生物技術(shù)修復(fù)土壤放射性污染的研究進(jìn)展

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類對(duì)核能的利用、礦產(chǎn)開(kāi)采、農(nóng)業(yè)化肥的使用都會(huì)導(dǎo)致土壤放射性污染，進(jìn)而威脅到人類的健康。近年來(lái)，土壤放射性污染的治理成為熱點(diǎn)話題，本文通過(guò)對(duì)土壤放射性污染進(jìn)行生物技術(shù)治理的探究，特別對(duì)植物提取、植物固定、根際過(guò)濾和植物揮發(fā)的植物修復(fù)技術(shù)和微生物的修復(fù)技術(shù)方法進(jìn)行比較分析，得出結(jié)論，在對(duì)核能的利用、礦產(chǎn)資源的開(kāi)采、農(nóng)業(yè)化肥的使用所造成的土壤大面積低劑量放射性污染進(jìn)行修復(fù)時(shí)，將微生物修復(fù)技術(shù)和植物修復(fù)技術(shù)聯(lián)合使用可以縮短放射性污染修復(fù)的時(shí)間周期。

關(guān)鍵詞：放射性污染;生物修復(fù)技術(shù);植物提取;植物固定;根際過(guò)濾

中圖分類號(hào)：S153 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.19754/j.nyyjs.20201130033

引言

放射性元素通過(guò)各種途徑進(jìn)入土壤并造成污染，在影響環(huán)境的同時(shí)，通過(guò)輻射可以對(duì)人體造成危害，所以對(duì)放射性污染的土壤進(jìn)行修復(fù)具有重大的意義[1]。人們密切關(guān)注放射性元素對(duì)環(huán)境的危害以及治理方法，對(duì)于土壤放射性污染的修復(fù)目前有很多方法，主要使用物理、化學(xué)、生物3種處理方法。物理和化學(xué)的工程手段來(lái)修復(fù)大范圍內(nèi)放射性污染是比較困難的，而生物技術(shù)則比較適用[2，3]。生物方法治理大面積放射性污染具有很多優(yōu)點(diǎn)，如不破壞生態(tài)環(huán)境、成本低等[4]。本文主要對(duì)土壤中放射性污染進(jìn)行生物技術(shù)治理進(jìn)行探究，并對(duì)生物技術(shù)修復(fù)的幾種方法進(jìn)行對(duì)比分析。

1 土壤中放射性核素的來(lái)源及危害

1.1 土壤中放射性核素的來(lái)源

成土母質(zhì)中含有天然的放射性核素40K、238U、232Th[5-8]，這就成為土壤里放射性污染核素的主要來(lái)源。但是人類對(duì)核能的利用、礦產(chǎn)開(kāi)采、農(nóng)業(yè)化肥的使用都會(huì)導(dǎo)致土壤放射性污染[9]。

1.1.1 核能的利用事故

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，核能的利用雖然給人們帶來(lái)了很多資源，但是在使用過(guò)程中也給人們帶來(lái)了很多危害。核事故、核廢棄物以及核爆炸試驗(yàn)等都給土壤帶來(lái)了嚴(yán)重污染。通常進(jìn)入土壤中的放射性核素有238U、137Cs、90Sr、240Pu、131I等[10]。核爆炸試驗(yàn)所造成的污染程度雖小，但是其范圍比較廣泛，對(duì)土壤造成的放射性污染不能被忽視[11，12]。日本在2011年3月發(fā)生大地震引發(fā)了海嘯，造成福島重大核泄漏事故。在此次事故中有大量的134Cs和137Cs釋放到空氣中，最后降落到土壤表面和水體中，研究人員對(duì)蘭州地區(qū)黃河水和自來(lái)水樣品檢測(cè)結(jié)果表明，蘭州地區(qū)家庭生活用水都處于衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的限制，此次事故嚴(yán)重?fù)p害了日本以及中國(guó)人民的人身安全[13，14]。

1.1.2 礦產(chǎn)開(kāi)采造成的環(huán)境破環(huán)

由于礦產(chǎn)資源本身攜帶著大量的放射性核素，煤礦中含有大量放射性元素氡，在人類采礦的同時(shí)，會(huì)使礦產(chǎn)中的放射性元素釋放到環(huán)境中[15-18]。在冶煉時(shí)也會(huì)將大量放射性污染元素釋放到大氣中，最終降落到土壤中造成土壤污染，進(jìn)而影響到人類的健康。

1.1.3 農(nóng)業(yè)化肥的使用

在現(xiàn)代農(nóng)用化肥中的磷肥和鉀肥等含有一定量的天然放射性污染，在使用的過(guò)程中放射性物質(zhì)會(huì)進(jìn)入土壤。在美國(guó)某些地區(qū)施磷肥的80a土壤里，238U的活度提高了1倍[19]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了土壤自凈的能力，不但對(duì)人體有危害，還會(huì)影響莊稼的生長(zhǎng)。

1.2 土壤放射性污染的危害

土壤放射性污染嚴(yán)重威脅著人類的生命健康和其它生物的生存。放射性元素可以通過(guò)大氣和水進(jìn)入生物鏈從而對(duì)人類造成傷害，并且可能遺傳給后代[20]。土壤中的放射性元素可以對(duì)人體造成輻射危害，或者通過(guò)呼吸和皮膚接觸等途徑進(jìn)入人體，使細(xì)胞發(fā)生癌變等[1，6]，如131I可以導(dǎo)致甲狀腺發(fā)生癌變，礦產(chǎn)中的鈾元素?cái)?shù)周就可以使人的組織器官發(fā)生病變。一般的鹽堿化或者污損土壤會(huì)使土壤的肥力下降，不會(huì)對(duì)人造成致命的傷害[21-23]，而放射性污染土壤會(huì)對(duì)人身體造成極大損害[24]。

2 放射性污染土壤的修復(fù)技術(shù)對(duì)比

目前針對(duì)治理土壤放射性污染的技術(shù)有生物法、物理法和化學(xué)法[25]，這3種方法針對(duì)不同的污染程度和不同的污染范圍均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，其比較結(jié)果見(jiàn)表1。

針對(duì)土壤污染面積小、程度嚴(yán)重、污染物難分解、污染物周期長(zhǎng)的放射性污染可以使用表層土切削去污修復(fù)的物理方法;客土法也稱為表土覆蓋法，將沒(méi)有污染的土壤覆蓋到污染土壤的表層，讓沒(méi)有污染的土壤起到屏障的作用，降低放射性污染土壤輻射的危害[26]，這2種方法都不適用于大面積放射性污染。

化學(xué)方法修復(fù)主要是運(yùn)用淋洗將化學(xué)試劑加入到污染的土壤中進(jìn)行反應(yīng)去除土壤污染，可分為原位修復(fù)技術(shù)和異位修復(fù)技術(shù)[27]。

生物方法主要就是利用植物的某些特性來(lái)對(duì)放射性污染的土壤進(jìn)行修復(fù)，這種方法成本低、不會(huì)造成二次污染，是比較環(huán)保的技術(shù)方法。

物理方法需要大量的人力物力財(cái)力，不適合大面積土壤的污染治理。物理填埋法修復(fù)大面積低劑量污染，存在一些缺點(diǎn)，如工程量大耗費(fèi)人力、能源等運(yùn)輸成本;運(yùn)送過(guò)程中可能會(huì)拋灑，造成污染擴(kuò)散等[28，29]。物理和化學(xué)方法修復(fù)對(duì)土壤本身結(jié)構(gòu)破壞大，有可能造成二次污染，但是對(duì)于小面積高污染的土壤，這2種方法還是比較實(shí)用。因?yàn)檫@種修復(fù)方法投資和維護(hù)成本低、操作方便[4]。治理放射性污染的土壤需要因地制宜，綜合考慮污染土壤的地理位置、土壤類型、污染的嚴(yán)重程度和污染面積等多方面的因素。由于核試驗(yàn)和核泄漏等所造成污染范圍比較大，傳統(tǒng)的物理或化學(xué)修復(fù)手段都不太適用，生物修復(fù)技術(shù)可以成為有效治理土壤放射性污染新的技術(shù)選擇[2，3]。

3 土壤放射性污染的生物修復(fù)技術(shù)

3.1 土壤放射性污染的植物修復(fù)技術(shù)

植物修復(fù)技術(shù)治理土壤放射性污染不但經(jīng)濟(jì)而且效果好，由于現(xiàn)在還處在初步階段，使用植物修復(fù)的方法主要就是培育和篩選出具有很強(qiáng)吸收和富集能力的植物生長(zhǎng)在放射性污染的土壤中，通過(guò)植物生長(zhǎng)時(shí)根部吸收土壤中的水分的同時(shí)將污染物一起吸收到植物體內(nèi)，再將植物體集中處理，從而達(dá)到對(duì)土壤污染元素處理的目的[19]。其中，植物提取、植物固定、根際過(guò)濾和植物揮發(fā)4種主要機(jī)理[30]都有2個(gè)階段：植物根際附近的污染物向維管植物的莖葉部分（LSB）遷移;收割后進(jìn)行灰化處理植物根莖葉部分，將污染物進(jìn)行濃縮，并對(duì)灰質(zhì)進(jìn)行填埋儲(chǔ)存。雜交狼尾草、黑籽雀稗可以超富集Cd[31]，柳葉箬和金絲草可以富集Pb[32]。還可以利用轉(zhuǎn)基因植物來(lái)提高植物修復(fù)的效率，為了構(gòu)建修復(fù)砷污染土壤的工程植物，王奮飛[33]給高生物量的南芥中轉(zhuǎn)入低生物量的砷超富集植物蜈蚣草螯合肽合成酶基因PvPCSI。

3.1.1 植物提取修復(fù)技術(shù)

植物提取是通過(guò)某些專性植物根部將土壤中污染放射性元素吸收并轉(zhuǎn)移到地上植物體內(nèi)，然后將植物收割后灰化集中處理的一種技術(shù)。后期的“水熱液化”或者灰化法處理還可以達(dá)到放射性污染元素的回收效果，實(shí)現(xiàn)植物修復(fù)的生態(tài)化。專性植物具有超富集和忍耐某種放射性污染元素的能力[34]。在生物修復(fù)技術(shù)中植物提取的研究是比較常用的[35]。在植物生長(zhǎng)過(guò)程中需要施肥、殺蟲(chóng)等提高植物的生長(zhǎng)，從而提高植物的修復(fù)效率，其中超富集植物的選擇是其發(fā)揮作用的重要基礎(chǔ)。

3.1.2 植物固定技術(shù)

植物固定屬于較為常見(jiàn)的一種修復(fù)技術(shù)，是利用根際的某種特殊物質(zhì)使放射性污染物無(wú)害轉(zhuǎn)化的技術(shù)[36]。多用在增強(qiáng)土壤里污染物的固定和污染土壤不受到侵蝕方面，可以很好地預(yù)防通過(guò)食物鏈傳播污染的效果[37]。這種修復(fù)機(jī)理與植物提取剛好相反，所需要的植物特點(diǎn)也完全相反，將篩選出的植株種植在污染的土體中，在其生長(zhǎng)過(guò)程中根系幾乎不吸收污染物而且可以正常生長(zhǎng)。篩選這種所需的植物是關(guān)鍵環(huán)節(jié)[38]。

植物固定技術(shù)不能夠清除土壤中放射性污染物，所以這種修復(fù)技術(shù)不能成為理想的修復(fù)技術(shù)。

3.1.3 根際過(guò)濾技術(shù)

根際過(guò)濾是利用植物根系沉淀和濃縮水體中放射性核素的技術(shù)，來(lái)源于一種水生植物遏制環(huán)境污染的方法。主要是針對(duì)濕地和湖泊污染的修復(fù)。如水葫蘆、卡州萍和金魚(yú)藻能夠很好的富集水體中的95Zr，水葫蘆能夠富集水體中的95Zr，從而達(dá)到凈化水體的效果[39]。這種修復(fù)植株大部分為水生植物，陸生植物種類比較少[40]。如今研究陸地植物來(lái)修復(fù)濕地放射性污染已成為新的方向。

3.1.4 植物揮發(fā)技術(shù)

利用植物的蒸騰作用可以揮發(fā)掉大量水的特點(diǎn)，放射性污染元素溶解在水中被植物根部吸收后再?gòu)娜~面揮發(fā)的過(guò)程。較常用于治理3H，氚一般溶于水中通過(guò)食物鏈進(jìn)入到人體，對(duì)人體造成危害，植物揮發(fā)技術(shù)可以改變氚途徑，從水中轉(zhuǎn)化到大氣中，比溶于水中公眾輻照計(jì)量減少40%左右[41，42]。

以上4種植物修復(fù)技術(shù)中植物提取的應(yīng)用更為廣泛，效益更為顯著，通過(guò)重復(fù)該流程，可以有效治理污染土壤。且這4種技術(shù)都具有投資和維護(hù)成本低，對(duì)環(huán)境不會(huì)造成二次污染，具有一定的綠色生態(tài)效應(yīng)。超富集植物的選取和土壤環(huán)境會(huì)對(duì)植物的修復(fù)效果造成一定影響。

3.2 土壤放射性污染的微生物修復(fù)技術(shù)

微生物的特點(diǎn)就是比表面積大，可以分解和轉(zhuǎn)化很多污染物。微生物修復(fù)也是近年來(lái)的熱點(diǎn)研究問(wèn)題，利用3大類微生物：基因工程菌、土著微生物和外來(lái)微生物。3個(gè)主要機(jī)理：吸收特性，微生物在生長(zhǎng)過(guò)程中不但需要K、Na、Ca、Mg等元素，而且還需要微量元素來(lái)維持其特殊的生理功能;吸附作用，微生物細(xì)胞壁的官能團(tuán)在吸附放射性元素中起到重要作用，放射性核素可以被微生物表面的特殊物質(zhì)直接固定和吸附，放射性元素能夠被細(xì)胞表面吸附和固定，研究表明活生物量沒(méi)有滅活的吸收的元素多[43]，鐵還原菌株能夠有效地固定鈾，導(dǎo)電菌毛和細(xì)胞色素是生物膜增強(qiáng)抗性的主要原因;轉(zhuǎn)化作用，微生物通過(guò)主動(dòng)或被動(dòng)可以將放射性污染元素轉(zhuǎn)化成不活動(dòng)狀態(tài)，降低污染物的活性，如氧化—還原作用，將放射性元素狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，氧化亞鐵硫桿菌可以將Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+，有些微生物還可以將Hg2+還原成Hg揮發(fā)掉。微生物修復(fù)污染土壤關(guān)鍵就是篩選修復(fù)菌株，在這方面國(guó)內(nèi)外學(xué)者取得了一定成果，如胡婷等[44]在被油田污染的土壤中獲得了紅球菌，這是一種苯酚高效降解菌;Chai Liyuan[45]發(fā)現(xiàn)可將Cr6+還原成低轉(zhuǎn)移率的Cr3+的一種土著菌，治理Cr6+污染的效率高達(dá)98%。微生物可以和植物共生，能夠加快植物根部的吸附能力。由于微生物繁殖速度快，適應(yīng)特殊環(huán)境的能力強(qiáng)，在修復(fù)土壤放射性污染中有一定優(yōu)勢(shì)[46，47]。

4 問(wèn)題和討論

4.1 問(wèn)題

通過(guò)以上對(duì)生物修復(fù)技術(shù)的總結(jié)，生物修復(fù)技術(shù)雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是還存在著一些問(wèn)題。目前對(duì)縮短生物修復(fù)技術(shù)周期的研究比較少，生物修復(fù)時(shí)間周期較長(zhǎng)，修復(fù)效率低，對(duì)土壤的養(yǎng)分條件有較高的要求;目前缺少超富集和能夠適應(yīng)特殊環(huán)境的植物;具有超富集能力的植物植株都比較矮小、生長(zhǎng)速度慢、生物量少;微生物原位修復(fù)放射性土壤比植物修復(fù)的速度快，但是微生物原位修復(fù)技術(shù)不能根本消除放射性污染，還會(huì)對(duì)地下水及深層土壤造成更嚴(yán)重污染。

4.2 討論

利用生物多樣性結(jié)合基因誘變工程技術(shù)，篩選出在特殊環(huán)境下生存能力強(qiáng)并且具有超富集特性的植物是植物修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵，利用篩選出的這種植物能夠更好地進(jìn)行土壤放射性污染的修復(fù)。微生物不但繁殖速度快而且具有很強(qiáng)適應(yīng)特殊的能力，用污染元素對(duì)微生物進(jìn)行培養(yǎng)，使用基因工程來(lái)改善所需微生物的結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)和篩選出對(duì)環(huán)境友好并且高度親和放射性元素的微生物，縮短菌種的培養(yǎng)時(shí)間和加快修復(fù)速度，可以更快更便捷地對(duì)土壤放射性污染進(jìn)行修復(fù)。當(dāng)植物修復(fù)很難進(jìn)行時(shí)，可以利用某些微生物強(qiáng)化修復(fù)技術(shù)結(jié)合土壤分選、反應(yīng)器技術(shù)進(jìn)行修復(fù)。

今后在對(duì)核能的利用、礦產(chǎn)資源的開(kāi)采、農(nóng)業(yè)化肥的使用所造成土壤的大面積低劑量的放射性污染進(jìn)行修復(fù)時(shí)，將微生物修復(fù)技術(shù)和植物修復(fù)技術(shù)聯(lián)合使用可以縮短放射性污染修復(fù)的時(shí)間周期，從而可以快速地對(duì)大面積低劑量的土壤放射性污染進(jìn)行修復(fù)。

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（責(zé)任編輯 周康）

收稿日期：2020-10-20

基金項(xiàng)目：陜西省土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金“污損土地修復(fù)的研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2018-JC08）

作者簡(jiǎn)介：付泉（1992-），男，碩士，助理工程師。研究方向：土地工程。