土壤污染对环境健康、农业和人类福祉构成了严重威胁。在各种污染物中，重金属因其毒性、持久性和生物累积潜力而尤为令人担忧。受污染的土壤不仅会降低土地生产力，还会将有害物质引入食物链，对生态系统和公共健康构成风险。因此，解决土壤污染是一个关键的环境挑战 [1]，[2]。
铬（Cr）是一种广泛存在且危险的土壤污染物，主要通过皮革鞣制、电镀和采矿等工业活动进入土壤 [3]。铬存在多种氧化态，其中六价铬（Cr(VI) 是最具毒性和致癌性的形式。Cr(VI) 在环境中具有高度迁移性，使其成为一种持久的污染物，容易渗入地下水，加剧其不良影响。长期暴露于 Cr(VI) 可导致严重的健康问题，包括肺癌、肾脏损伤和皮肤刺激 [4]，[5]。
鉴于 Cr(VI) 的毒性，从受污染的土壤中去除铬迫在眉睫 [4]。全球已建立了相关法规标准，以限制土壤中的铬含量，从而保护生态系统和人类健康。这些标准因土壤特性、土地利用和环境风险评估的不同而有所差异，农业土壤中总铬的最大允许浓度在加拿大约为 64 mg/kg，而在一些西欧国家则高达 200 mg/kg [6]。在中国，GB 15618–2018 标准允许农业土壤中总铬含量达到 150 mg/kg [7]。越来越多超过这些监管阈值的铬污染土壤的出现，带来了重大的环境和公共卫生挑战 [4]。为应对这些挑战，人们采用了多种修复技术来处理铬污染土壤，包括化学还原、土壤清洗和植物修复。然而，这些方法在实现预期修复效果方面往往存在局限性 [4]，[8]。
在大多数修复策略中，主要目标是去除受污染土壤中的 Cr(VI) 或将其转化为毒性较低的三价铬（Cr(III)）。然而，铬修复的效率不仅取决于 Cr(VI) 的还原程度，还取决于生成的 Cr(III) 化合物的特性。一个关键但常被忽视的方面是生成的 Cr(III) 的形态。虽然 Cr(III) 的毒性明显低于 Cr(VI)，但其水中的迁移性和溶解性仍然是一个问题 [9]。除了 Cr(VI) 的还原外，生成的 Cr(III) 的化学形式对修复的长期成功也起着重要作用。Cr(III) 可能以可溶且可迁移的形式存在，在氧化条件下容易重新迁移和再氧化；或者以不溶且不可迁移的形式存在，如 Cr(OH)3 或 CrPO4，这样对环境的威胁较小 [10]。
因此，有效的铬修复策略应旨在最大限度地去除土壤中的铬，同时确保残留的铬主要以不溶且风险较低的 Cr(III) 形式存在。同时，应有效去除 Cr(VI) 还原过程中产生的可溶性 Cr(III)，以最小化其重新迁移或再氧化的可能性。理想情况下，从土壤中提取的铬也应主要以毒性较低的 Cr(III) 形式存在，从而实现更安全的后处理管理，并避免处理高毒性 Cr(VI) 时相关的风险。
电动力（EK）修复是一种有前景的方法，可用于从土壤中去除和提取重金属（包括铬）。该技术通过施加电场来利用离子迁移和电渗流（EOF）等机制，促进污染物的传输、提取或转化 [11]。最近，将微生物过程与电动力修复相结合的方法（称为生物电动力（BEK）修复）因其在增强铬解毒方面的潜力而受到关注 [12]。据报道，在促进微生物活性和电子转移的电场作用下，Cr(VI) 的还原效率有所提高，提高幅度根据研究条件不同而介于 20% 至 50% 或更高 [13]，[14]。然而，大多数研究主要关注总体 Cr(VI) 去除效率和总铬浓度的变化，而对控制低风险 Cr(III) 物种形成和长期稳定性的条件关注较少。微生物在此过程中起着关键作用，它们通过酶促或代谢途径将 Cr(VI) 还原为毒性较低且迁移性较低的三价铬（Cr(III)）[15]。酶促还原是一个关键过程，微生物利用特定的还原酶（如铬酸还原酶）来促进电子向 Cr(VI) 的转移。一些微生物种类在厌氧条件下直接利用 Cr(VI) 作为最终电子受体。其他途径涉及产生活性代谢物（如硫化氢或有机酸），间接还原 Cr(VI) [15]，[16]。微生物过程与 EK 处理的结合及其修复效果受到微生物生理条件和电化学诱导环境因素的影响，包括微生物种类、营养物可用性、氧化还原电位、施加电压、土壤 pH 值、有机质含量以及竞争性电子受体的存在 [17]，[18]。
在 BEK 过程中施加电场可以通过电动力诱导的相互作用影响 Cr(VI) 向 Cr(III) 的还原。电场增强了离子迁移和流体运动，促进了 Cr(VI)、微生物细胞、它们的营养物质和电子供体之间的更好接触 [9]。BEK 过程中产生的副产物也可能在这种转化过程中发挥作用。这些物质（如氢离子、氢氧根离子或微生物活动产生的活性代谢物）可以创造有利于转化过程的化学或氧化还原条件 [19]。
除了电场应用的优势外，施加的电场条件可能对微生物群落产生电化学应力，因此电压的强度和施加方式是影响 BEK 修复效果的关键因素。虽然连续高电压暴露（例如 1 V/cm）会损害微生物活性，甚至导致其因电化学应力而死亡，但循环电压应用已被证明可以增强污染物去除和微生物存活率 [17]，[20]，[21]。进一步优化循环时间还可以提高效率并可能降低能耗 [21]。
在电场诱导的应力条件下，有机底物通过作为碳和能量来源支持微生物代谢以及作为 Cr(VI) 还原的电子供体而发挥关键作用。此外，这些底物在电场作用下可能会发生氧化，可能影响铬的转化。此外，有机化合物可以与 Cr(III) 复合，改变其溶解性和迁移性，尤其是容易氧化的碳组分 [22]。理解这些机制对于优化 BEK 修复系统中的微生物活性至关重要。
基于我们对先前研究的了解，特别是在耦合 BEK 条件下，相对较少关注 BEK 修复过程中生成的 Cr(III) 的命运和形态变化。特别是区分可溶性和不溶性 Cr(III) 形式对于评估长期环境风险至关重要，但这方面的研究较少。此外，电压施加方式（连续 vs 循环）对微生物活性和 Cr(III) 形态变化的影响，以及有机底物在电场诱导条件下对 Cr(III) 溶解性和迁移性的影响也尚未得到充分研究。
因此，本研究系统地探讨了电压施加方式、微生物活性和葡萄糖补充对 Cr(VI) 还原效率以及生成的 Cr(III) 命运的综合影响。通过明确区分可溶性和不溶性 Cr(III) 分量，本研究为了解 BEK 修复后的铬解毒机制和长期稳定性提供了新的见解。这些发现有助于更全面地理解基于 BEK 的可持续修复策略，确定了同时增强铬解毒效果和最小化重新迁移风险的操作条件。
