植物修復(fù)稀土礦區(qū)土壤中放射性元素的方法研究

魏光普

摘要 分析了稀土礦區(qū)污染特征，介紹了海綿植物、海綿植物及菌根的篩選方法以及菌根環(huán)保盆修復(fù)技術(shù)，最后對(duì)今后的研究方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞 海綿植物；稀土礦區(qū)；放射性元素；菌根環(huán)保盆

中圖分類號(hào) X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2018）02-0049-02

Abstract The pollution characteristics of rare earth mining area were analyzed，the screening methods of sponge plants，sponge plants and mycorrhizal fungi，and the restoration technology of environmental protection basin of mycorrhiza were introduced.Finally，the future research directions were prospected.

Key words “sponge” plant；Rare earth mine；Radioactive element；Mycorrhizal environmental basin

稀土礦區(qū)位于陰山之北，地理坐標(biāo)109°47′～110°04′ E，41°39′～41°53′ N，平均海拔1 605 m2。南距市區(qū)149 km，區(qū)域面積328.64 km2[1]。常年氣候干燥，低溫干旱，溫差變化大，年平均風(fēng)速5.5 m/s，年降水量248.5 mm，蒸發(fā)量2 732.5 mm。天然草場(chǎng)面積約16.43萬hm2，野生植物50種左右，常見木本植物5種，草本植物13種[2]。礦區(qū)及周邊受輻射性污染嚴(yán)重，水土流失，植被退化導(dǎo)致輻射面積加速擴(kuò)大，威脅著南部的市區(qū)、東部草原生態(tài)環(huán)境[3]。

1 礦區(qū)污染特征

1.1 放射性元素的危害 稀土包含17種元素，Ce為含量最多的元素。Ce和Th均具有放射性，可通過水、大氣、土壤等介質(zhì)危害動(dòng)植物的健康。

（1）Ce可以通過動(dòng)物的口、呼吸道、皮膚等進(jìn)入體內(nèi)，其能與動(dòng)物體內(nèi)許多生物分子（如蛋白質(zhì)、酶、核酸等）相互作用，不斷在人體內(nèi)富集，一定量時(shí)將嚴(yán)重危害人體健康。植物中各部位一般含量從大到小依次為根、葉、莖，當(dāng)Ce濃度超過一定量時(shí)植物生長(zhǎng)受到抑制，葉綠素下降，過氧化酶、細(xì)胞膜透性、脯氨酸含量下降。土壤中低濃度稀土元素對(duì)細(xì)菌和放線菌有刺激作用，高濃度稀土元素對(duì)細(xì)菌、放線菌和真菌都有抑制作用。因此，動(dòng)、植物體內(nèi)稀土含量均有安全濃度值[4]（表1）。

（2）露天開采改變了自然土壤中的放性核素成分，Th開采、選擇工作導(dǎo)致周邊居民受到較強(qiáng)的輻射，也破壞草場(chǎng)和動(dòng)、植物。其不僅具有放射毒性還具有化學(xué)毒性。Th對(duì)植物的影響及其在植物體內(nèi)含量與Ce類似[4]。

1.2 礦山特征

稀土礦區(qū)是一個(gè)包含71種元素的共生礦，以鐵-稀土-鈮-釷多金屬共生礦世界聞名，目前已知稀土儲(chǔ)量世界第一，Nb和Th儲(chǔ)量分居世界第二。礦區(qū)由主礦、東礦、西礦、東介勒格勒礦、都拉哈拉鈮-稀土礦5個(gè)共同組成。

主礦位于東礦西側(cè)，礦體長(zhǎng)1 250 m，寬415 m，稀土儲(chǔ)量占全礦區(qū)總量的32.1%；東礦礦體長(zhǎng)1 200 m，寬350 m，西窄東寬，稀土儲(chǔ)量占全礦區(qū)總量的21.5%；西礦由16個(gè)大小不等礦體組成，礦體長(zhǎng)100～1 900 m，寬10～170 m，稀土總量占全礦區(qū)總量14.3%；東介勒格勒礦東礦南1 km處，由21個(gè)小礦體組成；都拉哈拉鈮-稀土礦，東礦以東，東西長(zhǎng)5 700 m，南北寬1 060 m。加速開發(fā)西礦，有助于保護(hù)主、東礦稀土資源[4-6]。

5個(gè)礦體分布不均，主礦、東礦、東介勒格勒礦、都拉哈拉鈮-稀土礦以及3個(gè)排土場(chǎng)集中在一起，西礦在西側(cè)較遠(yuǎn)位置。W型植物隔離墻可以根據(jù)礦區(qū)實(shí)際污染量進(jìn)行精細(xì)化植物配置，根據(jù)儲(chǔ)量不同情況，可栽植不同的針對(duì)性植物，提高修復(fù)效果，降低造價(jià)[7]（圖1）。

2 海綿植物修復(fù)土壤污染

2.1 海綿植物

海綿植物：海綿植物是指對(duì)稀土的吸收系數(shù)超過1以上的植物，能主動(dòng)吸收環(huán)境中的稀土元素，如芒萁等。

稀土元素污染土壤問題出現(xiàn)較晚，隨著我國(guó)稀土的開發(fā)及應(yīng)用，稀土污染問題被逐漸認(rèn)識(shí)。稀土對(duì)動(dòng)植物有“低促高抑”的特點(diǎn)，在表層土壤中大量積聚，并在土壤-植物-動(dòng)物體內(nèi)進(jìn)行價(jià)態(tài)的轉(zhuǎn)移，危害成倍增加，先后出現(xiàn)植被退化、土地退耕、癌癥村等事件的發(fā)生。海綿植物可以主動(dòng)吸收土壤中稀土元素，并遷移至植物各器官中形成耐受機(jī)制[8]。

2.2 海綿植物及菌根的篩選方法

稀土礦區(qū)適生且常見的植物有臭柏、山榆、山櫻桃、小葉忍冬、草麻黃、芨芨草、蒙古蔥、刺沙蓬、狼毒、蒿草、梭梭、胡枝子、白刺、花棒等。目前發(fā)現(xiàn)的菌類植物有狗尿蘑菇、草塔塔蘑菇、馬勃、發(fā)菜、地衣等。采集不同濃度土壤區(qū)域的植物，對(duì)其根、莖、葉中的稀土元素測(cè)定，分析其吸收系數(shù)（BAC）和轉(zhuǎn)移系數(shù)（BTC），篩選吸收系數(shù)大于1的植物。

菌根是菌根真菌與植物根系形成的共生體。根據(jù)菌根的解剖學(xué)特征及菌根在植物根系中的著生部位，可將菌根分為內(nèi)生菌根、外生菌根、內(nèi)外生菌根。菌根可增加植物吸收磷的速度；改善植物根部生長(zhǎng)環(huán)境；加快碳循環(huán)。根據(jù)不同礦體選擇不同的植物與菌根進(jìn)行修復(fù)[9-11]。

2.3 菌根環(huán)保盆修復(fù)技術(shù)

礦區(qū)放射性元素修復(fù)技術(shù)的發(fā)展是伴隨著土壤中重金屬修復(fù)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的。一般礦山土壤重金屬技術(shù)主要有物理化學(xué)方法和生物方法。

（1）植物提?。╬hytoextraction）。

植物提取是目前研究最多，且最具發(fā)展前景的一種利用植物去除放射元素的方法。它是利用耐受海綿植物吸收環(huán)境中的Ce和Th，并將其積累在地上部分，通過收獲地上部分減少其在土壤中含量的一種處理方法。選取海綿植物是技術(shù)的關(guān)鍵，目前試驗(yàn)篩選出芒萁等植物。

（2）植物-菌根修復(fù)方法具有一定的局限性，修復(fù)速度慢，植物修復(fù)受到土壤類型、溫度、濕度等多條件限制。選用的植物可能會(huì)導(dǎo)致植物入侵等問題。但是分析礦區(qū)污染源，選取當(dāng)?shù)刂参锛熬h(huán)保盆修復(fù)是最環(huán)保且一勞永逸的方法（圖2）。

（3）分析礦區(qū)不同礦體的特征，栽植不同的植物-菌根，解決一種植物通常只耐受或吸收一種或兩種污染元素[12]，對(duì)土壤中其他濃度較高的污染元素修復(fù)效果差的難點(diǎn)。

3 展望

（1）截至目前，所有海綿植物-菌根的研究成果均在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下完成，而礦區(qū)自然環(huán)境惡劣，適用性有待繼續(xù)研究。

（2）因礦山區(qū)域分布廣，南北氣候差異大，關(guān)于北方礦區(qū)土壤植物-菌根修復(fù)的研究比南方數(shù)量少，質(zhì)量低，因此在研究水平上南北差異較大。

（3）植物-菌根修復(fù)礦山土壤的研究體現(xiàn)出單一性，即單一修復(fù)某一元素，而土壤污染具有復(fù)合性、復(fù)雜性的特點(diǎn)，因此海綿植物-菌根的綜合研究是未來的發(fā)展思路。

（4）植物-菌根對(duì)Ce、Th修復(fù)機(jī)理尚未明確，因此了解植物-菌根修復(fù)Ce、Th機(jī)理具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]TYLER G.Rare earth elements in soil and plant systems：A review[J].Plant and soil，2004，267（1/2）：191-206.

[2] ZHANG H，F(xiàn)ENG J，ZHU W F，et al.Chronic toxicity of rareearth elements on human beings：Implications of blood biochemical indices in REEhigh regions，South Jiangxi[J].Biological trace element research，2000，73（1）：1-17.

[3] YANG T，ZHU Z Y，WU Y，et al.Concentrations of rare earth elements in topsoil from East China[J].Environmental geology，2008，56（2）：309-316.

[4] LARNER B L，SEEN A J，TOWNSEND A T.Comparative study of optimized BCR sequential extraction scheme and acid leaching of elements in the certified reference material NIST 2711[J].Analytica chimica acta，2006，556（2）：444-449.

[5] BOSSIO D A，SCOW K M.Impacts of carbon and flooding on soil microbial communities：Phospholipid fatty acid profiles and substrate utilization patterns[J].Microbial ecology，1998，35（3/4）：265-278.

[6] OLSEN G J，LANE D J，GIOVANNONIS J，et al.Microbial ecology and evolution：A ribosomal RNA approach [J].Ann Rev Microbiol，1986，40：337-365.

[7] ZHANG N L，GUO J X，WANG X Y，et al.Soil microbial feedbacks to climate warming and atmospheric N deposition [J].Joyrnal of plant ecology，2007，31（2）：252-261.

[8] 梁紅.礦區(qū)植被修復(fù)研究進(jìn)展[J].仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，22（4）：56-60.

[9] 王平，劉少峰.嶺南稀土礦區(qū)土壤侵蝕狀況分析[J].中國(guó)水土保持，2008（1）：44-46，56.

[10] 陳承利，廖敏，曾路生.污染土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性及功能多樣性測(cè)定方法[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，26（10）：3404-3412.

[11] 魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社，2000.

[12] 包頭概況[EB/OL].（2009-04-13）[2017-10-12].http：//www.China.com.cn/about China/zhuanti/pbfznmg/2009-04/13/content_17595490.htm.