兩種土著水生植物對鈾礦坑水的修復能力研究

兩種土著水生植物對鈾礦坑水的修復能力研究

聶小琴1，董發勤1,*，丁德馨2，劉寧3，李廣悅2，張東4，劉明學1

(1.西南科技大學 核廢物與環境安全國防重點學科實驗室，四川 綿陽621010；

2.南華大學 鈾礦冶生物技術國防重點學科實驗室，湖南 衡陽421001；

3.四川大學 原子核科學技術研究所 輻射物理及技術教育部重點實驗室，四川 成都610064；

4.中國工程物理研究院 核物理與化學研究所，四川 綿陽621900)

摘要：通過野外采樣、室內分析和水培實驗，研究了某廢棄鈾礦坑水中的土著水生植物大薸(Pistia stratiotes L.)和鳳眼蓮(Eichhornia crassipes)對鈾礦坑水的原位修復能力。野外采樣分析結果表明，大薸和鳳眼蓮對廢棄鈾礦坑水中的鈾有極強的富集能力。廢棄鈾礦坑水中鈾濃度在0.4～0.6 mg/L之間，高出國家排放標準(GB 23727—2009)規定值(0.05 mg/L)的10倍左右。廢棄鈾礦坑水中土著水生植物大薸和鳳眼蓮根系平均鈾含量分別為1 015.40 mg/kg (干重)和504.87 mg/kg (干重)；富集系數分別為2 071和1 001。水培實驗結果表明，大薸對鈾礦坑水中鈾的去除能力與植物生長期、生物量和覆蓋水體面積呈正相關。生長后期(單株生物量鮮重≥100 g)的大薸、鳳眼蓮，投加量為100 g/L時，10 d可將鈾礦坑水中鈾濃度由1.93 mg/L降至0.03 mg/L以下，去除率達到98% 以上。SEM-EDS結果表明，大薸和鳳眼蓮在酸性條件下與水體中的鈾結晶礦化，生成納米片狀晶體堆簇在根系表面；在堿性條件下(接近廢棄鈾礦坑水的pH值時)，未出現類似礦化結晶體。表明大薸和鳳眼蓮對于不同酸度的鈾廢水體系有不同的修復機理。

關鍵詞：鈾礦坑水；大薸；鳳眼蓮；植物修復

中圖分類號：X171 文獻標志碼：A

收稿日期：2014-06-23;修回日期：2014-09-13

基金項目：973計劃資助項目(2014CB846003)；國家自然科學基金青年基金資助項目(41502316)；核廢物與環境安全國防重點學科實驗室預先研究基金資助項目(15yyhk11)；西南科技大學博士研究基金資助項目(15zx7109)

作者簡介：聶小琴(1985—)，女，四川安縣人，助理研究員，博士，核燃料循環與材料專業

doi：10.7538/yzk.2015.49.11.1946

*通信作者：董發勤，E-mail: fqdong2004@163.com

Ability ofPistiastratiotesL. andEichhorniacrassipes

for Remediation of Uranium-contaminated Waste Water

NIE Xiao-qin1, DONG Fa-qin1,*, DING De-xin2, LIU Ning3, LI Guang-yue2,

ZHANG Dong4, LIU Ming-xue1

(1.FundamentalScienceonNuclearWastesandEnvironmentalSafetyLaboratory,

SouthwestofScienceandTechnology,Mianyang621010,China;

2.FundamentalScienceonBiotechnologyinUraniumMiningandHydrometallurgy,

UniversityofSouthChina,Hengyang421001,China;

3.KeyLaboratoryofRadiationPhysicsandTechnology,MinistryofEducation,

InstituteofNuclearScienceandTechnology,SichuanUniversity,Chengdu610064,China;

4.InstituteofNuclearPhysicsandChemistry,

ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621900,China)

Abstract:The field sampling, laboratory analysis and hydroponic solution culture experiments were conducted on the native aquatic plants, Pistia stratiotes L. and Eichhornia crassipes in-situ repair ability of uranium mine pit water. The results of field sampling analysis show the strong enrichment of uranium from abandoned uranium mine pit water by Pistia stratiotes L. and Eichhornia crassipes. The uranium concentration range of abandoned uranium mine pit water is between 0.4 mg/L to 0.6 mg/L, which is about 10 times higher than the national emission standards of China. The mean uranium concentrations (dry weight) in roots of Pistia stratiotes L. and Eichhornia crassipes are 1 015.40 mg/kg and 504.87 mg/kg, and the enrichment coefficients are 2 071 and 1 001, respectively. The results of hydroponic solution culture experiments show that the uranium removal ability is closely relative to the growing period and fresh weight of per plant and the area of the plant covering water. 100 g of Pistia stratiotes L. or Eichhornia crassipes at the mature stage (fresh weight more than 100 g per plant) are grown in 1 L of uranium mine pit water with the initial concentration of uranium was 1.93 mg/L, after 10 days, the uranium concentration reduces to below the national emission standards of China, and the uranium removal rates are higher than 98%. SEM-EDS results show that a mass of uranium precipitates with nanometer sized schistose structures on the root surface of Pistia stratiotes L. and Eichhornia crassipes are formed at acidic conditions. But there are no similar crystals observed on the surface of Pistia stratiotes L. and Eichhornia crassipes at alkaline conditions. The present work suggests the different repair mechanisms of uranium-contaminated waste water by the Pistia stratiotes L. and Eichhornia crassipes between acidic and alkaline conditions.

Key words：uranium mine pit water;PistiastratiotesL.;Eichhorniacrassipes; photoremediation

鈾礦開采、冶煉以及核能的研究、利用過程是鈾在環境中富集并產生污染的重要途徑。尤其是在大規模的鈾礦開采和冶煉過程中，產生了大面積的低濃度含鈾廢水[1]。這類廢水中鈾的質量濃度約為0.5～5 mg/L，遠高于國家標準鈾礦冶輻射防護和環境保護規定(GB 23727—2009)[2]中設定的鈾濃度排放限值(0.05 mg/L)。通過飲水(約占總攝入量的64%)和食物鏈等途徑，水體中的鈾一部分最終會進入人體并造成潛在威脅[3]。進入人體后的鈾主要蓄積于肝臟、腎臟和骨骼中，以化學毒性和內照射兩種形式對人體造成損傷。

Wang等[4]發現，在法國中部一個受鈾礦開采影響的濕地中一條小溪的溪水以及旁邊的濕地土壤中的鈾濃度較高。研究表明，來自廢棄礦山的鈾污染可能會是一個較以前所認為的更大的問題。鈾(Ⅳ)能通過與鐵和有機物顆粒相結合而發生潛在釋放，說明鈾(Ⅳ)可能并不像之前學界所相信的那樣容易被固化，其活力被嚴重低估。這一發現可能會促使人們對廢棄礦山導致的地表水和地下水中鈾污染的治理策略進行修正。

傳統鈾污染水體的治理技術如沉淀、蒸發、離子交換等方法多存在費用高、占用空間大、易造成二次污染等缺點[5-6]，植物修復技術作為當前新興的鈾污染廢水的治理技術，以費用低、效果好、操作簡便、可恢復生態環境以及可回收資源等諸多優點而備受關注[7-14]。

有研究[15]顯示，向日葵根系積累鈾的濃度較水中高5 000～10 000倍，且向日葵生物量較大，被認為是處理鈾污染水體的首選植物材料。除向日葵外，浮游植物也能去除污染水體中的鈾。Mkandawire等[16-17]研究了利用浮萍(LemnagibbaL.)修復鈾尾礦水中鈾和砷的能力，結果顯示，在21 d實驗室穩態測試期間，鈾積累量為(896.9±203.8) mg/kg，估計在7 d內就能將1 000 L水中的鈾濃度從100 μg/L降低至德國所推薦的周圍地表水中限值30.0 μg/L。胡南等[8]的研究結果表明，在2 L鈾濃度為1.25 mg/L的鈾溶液中投加15 g滿江紅，將水中鈾濃度降至國家排放標準濃度以下需要17 d。Shahandeh等[18]的研究表明，一般來說，草本植物中，雙子葉植物較單子葉植物能積累更多的鈾。如雙子葉植物向日葵(Helianthusannus)和印度芥菜(Brassicajuncea)體內積累的鈾最高，單子葉植物小麥(Triticumaestivum)和黑麥草體內積累的鈾最低。

本文以我國南方某鈾礦廢棄鈾礦坑水及其中生長的土著水生植物大薸(PistiastratiotesL.)和鳳眼蓮(Eichhorniacrassipes)為研究對象，通過野外采樣、實驗室分析和室內水培驗證，考察土著水生植物對鈾污染水體的原位修復能力。

1材料與方法

1.1野外采樣

通過對我國南方某鈾礦的一個廢棄鈾礦坑水的長期考察，發現有幾種水生植物在其坑口流出水體中生長旺盛且繁殖迅速。本文選擇其中的10個采樣點(S1～S10)采集水樣以及在其中長勢良好的水生植物。其中S1和S6為對照點(距離鈾礦廢棄礦坑口5 km)，其他為污染點。采樣前，用5%的硝酸浸泡聚乙烯采樣瓶24 h，再用雙重去離子水反復沖洗5次，采集水樣時先用水樣潤洗聚乙烯采樣瓶及外蓋3次。采集的植物樣品盛放于聚乙烯采樣袋中。采集后立即做好標簽，并盡快帶回實驗室分析。

1.2分析方法

1) 植物物種

本研究主要采集了多點分布的2種優勢植物，分屬2科。采樣點植物的分布情況列于表1。

表1　采樣點植物的分布

2) 植物樣品分析

植物樣品分為根和水上部分(莖、葉和花)。先用自來水充分沖洗樣品，以去除粘附在植物樣品上的渣滓和污物，然后用去離子水沖洗2～3遍，瀝去水分，于105 ℃下殺青5 min，再在75 ℃下烘干至恒重，研碎后通過100目尼龍篩。過篩后的植物樣品用干法+濕法進行消化。先稱取1.00 g樣品于瓷坩堝中，加蓋置于700 ℃的馬弗爐中灰化4 h，取出冷卻后，全部轉移至50 mL的聚四氟乙烯燒杯中，于通風櫥內用移液器少量多次加入10 mL HCl(36%)、2 mL HNO3(68%)、2 滴H2O2(30%)，加表面皿，靜置10 min后，置于電熱板上，在150 ℃左右蒸至近干，再加入5 mL HCl(36%)、1 mL HNO3(68%)，蒸至近干，用熱雙蒸水反復多次潤洗表面皿及燒杯底部和內壁，潤洗液過濾至50 mL容量瓶中，冷卻后，用蒸餾水定容待測。

3) 鈾濃度分析

水(測試前經濾紙過濾)中和植物各部位中鈾含量的測定參照EJ 267.4—1984[19]方法進行。

1.3室內水培實驗

1) 生長期對大薸修復鈾污染水體的影響

待修復的鈾污染水體A：c0(U)=1.48 mg/L，pH=7.43，取自某鈾礦坑水。將單株生物量均小于120 g生長前期、生長中期、生長后期的大薸分別以S/4、S/2、3S/4、S不同覆蓋面積的方式投加至5 L的燒杯中，內盛5 L的水體A。每隔2 d取樣分析水體A的殘余鈾濃度，連續監測10 d。

2) 投加量對大薸和鳳眼蓮修復鈾污染水體的影響

待修復的鈾污染水體B：c0(U) =1.93 mg/L，pH=7.83，取自某鈾礦坑水。實驗分2個系列進行，分別考察大薸和鳳眼蓮兩種植物。每個系列分為5組投加量。將2 L水體B裝于2 L的燒杯中，然后分別投加一株鮮重為50、100、200、300、400 g的植物(大薸或鳳眼蓮)，每組設4個平行樣。投加后每隔24 h取樣分析水體B的殘余鈾濃度，連續監測10 d。

3) 水體積對植物修復鈾污染水體的影響

待修復的鈾污染水體C：c0(U) =1.91 mg/L，pH=7.65，取自某鈾礦坑水。實驗分兩個系列進行，分別將500、1 000、2 000 mL水體C裝于2 L的燒杯中，然后投加一株鮮重約為300 g的大薸，每隔24 h取5 mL水樣分析，每組設4個平行樣。連續監測6 d。

4) 大薸和鳳眼蓮與鈾污染水體作用后的掃描電鏡與能譜分析

大薸和鳳眼蓮經與pH值分別為3、5、8(采用0.1 mol/L HNO3、10 g/L Na2CO3和5 g/L NaHCO3的緩沖液調節溶液pH值)，初始鈾濃度為100 mg/L(為便于在掃描電鏡下觀察鈾的生成物，鈾濃度設置較高)的鈾溶液作用72 h后，用超純水反復清洗，選取1～2條根于蓋玻片上，自然干燥后，加入2.5%戊二醛，固定5 h后去掉戊二醛溶液，依次用30%、50%、70%、90%、100%的乙醇溶液逐級脫水，每次脫水20 min，最后自然晾干，備用。對照實驗采用Hoagland營養液作為培養介質，其余操作同上。利用Emitech SC7620噴金儀對樣品進行噴金處理，置于Ultra55型場發射掃描電子顯微鏡(SEM，德國蔡司公司)下室溫掃描，觀察樣品形貌，并用Oxford IE450型能譜儀(EDS，英國Oxford公司)分析樣品微區元素分布。

2結果與分析

2.1野外采樣分析結果

所采集的8個水樣和土著植物樣品以及對照組中鈾含量的分析結果列于表2。由表2可見，在S1和S6兩個對照點，水體鈾濃度均為0.04 mg/L，滿足GB 23727—2009規定值0.05 mg/L。而8個污染水樣中鈾平均濃度為0.50 mg/L，是GB 23727—2009規定排放限值的10倍，同時也表明，在該廢棄鈾礦坑水中采集的土著水生植物大薸和鳳眼蓮對鈾均有較強的富集能力，且鈾主要賦存于根系，這與文獻[7-11]的結果一致。Srivastava等[13]的研究表明，水生雜草黑藻在鈾濃度為100 mg/L時對鈾的最大富集量為78 mg/kg(干重)，富集系數為0.78。Soudek等[14]的研究表明，玉米在0.1～1 mmol/L鈾溶液中對鈾的富集量為160 mg/kg(干重)，為研究的20種植物中對鈾富集量最高的植物。胡南等[8]報道了滿江紅在10 mg/L鈾溶液中的最高生物富集系數為354。由表2可知，大薸和鳳眼蓮在0.5 mg/L的鈾礦坑水中，根系對鈾的平均富集量分別為1 015.40 mg/kg(干重)和504.87 mg/kg(干重)，富集系數分別高達2 071和1 001，遠高于上述報道。莖和葉對鈾的平均富集量分別為39.10 mg/kg(干重)和9.87 mg/kg(干重)，表明土著水生植物大薸和鳳眼蓮對水體中的鈾具有很強的富集能力。即使在鈾濃度很低的對照點，大薸和鳳眼蓮對鈾仍表現出很強的吸收富集性能。

表2　鈾礦坑口外排水及植物體內的鈾含量

注：植物中的鈾含量以干重計

2.2生長期和覆蓋面積對大薸修復鈾礦坑水的影響

大薸對鈾礦坑水中鈾的去除率隨生長期和覆蓋面積的變化分別示于圖1、2。由圖1可知，處于相同生長期的大薸，覆蓋面積越大，對水體中鈾的去除率越高。由圖2可知，覆蓋面積相同的大薸，其生長期越靠后，對水體中鈾的去除率越高。隨著接觸時間的延長，大薸和鳳眼蓮對鈾污染水體A中鈾的去除率均逐漸增加，且各實驗組的植株長勢均很好。生長后期的大薸以100%的覆蓋面積投加于水體A，10 d后對鈾污染水體A中鈾的去除率可達80%以上。

2.3投加量對植物修復鈾污染水體的影響

投加量對植物修復鈾污染水體的影響示于圖3。從圖3可看出，投加量對大薸和鳳眼蓮修復鈾污染水體的效果影響很大。在2 L水體B中投加單株鮮重為50 g和100 g的大薸和鳳眼蓮(分別處于生長前期和生長中期)，對水體B的修復效果明顯低于投加量為200～400 g的效果。具體表現為，將單株鮮重為100 g的大薸和鳳眼蓮投加至2 L水體B，10 d后，對水體中鈾的去除率分別為38.2%和52.0%。當投加量≥200 g(單株鮮重，生長后期)時，投加量越大，鈾的去除率越高。單株鮮重200 g的大薸和鳳眼蓮投加至2 L水體B中，1 d后，水體B的殘余鈾濃度≤1.0 mg/L，鈾的去除率均大于50%；7 d后，鈾去除率在97.9%～100.0%之間，水體B的殘余鈾濃度均小于0.05 mg/L。10 d后，水體B的殘余鈾濃度≤0.03 mg/L，低于世界衛生組織規定的飲用水中鈾濃度的限值。尤其是當鳳眼蓮的投加量為300 g和400 g時，分別在7 d和4 d后，水體B的殘余鈾濃度均≤0.03 mg/L。實驗結果還表明：單株大薸(鮮重(FW)400 g)在投加到水體B中10 d后，葉片和根系的平均干重分別為(21.91±1.49) g和(4.34±0.36) g，干重顯著高于對照組；平均鈾濃度分別為(3.94±0.48)、(763.54±27.13) mg/kg。植物體內的鈾濃度達到鈾污染水體中鈾總量的97%以上。

圖1　大薸生長期對鈾污染水體A中鈾去除效果的影響 Fig.1　Removal effect of uranium by different growing periods of Pistia stratiotes L. exposed to uranium wastewater A

圖2　水體A中大薸覆蓋面積對鈾去除效果的影響 Fig.2　Removal effect of uranium by Pistia stratiotes L. at different cover area exposed to uranium wastewater A

圖3　大薸(a)和鳳眼蓮(b)投加量對修復鈾污染水體B的影響 Fig.3　Effect of biomass contents of Pistia stratiotes L. (a) and Eichhornia crassipes (b) on uranium removal rate of uranium wastewater B

2.4水體體積對大薸修復鈾礦坑水的影響

不同水體體積對大薸修復鈾礦坑水的影響如圖4所示。本研究篩選到的優勢植物大薸和鳳眼蓮均屬于雙子葉植物，對鈾均表現出很強的吸收和積累性能。實驗結果表明，單株鮮重為300 g的大薸分別在第1、2、3 d可將5 00、1 000、2 000 mL的水體C的鈾濃度降至0.03 mg/L以下。與大型陸生植物向日葵、印度芥菜[18]和小生物量的漂浮植物浮萍[16-17]相比，土著大型水生植物大薸和鳳眼蓮對鈾礦坑水的原位修復具有更良好的環境適應性和工程化應用的推廣前景。

圖4　生長后期的大薸 對不同體積水體C的修復效果 Fig.4　 Effect of volume of uranium mine pit water on uranium removal rate by Pistia stratiotes L. of uranium wastewater C

2.5鳳眼蓮和大薸與水體中鈾作用前后的SEM和EDS分析

鳳眼蓮和大薸與水體中鈾作用前后的SEM圖像及EDS分析結果示于圖5。由圖5a和e可見，未與鈾作用時，大薸和鳳眼蓮根系表面光滑。圖5i和k分別為大薸和鳳眼蓮根系與100 mg/L鈾溶液作用前的EDS譜，表明大薸根系主要由C、O元素組成，鳳眼蓮根系主要由C、O、Si、Al組成。在與不同酸度、初始鈾濃度為100 mg/L的鈾溶液作用72 h之后，堿性條件(pH=8，接近鈾礦坑水的酸堿度)下，大薸和鳳眼蓮表面光滑，未觀察到特殊形貌的鈾沉積物(圖5b、f)；在酸性條件下，如圖5c、d、g、h所示，大薸和鳳眼蓮根系表面堆滿100～500 nm含鈾的片狀納米晶體。圖5j、l分別為大薸和鳳眼蓮根系與100 mg/L鈾溶液作用72 h后的EDS譜，分析可知，在大薸根系表面堆簇的片狀結晶體主要由C、O、U、Si元素組成；而在鳳眼蓮根系表面生成的片狀晶體更為密實和完整，除根系本身的組成元素外，主要由U、P元素組成。并且在與pH=5，c0(U)=100 mg/L的鈾溶液作用72 h之后，鳳眼蓮一直正常存活，表現出極強的鈾耐受性。推測酸性條件下，在鳳眼蓮和大薸根系表面生成的片狀堆簇系鈾的無機結晶體，主要為U的氧化物或U的磷酸鹽。推測在酸性條件下是大薸和鳳眼蓮代謝性礦化鈾，尤其是大薸與鈾溶液接觸后，大量有機磷從大薸根系組織中釋放分解為無機磷，在根系表面與部分U結合并結晶礦化為氫鈾云母。細胞壁能廣泛富集鈾，位于細胞壁內、外的代謝磷脂是U6+最初出現絡合反應和隨后鈾礦物成核、生長的位置[20]。而在弱堿性條件下，鳳眼蓮和大薸對鈾的吸收主要為物理化學吸附，未發生類似的礦化結晶過程。

a、e——鳳眼蓮和大薸的對照樣； b、c、d——鳳眼蓮與pH=8、pH=5、pH=3，c 0(U)=100 mg/L的鈾溶液作用72 h后的SEM圖像； f、g、h——大薸與pH=8、pH=5、pH=3，c 0(U)=100 mg/L的鈾溶液作用72 h后的SEM圖像； i、j、k、l——a、c、e、g的EDS譜 圖5　鳳眼蓮和大薸與水體中鈾作用前后的SEM圖像和EDS譜 Fig.5　SEM images and EDS results of Pistia stratiotes L. and Eichhornia crassipes before and after biosorption of uranium

3結論

1) 在該廢棄鈾礦坑生長的土著水生植物大薸和鳳眼蓮對鈾礦坑水中鈾具有很強的耐受性能和富集能力，大薸和鳳眼蓮根系對鈾的富集量分別為1 015.40 mg/kg(干重)和504.87 mg/kg(干重)。

2) 處于相同生長期的大薸，覆蓋水體面積越大，對鈾礦坑水中鈾的去除率越高；覆蓋水體面積一致的大薸，生長期越靠后，對鈾礦坑水中鈾的去除率越高。

3) 當大薸和鳳眼蓮的單株生物量鮮重≥200 g時，可在7 d內將2 L真實鈾礦坑水中的鈾濃度由1.93 mg/L降至0.03 mg/L 以下，滿足飲用水對鈾濃度的要求。且植物體內的鈾總量達鈾污染水體中鈾總量的97%以上。土著浮水植物大薸和鳳眼蓮繁殖速度快，對鈾污染水體適應性好，對水體中鈾的富集能力強，具備將其應用于鈾礦坑水及相似鈾污染水體原位修復的潛質。

4) 大薸和鳳眼蓮在酸性條件下與水體中的鈾結晶礦化，生成納米片狀晶體堆簇在根系表面，在堿性條件下，接近廢棄鈾礦坑水的pH值時，未出現類似礦化結晶體。表明大薸和鳳眼蓮對于不同酸度的鈾廢水體系有不同的修復機理。

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