电动力学辅助植物修复重金属污染土壤的特征机制与机遇

摘 要

土壤重金属污染具有污染过程复杂、危害突出和修复困难等特点，修复刻不容缓。电动力学辅助植物修复（EKAPR）致力于弥补电动力学和植物修复各自劣势，协同发挥二者优势，解决电动力学无法彻底清除土壤重金属和植物修复缓慢、作用范围有限等突出问题。本文通过分层总结，归纳了电动力学辅助植物修复重金属的研究现状、影响类型与作用特征、相互作用关系及强化修复机制等。综述表明，EKAPR体系电动力学和植物相互作用，存在有利或不利于重金属清除的影响，在克服自身的局限方面两者也存在很多协同效应；EKAPR过程主要受电场类型、电场布置与强度、pH演变、添加剂等的控制。电动力学通过改善重金属的空间及形态分布，促进养分吸收及刺激根际分泌等作用机制，可有效提高重金属植物吸收富集及污染土壤修复效果。EKAPR被认为是新颖、绿色、可持续的原位重金属污染场地修复技术，在实现污染场地修复方面具有较大发展前景。分析表明，现有研究工作开展较少，若干技术问题和应用挑战仍然存在。加大关键变量影响特征分析及调控、电动力学辅助下植物营养与重金属分布变化机制、累积特征及强化机制研究是克服难点及推动EKAPR技术应用的关键。

图表摘要

图1 电动力学修复污染土壤的过程与原理

图2 Lasagna技术工艺原理图

图3EKAPR典型实验装置示意图

图4EKAPR重金属污染土壤的影响条件及因子类型

图5EKAPR不同维度的典型电极布置图

图6 EKAPR重金属污染土壤的作用机制

表1 EKAPR重金属污染土壤的研究成果

展 望

EKAPR重金属污染土壤在一定程度上既可改善植物修复重金属生物活性低、根系可达范围有限、生长慢、耗时长等问题，也可克服电动力学难以将重金属从土壤中直接移除的不足，在土壤污染修复上具有较大的发展潜力。综述表明，EKAPR技术研究尚处于实验室研究阶段，修复土壤污染目标对象多为重金属，研究重点集中于电动力学辅助对植物生长、土壤理化指标、微生物数量、部分营养物、活性酶和重金属吸收富集量的影响等方面。EKAPR重金属污染土壤存在诸多有利与不利的作用过程，其主要影响因素可归纳为电动力学参数、植物条件、土壤类型、重金属污染特征和添加辅助物5个方面。电压梯度被认为是关键因素，对其调控必须考虑场地土壤性质和植物的电响应特征，应综合把控电动力学的正负效益以选择适宜的电压梯度。电动力学介入有利于土壤养分释放，一定程度可促进植物的生长发育，改善重金属形态分布和迁移聚集，使得重金属离子根系可达并促进吸收富集量。电动力学作用依然会导致土壤的酸碱化，对土壤微生物、酶活性及植物生长产生不利于影响，但这些电场的不利影响很大程度上能被植物消除或部分抵消。目前，EKAPR重金属污染土壤的研究缺乏针对复杂污染场地的修复研究，涉及的植物种类较少，尤其是那些有前景的超富集植物。EKAPR复合生态系统中土壤理化性质特征、土壤动物及微生物和重金属形态演变特征及调控技术尚未明晰，电动力学辅助对超富集植物根际形态演变过程和重金属植物吸收富集特征的影响机理仍不明确，尚未见场地应用示范研究及规模化推广应用。为加快推进EKAPR的重金属污染场地修复应用，有必要对影响EKAPR系统“电场-植物-土壤-重金属离子”间相互作用的机理及调控方法进行深入研究。所以未来应重点关注以下几个方面：①加大对有前景的超富集植物的选择及测试研究，同时注重不同生态位修复植物系统的构建；②深入研究电动力学参数对土壤理化性质、植物生理及代谢、土壤微生物群落等生物地球化学行为的影响及作用机制，同时以EKAPR作用机制为指导，开展电动力学施加方式、时段和时间等调控研究，优化减少EKAPR电能消耗；③将EKAPR体系按复合生态系统理论来思考，在以土壤污染物去除为目标来研究EKAPR优化条件时，应保障EKAPR复合生态平衡及良性循环；④重点对电动力学辅助下土壤营养物质及重金属水土介质分配特征与分布变化开展研究；⑤从分子生物学角度，探究电动力学辅助对植物吸收富集土壤重金属的吸收、转运、累积等生理代谢过程及基因表达的影响。