電動-植物聯(lián)合修復污染土壤的研究進展

摘 要：電動-植物聯(lián)合修復是一種高效的土壤原位修復技術。就電動-植物聯(lián)合修復污染土壤的機制，以及電場強度、電場施加方式、電極布置、電極材料、添加劑運用對修復效率的協(xié)同影響研究現(xiàn)狀進行了綜述。多數(shù)研究表明：電動修復過程中選用合適的電場強度與電場施加方式，不僅可以提高植物對污染物的吸收能力，而且對植物的生長有一定的促進作用；采用不同的添加劑用于電動修復過程，可以提高對污染物的去除效率；電極材料的選擇對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效率。

關鍵詞：污染土壤；聯(lián)合修復；電場；修復效率

中圖分類號：X53 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）10–00-03

土壤污染問題是國內外普遍關注的環(huán)境問題，給生態(tài)環(huán)境和人類健康帶來嚴重威脅。污染土壤修復已成為國際學術研究的熱點[1]。植物修復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土壤重金屬和有機物污染的主要途徑。植物修復因其投入成本低、工程量小、沒有二次污染等優(yōu)點，受到研究者的廣泛關注。但在實際運用中，植物修復仍存在許多挑戰(zhàn)。例如，大部分植物個體矮小，生長緩慢，因此修復周期長；同時，受土壤理化性質的影響，只能修復處于生物有效態(tài)部分的污染物[3]。

電動-植物聯(lián)合修復是在污染土壤上種植植物，然后在土壤根系附近插入電極，施加較低強度的電場。大量研究證實，施加電場可輔助植物修復并提高其修復效率[4]。一般而言，電動-植物聯(lián)合修復污染土壤的機制主要包括兩個方面，一是電場刺激對植物生長等生理特征的影響；二是電場作用引起的土壤物理化學性質的變化對植物修復的影響。基于此，對電動-植物聯(lián)合修復污染土壤的現(xiàn)狀進行研究，旨在為未來污染土壤修復技術的研究提供支持。

1 電動-植物聯(lián)合修復污染土壤機制

在20世紀初，國外研究者對電場作用對植物的影響開展大規(guī)模的實驗研究，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，結果發(fā)現(xiàn)經過處理的植物長得更綠、更粗壯，并且產量也顯著增加，但是通過電場刺激并不能使所有的植物都產量增加。同時，研究發(fā)現(xiàn)雖然高壓靜電場可以使植物更綠，但對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，采用電場均可增加植物的發(fā)芽率并促進生長[5]。此外，大量研究證實，合適的電場強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，誘導腺苷三磷酸（ATP）合成，進而促進植物生長發(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相應提高。

在電動修復過程中，電極會發(fā)生電解反應，陽極電解水產生氫離子，從陽極向陰極遷移，陰極產生氫氧根離子，從陰極向陽極發(fā)生遷移，從而使靠近陽極的土壤pH值降低，靠近陰極的土壤pH值升高。大量實驗結果表明，pH值較低的土壤環(huán)境中，金屬具有較強的遷移能力和生物可利用度，從而提高植物對污染物的吸收能力，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（每天切換一次極性），對鎘污染的土壤（種植了東南景天）進行處理，結果發(fā)現(xiàn)，電動修復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 電場強度和電場施加方式對修復效率的影響

在電動-植物聯(lián)合修復過程中，電場強度和電場施加方式不僅對土壤理化形式和土壤污染物的生物可利用度產生影響，還對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]進行了不同電壓強化煙草和燈芯草修復鎘污染土壤的研究，施加直流電壓0～45 V，共處理9 d，結果發(fā)現(xiàn)采用15 V和25 V的電壓均可促進煙草和燈芯草對鎘的吸收。

倉龍等[10]進一步系統(tǒng)研究了不同電場強度對芥菜吸收重金屬的影響，分別采用0、1、2、4 V/cm的電壓梯度強化芥菜修復鎘、鉛和鋅復合污染土壤。結果顯示，低電壓促進芥菜的生長，而高電壓對芥菜的生長有抑制作用，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鎘、鉛和鋅的吸收。此外，倉龍等[11]還研究了單向直流電場和極性切換電場對黑麥草吸收銅和鋅的影響，研究發(fā)現(xiàn)，兩種供電方式對植物地上部分生物量和銅、和鋅的吸收均沒有產生顯著影響，單向直流電場提高植物地下部分生物量并強化植物地下部分對銅的吸收。

倪幸等[12]比較了不同電壓交流電場對柳樹修復鎘污染土壤的影響，施加電壓0～1 V/cm的交流電場，共處理90 d，研究發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，采用1 V/cm交流電場處理的柳樹株高、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)指標的增加，促進柳樹對鎘的富集。

魏樹和等[13]針對交流電場和直流電場開展了詳細分析，如比較了不同頻率交流電場對萵苣生長和吸收鎘的影響，分別采用10、50 Hz交流電場，處理種植在清潔土壤和鎘污染土壤中的萵苣，結果發(fā)現(xiàn)，10、50 Hz交流電場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，50 Hz交流電場顯著提高了萵苣地上部分對鎘的吸收量。此外，將油菜和煙草分別種植在清潔土壤、鎘污染土壤和鎘、鋅和鉛復合污染土壤中，采用電勢為1 V/cm的直流電場和交流電場，直流電場3 h切換一次極性。結果表明，采用交流電場對煙草的生物量沒有顯著影響，但顯著提高了油菜的生物量，同時也促進了油菜和煙草對鎘的吸收，并強化了油菜地上部分對鎘、鉛和鋅的吸收。

從當前已報道的研究來看，使用1～2 V/cm的電場強度既可以促進土壤污染物和營養(yǎng)元素發(fā)生遷移，提高植物的吸收能力，又不會對植物的正常生長造成危害。交流電場和極性切換直流電場可以克服電動處理過程土壤pH值產生的劇烈變化。此外，大部分研究結果認為交流電場對強化植物修復污染土壤有更好的效果，在近幾年的電動-植物聯(lián)合修復研究中交流電場和極性切換直流電場均有使用，但當前并沒有更多關于電場施加方式對植物修復效率影響的研究。

3 電極布置對修復效率的影響

電動修復中，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去除溫室土壤中的硝酸鹽[14]。

當前，大多數(shù)實驗室研究均采用一維電極布置，而在實際應用中，需要最優(yōu)的電極布置來獲得高效的修復效果?；诶碚撚嬎憬Y果認為，與一維電極布置相比，二維電極布置具有更小的非電場區(qū)域；通過對比不同的電極布置，認為陰極—陽極—陰極為60°的電極布置會產生更小的非電場區(qū)域，為最優(yōu)電極布置。考慮到環(huán)形電極布置能在場地上發(fā)揮較好的應用效果，采用正六角形陽極中間陰極的二維電極系統(tǒng)顯著提高了電動去除農田土壤中鹽的效率；分別研究采用六邊形陽極和六邊形陰極電場對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修復去土壤殺蟲劑的效率[15]；另有研究評價了二維電極布置對植物吸收鉛的影響，研究將四根石墨電極垂直插入長方形反應槽（長×寬×高為180 cm×60 cm×180 cm）中的4個角上，不銹鋼網(wǎng)陰極水平放在土壤表面，結果發(fā)現(xiàn)，鉛離子從陽極向陰極發(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-植物聯(lián)合修復過程中，電極布置將顯著影響修復效率。

4 電極材料對修復效率的影響

當前在電動修復中，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電性和穩(wěn)定性需要重點關注。對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，費用便宜[16]。

采用電化學方法評價不同電極材料的性能，選出最好的陽極材料是Ti/IrO2-Ta2O5。另有研究討論了石墨、Pt/Ti和IrO2/Ti作為陽極在電動修復鉛污染土壤時的效率，去除效率從高到低依次是Pt/Ti、IrO2/Ti、石墨。

在電動-植物聯(lián)合修復中，除了需要考慮上述因素，還需要考慮電極材料對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植物在重金屬污染土壤中生長的影響，發(fā)現(xiàn)鋁陽極釋放有毒物質Al3+，影響植物的發(fā)芽和生長，而石墨電極和不銹鋼電極對植物生長沒有顯著影響。

5 添加劑對修復效率的影響

重金屬和有機污染物在土壤中均以不同的化學形式存在，也呈現(xiàn)不同的物理化學行為。例如，可移動性、生物可利用度和潛在的毒性影響著土壤修復效率。針對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修復過程中，提高對污染物的去除效率。根據(jù)其需實現(xiàn)的目的，添加劑主要分為以下5類。

一是提供電動修復過程中基本的電解液，如在研究砷污染土壤電動修復機理時采用硝酸鈉作為電解液[18]。

二是調控土壤pH值環(huán)境。在電動修復過程中，電極反應導致土壤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、檸檬酸等調控土壤pH值。

三是強化解析土壤重金屬。除了采用強酸或者弱酸調控土壤pH值、促進重金屬解析，使用螯合劑和絡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)。采用碘單質氧化HgS，形成HgI42-，然后在電場作用下從土壤中去除。

6 展望與建議

電動-植物聯(lián)合修復技術是一種結合了電動修復和植物修復兩種方法的創(chuàng)新技術，旨在更有效地修復污染土壤。這種技術的未來展望十分廣闊，主要表現(xiàn)在以下3個方面。

第一，隨著研究的深入，通過優(yōu)化電場配置、電場強度及添加劑的使用等參數(shù)，可以進一步提高土壤中污染物的生物有效性，促進植物對污染物的富集和吸收，從而增強修復效果。同時，也需要加強對土壤理化性質變化、污染物形態(tài)變化及微生物活動等方面的監(jiān)測和研究，未來的電動-植物聯(lián)合修復技術要不斷優(yōu)化和提升。

第二，在電動-植物聯(lián)合修復過程中，添加環(huán)境友好型添加劑可以進一步增強修復效果，未來的研究要注重研發(fā)高效、低廉且對環(huán)境無害的強化劑，促進植物對污染物的富集和吸收。

第三，未來的研究應更加深入地探討電動-植物聯(lián)合修復技術的修復機制與機理。通過研究各類污染物在植物體內的轉運和積累機制等方面的問題，可以更好地理解修復過程并優(yōu)化修復方案，有助于提高修復技術的科學性和針對性，為實際應用提供更有力的支持。

7 結束語

電動-植物聯(lián)合修復技術為重金屬污染土壤的治理提供了新的思路和方法。?通過電場對植物富集重金屬的作用，以及電場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，促進植物對污染土壤中重金屬的富集，同時對植物生物量具有一定的促進作用。這種聯(lián)合修復技術不僅提高了修復效率，還降低了修復成本，具有廣闊的應用前景。未來的研究重點應放在加強超富集植物與電場聯(lián)合修復機理的研究，研發(fā)高效低廉且環(huán)境友好的強化劑，最終形成針對一種或多種重金屬污染土壤的植物-電動聯(lián)合修復關鍵技術。此外，考慮到國內土壤類型、條件和場地污染的特殊性，發(fā)展更多具有自主知識產權、符合國情的實用性修復技術與設備，對推動土壤環(huán)境修復技術的市場化和產業(yè)化發(fā)展至關重要，以及實現(xiàn)土壤環(huán)境保護和增強中國在全球環(huán)境修復市場的競爭力具有重大意義。?

參考文獻

[1] 李婉怡，於維維，余瓊陽，等.土壤重金屬–有機物復合污染環(huán)境效應與修復技術研究進展[J].土壤，2023，55（3）：453-463.

[2] 韋朝陽，陳同斌.重金屬污染植物修復技術的研究與應用現(xiàn)狀[J].地球科學進展，2002（6）：833-839.

[3] 劉玥，牛婷雨，李天國，等.電動力學輔助植物修復重金屬污染土壤的特征機制與機遇[J].化工進展，2020，39（12）： 5252-5265.

[4] 欒雅珺，徐俊增，李亞威，等.極性交換電場輔助植物修復稻田土壤鎘污染研究[J].農業(yè)機械學報，2024，55（3）：331-339.

[5] 侯金玉，王雄雄，彭理，等.石油污染土壤生物修復與多技術聯(lián)合修復策略研究進展及工程化應用[J].有色金屬2024（4）：41-47，62.

[6] 曹永軍，習崗，宋清，等.不同強度靜電場長期處理對3種作物幾種光合生理指標的影響[J].華南農業(yè)大學學報， 2007（1）：86-90.

[7] 陳志遠.靜電場對作物種子萌發(fā)生長的影響及機理探討[J].咸寧學院學報，2006（3）：1-4.

[8] 肖文丹，葉雪珠，徐海舟，等.直流電場與添加劑強化東南景天修復鎘污染土壤[J].土壤學報，2017，54（4）：927-937.

[9] 聶斌.外加直流電場對植物吸收鎘的影響研究[D].重慶：重慶大學，2015.

[10] 倉龍，周東美，吳丹亞.水平交換電場與EDDS螯合誘導植物聯(lián)合修復Cu/Zn污染土壤[J].土壤學報，2009，46（4）： 729-735.

[11] 倉龍，周東美.場地環(huán)境污染的電動修復技術研究現(xiàn)狀與趨勢[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術，2011，23（3）：57-62.

[12] 倪幸，李雅倩，王勝男，等.交流電場促進柳樹修復鎘污染土壤[J].環(huán)境化學，2019，38（10）：2376-2385.

[13] 魏樹和，徐雷，韓冉，等.重金屬污染土壤的電動-植物聯(lián)合修復技術研究進展[J].南京林業(yè)大學學報（自然科學版），2019，43（1）：154-160.

[14] 周麗瑋，王航，劉陽生.轉換電極的電動力強化植物修復高濃度砷污染土壤[J].環(huán)境工程，2020，38（10）：228-233.

[15] 姚衛(wèi)康.重金屬污染土壤電動修復增強技術的研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學，2019.

[16] 周東美，鄧昌芬.重金屬污染土壤的電動修復技術研究進展[J].農業(yè)環(huán)境科學學報，2003（4）：505-508.

[17] 楊珍珍，耿兵，田云龍，等.土壤有機污染物電化學修復技術研究進展[J].土壤學報，2021，58（5）：1110-1122.

[18] 劉建琴.外加劑及電動力學對鬼針草修復Cd污染土壤的影響[D].徐州：中國礦業(yè)大學，2022.

[19] 王瑩.一株降解石蠟菌株的分離鑒定及其表面活性劑的研究[D].新鄉(xiāng)：河南師范大學，2016.

收稿日期：2024-07-10

作者簡介：伏鳳艷（1988—），女，甘肅蘭州人，工程師，研究方向為環(huán)境保護。