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铀污染土壤的植物修复技术

北极星环境修复网  来源:环境与发展    2019/10/15 17:26:04  我要投稿  

北极星环境修复网讯:摘要:铀矿的采选过程中必然会产生大量的尾矿与废料,其是环境中铀污染土壤的主要来源,同时核试验与核反应堆的运行也是铀在环境 中产生污染的重要途径。铀尾矿库中重金属铀在地表径流和地下径流作用下,进入尾矿库周围土壤,造成了大面积低剂量的铀污染土壤, 同时重金属铀还能通过生物圈进入食物链,最终危害人体健康。因此,铀污染土壤必需尽快治理。植物修复技术由于其与传统的修复方法 相比,具有成本低廉、工作量小、对环境扰动小、绿色环保等优势,因此其可作为修复铀污染土壤的一种比较合适的技术。

关键词:放射性核素;铀;植物修复;超积累植物

铀矿的采选过程中必然会产生大量的尾矿与废料,其是环境中铀污染土壤的主要来源,同时核试验与核反应堆的运行也是铀在环境中产生污染的重要途径 [1-3]。土壤中铀主要以氧化态形式存在(80-90%),如铀酰离子(UO2 2+),其在土壤中并不稳定易从土壤中释放出来 [4],从而导致环境污染。污染的土壤和水用于农业生产活动,使得有害的化学元素从土壤和灌溉水中转移到植物,并通过食物链最终进入人体 [5]。铀 不仅具有很强的重金属化学毒性,同时具备衰变放射性毒性,其化学衰变产物对人体健康也具有重大的影响 [6,7]。因此,对放射性重金属铀所 引起的环境问题必需尽快解决。 全世界具有大量的铀污染区域,采用工程学上的挖掘法进行修复, 其花费比较高 [8,9];而采用传统的化学淋洗法,其又改变了原土壤的理化性质甚至改变土壤的生态环境 [9];采用石灰、碳酸钙和磷酸盐固定铀, 虽然能够快速减少土壤中的生物可利用态的铀含量,但其并未去除土壤中的铀,因此其可能只是一种临时性的修复方案 [10]。在此背景下,植物修复技术作为一种经济合理、大众可接受的、环境友好型的技术方案越来越被人们所重视 [11,12]。

植物修复与传统的修复方法相比,其成本低廉、工作量小、对环境扰动小 [13];且植物修复技术可以增加土壤中有机碳的含量,从而刺激 土壤微生物的活性促进根际污染物的降解 [14];现今全球温室效应越发 明显,而通过植物可适当降低空气中的 CO2 浓度,同时可起到改善土 壤理化性质的作用,最终收割的植物又可以用作燃料及制成纤维 [15,16]。 综上所述,植物修复技术其可作为重金属污染土壤的一种比较适合的修 复技术 [17]。

1 植物修复的概念

植物修复是利用植物固定、降解或提取水体或土壤中污染物的一门环境治理技术 [18],其可能很快成为环境管理体系的一个组成部分 [19]。 植物修复技术最开始是利用超积累植物修复重金属污染土壤。超富集植物的界定 [20]:(1)植物地上部分重金属浓度达到一定临界值,如 Cu、Co、Cr、Ni 和 Pb 的超富集植物其地上部分金属含量大于 1000 mg kg-1(干重);对于 Fe,Mn 和 Zn 则需大于 10000 mg kg-1[20]。(2)转运系数(地上部分重金属浓度 / 根部重金属浓度)>1。超积累植物对重金属的毒害作用具有耐受性,在逆境中仍能维持正常的新陈代谢。但由于超积累植物大都生物量小,生长缓慢,使得其在单位时间对单位面积污染土壤的修复效率较低,因此在实际修复过程中较难实现应用价值 [21]。 由于超积累植物的局限性,人们开始利用对重金属积累能力较强、生物 量大、生长快的农作物修复重金属污染土壤 [17,22]。同时利用其他辅助技 术措施(螯合剂、丛枝菌根、或其他添加剂等)来提高植物对重金属污染土壤的修复效率。

2 植物修复的类型

植物越来越频繁的被用于控制或修复放射性核素污染,为了更好的利用植物修复技术,植物修复类型需得以阐明。 

(1)植物提取是利用具有较高生物量的放射性核素积累植物或土壤添加剂强化植物将土壤中的目标金属转运至植物地上部分,使其得到积累,再通过收割植物地上部分将放射性核素移走,以降低土壤中放射性核素的含量。植物提取是目前植物修复技术中研究较多的一种修复铀污染土壤的方法 [1,12,23-27]。采用螯合诱导强化植物修复技术,能明显提高植物对铀的积累。Mihalík 等 [25] 研究表明,柳树与向日葵对铀的积累能力都较强,利用螯合诱导强化植物修复技术,在 5 mmol kg-1 CA 处 理下,地上部分铀含量可达 88 和 108 mg kg-1。螯合剂能有效的活化土壤中的重金属,但如果土壤中生物可利用态的重金属含量过高,可能会对植物的生长产生抑制作用,甚至导致植物死亡。丛枝菌根可以促进植物生长,一定程度上增强植物对重金属的耐性,因此,螯合剂 - 菌根联合修复技术得到了应用 [28]。有研究表明,在土壤中施加螯合剂的同时对植物接种丛枝根菌,地上部分 Cd 的含量相对于单一施加螯合剂组明显增加 [28]。

(2)植物固定是利用植物降低或限制放射性核素的迁移,使其稳定在土壤中,从而降低其对环境的危害。对于不利于植物生长的土壤, 可通过向土壤施肥(磷酸盐)改善土壤营养状况,或对植物进行菌根接种 [29]。菌根在修复重金属污染土壤的作用包括直接作用和间接作用。 直接作用指丛枝根菌可通过螯合作用将重金属积累在真菌内,防止过量的重金属进入植物,降低重金属对植物的毒害;间接作用指加强宿主植 物对养分的吸收以提高宿主植物的抗性 [28]。Weiersbye 等 [30] 研究表明, 铀尾矿上生长的狗牙根,其铀主要分布于菌根真菌泡囊中。这有利于降低铀在植物体内的富集,从而提高植物对铀的耐性。菌根可以通过根外 菌丝扩大根系的吸收面积,有利于宿主植物对营养的吸收,促进宿主植 物的生长;同时菌根真菌的活动会改变根际微环境,增强宿主植物对逆 境的抗性 [28]。丛枝菌根对铀在土壤中的固定和铀在植物体内的积累都 起着一定作用。有研究表明,较高浓度的铀污染土壤,菌根可降低植物 地上部分积累的铀含量 [31]。丛枝根菌对植物的侵染能增加植物根部富 集的铀含量 [32];在盆栽试验中持续施加铀,两周内,菌根和无菌根植 物的根分别吸收了 26% 和 8% 的铀 [33]。因此,利用植物 - 微生物共生 体的修复技术,可以作为植物固定技术的新思路。当大规模净化及其他 原位修复技术无法实施,且放射性核素污染土壤不适合复垦种植时,植物固定技术可能是一种非常好的选择,其可缓解放射性核素在生物圈的迁移与扩散 [34]。

(3)植物过滤是植物的根部对放射性核素的沉淀与积累,其用于湿地和水体污染修复。Dushenkov 等 [35] 研究表明,利用向日葵修复废 弃铀加工厂,24h 内去除了水体中 95% 的铀,从初始浓度 350 ug L-1 降 至小于 5 ug L-1。胡南等 [36] 研究表明,满江红分别在初始铀浓度为 0.15、 1.50 和 15.00 mg L-1 的水中培养 21d,水中的铀去除率分别为 94%、97% 和 92%。植物过滤技术能在短时间内即完成水体的修复 [36],但植物提 取技术对土壤的修复却是一个长久的工程 [12],主要原因是总铀含量一致的情况下,土壤中生物可利用态的铀含量明显低于水体。Duquène 等 [12] 报道表明,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 分别需要 60、3、10 和 20 年。 (4)植物挥发是植物从污染土壤中吸收挥发性的放射性核素并将 其转化为毒性小的挥发态物质,然后通过植物叶面释放到大气中 [19]。 Negri 等 [37] 研究表明,杂交白杨在修复挥发性的放射性核素 3 H 时取得了良好的控制作用。

3 植物修复效率的影响因素

3.1 植物种类

不同种属的植物对放射性核素的积累存在很大的差异,那些强烈积 累低放核素的植物往往分布在某些特定的科、属内。目前国外已发现大 豆、紫花苜宿、向日葵以及印度芥菜等对铀有富集作用,但种类较少 [38], 聂小琴等 [39] 的研究集中对我国南方某铀尾矿库内自然生长的 8 科 14 种 有潜力优势植物的体内及部分根际土壤的核素含量进行了测定,并针对 植物对核素的耐受性和富集性能进行分析。结果表明:双穗雀稗、圆果 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对铀 和钍均有不同程度的累积。莎草科的碎米莎草对钍的富集系数高达 6.04, 其余植物的富集系数均小于 1;一部分植物样对铀的转移系数小于 1。 莎草科的水蜈蚣对钍的转移系数为 2.56,其他植物的转移系数均小于 0.50。莎草科植物对铀的吸收富集性能明显优于其他科植物,碎米莎草pan> 对铀则表现出超耐受性和超富集性。

3.2 土壤的理化性质

土壤的理化性质,如土壤质地、pH、有机质、含水量、碳酸盐含量、 阳离子交换量等,对铀的生物有效性有重要的影响。土壤中铀的分部和 植物对铀的吸收与土壤有机质的积累也有密切关系。Takeda[40] 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与溶解的有机碳质量分数在植物培养期间随植物的生长而增加。Shahandeh[41] 认为植物修复铀污染土壤的效率受 土壤类型的影响较大,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。选择了向日葵(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和不同土壤铀组分的累积研究,结果发现又主要累积与植物的根部;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。

3.3 土壤微生物

土壤中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。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重要的影响。Chen 等 [42] 通过盆栽试验研究了不同 AMF 对超累积植物蜈蚣草(Pteris vittata L.)吸收复合土壤中铀和砷的影 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 提高到 14,根系的铀质量分数最高达 1574mg/kg。

3.4 土壤添加剂

在土壤中假如有机螯合剂可以改变土壤理化性质,增加土壤中放射 性核素的植物可得性,降低这类污染物在土壤中的迁移性。Shahandeh 等 [43] 的研究表明印度芥菜和向日葵干物质产量与铀累积量随土壤污染 率、螯合剂与有机酸的类别和浓度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,20mmol/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 1400mg/kg,而 CDTA、DTPA、EDTA 和 HEDTA 对铀向嫩枝的迁移几乎没影响。

4 结论

植物修复技术作为一种经济合理、大众可接受的、环境友好型的技术方案越来越被人们所重视。对于铀污染土壤的植物修复技术研究,目前仍存在超积累植物种类少、生物量不大及富集率不高等问题上。在继 续筛选更多的铀超积累植物时还应继续深入研究涉及植物对铀的吸收与转运过程及植物对铀的耐性和解毒机理等许多基础理论问题。未来的研究将通过环境科学、土壤科学生物工程和其他辅助技术的综合应用,解决放射性核素铀污染土壤的植物修复问题。

原标题:铀污染土壤的植物修复技术

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