鈾污染土壤生物修復(fù)的研究進(jìn)展

鄭立莉 饒苗苗

(東華理工大學(xué)，水資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

核電的快速發(fā)展和核能的大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用，促進(jìn)了鈾資源的大量使用，鈾礦的開采和冶煉產(chǎn)生了大量的含鈾廢石、鈾尾礦和含鈾廢液等放射性廢物[1]。根據(jù)中國(guó)核工業(yè)《三十年輻射環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)》報(bào)告，鈾礦冶系統(tǒng)的放射性廢水和土壤(尾礦)中的核素，對(duì)周圍公眾照射的集體劑量約占核燃料系統(tǒng)總集體劑量的91.5%，其主要污染源是鈾尾礦。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全球積存的鈾尾礦超過200億t，我國(guó)的鈾尾礦等固體廢物堆放場(chǎng)約有200處，分布在14個(gè)省區(qū)30多個(gè)地區(qū)[2]。由于鈾是一種長(zhǎng)壽命元素，所以這些放射性廢物中都含有長(zhǎng)壽命核素235U、238U，半衰期很長(zhǎng)(235U的半衰期為7×108年，238U的半衰期為4.4×109年)，且具有很強(qiáng)的生物、化學(xué)毒性和很高的放射性，目前難以將這些核素分離出來[3]。暴露于露天的尾礦、廢石在雨水沖刷、風(fēng)化作用下，放射性鈾不斷淋浸析出，隨雨水和揚(yáng)塵擴(kuò)散遷移，使得越來越多的放射性鈾進(jìn)入到土壤中，引起嚴(yán)重的土壤放射性鈾污染[4]。土壤被鈾污染后，一方面具有放射性，通過放射性衰變產(chǎn)生射線穿透機(jī)體組織，損害細(xì)胞；另一方面，可通過呼吸系統(tǒng)或食物鏈等途徑進(jìn)入人體，造成損害更大的內(nèi)照射損傷，嚴(yán)重威脅生態(tài)環(huán)境和人類的健康[5-7]。因此，放射性鈾污染土壤的防治與修復(fù)已成為亟待解決的環(huán)境問題[8-9]。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鈾污染土壤修復(fù)技術(shù)進(jìn)行大量的研究，包括土壤淋洗法[10-15]、客土法、固定化和穩(wěn)定化法[10，16-17]、氧化還原法[10，18]、電動(dòng)修復(fù)法[19]、土壤氣體抽取和絡(luò)合物浸提法[20-21]等，但是這些方法各自存在局限性，或價(jià)格昂貴，或容易破壞污染土壤場(chǎng)地結(jié)構(gòu)和土壤理化性質(zhì)，并造成二次污染，均未能成為最理想的鈾污染土壤修復(fù)方法。生物修復(fù)技術(shù)與以上傳統(tǒng)技術(shù)相比，具有安全、費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)，被稱為環(huán)境友好替代技術(shù)。生物修復(fù)技術(shù)主要以生物為主體，利用生物吸收、轉(zhuǎn)化U(VI)，治理污染土壤的技術(shù)，包括植物修復(fù)、微生物修復(fù)技術(shù)。除了可以處理表土層污染外，對(duì)土壤亞表層甚至更深層的處理更為有效[22]。本文將對(duì)土壤中鈾的來源，鈾污染土壤生物修復(fù)技術(shù)，包括植物修復(fù)、微生物修復(fù)、植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行論述，并對(duì)該領(lǐng)域未來的研究方向提出建議。

1 土壤中鈾的來源

1.1 天然來源

鈾是一種重金屬，銀白色，具有良好延展性、微弱放射性的特點(diǎn)，細(xì)微分裂后易自燃、與冷水反應(yīng)[23]。作為一個(gè)天然元素，鈾在環(huán)境中存在低水平自然本底輻射，并通過自然過程中風(fēng)和水的侵蝕、溶解、沉淀以及火山運(yùn)動(dòng)再分配到總環(huán)境中。

環(huán)境中的鈾有三種存在形式(同位素)，均具有放射性，其中238U和234U來自鈾系列，235U來自錒系列。天然鈾的特點(diǎn)如表1所示。自然界中，幾乎所有發(fā)現(xiàn)的鈾都是同位素238U，238U在發(fā)生放射性衰變后，轉(zhuǎn)變?yōu)?3種不同的放射性核素，最終以206Pb形式達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。這些放射性核素發(fā)出α或β射線，少部分還發(fā)出γ射線，并且這些射線具有不同的能量[24]。當(dāng)鈾及其衰變產(chǎn)物在原始地殼巖石中保持長(zhǎng)期封閉平衡的狀態(tài)，234U和238U的比例將保持統(tǒng)一，但研究表明，α粒子自238U衰變中脫離，經(jīng)由地質(zhì)作用增加了234U運(yùn)移的有效性，導(dǎo)致了238U和234U之間的不平衡性[25]。同時(shí)當(dāng)水的化學(xué)或物理性質(zhì)變化影響到巖石時(shí)，這種不均衡也會(huì)發(fā)生。

鈾幾乎存在于所有的巖石和土壤中(源自侵蝕的巖石)，較低濃度的鈾存在于基性巖中，酸性巖中鈾濃度則較高[26]。如表2所示，土壤的平均放射水平通常與基性巖中巖石的平均放射水平相近。238U在土壤中的平均放射水平為0.6—1pCi/g，由于238U的活躍度大約是自然界中鈾總活躍度的一半，因此，土壤中鈾的總放射水平約為238U在土壤中放射水平的兩倍(約1.2pCi/g)[27]。然而天然鈾對(duì)人體造成的放射性劑量都很低，對(duì)人類的生活影響不大。

1.2 人為來源

就人為因素而言，放射性鈾污染主要來源于核武器試驗(yàn)、核能源活動(dòng)、核電站事故、鈾同位素的生產(chǎn)及應(yīng)用和鈾礦的開采冶煉及應(yīng)用等。

在核能生產(chǎn)過程中，放射性鈾核素在整個(gè)核燃料循環(huán)的各個(gè)環(huán)節(jié)間循環(huán)，一方面以尾礦堆形式在特定的位置釋放大量的鈾，另一方面通過大氣、水體等排入環(huán)境中，給土壤環(huán)境帶來一定的污染。此外，核電站事故產(chǎn)生的鈾也是土壤鈾污染的重要來源之一，如1986年蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站泄漏事故，12EBq放射性物質(zhì)外泄到環(huán)境中，對(duì)地表土壤和地下水造成了嚴(yán)重的污染[28]。同時(shí)鈾礦開采、冶煉和農(nóng)業(yè)化肥的施用也會(huì)將一定量的鈾核素釋放到環(huán)境中，造成土壤鈾污染。據(jù)報(bào)道在美國(guó)一些州施用磷肥的土壤中，238U的活度提高了一倍[29]。

土壤鈾污染的潛在風(fēng)險(xiǎn)是一個(gè)全球性問題，土壤和水中貧化鈾、富集鈾以及天然鈾的污染在世界許多站點(diǎn)都已被檢測(cè)到。研究防止鈾被植物吸收措施，是修復(fù)污染區(qū)的第一步[30]。長(zhǎng)期以來，人們運(yùn)用不同的原位技術(shù)對(duì)大量的沉積物進(jìn)行商業(yè)性溶浸鈾，其中包括含有碳酸鹽和碳酸氫根離子溶液的堿性溶浸，或者酸性溶浸[31]。但是，由于某些政治上、經(jīng)濟(jì)上、環(huán)境上的因素，商業(yè)規(guī)模的鈾溶浸操作被禁止[32]。即使在鈾回收的過程中，采取了部分預(yù)防和補(bǔ)救措施，但因?yàn)樗嵝詮U水的滲透，許多天然生態(tài)系統(tǒng)都被放射性鈾核素嚴(yán)重污染[33]。因此必須考慮土壤的修復(fù)。

表1 天然鈾的特點(diǎn)

表2 幾種巖石和土壤中鈾的平均放射性

2 鈾污染土壤修復(fù)

2.1 植物修復(fù)

美國(guó)環(huán)保局定義植物修復(fù)為：運(yùn)用植物遏制、降解或提取水中或土壤基質(zhì)中的外源性物質(zhì)[34]。植物修復(fù)類型主要包括植物提取、植物固定、植物降解/植物轉(zhuǎn)化、植物揮發(fā)、和根際濾除。其中植物提取在修復(fù)過程中最實(shí)用。因此尋找理想的超富集植物是這一技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，早期研究的重點(diǎn)在于尋找超富集植物。

鈾的物理化學(xué)性質(zhì)比較特殊，在環(huán)境中沒有可以替代的相似營(yíng)養(yǎng)元素，并且不是植物生長(zhǎng)的必需或有益元素，但是許多植物，如印度芥菜、向日葵、亞麻等會(huì)吸收鈾，這表明利用植物提取來修復(fù)鈾污染土壤的可能性[35-37]。萬(wàn)芹芳等[38]選取分屬8種科目的19種植物模擬修復(fù)鈾污染土壤(鈾濃度1.0×102mg/kg)，結(jié)果表明四季香油麥菜地上部分鈾的富集濃度為1.67×102mg/kg，且生物富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于3，是較好的鈾富集植物。唐麗等[39]通過盆栽實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)特選榨菜和泡青菜遷移系數(shù)和生物富集系數(shù)均大于1，這兩種植物地上部分均有較高的鈾提取量，適合作為鈾的超富集植物

大量研究表明不同植物以及植物的不同部位對(duì)鈾的吸附存在差異性，Saric等[40]研究了鈾礦場(chǎng)地附近的豆類、卷心菜、萵苣、玉米、洋蔥、土豆、菠菜和向日葵，結(jié)果顯示蔬菜比玉米和向日葵鈾含量高，植物的地上部分比植物的莖塊、種子富集更多的鈾，老葉子比新葉子富集更多的鈾

同時(shí)土壤的理化性質(zhì)對(duì)植物吸收鈾的影響也不容忽視，Ebbs等[41]研究了豌豆、印度芥菜、蕪青、紅甜菜、苜蓿、野豌豆、毛苕子、小冠花、寬葉菜豆、燕麥、玉米在310mg/kg的含鈾土壤中的生長(zhǎng)，通過控制pH值，發(fā)現(xiàn)土壤的pH值對(duì)豌豆富集鈾的影響較大，在pH=5時(shí)，豌豆上部富集鈾的濃度最大，甜菜和小冠花的上部對(duì)鈾的富集濃度分別達(dá)到了2.8mg/kg和3.5mg/kg。Shahandeh[42]認(rèn)為植物吸收鈾受到土壤類型的影響，酸性土壤和具有碳酸鹽礦物的堿性土壤對(duì)植物吸收鈾有利。Ramaswami等[43]研究了向日葵、箭舌豌豆、毛苕子、刺柏、印度芥菜、矮菜豆在溶液、沙土、有機(jī)質(zhì)土中對(duì)鈾的富集，結(jié)果表明，植物在溶液、沙土、富含有機(jī)質(zhì)土壤中對(duì)鈾的提取效率依次減少，表明土壤有機(jī)質(zhì)可以吸附鈾，降低鈾的生物有效性，而植物在溶液培養(yǎng)下的行為不同于土壤，應(yīng)區(qū)別看待。

研究表明，通過運(yùn)用一些方法，如螯合作用(例如添加檸檬酸)、絡(luò)合作用，可以溶解、解毒以及提高鈾的累積量，從而改善從土壤中提取鈾的實(shí)用性[44-46]。Huang等[47]在用植物修復(fù)鈾污染土壤時(shí)加入檸檬酸、乙酸以及蘋果酸，發(fā)現(xiàn)加入檸檬酸對(duì)鈾的富集效果最好：在鈾污染土壤中(濃度為750mg/kg)添加檸檬酸后，印度芥菜和大白菜地上部的富集濃度從原來的不足5mg/kg提高到5000mg/kg，提高了1000倍。

2.2 微生物修復(fù)

許多微生物都具有將污染土壤和沉積物中的鈾轉(zhuǎn)化為微溶和低毒化學(xué)形態(tài)的能力。因?yàn)槠涑杀镜鸵约爸С制淇尚行缘难芯恐芷诙?。這一潛能對(duì)于修復(fù)鈾污染土壤非常具有吸引力[48-49]。

鈾銑離子[UO2]2+，該元素在環(huán)境中常見、可溶性形態(tài)，能通過幾種方式經(jīng)微生物固定，其中三種如圖1。然而，這種鈾的化學(xué)還原受自然界中帶負(fù)電荷的U(VI)-CO3的抑制，微生物能酶促還原這些形態(tài)，形成U(IV)的礦物，如高度不溶的水合瀝青鈾礦[50-51]。大量的實(shí)驗(yàn)研究表明，結(jié)合有機(jī)物和H2的氧化作用，各種異化金屬和硫酸鹽還原菌，如希瓦氏菌，地桿菌和脫硫弧菌作為氧化還原劑還原不穩(wěn)定的U(VI)，形成穩(wěn)定的U(IV)以及鈾沉淀(UO2)[52-54]。圖1中間部分的反應(yīng)A可以用耐輻射球菌來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)細(xì)胞結(jié)合磷酸鈾酰氫可析出鈾酰離子，而不發(fā)生鈾氧化態(tài)的變化，如圖1所示的右支途徑。這種反應(yīng)是在檸檬酸桿菌sp.中的酸性磷酸酶N的輔助下完成的。

異化鐵還原菌(DIRB地桿菌和熱棒菌類)在氧化地表以下有機(jī)污染物(如芳香烴)以及固定鈾方面起著重要作用，同時(shí)，在熱液環(huán)境中對(duì)于鈾礦床和磁鐵礦的形成也發(fā)揮一定作用[55-57]。U(VI)也被懸浮液中的微生物或含有有機(jī)或無機(jī)配體或電子受體如氧化鐵(III)，硫酸鹽或硒酸鹽的生物膜還原。通過運(yùn)用微生物過程以及之后的固定化，U(VI)的修復(fù)可通過增加有機(jī)電子供體(乙酸、乙醇)得到進(jìn)一步完善，這同時(shí)也增強(qiáng)了Fe(III)還原細(xì)菌的繁殖[58-59]。

但是，Wan等人[60]觀察到，盡管之前微生物還原鈾的短期實(shí)驗(yàn)支持通過形成不溶性U(VI)礦物來固定有毒重金屬的這一可能性說法，持續(xù)17個(gè)月的長(zhǎng)期室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，即使在持續(xù)的還原條件下，U的生物還原也只是暫時(shí)的。在最初的3個(gè)月內(nèi)，鈾先被還原，之后被再氧化并溶解，即使存在能還原U(VI)的持久性微生物群落。這種行為被認(rèn)為是一些關(guān)鍵因素作用的結(jié)果，反應(yīng)如表3所示：

(1)有機(jī)碳的氧化，能增加碳酸鹽的濃度，并形成極度穩(wěn)定的碳酸鈾銑配合物，從而提升對(duì)鈾氧化物的熱力學(xué)支持(反應(yīng)方程(I)-(III))；

(2)鈣的存在，來源于沉積物中的方解石。在不易受生物還原和吸附作用影響的近中性H條件下，通過形成鈣配合物將U(VI)釋放進(jìn)入溶液中，鈣的存在是有效的；

(3)在不同的CO2分壓下，占主導(dǎo)地位的鈾氧化還原電位取決于實(shí)驗(yàn)條件(Eha，b，c)。

在還原土壤中，鈾的再氧化在熱力學(xué)上是有利的。

由Wan等人進(jìn)行的非晶鈾礦熱力學(xué)計(jì)算，其中UO2(溶質(zhì))的溶解度計(jì)算是根據(jù)表3中的方程，實(shí)驗(yàn)表明隨著CO2分壓的增加U(VI)溶液的濃度依次增大。增加CO2分壓則改變U(VI)溶液/U(IV)固體比值，平衡趨向于低氧化還原電位的一方。此外當(dāng)系統(tǒng)中含有方解石，尤其是H<8時(shí)，平衡邊界下U(VI)溶液/U(IV)固體氧化還原電位降到較低值。

在其他污染物(絡(luò)合陰離子、重金屬、有機(jī)物、螯合劑)存在的情況下，為了確保能持續(xù)有效的修復(fù)，急需優(yōu)化生物修復(fù)程序，并評(píng)估合適的修復(fù)終點(diǎn)[61]。

圖1 酶存在下鈾轉(zhuǎn)化的途徑

反應(yīng)Eha(mV)Ehb(mV)Ehc(mV)Ⅰ.UO2CO3+6H++2e-→UO2(s)+HCO3-278-62-121Ⅱ.UO2(CO3)22-+2H++2e-→UO2(s)+2HCO3-366-78-197Ⅲ.UO2(CO3)34-+3H++2e-→UO2(s)+3HCO3-531-17-195Ⅳ.Ca2UO2(CO3)3+3H+2e-→UO2(s)+3HCO3-+2Ca2+278-181-240Ⅴ.CaUO2(CO3)32-+3H++2e-→UO2(s)+3HCO3-+Ca2+427-76-195Ⅵ.Fe(OH)3+3H++e-→Fe2++3H2O976-78-78Ⅶ.MnO2(pyrolusite)+4H++2e-→Mn2++2H2O122011801180

a標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位

b在以下條件下還原能力的降低：

PCO2=10-3.5atm，pH7.4，

∑U(Ⅵ)(aq)=10-8M，F(xiàn)e2+=4.5×10-5M，

Mn2+

=3.5×10-5M，Ca2+=10-1.5M

c實(shí)驗(yàn)條件下還原能力的降低：

PCO2=10-1.5atm，pH7.4，

∑U(Ⅵ)(aq)=10-8M，F(xiàn)e2+=4.5×10-5M，

Mn2+

=3.5×10-5M，Ca2+=10-3.5M

注意[Ca2+]是PCO2的一個(gè)依賴要素。

2.3 植物-微生物聯(lián)合修復(fù)

近幾年，植物-微生物聯(lián)合修復(fù)作為一種強(qiáng)化植物修復(fù)技術(shù)已經(jīng)成為土壤修復(fù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。這種修復(fù)方法是通過將植物修復(fù)與微生物修復(fù)技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮兩種修復(fù)方法的優(yōu)勢(shì)，改善土壤環(huán)境，促進(jìn)植物吸收放射性核素，提高修復(fù)效率。目前對(duì)植物微生物共生體系研究較多的是微生物對(duì)植物吸附的影響。植物的共生微生物往往能夠改善植物的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)條件，另一方面，共生微生物可能直接或間接參與元素活化與植物吸收過程，對(duì)植物修復(fù)效果產(chǎn)生不容忽視的影響。

在各種植物共生微生物中，菌根真菌是唯一能夠直接聯(lián)系土壤和植物根系的一類，所謂菌根就是土壤中真菌與植物根系形成的一種共生體。菌根是一個(gè)復(fù)雜的群體，含有大量的微生物，其中包括放線菌、固氮菌等，這類菌具有一定降解能力；同時(shí)，菌根根際的微生態(tài)能提高自身微生物種群密度以及生理活性，從而使微生物菌群保持更穩(wěn)定的狀態(tài)；研究表明，菌根表面的菌絲體可以擴(kuò)大根系吸收面，提高吸收能力。菌根真菌與植物組織相通可從植物中吸收有機(jī)物質(zhì)作為自身生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)，同時(shí)從土壤吸收養(yǎng)分、水分供給植物，并能合成生物活性物質(zhì)，如植物生長(zhǎng)激素、維生素等，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，增強(qiáng)植物的抗病能力，大大提高了植物在逆境生理?xiàng)l件下的生存能力。

Chen等[62]對(duì)鈾污染土壤(濃度111mg/kg)開展了溫室實(shí)驗(yàn)，研究了菌根真菌(G.mosseae或G.intraradices)對(duì)植物吸收鈾的影響。研究結(jié)果表明：這兩種菌根真菌均能夠促進(jìn)植物根部對(duì)鈾的吸收，并且在植物收獲期，根部鈾的濃度可高達(dá)1574mg/kg；Rufyikiri等[63]通過實(shí)驗(yàn)證明AMF對(duì)鈾遷移至植物根系具有促進(jìn)作用，但AMF的結(jié)構(gòu)對(duì)鈾具有強(qiáng)烈的吸附作用，因而限制了鈾從植物根部向上部的轉(zhuǎn)移。AMF對(duì)植物富集鈾促進(jìn)作用不大，特別是鈾濃度高時(shí)，甚至還會(huì)抑制植物富集鈾。

4 研究展望

與物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)相比，鈾污染土壤生物修復(fù)是一種環(huán)境友好型治理方法，具有工藝簡(jiǎn)單，對(duì)土壤擾動(dòng)小，無二次污染，成本廉價(jià)等優(yōu)勢(shì)，可能成為最有應(yīng)用前景的鈾污染土壤修復(fù)方法之一。今后在鈾污染土壤生物修復(fù)方面還應(yīng)加強(qiáng)以下重點(diǎn)研究：

(1)植物修復(fù)方面：豐富超累積植物物種資源，并結(jié)合遺傳工程、雜交等科學(xué)技術(shù)，培育出耐受能力強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性好、富集效率高、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)大的物種；加強(qiáng)對(duì)植物修復(fù)吸附、運(yùn)輸和解毒機(jī)制的研究；加強(qiáng)對(duì)植物修復(fù)調(diào)控措施，如螯合劑，微生物，基因工程和農(nóng)藝實(shí)踐等方面的機(jī)制研究；研究發(fā)展與植物修復(fù)工程化和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用配套的設(shè)備和技術(shù)，消除區(qū)域試驗(yàn)的局限性，為推廣植物修復(fù)技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

(2)微生物修復(fù)方面：將微生物技術(shù)與分子生物學(xué)、克隆技術(shù)和遺傳工程相結(jié)合，以擴(kuò)大微生物修復(fù)的應(yīng)用范圍；研究更快速篩選優(yōu)勢(shì)菌種的技術(shù)，減少篩選時(shí)間，提高效率；根據(jù)土壤不同污染條件，如污染程度、土壤理化性質(zhì)等，培養(yǎng)馴化特定的功能菌，并結(jié)合基因工程手段，研究出新型高效工程菌。

(3)植物微生物聯(lián)合修復(fù)方面：研究具有耐鈾性同時(shí)能夠促植物生長(zhǎng)的專性菌株；加強(qiáng)對(duì)植物聯(lián)合微生物修復(fù)鈾污染土壤的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)植物微生物共生系統(tǒng)中的環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)控，并對(duì)共生系統(tǒng)中的植物和微生物進(jìn)行強(qiáng)化，包括物理強(qiáng)化、化學(xué)強(qiáng)化以及酶強(qiáng)化，提高修復(fù)效率。