电动力强化植物修复土壤重金属的研究进展马科峰

应用化工AppliedChemicalIndustryISSN1671-3206,CN61-1370/TQ《应用化工》网络首发论文题目：电动力强化植物修复土壤重金属的研究进展作者：马科峰，王海芳，卢静，王改玲DOI：10.16581/j.cnki.issn1671-3206.20181227.033网络首发日期：2018-12-28引用格式：马科峰，王海芳，卢静，王改玲．电动力强化植物修复土壤重金属的研究进展[J/OL]．应用化工.网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶段。录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合《出版管理条例》和《期刊出版管理规定》的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他侵权行为；稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容，只可基于编辑规范进行少量文字的修改。出版确认：纸质期刊编辑部通过与《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司签约，在《中国学术期刊（网络版）》出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为《中国学术期刊（网络版）》是国家新闻出版广电总局批准的网络连续型出版物（ISSN2096-4188，CN11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首发论文视为正式出版。应用化工电动力强化植物修复土壤重金属的研究进展马科峰1王海芳1卢静1王改玲2（1.中北大学环境与安全工程学院，太原030051）（2.山西农业大学资源环境学院，晋中030801）通信作者王海芳，女，副教授，研究方向：污染土壤生物修复。E-mail：[e-mail]。摘要电动力强化植物进行土壤重金属修复是一种创新型土壤修复技术，对提升植物修复效率具有巨大潜力。探寻并优化对各种影响参数，如电动条件及添加剂联用，已成为目前重要研究内容。本文由植物修复优缺点出发，介绍了电动强化技术及其作用机理，总结了影响强化效率的各个参数，并指出了该技术存在问题及研究方向。笔者认为,随着不断完善和发展,电动力强化技术将会在植物修复领域发挥重要作用。关键词电动力强化植物修复土壤修复重金属中图分类号X53；文献标志码AProgressonElectrokinetic-enhancedPhytoremediationofHeavyMetalContaminatedSoilMAKe-feng1WANGHai-fang1LUJing1WANGGai-ling2(1.SchoolofEnvironmentandSafetyEngineering,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051)(2.CollegeofResourcesandEnvironment,ShanxiAgriculturalUniversity,Jinzhong030801)AbstractElectrokinetic-enhancedphytoremediationofsoilheavymetalsisaninnovativesoilremediationtechnology,whichhasgreatpotentialforimprovingphytoremediationefficiency.Ithasbecomeanimportantresearchcontenttoexploreandoptimizevariousinfluencingparameters,suchaselectricconditionsandsoiladditives.Basedontheadvantagesanddisadvantagesofphytoremediation,thispaperintroducestheelectric-enhancedtechnologyanditsmechanism,summarizesthevariousparametersaffectingthestrengthenefficiency,andpointsouttheproblemsandresearchdirectionsofthetechnology.Theauthorbelievesthatwiththecontinuousimprovementanddevelopment,theelectrokinetic-enhancedtechnologywillplayanimportantroleinthefieldofphytoremediation.Keywordselectrokinetic-enhancedphytoremediationsoilremediationheavymetal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，基金项目：山西省科技发展计划（农业）项目（20140311008-5）。作者简介：马科峰，男，硕士研究生，研究方向：污染土壤生物修复。E-mail：[e-mail]。网络首发时间：网络首发地址：2018-12-2817:09:30应用化工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]。仓龙等人[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等人[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等人[20]通过盆栽试验对电动强化植物修复效果进行了证明。试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等人[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12cm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。ZhouDM等人[5]对黑麦草重金属修复试验中施以垂直直流电场（表层阳极，深层阴极），结果发现：垂直马科峰等电动力强化植物修复土壤重金属的研究进展3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等人[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。苍龙等人[2