鈾污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)

環(huán)境修復(fù)網(wǎng)訊:摘要：鈾礦的采選過(guò)程中必然會(huì)產(chǎn)生大量的尾礦與廢料，其是環(huán)境中鈾污染土壤的主要來(lái)源，同時(shí)核試驗(yàn)與核反應(yīng)堆的運(yùn)行也是鈾在環(huán)境 中產(chǎn)生污染的重要途徑。鈾尾礦庫(kù)中重金屬鈾在地表徑流和地下徑流作用下，進(jìn)入尾礦庫(kù)周?chē)寥溃斐闪舜竺娣e低劑量的鈾污染土壤， 同時(shí)重金屬鈾還能通過(guò)生物圈進(jìn)入食物鏈，最終危害人體健康。因此，鈾污染土壤必需盡快治理。植物修復(fù)技術(shù)由于其與傳統(tǒng)的修復(fù)方法 相比，具有成本低廉、工作量小、對(duì)環(huán)境擾動(dòng)小、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，因此其可作為修復(fù)鈾污染土壤的一種比較合適的技術(shù)。

關(guān)鍵詞：放射性核素；鈾；植物修復(fù)；超積累植物

鈾礦的采選過(guò)程中必然會(huì)產(chǎn)生大量的尾礦與廢料，其是環(huán)境中鈾污染土壤的主要來(lái)源，同時(shí)核試驗(yàn)與核反應(yīng)堆的運(yùn)行也是鈾在環(huán)境中產(chǎn)生污染的重要途徑 [1-3]。土壤中鈾主要以氧化態(tài)形式存在（80-90％），如鈾酰離子（UO2 2+），其在土壤中并不穩(wěn)定易從土壤中釋放出來(lái) [4]，從而導(dǎo)致環(huán)境污染。污染的土壤和水用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，使得有害的化學(xué)元素從土壤和灌溉水中轉(zhuǎn)移到植物，并通過(guò)食物鏈最終進(jìn)入人體 [5]。鈾 不僅具有很強(qiáng)的重金屬化學(xué)毒性，同時(shí)具備衰變放射性毒性，其化學(xué)衰變產(chǎn)物對(duì)人體健康也具有重大的影響 [6,7]。因此，對(duì)放射性重金屬鈾所 引起的環(huán)境問(wèn)題必需盡快解決。 全世界具有大量的鈾污染區(qū)域，采用工程學(xué)上的挖掘法進(jìn)行修復(fù)， 其花費(fèi)比較高 [8,9]；而采用傳統(tǒng)的化學(xué)淋洗法，其又改變了原土壤的理化性質(zhì)甚至改變土壤的生態(tài)環(huán)境 [9]；采用石灰、碳酸鈣和磷酸鹽固定鈾， 雖然能夠快速減少土壤中的生物可利用態(tài)的鈾含量，但其并未去除土壤中的鈾，因此其可能只是一種臨時(shí)性的修復(fù)方案 [10]。在此背景下，植物修復(fù)技術(shù)作為一種經(jīng)濟(jì)合理、大眾可接受的、環(huán)境友好型的技術(shù)方案越來(lái)越被人們所重視 [11,12]。

植物修復(fù)與傳統(tǒng)的修復(fù)方法相比，其成本低廉、工作量小、對(duì)環(huán)境擾動(dòng)小 [13]；且植物修復(fù)技術(shù)可以增加土壤中有機(jī)碳的含量，從而刺激 土壤微生物的活性促進(jìn)根際污染物的降解 [14]；現(xiàn)今全球溫室效應(yīng)越發(fā) 明顯，而通過(guò)植物可適當(dāng)降低空氣中的 CO2 濃度，同時(shí)可起到改善土 壤理化性質(zhì)的作用，最終收割的植物又可以用作燃料及制成纖維 [15,16]。 綜上所述，植物修復(fù)技術(shù)其可作為重金屬污染土壤的一種比較適合的修 復(fù)技術(shù) [17]。

1 植物修復(fù)的概念

植物修復(fù)是利用植物固定、降解或提取水體或土壤中污染物的一門(mén)環(huán)境治理技術(shù) [18]，其可能很快成為環(huán)境管理體系的一個(gè)組成部分 [19]。 植物修復(fù)技術(shù)最開(kāi)始是利用超積累植物修復(fù)重金屬污染土壤。超富集植物的界定 [20]：（1）植物地上部分重金屬濃度達(dá)到一定臨界值，如 Cu、Co、Cr、Ni 和 Pb 的超富集植物其地上部分金屬含量大于 1000 mg kg-1（干重）；對(duì)于 Fe，Mn 和 Zn 則需大于 10000 mg kg-1[20]。（2）轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（地上部分重金屬濃度 / 根部重金屬濃度）>1。超積累植物對(duì)重金屬的毒害作用具有耐受性，在逆境中仍能維持正常的新陳代謝。但由于超積累植物大都生物量小，生長(zhǎng)緩慢，使得其在單位時(shí)間對(duì)單位面積污染土壤的修復(fù)效率較低，因此在實(shí)際修復(fù)過(guò)程中較難實(shí)現(xiàn)應(yīng)用價(jià)值 [21]。 由于超積累植物的局限性，人們開(kāi)始利用對(duì)重金屬積累能力較強(qiáng)、生物 量大、生長(zhǎng)快的農(nóng)作物修復(fù)重金屬污染土壤 [17,22]。同時(shí)利用其他輔助技 術(shù)措施（螯合劑、叢枝菌根、或其他添加劑等）來(lái)提高植物對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)效率。

2 植物修復(fù)的類(lèi)型

植物越來(lái)越頻繁的被用于控制或修復(fù)放射性核素污染，為了更好的利用植物修復(fù)技術(shù)，植物修復(fù)類(lèi)型需得以闡明。 

（1）植物提取是利用具有較高生物量的放射性核素積累植物或土壤添加劑強(qiáng)化植物將土壤中的目標(biāo)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)至植物地上部分，使其得到積累，再通過(guò)收割植物地上部分將放射性核素移走，以降低土壤中放射性核素的含量。植物提取是目前植物修復(fù)技術(shù)中研究較多的一種修復(fù)鈾污染土壤的方法 [1,12,23-27]。采用螯合誘導(dǎo)強(qiáng)化植物修復(fù)技術(shù)，能明顯提高植物對(duì)鈾的積累。Mihalík 等 [25] 研究表明，柳樹(shù)與向日葵對(duì)鈾的積累能力都較強(qiáng)，利用螯合誘導(dǎo)強(qiáng)化植物修復(fù)技術(shù)，在 5 mmol kg-1 CA 處 理下，地上部分鈾含量可達(dá) 88 和 108 mg kg-1。螯合劑能有效的活化土壤中的重金屬，但如果土壤中生物可利用態(tài)的重金屬含量過(guò)高，可能會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用，甚至導(dǎo)致植物死亡。叢枝菌根可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)，一定程度上增強(qiáng)植物對(duì)重金屬的耐性，因此，螯合劑 - 菌根聯(lián)合修復(fù)技術(shù)得到了應(yīng)用 [28]。有研究表明，在土壤中施加螯合劑的同時(shí)對(duì)植物接種叢枝根菌，地上部分 Cd 的含量相對(duì)于單一施加螯合劑組明顯增加 [28]。

（2）植物固定是利用植物降低或限制放射性核素的遷移，使其穩(wěn)定在土壤中，從而降低其對(duì)環(huán)境的危害。對(duì)于不利于植物生長(zhǎng)的土壤， 可通過(guò)向土壤施肥（磷酸鹽）改善土壤營(yíng)養(yǎng)狀況，或?qū)χ参镞M(jìn)行菌根接種 [29]。菌根在修復(fù)重金屬污染土壤的作用包括直接作用和間接作用。 直接作用指叢枝根菌可通過(guò)螯合作用將重金屬積累在真菌內(nèi)，防止過(guò)量的重金屬進(jìn)入植物，降低重金屬對(duì)植物的毒害；間接作用指加強(qiáng)宿主植 物對(duì)養(yǎng)分的吸收以提高宿主植物的抗性 [28]。Weiersbye 等 [30] 研究表明， 鈾尾礦上生長(zhǎng)的狗牙根，其鈾主要分布于菌根真菌泡囊中。這有利于降低鈾在植物體內(nèi)的富集，從而提高植物對(duì)鈾的耐性。菌根可以通過(guò)根外 菌絲擴(kuò)大根系的吸收面積，有利于宿主植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)的吸收，促進(jìn)宿主植 物的生長(zhǎng)；同時(shí)菌根真菌的活動(dòng)會(huì)改變根際微環(huán)境，增強(qiáng)宿主植物對(duì)逆 境的抗性 [28]。叢枝菌根對(duì)鈾在土壤中的固定和鈾在植物體內(nèi)的積累都 起著一定作用。有研究表明，較高濃度的鈾污染土壤，菌根可降低植物 地上部分積累的鈾含量 [31]。叢枝根菌對(duì)植物的侵染能增加植物根部富 集的鈾含量 [32]；在盆栽試驗(yàn)中持續(xù)施加鈾，兩周內(nèi)，菌根和無(wú)菌根植 物的根分別吸收了 26% 和 8% 的鈾 [33]。因此，利用植物 - 微生物共生 體的修復(fù)技術(shù)，可以作為植物固定技術(shù)的新思路。當(dāng)大規(guī)模凈化及其他 原位修復(fù)技術(shù)無(wú)法實(shí)施，且放射性核素污染土壤不適合復(fù)墾種植時(shí)，植物固定技術(shù)可能是一種非常好的選擇，其可緩解放射性核素在生物圈的遷移與擴(kuò)散 [34]。

（3）植物過(guò)濾是植物的根部對(duì)放射性核素的沉淀與積累，其用于濕地和水體污染修復(fù)。Dushenkov 等 [35] 研究表明，利用向日葵修復(fù)廢 棄鈾加工廠(chǎng)，24h 內(nèi)去除了水體中 95% 的鈾，從初始濃度 350 ug L-1 降 至小于 5 ug L-1。胡南等 [36] 研究表明，滿(mǎn)江紅分別在初始鈾濃度為 0.15、 1.50 和 15.00 mg L-1 的水中培養(yǎng) 21d，水中的鈾去除率分別為 94%、97% 和 92%。植物過(guò)濾技術(shù)能在短時(shí)間內(nèi)即完成水體的修復(fù) [36]，但植物提 取技術(shù)對(duì)土壤的修復(fù)卻是一個(gè)長(zhǎng)久的工程 [12]，主要原因是總鈾含量一致的情況下，土壤中生物可利用態(tài)的鈾含量明顯低于水體。Duquène 等 [12] 報(bào)道表明，在土壤中施加 5 mmol kg-1 EDDS，印度芥菜去除土壤中 10% 的 U、Cd、Cu 和 Zn 分別需要 60、3、10 和 20 年。 （4）植物揮發(fā)是植物從污染土壤中吸收揮發(fā)性的放射性核素并將 其轉(zhuǎn)化為毒性小的揮發(fā)態(tài)物質(zhì)，然后通過(guò)植物葉面釋放到大氣中 [19]。 Negri 等 [37] 研究表明，雜交白楊在修復(fù)揮發(fā)性的放射性核素 3 H 時(shí)取得了良好的控制作用。

3 植物修復(fù)效率的影響因素

3.1 植物種類(lèi)

不同種屬的植物對(duì)放射性核素的積累存在很大的差異，那些強(qiáng)烈積 累低放核素的植物往往分布在某些特定的科、屬內(nèi)。目前國(guó)外已發(fā)現(xiàn)大 豆、紫花苜宿、向日葵以及印度芥菜等對(duì)鈾有富集作用，但種類(lèi)較少 [38]， 聶小琴等 [39] 的研究集中對(duì)我國(guó)南方某鈾尾礦庫(kù)內(nèi)自然生長(zhǎng)的 8 科 14 種 有潛力優(yōu)勢(shì)植物的體內(nèi)及部分根際土壤的核素含量進(jìn)行了測(cè)定，并針對(duì) 植物對(duì)核素的耐受性和富集性能進(jìn)行分析。結(jié)果表明：雙穗雀稗、圓果 雀稗、水莎草、水蜈蚣和碎米莎草的地上部分及金毛狗的地下部分對(duì)鈾 和釷均有不同程度的累積。莎草科的碎米莎草對(duì)釷的富集系數(shù)高達(dá) 6.04， 其余植物的富集系數(shù)均小于 1；一部分植物樣對(duì)鈾的轉(zhuǎn)移系數(shù)小于 1。 莎草科的水蜈蚣對(duì)釷的轉(zhuǎn)移系數(shù)為 2.56，其他植物的轉(zhuǎn)移系數(shù)均小于 0.50。莎草科植物對(duì)鈾的吸收富集性能明顯優(yōu)于其他科植物，碎米莎草pan> 對(duì)鈾則表現(xiàn)出超耐受性和超富集性。

3.2 土壤的理化性質(zhì)

土壤的理化性質(zhì)，如土壤質(zhì)地、pH、有機(jī)質(zhì)、含水量、碳酸鹽含量、 陽(yáng)離子交換量等，對(duì)鈾的生物有效性有重要的影響。土壤中鈾的分部和 植物對(duì)鈾的吸收與土壤有機(jī)質(zhì)的積累也有密切關(guān)系。Takeda[40] 研究了大白菜（Brassica rapa L.）的生長(zhǎng)對(duì)土壤溶液中鈾等濃度的影響，結(jié)果表明根際土壤溶液中鈾質(zhì)量濃度與溶解的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在植物培養(yǎng)期間隨植物的生長(zhǎng)而增加。Shahandeh[41] 認(rèn)為植物修復(fù)鈾污染土壤的效率受 土壤類(lèi)型的影響較大，鈾的植物累積局限于具有低吸附潛力的酸性土壤和具有碳酸鹽礦物的堿性土壤。選擇了向日葵（Helianthus annuus）和 印度芥菜作為鈾的潛在累積植物進(jìn)行不同土壤鈾污染率和不同土壤鈾組分的累積研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)又主要累積與植物的根部；植物修復(fù)效率尤其 在石灰性土壤中受鈾污染率的影響；生長(zhǎng)在較高含量鈾的碳酸鹽土壤中 的植物在嫩枝和根中累積了大部分鈾，而生長(zhǎng)在具有較高 Fe、Mn 氧化 物和有機(jī)質(zhì)含量的黏酸性土壤中的植物體內(nèi)鈾含量最低。

3.3 土壤微生物

土壤中植物的共生微生物對(duì)改善植物的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)往往有不可替代的 作用。共生微生物可能直接或間接參與元素活化與植物吸收過(guò)程，對(duì)于植物修復(fù)效果產(chǎn)生重要的影響。Chen 等 [42] 通過(guò)盆栽試驗(yàn)研究了不同 AMF 對(duì)超累積植物蜈蚣草（Pteris vittata L.）吸收復(fù)合土壤中鈾和砷的影 響。菌根真菌侵染抑制了蜈蚣草生長(zhǎng)，但對(duì)植株砷濃度沒(méi)有明顯影響， 接種處理顯著提高了根系鈾含量，使根系對(duì)鈾的轉(zhuǎn)移系數(shù)從 7 提高到 14，根系的鈾質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá) 1574mg/kg。

3.4 土壤添加劑

在土壤中假如有機(jī)螯合劑可以改變土壤理化性質(zhì)，增加土壤中放射 性核素的植物可得性，降低這類(lèi)污染物在土壤中的遷移性。Shahandeh 等 [43] 的研究表明印度芥菜和向日葵干物質(zhì)產(chǎn)量與鈾累積量隨土壤污染 率、螯合劑與有機(jī)酸的類(lèi)別和濃度及土壤類(lèi)型的不同而變化。施入檸檬酸和草酸顯著增加了鈾向植物嫩枝中的遷移和積累量，20mmol/kg 檸檬酸使壤質(zhì)酸性土 pH 低于 5.0，并使嫩枝鈾積累量提高 150 倍，達(dá) 1400mg/kg，而 CDTA、DTPA、EDTA 和 HEDTA 對(duì)鈾向嫩枝的遷移幾乎沒(méi)影響。

4 結(jié)論

植物修復(fù)技術(shù)作為一種經(jīng)濟(jì)合理、大眾可接受的、環(huán)境友好型的技術(shù)方案越來(lái)越被人們所重視。對(duì)于鈾污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)研究，目前仍存在超積累植物種類(lèi)少、生物量不大及富集率不高等問(wèn)題上。在繼 續(xù)篩選更多的鈾超積累植物時(shí)還應(yīng)繼續(xù)深入研究涉及植物對(duì)鈾的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程及植物對(duì)鈾的耐性和解毒機(jī)理等許多基礎(chǔ)理論問(wèn)題。未來(lái)的研究將通過(guò)環(huán)境科學(xué)、土壤科學(xué)生物工程和其他輔助技術(shù)的綜合應(yīng)用，解決放射性核素鈾污染土壤的植物修復(fù)問(wèn)題。

原標(biāo)題:鈾污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)