树脂-植物联合修复法在重金属污染土壤中的应用研究

李瑞丰，兰贵红，鲁莹纯，张吉红，徐倩霞，张名，邱海燕，徐波，邓春萍

(1.西南石油大学 化学化工学院，四川 成都 610500；2.吉林省环境工程评估中心，吉林 长春 131000；3.中国石油天然气股份有限公司天然气销售广东分公司，广东 广州 510000；4.四川省生态环境科学研究院，四川 成都 610041)

土壤污染问题严峻，农田土壤重金属污染由于直接影响人体健康，更受政府和广大群众的关注[1]。近年来，基于成本低、环境友好等特点，植物修复被广泛应用于重金属污染土壤的修复治理中[2]。据报道，树脂不但具有优异的重金属吸附性能，还具有生物友好性，常被用作保水抗旱剂、种子萌发拌种剂等[3]。

本研究将树脂投加至重金属污染土壤中，探讨了树脂对土壤可溶态重金属的吸附效果，然后分析了树脂对土壤保水性能和孔隙结构的影响，最后与雍菜进行联合修复，分析了施加树脂对雍菜各组织转运重金属的影响，以期为重金属污染土壤修复提供参考。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

供试土壤于2018年8月采自四川省成都市某重金属污染农业土壤，选用土壤取样器于土壤5～20 cm处进行采集，除去砂砾、残根等杂物后在阴凉处风干，研磨，过2 mm筛备用。土壤pH=6.31，重金属主要根据《土壤和沉积物 铜、锌、铅、镍、铬的测定 火焰原子吸收分光光度法》(HJ 491—2019)[4]测定，含量分别为Zn：352.37 mg/kg、Cu：214.55 mg/kg、Cr：39.39 mg/kg、Pb：48.61 mg/kg、Cd：未检出、Ni：23.31 mg/kg，其中Cu、Zn超过我国土壤环境质量标准(GB 15618—2018；Cu：50 mg/kg，Zn：200 mg/kg)，因此本研究选择Cu和Zn作为主要测试指标;淀粉改性树脂,自制(制备方法见文献[5])。

ZEISS stemi SV 11光学显微镜；JSM-7500F扫描电镜；X-Max 20 X射线能谱仪。

1.2 实验方法

1.2.1 可溶态重金属含量测试 参考《固体废物 浸出毒性浸出方法 水平振荡法》(HJ 577—2010)[6]中提取方法的固液配比，称取5.0 g风干的重金属污染土壤于100 mL玻璃锥形瓶中，加入50 mL去离子水，然后加入0～0.05 g淀粉改性树脂，在110 r/min、25 ℃下振荡8 h，抽滤，采用火焰原子吸收分光光度计测定浸出液中Cu2+、Zn2+浓度。

1.2.2 土壤保水性能测试 准确称取200 g风干的土壤于250 mL烧杯中，然后分别加入0，0.6，1.0，1.6，2.0 g 淀粉改性树脂，充分混匀，然后加入80 mL去离子水。将烧杯置于室温，严格控制相同条件并静置30 d，每天连续称取烧杯中的土壤重量。土壤水分散失率计算公式如下：

(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 植物栽培实验 称取10 kg土壤于聚乙烯盆中，以添加一定量树脂的土壤为实验组(SR)，以未添加树脂的土壤为空白组(CK)，加水至含水率为70%，静置稳定平衡1 d备用。挑选大小均一的雍菜种子，浸泡1 d后移栽至土壤中，每盆种植100株。待15 d植株长出一定高度后，五点取样法连续间隔采样，并采用硝酸-高氯酸消解/火焰原子吸收分光光度计测定植株组织根、茎、叶中的重金属含量。

1.2.4 表征测试 采用光学显微镜观察投加树脂后土壤的形貌结构变化，采用扫描电镜观察雍菜各组织的形貌结构，并采用X射线能谱仪测试植株组织界面Cu、Zn元素分布。

1.3 数据分析

为保证实验数据的准确性，本实验均设置3组平行，实验数据经OriginPro 2016软件处理，采用SPSS 22.0软件进行差异显著性分析，设置当p<0.05时，差异显著。

2 结果与讨论

2.1 淀粉改性树脂对土壤可溶态重金属浓度的影响

树脂表面存在大量活性基团(如—OH、—COOH等)，可以通过静电吸引、表面络合等作用吸附土壤中的重金属污染物[7]，因此探究了不同树脂加量对土壤可溶态重金属浓度的降低效果，实验结果见图1。

图1 树脂投加量对可溶态重金属浓度的影响Fig.1 Influence of resin dosage on the concentration of water-soluble heavy metals

由图1可知，土壤重金属浸出浓度为Cu2+8.14 mg/L，Zn2+18.32 mg/L(m±∶v液= 1∶10)；当加入树脂后，浸出液中重金属浓度均明显降低；当树脂加量为1.0%时，可溶态Cu2+、Zn2+浓度分别降至2.20 mg/L和1.74 mg/L，去除率分别达到72.95%和90.50%。在投加量对可溶态Cu2+浓度的影响中，通过ANOVA分析，可溶态Cu2+浓度随投加量增加而显著减少(p<0.05)；另外，通过Kruskal-Wallis分析，投加量对可溶态Zn2+浓度的影响同样达到显著水平(p<0.05)，树脂能够在短时间内对土壤中的大部分重金属进行固定。

前期实验测试了淀粉改性树脂的重金属吸附容量，对Cr3+、Ni2+的吸附容量分别达到106.53 mg/g和133.25 mg/g[8]，淀粉改性树脂在土壤环境中对重金属同样产生了吸附作用。在植物修复重金属污染土壤的过程中，可溶态重金属更容易被植物吸收，诱导植物突变，影响植物生长。宋清梅等研究了香根草与可溶态重金属的协同作用，结果发现幼苗对重金属的耐受能力随生长时间的增加而增强[9]。在本研究中，树脂的施加降低了修复初期土壤中可溶态重金属的浓度，为植物前期的萌芽和生长提供了一个毒性较低的环境，进而为植物生长后期富集吸收更多重金属创造了条件。

同时，为了更直观地观察淀粉改性树脂添加到重金属污染土壤中的变化，采用土柱填充实验，实验现象见图2。

图2 淀粉改性树脂投加土柱填充效果图Fig.2 Effect of the starch modified resin filled with soil column

由图2可知，将树脂投加至Cu、Zn污染土壤后，树脂颗粒在吸水膨胀的同时其颜色从无色转变为蓝色，树脂在土壤中依然对Cu2+产生了良好吸附作用，树脂可以作为一种保水和重金属吸附双重作用的化学药剂，应用到重金属污染土壤的修复中。考虑经济和实际效果，选用0.5%的树脂投加量进行后续实验，此时Cu2+浓度降至4.07 mg/L，去除率达50.02%； Zn2+浓度降至3.04 mg/L，去除率达83.41%。

2.2 淀粉改性树脂对土壤保水性能的影响

树脂，不同于常规的海绵、布等材料，其大量的亲水基团和网络状结构能减缓水分的散失，被广泛应用于农业生产中[10]。因此，本研究采用连续称重法进一步探究了淀粉改性树脂加入后对土壤水分散失的影响，实验结果见图3。

图3 不同树脂加量下土壤水分散失率Fig.3 Water loss rate of soil under different resin dosage

由图3可知，在室温条件下土壤水分不断散失，当加入淀粉改性树脂后，土壤水分散失明显减缓，呈现树脂加量越高水分散失越慢的规律，30 d时，空白组土壤水分散失达到60.64%，0.5%树脂投加量土壤水分散失则降至57.30%， 1.0%时土壤水分散失仅为53.67%。李鑫等将一种树脂应用到沙土中，发现沙土的阻力、树脂的空间网格结构以及氢键作用力共同抑制了土壤中水分的蒸发[11]，淀粉改性树脂的施加对土壤的保水性具有良好的促进作用。

作为反映土壤理化性质的重要指标之一，土壤孔隙度在植物修复中发挥着重要的作用，本研究通过光学显微镜观察了淀粉改性树脂投加前后土壤形貌结构的变化，实验结果见图4。

图4 土壤失水后30 d形貌图Fig.4 Soil morphology after the water loss of 30 da.空白对照组；b.树脂加量1.0%，×10

由图4可知，未投加树脂时，表层土壤较致密，微小孔隙零星分布；树脂投加到土壤后，树脂吸水膨胀，随着水分的散失，土壤中开始形成较大空腔，土壤孔隙结构得以改善，提高了土壤中氧气和二氧化碳的传递效率，进而对植物的生长起到促进作用[12]。牛文全等研究发现，随着根系通气量和通气频率的增加，植物的株高、叶面积均呈现稳定的增长趋势，根际土壤孔隙度的提高对植物的生长表现出明显的促进作用[13]。

2.3 淀粉改性树脂投加对植物修复的影响

种子萌芽要经历吸水种皮胀破、胚根发育成根、子叶伸出土面、胚芽发育成茎和叶等阶段，这些过程对重金属的吸收并没有明显的限制作用，重金属随水体进入植株内部后通过影响光合作用对植株的生长产生影响[14]。所以，为了研究淀粉改性树脂的施加对植株生长的影响，设置未投加树脂为CK组，投加0.5%树脂为SR组，对比分析了树脂投加对植株富集重金属和对植株生长状况的影响,结果见图5，图6。

图5 雍菜植株不同组织(根、茎、叶)重金属Cu、Zn含量随时间变化图Fig.5 Content of Cu and Zn in different parts (roots,stems and leaves) of water spinach changed with time

图6 雍菜植株空白对照组和实验组15 d生长情况对比图Fig.6 Growth of water spinach in the blank control and experimental groups were compared at 15 d

由图可知，雍菜对重金属具有良好的富集作用，重金属在不同组织的富集浓度表现出明显差异，呈现根>茎>叶的规律。

由图5可知，在65 d后，CK组Cu富集浓度叶：50.33 mg/kg、茎：62.58 mg/kg、根：377.30 mg/kg；而SR组Cu富集浓度降低为叶：41.36 mg/kg、茎：48.28 mg/kg、根：149.64 mg/kg。通过降低土壤中可溶态Cu的含量，树脂的投加明显降低了植物各组织特别是根对Cu的吸收富集，有效降低了Cu对植物初期生长的影响。Zn在植物各组织中的富集浓度也表现出相似的变化，在65 d后，CK组Zn富集浓度叶：504.22 mg/kg、茎：955.92 mg/kg、根：2 095.09 mg/kg；而实验组中Zn的富集浓度降低为叶：156.01 mg/kg、茎：350.76 mg/kg、根：477.31 mg/kg。通过单变量分析，处理时间、树脂投加及处理时间树脂投加协同作用3个因素对植物叶、茎、根富集Cu2+、Zn2+浓度的影响均达到显著水平(p<0.05)。

由图6可知，相比于实验组雍菜的生长状况，空白组明显较差，主要表现为植株矮小、叶片面积和茎组织发育偏小、根系萎缩、开始出现烂根等症状；而实验组的雍菜依然保持了良好的生长情况，生长高度明显大于空白组。梁亮等研究了铜在李氏禾不同部位的赋存形态，由于根部的重金属磷酸盐以及蛋白质的存在，可溶态铜向地上部的运输被限制[15]。总的来说，土壤中的可溶态重金属一定程度上抑制了植物的生长，限制了其富集转移重金属的能力，而植物修复本身又是一个缓慢的过程，不利于突发重金属污染事故的处理。因此，在修复初期投加树脂，不但能够快速抑制重金属在土壤中的迁移扩散，降低环境风险，还能为植物的初期萌芽提供相对适宜的环境，为更好修复重金属污染土壤创造条件。

2.4 淀粉改性树脂重金属钝化联合植物修复机理分析

目前，研究者对重金属钝化剂的功能和作用机理进行了大量研究，但关注点主要集中在植株的重金属富集浓度和土壤的重金属形态方面，未结合现代表征测试技术对重金属的迁移过程进行分析，因此，本研究结合SEM对植株组织的形貌进行了观察，利用EDS对重金属在植物各个组织中的分布进行了分析，以期更直观地反映重金属在修复后雍菜各组织的富集情况，实验结果见图7。

图7 雍菜根(a)、茎(b)、叶(c)横截面SEM形貌图和Cu、Zn元素EDS Mapping结果Fig.7 SEM of roots (a),stems (b),leaves (c) and EDS Mapping of Cu and Zn elements in water spinach

由图7可知，雍菜的叶、茎、根均分布着大量Cu、Zn元素，且Zn元素的分布明显多于Cu元素，植株根中重金属的密集程度明显大于茎、叶的密集程度，EDS与前面测定的实验结果一致。

在高浓度污染物的土壤中，植物的根系组织难以有效分化，生命必需元素无法充分摄取[16]。如图8所示，在太阳光照射下，植物叶片中的叶绿素通过光合作用将CO2和水转化为有机物，为自身生长提供能量；在这一过程中，植物根系从土壤中不断吸收水分和无机盐等生命必需因子，通过维管束向上运输并最终到达茎干和叶片等部位。在重金属污染土壤中，由于植物根系吸收可溶性物质的非选择性，重金属污染物从土壤中转移至植物体内[17]，同水分子等其他物质共同向上运输，与植物体内的磷酸盐以及蛋白质结合，最终呈现重金属污染物在植物体内的分布浓度根>茎>叶的规律[15]。

图8 淀粉改性树脂用于重金属污染土壤植物修复机理图Fig.8 Mechanism of phytoremediation of heavy metals contaminated soil by starch modified resin

因此，针对突发性重金属污染土壤，可以预先加入树脂，在降低可溶态重金属浓度抑制其扩散的同时，减缓土壤水分散失和提高孔隙度，为植物的长期生长创造条件，最终达到较好去除重金属污染物的目的。有研究表明，具有相似功能结构的淀粉改性树脂在土壤中能被微生物缓慢降解，埋藏60 d时降解率约达到40.9%[18]。因此，作为一种辅助植物修复的环保新型材料，当树脂逐渐被土壤中的微生物降解时，树脂中的有机组分逐渐转化为能够被植物利用的营养物质，而重金属则在土壤中缓慢释放，被生长状况良好的植物转运富集，最终达到从土壤中清除的目的。在Shi等的研究中，树脂能将土壤的理化性质维持在适合植物生长的条件范围内[19]，其本身还具有良好的离子抗干扰能力，当环境发生变化时，依然能起到吸收可溶态重金属和保持土壤水分的作用[8]，在土壤修复中具有良好的应用前景。

3 结论

(1)淀粉改性树脂能快速降低土壤可溶态重金属浓度，当树脂加量为0.5%时，可溶态Cu2+含量降至4.07 mg/L，可溶态Zn2+含量降至3.04 mg/L，去除率分别达到50.02%和83.41%。

(2)淀粉改性树脂能减缓土壤水分的散失，当树脂投加量为1.0%时，土壤30 d水分散失率降至53.67%；树脂还能改善土壤孔隙度，促进土壤的气体交换，为植物生长创造良好环境。

(3)淀粉改性树脂的投加能降低雍菜各组织重金属的浓度，减缓重金属对植株根系的毒害作用，在15 d时植株根系部位Cu、Zn的浓度从229.22,1 058.40 mg/kg 降低至90.49 mg/kg和333.72 mg/kg，有利于植物在重金属污染土壤中的长期修复。