張列宇，祝秋恒,2，李曉光，李國文，唐文忠，趙 琛

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院地下水模擬與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012； 2.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875； 3.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心環(huán)境水質(zhì)學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085；4.中國環(huán)境科學(xué)研究院流域水環(huán)境污染綜合治理研究中心，北京 100012)

修復(fù)受損水生態(tài)結(jié)構(gòu)，重建水生態(tài)功能已成為目前生態(tài)文明建設(shè)中的重要一環(huán)。“十四五”期間是實(shí)現(xiàn)全面小康，邁向“清水綠岸、魚翔淺底”美麗中國的重要時(shí)期。幾十年來的水體污染已造成河湖等自然水體生態(tài)功能嚴(yán)重退化甚至喪失，動(dòng)植物生境破壞嚴(yán)重[1]。2019年，京津冀地區(qū)262條河流中，水生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞的高達(dá)80.2%，河湖水體的生物多樣性和自凈能力嚴(yán)重降低[2]。因此，水生態(tài)修復(fù)新技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用尤為必要。水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)技術(shù)以恢復(fù)受損生態(tài)系統(tǒng)為導(dǎo)向，通過恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)中物種的群落結(jié)構(gòu)，達(dá)到河湖水體“長治久清”的效果，主要包括水生生物修復(fù)、底泥生物氧化、生物多樣性調(diào)控等技術(shù)[3]。然而，現(xiàn)有水生態(tài)修復(fù)技術(shù)在應(yīng)用中，種植的水生植物、投加的微生物等常受到外界環(huán)境和邊界條件影響，修復(fù)效果極不穩(wěn)定[4]。在粵港澳大灣區(qū)，合流制雨污溢流現(xiàn)象嚴(yán)重，人工種植的水生植物和引入的外源微生物常難以生存，水生態(tài)修復(fù)效果較差[5]。在長江經(jīng)濟(jì)帶城市群中，部分河湖水體由于溫度、水利條件等原因，水體生態(tài)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重失衡，僅通過人工種植水生植物、機(jī)械除藻等現(xiàn)有水生態(tài)修復(fù)技術(shù)難以全面抑制藻類暴發(fā)[6]。

磁化誘導(dǎo)技術(shù)作為一種前瞻技術(shù)，直接作用于水分子、污染物以及動(dòng)植物機(jī)體，可產(chǎn)生一系列磁化效應(yīng)，包括產(chǎn)生超氧自由基、影響動(dòng)植物體內(nèi)酶活性、提升水體納氧和納鹽能力、提高水體透明度等[7]。這些效應(yīng)不僅可直接去除水體污染物質(zhì)，也可刺激水生動(dòng)植物的生長、代謝以及抗逆性，從而有望強(qiáng)化現(xiàn)有水生態(tài)修復(fù)技術(shù)，擴(kuò)大其應(yīng)用場景，提高修復(fù)效果。然而，目前對(duì)于磁化誘導(dǎo)技術(shù)的研究較少，在水生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域中的應(yīng)用也鮮有報(bào)道。本文將對(duì)現(xiàn)有磁化誘導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用原理進(jìn)行系統(tǒng)性總結(jié)和分析，結(jié)合其效應(yīng)特點(diǎn)展望其在水生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用，旨在為后續(xù)磁化誘導(dǎo)新技術(shù)在水生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用提供參考。

1 磁化誘導(dǎo)技術(shù)及其原理

磁化誘導(dǎo)技術(shù)由于其高效、綠色、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)逐漸進(jìn)入各國研究人員視野，并掀起了磁化誘導(dǎo)技術(shù)的研究熱潮[8]。水分子在經(jīng)過磁場處理后，物化性質(zhì)發(fā)生一系列變化，包括介電常數(shù)、折射率、黏度等，從而引起一系列的物理、化學(xué)以及生物磁效應(yīng)，如除垢、殺菌、增產(chǎn)等[9]。在礦物的分選以及土木行業(yè)中，磁化誘導(dǎo)技術(shù)可顯著提高金屬離子的分離效果，強(qiáng)化混凝土密度[10]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，蘇聯(lián)專家通過磁化誘導(dǎo)技術(shù)顯著提高了農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)。在造紙、化工等行業(yè)的廢水處理方面，磁化誘導(dǎo)技術(shù)可顯著提高污染物的去除率和污染處理能力。我國關(guān)于磁化誘導(dǎo)技術(shù)的研究和應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代，顏幼平等[11]回顧了磁化誘導(dǎo)技術(shù)在工業(yè)水防垢方面取得一系列進(jìn)展。隨著幾十年的研究和應(yīng)用，磁化誘導(dǎo)技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、水處理等行業(yè)的應(yīng)用已取得了很大進(jìn)展。磁化誘導(dǎo)效應(yīng)主要分為物理、化學(xué)以及生物3個(gè)方面(圖1)。

圖1 磁化誘導(dǎo)效應(yīng)

1.1 物理磁效應(yīng)

自然的水分子之間存在電偶極相互作用，并以氫鍵的方式締合成大的水分子團(tuán)。在地球的這個(gè)大磁場中，水分子間氫鍵的斷裂和形成處于平衡狀態(tài)。然而，水分子是一種極性分子，分子間會(huì)存在著電偶極作用。在給水分子施加額外的磁場并以一定流速流過時(shí)，水分子會(huì)受到洛倫茲力等作用力的影響，水分子的正負(fù)極性發(fā)生改變，從而改變了水的電荷[12]。大分子的水分子締合集團(tuán)內(nèi)的氫鍵發(fā)生斷裂，氫鍵平衡被打破，被切割成單個(gè)水分子[13]。研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)磁化后，水分子氫鍵的斷裂存在閾值，當(dāng)磁場低于200 mT時(shí)，主要引起的是水的內(nèi)能變化，如氫氧鍵角的變化；一旦磁場強(qiáng)度超過200 mT，可引起氫鍵斷裂，甚至打破整體水分子氫鍵的平衡[14]。因此，經(jīng)磁場磁化后，水分子結(jié)構(gòu)的變化會(huì)導(dǎo)致水的表面張力、pH值、電導(dǎo)率、滲透壓、密度等發(fā)生顯著變化[15]。也有研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)磁化后的水分子光譜特性發(fā)生了改變，并導(dǎo)致水的黏度、凝固點(diǎn)、析蠟點(diǎn)等指標(biāo)發(fā)生變化[16]。

1.2 化學(xué)磁效應(yīng)

水分子及溶解在水中的溶質(zhì)在磁場的作用下吸收了大量能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，造成分子脫穩(wěn)進(jìn)入激發(fā)態(tài)，分子的碰撞概率大幅增加，從而加速了化學(xué)反應(yīng)速率[17-18]。韓慶祥等[19]通過熒光發(fā)射峰和面積證實(shí)了自由電子在經(jīng)過磁場后會(huì)脫穩(wěn)并發(fā)生躍遷，進(jìn)而影響化學(xué)反應(yīng)體系的熵。研究發(fā)現(xiàn)，化學(xué)反應(yīng)熵和速率的改變可顯著影響水中污染物的去除效率，在涉及工業(yè)廢水中金屬離子的回收處理時(shí)，經(jīng)磁化后的含金屬離子廢水不僅電解過程大幅提升，過程中發(fā)生濃差極化的概率也顯著降低，從而大幅提高工業(yè)廢水中金屬離子的去除率[17]。溶液中的自由基受到磁場的影響，促進(jìn)溶液中離子行為的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程，這也是化學(xué)磁效應(yīng)的主要體現(xiàn)[20]。孫靜波[21]在通過磁場強(qiáng)化臭氧處理城市污水時(shí)發(fā)現(xiàn)，在磁場的作用下會(huì)影響自由基對(duì)轉(zhuǎn)換成三重態(tài)的速度和程度，因而會(huì)脫穩(wěn)進(jìn)入激發(fā)態(tài)，從而提高化學(xué)反應(yīng)速率，臭氧的氧化反應(yīng)時(shí)間顯著縮短(3 min以上)。此外，經(jīng)磁化后產(chǎn)生的自由基可氧化分解水中的有機(jī)污染物，尤其是多環(huán)芳烴類、表面活性劑等難降解有機(jī)物，顯著降低水體中有機(jī)污染物含量[11]。

1.3 生物磁效應(yīng)

磁場對(duì)生物產(chǎn)生的效應(yīng)——生物磁效應(yīng)，主要包括兩個(gè)方面：一方面，是磁場會(huì)直接作用于微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，改變細(xì)胞膜的通透性、DNA結(jié)構(gòu)等[22]。生物細(xì)胞膜控制膜內(nèi)外物質(zhì)的傳質(zhì)速率，直接影響生物的生長、代謝等過程[23]。許燕濱[24]發(fā)現(xiàn)施加 100 mT的外加磁場時(shí)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。通過外加磁場，生物膜內(nèi)外鈉、鉀等離子的受力作用也發(fā)生了改變，進(jìn)而影響離子的膜內(nèi)外運(yùn)輸。也有研究[25]發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)磁場下，生物的DNA等生物大分子結(jié)構(gòu)易受到磁場影響，甚至造成DNA堿基發(fā)生突變。Shankay等[26]發(fā)現(xiàn)磁場強(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，并不是所有生物的分子結(jié)構(gòu)都會(huì)受到磁場的影響。李紅等[27]就發(fā)現(xiàn)小鼠DNA在強(qiáng)磁場條件下結(jié)構(gòu)依然穩(wěn)定。因此，磁場影響生物大分子結(jié)構(gòu)的機(jī)理還要進(jìn)一步研究。另一方面，磁場可影響生物酶的活性。生物酶是生物在環(huán)境中生長、代謝等過程中重要的調(diào)節(jié)物質(zhì)，酶活性的改變可顯著影響生物的生命活動(dòng)。然而，生物產(chǎn)生的很多酶或蛋白質(zhì)中由于含有金屬原子，都具有趨磁性。因此，在施加磁場后，磁化會(huì)影響酶內(nèi)自由電子的躍遷，打破分子內(nèi)部的穩(wěn)態(tài)，從而提高酶活性。有研究發(fā)現(xiàn)一些細(xì)菌體內(nèi)含有Fe等金屬離子，如桿菌、螺旋菌等，對(duì)磁場具有很高的敏感性[28]。在外加磁場后，磁場會(huì)通過影響酶活性影響生物從生長到衰亡的全過程，包括生物的形態(tài)、生長以及代謝等過程[29]。然而，生物酶有很多種類，磁場對(duì)不同種類生物酶產(chǎn)生的磁效應(yīng)有很大差異，對(duì)生物產(chǎn)生的生物磁效應(yīng)也有很大差異。粟杰等[30]發(fā)現(xiàn)磁場強(qiáng)度在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、真菌等的生長則受到激活。農(nóng)光鮮等[31]也發(fā)現(xiàn)磁場對(duì)白色念珠菌中酶活性具有促進(jìn)作用，但嚴(yán)重抑制葡萄糖菌的生長。磁場對(duì)于不同生物種類之間相同酶所產(chǎn)生的磁效應(yīng)也存在很大差別。Amara等[32]發(fā)現(xiàn)巨噬細(xì)胞放入磁場強(qiáng)度為250 mT的環(huán)境中時(shí)，其谷胱甘肽過氧化物酶和超氧化物歧化酶沒有發(fā)生改變。Zlotopolski等[33]卻發(fā)現(xiàn)鼠腎臟中的谷胱甘肽過氧化物酶和超氧化物歧化酶受到磁場嚴(yán)重抑制。

生物磁效應(yīng)存在一個(gè)閾值，磁場強(qiáng)度達(dá)到閾值才能發(fā)現(xiàn)磁效應(yīng)，且每種生物產(chǎn)生磁效應(yīng)的閾值也有很大差異，這也是很多研究存在矛盾的重要原因。生物磁效應(yīng)還具有滯后性和累積性，磁化時(shí)間與磁效應(yīng)有很大關(guān)聯(lián)，同時(shí)生物磁效應(yīng)還與磁場參數(shù)，如強(qiáng)度、頻率等有著密切關(guān)系。

2 磁化誘導(dǎo)技術(shù)在水生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用

磁化誘導(dǎo)技術(shù)可應(yīng)用于抑制藻類暴發(fā)、水生動(dòng)植物定向誘導(dǎo)恢復(fù)等，彌補(bǔ)現(xiàn)有水生態(tài)修復(fù)技術(shù)的不足。

2.1 水生動(dòng)物種群優(yōu)化

合理的水生動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)是良好水生態(tài)的重要基礎(chǔ)，也是河湖水生態(tài)功能的重要保障，對(duì)于維持健康的水生態(tài)系統(tǒng)尤為重要[34]。在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，大量研究證明磁化誘導(dǎo)技術(shù)可顯著影響水生生物尤其是大型魚類的生長、繁殖、代謝等。姜景田等[35]采用150 mT磁場強(qiáng)度誘導(dǎo)草魚、鰱魚以及鳙魚的魚卵，使魚卵內(nèi)的孵化酶活性顯著提升，魚卵發(fā)育速度和孵化率提升了6%以上。Surendran等[36]發(fā)現(xiàn)磁化誘導(dǎo)技術(shù)可提高與魚類生長、代謝相關(guān)的酶(如淀粉酶等)活性，顯著增強(qiáng)魚類的活動(dòng)能力以及攝食能力。章之蓉等[37]通過磁化誘導(dǎo)強(qiáng)化了羅非魚在惡劣環(huán)境下(如無餌食、低溶氧、低溫等)的生存能力；進(jìn)一步研究[38]發(fā)現(xiàn)，磁化誘導(dǎo)技術(shù)可顯著降低草魚等魚類的紅細(xì)胞溶血率，全血黏度顯著下降，并且加速了魚類血液循環(huán)速度，縮短紅細(xì)胞壽命，進(jìn)而促進(jìn)魚類的生長和代謝，增強(qiáng)其免疫力以及抗逆性。然而，每種水生生物最適合的磁場誘導(dǎo)參數(shù)具有很大差異，產(chǎn)生的生物磁效應(yīng)也有較大差別。劉憲亭等[39]發(fā)現(xiàn)磁化誘導(dǎo)技術(shù)對(duì)促進(jìn)魚類生長具有明顯閾值，作用效果不與磁場強(qiáng)度、時(shí)間等參數(shù)呈線性關(guān)系。因此，可利用不同水生生物的最適磁化參數(shù)定向調(diào)控水生生物物種結(jié)構(gòu)，以恢復(fù)健康的水生態(tài)系統(tǒng)。

水污染不僅帶來了過量的氮、磷、有機(jī)物等污染物，也會(huì)造成病原菌污染。魚類等大型水生生物易受到病毒的感染，產(chǎn)生腐鰭病等疾病，造成水生生物種群平衡破壞。磁化誘導(dǎo)技術(shù)不僅可直接作用于生物機(jī)體，控制其生長、代謝等相關(guān)酶的活性，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生超氧化自由基，這些自由基的產(chǎn)生可顯著抑制水體中病原微生物的生長，降低水生生物患病概率，為水生生物提供更適宜的生境。滲透壓是水生動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的主要力量，水生動(dòng)物細(xì)胞與河湖水體的滲透壓之差對(duì)水生動(dòng)物生長、繁殖具有重要影響[40]。磁化誘導(dǎo)技術(shù)可通過作用于水分子結(jié)構(gòu)，增大水體滲透壓，來促進(jìn)水生動(dòng)物生長、代謝、繁殖等。

2.2 水生植物恢復(fù)

水生植物占據(jù)著水生態(tài)系統(tǒng)中重要的生態(tài)位，不僅為水生動(dòng)物提供了棲息場所和食物，也是水體污染物去除的重要貢獻(xiàn)者。水生植物尤其是沉水植物的恢復(fù)，已成為我國河湖等自然水體生態(tài)治理的關(guān)鍵措施[41]。水生植物主要有沉水植物、挺水植物、浮葉植物和漂浮植物4種。水生植物不僅可凈化水體污染物，還可提高水生態(tài)質(zhì)量，促進(jìn)水體功能恢復(fù)[42]。國內(nèi)外大量的研究證實(shí)植物經(jīng)磁場誘導(dǎo)后，其DNA的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)、光合作用、呼吸速率等方面均有顯著變化，植物的萌發(fā)率、生長率、抗逆性物質(zhì)含量等大幅提升(表1)[43-44]。在河湖水生態(tài)修復(fù)中，通過磁化誘導(dǎo)技術(shù)誘導(dǎo)水生植物恢復(fù)，有望提高其種子萌發(fā)率、促進(jìn)生長發(fā)育、提高抗逆性、降低種植密度等，從而強(qiáng)化水生植物對(duì)水體污染物的去除效率，增強(qiáng)人工濕地、生態(tài)浮島等以植物作用為主的生態(tài)處理技術(shù)的污染物處理效率。

表1 磁化誘導(dǎo)技術(shù)對(duì)植物的影響

a. 提高發(fā)芽率。通過磁化誘導(dǎo)技術(shù)誘導(dǎo)植物種子，可顯著提高種子發(fā)芽率。胡弟文[45]發(fā)現(xiàn)磁場強(qiáng)度在500 mT時(shí)可強(qiáng)化種子的呼吸作用，提高種子中淀粉、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，從而提升種子的發(fā)芽率和活力。何興華等[46]也通過磁化誘導(dǎo)技術(shù)使水稻發(fā)芽率提高了34%，而大豆的發(fā)芽率更是提高了70%以上。

b. 促進(jìn)植物生長。磁化誘導(dǎo)不僅可影響植物種子的萌發(fā)期，也會(huì)影響植物幼苗期甚至整個(gè)生命過程。很多研究證明磁化誘導(dǎo)技術(shù)可促進(jìn)植物根系生長，增大植物汲取營養(yǎng)的面積，大幅促進(jìn)植物的生長和代謝。研究發(fā)現(xiàn)在磁場強(qiáng)度為83.5 mT時(shí)，紫蘇根系活力顯著提升，達(dá)到了0.76 mg/h[47]。汪耀富等[48]將煙草經(jīng)過磁化水處理后，植物根系發(fā)達(dá)，株高等指標(biāo)提高了20%以上。也有研究發(fā)現(xiàn)磁化水大幅提高了葡萄中硝酸鹽還原酶等氮代謝主要功能酶的活性，促進(jìn)了植物體內(nèi)的氮代謝[49]。

c. 提高抗逆性。植物抗逆性物質(zhì)的生成有助于植物在環(huán)境惡劣條件下的生長。已有研究發(fā)現(xiàn)植株經(jīng)磁化處理后，體內(nèi)的過氧化氫酶、過氧化物酶等抗逆性物質(zhì)的活性顯著提升(P<0.05)，提高了植物抵抗極端環(huán)境的能力[50]。陳全光[51]發(fā)現(xiàn)樟子松等植株經(jīng)磁化處理后超氧化歧化酶活性顯著提升，丙二醛含量降低。在水生態(tài)修復(fù)中，外界條件不穩(wěn)定，水生植物修復(fù)技術(shù)效果極其不穩(wěn)定。通過磁化誘導(dǎo)技術(shù)提高水生植被的抗逆性，有望強(qiáng)化水生態(tài)修復(fù)技術(shù)的修復(fù)效果。

d. 降低種植密度。植株在經(jīng)過磁化處理后，植物根系更加發(fā)達(dá)，抗逆性增強(qiáng)，體內(nèi)的酶活性更高，最終可提高植物株高、枝條數(shù)等。已有研究[52]發(fā)現(xiàn)，通過磁化作用，作物株高、果枝數(shù)等提高了20%以上，顯著提升小麥的產(chǎn)量。結(jié)合磁化誘導(dǎo)技術(shù)，可在進(jìn)行人工恢復(fù)水生植物時(shí)，降低水生植物的種植密度，從而降低成本。

2.3 抑制藻類暴發(fā)

藻類大規(guī)模暴發(fā)，不僅嚴(yán)重影響水生態(tài)系統(tǒng)平衡，也嚴(yán)重影響人類用水需求，是河湖水生態(tài)治理的重點(diǎn)和難點(diǎn)，故抑制藻類暴發(fā)一直備受關(guān)注[53]。目前，藻類治理技術(shù)短期主要依靠物化方法，雖可快速且有效去除水體藻類，但化學(xué)處理會(huì)給水生態(tài)系統(tǒng)造成不可逆的損傷，而物理處理費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率不高。長期治理主要是通過生物調(diào)控技術(shù)，如種植水生植物等，限制藻類生長。然而，水生動(dòng)植物的生長易受外界環(huán)境條件如透明度、溶解氧等的影響，導(dǎo)致藻類抑制效果較差。

磁化誘導(dǎo)技術(shù)作為一種新型水生態(tài)修復(fù)技術(shù)，可通過磁化效應(yīng)直接作用于藻類細(xì)胞的酶活性，影響生物膜的通透性，快速抑制甚至殺死藻細(xì)胞[54]。相較于化學(xué)藥劑，其對(duì)環(huán)境更加友好。高等水生植物與藻類屬于同一生態(tài)位，都屬于初級(jí)生產(chǎn)者，存在生存競爭機(jī)制。磁化誘導(dǎo)技術(shù)可定向強(qiáng)化高等植物的生長，促進(jìn)高等植物“化感物質(zhì)”的釋放，從而抑制藻類生長。此外，磁化誘導(dǎo)技術(shù)可強(qiáng)化水生生物的生長、代謝等，提高魚類對(duì)環(huán)境因素的抗逆性，促進(jìn)魚類等水生生物對(duì)藻類的覓食，有可能解決藻類大規(guī)模暴發(fā)的問題。

2.4 底泥修復(fù)

河湖等自然水體的底泥在長期接納上覆水中各種污染物后，底泥中污染物含量遠(yuǎn)高于上覆水[55-56]。隨著水環(huán)境治理穩(wěn)步推進(jìn)，我國河湖水質(zhì)改善效果明顯，底泥逐漸成為污染河湖水體重要的污染源之一。長期污染已導(dǎo)致水體底部生物群落功能性喪失，生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重破壞。在水生態(tài)修復(fù)過程中，底泥修復(fù)成了關(guān)鍵措施之一[57]。目前，底泥修復(fù)大多采用生態(tài)清淤(異位修復(fù))、投加化學(xué)穩(wěn)定劑固化底泥中污染物(原位修復(fù))等，會(huì)一定程度上去除/抑制底泥中污染物釋放到上覆水中。然而，這些技術(shù)都會(huì)不同程度破壞原有水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能。因此，尋找一種綠色、環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)的底泥修復(fù)技術(shù)尤為重要。磁化誘導(dǎo)技術(shù)相較于現(xiàn)有底泥修復(fù)技術(shù)，可在不破壞原有水生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行高效、綠色的修復(fù)。

a. 底泥微生物群落修復(fù)。長期的河湖水污染造成底泥微生物群落結(jié)構(gòu)單一，部分功能喪失。通過磁化誘導(dǎo)技術(shù)可定向增強(qiáng)功能性微生物生長、代謝和繁殖，提高微生物多樣性，進(jìn)而促使恢復(fù)底泥微生物群落的生態(tài)功能。Geng等[58]發(fā)現(xiàn)通過磁化誘導(dǎo)后，SBR反應(yīng)器微生物多樣性提升了12%以上，對(duì)TN等污染物的去除率大幅提高。

b. 底泥中污染物消減。隋衛(wèi)燕等[59]發(fā)現(xiàn)磁場可提高活性污泥中酶活性，如提高肌酸激酶、尿酶、乳酸脫氫酶等的活性，氧化性提高了22%，廢水處理效率顯著提升44%，其中有機(jī)物去除率提升15%以上。倪健源[60]發(fā)現(xiàn)磁場可強(qiáng)化活性污泥對(duì)COD和NH3-N的去除，污染物的去除率提升了20%。同時(shí)，在磁場作用下，水分子之間的氫鍵作用減弱甚至是斷裂，減少了水分子間的作用力，將大分子水分子締合團(tuán)切割成小分子，促進(jìn)了活性氧(包括羥基自由基、超氧自由基等)的產(chǎn)生。這些活性基團(tuán)具有強(qiáng)氧化性，可有效降解水中的有機(jī)物等污染物，尤其是難以生物降解的物質(zhì)。席婷婷[61]發(fā)現(xiàn)磁化產(chǎn)生的超氧自由基顯著提高了城市污水中可溶性COD去除率(35%)，并且有效提高污水的透光率。此外，磁場不僅可作用于水分子，也對(duì)水分子中溶質(zhì)產(chǎn)生影響，尤其是對(duì)以碳、氫、氧等以各種形式結(jié)合的有機(jī)物。有研究發(fā)現(xiàn)在磁場作用下，有機(jī)物相鄰分子會(huì)疏遠(yuǎn)，分子間的C-C/C-H等共價(jià)鍵產(chǎn)生的凝聚力減弱，甚至是長鏈有機(jī)物分子斷鏈。Cai等[62]研究發(fā)現(xiàn)在磁場的作用力下，溶解在水中的有機(jī)物會(huì)吸收能量，將分子從穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化到激發(fā)態(tài)，從而加速了有機(jī)物的礦化。因此，通過磁化誘導(dǎo)技術(shù)可增強(qiáng)底泥中分解者污染物降解相關(guān)的酶活性，促進(jìn)其生長和代謝，從而大幅提高底泥中污染物的降解速率，削減河湖水體自生污染源的貢獻(xiàn)。

c. 底泥沉降性。隨著大量污染物排放到河湖水體中，底泥中有機(jī)質(zhì)含量不斷增大，出現(xiàn)底泥難沉降、體積大、易翻泥等現(xiàn)象，嚴(yán)重危害水環(huán)境。底泥的沉降性以及松散程度與Zeta電位等靜電力的作用密切有關(guān)。已有研究[63]發(fā)現(xiàn)，磁化誘導(dǎo)技術(shù)可顯著降低污泥表面的Zeta電位，污泥容積指數(shù)降低至100 mL/g，污泥沉降性大幅提高。因此，可利用磁化誘導(dǎo)技術(shù)大幅削減河湖水體底部淤泥體積，有效抑制城市黑臭河道翻泥現(xiàn)象。

3 磁化誘導(dǎo)技術(shù)在水生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域的研究展望

水生態(tài)修復(fù)涉及動(dòng)物、植物等多個(gè)物種及其生境的修復(fù)，極其復(fù)雜[64]。磁化誘導(dǎo)技術(shù)雖在農(nóng)業(yè)等行業(yè)涉及，但目前在水生態(tài)修復(fù)方面的研究較少。磁化誘導(dǎo)技術(shù)在后續(xù)水生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域中的研究應(yīng)著重關(guān)注以下幾個(gè)方面。

3.1 對(duì)多種磁化參數(shù)的深入研究

現(xiàn)階段，磁化誘導(dǎo)技術(shù)的研究與應(yīng)用的磁場強(qiáng)度集中在0.5 T以下，研究的磁場強(qiáng)度范圍較窄。磁場帶來的物理、化學(xué)以及生物效應(yīng)往往以多級(jí)值呈現(xiàn)，而現(xiàn)有的磁場強(qiáng)度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求。因此，在后期水生態(tài)修復(fù)的研究中，磁場強(qiáng)度的研究范圍應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大。影響磁化效應(yīng)的不僅是磁場強(qiáng)度，還包括磁化時(shí)間、磁場頻率等，這些磁化參數(shù)均需進(jìn)一步細(xì)化研究。

3.2 不同生物磁效應(yīng)差異的機(jī)理研究

同樣的磁場強(qiáng)度對(duì)不同種類的生物產(chǎn)生的磁效應(yīng)差異很大，需進(jìn)一步探究生物磁效應(yīng)存在差異的機(jī)理。同時(shí)，為了后續(xù)研究能夠更加深入，應(yīng)用更加廣泛，應(yīng)對(duì)產(chǎn)生的磁效應(yīng)按生物種類歸類總結(jié)，以方便后續(xù)技術(shù)的應(yīng)用和實(shí)施。此外，由于自然水體的復(fù)雜性，磁場對(duì)自然水生態(tài)系統(tǒng)的影響尚不可知，因此對(duì)磁場短期和長期的生物學(xué)效應(yīng)也應(yīng)給予更多關(guān)注。

3.3 多種水生生物復(fù)合磁效應(yīng)的研究

水體生態(tài)修復(fù)是以水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能為主體目標(biāo)，并不針對(duì)某一種或幾種水生生物。因此，磁化誘導(dǎo)技術(shù)用于水體生態(tài)修復(fù)時(shí)，不僅需考慮磁化誘導(dǎo)對(duì)目的水生生物的影響，同時(shí)也要考慮對(duì)生態(tài)系統(tǒng)其他物種的影響。目前磁化誘導(dǎo)效應(yīng)對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)整體影響的研究較少，后續(xù)還要對(duì)磁化誘導(dǎo)效應(yīng)對(duì)多種水生生物復(fù)合效應(yīng)的影響進(jìn)行深入探究。

3.4 大水體磁化方式的應(yīng)用研究

在已有的工業(yè)或農(nóng)業(yè)的磁化技術(shù)應(yīng)用中，水質(zhì)穩(wěn)定、磁化水量小是現(xiàn)有技術(shù)的共同特點(diǎn)。因此，過去的研究中主要是采用永磁式磁鐵進(jìn)行磁化，具有低成本、無須維護(hù)等特點(diǎn)。然而在面對(duì)水量較大的河湖等自然水體時(shí)，現(xiàn)有的磁化方式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足處理量和處理效率需求。同時(shí)，相較于工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水，自然河湖水體復(fù)雜程度更高，現(xiàn)有磁化誘導(dǎo)技術(shù)參數(shù)和實(shí)施方式有很大的局限性。因此，針對(duì)河湖等大水體，還需進(jìn)一步深入研究經(jīng)濟(jì)、有效的磁化方式。