電動(dòng)力強(qiáng)化植物修復(fù)土壤重金屬的研究進(jìn)展

馬科峰，王海芳，盧靜，王改玲

(1.中北大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 晉中 030801)

植物修復(fù)是一種廉價(jià)、生態(tài)友好型原位修復(fù)技術(shù)，該技術(shù)以植物為修復(fù)手段進(jìn)行重金屬的提取、轉(zhuǎn)移及轉(zhuǎn)化，以實(shí)現(xiàn)清潔污染土壤的目的[1]。然而單一的植物土壤修復(fù)仍存在諸多限制，如植物生長(zhǎng)緩慢、生物量低、重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)低、土壤重金屬生物有效性低等，嚴(yán)重影響了重金屬修復(fù)效率[2-3]。因此，如何活化土壤重金屬、提高植物對(duì)重金屬吸收能力、增強(qiáng)植物生物量，成為提高植物修復(fù)效率的研究重點(diǎn)。

將電動(dòng)力引入植物修復(fù)，可有效活化土壤重金屬、增強(qiáng)植物對(duì)重金屬的富集與轉(zhuǎn)運(yùn)，提高植物修復(fù)效率[4]。此外研究表明，電動(dòng)力技術(shù)的應(yīng)用還具有控制重金屬淋溶風(fēng)險(xiǎn)、凈化深層土壤等作用[5-6]。因此，在土壤重金屬植物修復(fù)研究中，電動(dòng)力強(qiáng)化技術(shù)受到廣泛關(guān)注。

1 技術(shù)簡(jiǎn)介及強(qiáng)化機(jī)理

電動(dòng)力強(qiáng)化植物修復(fù)系統(tǒng)主要由外加電源、電極對(duì)、污染土壤及植物組成。在植物修復(fù)過程中，對(duì)修復(fù)區(qū)土壤施以外加電場(chǎng)，可有效提高土壤可溶性重金屬含量，并通過電動(dòng)力作用驅(qū)動(dòng)重金屬向植物根部遷移，促進(jìn)植物對(duì)重金屬的吸收，提高植物修復(fù)效率。

一般認(rèn)為，電動(dòng)強(qiáng)化機(jī)理包括：提升土壤重金屬生物利用度、強(qiáng)化植物生長(zhǎng)代謝及影響土壤微生物生命活動(dòng)。

其一，電場(chǎng)可有效提升土壤重金屬的生物利用度。包括兩個(gè)方面，即提高土壤可溶性重金屬含量、促進(jìn)重金屬向根部遷移。土壤重金屬的存在形態(tài)決定了其生物可利用性，諸如沉淀或與土壤顆粒結(jié)合力強(qiáng)等過程使得大部分土壤重金屬不可溶并且不能用于植物吸收[7]。而在電動(dòng)作用下，陽極區(qū)水解酸化、解吸、活化土壤重金屬，可顯著提高土壤液中溶解態(tài)重金屬含量[8]；此外，就重金屬輸送而言，植物修復(fù)是一種被動(dòng)修復(fù)技術(shù)，土壤中重金屬的流動(dòng)完全是由緩慢的植物根系吸力引起的[9]。而在電滲析、電遷移、電泳等電動(dòng)力作用下，重金屬可有效向根系遷移，方便根系的捕集與吸收[10]。

其二，影響植物生長(zhǎng)代謝。電場(chǎng)可改變植物酶活性、膜通透性、胞內(nèi)水分子狀態(tài)，增強(qiáng)植物抗逆性，促進(jìn)植物光合作用，進(jìn)而增加植物生物量及對(duì)重金屬的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)[11-13]。倉(cāng)龍等[14]研究表明，電動(dòng)作用下，印度芥菜可通過限制Cd向細(xì)胞質(zhì)體轉(zhuǎn)移、促進(jìn)Cd向活性較低結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)變等方式降低Cd的生物毒性，提升對(duì)Cd的固定與積累。

其三，影響根際微生物。根際微生物可通過菌根、內(nèi)生菌等方式與根系形成聯(lián)合體,優(yōu)化根際環(huán)境、促進(jìn)根系發(fā)展、增強(qiáng)植物抗性,增強(qiáng)植物吸收和向上轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬的能力[15]。適宜的電場(chǎng)強(qiáng)度可豐富根際微生物多樣性、促進(jìn)微生物代謝水平，間接增強(qiáng)植物修復(fù)效率[16-18]。

2 影響參數(shù)

早期對(duì)電動(dòng)強(qiáng)化技術(shù)的研究，主要以農(nóng)業(yè)增產(chǎn)為目的，20世紀(jì)初，Lemstrom[19]發(fā)現(xiàn)將電場(chǎng)應(yīng)用于植物生長(zhǎng)，可促使植物長(zhǎng)得更綠，并起到增產(chǎn)作用。21世紀(jì)初，Denvir等[9]提出可將電場(chǎng)應(yīng)用于植物修復(fù)，通過控制土壤中帶電污染物向根部移動(dòng)，有效提高植物修復(fù)效率。之后，O’Connor等[20]通過盆栽試驗(yàn)對(duì)電動(dòng)強(qiáng)化植物修復(fù)效果進(jìn)行了證明。實(shí)驗(yàn)選取黑麥草為修復(fù)植物，施以直流電場(chǎng)，結(jié)果表明，陰極區(qū)黑麥草對(duì)銅的吸收得到增強(qiáng)；由陽極到陰極，土壤重金屬呈現(xiàn)逐漸遞增的再分布特征。然而，電場(chǎng)作用下兩極區(qū)土壤酸堿化、陽極酸化抑制黑麥草生長(zhǎng)等不利影響也被發(fā)現(xiàn)。至此，人們從各個(gè)方面對(duì)電動(dòng)強(qiáng)化技術(shù)的影響因素進(jìn)行了探究，以進(jìn)一步放大其修復(fù)效果并消除負(fù)面效應(yīng)。

2.1 電動(dòng)參數(shù)

2.1.1 電場(chǎng)類型(直流電場(chǎng)/交流電場(chǎng)) 電場(chǎng)的運(yùn)用均可顯著增加土壤可溶態(tài)重金屬含量，促進(jìn)植物對(duì)重金屬的吸收與富集，但不同電場(chǎng)類型(直流電場(chǎng)/交流電場(chǎng))還具有不同的效應(yīng)。直流電場(chǎng)可顯著增強(qiáng)土壤重金屬的流動(dòng)性，促使可溶態(tài)重金屬向根部定向遷移。然而直流電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生陰陽區(qū)土壤酸堿化、兩極區(qū)植物生長(zhǎng)抑制等負(fù)面效應(yīng)。相對(duì)而言，交流電場(chǎng)不會(huì)產(chǎn)生土壤酸堿化、抑制植物生長(zhǎng)等負(fù)面效應(yīng)，但對(duì)增強(qiáng)重金屬流動(dòng)性作用有限，不能促進(jìn)可溶態(tài)重金屬向根部的定向遷移[21-22]。此外，交流電場(chǎng)更利于促進(jìn)重金屬由植物根部向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)，有利于土壤重金屬的回收與利用[23]。Aboughalma等[23]分別使用交流電和直流電對(duì)重金屬污染土壤的植物修復(fù)效果進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，直流電場(chǎng)作用下，陽極區(qū)附近pH最低為3，陰極區(qū)附近pH最高為8；土壤重金屬呈現(xiàn)明顯再分布現(xiàn)象，在距陽極12 cm處明顯富集；對(duì)植物生物量產(chǎn)生27%抑制作用。而交流電場(chǎng)作用下沒有明顯pH變化及重金屬再分布現(xiàn)象；對(duì)植物生物量具有72%的提升作用；同時(shí)促進(jìn)重金屬由地下部向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)。相同的是，無論交流電還是直流電均可提高植物體內(nèi)重金屬含量，促進(jìn)對(duì)重金屬的吸收。

2.1.2 電極配置 電場(chǎng)配置類型決定了電場(chǎng)方向及土壤重金屬遷移方向，常用的電場(chǎng)配置類型為一維的水平電場(chǎng)和垂直直流電場(chǎng)。水平直流電場(chǎng)的運(yùn)用可促進(jìn)重金屬橫向遷移，而無法促進(jìn)土壤重金屬縱向遷移。Zhou等[5]對(duì)黑麥草重金屬修復(fù)實(shí)驗(yàn)中施以垂直直流電場(chǎng)(表層陽極，深層陰極)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，垂直電場(chǎng)可有效促進(jìn)帶負(fù)電荷的Cu、Zn配合物由深層向表層遷移，提高表層土壤重金屬含量；促進(jìn)植物對(duì)重金屬的富集與轉(zhuǎn)運(yùn)；且垂直直流電場(chǎng)的運(yùn)用對(duì)深層土壤凈化及有效控制重金屬淋溶風(fēng)險(xiǎn)具有重要作用。

此外，Putra等[6]首次將一種二維電極結(jié)構(gòu)(陰極水平放置于土壤表面，4個(gè)陽極垂直置于四周)應(yīng)用于深層土壤重金屬遷移強(qiáng)化及植物修復(fù)效果研究。研究表明，該二維電極結(jié)構(gòu)可有效地促進(jìn)鉛離子從土壤深層向表層遷移；并顯著提高早熟禾對(duì)重金屬Pb的富集與轉(zhuǎn)運(yùn)。該研究突破了局限于一維電極的研究，同時(shí)證明了電動(dòng)強(qiáng)化技術(shù)對(duì)深層土壤修復(fù)的可行性。植物根系一般較淺，對(duì)淺層土壤污染的修復(fù)最為有效，對(duì)深層土壤污染修復(fù)能力較差[24]。因此垂直直流電場(chǎng)及該二維電極配置也對(duì)淺根系富集植物的深層土壤修復(fù)具有重要意義。

2.1.3 電場(chǎng)運(yùn)用方式(單向電場(chǎng)/交換電場(chǎng)) 單向直流電場(chǎng)可顯著提高植物對(duì)重金屬的修復(fù)效率，但正負(fù)極上的電極反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致土壤酸堿化，并可能對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用，為避免其不利影響，周期性改變電場(chǎng)方向可能成為一種有效手段。蒼龍等[25]以黑麥草為修復(fù)作物對(duì)單向直流電場(chǎng)與水平交換電場(chǎng)(周期性改變電場(chǎng)方向)的影響效果進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，兩種電場(chǎng)運(yùn)用方式均可促進(jìn)植物生長(zhǎng)及對(duì)Cu的吸收；與單向直流電場(chǎng)相比，交換電場(chǎng)可有效控制土壤pH變化，且有利于重金屬向土壤中部富集，便于植物吸收；然而與單向直流電場(chǎng)相比，交換電場(chǎng)對(duì)植物修復(fù)的強(qiáng)化效果略顯不足。而徐海舟[26]以東南景天為修復(fù)作物，比對(duì)兩種電場(chǎng)運(yùn)用方式，結(jié)果表明，交換電場(chǎng)強(qiáng)化效果更優(yōu)于單向直流電場(chǎng),這可能與植物類別及土質(zhì)等因素有關(guān)，仍需進(jìn)一步研究。

2.1.4 電壓梯度 電壓是土壤重金屬遷移的主要?jiǎng)恿Γ^強(qiáng)及過弱電場(chǎng)均不利于植物對(duì)重金屬的去除。如果電場(chǎng)過強(qiáng)，根際區(qū)重金屬濃度集聚過高，可能對(duì)植物造成毒害作用，抑制其生長(zhǎng)。此外，根系吸收污染物速率有限，導(dǎo)致一部分污染物很快經(jīng)過根部，卻沒來得及被吸收，浪費(fèi)電力；如果電場(chǎng)過弱，根際區(qū)污染物耗盡過快，根際區(qū)污染物卻得不到及時(shí)補(bǔ)充，從而延長(zhǎng)了修復(fù)時(shí)間。此外，過弱電場(chǎng)不能對(duì)植物生長(zhǎng)起到應(yīng)有刺激作用。Long等[27]提出，電壓強(qiáng)度是影響植物修復(fù)效率的最重要因素。他們采用直流電源，系統(tǒng)比較了4個(gè)電壓梯度(0，1，2，4 V/cm)對(duì)印度芥菜修復(fù)效率的影響。除了一般性結(jié)論：電場(chǎng)能促進(jìn)植物對(duì)重金屬的吸收；電場(chǎng)可引起電極間可提取態(tài)金屬的再分配。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，中等電壓強(qiáng)度(2 V/cm)可促使印度芥菜產(chǎn)生最高的重金屬積累量，具有最高修復(fù)效率。然而不同實(shí)驗(yàn)條件下，植物最適電壓梯度可能不同，聶斌[28]發(fā)現(xiàn)直流電場(chǎng)對(duì)煙草和燈心草鎘富集量的最佳電壓強(qiáng)度分別為0.6 V/cm和1 V/cm。

2.1.5 通電時(shí)間 通電時(shí)間決定了土壤重金屬遷移及滯留時(shí)間，適宜時(shí)長(zhǎng)的通電、間歇有利于重金屬根際富集及根系吸收，此外，適宜的通電時(shí)長(zhǎng)有利于促進(jìn)植物生物量的提升，因此適宜通電時(shí)間對(duì)植物修復(fù)效率具有重要意義。姚桂華[22]對(duì)不同通電天數(shù)(0，20，40 d)下的植物修復(fù)效率進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，20 d時(shí)，交流電場(chǎng)對(duì)東南景天修復(fù)效率具有最高促進(jìn)作用，40 d時(shí)修復(fù)效率明顯減弱。徐海舟[26]研究了日通電時(shí)間(0，6，24 h/d)對(duì)東南景天修復(fù)Cd污染土壤的影響，實(shí)驗(yàn)表明，6 h/d條件下，東南景天具有最高的生物量及重金屬吸收量，達(dá)顯著水平。聶斌[28]發(fā)現(xiàn)直流電場(chǎng)強(qiáng)度為1 V/cm時(shí)，通電時(shí)間8 h/d可促使燈心草具有最高生物量及重金屬吸收量。

2.2 添加劑聯(lián)用

合理施入添加劑可有效改善污染土壤理化性質(zhì)、促進(jìn)植物生長(zhǎng)、提高可溶性重金屬含量、提高轉(zhuǎn)移系數(shù)[29-31]，通過重金屬電動(dòng)力驅(qū)動(dòng)及進(jìn)一步強(qiáng)化，可能進(jìn)一步提高植物修復(fù)效率。目前聯(lián)用的添加劑有EDTA、EDDS、腐殖酸、有機(jī)肥等。

Lim等[32]將EDTA與電動(dòng)——植物修復(fù)進(jìn)行聯(lián)用，進(jìn)行土壤Pb修復(fù)。結(jié)果表明，添加EDTA可以顯著增加印度芥菜莖中鉛的積累。此外，在直流電場(chǎng)作用下，植物修復(fù)效率還可增加2～4倍，大幅提高修復(fù)效率，然而EDTA的使用會(huì)加劇重金屬淋溶風(fēng)險(xiǎn)。為此，Zhou等[5]通過將EDTA、EDDS與垂直電場(chǎng)進(jìn)行聯(lián)用，在提高黑麥草對(duì)Cu修復(fù)效率的同時(shí)，成功有效地控制了重金屬淋溶風(fēng)險(xiǎn)。

肖文丹等[4]研究表明，EDTA(5 mmol/kg)、腐殖酸肥(10 g/kg)、豬糞堆肥(5 g/kg)與電動(dòng)作用(1.0 V/cm)均能顯著提高土壤有效態(tài)鎘含量，促進(jìn)東南景天對(duì)鎘的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)，其中豬糞堆肥和腐殖酸肥聯(lián)合交換直流電場(chǎng)可顯著提高東南景天地上部鎘積累量，分別提高135%，100%，EDTA聯(lián)合交換直流電場(chǎng)作用較弱，僅為27%。然而徐海舟[26]對(duì)EDTA(0.3 g/kg)、腐殖酸(0.3 g/kg)、有機(jī)肥(3 g/kg)與電動(dòng)作用(0.5～2 V/cm)的研究表明，腐殖酸對(duì)直流電場(chǎng)——東南景天修復(fù)Cd污染土壤效果最佳，EDTA次之，而有機(jī)肥基本無影響；姚桂華[22]將沼渣、菌渣和筍殼三種有機(jī)物料與交流電場(chǎng)進(jìn)行聯(lián)用，也發(fā)現(xiàn)對(duì)植物修復(fù)效果并不理想。其差異性結(jié)果可能與添加劑含量及電動(dòng)參數(shù)、土質(zhì)類型、植物類型等有關(guān)。

此外，蒼龍等[25]將EDDS與直流電場(chǎng)聯(lián)用，發(fā)現(xiàn)聯(lián)合作用可能導(dǎo)致土壤重金屬生物利用度過高，進(jìn)而抑制黑麥草生長(zhǎng)。其結(jié)果一方面表明了聯(lián)用效果對(duì)土壤有效態(tài)重金屬的極大提升作用，另一方面也表明有效組合適宜電壓強(qiáng)度及添加劑含量對(duì)提升植物修復(fù)效率具有重要意義。

2.3 綜合效應(yīng)

一般地，交流電與直流電均有促進(jìn)植物修復(fù)的作用，但直流電會(huì)導(dǎo)致土壤酸堿化，采用交流電或周期性改變直流電場(chǎng)方向(交換電場(chǎng))可有效防止土壤pH變化；垂直電場(chǎng)與二維電場(chǎng)均能促進(jìn)土壤重金屬由深層向表層遷移，提高植物修復(fù)效率，并有效控制淋溶風(fēng)險(xiǎn)；電壓強(qiáng)度是影響植物修復(fù)的主要因素，選用適宜強(qiáng)度電場(chǎng)及通電時(shí)間，對(duì)強(qiáng)化效果及能量損耗起著決定性作用；添加劑的聯(lián)用可顯著活化土壤重金屬，但可能加劇重金屬淋溶風(fēng)險(xiǎn)。然而受植物類型及土質(zhì)影響，同樣強(qiáng)化參數(shù)可能對(duì)修復(fù)效果產(chǎn)生不同影響[22，28，33]。徐海舟[26]綜合考慮了直流條件下電壓梯度(0.5，1.0，1.5，2.0 V/cm)、通電時(shí)間(0，3，6，9 h/d)、電場(chǎng)方向(單向電場(chǎng)、周期性轉(zhuǎn)換電場(chǎng))、添加劑(EDTA、有機(jī)肥、腐植酸)等各種因素對(duì)東南景天修復(fù)Cd污染土壤的影響。實(shí)驗(yàn)表明，單向直流電條件下，電壓強(qiáng)度1.0 V/cm、通電時(shí)間6 h/d，對(duì)東南景天Cd提取效果最佳，較無電場(chǎng)下提升5.28倍；交換直流電場(chǎng)與單向直流電場(chǎng)相比，對(duì)修復(fù)效果無顯著差異，且不改變土壤pH；與腐植酸聯(lián)用對(duì)東南景天Cd吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)效果最佳。Luo等[34]在實(shí)地修復(fù)實(shí)驗(yàn)中，對(duì)直流電場(chǎng)與交流電場(chǎng)的強(qiáng)化作用、時(shí)間成本、浸出風(fēng)險(xiǎn)和能量消耗進(jìn)行了比較。他們認(rèn)為，綜合考慮時(shí)間成本、浸出風(fēng)險(xiǎn)和能量消耗，工程應(yīng)用中應(yīng)選擇中等強(qiáng)度直流電場(chǎng)作為最佳條件。

3 結(jié)論及展望

目前，電動(dòng)強(qiáng)化植物修復(fù)重金屬污染土壤已經(jīng)取得一些研究成果。研究表明，該技術(shù)對(duì)于提高植物生物量、提高植物對(duì)重金屬的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)，提升植物修復(fù)效率具有重要意義。已經(jīng)研究的影響參數(shù)包括添加劑聯(lián)用及類型、電流類型(直流/交流)、電場(chǎng)施加模式(單向/交換)、電壓強(qiáng)度、電極結(jié)構(gòu)、通電時(shí)間等，并對(duì)不同參數(shù)的綜合效應(yīng)進(jìn)行了組合研究。然而受植物類型及土質(zhì)等影響，相同電動(dòng)參數(shù)下植物修復(fù)效果可能不盡相同；此外，目前研究主要是室內(nèi)盆栽、模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)室外實(shí)地修復(fù)實(shí)驗(yàn)研究很少；電動(dòng)強(qiáng)化植物修復(fù)的內(nèi)在機(jī)理還未被完全闡明；添加劑的選擇與聯(lián)用，應(yīng)綜合考慮修復(fù)效率、經(jīng)濟(jì)成本、生態(tài)效應(yīng)等問題。因此還需要進(jìn)行更多研究以實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。