電動力強化植物修復土壤重金屬的研究進展

馬科峰，王海芳，盧靜，王改玲

(1.中北大學 環境與安全工程學院，山西 太原 030051；2.山西農業大學 資源環境學院，山西 晉中 030801)

植物修復是一種廉價、生態友好型原位修復技術，該技術以植物為修復手段進行重金屬的提取、轉移及轉化，以實現清潔污染土壤的目的[1]。然而單一的植物土壤修復仍存在諸多限制，如植物生長緩慢、生物量低、重金屬轉移系數低、土壤重金屬生物有效性低等，嚴重影響了重金屬修復效率[2-3]。因此，如何活化土壤重金屬、提高植物對重金屬吸收能力、增強植物生物量，成為提高植物修復效率的研究重點。

將電動力引入植物修復，可有效活化土壤重金屬、增強植物對重金屬的富集與轉運，提高植物修復效率[4]。此外研究表明，電動力技術的應用還具有控制重金屬淋溶風險、凈化深層土壤等作用[5-6]。因此，在土壤重金屬植物修復研究中，電動力強化技術受到廣泛關注。

1 技術簡介及強化機理

電動力強化植物修復系統主要由外加電源、電極對、污染土壤及植物組成。在植物修復過程中，對修復區土壤施以外加電場，可有效提高土壤可溶性重金屬含量，并通過電動力作用驅動重金屬向植物根部遷移，促進植物對重金屬的吸收，提高植物修復效率。

一般認為，電動強化機理包括：提升土壤重金屬生物利用度、強化植物生長代謝及影響土壤微生物生命活動。

其一，電場可有效提升土壤重金屬的生物利用度。包括兩個方面，即提高土壤可溶性重金屬含量、促進重金屬向根部遷移。土壤重金屬的存在形態決定了其生物可利用性，諸如沉淀或與土壤顆粒結合力強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]。而在電動作用下，陽極區水解酸化、解吸、活化土壤重金屬，可顯著提高土壤液中溶解態重金屬含量[8]；此外，就重金屬輸送而言，植物修復是一種被動修復技術，土壤中重金屬的流動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，影響植物生長代謝。電場可改變植物酶活性、膜通透性、胞內水分子狀態，增強植物抗逆性，促進植物光合作用，進而增加植物生物量及對重金屬的吸收和轉運[11-13]。倉龍等[14]研究表明，電動作用下，印度芥菜可通過限制Cd向細胞質體轉移、促進Cd向活性較低結合態轉變等方式降低Cd的生物毒性，提升對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、內生菌等方式與根系形成聯合體,優化根際環境、促進根系發展、增強植物抗性,增強植物吸收和向上轉運重金屬的能力[15]。適宜的電場強度可豐富根際微生物多樣性、促進微生物代謝水平，間接增強植物修復效率[16-18]。

2 影響參數

早期對電動強化技術的研究，主要以農業增產為目的，20世紀初，Lemstrom[19]發現將電場應用于植物生長，可促使植物長得更綠，并起到增產作用。21世紀初，Denvir等[9]提出可將電場應用于植物修復，通過控制土壤中帶電污染物向根部移動，有效提高植物修復效率。之后，O’Connor等[20]通過盆栽試驗對電動強化植物修復效果進行了證明。實驗選取黑麥草為修復植物，施以直流電場，結果表明，陰極區黑麥草對銅的吸收得到增強；由陽極到陰極，土壤重金屬呈現逐漸遞增的再分布特征。然而，電場作用下兩極區土壤酸堿化、陽極酸化抑制黑麥草生長等不利影響也被發現。至此，人們從各個方面對電動強化技術的影響因素進行了探究，以進一步放大其修復效果并消除負面效應。

2.1 電動參數

2.1.1 電場類型(直流電場/交流電場) 電場的運用均可顯著增加土壤可溶態重金屬含量，促進植物對重金屬的吸收與富集，但不同電場類型(直流電場/交流電場)還具有不同的效應。直流電場可顯著增強土壤重金屬的流動性，促使可溶態重金屬向根部定向遷移。然而直流電場會產生陰陽區土壤酸堿化、兩極區植物生長抑制等負面效應。相對而言，交流電場不會產生土壤酸堿化、抑制植物生長等負面效應，但對增強重金屬流動性作用有限，不能促進可溶態重金屬向根部的定向遷移[21-22]。此外，交流電場更利于促進重金屬由植物根部向地上部的轉運，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重金屬污染土壤的植物修復效果進行了研究。結果發現，直流電場作用下，陽極區附近pH最低為3，陰極區附近pH最高為8；土壤重金屬呈現明顯再分布現象，在距陽極12 cm處明顯富集；對植物生物量產生27%抑制作用。而交流電場作用下沒有明顯pH變化及重金屬再分布現象；對植物生物量具有72%的提升作用；同時促進重金屬由地下部向地上部的轉運。相同的是，無論交流電還是直流電均可提高植物體內重金屬含量，促進對重金屬的吸收。

2.1.2 電極配置 電場配置類型決定了電場方向及土壤重金屬遷移方向，常用的電場配置類型為一維的水平電場和垂直直流電場。水平直流電場的運用可促進重金屬橫向遷移，而無法促進土壤重金屬縱向遷移。Zhou等[5]對黑麥草重金屬修復實驗中施以垂直直流電場(表層陽極，深層陰極)，結果發現，垂直電場可有效促進帶負電荷的Cu、Zn配合物由深層向表層遷移，提高表層土壤重金屬含量；促進植物對重金屬的富集與轉運；且垂直直流電場的運用對深層土壤凈化及有效控制重金屬淋溶風險具有重要作用。

此外，Putra等[6]首次將一種二維電極結構(陰極水平放置于土壤表面，4個陽極垂直置于四周)應用于深層土壤重金屬遷移強化及植物修復效果研究。研究表明，該二維電極結構可有效地促進鉛離子從土壤深層向表層遷移；并顯著提高早熟禾對重金屬Pb的富集與轉運。該研究突破了局限于一維電極的研究，同時證明了電動強化技術對深層土壤修復的可行性。植物根系一般較淺，對淺層土壤污染的修復最為有效，對深層土壤污染修復能力較差[24]。因此垂直直流電場及該二維電極配置也對淺根系富集植物的深層土壤修復具有重要意義。

2.1.3 電場運用方式(單向電場/交換電場) 單向直流電場可顯著提高植物對重金屬的修復效率，但正負極上的電極反應會導致土壤酸堿化，并可能對植物生長產生抑制作用，為避免其不利影響，周期性改變電場方向可能成為一種有效手段。蒼龍等[25]以黑麥草為修復作物對單向直流電場與水平交換電場(周期性改變電場方向)的影響效果進行了研究。結果表明，兩種電場運用方式均可促進植物生長及對Cu的吸收；與單向直流電場相比，交換電場可有效控制土壤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相比，交換電場對植物修復的強化效果略顯不足。而徐海舟[26]以東南景天為修復作物，比對兩種電場運用方式，結果表明，交換電場強化效果更優于單向直流電場,這可能與植物類別及土質等因素有關，仍需進一步研究。

2.1.4 電壓梯度 電壓是土壤重金屬遷移的主要動力，過強及過弱電場均不利于植物對重金屬的去除。如果電場過強，根際區重金屬濃度集聚過高，可能對植物造成毒害作用，抑制其生長。此外，根系吸收污染物速率有限，導致一部分污染物很快經過根部，卻沒來得及被吸收，浪費電力；如果電場過弱，根際區污染物耗盡過快，根際區污染物卻得不到及時補充，從而延長了修復時間。此外，過弱電場不能對植物生長起到應有刺激作用。Long等[27]提出，電壓強度是影響植物修復效率的最重要因素。他們采用直流電源，系統比較了4個電壓梯度(0，1，2，4 V/cm)對印度芥菜修復效率的影響。除了一般性結論：電場能促進植物對重金屬的吸收；電場可引起電極間可提取態金屬的再分配。實驗發現，中等電壓強度(2 V/cm)可促使印度芥菜產生最高的重金屬積累量，具有最高修復效率。然而不同實驗條件下，植物最適電壓梯度可能不同，聶斌[28]發現直流電場對煙草和燈心草鎘富集量的最佳電壓強度分別為0.6 V/cm和1 V/cm。

2.1.5 通電時間 通電時間決定了土壤重金屬遷移及滯留時間，適宜時長的通電、間歇有利于重金屬根際富集及根系吸收，此外，適宜的通電時長有利于促進植物生物量的提升，因此適宜通電時間對植物修復效率具有重要意義。姚桂華[22]對不同通電天數(0，20，40 d)下的植物修復效率進行了比較。結果表明，20 d時，交流電場對東南景天修復效率具有最高促進作用，40 d時修復效率明顯減弱。徐海舟[26]研究了日通電時間(0，6，24 h/d)對東南景天修復Cd污染土壤的影響，實驗表明，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，達顯著水平。聶斌[28]發現直流電場強度為1 V/cm時，通電時間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 添加劑聯用

合理施入添加劑可有效改善污染土壤理化性質、促進植物生長、提高可溶性重金屬含量、提高轉移系數[29-31]，通過重金屬電動力驅動及進一步強化，可能進一步提高植物修復效率。目前聯用的添加劑有EDTA、EDDS、腐殖酸、有機肥等。

Lim等[32]將EDTA與電動——植物修復進行聯用，進行土壤Pb修復。結果表明，添加EDTA可以顯著增加印度芥菜莖中鉛的積累。此外，在直流電場作用下，植物修復效率還可增加2～4倍，大幅提高修復效率，然而EDTA的使用會加劇重金屬淋溶風險。為此，Zhou等[5]通過將EDTA、EDDS與垂直電場進行聯用，在提高黑麥草對Cu修復效率的同時，成功有效地控制了重金屬淋溶風險。

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)與電動作用(1.0 V/cm)均能顯著提高土壤有效態鎘含量，促進東南景天對鎘的吸收與轉運，其中豬糞堆肥和腐殖酸肥聯合交換直流電場可顯著提高東南景天地上部鎘積累量，分別提高135%，100%，EDTA聯合交換直流電場作用較弱，僅為27%。然而徐海舟[26]對EDTA(0.3 g/kg)、腐殖酸(0.3 g/kg)、有機肥(3 g/kg)與電動作用(0.5～2 V/cm)的研究表明，腐殖酸對直流電場——東南景天修復Cd污染土壤效果最佳，EDTA次之，而有機肥基本無影響；姚桂華[22]將沼渣、菌渣和筍殼三種有機物料與交流電場進行聯用，也發現對植物修復效果并不理想。其差異性結果可能與添加劑含量及電動參數、土質類型、植物類型等有關。

此外，蒼龍等[25]將EDDS與直流電場聯用，發現聯合作用可能導致土壤重金屬生物利用度過高，進而抑制黑麥草生長。其結果一方面表明了聯用效果對土壤有效態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度及添加劑含量對提升植物修復效率具有重要意義。

2.3 綜合效應

一般地，交流電與直流電均有促進植物修復的作用，但直流電會導致土壤酸堿化，采用交流電或周期性改變直流電場方向(交換電場)可有效防止土壤pH變化；垂直電場與二維電場均能促進土壤重金屬由深層向表層遷移，提高植物修復效率，并有效控制淋溶風險；電壓強度是影響植物修復的主要因素，選用適宜強度電場及通電時間，對強化效果及能量損耗起著決定性作用；添加劑的聯用可顯著活化土壤重金屬，但可能加劇重金屬淋溶風險。然而受植物類型及土質影響，同樣強化參數可能對修復效果產生不同影響[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)、通電時間(0，3，6，9 h/d)、電場方向(單向電場、周期性轉換電場)、添加劑(EDTA、有機肥、腐植酸)等各種因素對東南景天修復Cd污染土壤的影響。實驗表明，單向直流電條件下，電壓強度1.0 V/cm、通電時間6 h/d，對東南景天Cd提取效果最佳，較無電場下提升5.28倍；交換直流電場與單向直流電場相比，對修復效果無顯著差異，且不改變土壤pH；與腐植酸聯用對東南景天Cd吸收、轉運效果最佳。Luo等[34]在實地修復實驗中，對直流電場與交流電場的強化作用、時間成本、浸出風險和能量消耗進行了比較。他們認為，綜合考慮時間成本、浸出風險和能量消耗，工程應用中應選擇中等強度直流電場作為最佳條件。

3 結論及展望

目前，電動強化植物修復重金屬污染土壤已經取得一些研究成果。研究表明，該技術對于提高植物生物量、提高植物對重金屬的吸收與轉運，提升植物修復效率具有重要意義。已經研究的影響參數包括添加劑聯用及類型、電流類型(直流/交流)、電場施加模式(單向/交換)、電壓強度、電極結構、通電時間等，并對不同參數的綜合效應進行了組合研究。然而受植物類型及土質等影響，相同電動參數下植物修復效果可能不盡相同；此外，目前研究主要是室內盆栽、模擬實驗，對室外實地修復實驗研究很少；電動強化植物修復的內在機理還未被完全闡明；添加劑的選擇與聯用，應綜合考慮修復效率、經濟成本、生態效應等問題。因此還需要進行更多研究以實現工程應用。