环境中铀污染的植物修复

目录引言11铀污染环境的植物修复技术21.2根际过滤21.3植物固定32植物修复效率的影响因素32.1植物种类32.2土壤理化性质32.3土壤微生物42.4土壤改良剂42.5农业施肥措施52.6铀的化学形态53铀污染环境植物修复技术应用实例54结束语6参考文献:6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Abstract: using the phytoremediation technology at home and abroad for the governance of environmental radioactive pollution is related to academic research hot spot and difficult problem. Systematically elaborated the environmental pollution by radioactive nuclide uranium phytoremediation, from phytoremediation type (plant extract, rhizosphere filtering and fixed), accumulation of plants to absorb the influence factors of uranium (plant species, soil physical and chemical properties, soil microbes, soil conditioner, agricultural chemical fertilizer measures and uranium) as well as application examples and so on related research status at home and abroad and its development trend are introduced.Keywords: uranium contaminated environment phytoremediation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23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12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(phytoextraction)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。Kaplan3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。Dana4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。Huang52004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20 mmol/L的柠檬酸,3 d后使印度芥菜(Brassica juncea)和大白菜(Brassicachinensis)地上部分对铀的富集量提高1 000倍,达5 000 mg/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5 00010 000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。Mkandawire7研究了利用浮萍(Lemnagibba L.)进行植物修复铀尾矿水中铀和砷的能力。结果显示在21 d实验室稳态测试期间铀积累量为(896.9?203.8)mg/kg,估计在7 d内就能将1 000 L水中的Q(U)从100Lg/L降低至德国所推荐的周围地表水中限值30.0Lg/L。1.3植物固定植物固定(phytostabilization)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。Chen9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UO2+2的吸收与转移试验表明,经筛选后的宽叶菜豆(Phaseolus acutifolius)与红甜菜(Beta vulgar-is)对铀的富集能力最强。Shahandeh10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。Pratas11观察到生长在葡萄牙中部的水生植物块根芹(Apium nodiflorum)、水马齿(Callitriche stagnalis)、浮萍(Lemna minor)和莫丝草(Fontinalis antipyretica)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1.4104,浮萍的生物积累系数平均为1.56103(流水中)和2.87103(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。Apps12通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。Rossitsa13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。Takeda14研究了大白菜(Brassica rapa 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(0.030.16Lg/L)与溶解的有机碳质量分数(4480 mg/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。Shahandeh15174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(Helianthus 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(100600 mg/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102 mg/kg,而根部高达6 200 mg/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、Mn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162.3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。在另一方面,共生微生物可能直接或间接参与元素活化与植物吸收过程,对于植物修复效果产生不可忽视的影响。事实上,应用植物-微生物共生体强化植物重金属耐性,提高污染土壤生物修复效率已经成为相关研究领域新的研究热点。在各类植物共生微生物中,菌根真菌是唯一直接联系土壤和植物根系的一类,在植物矿质营养与逆境生理中起着重要的作用,因而受到格外的关注。Chen17通过盆栽试验研究了不同AMF对砷超积累植物蜈蚣草(Pteris vittata L.)吸收复合污染土壤中铀和砷的影响。菌根真菌侵染抑制了蜈蚣草生长,但对植株砷浓度没有明显影响,接种处理显著提高了根系铀含量,使根系对铀的转移系数从7(不接种对照)提高到14,根系的铀质量分数最高达1 574 mg/kg。2.4土壤改良剂在严重污染地带或尾矿废弃地,添加土壤改良剂对于建立植被覆盖可能是必需的措施。土壤改良剂的添加能够改变土壤特性或铀的化学形态。大量研究显示,向土壤中添加某些种类的有机酸(尤其是柠檬酸)改良剂能够大幅度提高铀的植物有效性,增加铀从污染土壤向植物嫩枝的迁移量,从而强化植物提取,这实际上是一种诱导植物提取过程。Shahandeh18的研究表明,植物(向日葵和印度芥菜)干物质产量与铀积累量随土壤污染率、螯合剂与有机酸的类别和浓度以及土壤类型的不同而变化。施入柠檬酸和草酸显著增加了铀向植物嫩枝中的迁移和积累量,20 mmol/kg柠檬酸使壤质酸性土pH低于5.0,并使嫩枝铀积累量提高150倍,达1 400 mg/kg,而CDTA、DTPA、EDTA和HEDTA对铀向嫩枝的迁移几乎没影响。Chang19施用柠檬酸以提高4种作物累积铀的能力,印度芥菜叶部累积的铀可达2 000mg/kg,油菜(Brassicanapus var. napus)根部则高达3 500 mg/kg。供试植物的各组织转移铀的能力为根大于枝,枝又与叶相当。向日葵的花瓣比枝含有相近或更高质量分数的铀,而其种子中铀质量分数接近零。印度芥菜的地上部分生物量因累积有较多的铀(2 200Lg/株)而显示出其在铀污染土壤植物修复方面的应用潜力。对于柠檬酸能够促使铀溶解量增加并有效增强植物对铀的吸收机理,Huang52004推测其驱动力可能是铀和柠檬酸之间的螯合作用,而与土壤pH降低关系较小;另一个机制可能是由于在pH较低的条件下柠檬酸可以有效地去除固态铀上无定形铁和铝氧化物的涂层。柠檬酸虽然能够大幅度提高铀的植物有效性,但也可能会降低植物的干物质产量,并抑制某些植物的再生,且过量施加柠檬酸可能会导致铀向下迁移而污染地下水。因而,这也预示着未来柠檬酸合成酶转基因的植株可能会更加安全有效地用于放射性铀污染环境的修复。2.5农业施肥措施成功的植物提取技术既依赖于对能吸收铀并使铀朝地上部分迁移的植物物种的识别,还依赖于农艺学和改良策略的发展以促进植物生长和提供土壤中铀的生物有效性。施肥可改变土壤的理化特征,增加土壤中铀核素的植物可利用性,降低这类污染物在土壤中的流动性。Mkandaw-ire2083以实验室水培与田间盆栽试验调查了磷和氮对浮萍积累铀的影响,水溶液中PO3-4质量浓度最大(40.0 mg/L)时浮萍积累的铀最多,在田间试验中加入40.0 mg/L的PO3-4显著增加了铀的生物积累。铀的生物积累量随NH+4浓度的增大而稍微有所增加,然而,较高浓度的NH+4减少了对照实验中的生物量。2.6铀的化学形态从修复环境的角度考虑,对铀在环境中的化学形态及化学行为进行详细研究将有助于正确的修复策略。铀以U()活性最高。土壤矿物对U()的吸附随pH升高而增加(pH小于7时),降低pH则发生解吸。在土壤和水体中,铀能够与CO2-3、OH-、SO2-4和PO3-4形成配合物,这些配合物能够提高铀的总溶解度。Zhang21发现绿藻(Scenedesmusobliquus34)能快速积累UO2+2,且吸附铀的最优pH值范围为5.08.5,而在pH低于5.0时却探测不到对UO2+2的生物吸附,这表明铀是以UO2OH+形式在细胞壁中通过有效基或毛细管作用而被捕获的。Shahandeh15165研究发现在以铀的碳酸盐为主要组分的石灰性土壤上,植物在地上部分和根系积累了最多的铀,而在酸性黏土中铀主要以Fe、Mn结合态存在,植物积累最少。Mkandawire2083采用地球化学程序PhreeqC模拟尾矿水中铀的化学形态,预示在加入磷酸盐之前铀主要是以碳酸铀酰形式存在,而随着PO3-4浓度的增加,磷酸氢双氧铀则成为铀的主要存在形态。3铀污染环境植物修复技术应用实例铀污染环境植物修复技术目前尚未大面积推广,研究工作大多局限在温室研究阶段,只有少数试验在大田范畴内展开。从现有的研究成果看,铀污染环境植物修复技术主要采用植物提取和根际过滤的形式。Edenspace公司于1997)1999年在美国陆军阿伯丁武器试验场成功地进行了大田条件下植物修复贫铀污染土壤的试验研究。该项目实施完成后获得以下主要结论:当土壤中铀平均质量分数为47 mg/kg时,植物器官中铀的平均质量分数达到764 mg/kg,某些植物茎叶样品中铀质量分数高达1 669 mg/kg。9个小田块中的铀生物富集系数在367之间,平均为23。连续提取研究结果显示利用该公司铀污染土壤改良剂SU-100TM对铀的增溶作用能提取出总铀质量的85%,而植物大田试验表明,进行植物修复工作后的田块,污染物浓度减少95%,达到清洁标准。研究还表明,通过仔细调控土壤-植物环境,利用植物修复铀污染土壤是降低土壤铀含量的有效方法,整个修复过程对周围生态系统未造成任何风险。Edenspace公司还在俄亥俄州Ashtabula地区用向日葵处理铀加工厂的废水。原废水中铀质量浓度为21874 mg/L,通过根际过滤系统后的废水,其铀质量浓度低于20 mg/L,达到直接排放标准(EPA水质量标准)。地下水的铀污染是铀矿采矿区和核原料加工厂附近最严重的环境污染问题。初步的试验研究和可行性研究表明,陆生植物的根系能有效地从水体中剔除铀(根际过滤作用);某些向日葵对铀有高度的亲和性,可以用来处理铀污染水体。试验还表明,几乎水体中所有的铀都能富集于植物的根部,植物富集系数最高可达30 000。美国一铀污染地,铀的质量分数高达450Lg/kg,Edens-pace公司采用连续种植、收割的方法使处理过的水体中铀质量分数降到5Lg/kg或更低22。4结束语对于铀污染环境的植物修复技术研究,继续寻找和筛选更多的铀(超)积累本土植物是提高修复效率的物质基础。此外,还应继续深入研究与植物超常吸收铀的有关过程中所涉及的许多基础理论问题,如铀在植物中的形式,植物积累或超积累铀的机理,植物超常吸收铀后的生理生化反应,根际微生态环境特征与植物超常吸收铀之间的关系。目前,植物对铀的(超)积累耐性机制(分子和生理机制)仍不很清楚,未来的研究将有可能从育种、分子生物学与基因工程技术方向取得突破。不仅要筛选出生物学性状优良的铀积累植物甚至超积累植物,而且要弄清楚这些植物为何具有这种特殊基因,并将相关基因传导到植物或微生物中,使之得以高效表达,用以解决铀污染环境的治理问题。参考文献1 王德舫.退役铀矿山整治工程M.北京:原子能出版社,2003:42.2 黄建兵.某退役铀矿环境放射性现状调查J.辐射防护通讯,2000,20(6):29-32.3 Kaplan D I, Serkiz S M. 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