土壤放射性核素的來(lái)源與遷移

李銳儀

摘 要：地球環(huán)境中的放射性核素具有天然放射性來(lái)源和人為放射性來(lái)源，其遷移研究對(duì)放射性污染的治理有重要意義。本文介紹了土壤中放射性核素的化學(xué)與遷移行為，著重分析了影響土壤放射性核素積累和遷移的因素（包括土壤理化性質(zhì)、核素理化性質(zhì)和生物等方面），并對(duì)今后核素遷移研究的方向進(jìn)行了思考。

關(guān)鍵詞：放射性核素 土壤 來(lái)源 遷移

放射性是某些元素原子核裂變是發(fā)生的能量以電磁放射或快速粒子形式進(jìn)行的釋放過(guò)程，而元素的同位素物質(zhì)可散發(fā)射線的稱為放射性核素。自然環(huán)境中存在許多放射性核素，包括天然放射性核素（40K、238U和232Th等）和人為放射性核素（主要有137Cs、134Cs、90Sr、240Pu、131I等）。天然放射性核素所造成的人體內(nèi)照射劑量和外照射劑量都很低，它們不影響人類的正常生活。可是，隨著核技術(shù)尤其是核電站的迅猛發(fā)展，不可避免地產(chǎn)生了大量放射性廢物，這些廢物中的核素衰變引起電離輻射造成了人體多種疾病，對(duì)人類的危害極大。

目前，核廢物處置方法主要是深度地質(zhì)處置，即將放射性廢物處置庫(kù)建造在深度地質(zhì)層中，使用工程的和天然的多層屏障將廢物隔離起來(lái)[1]?？墒牵S著時(shí)間的推移，多層屏障必將遭到破壞，廢物中的各種放射性核素就會(huì)或多或少地隨著地下水流或巖石裂隙從地下廢物庫(kù)中擴(kuò)散、遷移到巖層或土層中。土壤作為環(huán)境的重要組成部分，其中的放射性核素的遷移大大影響到其他圈層中核素的含量與分布。因此，了解土壤中放射性核素的來(lái)源以及其遷移規(guī)律對(duì)指導(dǎo)放射性污染的治理有重要意義。

1 土壤放射性核素的來(lái)源

1.1 成土母質(zhì)

“原生放射性核素”指的是在地球形成期間出現(xiàn)的原子序數(shù)大于83的放射性核素，這些放射性核素一般分為鈾系、釷系和錒系三個(gè)系列，它們通過(guò)放射性衰變，產(chǎn)生大量α、β和γ射線，對(duì)地球環(huán)境產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。其中具有足夠長(zhǎng)半衰期，以致至今仍能探測(cè)到，并意義重大的有40K、238U和232Th。鈾和釷還能通過(guò)衰變產(chǎn)生一系列的放射性子代系列。這些放射性核素廣泛地存在于自然界中，并主要貯存于巖石圈中。研究表明地殼中的巖石大部分都含有鈾和釷[2]，238U、232Th含量以巖漿巖最高，變質(zhì)巖次之，沉積巖最低；40K含量也以巖漿巖為最高，但以變質(zhì)巖最低。其中花崗巖中238U、232Th含量較高，而我國(guó)花崗巖出露廣泛，這是我國(guó)土壤中天然放射性核素含量較高的原因之一。

1.2 核能利用

1.2.1 核爆炸

核爆炸所產(chǎn)生的放射性落下灰是迄今土壤環(huán)境的主要放射性污染源，對(duì)生物圈影響深遠(yuǎn)。核爆炸時(shí)大約有170種放射性同位素被帶到對(duì)流層中，其中主要是U和Pu的裂變產(chǎn)物[3]。它們首先會(huì)對(duì)其爆炸中心周圍的土壤產(chǎn)生較大影響，進(jìn)而在風(fēng)和降水的作用下在全球范圍內(nèi)重新分布，沉積到土壤環(huán)境中造成放射性污染。

1.2.2 核工業(yè)

核能生產(chǎn)包括鈾礦開(kāi)采、礦石加工、鈾燃料生產(chǎn)、反應(yīng)堆動(dòng)力生產(chǎn)、放射性物質(zhì)的運(yùn)輸和廢物處置等一系列工業(yè)流程，所有這些環(huán)節(jié)都有可能造成環(huán)境的放射性污染。

1.3 磷鉀肥的使用

化肥中的磷肥和鉀肥都不同程度的含有放射性核素，因此，施用化肥可能會(huì)引起環(huán)境放射性增加。盡管如此，許多研究資料報(bào)道含鉀磷肥料的使用短期內(nèi)不會(huì)對(duì)農(nóng)田、環(huán)境造成明顯污染。據(jù)王少仁研究[4]，由于土壤有機(jī)質(zhì)能夠?qū)偊?、β造成屏蔽作用，在使用含鉀磷肥料時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)提高，甚至出現(xiàn)了土壤α、β減弱的現(xiàn)象。然而由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需要大量的化肥，長(zhǎng)期使用還是會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

1.4 煤炭物質(zhì)的使用

燃煤及燃煤發(fā)電廠也是環(huán)境中放射性核素增加原因之一。煤在形成過(guò)程中經(jīng)過(guò)復(fù)雜的物理化學(xué)和地質(zhì)作用，不同程度的伴生有40K、238U、226Ra、230Pb、232Th等天然放射性核素。據(jù)吳錦海等研究表明[5]，煤燃燒后放射性物質(zhì)在煤灰中濃集，其中總α比放射性為原煤的3～15倍，238U為2～4倍，232Th為3～10倍。如今，燃煤電廠排泄堆放的煤灰渣已成為城市一個(gè)潛在的核污染隱患[9]。

1.5 放射性同位素的生產(chǎn)和應(yīng)用

隨著放射性同位素在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)和科研等方面的廣泛使用，其產(chǎn)生的放射性廢物種類和數(shù)目越來(lái)越大。其中在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用產(chǎn)生的核素較多，主要是198Au、131I、32P等[3]。

2 放射性核素在土壤中的遷移研究

2.1 研究方法及研究動(dòng)態(tài)

土壤中核素遷移一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)，主要的研究方法有：實(shí)驗(yàn)室模擬、野外現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和直接針對(duì)核事故的核素遷移調(diào)查及研究等。

現(xiàn)今對(duì)土壤放射核素遷移研究主要涉及：研究核素從土壤中向不同的動(dòng)植物遷移及其影響因素；不同生態(tài)系統(tǒng)的核素的遷移規(guī)律及其放射性水平；137Cs及85Sr在土壤中的遷移規(guī)律；微生物對(duì)核素遷移轉(zhuǎn)化的影響等。我國(guó)學(xué)者主要以黃土為介質(zhì)進(jìn)行核素（主要是137Cs、85Sr和60Co）在地質(zhì)介質(zhì)中的遷移實(shí)驗(yàn)研究，取得了許多成果，其中，據(jù)李書紳[6]等研究表明，廣泛分布于全世界的黃土水分滲透系數(shù)很小，對(duì)放射性核素吸附能力很強(qiáng)，是放射性廢物處置場(chǎng)良好的候選場(chǎng)址。此外，由于低中放射性廢物中含有許多有機(jī)成份，如離子交換樹脂、草酸、檸檬酸以及纖維等，因此也有學(xué)者研究了有機(jī)化合物和微生物對(duì)核素遷移的影響。在對(duì)土壤腐殖酸對(duì)核素遷移影響的研究中也發(fā)現(xiàn)了腐殖酸對(duì)金屬離子的絡(luò)合作用和還原作用極大地影響了放射性核素的遷移。

2.2 核素在土壤中遷移的影響因素

2.2.1 腐殖質(zhì)的影響

腐殖質(zhì)極大地影響了放射性核素的遷移，一般認(rèn)為，土壤中腐殖酸含量高，對(duì)放射性核素處理的容量就大，使進(jìn)入土壤中的放射性核素主要積累在土壤中，而被遷移進(jìn)入地下水以及被植物吸收的部分就少。而這種影響核素遷移的研究是一個(gè)涉及多學(xué)科的復(fù)雜課題，目前，無(wú)論在理論還是實(shí)踐上都很不完善。盡管如此，腐殖質(zhì)仍是進(jìn)行核素遷移研究必須考慮的重要影響因素之一。

（1）腐殖質(zhì)與核素的互相作用機(jī)理

腐殖質(zhì)是經(jīng)微生物作用后，在土壤中新形成的一種特殊類型的高分子有機(jī)物，其性質(zhì)較穩(wěn)定，一般占土壤有機(jī)質(zhì)的50～90%，主體為各種腐殖酸及其金屬離子相結(jié)合的鹽類[3]。根據(jù)起溶解性能，一般分為富里酸、胡敏酸和胡敏素。它們對(duì)金屬離子具有電荷、吸附、離子交換、緩沖、絡(luò)合和生理活性等作用，因此對(duì)放射性核素在土壤中的遷移具有很大的影響。

（2）影響因素

實(shí)際上，腐殖酸不僅可以因絡(luò)合作用和還原作用改變放射性核素的化學(xué)狀態(tài)，而且可以改變吸附劑膠體的穩(wěn)定性和表面性質(zhì)，故腐殖酸對(duì)放射性核素遷移的影響是非常復(fù)雜的，它既可加快核素的遷移，也可阻止核素的遷移，這取決于它的含量、種類、分子量和核素種類與性質(zhì)。如王旭東等[7]進(jìn)行了腐殖酸對(duì)237Np在石英砂柱中遷移的影響研究，結(jié)果表明一定濃度的腐殖酸能使237Np在石英砂柱中的遷移速度加快；但當(dāng)腐殖酸濃度達(dá)到10mg/L或更高時(shí)，237Np在石英砂柱中的遷移速度不再有顯著變化。Yoshiaki等[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了Np在砂土和花崗巖中的遷移，發(fā)現(xiàn)不同分子量的腐殖質(zhì)對(duì)核素遷移的影響不同，分子量低于50000道爾頓的CRL—富里酸可使Np在砂土柱中的遷移速度加快，而分子量為300000到1000000道爾頓的Aldrich-胡敏酸則能在一定程度上阻滯Np在柱中的遷移。

2.2.2 微生物的影響

微生物個(gè)體微小、比表面積大、繁殖快，在自然界中廣泛分布，甚至可以在受高放射性活度污染的土壤環(huán)境中生存，因此，微生物對(duì)核素遷移的影響不可低估。G.Tittel等[9]把微生物的作用歸結(jié)為六點(diǎn)：①使核廢物型體產(chǎn)生降解；②腐蝕核廢物貯存罐；③破壞回填材料（一種人工屏障）；④改變地下水的化學(xué)特征，如Eh，pH等；⑤使有機(jī)材料降解，以提供核素絡(luò)合劑；⑥直接攝取核素（移動(dòng)或滯留）。然而，近年來(lái)，隨著對(duì)微生物和核素之間互相作用機(jī)理的深入研究，人們逐漸認(rèn)識(shí)到微生物吸收、吸附及轉(zhuǎn)化作用對(duì)核素遷移的重要性。

（1）微生物的吸收作用

土壤中微生物生長(zhǎng)代謝除了需要K、Na、Ca、Mg等常規(guī)元素外，還需要一些具有特殊生理功能的微量元素，包括一些重金屬元素。因此，微生物可通過(guò)代謝過(guò)程將一些核素富集與細(xì)胞內(nèi)。

（2）微生物的吸附作用

微生物體積微小，在所有生物中具有最大的表面積/體積比率，同時(shí)其表面有各種各樣的帶負(fù)電荷的表面功能基團(tuán)（表面反應(yīng)位），如羧基、磷酰基、羥基等基團(tuán)，因此可吸附各種各樣的金屬陽(yáng)離子（包括放射性核素或核廢料元素）。

（3）微生物的還原作用

事實(shí)上，自然界中許多核素都具有氧化還原活性，并且其還原態(tài)的溶解度較小，因此，微生物還原作用可以降低目標(biāo)核素在土壤環(huán)境中的溶解度和移動(dòng)性。例如，F(xiàn)e（III）-還原細(xì)菌可將U（VI）（鈾酰離子，UO22+）還原成U（IV）（鈾礦，UO2），而且活性比較低的還原性產(chǎn)物U（IV）將在細(xì)胞周質(zhì)的沉淀。在大多數(shù)中、低放廢物中，238U是一種重要的優(yōu)先控制污染物，但這些放射性廢物中還存在其他一些錒系元素，包括237Np、241Pu等。Pu（V）/Pu（IV）和 Np（V）/Np（IV）的電位值通常低于Fe3+/Fe2+的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位值（大約為0V），因此，F(xiàn)e（III）-還原細(xì)菌還原這些核素，這對(duì)核素的遷移是十分重要的，因?yàn)樗膬r(jià)的錒系元素與配合物結(jié)合的能力強(qiáng)，它們甚至可以被固定在含有活性微生物的沉積物里[10]。

微生物—核素的相互作用對(duì)核素遷移有重要意義，近年來(lái)還提出利用微生物技術(shù)去除土壤中的放射性核素的方案，但它們之間的互相作用是極其復(fù)雜的，目前這方面的理論與研究都還在起步階段。

3 核素遷移研究的展望

在核素遷移研究中關(guān)注的核素種類多，研究的介質(zhì)也多，不僅有土壤，還有各種巖石甚至一些礦物，如花崗巖、頁(yè)巖、石灰?guī)r以及膨潤(rùn)土、磷石膏等，水介質(zhì)也是研究重點(diǎn)之一。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在核素遷移研究中取得了大量成果，但都是研究137Cs和85Sr等核素比較多，而研究U、Pu、Nd等超鈾核素較少；單介質(zhì)研究多，多介質(zhì)研究少；研究都側(cè)重與均勻介質(zhì)，對(duì)非均勻介質(zhì)研究少。事實(shí)上，核素遷移更多的是在一個(gè)非均勻的介質(zhì)系統(tǒng)中進(jìn)行。因此，今后的研究中應(yīng)加強(qiáng)多介質(zhì)以及非均勻介質(zhì)的遷移研究。

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