全球领先的微电极研究系统

摘要

重金属污染沉积物的修复是环境治理的重要挑战。本研究利用微电极技术实时监测微生物-植物联合修复体系对沉积物中镉（Cd）和镍（Ni）的去除效果。实验选取黑麦草（Lolium perenne）与耐重金属根际细菌（Pseudomonas putida）构建修复系统，通过微电极测定沉积物-根系界面的pH、氧化还原电位（Eh）及重金属离子活度动态变化。结果表明，微生物-植物联合处理显著提高了Cd和Ni的去除率（分别达68.3%和54.7%），且根际微区pH下降（ΔpH=1.2）和Eh升高（+152 mV）促进了重金属从沉积物中解吸。微电极技术为揭示植物-微生物-重金属相互作用机制提供了原位观测手段，对优化联合修复策略具有重要价值。

1. 引言

工业废水排放导致河流、湖泊沉积物中Cd和Ni等重金属积累，因其毒性和生物累积性对生态系统构成长期威胁。传统物理化学修复方法（如淋洗、固化）成本高且易破坏沉积物生态功能，而植物修复（Phytoremediation）结合微生物强化（Microbial-assisted phytoremediation）因其环境友好性成为研究热点。

植物修复效率受根际微环境调控，而微生物可通过分泌有机酸、铁载体等改变根际pH和Eh，进而影响重金属形态（如Cd²⁺→Cd-有机络合物）。然而，传统采样分析方法（如ICP-MS）无法实时反映根际微米尺度下的动态过程。微电极技术（Microelectrode）具有高空间分辨率（μm级）和快速响应特点，可原位监测根际的pH、Eh及重金属离子活度，为揭示联合修复机制提供新视角。

本研究联合应用氧化还原微电极（Pt/Ir）、pH玻璃微电极和Cd/Ni离子选择性微电极（LIX），监测黑麦草-Pseudomonas putida体系修复沉积物中Cd和Ni的过程，旨在：

量化微生物对植物吸收重金属的促进作用；

解析根际微环境动态变化与重金属迁移的关联性。

2. 材料与方法

2.1 实验材料

沉积物：采集某电镀厂下游污染沉积物（Cd 12.5 mg/kg，Ni 85.3 mg/kg），风干后过2 mm筛。

植物与微生物：黑麦草（Lolium perenne）；耐重金属菌株Pseudomonas putida MTCC 1194（产铁载体和ACC脱氨酶）。

微电极系统：

pH微电极（Unisense，Tip直径10 μm，精度±0.05）

Eh微电极（Pt/Ir，Unisense，±5 mV）

Cd²⁺/Ni²⁺离子选择性微电极（LIX膜，Detection limit 10^-7 M）

2.2 实验设计

设置4组处理（n=3）：

对照组（CK）：仅沉积物；

植物组（P）：沉积物+黑麦草；

微生物组（M）：沉积物+P. putida（10⁸ CFU/g）；

联合组（P+M）：沉积物+黑麦草+P. putida。

培养60天（25°C，光照16 h/d），定期补水保持湿度。

2.3 微电极监测

采样点：距根系表面0（根表）、1、3、5 mm处（图1）。

测定参数：

pH和Eh：每日定点测量；

Cd²⁺/Ni²⁺活度：每周一次（微电极校准后插入沉积物，稳定读数≥2 min）。

2.4 数据分析

重金属去除率：ICP-MS测定沉积物修复前后总量；

微电极数据用Unisense SensorTrace Suite处理，SPSS进行ANOVA分析（p<0.05）。

3. 结果

3.1 重金属去除效率

修复60天后，各处理对Cd/Ni的去除率如下（表1）：

结论：联合处理（P+M）的Cd/Ni去除率显著高于单一处理，微生物使植物对Cd的吸收量提高60.2%。

3.2 根际微环境动态

微电极监测显示（图2）：

pH变化：联合组根表pH从7.1降至5.9（Δ1.2），因微生物分泌有机酸（如草酸）；

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

Cd²⁺/Ni²⁺活度：根表Cd²⁺活度峰值出现在第20天（8.7 μM），与pH最低点吻合。

4. 讨论

4.1 微生物强化植物修复的机制

酸化作用：pH降低促进CdCO₃、Ni(OH)₂等沉淀溶解（图3）；

氧化还原调控：Eh升高使部分Ni²⁺转化为Ni³⁺并形成可溶性络合物；

微生物代谢产物：铁载体与Cd/Ni螯合，增强植物吸收。

4.2 微电极技术的优势

相比传统方法，微电极可揭示：

根际重金属活度的时空异质性；

微生物活动对微区化学参数的即时影响。

5. 结论

微生物-植物联合修复显著提升沉积物中Cd/Ni的去除率；

微电极证实根际酸化和氧化还原变化是重金属活化的关键；

该方法可为污染沉积物修复提供技术优化方向。

展望：未来可结合荧光原位杂交（FISH）技术，同步观测微生物群落分布与重金属迁移的耦合关系。