放射性Cs污染土壤的植物修復(fù)及其影響因素

1、杭州農(nóng)業(yè)科技 2006年第1期33放射性Cs污染土壤的植物修復(fù)及其影響因素鄭潔敏 宋 亮(杭州市農(nóng)科院農(nóng)作所 310024)摘 要 土壤中放射性Cs作為K的化學(xué)類似物,被植物吸收,進(jìn)入食物鏈,因此如果土壤中存在著超標(biāo)的放射性Cs,人類的健康將受到長期的影響。在諸多的污染土壤修復(fù)技術(shù)中,植物修復(fù)技術(shù)具有成本低、對生境擾動(dòng)性小等優(yōu)點(diǎn),是改善放射性核素污染土壤的新途徑。放射性Cs由土壤向植物轉(zhuǎn)移的過程不僅受到植物種類的影響,還受到土壤有機(jī)質(zhì)含量、競爭陽離子、根際效應(yīng)、微生物等各種因素的影響。本文概述了影響土壤中放射性Cs植物修復(fù)的主要因素,旨在為相關(guān)的研究提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞 放射性Cs;植物修復(fù);

2、土壤在危害,是一貫以來放射生態(tài)學(xué)學(xué)者研究的重點(diǎn),并隨之產(chǎn)生了各種核素污染土壤的修復(fù)方法。傳統(tǒng)的處理對策是利用物理化學(xué)的方法,即通常是把土壤從受污染的地點(diǎn)移出,利用各種化學(xué)試劑除去土壤中的污染物,這種方法成本高,較適用于小規(guī)模且受污染程度較高的土壤。對于大面積的低活度放射性核素污染的土壤,一種較新的原位處理技術(shù) 植物修復(fù)技術(shù)更為適合。植物修復(fù)技術(shù)成本低,對環(huán)境的擾動(dòng)性小。廣義上的植物修復(fù)可分為植物提取(phytoextraction)、植物揮發(fā)(phytovolatilization)、植物過濾(或根系過濾)(phytofilitrationorrhizofiltration)及植物鈍化(phy

3、tostabilization)。對于放射性Cs污染土壤進(jìn)行植物修復(fù)的主要方法是植物提取技術(shù),即通常所說的植物修復(fù)。植物提取技術(shù)利用植物地上部對土壤中放射性核素的積累能力,通過收割植物的地上部而去除土壤中超標(biāo)的放射性核素,以達(dá)到減少土壤中核素含量的目的。1 前言放射性137Cs的半衰期為30.17年,它的 衰變伴隨著中等能量的 射線,是生物學(xué)上最危險(xiǎn)的放射性核素之一。核工業(yè)的發(fā)展、核技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及其他工業(yè)、農(nóng)業(yè)、能源、軍事、交通、醫(yī)療衛(wèi)生等發(fā)展使人類周圍生態(tài)環(huán)境放射性核素的本底值不斷增加。地上和地下核武器試驗(yàn)是人為地在全球范圍內(nèi)產(chǎn)生大量137Cs的首要來源。從1945年到1980年,全球共

4、進(jìn)行了518次大氣核試驗(yàn),大部分的核試驗(yàn)在北半球,由此而引起的輻射微塵相當(dāng)部分回落到北半球1。此外,核電站放射性廢物正常排泄和異常事故、核原料的開采和加工、含放射性核素化肥農(nóng)用、含放射性核素煤燃燒等人為的因素均會(huì)導(dǎo)致大片的土地遭受放射性核素的污染。切爾諾貝利核事故發(fā)生后,烏克蘭的切爾諾貝利及周邊地區(qū)居民疏散區(qū)1852km的耕地和1570km的森林因?yàn)榉派湫院怂叵蛑参镞w移率很高而無法進(jìn)行正常的利用;在非疏散區(qū),大于2700km的地區(qū)213722Cs的活度仍為540Ci/km2。在放射性Cs污染的土壤中,137Cs的遷移速度很慢,基本集中于表層土壤中,而且它作為K的營養(yǎng)類似物被作物吸收,通過食物鏈

5、進(jìn)入人體體內(nèi)。這樣,土壤中如果存在超標(biāo)的放射性Cs,會(huì)通過體外照射和體內(nèi)照射,導(dǎo)致畸形和癌變,威脅人類的生存。,Cs2 影響放射性Cs污染土壤植物修復(fù)的主要因素Cs在土壤中的遷移速度很慢,大約0.23cm/ 。在云杉森林土壤中,深12cm的土壤中的Cs的垂直遷移速度不超過1cm/ 。放射性Cs主要集中在地面以下2.46.1cm的土壤中,并與這層土壤中的有機(jī)質(zhì)和腐殖質(zhì)結(jié)合。Cs滯留在距離土表015cm,34杭州農(nóng)業(yè)科技 2006年第1期礦物片斷膨脹隔層的塌陷,這種塌陷會(huì)產(chǎn)生新的專性位點(diǎn),致使可交換的Cs被專性吸附。而在有機(jī)質(zhì)較高的土壤中,K+濃度很低,被專性吸附的Cs較少,容易被植物吸收7+復(fù)技

6、術(shù)得以實(shí)施的先決條件。除了諸多的因素影響放射性Cs從土壤向植物轉(zhuǎn)移,如植物種類,土壤中有機(jī)質(zhì)的含量、土壤中的競爭陽離子、根際效應(yīng)、土壤微生物等。2.1 植物種類早在二十世紀(jì)40年代,植物對放射性Cs的吸收研究已被廣泛地展開。植物中的137Cs主要通過根部從土壤吸收(大約70%),一部分通過葉部吸收空氣中懸浮的Cs(約占22%左右),還有一部分Cs由葉面吸附。不同種類的植物對Cs的吸收能力是不同的。不同科植物吸收137Cs的量按如下順序遞減:十字花科葫蘆科藜科菊科蓼科茄科,豆科胡麻科云香科,禾本科。各種蔬菜對137Cs的含量是:萵苣,菠菜,菜花小蘿卜,大白菜,胡蘿卜歐洲防風(fēng),菜豆甜菜,馬鈴薯2。

7、在放射性Cs污染土壤植物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用中較有潛力的植物主要集中在藜科、莧科或是菊科3。Broadley和Willy4在對30種植物的篩選中發(fā)現(xiàn)對Cs的吸收能力最強(qiáng)的植物主要集中在藜科,或者是與藜科相近的莧科,對于這兩類植物進(jìn)行篩選,可能找到適當(dāng)?shù)闹参锓N類。Lasat5等發(fā)現(xiàn)反枝莧(Ama ranthusretroflexus)對放射性Cs的吸收能力極強(qiáng),地上部分積累量達(dá)38000Bq/kg,是一種很有效的放射性Cs的積累植物。如果在土中每年種兩茬反枝莧,有可能用少于15年的時(shí)間來解除土壤中放射性Cs的危害。唐世榮6的土培試驗(yàn)表明菊科中的某些植物對Cs的積累量也很高,可達(dá)到340000Bq/kg。

8、2.2 土壤有機(jī)質(zhì)含量Cs在土壤中以三種狀態(tài)存在,大部分的137134。但是,有機(jī)質(zhì)的含量的對放射性Cs的形態(tài)的影響受制于土壤其他性質(zhì)。如Rigol8等發(fā)現(xiàn)棕色森林土壤的有機(jī)層土壤對Cs+的吸附能力比礦物層土壤更高,這是因?yàn)樵谧厣滞寥赖牡V物層中,層狀硅酸鹽由于酸侵蝕釋放出自由Al,Al3+3+聚合體堵住了Cs結(jié)合到專性位點(diǎn)的+入口;而在有機(jī)層中Al3+被有機(jī)酸復(fù)合,Cs+仍被吸附于土壤專性位點(diǎn)上。2.3 土壤中的競爭陽離子在二十世紀(jì)60年代,人們認(rèn)為將含K含Ca的廢料施加到核素污染的土壤中,會(huì)抑制他們相應(yīng)的化學(xué)相似元素放射性Cs和放射性Sr被植物的吸收。但是近年來的研究結(jié)果表明,由于研究的

9、土壤性質(zhì)各異,加之所施加K和Ca的形態(tài)和量的不同,K和Ca對放射性核素的影響并不能簡單地下以結(jié)論。土壤中放射性Cs的主要競爭陽離子是K和NH4+,它們在植物吸收Cs的過程中既起到競爭作用,又能幫助Cs從土壤固相釋放到液相,協(xié)同其被植物吸收。K對植物吸收Cs的影響十分復(fù)雜。在高K情況下,Cs+的解吸附能力增強(qiáng),但是被植物吸收的量卻下降。而當(dāng)植物根部土壤溶液中的K+濃度很低時(shí),土壤會(huì)通過風(fēng)化作用釋放吸附在層間的K+,而在這個(gè)過程中,被專性吸附的Cs也會(huì)變得可移動(dòng)。Smolders9等研究了K對春小麥吸收Cs的影響,水培實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)溶液中K+濃度較低時(shí),增加K的濃度將會(huì)大大降低春小麥對Cs的吸收量,

10、而當(dāng)溶液中K的濃度超過一定水平時(shí),進(jìn)一步提高K的濃度,其抑制作用沒有明顯差異。土培實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與水培相類似,但是由于土壤中影響陽離子被植物吸收的因素更復(fù)雜,K對作物吸收Cs的影響不明顯。在當(dāng)土壤溶液中K濃度大于1mM時(shí),K對植物吸收Cs的影響很小,當(dāng)K濃度小于1mM時(shí),增大溶液中K的濃度,植物根部對Cs的吸收量急劇下降。因此沒有施K肥的土壤,會(huì)刺激植物根部吸收Cs(Kruyts&Delvaux,2002)。對于NH+4影響的研究相對較少,但是在土壤中,+Cs(大約40%到90%)專性吸附于土壤固相,甚至在強(qiáng)酸環(huán)境中也不能移動(dòng);一小部分溶解在液相(0.3%),可為植物所吸收;另一部分非專性吸附于土

11、壤固相,但可參與固-液動(dòng)態(tài)平衡過程。吸附實(shí)驗(yàn)證明,粘土中的專性吸附位點(diǎn)控制著有機(jī)質(zhì)土壤中Cs的吸附狀況,有機(jī)成分含量雖起著間接的作用,但影響很大。有機(jī)質(zhì)可通過幾種途徑來減少被粘土專性吸附Cs的數(shù)量:!粘土中的有機(jī)質(zhì)成分阻塞專性吸附位點(diǎn)的通道。有機(jī)質(zhì)與土壤位點(diǎn)結(jié)合,如胡敏酸中的氨基酸成份能替換吸附于粘土邊緣專性位點(diǎn)之間的Cs。#有機(jī)土壤中K的間接:+杭州農(nóng)業(yè)科技 2006年第1期使之釋放的能力比K+強(qiáng)。在植物修復(fù)的研究中,通常在土壤中施加適量銨鹽,來強(qiáng)化植物修復(fù)的效果。NH4NO3或(NH4)2SO4有助于Cs從土壤顆粒上解吸下來,使土壤中固定的放射性Cs移動(dòng),為植物根部所吸收5。Lasat3等

12、發(fā)現(xiàn)卷心菜在施加NH4NO3時(shí),生物積累率(莖部放射性Cs的活度/土壤中放射性活度)達(dá)到3。但是隨著加入的NH4NO3量的增加,生物積累率反而下降,這說明在一定濃度時(shí),NH+4與Cs競爭進(jìn)入植物根部。+35應(yīng)用。生物技術(shù)可能為植物修復(fù)技術(shù)找到特殊的植物,最近已經(jīng)完成了植物根部細(xì)胞中運(yùn)輸Zn2+,K+基因的定位和克隆;當(dāng)土壤經(jīng)過持續(xù)一段時(shí)間的植物提取之后,土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)會(huì)逐漸消失殆盡,合理的土壤營養(yǎng)管理可以解決植物修復(fù)技術(shù)所帶來的土壤肥力問題;使用適當(dāng)?shù)耐寥栏牧紕?將提高植物對放射性核素的吸收效率。參考文獻(xiàn):1 BossewP,StreblF.Radioactivecontaminationo

13、ftropical2.4 植物根際效應(yīng)及微生物的因素植物根部分泌物質(zhì)包括有機(jī)酸、糖、氨基酸、H+-和HCO3等,創(chuàng)造了不同于非根際土壤的微環(huán)境。rainforestsoilsinSouthernCostaRica.JournalofEnviron mentalRadioactivity,2001,53:199213農(nóng)學(xué)通報(bào),1995,16(5):2472493 LasatMM,NorvellWAandKochianLV.Potentialforphytoectrationof137根部分泌的有機(jī)質(zhì)通過形成可溶的有機(jī)金屬復(fù)合物而增加金屬的可溶性。但這個(gè)過程能否使金屬增加移動(dòng)性至今仍有爭議。根部分

14、泌的H和+HCO-3影Csfromacontaminatedsoil.PlantandSoil,響了根際微環(huán)境的pH值,從而增加了K的可移動(dòng)性,K從專性吸附位點(diǎn)上解吸下來,引起粘土礦物結(jié)構(gòu)的變化。在這種情況下,土壤中Cs+的可移動(dòng)性因土壤性質(zhì)不同而不同,如在蛭石中,Cs+的移動(dòng)性增加;而在礦質(zhì)土中Cs則更多地被專性吸附。在根際微環(huán)境中,還存在著大量與植物根部共生的細(xì)菌和真菌,這些微生物自身就可直接吸收大量的放射性核素。尤其是真菌,在土壤生態(tài)功能中起著關(guān)鍵的作用。對高地草原土壤的研究發(fā)現(xiàn),土壤中的真菌固定著大量不可移動(dòng)的放射性Cs10+1997,195:991064 BroadleyMRandW

15、illeyNJ.Differencesinrootuptakeofradiocaesiumby30planttaxa.EnvironmentalPollution,1997,97:11155 LasatMM,FuhrmannM,EbbsSD,CornishJE,andKochianLV.Phytoremediationofaradiocesium-contaminatdsoil:evaluationofcesium-137bioaccum!lationintheshootsofthreeplantspecies.JournalofEnvironmentalquality,1998,33:469

16、4756 唐世榮.土-水介質(zhì)中低放核素污染物的生物修復(fù).應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2002,13(2):2432467 KruytsNandDelvauxB.Soilorganichorizonsasamajorsourceforradiocesiumbiorecyclinginforestecosystems.JournalofEnvironmentalRadioactivity,2002,58:1751908 RigolA,VidalM,RauretG.Anoverviewoftheeffectoforganicmatteronsoil-radiocaesiuminteraction:implicat

17、ionsinrootuptake.JournalofEnvironmentalRadioactivity,2002,58:1912169 SmoldersE,KieboomsL,BuysseJandMerckxR.137。微生物作為植物根部的共生體,通過增加根際產(chǎn)生的CO2、釋放螯和配基、裂解復(fù)合物、降解礦石、分解有機(jī)物等途徑,也間接影響著土壤中放射性核素的形態(tài),從而改變植物吸收土壤中營養(yǎng)的模式10。3 結(jié)論土壤-植物系統(tǒng)中的各組成部分及放射性核素在土壤中的行為特點(diǎn)影響著植物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用,在實(shí)際工作中需考慮各種因素的相互作用。對此需要進(jìn)一步的研究,將各種因素量化,建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,從而為篩選恰當(dāng)?shù)闹参镞M(jìn)行土壤治理提供理論參考?？紤]各種因素的同時(shí),多學(xué)科和技術(shù)聯(lián)合攻關(guān)將促進(jìn)植物修復(fù)技術(shù)在對放射性污染土壤處理中的Csuptakeinspringwheat(Triticu