Application of biological magnetic effects in environment pollution control and restoration
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摘要:
磁场是一种具有特殊能量的场，是影响生物体生理过程的物理因素之一。所有生物体自身均具有磁场，外加磁场可对生物体组织和代谢过程产生影响。磁场通过对生物体内重要物质——生物酶的改变进而影响生物从生长到衰亡的全过程；磁场对微生物的影响较为复杂，会对微生物产生不同程度的促进或抑制作用；同时，施加磁场会对细胞结构、基因表达、细胞膜通透性等产生影响。近年来，磁场诱导生物磁效应在水体、土壤、固体废物等污染治理过程中的作用受到了普遍关注。系统梳理了外加磁场对生物酶活性、微生物特性及生物细胞等产生的生物磁效应影响，总结了生物磁效应在废水处理、土壤环境治理及固体废物处理等领域的研究现状，并提出了未来生物磁效应在环境领域的应用展望。
Abstract:Magnetic field is a field with special energies which is one of the physical factors affecting the physiological processes of living organisms. All organisms have their own magnetic fields, and the external magnetic field can have an impact on organism organization and metabolic processes. The magnetic field affects the whole process of organisms from growth to decay through the change of biological enzymes, an important substances in the body of life. The influence of magnetic field on microbes are more complex, and the magnetic field will produce different degrees of promotion or inhibition effect on microbes. Meanwhile, the application of magnetic field may have effects on cell structure, gene expression, cell membrane permeability, etc. In recent years, the role of magnetic field-induced biological magnetic effect in the treatment of environmental pollution such as water, soil and solid waste has attracted general attention. The effects of applied magnetic field on biological enzyme activity, microbial properties and biological cells were systematically reviewed. Based on this, the current researches of microbial magnetic effect in wastewater, soil environment and solid waste treatment were systematically summarized, and the application prospects of magnetic field biological effect in the environmental field were put forward, in order to provide a theoretical basis for biological magnetic effect to strengthen environmental remediation.
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磁场是一种具有特殊能量的场。20世纪初，法拉第观察到在外部磁场与内部分子磁性的相互作用下，分子性质、分子反应及分子环境发生了变化。所有生物体自身均具有磁场，外加磁场或者特殊磁场可以对生物体的组织和代谢产生影响[1-3]。研究发现磁场会使含有过渡金属离子的蛋白质和酶具有顺磁性，导致酶活性增加[4]。磁场能够改善细胞膜的通透性，增强营养物质的吸收和转运，从而促进物质的合成[5]。磁场也可以通过跨膜信息传递、电子转移、基因表达以及酶活性等多种机制调控生物的生长和代谢[6-7]。自由基机制是磁场影响生物化学系统相互作用的主要机制[8]。该机制存在于ATP的酶合成、DNA的复制和蛋白质的酶磷酸化3个至关重要的细胞过程中。磁场改变自由基的自旋状态并引起自由基顺磁共振，进而导致生物体生长代谢发生改变[9]。
近年来，磁场诱导微生物磁效应在水体、土壤、固体废物等环境污染治理过程中的作用得到了普遍关注。笔者系统分析了磁场对生物酶活性、微生物群落特征及生物细胞的影响，重点阐明了磁场微生物效应在水体、土壤及固体废物处理等环境领域的应用现状，并提出未来磁场微生物效应在环境领域的优化方向及应用展望，以期为微生物磁效应强化水体、土壤、固体废物等环境介质的修复提供理论依据。
1. 磁场生物学效应
1.1 磁场对生物酶活性的影响
酶是生命体内重要的物质，参与生命系统中许多生化反应，如消化、光合作用、呼吸作用和新陈代谢等。外加磁场通过影响酶活性进而影响生物从生长到衰亡的全过程，包括生物的形态、生长以及代谢等过程[10]。生物产生的很多酶或蛋白质中含有少量的锌、锰、铁、铜等过渡金属，这些金属具有顺磁性。施加磁场后金属沿磁场方向排列，同时对酶的三维结构、酶内自由电子跃迁产生影响，打破分子内部的稳态，从而影响酶活性。栗杰等[11]研究发现，在杆菌、螺旋菌等细菌体内含有铁等金属离子，对磁场具有很高的敏感性。磁场对不同种类生物酶产生的磁效应有很大差异，如当磁场强度为100~500 mT时，细菌中酶活性会受到严重抑制，而放线菌、真菌等生长则受到激活[12]，磁场对白色念珠菌中酶活性具有促进作用，但会严重抑制葡萄糖菌的生长[13]。磁场对不同生物种类的相同酶所产生的磁效应亦存在较大差别，如Amara等[14]发现当磁场强度为250 mT时，巨噬细胞的谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）和超氧化物歧化酶（SOD）没有发生改变，而Kurzeja等[15]发现，静磁场（400、600和700 mT）可以降低氟离子对小鼠成纤维细胞的氧化应激，并使GPx和SOD的活性正常化。可见，磁场通过对生物酶的改变进而影响生物的生命活动。
1.2 磁场对微生物生长代谢特征的影响
磁场对微生物的影响较为复杂，磁场会对微生物产生不同程度的刺激作用，但原理尚不明确。当磁场作用于微生物时，微生物体内会产生磁场效应，这种效应可能是正的，也可能是负效应，从而抑制微生物的生长[16]。磁场对微生物最直接的影响是微生物的生长状态。Ren等[17]研究发现，低强度磁场（15~25 mT）提高了细胞膜的通透性，增强了油脂降解菌的活性。Haghi等[18]研究发现，与对照组相比，外加磁场（16 mT）增加了大肠杆菌的数量，并且死亡时期细菌衰死速度变缓。Mohtasham等[19]通过控制培养液中pH（pH=7），添加10 mT的磁场后，发现杆菌肽浓度显著提高，最高达到89%。Wang等[20]发现，当添加48.0 mT的磁场时，提高了亚硝酸盐氧化菌的活性，促进亚硝酸盐氧化菌的生长。但也有研究发现磁场会抑制部分微生物（如Serratia marcescens 和Escherichia coli）的生长[21-22]。Filipič等[23]研究发现，17 mT的静磁场会对废水处理过程2种微生物（大肠杆菌和假单胞菌）的生长产生抑制，但却提高了体内脱氢酶活性和ATP浓度，可能的解释是微生物对磁场有应激反应。Xu等[24]研究了不同强度的磁场有利于优势菌株的生长和繁殖，特别是对具有Cr（Ⅵ）还原能力的短杆菌和芽孢杆菌处理效果更好。Ji等[22]发现，在静磁场作用下，大肠埃希菌的存活率随着作用时间的延长而减弱。由此可见，磁场性质、磁场强度及作用时间不同，磁场对不同种类微生物产生的影响亦不同[2]。
1.3 磁场对生物细胞构型的影响
磁场的施加可能会对细胞结构、基因表达、细胞膜通透性等产生影响[25-26]。Albuquerque等[27]系统总结了磁场强度、细胞类型和暴露时间对细胞或细胞内结构的影响，发现静态磁场可能影响细胞的蜂窝系统，进而对生物分子的敏感性、细胞内结构修饰和酶反应变化产生影响。Ghodbane等[26]研究发现，静磁场的添加引起活性氧（ROS）和顺磁自由基氧活性的增加，从而引起DNA断裂、凋亡和氧化应激。许燕滨[28]发现，施加100 mT的外加磁场可引起细胞膜的磷脂双分子层结构重构，从而影响生物膜的通透性。Goto等[29]报道了大鼠海马神经元的Ntan1基因在100 mT静态磁场下受到影响。Jouni等[30]观察到在自然辐射条件下，预培养的Viciafaba细胞暴露在15 mT静态磁场中时，染色体畸变（桥、片段和滞后染色体）和染色体数量显著增强。Zhang等[31]发现较高磁场强度静磁场（9 000 mT）可以显著增加soxR和sodAsodB突变体的突变概率。Chater等[32]研究发现，在强磁场下生物大分子结构易受到磁场影响，甚至造成DNA碱基发生突变。Shankayi等[33]发现，磁场强度在500~5 000 mT时，可引起癌细胞DNA碱基突变，结构稳定性变低。然而，也有研究显示，不同磁场强度与基因表达、DNA分子结构破坏之间无明显相关性。如Jouni等[30-31]研究发现，磁场强度（15~3 700 mT）、持续暴露时间等与基因表达和DNA分子结构破坏之间无明显相关性。可见，对磁场影响生物大分子结构的机理还需开展进一步研究。
2. 生物磁效应在环境治理中的应用
2.1 在废水处理中的应用
2.1.1 对重金属去除的影响
外加磁场能够影响废水处理中重金属的去除效果，一方面，磁场可以增大微生物对重金属的吸附容量，进而提高重金属去除率。例如，靳小蓓[34]采用磁场与微生物固定技术处理酸性镀铜废水，发现在引入磁场后微生物对重金属的吸附效能显著提高，在气水比为0.5、水力停留时间为5 h、初始浓度为50 mg/L、载体中心磁场强度为14 mT时，铜去除率最高达到89.98%。另一方面，磁场可以促进优势菌株的生长和繁殖，强化对重金属的去除能力。Xu等[24]研究发现，不同强度（2.4、6、10、17.4 mT）的静磁场均能够促进Cr（Ⅵ）污染废水中短杆菌属和芽孢杆菌属的生长，与对照组相比微生物数量提高32%~65%，且对Cr（Ⅵ）具有还原能力，当暴露在6 mT磁场时，Cr（Ⅵ）去除率最高，达到36.17%。此外，一些微生物由于磁场效应引起的细胞增殖速率和微生物酶活性增加[35]，能够提高对废水中重金属的表面吸附和跨膜运输[34]。如Xu等[36]研究发现，引入磁场可提高蜡状芽孢杆菌（Bacillus cereus）的吸附性能，当磁场强度为17.4 mT时，菌体胞外聚合物（EPS）表面负电荷增加20%，对Cr3+的静电吸附能力增强。在废水处理中，磁场可以通过强化微生物对重金属的吸附效果来提高废水中重金属的去除效率[37]。
2.1.2 对有机污染物去除的影响
通过外加磁场可以影响微生物的生长和代谢活性，进而提高有机污染物的生物降解效率。研究表明，适宜强度的外加磁场对活性污泥生物量增长和脱氢酶活性具有正向影响，进而提高了废水中甲醛和COD的去除效率[38-39]。Yavuz等[40]研究发现，在8.9~46.6 mT磁场强度范围内，活性污泥底物（如葡萄糖）去除率和微生物活性先随磁场强度提高而增大，并在17.8 mT时达到最大值，之后随着磁场强度的增加而降低。许燕滨等[41]发现，引入磁场有助于推动厌氧优势菌生物系统的硝化过程，抑制硫酸盐还原菌生长，从而控制系统中H2S、NH3等臭气的产生，同时提高CODCr的消耗速率。耿淑英等[42]发现，外加磁场在一定程度上提高了序批式活性污泥系统（SBR）中污染物的去除性能，当磁场强度为70 mT时，SBR系统对TN去除效果最好，脱氮率提高到85.98%[42]。封志飞等[43]发现，磁场耦合电化学生物膜反应器（BER）对TN的去除率提高了10%~30%，并能促进BER反硝化。Hu等[44]发现，适当强度的静磁场（20 mT）能显著提高缺氧反硝化菌的丰度和好氧反硝化菌的活性，而高磁场强度（40 mT）会对微生物新陈代谢产生负面影响，选择合适的场强是磁场强化生物处理废水的关键。Łebkowska等[45]在研究静磁场对活性污泥生物降解合成废水及活性污泥微生物脱氢酶活性的影响时发现，与对照组（0 mT）相比，磁场强度为75 mT时活性污泥中微生物的脱氢酶活性提高了35%，对硝基苯胺的去除率提高30%，同时有助于微生物大肠杆菌重组。Wang等[46]研究发现，48.0 mT的磁场提高了亚硝酸盐氧化菌活性并促进其生长，使亚硝酸盐氧化速率从3.7 mg/（g·h）提高到149 mg/（g·h）。隋卫燕等[47]研究发现，不同的磁场强度下活性污泥具有不同的去污能力，高强度磁场（150 mT）能迅速提高活性污泥对有机物的去除能力，而中强度磁场（80 mT）能够同时提高对有机物和磷酸盐的去除率。Liu等[48]研究发现，磁场可使微生物分泌更多的EPS，低强度磁场（3~5 mT）作用下的颗粒污泥中EPS增加了77%，在不利环境条件下EPS可作为微生物的碳源和能源[49]，即使在间歇循环运行（包括饥饿期）中，COD降解速率也有显著提高。由此可见，外加磁场通过提高微生物酶活性，增强有机物降解菌活性，并产生较为富足的能量（如EPS），为高效去除有机物提供保障。
2.1.3 对微藻生长及污水净化的影响
微藻是应用生物技术领域的一种重要微生物，可用于污水中BOD5、氮、磷、重金属及有机物的去除，抑制大肠杆菌生长等[50]。微藻在生长过程中能够利用太阳能进行光合作用，其产生的O2被废水中生长的细菌用来降解有机物，有机物分解产生的CO2和废水中丰富的氮、磷等营养物质可以作为微藻生长的原料，进而合成生物质所需的细胞材料。已有研究发现，在微藻培育过程中磁场引入可促进小球藻生长，提高脂质含量[51-53]，同时微藻的产氧能力也有明显提高[54]。Deamici等[55]研究发现，60 mT磁场能提高螺旋藻的生物量，同时增加蛋白质、碳水化合物的含量；Tu等[54]发现，静磁场对细菌-藻类共生系统中藻类的生长和产氧有促进作用，适当的磁场强度（100 mT）可以降低曝气对城市污水中有机物降解所需要的能量消耗。Swaminathan等[56]研究发现，脉冲磁场在提高染料工业废水中微藻产量的同时，显著降低了废水中BOD5、COD以及硝酸盐等污染物浓度。Shao等[57]研究表明，磁场不仅提高了螺旋藻产量，同时提高了微藻去除重金属离子Cd2+的效率。席婷婷[58]研究发现，276号斜生栅藻在100 mT磁场下处理0.5 h可提高产氧量15%以上，在200~500 mT强磁场下其生长则会受到抑制，而9号蛋白核小球藻在不同磁场强度作用下生物量和产氧量都有所提高。
磁场不仅可以用于提高微藻活性，也可与其他废水处理工艺相结合。如通过在厌氧氨氧化工艺进水口施加磁场，可使其脱氮率提高30%，且工艺的启动时间缩短约1/4[59]。Wang等[20]通过外加静磁场（48 mT）来加速活性污泥转化为好氧颗粒，结果表明外加磁场使活性污泥积累了铁化合物，改善了颗粒的沉降性，刺激了EPS的分泌，将制粒时间从41 d减至25 d，同时磁场促进了亚硝酸盐氧化细菌的生长和活性。综上所述，磁场处理具有处理效率高、无二次污染、能耗低等优点，将磁场用于废水处理时对增强微生物活性，缩短启动时间，提高生物降解和污染物去除性能等具有良好效果。
2.2 在土壤环境治理的应用
2.2.1 对土壤微生物的影响
外加磁场能够影响土壤理化性质、土壤微生物数量及微生物群落结构。适宜的磁场能够降低土壤ζ电位、比表面积及土壤膨胀量等物理性状，增强土壤微团聚化作用，从而改善土壤肥力水平[60]。土壤微团聚体的增加可显著提高土壤微生物数量及其酶活性[61]，优良的土壤营养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质——土壤酶[63]，其活性受微生物数量和种类影响较大[64]。依艳丽等[65]发现，500 mT磁场处理棕壤10 min可有效抑制脲酶活性，抑制时间长达42 d。李晓忱等[66]研究发现，磁场强度为300 mT时处理根瘤菌10 min，其过氧化氢酶（CAT）活性增幅最大；100 mT时处理根瘤菌10 min，其SOD活性增幅最大。张传进等[67]研究不同磁处理方式对豌豆根际土壤生物学性状的影响，发现200 mT磁场加5 g磁化铁粉可显著提高豌豆根际土壤中的微生物数量、细菌多样性和酶活性。微生物可吸附土壤中的重金属并将其转化为低毒形态，从而降低重金属污染程度[68]。如Qu等[6]在研究重组微生物对土壤进行生物修复时得出，弱磁场可以促进污染土壤中Cr（Ⅵ）的解吸和G1株（Geotrichum sp.）的生长，但对B2株（Bacillus sp.）有抑制作用。目前，磁处理技术在土壤修复中的应用报道较少，利用磁场诱导微生物重组进行生物修复的研究还有待深入探索。
2.2.2 对植物修复重金属污染土壤的影响
植物修复被认为是一种应用前景广、潜力大的土壤重金属修复技术[69]，主要通过植物体的吸附、吸收、分解、转化、挥发以及根际过滤等作用来容纳、固定、转移或转化土壤中的重金属，最终通过收割植物实现土壤中重金属不同程度的去除。研究表明，外加磁场可通过光合作用刺激植物生长和发育，改变植物系统在细胞膜水平上的静电平衡[70]和植物器官的生化平衡[71]，有效促进重金属从地下部向地上部的转移，提高植物对重金属的吸附能力。Jin等[72]用不同强度和方向的静磁场处理拟南芥幼苗，发现静磁场能刺激细胞数量的增加，显著促使植物根系的生长。Bulak等[73]运用强度为60与120 mT交变电磁场（50 Hz）对白芥子种子进行1 min预处理后，白芥子种子芽中的Cd含量分别高于对照组73%和78%，电磁场预处理显著增加了Cd在地上部的积累。Luo等[74]通过添加磁场提高了高羊茅对Cd的修复效率，植物枯死叶吸收Cd含量增加23.6%。Luo等[75]发现磁场也可以提高天蓝遏蓝菜对Cd、Zn的富集，强化蒸腾速率，产生较强水势梯度驱动重金属离子向上运输，从而抑制了Pb、Cu的淋溶。Luo等[76]的研究还发现，植物蓝桉播种前经静磁场处理后植物中的金属浓度显著升高，并且在修复过程中可以有效截留降雨模拟试验产生的渗滤液。磁场可以改变植物细胞中某些抗氧化酶活性，如CAT、SOD、过氧化物酶（POD）等。如Bhardwaj等[77]研究发现，黄瓜种子暴露于静磁场时，SOD活性提高8%，CAT活性提高83%。重金属进入植物体内会在细胞膜上诱导积累大量自由基导致脂质过氧化，造成植物酶活性改变[78]，经磁场处理可以克服有害的环境因素。Çelik等[79]研究发现，经磁场处理后植物防御系统中的SOD和CAT活性功能增强。Chen等[80]发现，与单纯Cd胁迫相比，经600 mT磁场加Cd处理的幼苗中丙二醛（MDA）、H2O2、O2-浓度降低，光合作用提高，说明磁场对Cd胁迫的毒理效应有一定的补偿作用。综上所述，外加磁场会促进种子萌发，缩短植物生长周期，提高植物生物量和酶活性等生理指标，可有效改善植物对污染土壤的修复效果，缓解重金属对土壤的毒害[81-83]。因此磁场联合植物对土壤进行修复未来可能是一种新型的生物修复技术。
2.3 在固体废物处理中的应用
2.3.1 在垃圾渗滤液处理中的应用
随着城市化和工业化进程加快，固体废物产生量逐年增加，全球161个国家2025年固体废物产生量预计增至22亿t[84]。垃圾填埋场是处理固体废物的重要场所，但如果垃圾渗滤液处理不当将对土壤、地下水及人体健康造成严重危害。磁处理技术作为一种物理处理技术，对垃圾渗滤液中的悬浮固体以及有机污染物的去除具有较大潜力。Othman等[85]利用磁场强度为550 mT的循环流动系统处理垃圾渗滤液，结果表明SS、COD和BOD5的去除率均在60%以上。Sa'at等[86]采用550 mT的磁场对垃圾渗滤液进行循环预处理，发现磁场预处理后的垃圾渗滤液处理效果显著提高，其中NH3-N、SS、PO4 3−去除率分别为98.7%、90.2%和94.5%。罗亚田等[87]发现与单一交变脉冲电絮凝处理相比，磁场协同作用显著提高垃圾渗滤液的处理效果，老龄垃圾渗滤液的CODCr与NH3-N的去除率分别提高了16.01%和7.82%。但值得注意的是，不同的磁场强度对于渗滤液中污染物的去除效率有较大影响。如Al-Wasify等[88]研究了3种低强度磁场（0.12、0.24和0.36 mT）在不同接触时间下对垃圾渗滤液中污染物及细菌去除的影响，结果表明当磁场强度为0.36 mT时，对垃圾渗滤液中各污染物去除效果最好，BOD、COD、SS、NH3-N、细菌总数和总大肠菌群分别降低了38.2%、30.5%、16.0%、32.7%、45.2%和41.2%，说明细菌总数和总大肠菌群的生长受到抑制，这可能是由于磁场对细菌DNA的损伤和抑制使其难以复制所致。由此，在垃圾渗滤液处理中，施加磁场可提高胶体颗粒的碰撞频率，加速颗粒凝聚并沉降，抑制病原菌等菌群的生长繁殖，提高污染物去除效率。
2.3.2 在固体有机废物厌氧发酵中的应用
随着畜禽养殖业的迅速发展，我国畜禽粪便产生量急速增加，预计到2030年将达到37.4亿t[89]，未经处理的畜禽粪便对环境造成严重威胁。厌氧消化是将有机废物转换为沼气的技术，可用于实现畜禽粪便的资源化和无害化。外加磁场在有效促进厌氧发酵效率和提高能量回收率方面具有良好效果，如Huang等[90]通过在猪粪厌氧消化池中添加零价铁和磁场，发现由于磁场促进零价铁的腐蚀，强化互养细菌之间的直接电子传递过程，因而导致甲烷产量与对照组相比提高了124.5%。Jia等[91]研究发现，添加磁场和具有核壳结构的钛球添加剂可以显著地提高厌氧发酵系统的性能，在最佳磁场强度（5 mT）作用下，相比于对照组，单厌氧发酵系统及牛粪、芦苇秸秆共厌氧发酵系统中甲烷产量分别提高了27.12%~65.53%和8.47%~35.89%。Zieliński等[92]研究了磁化器诱导静磁场对厌氧消化产甲烷量及细菌、古生菌群落结构的影响，发现磁场（20 mT）处理显著增加了甲烷产量，相比于对照组，甲烷产气量由200.2 mL/g（以挥发性固体计）提高到373.2 mL/g，甲烷浓度由49.1%提高到56.8%。同时，添加静磁场的反应器中乳酸菌的相对丰度提高10%，促进了产甲烷菌的生成。目前，关于磁场强化固体有机废物厌氧产沼作用机理尚不明晰，需进一步开展深入研究。
3. 展望
尽管磁场在环境污染治理和修复领域的实际应用可能仍有一些限制，如磁场强度，不同强度的磁场对生物体造成的影响不同，寻求最佳的磁场强度是保障系统运行的关键。但总体来说，基于磁场诱导的微生物磁效应在废水、土壤以及固体废物等环境领域的应用取得了一定的进展，具有较大的发展潜力。今后发展方向可能包括以下几个方面：1）磁场强化废水中污染物去除及降解的机理尚未完全明确，仍需要进一步开展深入研究。此外，磁场能够提高微生物活性的内在机理尚不明晰，量子力学能够在更深层次上揭示生命的奥秘，未来可以借助量子力学来探索磁场影响微生物活性的内部作用机制。2）在土壤修复中可以利用磁场对微生物的定向调控作用，开发植物-磁场-微生物耦合修复技术，提高超富集植物对土壤中目标污染物的吸收能力，以取得更好的土壤污染植物修复效果。3）磁场影响生物大分子结构的机理还需进一步研究。基于磁场对微生物群落结构的影响，定向培养有机物高效降解菌剂，缩短堆肥处理周期，提高对固体废物的利用率和无害化效果等。
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