放射性Cs污染土壤的植物修复及其影响因素

1、杭州农业科技 2006年第1期33放射性Cs污染土壤的植物修复及其影响因素郑洁敏 宋 亮(杭州市农科院农作所 310024)摘 要 土壤中放射性Cs作为K的化学类似物,被植物吸收,进入食物链,因此如果土壤中存在着超标的放射性Cs,人类的健康将受到长期的影响。在诸多的污染土壤修复技术中,植物修复技术具有成本低、对生境扰动性小等优点,是改善放射性核素污染土壤的新途径。放射性Cs由土壤向植物转移的过程不仅受到植物种类的影响,还受到土壤有机质含量、竞争阳离子、根际效应、微生物等各种因素的影响。本文概述了影响土壤中放射性Cs植物修复的主要因素,旨在为相关的研究提供理论依据。关键词 放射性Cs;植物修复;

2、土壤在危害,是一贯以来放射生态学学者研究的重点,并随之产生了各种核素污染土壤的修复方法。传统的处理对策是利用物理化学的方法,即通常是把土壤从受污染的地点移出,利用各种化学试剂除去土壤中的污染物,这种方法成本高,较适用于小规模且受污染程度较高的土壤。对于大面积的低活度放射性核素污染的土壤,一种较新的原位处理技术 植物修复技术更为适合。植物修复技术成本低,对环境的扰动性小。广义上的植物修复可分为植物提取(phytoextraction)、植物挥发(phytovolatilization)、植物过滤(或根系过滤)(phytofilitrationorrhizofiltration)及植物钝化(phy

3、tostabilization)。对于放射性Cs污染土壤进行植物修复的主要方法是植物提取技术,即通常所说的植物修复。植物提取技术利用植物地上部对土壤中放射性核素的积累能力,通过收割植物的地上部而去除土壤中超标的放射性核素,以达到减少土壤中核素含量的目的。1 前言放射性137Cs的半衰期为30.17年,它的 衰变伴随着中等能量的 射线,是生物学上最危险的放射性核素之一。核工业的发展、核技术的广泛应用以及其他工业、农业、能源、军事、交通、医疗卫生等发展使人类周围生态环境放射性核素的本底值不断增加。地上和地下核武器试验是人为地在全球范围内产生大量137Cs的首要来源。从1945年到1980年,全球共

4、进行了518次大气核试验,大部分的核试验在北半球,由此而引起的辐射微尘相当部分回落到北半球1。此外,核电站放射性废物正常排泄和异常事故、核原料的开采和加工、含放射性核素化肥农用、含放射性核素煤燃烧等人为的因素均会导致大片的土地遭受放射性核素的污染。切尔诺贝利核事故发生后,乌克兰的切尔诺贝利及周边地区居民疏散区1852km的耕地和1570km的森林因为放射性核素向植物迁移率很高而无法进行正常的利用;在非疏散区,大于2700km的地区213722Cs的活度仍为540Ci/km2。在放射性Cs污染的土壤中,137Cs的迁移速度很慢,基本集中于表层土壤中,而且它作为K的营养类似物被作物吸收,通过食物链

5、进入人体体内。这样,土壤中如果存在超标的放射性Cs,会通过体外照射和体内照射,导致畸形和癌变,威胁人类的生存。,Cs2 影响放射性Cs污染土壤植物修复的主要因素Cs在土壤中的迁移速度很慢,大约0.23cm/ 。在云杉森林土壤中,深12cm的土壤中的Cs的垂直迁移速度不超过1cm/ 。放射性Cs主要集中在地面以下2.46.1cm的土壤中,并与这层土壤中的有机质和腐殖质结合。Cs滞留在距离土表015cm,34杭州农业科技 2006年第1期矿物片断膨胀隔层的塌陷,这种塌陷会产生新的专性位点,致使可交换的Cs被专性吸附。而在有机质较高的土壤中,K+浓度很低,被专性吸附的Cs较少,容易被植物吸收7+复技

6、术得以实施的先决条件。除了诸多的因素影响放射性Cs从土壤向植物转移,如植物种类,土壤中有机质的含量、土壤中的竞争阳离子、根际效应、土壤微生物等。2.1 植物种类早在二十世纪40年代,植物对放射性Cs的吸收研究已被广泛地展开。植物中的137Cs主要通过根部从土壤吸收(大约70%),一部分通过叶部吸收空气中悬浮的Cs(约占22%左右),还有一部分Cs由叶面吸附。不同种类的植物对Cs的吸收能力是不同的。不同科植物吸收137Cs的量按如下顺序递减:十字花科>葫芦科>藜科>菊科>蓼科>茄科,豆科>胡麻科>云香科,禾本科。各种蔬菜对137Cs的含量是:莴苣,菠菜,

7、菜花>小萝卜,大白菜,胡萝卜>欧洲防风,菜豆>甜菜,马铃薯2。在放射性Cs污染土壤植物修复技术应用中较有潜力的植物主要集中在藜科、苋科或是菊科3。Broadley和Willy4在对30种植物的筛选中发现对Cs的吸收能力最强的植物主要集中在藜科,或者是与藜科相近的苋科,对于这两类植物进行筛选,可能找到适当的植物种类。Lasat5等发现反枝苋(Ama ranthusretroflexus)对放射性Cs的吸收能力极强,地上部分积累量达38000Bq/kg,是一种很有效的放射性Cs的积累植物。如果在土中每年种两茬反枝苋,有可能用少于15年的时间来解除土壤中放射性Cs的危害。唐世荣6的

8、土培试验表明菊科中的某些植物对Cs的积累量也很高,可达到340000Bq/kg。2.2 土壤有机质含量Cs在土壤中以三种状态存在,大部分的137134。但是,有机质的含量的对放射性Cs的形态的影响受制于土壤其他性质。如Rigol8等发现棕色森林土壤的有机层土壤对Cs+的吸附能力比矿物层土壤更高,这是因为在棕色森林土壤的矿物层中,层状硅酸盐由于酸侵蚀释放出自由Al,Al3+3+聚合体堵住了Cs结合到专性位点的+入口;而在有机层中Al3+被有机酸复合,Cs+仍被吸附于土壤专性位点上。2.3 土壤中的竞争阳离子在二十世纪60年代,人们认为将含K含Ca的废料施加到核素污染的土壤中,会抑制他们相应的化学

9、相似元素放射性Cs和放射性Sr被植物的吸收。但是近年来的研究结果表明,由于研究的土壤性质各异,加之所施加K和Ca的形态和量的不同,K和Ca对放射性核素的影响并不能简单地下以结论。土壤中放射性Cs的主要竞争阳离子是K和NH4+,它们在植物吸收Cs的过程中既起到竞争作用,又能帮助Cs从土壤固相释放到液相,协同其被植物吸收。K对植物吸收Cs的影响十分复杂。在高K情况下,Cs+的解吸附能力增强,但是被植物吸收的量却下降。而当植物根部土壤溶液中的K+浓度很低时,土壤会通过风化作用释放吸附在层间的K+,而在这个过程中,被专性吸附的Cs也会变得可移动。Smolders9等研究了K对春小麦吸收Cs的影响,水培

10、实验表明,当溶液中K+浓度较低时,增加K的浓度将会大大降低春小麦对Cs的吸收量,而当溶液中K的浓度超过一定水平时,进一步提高K的浓度,其抑制作用没有明显差异。土培实验的结果与水培相类似,但是由于土壤中影响阳离子被植物吸收的因素更复杂,K对作物吸收Cs的影响不明显。在当土壤溶液中K浓度大于1mM时,K对植物吸收Cs的影响很小,当K浓度小于1mM时,增大溶液中K的浓度,植物根部对Cs的吸收量急剧下降。因此没有施K肥的土壤,会刺激植物根部吸收Cs(Kruyts&Delvaux,2002)。对于NH+4影响的研究相对较少,但是在土壤中,+Cs(大约40%到90%)专性吸附于土壤固相,甚至在强酸

11、环境中也不能移动;一小部分溶解在液相(<0.3%),可为植物所吸收;另一部分非专性吸附于土壤固相,但可参与固-液动态平衡过程。吸附实验证明,粘土中的专性吸附位点控制着有机质土壤中Cs的吸附状况,有机成分含量虽起着间接的作用,但影响很大。有机质可通过几种途径来减少被粘土专性吸附Cs的数量:!粘土中的有机质成分阻塞专性吸附位点的通道。有机质与土壤位点结合,如胡敏酸中的氨基酸成份能替换吸附于粘土边缘专性位点之间的Cs。#有机土壤中K的间接:+杭州农业科技 2006年第1期使之释放的能力比K+强。在植物修复的研究中,通常在土壤中施加适量铵盐,来强化植物修复的效果。NH4NO3或(NH4)2SO4

12、有助于Cs从土壤颗粒上解吸下来,使土壤中固定的放射性Cs移动,为植物根部所吸收5。Lasat3等发现卷心菜在施加NH4NO3时,生物积累率(茎部放射性Cs的活度/土壤中放射性活度)达到3。但是随着加入的NH4NO3量的增加,生物积累率反而下降,这说明在一定浓度时,NH+4与Cs竞争进入植物根部。+35应用。生物技术可能为植物修复技术找到特殊的植物,最近已经完成了植物根部细胞中运输Zn2+,K+基因的定位和克隆;当土壤经过持续一段时间的植物提取之后,土壤中的营养物质会逐渐消失殆尽,合理的土壤营养管理可以解决植物修复技术所带来的土壤肥力问题;使用适当的土壤改良剂,将提高植物对放射性核素的吸收效率。

13、参考文献:1 BossewP,StreblF.Radioactivecontaminationoftropical2.4 植物根际效应及微生物的因素植物根部分泌物质包括有机酸、糖、氨基酸、H+-和HCO3等,创造了不同于非根际土壤的微环境。rainforestsoilsinSouthernCostaRica.JournalofEnviron mentalRadioactivity,2001,53:199213农学通报,1995,16(5):2472493 LasatMM,NorvellWAandKochianLV.Potentialforphytoectrationof137根部分泌的有机质通

14、过形成可溶的有机金属复合物而增加金属的可溶性。但这个过程能否使金属增加移动性至今仍有争议。根部分泌的H和+HCO-3影Csfromacontaminatedsoil.PlantandSoil,响了根际微环境的pH值,从而增加了K的可移动性,K从专性吸附位点上解吸下来,引起粘土矿物结构的变化。在这种情况下,土壤中Cs+的可移动性因土壤性质不同而不同,如在蛭石中,Cs+的移动性增加;而在矿质土中Cs则更多地被专性吸附。在根际微环境中,还存在着大量与植物根部共生的细菌和真菌,这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,在土壤生态功能中起着关键的作用。对高地草原土壤的研究发现,土壤中的真菌

15、固定着大量不可移动的放射性Cs10+1997,195:991064 BroadleyMRandWilleyNJ.Differencesinrootuptakeofradiocaesiumby30planttaxa.EnvironmentalPollution,1997,97:11155 LasatMM,FuhrmannM,EbbsSD,CornishJE,andKochianLV.Phytoremediationofaradiocesium-contaminatdsoil:evaluationofcesium-137bioaccum!lationintheshootsofthreeplants

16、pecies.JournalofEnvironmentalquality,1998,33:4694756 唐世荣.土-水介质中低放核素污染物的生物修复.应用生态学报,2002,13(2):2432467 KruytsNandDelvauxB.Soilorganichorizonsasamajorsourceforradiocesiumbiorecyclinginforestecosystems.JournalofEnvironmentalRadioactivity,2002,58:1751908 RigolA,VidalM,RauretG.Anoverviewoftheeffectoforga

17、nicmatteronsoil-radiocaesiuminteraction:implicationsinrootuptake.JournalofEnvironmentalRadioactivity,2002,58:1912169 SmoldersE,KieboomsL,BuysseJandMerckxR.137。微生物作为植物根部的共生体,通过增加根际产生的CO2、释放螯和配基、裂解复合物、降解矿石、分解有机物等途径,也间接影响着土壤中放射性核素的形态,从而改变植物吸收土壤中营养的模式10。3 结论土壤-植物系统中的各组成部分及放射性核素在土壤中的行为特点影响着植物修复技术的应用,在实际工作中需考虑各种因素的相互作用。对此需要进一步的研究,将各种因素量化,建立相应的数学模型,从而为筛选恰当的植物进行土壤治理提供理论参考。考虑各种因素的同时,多学科和技术联合攻关将促进植物修复技术在对放射性污染土壤处理中的Csuptakeinspringwheat(Triti