生物磁效應(yīng)在環(huán)境污染治理與修復(fù)中的應(yīng)用

李衛(wèi)平，張明天,，張列宇，杜彩麗,3，祝秋恒,4，李曉光*

1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

2.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院

3.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

4.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院

磁場(chǎng)是一種具有特殊能量的場(chǎng)。20世紀(jì)初，法拉第觀察到在外部磁場(chǎng)與內(nèi)部分子磁性的相互作用下，分子性質(zhì)、分子反應(yīng)及分子環(huán)境發(fā)生了變化。所有生物體自身均具有磁場(chǎng)，外加磁場(chǎng)或者特殊磁場(chǎng)可以對(duì)生物體的組織和代謝產(chǎn)生影響[1-3]。研究發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)會(huì)使含有過(guò)渡金屬離子的蛋白質(zhì)和酶具有順磁性，導(dǎo)致酶活性增加[4]。磁場(chǎng)能夠改善細(xì)胞膜的通透性，增強(qiáng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，從而促進(jìn)物質(zhì)的合成[5]。磁場(chǎng)也可以通過(guò)跨膜信息傳遞、電子轉(zhuǎn)移、基因表達(dá)以及酶活性等多種機(jī)制調(diào)控生物的生長(zhǎng)和代謝[6-7]。自由基機(jī)制是磁場(chǎng)影響生物化學(xué)系統(tǒng)相互作用的主要機(jī)制[8]。該機(jī)制存在于ATP的酶合成、DNA的復(fù)制和蛋白質(zhì)的酶磷酸化3個(gè)至關(guān)重要的細(xì)胞過(guò)程中。磁場(chǎng)改變自由基的自旋狀態(tài)并引起自由基順磁共振，進(jìn)而導(dǎo)致生物體生長(zhǎng)代謝發(fā)生改變[9]。

近年來(lái)，磁場(chǎng)誘導(dǎo)微生物磁效應(yīng)在水體、土壤、固體廢物等環(huán)境污染治理過(guò)程中的作用得到了普遍關(guān)注。筆者系統(tǒng)分析了磁場(chǎng)對(duì)生物酶活性、微生物群落特征及生物細(xì)胞的影響，重點(diǎn)闡明了磁場(chǎng)微生物效應(yīng)在水體、土壤及固體廢物處理等環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，并提出未來(lái)磁場(chǎng)微生物效應(yīng)在環(huán)境領(lǐng)域的優(yōu)化方向及應(yīng)用展望，以期為微生物磁效應(yīng)強(qiáng)化水體、土壤、固體廢物等環(huán)境介質(zhì)的修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 磁場(chǎng)生物學(xué)效應(yīng)

1.1 磁場(chǎng)對(duì)生物酶活性的影響

酶是生命體內(nèi)重要的物質(zhì)，參與生命系統(tǒng)中許多生化反應(yīng)，如消化、光合作用、呼吸作用和新陳代謝等。外加磁場(chǎng)通過(guò)影響酶活性進(jìn)而影響生物從生長(zhǎng)到衰亡的全過(guò)程，包括生物的形態(tài)、生長(zhǎng)以及代謝等過(guò)程[10]。生物產(chǎn)生的很多酶或蛋白質(zhì)中含有少量的鋅、錳、鐵、銅等過(guò)渡金屬，這些金屬具有順磁性。施加磁場(chǎng)后金屬沿磁場(chǎng)方向排列，同時(shí)對(duì)酶的三維結(jié)構(gòu)、酶內(nèi)自由電子躍遷產(chǎn)生影響，打破分子內(nèi)部的穩(wěn)態(tài)，從而影響酶活性。栗杰等[11]研究發(fā)現(xiàn)，在桿菌、螺旋菌等細(xì)菌體內(nèi)含有鐵等金屬離子，對(duì)磁場(chǎng)具有很高的敏感性。磁場(chǎng)對(duì)不同種類(lèi)生物酶產(chǎn)生的磁效應(yīng)有很大差異，如當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為100～500 mT時(shí)，細(xì)菌中酶活性會(huì)受到嚴(yán)重抑制，而放線菌、真菌等生長(zhǎng)則受到激活[12]，磁場(chǎng)對(duì)白色念珠菌中酶活性具有促進(jìn)作用，但會(huì)嚴(yán)重抑制葡萄糖菌的生長(zhǎng)[13]。磁場(chǎng)對(duì)不同生物種類(lèi)的相同酶所產(chǎn)生的磁效應(yīng)亦存在較大差別，如Amara等[14]發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為250 mT時(shí)，巨噬細(xì)胞的谷胱甘肽過(guò)氧化物酶（GPx）和超氧化物歧化酶（SOD）沒(méi)有發(fā)生改變，而Kurzeja等[15]發(fā)現(xiàn)，靜磁場(chǎng)（400、600和700 mT）可以降低氟離子對(duì)小鼠成纖維細(xì)胞的氧化應(yīng)激，并使GPx和SOD的活性正常化?？梢?jiàn)，磁場(chǎng)通過(guò)對(duì)生物酶的改變進(jìn)而影響生物的生命活動(dòng)。

1.2 磁場(chǎng)對(duì)微生物生長(zhǎng)代謝特征的影響

磁場(chǎng)對(duì)微生物的影響較為復(fù)雜，磁場(chǎng)會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生不同程度的刺激作用，但原理尚不明確。當(dāng)磁場(chǎng)作用于微生物時(shí)，微生物體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)效應(yīng)，這種效應(yīng)可能是正的，也可能是負(fù)效應(yīng)，從而抑制微生物的生長(zhǎng)[16]。磁場(chǎng)對(duì)微生物最直接的影響是微生物的生長(zhǎng)狀態(tài)。Ren等[17]研究發(fā)現(xiàn)，低強(qiáng)度磁場(chǎng)（15～25 mT）提高了細(xì)胞膜的通透性，增強(qiáng)了油脂降解菌的活性。Haghi等[18]研究發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，外加磁場(chǎng)（16 mT）增加了大腸桿菌的數(shù)量，并且死亡時(shí)期細(xì)菌衰死速度變緩。Mohtasham等[19]通過(guò)控制培養(yǎng)液中pH（pH=7），添加10 mT的磁場(chǎng)后，發(fā)現(xiàn)桿菌肽濃度顯著提高，最高達(dá)到89%。Wang等[20]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)添加48.0 mT的磁場(chǎng)時(shí)，提高了亞硝酸鹽氧化菌的活性，促進(jìn)亞硝酸鹽氧化菌的生長(zhǎng)。但也有研究發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)會(huì)抑制部分微生物（如Serratia marcescens和Escherichia coli）的生長(zhǎng)[21-22]。Filipi?等[23]研究發(fā)現(xiàn)，17 mT的靜磁場(chǎng)會(huì)對(duì)廢水處理過(guò)程2種微生物（大腸桿菌和假單胞菌）的生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制，但卻提高了體內(nèi)脫氫酶活性和ATP濃度，可能的解釋是微生物對(duì)磁場(chǎng)有應(yīng)激反應(yīng)。Xu等[24]研究了不同強(qiáng)度的磁場(chǎng)有利于優(yōu)勢(shì)菌株的生長(zhǎng)和繁殖，特別是對(duì)具有Cr（Ⅵ）還原能力的短桿菌和芽孢桿菌處理效果更好。Ji等[22]發(fā)現(xiàn)，在靜磁場(chǎng)作用下，大腸埃希菌的存活率隨著作用時(shí)間的延長(zhǎng)而減弱。由此可見(jiàn)，磁場(chǎng)性質(zhì)、磁場(chǎng)強(qiáng)度及作用時(shí)間不同，磁場(chǎng)對(duì)不同種類(lèi)微生物產(chǎn)生的影響亦不同[2]。

1.3 磁場(chǎng)對(duì)生物細(xì)胞構(gòu)型的影響

磁場(chǎng)的施加可能會(huì)對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)、基因表達(dá)、細(xì)胞膜通透性等產(chǎn)生影響[25-26]。Albuquerque等[27]系統(tǒng)總結(jié)了磁場(chǎng)強(qiáng)度、細(xì)胞類(lèi)型和暴露時(shí)間對(duì)細(xì)胞或細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)靜態(tài)磁場(chǎng)可能影響細(xì)胞的蜂窩系統(tǒng)，進(jìn)而對(duì)生物分子的敏感性、細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)修飾和酶反應(yīng)變化產(chǎn)生影響。Ghodbane等[26]研究發(fā)現(xiàn)，靜磁場(chǎng)的添加引起活性氧（ROS）和順磁自由基氧活性的增加，從而引起DNA斷裂、凋亡和氧化應(yīng)激。許燕濱[28]發(fā)現(xiàn)，施加100 mT的外加磁場(chǎng)可引起細(xì)胞膜的磷脂雙分子層結(jié)構(gòu)重構(gòu)，從而影響生物膜的通透性。Goto等[29]報(bào)道了大鼠海馬神經(jīng)元的Ntan1基因在100 mT靜態(tài)磁場(chǎng)下受到影響。Jouni等[30]觀察到在自然輻射條件下，預(yù)培養(yǎng)的Viciafaba細(xì)胞暴露在15 mT靜態(tài)磁場(chǎng)中時(shí)，染色體畸變（橋、片段和滯后染色體）和染色體數(shù)量顯著增強(qiáng)。Zhang等[31]發(fā)現(xiàn)較高磁場(chǎng)強(qiáng)度靜磁場(chǎng)（9 000 mT）可以顯著增加soxR和sodAsodB突變體的突變概率。Chater等[32]研究發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)磁場(chǎng)下生物大分子結(jié)構(gòu)易受到磁場(chǎng)影響，甚至造成DNA堿基發(fā)生突變。Shankayi等[33]發(fā)現(xiàn)，磁場(chǎng)強(qiáng)度在500～5 000 mT時(shí)，可引起癌細(xì)胞DNA堿基突變，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變低。然而，也有研究顯示，不同磁場(chǎng)強(qiáng)度與基因表達(dá)、DNA分子結(jié)構(gòu)破壞之間無(wú)明顯相關(guān)性。如Jouni等[30-31]研究發(fā)現(xiàn)，磁場(chǎng)強(qiáng)度（15～3 700 mT）、持續(xù)暴露時(shí)間等與基因表達(dá)和DNA分子結(jié)構(gòu)破壞之間無(wú)明顯相關(guān)性?？梢?jiàn)，對(duì)磁場(chǎng)影響生物大分子結(jié)構(gòu)的機(jī)理還需開(kāi)展進(jìn)一步研究。

2 生物磁效應(yīng)在環(huán)境治理中的應(yīng)用

2.1 在廢水處理中的應(yīng)用

2.1.1 對(duì)重金屬去除的影響

外加磁場(chǎng)能夠影響廢水處理中重金屬的去除效果，一方面，磁場(chǎng)可以增大微生物對(duì)重金屬的吸附容量，進(jìn)而提高重金屬去除率。例如，靳小蓓[34]采用磁場(chǎng)與微生物固定技術(shù)處理酸性鍍銅廢水，發(fā)現(xiàn)在引入磁場(chǎng)后微生物對(duì)重金屬的吸附效能顯著提高，在氣水比為0.5、水力停留時(shí)間為5 h、初始濃度為50 mg/L、載體中心磁場(chǎng)強(qiáng)度為14 mT時(shí)，銅去除率最高達(dá)到89.98%。另一方面，磁場(chǎng)可以促進(jìn)優(yōu)勢(shì)菌株的生長(zhǎng)和繁殖，強(qiáng)化對(duì)重金屬的去除能力。Xu等[24]研究發(fā)現(xiàn)，不同強(qiáng)度（2.4、6、10、17.4 mT）的靜磁場(chǎng)均能夠促進(jìn)Cr（Ⅵ）污染廢水中短桿菌屬和芽孢桿菌屬的生長(zhǎng)，與對(duì)照組相比微生物數(shù)量提高32%～65%，且對(duì)Cr（Ⅵ）具有還原能力，當(dāng)暴露在 6 mT磁場(chǎng)時(shí)，Cr（Ⅵ）去除率最高，達(dá)到36.17%。此外，一些微生物由于磁場(chǎng)效應(yīng)引起的細(xì)胞增殖速率和微生物酶活性增加[35]，能夠提高對(duì)廢水中重金屬的表面吸附和跨膜運(yùn)輸[34]。如Xu等[36]研究發(fā)現(xiàn)，引入磁場(chǎng)可提高蠟狀芽孢桿菌（Bacillus cereus）的吸附性能，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為17.4 mT時(shí)，菌體胞外聚合物（EPS）表面負(fù)電荷增加20%，對(duì)Cr3+的靜電吸附能力增強(qiáng)。在廢水處理中，磁場(chǎng)可以通過(guò)強(qiáng)化微生物對(duì)重金屬的吸附效果來(lái)提高廢水中重金屬的去除效率[37]。

2.1.2 對(duì)有機(jī)污染物去除的影響

通過(guò)外加磁場(chǎng)可以影響微生物的生長(zhǎng)和代謝活性，進(jìn)而提高有機(jī)污染物的生物降解效率。研究表明，適宜強(qiáng)度的外加磁場(chǎng)對(duì)活性污泥生物量增長(zhǎng)和脫氫酶活性具有正向影響，進(jìn)而提高了廢水中甲醛和COD的去除效率[38-39]。Yavuz等[40]研究發(fā)現(xiàn)，在8.9～46.6 mT磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)，活性污泥底物（如葡萄糖）去除率和微生物活性先隨磁場(chǎng)強(qiáng)度提高而增大，并在17.8 mT時(shí)達(dá)到最大值，之后隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而降低。許燕濱等[41]發(fā)現(xiàn)，引入磁場(chǎng)有助于推動(dòng)厭氧優(yōu)勢(shì)菌生物系統(tǒng)的硝化過(guò)程，抑制硫酸鹽還原菌生長(zhǎng)，從而控制系統(tǒng)中H2S、NH3等臭氣的產(chǎn)生，同時(shí)提高CODCr的消耗速率。耿淑英等[42]發(fā)現(xiàn)，外加磁場(chǎng)在一定程度上提高了序批式活性污泥系統(tǒng)（SBR）中污染物的去除性能，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為70 mT時(shí)，SBR系統(tǒng)對(duì)TN去除效果最好，脫氮率提高到85.98%[42]。封志飛等[43]發(fā)現(xiàn)，磁場(chǎng)耦合電化學(xué)生物膜反應(yīng)器（BER）對(duì)TN的去除率提高了10%～30%，并能促進(jìn)BER反硝化。Hu等[44]發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)強(qiáng)度的靜磁場(chǎng)（20 mT）能顯著提高缺氧反硝化菌的豐度和好氧反硝化菌的活性，而高磁場(chǎng)強(qiáng)度（40 mT）會(huì)對(duì)微生物新陳代謝產(chǎn)生負(fù)面影響，選擇合適的場(chǎng)強(qiáng)是磁場(chǎng)強(qiáng)化生物處理廢水的關(guān)鍵。?ebkowska等[45]在研究靜磁場(chǎng)對(duì)活性污泥生物降解合成廢水及活性污泥微生物脫氫酶活性的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組（0 mT）相比，磁場(chǎng)強(qiáng)度為75 mT時(shí)活性污泥中微生物的脫氫酶活性提高了35%，對(duì)硝基苯胺的去除率提高30%，同時(shí)有助于微生物大腸桿菌重組。Wang等[46]研究發(fā)現(xiàn)，48.0 mT的磁場(chǎng)提高了亞硝酸鹽氧化菌活性并促進(jìn)其生長(zhǎng)，使亞硝酸鹽氧化速率從3.7 mg/（g·h）提高到 149 mg/（g·h）。隋衛(wèi)燕等[47]研究發(fā)現(xiàn)，不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度下活性污泥具有不同的去污能力，高強(qiáng)度磁場(chǎng)（150 mT）能迅速提高活性污泥對(duì)有機(jī)物的去除能力，而中強(qiáng)度磁場(chǎng)（80 mT）能夠同時(shí)提高對(duì)有機(jī)物和磷酸鹽的去除率。Liu等[48]研究發(fā)現(xiàn)，磁場(chǎng)可使微生物分泌更多的EPS，低強(qiáng)度磁場(chǎng)（3～5 mT）作用下的顆粒污泥中EPS增加了77%，在不利環(huán)境條件下EPS可作為微生物的碳源和能源[49]，即使在間歇循環(huán)運(yùn)行（包括饑餓期）中，COD降解速率也有顯著提高。由此可見(jiàn)，外加磁場(chǎng)通過(guò)提高微生物酶活性，增強(qiáng)有機(jī)物降解菌活性，并產(chǎn)生較為富足的能量（如EPS），為高效去除有機(jī)物提供保障。

2.1.3 對(duì)微藻生長(zhǎng)及污水凈化的影響

微藻是應(yīng)用生物技術(shù)領(lǐng)域的一種重要微生物，可用于污水中BOD5、氮、磷、重金屬及有機(jī)物的去除，抑制大腸桿菌生長(zhǎng)等[50]。微藻在生長(zhǎng)過(guò)程中能夠利用太陽(yáng)能進(jìn)行光合作用，其產(chǎn)生的O2被廢水中生長(zhǎng)的細(xì)菌用來(lái)降解有機(jī)物，有機(jī)物分解產(chǎn)生的CO2和廢水中豐富的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可以作為微藻生長(zhǎng)的原料，進(jìn)而合成生物質(zhì)所需的細(xì)胞材料。已有研究發(fā)現(xiàn)，在微藻培育過(guò)程中磁場(chǎng)引入可促進(jìn)小球藻生長(zhǎng)，提高脂質(zhì)含量[51-53]，同時(shí)微藻的產(chǎn)氧能力也有明顯提高[54]。Deamici等[55]研究發(fā)現(xiàn)，60 mT磁場(chǎng)能提高螺旋藻的生物量，同時(shí)增加蛋白質(zhì)、碳水化合物的含量；Tu等[54]發(fā)現(xiàn)，靜磁場(chǎng)對(duì)細(xì)菌-藻類(lèi)共生系統(tǒng)中藻類(lèi)的生長(zhǎng)和產(chǎn)氧有促進(jìn)作用，適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)強(qiáng)度（100 mT）可以降低曝氣對(duì)城市污水中有機(jī)物降解所需要的能量消耗。Swaminathan等[56]研究發(fā)現(xiàn)，脈沖磁場(chǎng)在提高染料工業(yè)廢水中微藻產(chǎn)量的同時(shí)，顯著降低了廢水中BOD5、COD以及硝酸鹽等污染物濃度。Shao等[57]研究表明，磁場(chǎng)不僅提高了螺旋藻產(chǎn)量，同時(shí)提高了微藻去除重金屬離子Cd2+的效率。席婷婷[58]研究發(fā)現(xiàn)，276號(hào)斜生柵藻在100 mT磁場(chǎng)下處理0.5 h可提高產(chǎn)氧量15%以上，在200～500 mT強(qiáng)磁場(chǎng)下其生長(zhǎng)則會(huì)受到抑制，而9號(hào)蛋白核小球藻在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度作用下生物量和產(chǎn)氧量都有所提高。

總策展人羅寧指出，如果說(shuō)學(xué)術(shù)邀請(qǐng)版塊中10位中老年藝術(shù)家的參展是本次高原展在“回顧與審視”中，對(duì)“新西部、新古典”主題的完美詮釋?zhuān)荒敲础鞍肆阌彤?huà)社”15位年輕畫(huà)家參展作品則是對(duì)“新時(shí)代、新表現(xiàn)”主題的形象體現(xiàn)，而西部人畫(huà)西部版塊的所有入選作品，尤其是獲獎(jiǎng)作品，不僅是對(duì)這一主題多形式的藝術(shù)注解，也是對(duì)高原展一直秉承的“原發(fā)性生命體驗(yàn)、原生態(tài)生存體驗(yàn)、原創(chuàng)性語(yǔ)言體驗(yàn)”學(xué)術(shù)主張的多方位探索和實(shí)踐成果的具體體現(xiàn)。

磁場(chǎng)不僅可以用于提高微藻活性，也可與其他廢水處理工藝相結(jié)合。如通過(guò)在厭氧氨氧化工藝進(jìn)水口施加磁場(chǎng)，可使其脫氮率提高30%，且工藝的啟動(dòng)時(shí)間縮短約1/4[59]。Wang等[20]通過(guò)外加靜磁場(chǎng)（48 mT）來(lái)加速活性污泥轉(zhuǎn)化為好氧顆粒，結(jié)果表明外加磁場(chǎng)使活性污泥積累了鐵化合物，改善了顆粒的沉降性，刺激了EPS的分泌，將制粒時(shí)間從41 d減至25 d，同時(shí)磁場(chǎng)促進(jìn)了亞硝酸鹽氧化細(xì)菌的生長(zhǎng)和活性。綜上所述，磁場(chǎng)處理具有處理效率高、無(wú)二次污染、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，將磁場(chǎng)用于廢水處理時(shí)對(duì)增強(qiáng)微生物活性，縮短啟動(dòng)時(shí)間，提高生物降解和污染物去除性能等具有良好效果。

2.2 在土壤環(huán)境治理的應(yīng)用

2.2.1 對(duì)土壤微生物的影響

外加磁場(chǎng)能夠影響土壤理化性質(zhì)、土壤微生物數(shù)量及微生物群落結(jié)構(gòu)。適宜的磁場(chǎng)能夠降低土壤ζ電位、比表面積及土壤膨脹量等物理性狀，增強(qiáng)土壤微團(tuán)聚化作用，從而改善土壤肥力水平[60]。土壤微團(tuán)聚體的增加可顯著提高土壤微生物數(shù)量及其酶活性[61]，優(yōu)良的土壤營(yíng)養(yǎng)水平有利于土壤微生物的繁殖[62]。土壤微生物可分泌具有催化活性的物質(zhì)——土壤酶[63]，其活性受微生物數(shù)量和種類(lèi)影響較大[64]。依艷麗等[65]發(fā)現(xiàn)，500 mT磁場(chǎng)處理棕壤10 min可有效抑制脲酶活性，抑制時(shí)間長(zhǎng)達(dá)42 d。李曉忱等[66]研究發(fā)現(xiàn)，磁場(chǎng)強(qiáng)度為300 mT時(shí)處理根瘤菌10 min，其過(guò)氧化氫酶（CAT）活性增幅最大；100 mT時(shí)處理根瘤菌10 min，其SOD活性增幅最大。張傳進(jìn)等[67]研究不同磁處理方式對(duì)豌豆根際土壤生物學(xué)性狀的影響，發(fā)現(xiàn)200 mT磁場(chǎng)加5 g磁化鐵粉可顯著提高豌豆根際土壤中的微生物數(shù)量、細(xì)菌多樣性和酶活性。微生物可吸附土壤中的重金屬并將其轉(zhuǎn)化為低毒形態(tài)，從而降低重金屬污染程度[68]。如Qu等[6]在研究重組微生物對(duì)土壤進(jìn)行生物修復(fù)時(shí)得出，弱磁場(chǎng)可以促進(jìn)污染土壤中Cr（Ⅵ）的解吸和G1 株（Geotrichumsp.）的生長(zhǎng)，但對(duì) B2株（Bacillussp.）有抑制作用。目前，磁處理技術(shù)在土壤修復(fù)中的應(yīng)用報(bào)道較少，利用磁場(chǎng)誘導(dǎo)微生物重組進(jìn)行生物修復(fù)的研究還有待深入探索。

2.2.2 對(duì)植物修復(fù)重金屬污染土壤的影響

植物修復(fù)被認(rèn)為是一種應(yīng)用前景廣、潛力大的土壤重金屬修復(fù)技術(shù)[69]，主要通過(guò)植物體的吸附、吸收、分解、轉(zhuǎn)化、揮發(fā)以及根際過(guò)濾等作用來(lái)容納、固定、轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化土壤中的重金屬，最終通過(guò)收割植物實(shí)現(xiàn)土壤中重金屬不同程度的去除。研究表明，外加磁場(chǎng)可通過(guò)光合作用刺激植物生長(zhǎng)和發(fā)育，改變植物系統(tǒng)在細(xì)胞膜水平上的靜電平衡[70]和植物器官的生化平衡[71]，有效促進(jìn)重金屬?gòu)牡叵虏肯虻厣喜康霓D(zhuǎn)移，提高植物對(duì)重金屬的吸附能力。Jin等[72]用不同強(qiáng)度和方向的靜磁場(chǎng)處理擬南芥幼苗，發(fā)現(xiàn)靜磁場(chǎng)能刺激細(xì)胞數(shù)量的增加，顯著促使植物根系的生長(zhǎng)。Bulak等[73]運(yùn)用強(qiáng)度為60與120 mT交變電磁場(chǎng)（50 Hz）對(duì)白芥子種子進(jìn)行1 min預(yù)處理后，白芥子種子芽中的Cd含量分別高于對(duì)照組73%和78%，電磁場(chǎng)預(yù)處理顯著增加了Cd在地上部的積累。Luo等[74]通過(guò)添加磁場(chǎng)提高了高羊茅對(duì)Cd的修復(fù)效率，植物枯死葉吸收Cd含量增加23.6%。Luo等[75]發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)也可以提高天藍(lán)遏藍(lán)菜對(duì)Cd、Zn的富集，強(qiáng)化蒸騰速率，產(chǎn)生較強(qiáng)水勢(shì)梯度驅(qū)動(dòng)重金屬離子向上運(yùn)輸，從而抑制了Pb、Cu的淋溶。Luo等[76]的研究還發(fā)現(xiàn)，植物藍(lán)桉播種前經(jīng)靜磁場(chǎng)處理后植物中的金屬濃度顯著升高，并且在修復(fù)過(guò)程中可以有效截留降雨模擬試驗(yàn)產(chǎn)生的滲濾液。磁場(chǎng)可以改變植物細(xì)胞中某些抗氧化酶活性，如CAT、SOD、過(guò)氧化物酶（POD）等。如Bhardwaj等[77]研究發(fā)現(xiàn)，黃瓜種子暴露于靜磁場(chǎng)時(shí)，SOD活性提高8%，CAT活性提高83%。重金屬進(jìn)入植物體內(nèi)會(huì)在細(xì)胞膜上誘導(dǎo)積累大量自由基導(dǎo)致脂質(zhì)過(guò)氧化，造成植物酶活性改變[78]，經(jīng)磁場(chǎng)處理可以克服有害的環(huán)境因素。?elik等[79]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)磁場(chǎng)處理后植物防御系統(tǒng)中的SOD和CAT活性功能增強(qiáng)。Chen等[80]發(fā)現(xiàn)，與單純Cd脅迫相比，經(jīng)600 mT磁場(chǎng)加Cd處理的幼苗中丙二醛（MDA）、H2O2、O2-濃度降低，光合作用提高，說(shuō)明磁場(chǎng)對(duì)Cd脅迫的毒理效應(yīng)有一定的補(bǔ)償作用。綜上所述，外加磁場(chǎng)會(huì)促進(jìn)種子萌發(fā)，縮短植物生長(zhǎng)周期，提高植物生物量和酶活性等生理指標(biāo)，可有效改善植物對(duì)污染土壤的修復(fù)效果，緩解重金屬對(duì)土壤的毒害[81-83]。因此磁場(chǎng)聯(lián)合植物對(duì)土壤進(jìn)行修復(fù)未來(lái)可能是一種新型的生物修復(fù)技術(shù)。

2.3 在固體廢物處理中的應(yīng)用

隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程加快，固體廢物產(chǎn)生量逐年增加，全球161個(gè)國(guó)家2025年固體廢物產(chǎn)生量預(yù)計(jì)增至22億t[84]。垃圾填埋場(chǎng)是處理固體廢物的重要場(chǎng)所，但如果垃圾滲濾液處理不當(dāng)將對(duì)土壤、地下水及人體健康造成嚴(yán)重危害。磁處理技術(shù)作為一種物理處理技術(shù)，對(duì)垃圾滲濾液中的懸浮固體以及有機(jī)污染物的去除具有較大潛力。Othman等[85]利用磁場(chǎng)強(qiáng)度為550 mT的循環(huán)流動(dòng)系統(tǒng)處理垃圾滲濾液，結(jié)果表明SS、COD和BOD5的去除率均在60%以上。Sa'at等[86]采用550 mT的磁場(chǎng)對(duì)垃圾滲濾液進(jìn)行循環(huán)預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)預(yù)處理后的垃圾滲濾液處理效果顯著提高，其中NH3-N、SS、PO43-去除率分別為98.7%、90.2%和94.5%。羅亞田等[87]發(fā)現(xiàn)與單一交變脈沖電絮凝處理相比，磁場(chǎng)協(xié)同作用顯著提高垃圾滲濾液的處理效果，老齡垃圾滲濾液的CODCr與NH3-N的去除率分別提高了16.01%和7.82%。但值得注意的是，不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)于滲濾液中污染物的去除效率有較大影響。如Al-Wasify等[88]研究了3種低強(qiáng)度磁場(chǎng)（0.12、0.24和0.36 mT）在不同接觸時(shí)間下對(duì)垃圾滲濾液中污染物及細(xì)菌去除的影響，結(jié)果表明當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.36 mT時(shí)，對(duì)垃圾滲濾液中各污染物去除效果最好，BOD、COD、SS、NH3-N、細(xì)菌總數(shù)和總大腸菌群分別降低了38.2%、30.5%、16.0%、32.7%、45.2%和41.2%，說(shuō)明細(xì)菌總數(shù)和總大腸菌群的生長(zhǎng)受到抑制，這可能是由于磁場(chǎng)對(duì)細(xì)菌DNA的損傷和抑制使其難以復(fù)制所致。由此，在垃圾滲濾液處理中，施加磁場(chǎng)可提高膠體顆粒的碰撞頻率，加速顆粒凝聚并沉降，抑制病原菌等菌群的生長(zhǎng)繁殖，提高污染物去除效率。

2.3.2 在固體有機(jī)廢物厭氧發(fā)酵中的應(yīng)用

隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，我國(guó)畜禽糞便產(chǎn)生量急速增加，預(yù)計(jì)到2030年將達(dá)到37.4億t[89]，未經(jīng)處理的畜禽糞便對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重威脅。厭氧消化是將有機(jī)廢物轉(zhuǎn)換為沼氣的技術(shù)，可用于實(shí)現(xiàn)畜禽糞便的資源化和無(wú)害化。外加磁場(chǎng)在有效促進(jìn)厭氧發(fā)酵效率和提高能量回收率方面具有良好效果，如Huang等[90]通過(guò)在豬糞厭氧消化池中添加零價(jià)鐵和磁場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)由于磁場(chǎng)促進(jìn)零價(jià)鐵的腐蝕，強(qiáng)化互養(yǎng)細(xì)菌之間的直接電子傳遞過(guò)程，因而導(dǎo)致甲烷產(chǎn)量與對(duì)照組相比提高了124.5%。Jia等[91]研究發(fā)現(xiàn)，添加磁場(chǎng)和具有核殼結(jié)構(gòu)的鈦球添加劑可以顯著地提高厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的性能，在最佳磁場(chǎng)強(qiáng)度（5 mT）作用下，相比于對(duì)照組，單厭氧發(fā)酵系統(tǒng)及牛糞、蘆葦秸稈共厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中甲烷產(chǎn)量分別提高了27.12%～65.53%和8.47%～35.89%。Zieliński等[92]研究了磁化器誘導(dǎo)靜磁場(chǎng)對(duì)厭氧消化產(chǎn)甲烷量及細(xì)菌、古生菌群落結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)（20 mT）處理顯著增加了甲烷產(chǎn)量，相比于對(duì)照組，甲烷產(chǎn)氣量由200.2 mL/g（以揮發(fā)性固體計(jì)）提高到373.2 mL/g，甲烷濃度由49.1%提高到56.8%。同時(shí)，添加靜磁場(chǎng)的反應(yīng)器中乳酸菌的相對(duì)豐度提高10%，促進(jìn)了產(chǎn)甲烷菌的生成。目前，關(guān)于磁場(chǎng)強(qiáng)化固體有機(jī)廢物厭氧產(chǎn)沼作用機(jī)理尚不明晰，需進(jìn)一步開(kāi)展深入研究。

3 展望

盡管磁場(chǎng)在環(huán)境污染治理和修復(fù)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用可能仍有一些限制，如磁場(chǎng)強(qiáng)度，不同強(qiáng)度的磁場(chǎng)對(duì)生物體造成的影響不同，尋求最佳的磁場(chǎng)強(qiáng)度是保障系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵。但總體來(lái)說(shuō)，基于磁場(chǎng)誘導(dǎo)的微生物磁效應(yīng)在廢水、土壤以及固體廢物等環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用取得了一定的進(jìn)展，具有較大的發(fā)展?jié)摿Α＝窈蟀l(fā)展方向可能包括以下幾個(gè)方面：1）磁場(chǎng)強(qiáng)化廢水中污染物去除及降解的機(jī)理尚未完全明確，仍需要進(jìn)一步開(kāi)展深入研究。此外，磁場(chǎng)能夠提高微生物活性的內(nèi)在機(jī)理尚不明晰，量子力學(xué)能夠在更深層次上揭示生命的奧秘，未來(lái)可以借助量子力學(xué)來(lái)探索磁場(chǎng)影響微生物活性的內(nèi)部作用機(jī)制。2）在土壤修復(fù)中可以利用磁場(chǎng)對(duì)微生物的定向調(diào)控作用，開(kāi)發(fā)植物-磁場(chǎng)-微生物耦合修復(fù)技術(shù)，提高超富集植物對(duì)土壤中目標(biāo)污染物的吸收能力，以取得更好的土壤污染植物修復(fù)效果。3）磁場(chǎng)影響生物大分子結(jié)構(gòu)的機(jī)理還需進(jìn)一步研究。基于磁場(chǎng)對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)的影響，定向培養(yǎng)有機(jī)物高效降解菌劑，縮短堆肥處理周期，提高對(duì)固體廢物的利用率和無(wú)害化效果等。