摘要：本文阐述了海洋重金属污染现状及危害，详细介绍了壳聚糖及其衍生物的结构、性质，重点讨论其对海洋中常见重金属离子的吸附性能、吸附机理，以及在实际海洋环境应用中的影响因素、优势与不足，并对未来发展方向进行展望，为该领域进一步研究和实际应用提供理论依据。

关键词：壳聚糖及其衍生物；吸附；海洋重金属；处理

海洋覆盖了地球约70%的表面，是地球上最重要的生态系统之一，对全球气候调节、生物多样性维持以及人类的经济和社会发展起着至关重要的作用。然而，随着工业化、城市化进程的加快以及人类活动的日益频繁，海洋面临着严重的重金属污染威胁。大量重金属通过各种途径进入海洋环境，造成了严重的海洋重金属污染。重金属在海洋环境中难以降解，会在生物体内富集，通过食物链传递，最终对人类健康和海洋生态系统造成极大危害。因此，有效治理海洋重金属污染成为当前环境科学领域的研究热点。

在众多的重金属污染治理方法中，利用壳聚糖及其衍生物处理海洋重金属具有独特的优势。壳聚糖是一种天然高分子多糖，来源广泛，具有良好的生物相容性、生物可降解性以及丰富的活性基团，能够与重金属离子发生吸附、螯合等作用。通过对壳聚糖进行化学修饰得到的衍生物，进一步改善了其性能，提高了对重金属的处理效果，在海洋重金属处理方面展现出巨大的应用潜力。本文旨在对壳聚糖及其衍生物在海洋重金属处理中的应用研究进行系统综述，为该领域的深入研究和实际应用提供参考。

一、海洋重金属污染概述

（一）海洋重金属污染来源

海洋重金属污染主要来源于工业废水排放、矿山开采、海上石油开采与运输、农业面源污染以及大气沉降等。一是工业排放。工业生产过程中，如金属冶炼、电镀、化工等行业产生的废水中含有大量的重金属离子，这些废水未经有效处理直接排入海洋，是海洋重金属污染的主要来源之一，如在一些沿海地区的有色金属冶炼厂附近海域，海水中的铜、铅、锌等重金属含量严重超标。二是矿山开采。矿山开采活动会导致大量的重金属释放到环境中，在开采过程中，矿石的挖掘、破碎、选矿等环节会产生含有重金属的废渣和废水，这些废弃物通过地表径流或直接排放进入海洋，造成海洋重金属污染，如沿海的金矿开采活动会使周边海域的汞含量升高。三是农业活动。农业生产中使用的农药、化肥以及畜禽粪便等，含有一定量的重金属，随着雨水冲刷和地表径流，这些重金属会进入河流，最终汇入海洋，如磷肥中常含有镉，长期大量使用磷肥会导致镉在土壤中积累，并随地表径流进入海洋。四是大气沉降。工业生产、交通运输等活动会向大气中排放含有重金属的颗粒物，这些颗粒物通过大气环流传输，最终通过干湿沉降的方式进入海洋，研究表明，在一些工业化程度较高的沿海地区，大气沉降对海洋重金属输入的贡献不容忽视。

（二）海洋重金属污染的危害

一是对海洋生物的影响。重金属对海洋生物具有毒性作用，会影响海洋生物的生长、发育、繁殖和行为。高浓度的汞会抑制海洋浮游植物的光合作用，影响其生长和繁殖，进而破坏海洋生态系统的初级生产力。镉会干扰海洋生物的内分泌系统，导致其生殖功能受损。此外，重金属还可能在海洋生物体内富集，通过食物链传递，对高营养级生物造成更大的危害。如小鱼体内富集的重金属会随着被大鱼捕食而在大鱼体内进一步积累，最终影响到以鱼类为食的鸟类和哺乳动物。二是对人类健康的威胁。人类通过食用受污染的海产品摄入重金属，可能引发各种健康问题。如长期摄入含汞的鱼类可能导致水俣病，主要症状包括神经系统损害、运动失调、语言和听力障碍等。铅会影响人体的神经系统、造血系统和消化系统，导致儿童智力发育迟缓、成人贫血等症状。

二、壳聚糖及其衍生物的结构与性质

（一）壳聚糖的结构与性质

壳聚糖也称壳多糖，是由甲壳素经部分或完全脱乙酰基后得到的产物，化学名为（1，4）-2-氨基-2-脱氧-β-D-葡萄糖，分子之间以β-（1，4）糖苷键连接。壳聚糖分子链上含有大量的氨基（-NH₂）和羟基（-OH），这些活性基团赋予了壳聚糖许多独特的性质。首先，壳聚糖具有良好的生物相容性，能够与生物组织和细胞相互作用而不引起明显的免疫反应。其次，它具有生物可降解性，在自然界中可被微生物分解为低聚糖和单糖，最终代谢为二氧化碳和水，不会造成二次污染。此外，壳聚糖分子中的氨基在酸性条件下能够质子化，使其带有正电荷，从而对带有负电荷的物质具有吸附能力，因为大多数重金属离子在水溶液中以阳离子形式存在。

（二）壳聚糖衍生物的种类与性质

为了克服壳聚糖自身的局限性，拓展其应用范围，通过对壳聚糖分子中的氨基、羟基等活性基团进行化学修饰，可制备出多种壳聚糖衍生物。常见的壳聚糖衍生物包括羧甲基壳聚糖、羟丙基壳聚糖、季铵化壳聚糖等。羧甲基壳聚糖是在壳聚糖分子中引入羧甲基得到的衍生物，羧甲基的引入不仅改善了壳聚糖的水溶性，还增加了其对重金属离子的配位能力。羧甲基壳聚糖分子中的羧基、氨基和羟基都可以与重金属离子形成稳定的络合物，从而提高了对重金属的吸附性能。羟丙基壳聚糖是通过在壳聚糖分子上引入羟丙基制备而成，羟丙基的引入同样改善了壳聚糖的溶解性，使其在水和许多有机溶剂中都具有较好的溶解性，同时，羟丙基壳聚糖对重金属离子也具有一定的吸附能力，其吸附性能与取代度等因素有关。季铵化壳聚糖是将壳聚糖分子中的氨基进行季铵化改性得到的衍生物，季铵化后的壳聚糖带有正电荷，在水溶液中具有良好的溶解性和抗菌性能，此外，季铵化壳聚糖对重金属离子也表现出较高的吸附亲和力，能够有效地去除水溶液中的重金属离子。

三、壳聚糖及其衍生物对海洋重金属的吸附性能研究

（一）对汞（Hg）的吸附

众多研究表明，壳聚糖及其衍生物对汞离子具有良好的吸附性能。壳聚糖分子中的氨基和羟基能够与汞离子发生配位作用，形成稳定的络合物，如羧甲基壳聚糖对汞离子的吸附能力显著高于壳聚糖，这主要归因于羧甲基的引入增加了与汞离子的配位位点。研究发现，在一定条件下，羧甲基壳聚糖对汞离子的最大吸附量可达到500mg/g。吸附过程通常符合Langmuir或Freundlich吸附等温线模型，表明吸附过程可能是单分子层吸附或多分子层吸附。此外，溶液的pH值对吸附效果影响较大，一般在pH为7-9时，吸附效果最佳。

（二）对镉（Cd）的吸附

壳聚糖及其衍生物对镉离子也具有较强的吸附能力。壳聚糖通过氨基与镉离子发生络合反应，实现对镉离子的吸附，而羟丙基壳聚糖由于其结构的改变，对镉离子的吸附性能有所提升。研究表明，在模拟海水体系中，镉离子初始浓度为100mg/L，溶液pH值为6.5，温度控制在25℃，羟丙基壳聚糖投加量为1.5g/L，吸附时间为120分钟的具体实验条件下，羟丙基壳聚糖对镉离子的吸附量可达到180mg/g，该吸附过程符合准二级动力学模型，表明化学吸附在吸附过程中起主导作用。同时，温度对吸附量也有一定影响，适当升高温度有利于提高吸附量，这表明吸附过程可能是吸热反应。

（三）对铅（Pb）的吸附

壳聚糖及其衍生物对铅离子的吸附研究较为广泛。壳聚糖分子中的活性基团能够与铅离子形成稳定的化学键。季铵化壳聚糖由于其带正电荷的特性，对铅离子的吸附能力更强，在以去离子水配制的含铅离子溶液作为具体实验体系中，设定铅离子初始浓度为200mg/L，溶液pH值调节至7.0，反应温度维持在30℃，季铵化壳聚糖投加量为2.0g/L，吸附时间达150分钟时，季铵化壳聚糖对铅离子的吸附量可高达250mg/g，经研究分析，此吸附过程较好地契合了准二级动力学方程，表明化学吸附是该吸附过程的主要机制。吸附过程受多种因素影响，如溶液中其他离子的存在可能会与铅离子产生竞争吸附，从而影响吸附效果。此外，吸附剂的用量、接触时间等因素也会对铅离子的吸附产生影响。

（四）对铬（Cr）的吸附

对于铬离子，壳聚糖及其衍生物同样具有一定的吸附性能。由于铬存在多种价态，不同价态的铬离子与壳聚糖及其衍生物的作用机制有所不同，对于六价铬，壳聚糖及其衍生物首先将其还原为三价铬，然后再通过络合等作用实现吸附，如壳聚糖在酸性条件下能够将六价铬还原为三价铬，并通过氨基与三价铬发生络合。研究表明，在模拟含铬废水体系中，六价铬初始浓度为150mg/L，壳聚糖投加量为3g/L，溶液pH值调至4.5，反应温度设定为35℃，搅拌吸附时间为180分钟的具体条件下，壳聚糖对六价铬的去除率可达到85%。而羧甲基壳聚糖对三价铬的吸附能力较强，其吸附过程与溶液的pH值密切相关，在pH为5.5左右时，吸附效果最佳。在此pH条件下，羧甲基壳聚糖分子上的活性基团与三价铬离子能发生更有效的螯合反应，从而实现较高的吸附量。

（五）对铜（Cu）和锌（Zn）的吸附

壳聚糖及其衍生物对铜离子和锌离子也能进行有效吸附。壳聚糖通过其氨基和羟基与铜离子、锌离子形成络合物。研究发现，在模拟海洋水质的实验环境中，设定铜离子与锌离子的初始浓度均为120mg/L，溶液pH值为6.0，温度维持在28℃，壳聚糖投加量为2.5g/L，吸附时间持续150分钟时，壳聚糖对铜离子和锌离子的吸附量分别达到145mg/g和120mg/g，这表明在该特定的实验环境下，壳聚糖对铜离子和锌离子展现出了较好的吸附性能，其分子结构中的氨基和羟基与这两种金属离子发生了有效的相互作用，实现了较高程度的吸附。不同衍生物对铜离子和锌离子的吸附性能存在差异，如季铵化壳聚糖对铜离子的吸附选择性较高，而羧甲基壳聚糖对锌离子的吸附效果相对较好。吸附过程还受到离子浓度、温度等因素的影响，在实际应用中需要综合考虑这些因素以优化吸附效果。

四、壳聚糖及其衍生物对海洋重金属的吸附机理

（一）络合作用

壳聚糖及其衍生物对海洋重金属的吸附主要基于络合作用。壳聚糖分子中的氨基和羟基是主要的络合位点，在吸附过程中，氨基上的氮原子和羟基上的氧原子能够提供孤对电子，与重金属离子形成配位键，从而将重金属离子固定在吸附剂表面。如对于汞离子，壳聚糖分子中的氨基与汞离子形成稳定的N-Hg络合物，当壳聚糖进行化学修饰得到衍生物后，新引入的基团如羧甲基壳聚糖中的羧基等也能参与络合作用，增加络合位点，提高对重金属离子的吸附能力。

（二）离子交换作用

在酸性条件下，壳聚糖分子中的氨基会质子化，使其带有正电荷。此时，壳聚糖及其衍生物可与溶液中的重金属阳离子发生离子交换作用，如当溶液中存在铅离子时，质子化的氨基会与铅离子发生交换，将铅离子吸附到吸附剂表面，这种离子交换作用在壳聚糖及其衍生物对海洋重金属的吸附过程中也起到一定的作用。

（三）物理吸附作用

除了化学吸附作用外，壳聚糖及其衍生物对海洋重金属还存在一定的物理吸附作用。壳聚糖具有多孔结构，其比表面积较大，能够通过范德华力等物理作用力将重金属离子吸附在其表面，尤其是在吸附初期，物理吸附作用较为明显，随着吸附时间的延长，化学吸附逐渐占据主导地位。

五、壳聚糖及其衍生物在海洋重金属处理中的影响因素

（一）溶液pH值

溶液的pH值对壳聚糖及其衍生物吸附海洋重金属具有显著影响。一方面，pH值会影响壳聚糖及其衍生物的质子化程度，从而改变其表面电荷性质。在酸性条件下，壳聚糖分子中的氨基质子化，使其带正电荷，有利于吸附带负电荷的重金属离子络合物或阴离子形式存在的重金属；而在碱性条件下，壳聚糖分子中的羟基可能会发生去质子化，影响其对重金属离子的吸附能力。另一方面，pH值也会影响重金属离子的存在形态，不同形态的重金属离子与壳聚糖及其衍生物的作用方式和亲和力不同。如对于六价铬，在酸性条件下主要以重铬酸根离子形式存在，而在碱性条件下则以铬酸根离子形式存在，其与壳聚糖及其衍生物的吸附机制和吸附效果存在差异。

（二）温度

温度对吸附过程有一定影响。一般来说，温度升高会增加分子的热运动，有利于吸附质与吸附剂表面的接触，从而加快吸附速率，对于一些吸热的吸附反应，适当升高温度还可以提高吸附量。然而，过高的温度可能会导致壳聚糖及其衍生物的结构发生变化，从而降低其吸附性能。此外，不同的壳聚糖衍生物对温度的敏感性可能不同，在实际应用中需要根据具体情况选择合适的温度条件。

（三）重金属离子浓度

重金属离子浓度对吸附效果也有影响。在一定范围内，随着重金属离子浓度的增加，吸附量会相应增加，这是因为吸附剂表面有足够的吸附位点与重金属离子结合，但当重金属离子浓度过高时，吸附剂表面的吸附位点逐渐被占据，吸附量可能趋于饱和。此外，高浓度的重金属离子可能会对吸附剂的结构产生影响，如使壳聚糖分子发生交联等，从而影响其吸附性能。

（四）共存离子

海洋环境中通常含有多种离子，共存离子会对壳聚糖及其衍生物吸附目标重金属离子产生影响。共存离子可能与目标重金属离子竞争吸附位点，从而降低对目标重金属离子的吸附量，如海水中大量存在的钠离子、钙离子等可能会与重金属离子竞争壳聚糖及其衍生物表面的吸附位点。此外，一些共存离子可能会与重金属离子发生化学反应，改变重金属离子的存在形态，进而影响其与壳聚糖及其衍生物的作用方式和吸附效果。

六、壳聚糖及其衍生物在海洋重金属处理中的优势与不足

（一）优势

一是来源广泛，成本较低。壳聚糖主要来源于虾、蟹等甲壳类动物的外壳，资源丰富，成本相对较低，有利于大规模应用，与一些合成的吸附材料相比，壳聚糖及其衍生物具有明显的成本优势。二是生物相容性和生物可降解性好。壳聚糖及其衍生物具有良好的生物相容性，不会对海洋生态系统造成二次污染，它们在自然界中可被微生物分解，符合环保要求，尤其适用于海洋环境这种对生态友好性要求较高的场景。三是吸附性能良好。壳聚糖及其衍生物对多种海洋重金属离子具有较强的吸附能力，通过化学修饰制备的衍生物往往能够进一步提高吸附性能，并且对某些重金属离子具有一定的吸附选择性。

（二）不足

一是吸附容量有限。尽管壳聚糖及其衍生物对重金属有一定吸附能力，但在高浓度重金属污染环境下，其吸附容量可能无法满足实际需求，与一些高性能的合成吸附剂相比，壳聚糖及其衍生物的吸附容量还有提升空间。二是稳定性有待提高。壳聚糖及其衍生物在某些条件下的稳定性不足，如在强酸、强碱或高温等极端条件下，壳聚糖分子可能会发生降解，导致其吸附性能下降。在实际海洋环境中，复杂的化学和物理条件可能会影响壳聚糖及其衍生物的稳定性，从而限制其长期应用。三是实际应用规模较小。目前壳聚糖及其衍生物在海洋重金属处理方面的实际应用规模相对较小，大多还处于实验室研究或小规模试验阶段，从实验室研究到大规模实际应用，还需要解决一系列工程技术问题，如吸附剂的固定化、再生利用等。

七、壳聚糖及其衍生物在海洋重金属处理中的实际应用研究

（一）实验室模拟海洋环境应用

在实验室中，通过模拟海洋环境条件，对壳聚糖及其衍生物处理海洋重金属的效果进行了大量研究。研究人员通常会配制含有不同浓度重金属离子的模拟海水，考察壳聚糖及其衍生物在不同条件下对重金属离子的去除效果，如研究在不同温度、pH值、盐度等条件下，壳聚糖及其衍生物对模拟海水中汞、镉等重金属离子的吸附性能。实验结果表明，壳聚糖及其衍生物在模拟海洋环境中对重金属离子具有较好的去除效果，但实际海洋环境复杂多变，多种因素会相互影响，需要进一步优化吸附条件。

（二）现场应用案例

虽然壳聚糖及其衍生物在海洋重金属处理的现场应用相对较少，但也有一些成功案例。如在某受重金属污染的近海区域，研究人员将负载壳聚糖的吸附材料投放到海水中，定期检测海水中重金属离子的浓度。结果发现，经过一段时间后，海水中的铅、铜等重金属离子浓度明显降低。此外，在一些水产养殖池塘中，由于长期投喂饲料等原因导致水体中重金属含量超标，使用壳聚糖及其衍生物进行处理后，有效降低了水体中的重金属含量，改善了养殖环境，提高了水产养殖的产量和质量。

八、未来研究方向与展望

（一）开发高效、低成本的制备工艺

进一步优化壳聚糖衍生物的制备工艺，开发更加绿色、高效、低成本的制备方法，以提高其在实际应用中的可行性。如探索利用生物酶法对壳聚糖进行修饰，这种方法具有反应条件温和、选择性高、环境友好等优点。同时，通过改进交联工艺，提高交联壳聚糖及其衍生物的性能，降低生产成本。

（二）深入研究实际应用中的性能

加强壳聚糖及其衍生物在实际海洋环境中的应用研究，深入考察其在复杂海洋水质条件下对重金属的处理效果、长期稳定性以及对海洋生态系统的潜在影响。开展现场中试和大规模应用实验，评估其实际应用的可行性和有效性，如研究壳聚糖及其衍生物在不同盐度、温度、pH值以及含有多种污染物共存的海洋环境中的性能变化，为实际应用提供更可靠的数据支持。

（三）开发多功能复合材料

继续探索将壳聚糖及其衍生物与其他功能材料如纳米材料、黏土等复合，开发出具有多种功能的复合材料。如将壳聚糖与磁性纳米粒子复合，制备出具有磁性分离功能的吸附剂，在处理海洋重金属污染后，可通过外加磁场快速分离，提高处理效率，通过复合其他具有选择性吸附功能的材料，提高对特定重金属离子的吸附选择性。

（四）开展环境友好性评估

随着对环境保护要求的不断提高，全面评估壳聚糖及其衍生物在海洋重金属处理过程中的环境友好性至关重要。研究其在海洋环境中的降解产物及其对海洋生物和生态系统的潜在影响，确保其使用不会带来新的环境问题，如通过生态毒理学实验，评估壳聚糖及其衍生物在不同浓度下对海洋浮游生物、鱼类等的毒性效应，为其安全应用提供科学依据。

九、结语

壳聚糖及其衍生物凭借独特优势，在海洋重金属处理领域成果丰硕。其来源广泛、生物相容性佳且可降解，经修饰后的衍生物对重金属的吸附与絮凝性能显著提升。研究已深入探究各类影响因素，为实际应用提供理论支撑。然而，从实验室迈向大规模实际应用，仍存挑战。未来需优化制备工艺，降低成本，增强实际环境适用性。还应深入评估其对海洋生态系统的长期影响，确保环境友好。随着研究深入，有望开发出更高效、多功能的壳聚糖基材料，为海洋重金属污染治理带来新突破，助力海洋生态环境的保护与修复。

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基金项目：2025年度山东省青少年教育科学规划项目大学生学术课题《壳聚糖-海洋重金属绿色复合吸附材料引领者》阶段性成果。