電動(dòng)-植物聯(lián)合修復(fù)污染土壤的研究進(jìn)展

摘 要：電動(dòng)-植物聯(lián)合修復(fù)是一種高效的土壤原位修復(fù)技術(shù)。就電動(dòng)-植物聯(lián)合修復(fù)污染土壤的機(jī)制，以及電場(chǎng)強(qiáng)度、電場(chǎng)施加方式、電極布置、電極材料、添加劑運(yùn)用對(duì)修復(fù)效率的協(xié)同影響研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。多數(shù)研究表明：電動(dòng)修復(fù)過程中選用合適的電場(chǎng)強(qiáng)度與電場(chǎng)施加方式，不僅可以提高植物對(duì)污染物的吸收能力，而且對(duì)植物的生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用；采用不同的添加劑用于電動(dòng)修復(fù)過程，可以提高對(duì)污染物的去除效率；電極材料的選擇對(duì)去除不同的污染物的效率也有影響，且選用二維電極布置能夠顯著影響修復(fù)效率。

關(guān)鍵詞：污染土壤；聯(lián)合修復(fù)；電場(chǎng)；修復(fù)效率

中圖分類號(hào)：X53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）10–00-03

土壤污染問題是國(guó)內(nèi)外普遍關(guān)注的環(huán)境問題，給生態(tài)環(huán)境和人類健康帶來嚴(yán)重威脅。污染土壤修復(fù)已成為國(guó)際學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)[1]。植物修復(fù)通常是利用植物超積累、吸收、穩(wěn)定、降解、揮發(fā)或過濾等過程來減少污染物在環(huán)境中的濃度或毒性作用[2]，其中植物提取和降解是修復(fù)土壤重金屬和有機(jī)物污染的主要途徑。植物修復(fù)因其投入成本低、工程量小、沒有二次污染等優(yōu)點(diǎn)，受到研究者的廣泛關(guān)注。但在實(shí)際運(yùn)用中，植物修復(fù)仍存在許多挑戰(zhàn)。例如，大部分植物個(gè)體矮小，生長(zhǎng)緩慢，因此修復(fù)周期長(zhǎng)；同時(shí)，受土壤理化性質(zhì)的影響，只能修復(fù)處于生物有效態(tài)部分的污染物[3]。

電動(dòng)-植物聯(lián)合修復(fù)是在污染土壤上種植植物，然后在土壤根系附近插入電極，施加較低強(qiáng)度的電場(chǎng)。大量研究證實(shí)，施加電場(chǎng)可輔助植物修復(fù)并提高其修復(fù)效率[4]。一般而言，電動(dòng)-植物聯(lián)合修復(fù)污染土壤的機(jī)制主要包括兩個(gè)方面，一是電場(chǎng)刺激對(duì)植物生長(zhǎng)等生理特征的影響；二是電場(chǎng)作用引起的土壤物理化學(xué)性質(zhì)的變化對(duì)植物修復(fù)的影響?；诖?，對(duì)電動(dòng)-植物聯(lián)合修復(fù)污染土壤的現(xiàn)狀進(jìn)行研究，旨在為未來污染土壤修復(fù)技術(shù)的研究提供支持。

1 電動(dòng)-植物聯(lián)合修復(fù)污染土壤機(jī)制

在20世紀(jì)初，國(guó)外研究者對(duì)電場(chǎng)作用對(duì)植物的影響開展大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)研究，利用靜電發(fā)生器使空氣離子通過大氣形成弱電流，電壓梯度約為10 kV/m，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)過處理的植物長(zhǎng)得更綠、更粗壯，并且產(chǎn)量也顯著增加，但是通過電場(chǎng)刺激并不能使所有的植物都產(chǎn)量增加。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)雖然高壓靜電場(chǎng)可以使植物更綠，但對(duì)植物葉片造成輕微損傷。還有研究發(fā)現(xiàn)，無論是在清潔土壤還是在受重金屬和石油烴污染的土壤中，采用電場(chǎng)均可增加植物的發(fā)芽率并促進(jìn)生長(zhǎng)[5]。此外，大量研究證實(shí)，合適的電場(chǎng)強(qiáng)度作用可以提高種子活力，提高種子的發(fā)芽率，刺激葉綠素合成，提高光合作用效率，誘導(dǎo)腺苷三磷酸（ATP）合成，進(jìn)而促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育[6-7]。植物的生物量增加，其吸收或降解污染物的能力也會(huì)相應(yīng)提高。

在電動(dòng)修復(fù)過程中，電極會(huì)發(fā)生電解反應(yīng)，陽(yáng)極電解水產(chǎn)生氫離子，從陽(yáng)極向陰極遷移，陰極產(chǎn)生氫氧根離子，從陰極向陽(yáng)極發(fā)生遷移，從而使靠近陽(yáng)極的土壤pH值降低，靠近陰極的土壤pH值升高。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，pH值較低的土壤環(huán)境中，金屬具有較強(qiáng)的遷移能力和生物可利用度，從而提高植物對(duì)污染物的吸收能力，提高土壤污染的降解效率。肖文丹等[8]采用1 V/cm的直流電場(chǎng)（每天切換一次極性），對(duì)鎘污染的土壤（種植了東南景天）進(jìn)行處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)修復(fù)處理顯著提高了土壤中生物可利用鎘的濃度和東南景天根和莖中鎘的富集量。

2 電場(chǎng)強(qiáng)度和電場(chǎng)施加方式對(duì)修復(fù)效率的影響

在電動(dòng)-植物聯(lián)合修復(fù)過程中，電場(chǎng)強(qiáng)度和電場(chǎng)施加方式不僅對(duì)土壤理化形式和土壤污染物的生物可利用度產(chǎn)生影響，還對(duì)植物的生物生理特征和污染物的吸收與降解造成影響。聶斌[9]進(jìn)行了不同電壓強(qiáng)化煙草和燈芯草修復(fù)鎘污染土壤的研究，施加直流電壓0～45 V，共處理9 d，結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用15 V和25 V的電壓均可促進(jìn)煙草和燈芯草對(duì)鎘的吸收。

倉(cāng)龍等[10]進(jìn)一步系統(tǒng)研究了不同電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)芥菜吸收重金屬的影響，分別采用0、1、2、4 V/cm的電壓梯度強(qiáng)化芥菜修復(fù)鎘、鉛和鋅復(fù)合污染土壤。結(jié)果顯示，低電壓促進(jìn)芥菜的生長(zhǎng)，而高電壓對(duì)芥菜的生長(zhǎng)有抑制作用，隨著電壓梯度的增加，土壤中重金屬的生物可利用度逐漸增加。在該研究中最優(yōu)電壓梯度為2 V/cm，與其他處理相比，可以顯著提高芥菜地上部分對(duì)鎘、鉛和鋅的吸收。此外，倉(cāng)龍等[11]還研究了單向直流電場(chǎng)和極性切換電場(chǎng)對(duì)黑麥草吸收銅和鋅的影響，研究發(fā)現(xiàn)，兩種供電方式對(duì)植物地上部分生物量和銅、和鋅的吸收均沒有產(chǎn)生顯著影響，單向直流電場(chǎng)提高植物地下部分生物量并強(qiáng)化植物地下部分對(duì)銅的吸收。

倪幸等[12]比較了不同電壓交流電場(chǎng)對(duì)柳樹修復(fù)鎘污染土壤的影響，施加電壓0～1 V/cm的交流電場(chǎng)，共處理90 d，研究發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，采用1 V/cm交流電場(chǎng)處理的柳樹株高、葉面積、葉片、枝條生物量提高了35.49%、22.52%、36.84%、85.00%，并有利于根系形態(tài)指標(biāo)的增加，促進(jìn)柳樹對(duì)鎘的富集。

魏樹和等[13]針對(duì)交流電場(chǎng)和直流電場(chǎng)開展了詳細(xì)分析，如比較了不同頻率交流電場(chǎng)對(duì)萵苣生長(zhǎng)和吸收鎘的影響，分別采用10、50 Hz交流電場(chǎng)，處理種植在清潔土壤和鎘污染土壤中的萵苣，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，10、50 Hz交流電場(chǎng)處理使清潔土壤中的萵苣生物量分別增加了28%、106%，鎘污染土壤中萵苣的生物量分別增加了40%、63%。同時(shí)，50 Hz交流電場(chǎng)顯著提高了萵苣地上部分對(duì)鎘的吸收量。此外，將油菜和煙草分別種植在清潔土壤、鎘污染土壤和鎘、鋅和鉛復(fù)合污染土壤中，采用電勢(shì)為1 V/cm的直流電場(chǎng)和交流電場(chǎng)，直流電場(chǎng)3 h切換一次極性。結(jié)果表明，采用交流電場(chǎng)對(duì)煙草的生物量沒有顯著影響，但顯著提高了油菜的生物量，同時(shí)也促進(jìn)了油菜和煙草對(duì)鎘的吸收，并強(qiáng)化了油菜地上部分對(duì)鎘、鉛和鋅的吸收。

從當(dāng)前已報(bào)道的研究來看，使用1～2 V/cm的電場(chǎng)強(qiáng)度既可以促進(jìn)土壤污染物和營(yíng)養(yǎng)元素發(fā)生遷移，提高植物的吸收能力，又不會(huì)對(duì)植物的正常生長(zhǎng)造成危害。交流電場(chǎng)和極性切換直流電場(chǎng)可以克服電動(dòng)處理過程土壤pH值產(chǎn)生的劇烈變化。此外，大部分研究結(jié)果認(rèn)為交流電場(chǎng)對(duì)強(qiáng)化植物修復(fù)污染土壤有更好的效果，在近幾年的電動(dòng)-植物聯(lián)合修復(fù)研究中交流電場(chǎng)和極性切換直流電場(chǎng)均有使用，但當(dāng)前并沒有更多關(guān)于電場(chǎng)施加方式對(duì)植物修復(fù)效率影響的研究。

3 電極布置對(duì)修復(fù)效率的影響

電動(dòng)修復(fù)中，電極可以垂直布置也可水平布置。如采用水平電極布置原位電動(dòng)去除溫室土壤中的硝酸鹽[14]。

當(dāng)前，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室研究均采用一維電極布置，而在實(shí)際應(yīng)用中，需要最優(yōu)的電極布置來獲得高效的修復(fù)效果?；诶碚撚?jì)算結(jié)果認(rèn)為，與一維電極布置相比，二維電極布置具有更小的非電場(chǎng)區(qū)域；通過對(duì)比不同的電極布置，認(rèn)為陰極—陽(yáng)極—陰極為60°的電極布置會(huì)產(chǎn)生更小的非電場(chǎng)區(qū)域，為最優(yōu)電極布置?？紤]到環(huán)形電極布置能在場(chǎng)地上發(fā)揮較好的應(yīng)用效果，采用正六角形陽(yáng)極中間陰極的二維電極系統(tǒng)顯著提高了電動(dòng)去除農(nóng)田土壤中鹽的效率；分別研究采用六邊形陽(yáng)極和六邊形陰極電場(chǎng)對(duì)去除土壤中殺蟲劑的影響，發(fā)現(xiàn)六邊形陰極布置顯著提高了電動(dòng)修復(fù)去土壤殺蟲劑的效率[15]；另有研究評(píng)價(jià)了二維電極布置對(duì)植物吸收鉛的影響，研究將四根石墨電極垂直插入長(zhǎng)方形反應(yīng)槽（長(zhǎng)×寬×高為180 cm×60 cm×180 cm）中的4個(gè)角上，不銹鋼網(wǎng)陰極水平放在土壤表面，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鉛離子從陽(yáng)極向陰極發(fā)生遷移，從底部向頂部鉛離子濃度逐漸增加。

綜上所述，在電動(dòng)-植物聯(lián)合修復(fù)過程中，電極布置將顯著影響修復(fù)效率。

4 電極材料對(duì)修復(fù)效率的影響

當(dāng)前在電動(dòng)修復(fù)中，常用的電極材料有石墨、不銹鋼、鈦合金和鉑等，而這些電極材料的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性需要重點(diǎn)關(guān)注。對(duì)電極材料的選用主要考慮以下方面：材料活性面積大，容易加工，容易安裝，費(fèi)用便宜[16]。

采用電化學(xué)方法評(píng)價(jià)不同電極材料的性能，選出最好的陽(yáng)極材料是Ti/IrO2-Ta2O5。另有研究討論了石墨、Pt/Ti和IrO2/Ti作為陽(yáng)極在電動(dòng)修復(fù)鉛污染土壤時(shí)的效率，去除效率從高到低依次是Pt/Ti、IrO2/Ti、石墨。

在電動(dòng)-植物聯(lián)合修復(fù)中，除了需要考慮上述因素，還需要考慮電極材料對(duì)植物的生物生理特征的影響。楊珍珍等[17]分析了不同電極材料對(duì)植物在重金屬污染土壤中生長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)鋁陽(yáng)極釋放有毒物質(zhì)Al3+，影響植物的發(fā)芽和生長(zhǎng)，而石墨電極和不銹鋼電極對(duì)植物生長(zhǎng)沒有顯著影響。

5 添加劑對(duì)修復(fù)效率的影響

重金屬和有機(jī)污染物在土壤中均以不同的化學(xué)形式存在，也呈現(xiàn)不同的物理化學(xué)行為。例如，可移動(dòng)性、生物可利用度和潛在的毒性影響著土壤修復(fù)效率。針對(duì)不同的土壤污染物類型，研究者采用不同的添加劑用于電動(dòng)修復(fù)過程中，提高對(duì)污染物的去除效率。根據(jù)其需實(shí)現(xiàn)的目的，添加劑主要分為以下5類。

一是提供電動(dòng)修復(fù)過程中基本的電解液，如在研究砷污染土壤電動(dòng)修復(fù)機(jī)理時(shí)采用硝酸鈉作為電解液[18]。

二是調(diào)控土壤pH值環(huán)境。在電動(dòng)修復(fù)過程中，電極反應(yīng)導(dǎo)致土壤pH值發(fā)生較大變化，大量研究采用緩沖試劑例如碳酸鈉、磷酸氫二鉀、磷酸二氫鉀、檸檬酸等調(diào)控土壤pH值。

三是強(qiáng)化解析土壤重金屬。除了采用強(qiáng)酸或者弱酸調(diào)控土壤pH值、促進(jìn)重金屬解析，使用螯合劑和絡(luò)合劑也是提高土壤重金屬活性的重要手段。

四是采用表面活性劑提高污染物的溶解性。例如王瑩[19]采用菌懸液及表面活性劑為電解液，循環(huán)電解液流速為800 mL/h時(shí)顯著提高了芘和苯并芘的降解率。

五是采用氧化還原試劑改變污染物的存在形態(tài)。采用碘單質(zhì)氧化HgS，形成HgI42-，然后在電場(chǎng)作用下從土壤中去除。

6 展望與建議

電動(dòng)-植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)是一種結(jié)合了電動(dòng)修復(fù)和植物修復(fù)兩種方法的創(chuàng)新技術(shù)，旨在更有效地修復(fù)污染土壤。這種技術(shù)的未來展望十分廣闊，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

第一，隨著研究的深入，通過優(yōu)化電場(chǎng)配置、電場(chǎng)強(qiáng)度及添加劑的使用等參數(shù)，可以進(jìn)一步提高土壤中污染物的生物有效性，促進(jìn)植物對(duì)污染物的富集和吸收，從而增強(qiáng)修復(fù)效果。同時(shí)，也需要加強(qiáng)對(duì)土壤理化性質(zhì)變化、污染物形態(tài)變化及微生物活動(dòng)等方面的監(jiān)測(cè)和研究，未來的電動(dòng)-植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)要不斷優(yōu)化和提升。

第二，在電動(dòng)-植物聯(lián)合修復(fù)過程中，添加環(huán)境友好型添加劑可以進(jìn)一步增強(qiáng)修復(fù)效果，未來的研究要注重研發(fā)高效、低廉且對(duì)環(huán)境無害的強(qiáng)化劑，促進(jìn)植物對(duì)污染物的富集和吸收。

第三，未來的研究應(yīng)更加深入地探討電動(dòng)-植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的修復(fù)機(jī)制與機(jī)理。通過研究各類污染物在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)和積累機(jī)制等方面的問題，可以更好地理解修復(fù)過程并優(yōu)化修復(fù)方案，有助于提高修復(fù)技術(shù)的科學(xué)性和針對(duì)性，為實(shí)際應(yīng)用提供更有力的支持。

7 結(jié)束語(yǔ)

電動(dòng)-植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)為重金屬污染土壤的治理提供了新的思路和方法。?通過電場(chǎng)對(duì)植物富集重金屬的作用，以及電場(chǎng)配置方式與添加劑的協(xié)同影響研究，可以有效提高土壤中重金屬的有效性，促進(jìn)植物對(duì)污染土壤中重金屬的富集，同時(shí)對(duì)植物生物量具有一定的促進(jìn)作用。這種聯(lián)合修復(fù)技術(shù)不僅提高了修復(fù)效率，還降低了修復(fù)成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。未來的研究重點(diǎn)應(yīng)放在加強(qiáng)超富集植物與電場(chǎng)聯(lián)合修復(fù)機(jī)理的研究，研發(fā)高效低廉且環(huán)境友好的強(qiáng)化劑，最終形成針對(duì)一種或多種重金屬污染土壤的植物-電動(dòng)聯(lián)合修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)。此外，考慮到國(guó)內(nèi)土壤類型、條件和場(chǎng)地污染的特殊性，發(fā)展更多具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、符合國(guó)情的實(shí)用性修復(fù)技術(shù)與設(shè)備，對(duì)推動(dòng)土壤環(huán)境修復(fù)技術(shù)的市場(chǎng)化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展至關(guān)重要，以及實(shí)現(xiàn)土壤環(huán)境保護(hù)和增強(qiáng)中國(guó)在全球環(huán)境修復(fù)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力具有重大意義。?

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收稿日期：2024-07-10

作者簡(jiǎn)介：伏鳳艷（1988—），女，甘肅蘭州人，工程師，研究方向?yàn)榄h(huán)境保護(hù)。