緩水分的散失，被廣泛應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中[10]。因此，本研究采用連續(xù)稱重法進一步探究了淀粉改性樹脂加入后對土壤水分散失的影響，實驗結果見圖3。

圖3 不同樹脂加量下土壤水分散失率Fig.3 Water loss rate of soil under different resin dosage

由圖3可知，在室溫條件下土壤水分不斷散失，當加入淀粉改性樹脂后，土壤水分散失明顯減緩，呈現(xiàn)樹脂加量越高水分散失越慢的規(guī)律，30 d時，空白組土壤水分散失達到60.64%，0.5%樹脂投加量土壤水分散失則降至57.30%， 1.0%時土壤水分散失僅為53.67%。李鑫等將一種樹脂應用到沙土中，發(fā)現(xiàn)沙土的阻力、樹脂的空間網(wǎng)格結構以及氫鍵作用力共同抑制了土壤中水分的蒸發(fā)[11]，淀粉改性樹脂的施加對土壤的保水性具有良好的促進作用。

作為反映土壤理化性質(zhì)的重要指標之一，土壤孔隙度在植物修復中發(fā)揮著重要的作用，本研究通過光學顯微鏡觀察了淀粉改性樹脂投加前后土壤形貌結構的變化，實驗結果見圖4。

圖4 土壤失水后30 d形貌圖Fig.4 Soil morphology after the water loss of 30 da.空白對照組；b.樹脂加量1.0%，×10

由圖4可知，未投加樹脂時，表層土壤較致密，微小孔隙零星分布；樹脂投加到土壤后，樹脂吸水膨脹，隨著水分的散失，土壤中開始形成較大空腔，土壤孔隙結構得以改善，提高了土壤中氧氣和二氧化碳的傳遞效率，進而對植物的生長起到促進作用[12]。牛文全等研究發(fā)現(xiàn)，隨著根系通氣量和通氣頻率的增加，植物的株高、葉面積均呈現(xiàn)穩(wěn)定的增長趨勢，根際土壤孔隙度的提高對植物的生長表現(xiàn)出明顯的促進作用[13]。

2.3 淀粉改性樹脂投加對植物修復的影響

種子萌芽要經(jīng)歷吸水種皮脹破、胚根發(fā)育成根、子葉伸出土面、胚芽發(fā)育成莖和葉等階段，這些過程對重金屬的吸收并沒有明顯的限制作用，重金屬隨水體進入植株內(nèi)部后通過影響光合作用對植株的生長產(chǎn)生影響[14]。所以，為了研究淀粉改性樹脂的施加對植株生長的影響，設置未投加樹脂為CK組，投加0.5%樹脂為SR組，對比分析了樹脂投加對植株富集重金屬和對植株生長狀況的影響,結果見圖5，圖6。

圖5 雍菜植株不同組織(根、莖、葉)重金屬Cu、Zn含量隨時間變化圖Fig.5 Content of Cu and Zn in different parts (roots,stems and leaves) of water spinach changed with time

圖6 雍菜植株空白對照組和實驗組15 d生長情況對比圖Fig.6 Growth of water spinach in the blank control and experimental groups were compared at 15 d

由圖可知，雍菜對重金屬具有良好的富集作用，重金屬在不同組織的富集濃度表現(xiàn)出明顯差異，呈現(xiàn)根>莖>葉的規(guī)律。

由圖5可知，在65 d后，CK組Cu富集濃度葉：50.33 mg/kg、莖：62.58 mg/kg、根：377.30 mg/kg；而SR組Cu富集濃度降低為葉：41.36 mg/kg、莖：48.28 mg/kg、根：149.64 mg/kg。通過降低土壤中可溶態(tài)Cu的含量，樹脂的投加明顯降低了植物各組織特別是根對Cu的吸收富集，有效降低了Cu對植物初期生長的影響。Zn在植物各組織中的富集濃度也表現(xiàn)出相似的變化，在65 d后，CK組Zn富集濃度葉：504.22 mg/kg、莖：955.92 mg/kg、根：2 095.09 mg/kg；而實驗組中Zn的富集濃度降低為葉：156.01 mg/kg、莖：350.76 mg/kg、根：477.31 mg/kg。通過單變量分析，處理時間、樹脂投加及處理時間樹脂投加協(xié)同作用3個因素對植物葉、莖、根富集Cu2+、Zn2+濃度的影響均達到顯著水平(p<0.05)。

由圖6可知，相比于實驗組雍菜的生長狀況，空白組明顯較差，主要表現(xiàn)為植株矮小、葉片面積和莖組織發(fā)育偏小、根系萎縮、開始出現(xiàn)爛根等癥狀；而實驗組的雍菜依然保持了良好的生長情況，生長高度明顯大于空白組。梁亮等研究了銅在李氏禾不同部位的賦存形態(tài)，由于根部的重金屬磷酸鹽以及蛋白質(zhì)的存在，可溶態(tài)銅向地上部的運輸被限制[15]?？偟膩碚f，土壤中的可溶態(tài)重金屬一定程度上抑制了植物的生長，限制了其富集轉移重金屬的能力，而植物修復本身又是一個緩慢的過程，不利于突發(fā)重金屬污染事故的處理。因此，在修復初期投加樹脂，不但能夠快速抑制重金屬在土壤中的遷移擴散，降低環(huán)境風險，還能為植物的初期萌芽提供相對適宜的環(huán)境，為更好修復重金屬污染土壤創(chuàng)造條件。

2.4 淀粉改性樹脂重金屬鈍化聯(lián)合植物修復機理分析

目前，研究者對重金屬鈍化劑的功能和作用機理進行了大量研究，但關注點主要集中在植株的重金屬富集濃度和土壤的重金屬形態(tài)方面，未結合現(xiàn)代表征測試技術對重金屬的遷移過程進行分析，因此，本研究結合SEM對植株組織的形貌進行了觀察，利用EDS對重金屬在植物各個組織中的分布進行了分析，以期更直觀地反映重金屬在修復后雍菜各組織的富集情況，實驗結果見圖7。

圖7 雍菜根(a)、莖(b)、葉(c)橫截面SEM形貌圖和Cu、Zn元素EDS Mapping結果Fig.7 SEM of roots (a),stems (b),leaves (c) and EDS Mapping of Cu and Zn elements in water spinach

由圖7可知，雍菜的葉、莖、根均分布著大量Cu、Zn元素，且Zn元素的分布明顯多于Cu元素，植株根中重金屬的密集程度明顯大于莖、葉的密集程度，EDS與前面測定的實驗結果一致。

在高濃度污染物的土壤中，植物的根系組織難以有效分化，生命必需元素無法充分攝取[16]。如圖8所示，在太陽光照射下，植物葉片中的葉綠素通過光合作用將CO2和水轉化為有機物，為自身生長提供能量；在這一過程中，植物根系從土壤中不斷吸收水分和無機鹽等生命必需因子，通過維管束向上運輸并最終到達莖干和葉片等部位。在重金屬污染土壤中，由于植物根系吸收可溶性物質(zhì)的非選擇性，重金屬污染物從土壤中轉移至植物體內(nèi)[17]，同水分子等其他物質(zhì)共同向上運輸，與植物體內(nèi)的磷酸鹽以及蛋白質(zhì)結合，最終呈現(xiàn)重金屬污染物在植物體內(nèi)的分布濃度根>莖>葉的規(guī)律[15]。

圖8 淀粉改性樹脂用于重金屬污染土壤植物修復機理圖Fig.8 Mechanism of phytoremediation of heavy metals contaminated soil by starch modified resin

因此，針對突發(fā)性重金屬污染土壤，可以預先加入樹脂，在降低可溶態(tài)重金屬濃度抑制其擴散的同時，減緩土壤水分散失和提高孔隙度，為植物的長期生長創(chuàng)造條件，最終達到較好去除重金屬污染物的目的。有研究表明，具有相似功能結構的淀粉改性樹脂在土壤中能被微生物緩慢降解，埋藏60 d時降解率約達到40.9%[18]。因此，作為一種輔助植物修復的環(huán)保新型材料，當樹脂逐漸被土壤中的微生物降解時，樹脂中的有機組分逐漸轉化為能夠被植物利用的營養(yǎng)物質(zhì)，而重金屬則在土壤中緩慢釋放，被生長狀況良好的植物轉運富集，最終達到從土壤中清除的目的。在Shi等的研究中，樹脂能將土壤的理化性質(zhì)維持在適合植物生長的條件范圍內(nèi)[19]，其本身還具有良好的離子抗干擾能力，當環(huán)境發(fā)生變化時，依然能起到吸收可溶態(tài)重金屬和保持土壤水分的作用[8]，在土壤修復中具有良好的應用前景。

3 結論

(1)淀粉改性樹脂能快速降低土壤可溶態(tài)重金屬濃度，當樹脂加量為0.5%時，可溶態(tài)Cu2+含量降至4.07 mg/L，可溶態(tài)Zn2+含量降至3.04 mg/L，去除率分別達到50.02%和83.41%。

(2)淀粉改性樹脂能減緩土壤水分的散失，當樹脂投加量為1.0%時，土壤30 d水分散失率降至53.67%；樹脂還能改善土壤孔隙度，促進土壤的氣體交換，為植物生長創(chuàng)造良好環(huán)境。

(3)淀粉改性樹脂的投加能降低雍菜各組織重金屬的濃度，減緩重金屬對植株根系的毒害作用，在15 d時植株根系部位Cu、Zn的濃度從229.22,1 058.40 mg/kg 降低至90.49 mg/kg和333.72 mg/kg，有利于植物在重金屬污染土壤中的長期修復。