基于透明质酸-多巴胺-单宁酸复合水凝胶的镉污染修复及高粱生长促进研究

针对镉(Cd)污染土壤修复与农业可持续生产的双重挑战，研究人员通过一锅法自由基聚合构建了透明质酸(HA)-多巴胺(DA)-单宁酸(TA)三元网络水凝胶(HDT)。该材料展现出161 mg/g的Cd吸附容量、53.2%的土壤总Cd去除率，并通过降低Cd生物有效性使高粱幼苗体内Cd积累减少，为重金属污染治理与安全农业生产提供了创新解决方案。

　　

镉(Cd)作为最具毒性的重金属之一，正通过工业排放、采矿活动和磷肥使用持续污染全球农田。这种重金属不仅破坏土壤生态，还能通过食物链在人体肝脏和骨骼中蓄积，引发肾功能障碍和骨质疏松。传统修复技术如土壤淋洗或化学固定往往成本高昂且可能造成二次污染，更棘手的是，这些方法很少兼顾农作物安全生产的需求。面对这一困境，如何开发既能高效固定土壤Cd又促进作物生长的绿色材料，成为环境与农业科学交叉领域的重要命题。

周口师范学院联合多家机构的研究团队在《International Journal of Biological Macromolecules》发表研究，创新性地将医用材料透明质酸(HA)改造为环境修复材料。通过自由基聚合将多巴胺(DA)和单宁酸(TA)接枝到HA骨架上，构建出具有三重功能的三维网络水凝胶HDT。这种材料不仅实现161 mg/g的Cd吸附容量，更在真实污染土壤中使高粱幼苗的Cd吸收量显著降低，同步达成53.2%的土壤Cd去除率和作物生物量提升，为重金属污染农田的安全利用提供了"一箭双雕"的解决方案。

研究团队采用三大关键技术：1) EDCI/NHS介导的HA与DA/TA共价偶联；2) 自由基聚合构建丙烯酰胺(AM)交联网络；3) 植物生长实验采用中科院植物所提供的高粱种子。通过FT-IR、XPS等技术确认了材料中酚羟基/氨基对Cd²⁺的配位作用，并利用SEM观察到TA引入形成的多孔结构。

材料设计与合成
HDT水凝胶的合成巧妙地结合了DA的自聚合稳定性和TA的酚羟基螯合优势。当TA含量达15wt%时，材料溶胀率提升至380%，其多酚结构不仅提供大量Cd结合位点，还与DA氧化产物形成次级交联网络，使压缩强度提高2.3倍。

吸附性能
在pH=6条件下，HDT对Cd²⁺的吸附符合Langmuir模型，最大理论容量达161 mg/g。XPS分析揭示Cd²⁺主要与酚羟基(-OH)和羧基(-COOH)形成配位键，TA的邻苯二酚结构贡献了78%的结合位点。经过5次吸附-解吸循环，再生效率仍保持92%，EDTA洗脱液可回收85%的Cd。

抗菌与植物实验
HDT对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈达12-14mm，这归因于TA的抗菌特性。在50 mg/kg Cd污染土壤中，使用HDT的高粱根系Cd含量降低61%，叶片光合色素含量恢复至正常水平的89%，生物量比对照组增加53%。

结论与意义
该研究突破性地将医用HA材料转化为环境功能材料，通过DA-TA协同效应实现Cd²⁺的高效捕获与稳定固化。其创新性体现在：1) 首次将TA的邻苯三酚结构引入HA水凝胶用于重金属修复；2) 创建"吸附-植物保护"双功能体系；3) 提供可规模化生产的土壤修复方案。这项成果不仅为重金属污染治理开辟新思路，更建立起环境材料学与农业生产的桥梁，对保障粮食安全具有重要实践价值。