第27卷 第1期2008年2月铀 矿 冶URANIU M M IN ING A ND M ETA LLURGY Vo l 27 No 1Feb 2008收稿日期:2007 02 26作者简介:张学礼(1973 ),男,四川渠县人,博士,工程师,从事辐射防护与环境保护研究工作。

环境中铀污染的植物修复张学礼,王尔奇(核工业北京化工冶金研究院,北京101149)摘要:利用植物修复技术对环境放射性污染进行治理是目前国内外有关学者研究的热点和难点问题。

系统地阐述了放射性核素铀污染环境的植物修复,从植物修复类型(植物提取、根际过滤和植物固定)、植物吸收累积铀的影响因素(植物种类、土壤理化特性、土壤微生物、土壤改良剂、农业施肥措施和铀的化学形态)以及应用实例等几方面介绍了国内外的有关研究现状及其发展趋势。

关键词:铀污染;环境;植物修复中图分类号:X 591 文献标识码:A 文章编号:1000 8063(2008)01 0044 06引言铀矿开采以及核能的利用过程是铀在环境中富集并产生污染的重要途径。

铀尾矿和废石中含有铀及其全部子体,其放射性核素含量比本底高2~3个数量级。

不适当的堆积或处置这些废料就会导致铀通过流失散布到土壤表面,经风蚀进入空气,或者通过淋洗而进入地下水。

此外,铀矿冶大量的放射性废水不断地排出,也直接污染了天然水体和土壤。

据几个铀矿山和水冶厂对废石堆及尾矿库周围的鸡、鸭、牛、羊等进行监测结果表明,其铀和镭在鸡、鸭、牛、羊各组织中的浓度比本底高1~2个数量级[1]。

调查发现[2],安徽省某铀矿原水冶厂遗址处种植的青菜、黄豆中的238U 质量分数高出对照点1个数量级。

显然,铀污染对于当地的矿区生态环境和人类健康构成了较严重威胁。

考虑到铀及其衰变子体对环境构成的长期潜在危害性,如何修复大面积、低比活度铀污染环境已成为各国科技工作者的研究热点。

随着人们对环境保护的日益重视,探索在不破坏生态环境的情况下原位治理放射性铀污染成为必然要求,植物修复正顺应了这种要求。

与传统的修复技术相比,由于植物利用光合作用生长,它具有投资和维护成本低、操作简便、不造成二次污染等优点,且有可能通过资源化利用而取得一定经济效益,具有广阔的应用前景,因而越来越受到各国科研人员的广泛重视和青睐。

1铀污染环境的植物修复技术尽管铀及其子体不是动植物必需的或有益的元素,但许多种类的植物如印度芥菜、向日葵、贝母、亚麻等会吸收铀并随其他重金属一道被转化为植物的生物量,这暗示了通过植物吸收来修复铀污染环境的可能性。

植物修复技术是以植物忍耐和超量积累某种或某些化学元素的理论为基础,利用植物及其共存的微生物体系,清除环境中污染物的一门环境污染治理技术。

根据其作用机理可将植物修复技术分为:植物提取、植物转化、植物挥发、植物固定和根际过滤。

对于修复铀污染环境而言,具有现实意义的植物修复类型主要是植物提取、根际过滤和植物固定。

1.1植物提取植物提取(phy toex traction)指应用可积累污染物的植物将环境中的金属或有机污染物转运、富集于植物易于收集的部分。

Kaplan [3]针对美国南卡罗莱纳州萨凡纳河受污染的湿地沉积物采用连续提取试验揭示了铀和钍束缚于沉积物中的能力相对较弱,表明对该沉积物采用植物修复的办法将是可行的。

Dana [4]报道了利用风滚草(Rus sian thistle)对美国新墨西哥州南部干旱环境中的贫铀污染进行植物提取修复。

在开花前收获的风滚草吸收了大量的贫铀,推测其可能原因是植物在提取过程中利用金属合成了色素之故。

进行植物提取往往依赖于超积累植物,但目前尚未发现真正的铀超积累植物,因而通过各种途径提高普通植物对铀的累积能力成为一种现实选择,其关键则在于提高铀的植物有效性。

H uang[5]2004试验发现,一些有机酸(如醋酸、柠檬酸、苹果酸)能够促进铀在土壤中的溶解和在植物体内的快速积累,其中柠檬酸的作用最强。

向铀污染土壤中加入20mm ol/L的柠檬酸,3d后使印度芥菜(Br assica j uncea)和大白菜(B rassica chinensis)地上部分对铀的富集量提高1000倍,达5000mg/kg,这是见于报道的生长在铀污染土壤上最高的植物地上部分铀富集量。

试验结果也表明植物提取可能提供了一种环境友好的净化铀污染土壤的技术途径。

1.2根际过滤根际过滤(rhizofiltration)是指利用植物大量的根系从废水中吸收,富集和沉淀重金属、有机物等污染物,从而达到消除环境污染的目的。

尽管不同植物对铀的吸收与累积存在明显差异,但对于多数植物种类而言,铀自根系向地上部分的转运非常有限。

因而利用植物根系对铀的强积累能力可以净化被铀污染的废水,且利用根系及其根际微生物的共同作用还能提高对废水中铀的吸附效率。

一些研究者注意到了向日葵根系积累铀的浓度比水中高5000~10000倍[6],且向日葵生物量较大,被认为是处理铀污染水体的首选植物材料。

除向日葵外,浮游植物也能去除污染水体中的铀。

M kandaw ire[7]研究了利用浮萍(L emna gibba L.)进行植物修复铀尾矿水中铀和砷的能力。

结果显示在21d实验室稳态测试期间铀积累量为(896.9203.8)mg/kg,估计在7d内就能将1000L水中的 (U)从100 g/L降低至德国所推荐的周围地表水中限值30.0 g/L。

1.3植物固定植物固定(phytostabilizatio n)是指利用植物降低污染物质在环境中的不稳定性和生物可利用性,防止污染物进入地下水或食物链,降低污染物对生物的毒性。

虽然植物固定并没有减少生长介质中污染物的总量,但却能够降低铀在土壤中的活性,减少向植物的地上部分运输,从而降低铀污染的环境风险。

在不适宜实施植物提取的情况下,例如污染地带不适宜进行农业复垦,植物固定是一种很好的选择。

而且,对于复杂多样的污染情况,也需要多样性的修复体系的存在。

利用植物共生微生物如菌根真菌可对尾矿或污染土壤进行植物固定的修复治理。

近年研究表明,根外菌丝能吸收铀并在离体培养条件下使铀朝菌根的根系迁移[8],但铀从根系向嫩枝的迁移情况不能在该模式系统中进行量化。

Chen[9]的活体研究结果证实了丛枝菌根真菌(AMF)能够加强根系对铀的固持作用,为菌根真菌强化植物固定铀污染环境提供了直接证据,有力地支持了AMF在稳定铀污染环境的应用潜力。

2植物修复效率的影响因素所有影响植物吸收、迁移、转化、累积污染物过程的因素都会影响到植物修复的效率。

植物对放射性核素的吸收可以是介质特性,如pH值、潜在竞争溶解性无机和有机离子、离子强度、供植物生长的养分等的函数,其他因素如季节、气候、地理位置、与源的距离、海拔和水深等也能影响植物对放射性核素的积累。

就铀污染环境的修复而言,涉及植物修复效率的影响因素主要有植物种类、土壤理化特性、土壤微生物、土壤改良剂、农业施肥措施和铀的化学形态等。

2.1植物种类不同植物对铀吸收能力与累积模式存在很大差异,如在罗马尼亚Crucea矿区冷杉比其他植物更能吸收铀。

单子叶植物和双子叶植物对U O2+2的吸收与转移试验表明,经筛选后的宽叶菜豆(P haseolus acutif olius)与红甜菜(Beta vulgar is)对铀的富集能力最强。

Shahandeh[10]从34种植物中筛选铀的富集植物,发现向日葵和印度芥菜比其他植物积累了更多的铀,因而被选作铀富集植物。

Pratas[11]观察到生长在葡萄牙中部的水生植物块根芹(A p ium nodif lor um)、水马齿(Callitriche stag nalis)、浮萍(L emna minor)和莫丝草(Fontinalis antip y r etica)对铀具有显著的积累能力,而毒芹(Oenanthe crocata)却抑制了铀的吸收。

莫丝草生物积累系数达到了1.4! 104,浮萍的生物积累系数平均为1.56!103(流水中)和2.87!103(静水中)。

多数植物(尤其是多年生的林木)通常优先将铀累积于根系,然后才是嫩枝和叶子。

Apps[12]通45第1期张学礼,等:环境中铀污染的植物修复过对废弃铀尾矿生长的本土植物中放射性核素的研究发现,草状植物的地上部分吸收了较高浓度的铀,而木本植物则将铀主要累积于根系部分。

2.2土壤理化性质土壤理化性质,如质地、pH值、有机质、土壤水分等,对铀的生物有效性有重要影响,对铀的植物吸收较为敏感。

Rossitsa[13]指出生长在铀废石场的树木及草本植物对放射性核素铀的生物积累主要依赖于基层土壤中放射性核素含量、基层土壤风化强度和土壤质地,而向基层土壤加入含有机物和黏土的吸附剂则极大地减少了铀的生物积累。

土壤中铀的分布和植物对铀的吸收与土壤中有机质的积累也有密切关系。

T akeda[14]研究了大白菜(Br assica r ap a L.)的生长对土壤溶液中铀等浓度的影响,结果表明根际土壤溶液中铀质量浓度(0.03~0.16 g/L)与溶解的有机碳质量分数(44~80m g/kg)在植物培养期间随植物的生长而增加。

因而,随植物的生长而增加的有机质应在根区铀的行为中起着重要作用。

Shahandeh[15]174认为植物修复铀污染土壤的效率受土壤类型的强烈影响,铀的植物累积局限于具有低吸附潜力的酸性土壤和具有碳酸盐矿物的碱性土壤。

选择向日葵(H elianthus annuus)和印度芥菜作为铀的潜在累积植物进行不同土壤铀污染率(100~600mg/kg)和不同土壤铀组分(可交换态,碳酸盐,Mn,Fe,有机的,残留物的)的累积研究,结果发现铀主要累积于植物根部,铀的最高质量分数在嫩枝中为102m g/kg,而根部高达6200mg/kg;植物修复效率尤其在石灰性土壤中受铀污染率的影响;生长在较高含量铀的碳酸盐土壤中的植物在嫩枝和根中累积了大部分铀,而生长在具有较高Fe、M n氧化物和有机质含量的黏酸性土壤中的植物体内铀含量最低。

土壤水分对陆生植物吸收和积累铀核素具有十分重要的影响。

因为它直接影响到土壤微生物的多样性及植物本身的长势,也关系到灌溉条件下污染物随地下水的走势。

生长在含水铀尾矿库边缘的植物较远离尾矿库的植物具有更大的富集因子,其可能原因在于土壤酸度和水分饱和度降低了土壤的束缚力,增强了铀的溶解性和植物吸收的有效性。

较高的土壤水分提高了对贫铀的吸收,表明更多的贫铀得到了溶解以供植物利用。

富集因子随土壤贫铀含量的增加而减小,随土壤水分的增加而增大[16]。

2.3土壤微生物自然条件下,植物实际上是与根际微生物密不可分的。

植物的共生微生物对改善植物的矿质营养往往有不可替代的作用。

在重金属或放射性核素污染地带(尤其是尾矿),往往缺乏植物必需的矿质养分,这些共生体系对于植物适应矿区恶劣环境从而保障植物修复的成功可能具有极其重要的意义。