磁化誘導技術在水生態修復中的應用與研究展望

張列宇，祝秋恒,2，李曉光，李國文，唐文忠，趙 琛

(1.中國環境科學研究院地下水模擬與控制重點實驗室，北京 100012； 2.北京師范大學水科學研究院，北京 100875； 3.中國科學院生態環境研究中心環境水質學國家重點實驗室，北京 100085；4.中國環境科學研究院流域水環境污染綜合治理研究中心，北京 100012)

修復受損水生態結構，重建水生態功能已成為目前生態文明建設中的重要一環。“十四五”期間是實現全面小康，邁向“清水綠岸、魚翔淺底”美麗中國的重要時期。幾十年來的水體污染已造成河湖等自然水體生態功能嚴重退化甚至喪失，動植物生境破壞嚴重[1]。2019年，京津冀地區262條河流中，水生態系統遭到破壞的高達80.2%，河湖水體的生物多樣性和自凈能力嚴重降低[2]。因此，水生態修復新技術的研發和應用尤為必要。水生態系統修復技術以恢復受損生態系統為導向，通過恢復生態系統中物種的群落結構，達到河湖水體“長治久清”的效果，主要包括水生生物修復、底泥生物氧化、生物多樣性調控等技術[3]。然而，現有水生態修復技術在應用中，種植的水生植物、投加的微生物等常受到外界環境和邊界條件影響，修復效果極不穩定[4]。在粵港澳大灣區，合流制雨污溢流現象嚴重，人工種植的水生植物和引入的外源微生物常難以生存，水生態修復效果較差[5]。在長江經濟帶城市群中，部分河湖水體由于溫度、水利條件等原因，水體生態結構嚴重失衡，僅通過人工種植水生植物、機械除藻等現有水生態修復技術難以全面抑制藻類暴發[6]。

磁化誘導技術作為一種前瞻技術，直接作用于水分子、污染物以及動植物機體，可產生一系列磁化效應，包括產生超氧自由基、影響動植物體內酶活性、提升水體納氧和納鹽能力、提高水體透明度等[7]。這些效應不僅可直接去除水體污染物質，也可刺激水生動植物的生長、代謝以及抗逆性，從而有望強化現有水生態修復技術，擴大其應用場景，提高修復效果。然而，目前對于磁化誘導技術的研究較少，在水生態修復領域中的應用也鮮有報道。本文將對現有磁化誘導技術的應用原理進行系統性總結和分析，結合其效應特點展望其在水生態修復中的應用，旨在為后續磁化誘導新技術在水生態修復中的應用提供參考。

1 磁化誘導技術及其原理

磁化誘導技術由于其高效、綠色、經濟等特點逐漸進入各國研究人員視野，并掀起了磁化誘導技術的研究熱潮[8]。水分子在經過磁場處理后，物化性質發生一系列變化，包括介電常數、折射率、黏度等，從而引起一系列的物理、化學以及生物磁效應，如除垢、殺菌、增產等[9]。在礦物的分選以及土木行業中，磁化誘導技術可顯著提高金屬離子的分離效果，強化混凝土密度[10]。在農業生產中，蘇聯專家通過磁化誘導技術顯著提高了農作物產量和品質。在造紙、化工等行業的廢水處理方面，磁化誘導技術可顯著提高污染物的去除率和污染處理能力。我國關于磁化誘導技術的研究和應用始于20世紀90年代，顏幼平等[11]回顧了磁化誘導技術在工業水防垢方面取得一系列進展。隨著幾十年的研究和應用，磁化誘導技術在工業、農業、醫學、水處理等行業的應用已取得了很大進展。磁化誘導效應主要分為物理、化學以及生物3個方面(圖1)。

圖1 磁化誘導效應

1.1 物理磁效應

自然的水分子之間存在電偶極相互作用，并以氫鍵的方式締合成大的水分子團。在地球的這個大磁場中，水分子間氫鍵的斷裂和形成處于平衡狀態。然而，水分子是一種極性分子，分子間會存在著電偶極作用。在給水分子施加額外的磁場并以一定流速流過時，水分子會受到洛倫茲力等作用力的影響，水分子的正負極性發生改變，從而改變了水的電荷[12]。大分子的水分子締合集團內的氫鍵發生斷裂，氫鍵平衡被打破，被切割成單個水分子[13]。研究發現經磁化后，水分子氫鍵的斷裂存在閾值，當磁場低于200 mT時，主要引起的是水的內能變化，如氫氧鍵角的變化；一旦磁場強度超過200 mT，可引起氫鍵斷裂，甚至打破整體水分子氫鍵的平衡[14]。因此，經磁場磁化后，水分子結構的變化會導致水的表面張力、pH值、電導率、滲透壓、密度等發生顯著變化[15]。也有研究發現，經磁化后的水分子光譜特性發生了改變，并導致水的黏度、凝固點、析蠟點等指標發生變化[16]。

1.2 化學磁效應

水分子及溶解在水中的溶質在磁場的作用下吸收了大量能量轉化為內能，造成分子脫穩進入激發態，分子的碰撞概率大幅增加，從而加速了化學反應速率[17-18]。韓慶祥等[19]通過熒光發射峰和面積證實了自由電子在經過磁場后會脫穩并發生躍遷，進而影響化學反應體系的熵。研究發現，化學反應熵和速率的改變可顯著影響水中污染物的去除效率，在涉及工業廢水中金屬離子的回收處理時，經磁化后的含金屬離子廢水不僅電解過程大幅提升，過程中發生濃差極化的概率也顯著降低，從而大幅提高工業廢水中金屬離子的去除率[17]。溶液中的自由基受到磁場的影響，促進溶液中離子行為的電化學反應進程，這也是化學磁效應的主要體現[20]。孫靜波[21]在通過磁場強化臭氧處理城市污水時發現，在磁場的作用下會影響自由基對轉換成三重態的速度和程度，因而會脫穩進入激發態，從而提高化學反應速率，臭氧的氧化反應時間顯著縮短(3 min以上)。此外，經磁化后產生的自由基可氧化分解水中的有機污染物，尤其是多環芳烴類、表面活性劑等難降解有機物，顯著降低水體中有機污染物含量[11]。

1.3 生物磁效應

磁場對生物產生的效應——生物磁效應，主要包括兩個方面：一方面，是磁場會直接作用于微生物的細胞結構，改變細胞膜的通透性、DNA結構等[22]。生物細胞膜控制膜內外物質的傳質速率，直接影響生物的生長、代謝等過程[23]。許燕濱[24]發現施加 100 mT的外加磁場時可引起細胞膜的磷脂雙分子層結構重構，從而影響生物膜的通透性。通過外加磁場，生物膜內外鈉、鉀等離子的受力作用也發生了改變，進而影響離子的膜內外運輸。也有研究[25]發現，在強磁場下，生物的DNA等生物大分子結構易受到磁場影響，甚至造成DNA堿基發生突變。Shankay等[26]發現磁場強度在500～5 000 mT時可引起癌細胞DNA堿基突變，結構穩定性變低。然而，并不是所有生物的分子結構都會受到磁場的影響。李紅等[27]就發現小鼠DNA在強磁場條件下結構依然穩定。因此，磁場影響生物大分子結構的機理還要進一步研究。另一方面，磁場可影響生物酶的活性。生物酶是生物在環境中生長、代謝等過程中重要的調節物質，酶活性的改變可顯著影響生物的生命活動。然而，生物產生的很多酶或蛋白質中由于含有金屬原子，都具有趨磁性。因此，在施加磁場后，磁化會影響酶內自由電子的躍遷，打破分子內部的穩態，從而提高酶活性。有研究發現一些細菌體內含有Fe等金屬離子，如桿菌、螺旋菌等，對磁場具有很高的敏感性[28]。在外加磁場后，磁場會通過影響酶活性影響生物從生長到衰亡的全過程，包括生物的形態、生長以及代謝等過程[29]。然而，生物酶有很多種類，磁場對不同種類生物酶產生的磁效應有很大差異，對生物產生的生物磁效應也有很大差異。粟杰等[30]發現磁場強度在100～500 mT時，細菌中酶活性會受到嚴重抑制，而放線菌、真菌等的生長則受到激活。農光鮮等[31]也發現磁場對白色念珠菌中酶活性具有促進作用，但嚴重抑制葡萄糖菌的生長。磁場對于不同生物種類之間相同酶所產生的磁效應也存在很大差別。Amara等[32]發現巨噬細胞放入磁場強度為250 mT的環境中時，其谷胱甘肽過氧化物酶和超氧化物歧化酶沒有發生改變。Zlotopolski等[33]卻發現鼠腎臟中的谷胱甘肽過氧化物酶和超氧化物歧化酶受到磁場嚴重抑制。

生物磁效應存在一個閾值，磁場強度達到閾值才能發現磁效應，且每種生物產生磁效應的閾值也有很大差異，這也是很多研究存在矛盾的重要原因。生物磁效應還具有滯后性和累積性，磁化時間與磁效應有很大關聯，同時生物磁效應還與磁場參數，如強度、頻率等有著密切關系。

2 磁化誘導技術在水生態修復中的應用

磁化誘導技術可應用于抑制藻類暴發、水生動植物定向誘導恢復等，彌補現有水生態修復技術的不足。

2.1 水生動物種群優化

合理的水生動物群落結構是良好水生態的重要基礎，也是河湖水生態功能的重要保障，對于維持健康的水生態系統尤為重要[34]。在水產養殖中，大量研究證明磁化誘導技術可顯著影響水生生物尤其是大型魚類的生長、繁殖、代謝等。姜景田等[35]采用150 mT磁場強度誘導草魚、鰱魚以及鳙魚的魚卵，使魚卵內的孵化酶活性顯著提升，魚卵發育速度和孵化率提升了6%以上。Surendran等[36]發現磁化誘導技術可提高與魚類生長、代謝相關的酶(如淀粉酶等)活性，顯著增強魚類的活動能力以及攝食能力。章之蓉等[37]通過磁化誘導強化了羅非魚在惡劣環境下(如無餌食、低溶氧、低溫等)的生存能力；進一步研究[38]發現，磁化誘導技術可顯著降低草魚等魚類的紅細胞溶血率，全血黏度顯著下降，并且加速了魚類血液循環速度，縮短紅細胞壽命，進而促進魚類的生長和代謝，增強其免疫力以及抗逆性。然而，每種水生生物最適合的磁場誘導參數具有很大差異，產生的生物磁效應也有較大差別。劉憲亭等[39]發現磁化誘導技術對促進魚類生長具有明顯閾值，作用效果不與磁場強度、時間等參數呈線性關系。因此，可利用不同水生生物的最適磁化參數定向調控水生生物物種結構，以恢復健康的水生態系統。

水污染不僅帶來了過量的氮、磷、有機物等污染物，也會造成病原菌污染。魚類等大型水生生物易受到病毒的感染，產生腐鰭病等疾病，造成水生生物種群平衡破壞。磁化誘導技術不僅可直接作用于生物機體，控制其生長、代謝等相關酶的活性，同時也會產生超氧化自由基，這些自由基的產生可顯著抑制水體中病原微生物的生長，降低水生生物患病概率，為水生生物提供更適宜的生境。滲透壓是水生動物運動的主要力量，水生動物細胞與河湖水體的滲透壓之差對水生動物生長、繁殖具有重要影響[40]。磁化誘導技術可通過作用于水分子結構，增大水體滲透壓，來促進水生動物生長、代謝、繁殖等。

2.2 水生植物恢復

水生植物占據著水生態系統中重要的生態位，不僅為水生動物提供了棲息場所和食物，也是水體污染物去除的重要貢獻者。水生植物尤其是沉水植物的恢復，已成為我國河湖等自然水體生態治理的關鍵措施[41]。水生植物主要有沉水植物、挺水植物、浮葉植物和漂浮植物4種。水生植物不僅可凈化水體污染物，還可提高水生態質量，促進水體功能恢復[42]。國內外大量的研究證實植物經磁場誘導后，其DNA的轉錄和表達、光合作用、呼吸速率等方面均有顯著變化，植物的萌發率、生長率、抗逆性物質含量等大幅提升(表1)[43-44]。在河湖水生態修復中，通過磁化誘導技術誘導水生植物恢復，有望提高其種子萌發率、促進生長發育、提高抗逆性、降低種植密度等，從而強化水生植物對水體污染物的去除效率，增強人工濕地、生態浮島等以植物作用為主的生態處理技術的污染物處理效率。

表1 磁化誘導技術對植物的影響

a. 提高發芽率。通過磁化誘導技術誘導植物種子，可顯著提高種子發芽率。胡弟文[45]發現磁場強度在500 mT時可強化種子的呼吸作用，提高種子中淀粉、蛋白質等營養物質的轉化，從而提升種子的發芽率和活力。何興華等[46]也通過磁化誘導技術使水稻發芽率提高了34%，而大豆的發芽率更是提高了70%以上。

b. 促進植物生長。磁化誘導不僅可影響植物種子的萌發期，也會影響植物幼苗期甚至整個生命過程。很多研究證明磁化誘導技術可促進植物根系生長，增大植物汲取營養的面積，大幅促進植物的生長和代謝。研究發現在磁場強度為83.5 mT時，紫蘇根系活力顯著提升，達到了0.76 mg/h[47]。汪耀富等[48]將煙草經過磁化水處理后，植物根系發達，株高等指標提高了20%以上。也有研究發現磁化水大幅提高了葡萄中硝酸鹽還原酶等氮代謝主要功能酶的活性，促進了植物體內的氮代謝[49]。

c. 提高抗逆性。植物抗逆性物質的生成有助于植物在環境惡劣條件下的生長。已有研究發現植株經磁化處理后，體內的過氧化氫酶、過氧化物酶等抗逆性物質的活性顯著提升(P<0.05)，提高了植物抵抗極端環境的能力[50]。陳全光[51]發現樟子松等植株經磁化處理后超氧化歧化酶活性顯著提升，丙二醛含量降低。在水生態修復中，外界條件不穩定，水生植物修復技術效果極其不穩定。通過磁化誘導技術提高水生植被的抗逆性，有望強化水生態修復技術的修復效果。

d. 降低種植密度。植株在經過磁化處理后，植物根系更加發達，抗逆性增強，體內的酶活性更高，最終可提高植物株高、枝條數等。已有研究[52]發現，通過磁化作用，作物株高、果枝數等提高了20%以上，顯著提升小麥的產量。結合磁化誘導技術，可在進行人工恢復水生植物時，降低水生植物的種植密度，從而降低成本。

2.3 抑制藻類暴發

藻類大規模暴發，不僅嚴重影響水生態系統平衡，也嚴重影響人類用水需求，是河湖水生態治理的重點和難點，故抑制藻類暴發一直備受關注[53]。目前，藻類治理技術短期主要依靠物化方法，雖可快速且有效去除水體藻類，但化學處理會給水生態系統造成不可逆的損傷，而物理處理費時費力、效率不高。長期治理主要是通過生物調控技術，如種植水生植物等，限制藻類生長。然而，水生動植物的生長易受外界環境條件如透明度、溶解氧等的影響，導致藻類抑制效果較差。

磁化誘導技術作為一種新型水生態修復技術，可通過磁化效應直接作用于藻類細胞的酶活性，影響生物膜的通透性，快速抑制甚至殺死藻細胞[54]。相較于化學藥劑，其對環境更加友好。高等水生植物與藻類屬于同一生態位，都屬于初級生產者，存在生存競爭機制。磁化誘導技術可定向強化高等植物的生長，促進高等植物“化感物質”的釋放，從而抑制藻類生長。此外，磁化誘導技術可強化水生生物的生長、代謝等，提高魚類對環境因素的抗逆性，促進魚類等水生生物對藻類的覓食，有可能解決藻類大規模暴發的問題。

2.4 底泥修復

河湖等自然水體的底泥在長期接納上覆水中各種污染物后，底泥中污染物含量遠高于上覆水[55-56]。隨著水環境治理穩步推進，我國河湖水質改善效果明顯，底泥逐漸成為污染河湖水體重要的污染源之一。長期污染已導致水體底部生物群落功能性喪失，生態系統嚴重破壞。在水生態修復過程中，底泥修復成了關鍵措施之一[57]。目前，底泥修復大多采用生態清淤(異位修復)、投加化學穩定劑固化底泥中污染物(原位修復)等，會一定程度上去除/抑制底泥中污染物釋放到上覆水中。然而，這些技術都會不同程度破壞原有水生態系統結構和功能。因此，尋找一種綠色、環境友好、經濟的底泥修復技術尤為重要。磁化誘導技術相較于現有底泥修復技術，可在不破壞原有水生態系統的基礎上，進行高效、綠色的修復。

a. 底泥微生物群落修復。長期的河湖水污染造成底泥微生物群落結構單一，部分功能喪失。通過磁化誘導技術可定向增強功能性微生物生長、代謝和繁殖，提高微生物多樣性，進而促使恢復底泥微生物群落的生態功能。Geng等[58]發現通過磁化誘導后，SBR反應器微生物多樣性提升了12%以上，對TN等污染物的去除率大幅提高。

b. 底泥中污染物消減。隋衛燕等[59]發現磁場可提高活性污泥中酶活性，如提高肌酸激酶、尿酶、乳酸脫氫酶等的活性，氧化性提高了22%，廢水處理效率顯著提升44%，其中有機物去除率提升15%以上。倪健源[60]發現磁場可強化活性污泥對COD和NH3-N的去除，污染物的去除率提升了20%。同時，在磁場作用下，水分子之間的氫鍵作用減弱甚至是斷裂，減少了水分子間的作用力，將大分子水分子締合團切割成小分子，促進了活性氧(包括羥基自由基、超氧自由基等)的產生。這些活性基團具有強氧化性，可有效降解水中的有機物等污染物，尤其是難以生物降解的物質。席婷婷[61]發現磁化產生的超氧自由基顯著提高了城市污水中可溶性COD去除率(35%)，并且有效提高污水的透光率。此外，磁場不僅可作用于水分子，也對水分子中溶質產生影響，尤其是對以碳、氫、氧等以各種形式結合的有機物。有研究發現在磁場作用下，有機物相鄰分子會疏遠，分子間的C-C/C-H等共價鍵產生的凝聚力減弱，甚至是長鏈有機物分子斷鏈。Cai等[62]研究發現在磁場的作用力下，溶解在水中的有機物會吸收能量，將分子從穩態轉化到激發態，從而加速了有機物的礦化。因此，通過磁化誘導技術可增強底泥中分解者污染物降解相關的酶活性，促進其生長和代謝，從而大幅提高底泥中污染物的降解速率，削減河湖水體自生污染源的貢獻。

c. 底泥沉降性。隨著大量污染物排放到河湖水體中，底泥中有機質含量不斷增大，出現底泥難沉降、體積大、易翻泥等現象，嚴重危害水環境。底泥的沉降性以及松散程度與Zeta電位等靜電力的作用密切有關。已有研究[63]發現，磁化誘導技術可顯著降低污泥表面的Zeta電位，污泥容積指數降低至100 mL/g，污泥沉降性大幅提高。因此，可利用磁化誘導技術大幅削減河湖水體底部淤泥體積，有效抑制城市黑臭河道翻泥現象。

3 磁化誘導技術在水生態修復領域的研究展望

水生態修復涉及動物、植物等多個物種及其生境的修復，極其復雜[64]。磁化誘導技術雖在農業等行業涉及，但目前在水生態修復方面的研究較少。磁化誘導技術在后續水生態修復領域中的研究應著重關注以下幾個方面。

3.1 對多種磁化參數的深入研究

現階段，磁化誘導技術的研究與應用的磁場強度集中在0.5 T以下，研究的磁場強度范圍較窄。磁場帶來的物理、化學以及生物效應往往以多級值呈現，而現有的磁場強度已遠遠不能滿足需求。因此，在后期水生態修復的研究中，磁場強度的研究范圍應進一步擴大。影響磁化效應的不僅是磁場強度，還包括磁化時間、磁場頻率等，這些磁化參數均需進一步細化研究。

3.2 不同生物磁效應差異的機理研究

同樣的磁場強度對不同種類的生物產生的磁效應差異很大，需進一步探究生物磁效應存在差異的機理。同時，為了后續研究能夠更加深入，應用更加廣泛，應對產生的磁效應按生物種類歸類總結，以方便后續技術的應用和實施。此外，由于自然水體的復雜性，磁場對自然水生態系統的影響尚不可知，因此對磁場短期和長期的生物學效應也應給予更多關注。

3.3 多種水生生物復合磁效應的研究

水體生態修復是以水生態系統結構和功能為主體目標，并不針對某一種或幾種水生生物。因此，磁化誘導技術用于水體生態修復時，不僅需考慮磁化誘導對目的水生生物的影響，同時也要考慮對生態系統其他物種的影響。目前磁化誘導效應對水生態系統整體影響的研究較少，后續還要對磁化誘導效應對多種水生生物復合效應的影響進行深入探究。

3.4 大水體磁化方式的應用研究

在已有的工業或農業的磁化技術應用中，水質穩定、磁化水量小是現有技術的共同特點。因此，過去的研究中主要是采用永磁式磁鐵進行磁化，具有低成本、無須維護等特點。然而在面對水量較大的河湖等自然水體時，現有的磁化方式已遠遠不能滿足處理量和處理效率需求。同時，相較于工業和農業用水，自然河湖水體復雜程度更高，現有磁化誘導技術參數和實施方式有很大的局限性。因此，針對河湖等大水體，還需進一步深入研究經濟、有效的磁化方式。