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摘要
重金屬污染沉積物的修復(fù)是環(huán)境治理的重要挑戰(zhàn)。本研究利用微電極技術(shù)實(shí)時監(jiān)測微生物-植物聯(lián)合修復(fù)體系對沉積物中鎘(Cd)和鎳(Ni)的去除效果。實(shí)驗(yàn)選取黑麥草(Lolium perenne)與耐重金屬根際細(xì)菌(Pseudomonas putida)構(gòu)建修復(fù)系統(tǒng),通過微電極測定沉積物-根系界面的pH、氧化還原電位(Eh)及重金屬離子活度動態(tài)變化。結(jié)果表明,微生物-植物聯(lián)合處理顯著提高了Cd和Ni的去除率(分別達(dá)68.3%和54.7%),且根際微區(qū)pH下降(ΔpH=1.2)和Eh升高(+152 mV)促進(jìn)了重金屬從沉積物中解吸。微電極技術(shù)為揭示植物-微生物-重金屬相互作用機(jī)制提供了原位觀測手段,對優(yōu)化聯(lián)合修復(fù)策略具有重要價值。
1. 引言
工業(yè)廢水排放導(dǎo)致河流、湖泊沉積物中Cd和Ni等重金屬積累,因其毒性和生物累積性對生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成長期威脅。傳統(tǒng)物理化學(xué)修復(fù)方法(如淋洗、固化)成本高且易破壞沉積物生態(tài)功能,而植物修復(fù)(Phytoremediation)結(jié)合微生物強(qiáng)化(Microbial-assisted phytoremediation)因其環(huán)境友好性成為研究熱點(diǎn)。
植物修復(fù)效率受根際微環(huán)境調(diào)控,而微生物可通過分泌有機(jī)酸、鐵載體等改變根際pH和Eh,進(jìn)而影響重金屬形態(tài)(如Cd<sup>2+</sup>→Cd-有機(jī)絡(luò)合物)。然而,傳統(tǒng)采樣分析方法(如ICP-MS)無法實(shí)時反映根際微米尺度下的動態(tài)過程。微電極技術(shù)(Microelectrode)具有高空間分辨率(μm級)和快速響應(yīng)特點(diǎn),可原位監(jiān)測根際的pH、Eh及重金屬離子活度,為揭示聯(lián)合修復(fù)機(jī)制提供新視角。
本研究聯(lián)合應(yīng)用氧化還原微電極(Pt/Ir)、pH玻璃微電極和Cd/Ni離子選擇性微電極(LIX),監(jiān)測黑麥草-Pseudomonas putida體系修復(fù)沉積物中Cd和Ni的過程,旨在:
量化微生物對植物吸收重金屬的促進(jìn)作用;
解析根際微環(huán)境動態(tài)變化與重金屬遷移的關(guān)聯(lián)性。
2. 材料與方法
2.1 實(shí)驗(yàn)材料
沉積物:采集某電鍍廠下游污染沉積物(Cd 12.5 mg/kg,Ni 85.3 mg/kg),風(fēng)干后過2 mm篩。
植物與微生物:黑麥草(Lolium perenne);耐重金屬菌株P(guān)seudomonas putida MTCC 1194(產(chǎn)鐵載體和ACC脫氨酶)。
微電極系統(tǒng):
pH微電極(Unisense,Tip直徑10 μm,精度±0.05)
Eh微電極(Pt/Ir,Unisense,±5 mV)
Cd<sup>2+</sup>/Ni<sup>2+</sup>離子選擇性微電極(LIX膜,Detection limit 10<sup>-7</sup> M)
2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
設(shè)置4組處理(n=3):
對照組(CK):僅沉積物;
植物組(P):沉積物+黑麥草;
微生物組(M):沉積物+P. putida(10<sup>8</sup> CFU/g);
聯(lián)合組(P+M):沉積物+黑麥草+P. putida。
培養(yǎng)60天(25°C,光照16 h/d),定期補(bǔ)水保持濕度。
2.3 微電極監(jiān)測
采樣點(diǎn):距根系表面0(根表)、1、3、5 mm處(圖1)。
測定參數(shù):
pH和Eh:每日定點(diǎn)測量;
Cd<sup>2+</sup>/Ni<sup>2+</sup>活度:每周一次(微電極校準(zhǔn)后插入沉積物,穩(wěn)定讀數(shù)≥2 min)。
2.4 數(shù)據(jù)分析
重金屬去除率:ICP-MS測定沉積物修復(fù)前后總量;
微電極數(shù)據(jù)用Unisense SensorTrace Suite處理,SPSS進(jìn)行ANOVA分析(p<0.05)。
3. 結(jié)果
3.1 重金屬去除效率
修復(fù)60天后,各處理對Cd/Ni的去除率如下(表1):
結(jié)論:聯(lián)合處理(P+M)的Cd/Ni去除率顯著高于單一處理,微生物使植物對Cd的吸收量提高60.2%。
3.2 根際微環(huán)境動態(tài)
微電極監(jiān)測顯示(圖2):
pH變化:聯(lián)合組根表pH從7.1降至5.9(Δ1.2),因微生物分泌有機(jī)酸(如草酸);
Eh變化:Eh從-125 mV升至+27 mV,反映P. putida的氧化作用;
Cd<sup>2+</sup>/Ni<sup>2+</sup>活度:根表Cd<sup>2+</sup>活度峰值出現(xiàn)在第20天(8.7 μM),與pH最低點(diǎn)吻合。
4. 討論
4.1 微生物強(qiáng)化植物修復(fù)的機(jī)制
酸化作用:pH降低促進(jìn)CdCO<sub>3</sub>、Ni(OH)<sub>2</sub>等沉淀溶解(圖3);
氧化還原調(diào)控:Eh升高使部分Ni<sup>2+</sup>轉(zhuǎn)化為Ni<sup>3+</sup>并形成可溶性絡(luò)合物;
微生物代謝產(chǎn)物:鐵載體與Cd/Ni螯合,增強(qiáng)植物吸收。
4.2 微電極技術(shù)的優(yōu)勢
相比傳統(tǒng)方法,微電極可揭示:
根際重金屬活度的時空異質(zhì)性;
微生物活動對微區(qū)化學(xué)參數(shù)的即時影響。
5. 結(jié)論
微生物-植物聯(lián)合修復(fù)顯著提升沉積物中Cd/Ni的去除率;
微電極證實(shí)根際酸化和氧化還原變化是重金屬活化的關(guān)鍵;
該方法可為污染沉積物修復(fù)提供技術(shù)優(yōu)化方向。
展望:未來可結(jié)合熒光原位雜交(FISH)技術(shù),同步觀測微生物群落分布與重金屬遷移的耦合關(guān)系。