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。實驗選取黑麥草（Lolium perenne）與耐重金屬根際細菌（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)合微生物強化（Microbial-assisted phytoremediation）因其環(huán)境友好性成為研究熱點。

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酸、鐵載體等改變根際pH和Eh，進而影響重金屬形態(tài)（如Cd²⁺→Cd-有機絡(luò)合物）。然而，傳統(tǒng)采樣分析方法（如ICP-MS）無法實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，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 實驗材料

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）

Cd²⁺/Ni²⁺離子選擇性微電極（LIX膜，Detection limit 10^-7 M）

2.2 實驗設(shè)計

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（10⁸ 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），定期補水保持濕度。

2.3 微電極監(jiān)測

采樣點：距根系表面0（根表）、1、3、5 mm處（圖1）。

測定參數(shù)：

pH和Eh：每日定點測量；

Cd²⁺/Ni²⁺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），因微生物分泌有機酸（如草酸）；

Eh變化：Eh從-125 mV升至+27 mV，反映P. putida的氧化作用；

Cd²⁺/Ni²⁺活度：根表Cd²⁺活度峰值出現(xiàn)在第20天（8.7 μM），與pH最低點吻合。

4. 討論

4.1 微生物強化植物修復(fù)的機制

酸化作用：pH降低促進CdCO₃、Ni(OH)₂等沉淀溶解（圖3）；

氧化還原調(diào)控：Eh升高使部分Ni²⁺轉(zhuǎn)化為Ni³⁺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。