电动力强化植物修复土壤重金属的研究进展

马科峰，王海芳，卢静，王改玲

(1.中北大学 环境与安全工程学院，山西 太原 030051；2.山西农业大学 资源环境学院，山西 晋中 030801)

植物修复是一种廉价、生态友好型原位修复技术，该技术以植物为修复手段进行重金属的提取、转移及转化，以实现清洁污染土壤的目的[1]。然而单一的植物土壤修复仍存在诸多限制，如植物生长缓慢、生物量低、重金属转移系数低、土壤重金属生物有效性低等，严重影响了重金属修复效率[2-3]。因此，如何活化土壤重金属、提高植物对重金属吸收能力、增强植物生物量，成为提高植物修复效率的研究重点。

将电动力引入植物修复，可有效活化土壤重金属、增强植物对重金属的富集与转运，提高植物修复效率[4]。此外研究表明，电动力技术的应用还具有控制重金属淋溶风险、净化深层土壤等作用[5-6]。因此，在土壤重金属植物修复研究中，电动力强化技术受到广泛关注。

1 技术简介及强化机理

电动力强化植物修复系统主要由外加电源、电极对、污染土壤及植物组成。在植物修复过程中，对修复区土壤施以外加电场，可有效提高土壤可溶性重金属含量，并通过电动力作用驱动重金属向植物根部迁移，促进植物对重金属的吸收，提高植物修复效率。

一般认为，电动强化机理包括：提升土壤重金属生物利用度、强化植物生长代谢及影响土壤微生物生命活动。

其一，电场可有效提升土壤重金属的生物利用度。包括两个方面，即提高土壤可溶性重金属含量、促进重金属向根部迁移。土壤重金属的存在形态决定了其生物可利用性，诸如沉淀或与土壤颗粒结合力强等过程使得大部分土壤重金属不可溶并且不能用于植物吸收[7]。而在电动作用下，阳极区水解酸化、解吸、活化土壤重金属，可显著提高土壤液中溶解态重金属含量[8]；此外，就重金属输送而言，植物修复是一种被动修复技术，土壤中重金属的流动完全是由缓慢的植物根系吸力引起的[9]。而在电渗析、电迁移、电泳等电动力作用下，重金属可有效向根系迁移，方便根系的捕集与吸收[10]。

其二，影响植物生长代谢。电场可改变植物酶活性、膜通透性、胞内水分子状态，增强植物抗逆性，促进植物光合作用，进而增加植物生物量及对重金属的吸收和转运[11-13]。仓龙等[14]研究表明，电动作用下，印度芥菜可通过限制Cd向细胞质体转移、促进Cd向活性较低结合态转变等方式降低Cd的生物毒性，提升对Cd的固定与积累。

其三，影响根际微生物。根际微生物可通过菌根、内生菌等方式与根系形成联合体,优化根际环境、促进根系发展、增强植物抗性,增强植物吸收和向上转运重金属的能力[15]。适宜的电场强度可丰富根际微生物多样性、促进微生物代谢水平，间接增强植物修复效率[16-18]。

2 影响参数

早期对电动强化技术的研究，主要以农业增产为目的，20世纪初，Lemstrom[19]发现将电场应用于植物生长，可促使植物长得更绿，并起到增产作用。21世纪初，Denvir等[9]提出可将电场应用于植物修复，通过控制土壤中带电污染物向根部移动，有效提高植物修复效率。之后，O’Connor等[20]通过盆栽试验对电动强化植物修复效果进行了证明。实验选取黑麦草为修复植物，施以直流电场，结果表明，阴极区黑麦草对铜的吸收得到增强；由阳极到阴极，土壤重金属呈现逐渐递增的再分布特征。然而，电场作用下两极区土壤酸碱化、阳极酸化抑制黑麦草生长等不利影响也被发现。至此，人们从各个方面对电动强化技术的影响因素进行了探究，以进一步放大其修复效果并消除负面效应。

2.1 电动参数

2.1.1 电场类型(直流电场/交流电场) 电场的运用均可显著增加土壤可溶态重金属含量，促进植物对重金属的吸收与富集，但不同电场类型(直流电场/交流电场)还具有不同的效应。直流电场可显著增强土壤重金属的流动性，促使可溶态重金属向根部定向迁移。然而直流电场会产生阴阳区土壤酸碱化、两极区植物生长抑制等负面效应。相对而言，交流电场不会产生土壤酸碱化、抑制植物生长等负面效应，但对增强重金属流动性作用有限，不能促进可溶态重金属向根部的定向迁移[21-22]。此外，交流电场更利于促进重金属由植物根部向地上部的转运，有利于土壤重金属的回收与利用[23]。Aboughalma等[23]分别使用交流电和直流电对重金属污染土壤的植物修复效果进行了研究。结果发现，直流电场作用下，阳极区附近pH最低为3，阴极区附近pH最高为8；土壤重金属呈现明显再分布现象，在距阳极12 cm处明显富集；对植物生物量产生27%抑制作用。而交流电场作用下没有明显pH变化及重金属再分布现象；对植物生物量具有72%的提升作用；同时促进重金属由地下部向地上部的转运。相同的是，无论交流电还是直流电均可提高植物体内重金属含量，促进对重金属的吸收。

2.1.2 电极配置 电场配置类型决定了电场方向及土壤重金属迁移方向，常用的电场配置类型为一维的水平电场和垂直直流电场。水平直流电场的运用可促进重金属横向迁移，而无法促进土壤重金属纵向迁移。Zhou等[5]对黑麦草重金属修复实验中施以垂直直流电场(表层阳极，深层阴极)，结果发现，垂直电场可有效促进带负电荷的Cu、Zn配合物由深层向表层迁移，提高表层土壤重金属含量；促进植物对重金属的富集与转运；且垂直直流电场的运用对深层土壤净化及有效控制重金属淋溶风险具有重要作用。

此外，Putra等[6]首次将一种二维电极结构(阴极水平放置于土壤表面，4个阳极垂直置于四周)应用于深层土壤重金属迁移强化及植物修复效果研究。研究表明，该二维电极结构可有效地促进铅离子从土壤深层向表层迁移；并显著提高早熟禾对重金属Pb的富集与转运。该研究突破了局限于一维电极的研究，同时证明了电动强化技术对深层土壤修复的可行性。植物根系一般较浅，对浅层土壤污染的修复最为有效，对深层土壤污染修复能力较差[24]。因此垂直直流电场及该二维电极配置也对浅根系富集植物的深层土壤修复具有重要意义。

2.1.3 电场运用方式(单向电场/交换电场) 单向直流电场可显著提高植物对重金属的修复效率，但正负极上的电极反应会导致土壤酸碱化，并可能对植物生长产生抑制作用，为避免其不利影响，周期性改变电场方向可能成为一种有效手段。苍龙等[25]以黑麦草为修复作物对单向直流电场与水平交换电场(周期性改变电场方向)的影响效果进行了研究。结果表明，两种电场运用方式均可促进植物生长及对Cu的吸收；与单向直流电场相比，交换电场可有效控制土壤pH变化，且有利于重金属向土壤中部富集，便于植物吸收；然而与单向直流电场相比，交换电场对植物修复的强化效果略显不足。而徐海舟[26]以东南景天为修复作物，比对两种电场运用方式，结果表明，交换电场强化效果更优于单向直流电场,这可能与植物类别及土质等因素有关，仍需进一步研究。

2.1.4 电压梯度 电压是土壤重金属迁移的主要动力，过强及过弱电场均不利于植物对重金属的去除。如果电场过强，根际区重金属浓度集聚过高，可能对植物造成毒害作用，抑制其生长。此外，根系吸收污染物速率有限，导致一部分污染物很快经过根部，却没来得及被吸收，浪费电力；如果电场过弱，根际区污染物耗尽过快，根际区污染物却得不到及时补充，从而延长了修复时间。此外，过弱电场不能对植物生长起到应有刺激作用。Long等[27]提出，电压强度是影响植物修复效率的最重要因素。他们采用直流电源，系统比较了4个电压梯度(0，1，2，4 V/cm)对印度芥菜修复效率的影响。除了一般性结论：电场能促进植物对重金属的吸收；电场可引起电极间可提取态金属的再分配。实验发现，中等电压强度(2 V/cm)可促使印度芥菜产生最高的重金属积累量，具有最高修复效率。然而不同实验条件下，植物最适电压梯度可能不同，聂斌[28]发现直流电场对烟草和灯心草镉富集量的最佳电压强度分别为0.6 V/cm和1 V/cm。

2.1.5 通电时间 通电时间决定了土壤重金属迁移及滞留时间，适宜时长的通电、间歇有利于重金属根际富集及根系吸收，此外，适宜的通电时长有利于促进植物生物量的提升，因此适宜通电时间对植物修复效率具有重要意义。姚桂华[22]对不同通电天数(0，20，40 d)下的植物修复效率进行了比较。结果表明，20 d时，交流电场对东南景天修复效率具有最高促进作用，40 d时修复效率明显减弱。徐海舟[26]研究了日通电时间(0，6，24 h/d)对东南景天修复Cd污染土壤的影响，实验表明，6 h/d条件下，东南景天具有最高的生物量及重金属吸收量，达显著水平。聂斌[28]发现直流电场强度为1 V/cm时，通电时间8 h/d可促使灯心草具有最高生物量及重金属吸收量。

2.2 添加剂联用

合理施入添加剂可有效改善污染土壤理化性质、促进植物生长、提高可溶性重金属含量、提高转移系数[29-31]，通过重金属电动力驱动及进一步强化，可能进一步提高植物修复效率。目前联用的添加剂有EDTA、EDDS、腐殖酸、有机肥等。

Lim等[32]将EDTA与电动——植物修复进行联用，进行土壤Pb修复。结果表明，添加EDTA可以显著增加印度芥菜茎中铅的积累。此外，在直流电场作用下，植物修复效率还可增加2～4倍，大幅提高修复效率，然而EDTA的使用会加剧重金属淋溶风险。为此，Zhou等[5]通过将EDTA、EDDS与垂直电场进行联用，在提高黑麦草对Cu修复效率的同时，成功有效地控制了重金属淋溶风险。

肖文丹等[4]研究表明，EDTA(5 mmol/kg)、腐殖酸肥(10 g/kg)、猪粪堆肥(5 g/kg)与电动作用(1.0 V/cm)均能显著提高土壤有效态镉含量，促进东南景天对镉的吸收与转运，其中猪粪堆肥和腐殖酸肥联合交换直流电场可显著提高东南景天地上部镉积累量，分别提高135%，100%，EDTA联合交换直流电场作用较弱，仅为27%。然而徐海舟[26]对EDTA(0.3 g/kg)、腐殖酸(0.3 g/kg)、有机肥(3 g/kg)与电动作用(0.5～2 V/cm)的研究表明，腐殖酸对直流电场——东南景天修复Cd污染土壤效果最佳，EDTA次之，而有机肥基本无影响；姚桂华[22]将沼渣、菌渣和笋壳三种有机物料与交流电场进行联用，也发现对植物修复效果并不理想。其差异性结果可能与添加剂含量及电动参数、土质类型、植物类型等有关。

此外，苍龙等[25]将EDDS与直流电场联用，发现联合作用可能导致土壤重金属生物利用度过高，进而抑制黑麦草生长。其结果一方面表明了联用效果对土壤有效态重金属的极大提升作用，另一方面也表明有效组合适宜电压强度及添加剂含量对提升植物修复效率具有重要意义。

2.3 综合效应

一般地，交流电与直流电均有促进植物修复的作用，但直流电会导致土壤酸碱化，采用交流电或周期性改变直流电场方向(交换电场)可有效防止土壤pH变化；垂直电场与二维电场均能促进土壤重金属由深层向表层迁移，提高植物修复效率，并有效控制淋溶风险；电压强度是影响植物修复的主要因素，选用适宜强度电场及通电时间，对强化效果及能量损耗起着决定性作用；添加剂的联用可显著活化土壤重金属，但可能加剧重金属淋溶风险。然而受植物类型及土质影响，同样强化参数可能对修复效果产生不同影响[22，28，33]。徐海舟[26]综合考虑了直流条件下电压梯度(0.5，1.0，1.5，2.0 V/cm)、通电时间(0，3，6，9 h/d)、电场方向(单向电场、周期性转换电场)、添加剂(EDTA、有机肥、腐植酸)等各种因素对东南景天修复Cd污染土壤的影响。实验表明，单向直流电条件下，电压强度1.0 V/cm、通电时间6 h/d，对东南景天Cd提取效果最佳，较无电场下提升5.28倍；交换直流电场与单向直流电场相比，对修复效果无显著差异，且不改变土壤pH；与腐植酸联用对东南景天Cd吸收、转运效果最佳。Luo等[34]在实地修复实验中，对直流电场与交流电场的强化作用、时间成本、浸出风险和能量消耗进行了比较。他们认为，综合考虑时间成本、浸出风险和能量消耗，工程应用中应选择中等强度直流电场作为最佳条件。

3 结论及展望

目前，电动强化植物修复重金属污染土壤已经取得一些研究成果。研究表明，该技术对于提高植物生物量、提高植物对重金属的吸收与转运，提升植物修复效率具有重要意义。已经研究的影响参数包括添加剂联用及类型、电流类型(直流/交流)、电场施加模式(单向/交换)、电压强度、电极结构、通电时间等，并对不同参数的综合效应进行了组合研究。然而受植物类型及土质等影响，相同电动参数下植物修复效果可能不尽相同；此外，目前研究主要是室内盆栽、模拟实验，对室外实地修复实验研究很少；电动强化植物修复的内在机理还未被完全阐明；添加剂的选择与联用，应综合考虑修复效率、经济成本、生态效应等问题。因此还需要进行更多研究以实现工程应用。