摘要

重金屬污染沉積物的修復是環境治理的重要挑戰。本研究利用微電極技術實時監測微生物-植物聯合修復體系對沉積物中鎘（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）構建修復系統，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變化。結果表明，微生物-植物聯合處理顯著提高了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，對優化聯合修復策略具有重要價值。

1. 引言

工業廢水排放導致河流、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系統構成長期威脅。傳統物理化學修復方法（如淋洗、固化）成本高且易破壞沉積物生態功能，而植物修復（Phytoremediation）結合微生物強化（Microbial-assisted phytoremediation）因其環境友好性成為研究熱點。

植物修復效率受根際微環境調控，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（如Cd²⁺→Cd-有機絡合物）。然而，傳統采樣分析方法（如ICP-MS）無法實時反映根際微米尺度下的動態過程。微電極技術（Microelectrode）具有高空間分辨率（μm級）和快速響應特點，可原位監測根際的pH、Eh及重金屬離子活度，為揭示聯合修復機制提供新視角。

本研究聯合應用氧化還原微電極（Pt/Ir）、pH玻璃微電極和Cd/Ni離子選擇性微電極（LIX），監測黑麥草-Pseudomonas putida體系修復沉積物中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；

解析根際微環境動態變化與重金屬遷移的關聯性。

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），風干后過2 mm篩。

植物與微生物：黑麥草（Lolium perenne）；耐重金屬菌株Pseudomonas putida MTCC 1194（產鐵載體和ACC脫氨酶）。

微電極系統：

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 實驗設計

設置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）；

聯合組（P+M）：沉積物+黑麥草+P. putida。

培養60天（25°C，光照16 h/d），定期補水保持濕度。

2.3 微電極監測

采樣點：距根系表面0（根表）、1、3、5 mm處（圖1）。

測定參數：

pH和Eh：每日定點測量；

Cd²⁺/Ni²⁺活度：每周一次（微電極校準后插入沉積物，穩定讀數≥2 min）。

2.4 數據分析

重金屬去除率：ICP-MS測定沉積物修復前后總量；

微電極數據用Unisense SensorTrace Suite處理，SPSS進行ANOVA分析（p<0.05）。

3. 結果

3.1 重金屬去除效率

修復60天后，各處理對Cd/Ni的去除率如下（表1）：

結論：聯合處理（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 根際微環境動態

微電極監測顯示（圖2）：

pH變化：聯合組根表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）；

氧化還原調控：Eh升高使部分Ni²⁺轉化為Ni³⁺并形成可溶性絡合物；

微生物代謝產物：鐵載體與Cd/Ni螯合，增強植物吸收。

4.2 微電極技術的優勢

相比傳統方法，微電極可揭示：

根際重金屬活度的時空異質性；

微生物活動對微區化學參數的即時影響。

5. 結論

微生物-植物聯合修復顯著提升沉積物中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鍵；

該方法可為污染沉積物修復提供技術優化方向。

展望：未來可結合熒光原位雜交（FISH）技術，同步觀測微生物群落分布與重金屬遷移的耦合關系。