生物技術修復土壤放射性污染的研究進展

摘 要：隨著科學技術的發展，人類對核能的利用、礦產開采、農業化肥的使用都會導致土壤放射性污染，進而威脅到人類的健康。近年來，土壤放射性污染的治理成為熱點話題，本文通過對土壤放射性污染進行生物技術治理的探究，特別對植物提取、植物固定、根際過濾和植物揮發的植物修復技術和微生物的修復技術方法進行比較分析，得出結論，在對核能的利用、礦產資源的開采、農業化肥的使用所造成的土壤大面積低劑量放射性污染進行修復時，將微生物修復技術和植物修復技術聯合使用可以縮短放射性污染修復的時間周期。

關鍵詞：放射性污染;生物修復技術;植物提取;植物固定;根際過濾

中圖分類號：S153 文獻標識碼：A DOI：10.19754/j.nyyjs.20201130033

引言

放射性元素通過各種途徑進入土壤并造成污染，在影響環境的同時，通過輻射可以對人體造成危害，所以對放射性污染的土壤進行修復具有重大的意義[1]。人們密切關注放射性元素對環境的危害以及治理方法，對于土壤放射性污染的修復目前有很多方法，主要使用物理、化學、生物3種處理方法。物理和化學的工程手段來修復大范圍內放射性污染是比較困難的，而生物技術則比較適用[2，3]。生物方法治理大面積放射性污染具有很多優點，如不破壞生態環境、成本低等[4]。本文主要對土壤中放射性污染進行生物技術治理進行探究，并對生物技術修復的幾種方法進行對比分析。

1 土壤中放射性核素的來源及危害

1.1 土壤中放射性核素的來源

成土母質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源。但是人類對核能的利用、礦產開采、農業化肥的使用都會導致土壤放射性污染[9]。

1.1.1 核能的利用事故

隨著現代科學技術的日益發展，核能的利用雖然給人們帶來了很多資源，但是在使用過程中也給人們帶來了很多危害。核事故、核廢棄物以及核爆炸試驗等都給土壤帶來了嚴重污染。通常進入土壤中的放射性核素有238U、137Cs、90Sr、240Pu、131I等[10]。核爆炸試驗所造成的污染程度雖小，但是其范圍比較廣泛，對土壤造成的放射性污染不能被忽視[11，12]。日本在2011年3月發生大地震引發了海嘯，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，研究人員對蘭州地區黃河水和自來水樣品檢測結果表明，蘭州地區家庭生活用水都處于衛生標準的限制，此次事故嚴重損害了日本以及中國人民的人身安全[13，14]。

1.1.2 礦產開采造成的環境破環

由于礦產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，會使礦產中的放射性元素釋放到環境中[15-18]。在冶煉時也會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，進而影響到人類的健康。

1.1.3 農業化肥的使用

在現代農用化肥中的磷肥和鉀肥等含有一定量的天然放射性污染，在使用的過程中放射性物質會進入土壤。在美國某些地區施磷肥的80a土壤里，238U的活度提高了1倍[19]，遠遠超過了土壤自凈的能力，不但對人體有危害，還會影響莊稼的生長。

1.2 土壤放射性污染的危害

土壤放射性污染嚴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大氣和水進入生物鏈從而對人類造成傷害，并且可能遺傳給后代[20]。土壤中的放射性元素可以對人體造成輻射危害，或者通過呼吸和皮膚接觸等途徑進入人體，使細胞發生癌變等[1，6]，如131I可以導致甲狀腺發生癌變，礦產中的鈾元素數周就可以使人的組織器官發生病變。一般的鹽堿化或者污損土壤會使土壤的肥力下降，不會對人造成致命的傷害[21-23]，而放射性污染土壤會對人身體造成極大損害[24]。

2 放射性污染土壤的修復技術對比

目前針對治理土壤放射性污染的技術有生物法、物理法和化學法[25]，這3種方法針對不同的污染程度和不同的污染范圍均有各自的優缺點，其比較結果見表1。

針對土壤污染面積小、程度嚴重、污染物難分解、污染物周期長的放射性污染可以使用表層土切削去污修復的物理方法;客土法也稱為表土覆蓋法，將沒有污染的土壤覆蓋到污染土壤的表層，讓沒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。

化學方法修復主要是運用淋洗將化學試劑加入到污染的土壤中進行反應去除土壤污染，可分為原位修復技術和異位修復技術[27]。

生物方法主要就是利用植物的某些特性來對放射性污染的土壤進行修復，這種方法成本低、不會造成二次污染，是比較環保的技術方法。

物理方法需要大量的人力物力財力，不適合大面積土壤的污染治理。物理填埋法修復大面積低劑量污染，存在一些缺點，如工程量大耗費人力、能源等運輸成本;運送過程中可能會拋灑，造成污染擴散等[28，29]。物理和化學方法修復對土壤本身結構破壞大，有可能造成二次污染，但是對于小面積高污染的土壤，這2種方法還是比較實用。因為這種修復方法投資和維護成本低、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、污染的嚴重程度和污染面積等多方面的因素。由于核試驗和核泄漏等所造成污染范圍比較大，傳統的物理或化學修復手段都不太適用，生物修復技術可以成為有效治理土壤放射性污染新的技術選擇[2，3]。

3 土壤放射性污染的生物修復技術

3.1 土壤放射性污染的植物修復技術

植物修復技術治理土壤放射性污染不但經濟而且效果好，由于現在還處在初步階段，使用植物修復的方法主要就是培育和篩選出具有很強吸收和富集能力的植物生長在放射性污染的土壤中，通過植物生長時根部吸收土壤中的水分的同時將污染物一起吸收到植物體內，再將植物體集中處理，從而達到對土壤污染元素處理的目的[19]。其中，植物提取、植物固定、根際過濾和植物揮發4種主要機理[30]都有2個階段：植物根際附近的污染物向維管植物的莖葉部分（LSB）遷移;收割后進行灰化處理植物根莖葉部分，將污染物進行濃縮，并對灰質進行填埋儲存。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]。還可以利用轉基因植物來提高植物修復的效率，為了構建修復砷污染土壤的工程植物，王奮飛[33]給高生物量的南芥中轉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 植物提取修復技術

植物提取是通過某些專性植物根部將土壤中污染放射性元素吸收并轉移到地上植物體內，然后將植物收割后灰化集中處理的一種技術。后期的“水熱液化”或者灰化法處理還可以達到放射性污染元素的回收效果，實現植物修復的生態化。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]。在生物修復技術中植物提取的研究是比較常用的[35]。在植物生長過程中需要施肥、殺蟲等提高植物的生長，從而提高植物的修復效率，其中超富集植物的選擇是其發揮作用的重要基礎。

3.1.2 植物固定技術

植物固定屬于較為常見的一種修復技術，是利用根際的某種特殊物質使放射性污染物無害轉化的技術[36]。多用在增強土壤里污染物的固定和污染土壤不受到侵蝕方面，可以很好地預防通過食物鏈傳播污染的效果[37]。這種修復機理與植物提取剛好相反，所需要的植物特點也完全相反，將篩選出的植株種植在污染的土體中，在其生長過程中根系幾乎不吸收污染物而且可以正常生長。篩選這種所需的植物是關鍵環節[38]。

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

3.1.3 根際過濾技術

根際過濾是利用植物根系沉淀和濃縮水體中放射性核素的技術，來源于一種水生植物遏制環境污染的方法。主要是針對濕地和湖泊污染的修復。如水葫蘆、卡州萍和金魚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，從而達到凈化水體的效果[39]。這種修復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修復濕地放射性污染已成為新的方向。

3.1.4 植物揮發技術

利用植物的蒸騰作用可以揮發掉大量水的特點，放射性污染元素溶解在水中被植物根部吸收后再從葉面揮發的過程。較常用于治理3H，氚一般溶于水中通過食物鏈進入到人體，對人體造成危害，植物揮發技術可以改變氚途徑，從水中轉化到大氣中，比溶于水中公眾輻照計量減少40%左右[41，42]。

以上4種植物修復技術中植物提取的應用更為廣泛，效益更為顯著，通過重復該流程，可以有效治理污染土壤。且這4種技術都具有投資和維護成本低，對環境不會造成二次污染，具有一定的綠色生態效應。超富集植物的選取和土壤環境會對植物的修復效果造成一定影響。

3.2 土壤放射性污染的微生物修復技術

微生物的特點就是比表面積大，可以分解和轉化很多污染物。微生物修復也是近年來的熱點研究問題，利用3大類微生物：基因工程菌、土著微生物和外來微生物。3個主要機理：吸收特性，微生物在生長過程中不但需要K、Na、Ca、Mg等元素，而且還需要微量元素來維持其特殊的生理功能;吸附作用，微生物細胞壁的官能團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直接固定和吸附，放射性元素能夠被細胞表面吸附和固定，研究表明活生物量沒有滅活的吸收的元素多[43]，鐵還原菌株能夠有效地固定鈾，導電菌毛和細胞色素是生物膜增強抗性的主要原因;轉化作用，微生物通過主動或被動可以將放射性污染元素轉化成不活動狀態，降低污染物的活性，如氧化—還原作用，將放射性元素狀態進行轉化，氧化亞鐵硫桿菌可以將Fe2+轉化為Fe3+，有些微生物還可以將Hg2+還原成Hg揮發掉。微生物修復污染土壤關鍵就是篩選修復菌株，在這方面國內外學者取得了一定成果，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]發現可將Cr6+還原成低轉移率的Cr3+的一種土著菌，治理Cr6+污染的效率高達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，適應特殊環境的能力強，在修復土壤放射性污染中有一定優勢[46，47]。

4 問題和討論

4.1 問題

通過以上對生物修復技術的總結，生物修復技術雖然具有很多優點，但是還存在著一些問題。目前對縮短生物修復技術周期的研究比較少，生物修復時間周期較長，修復效率低，對土壤的養分條件有較高的要求;目前缺少超富集和能夠適應特殊環境的植物;具有超富集能力的植物植株都比較矮小、生長速度慢、生物量少;微生物原位修復放射性土壤比植物修復的速度快，但是微生物原位修復技術不能根本消除放射性污染，還會對地下水及深層土壤造成更嚴重污染。

4.2 討論

利用生物多樣性結合基因誘變工程技術，篩選出在特殊環境下生存能力強并且具有超富集特性的植物是植物修復技術的關鍵，利用篩選出的這種植物能夠更好地進行土壤放射性污染的修復。微生物不但繁殖速度快而且具有很強適應特殊的能力，用污染元素對微生物進行培養，使用基因工程來改善所需微生物的結構，培養和篩選出對環境友好并且高度親和放射性元素的微生物，縮短菌種的培養時間和加快修復速度，可以更快更便捷地對土壤放射性污染進行修復。當植物修復很難進行時，可以利用某些微生物強化修復技術結合土壤分選、反應器技術進行修復。

今后在對核能的利用、礦產資源的開采、農業化肥的使用所造成土壤的大面積低劑量的放射性污染進行修復時，將微生物修復技術和植物修復技術聯合使用可以縮短放射性污染修復的時間周期，從而可以快速地對大面積低劑量的土壤放射性污染進行修復。

參考文獻

[1]孫賽玉，周青.土壤放射性污染的生態效應及生物修復[J].中國生態農業學報，2008（02）：523-528.

[2]張學禮，王爾奇.環境中鈾污染的植物修復[J].鈾礦冶，2008（01）：44-49.

[3]Slavik Dushenkov.Trends in phytoremediation of radionuclides[J].Plant and Soil，2003，249：167-175.

[4]徐慧，陳明.土壤鉛，鎘污染及其微生物修復研究進展[J].安徽農業科學，2015，43（01）：65-67.

[5]范婷，張曉文，呂俊文.放射性污染土壤生物修復的研究進展[J].安全與環境學報，2011，11（06）：65-68.

[6]李金柱，梅祖明.環境放射性危害[J].上海地質，2003（02）：5-9.

[7]BaozhuLi，Yongfeng Yan.A study of natural radioactivity levels of soil in the Lincang Basin， Yunna [J].Chinese Journal of Geochemistry，2012，31（2）：191-194.

[8]李銳儀.土壤放射性核素的來源與遷移[J].環境，2015（S1）：63-64.

[9]劉少軒.土壤污染及其防治對策[J].產業與科技論壇，2017，16（08）：95-96.

[10]董武娟，吳仁海.土壤放射性污染的來源、積累和遷移[J].云南地理環境研究，2003（02）：83-87.

[11]Z Papp，ZDezso[DD（-1*9][KG3*2]″[DD）]，SDaro[DD（-1*9][KG3]′[DD）]czy.Significant radioactive contamination of soil around a coal-fired thermal power plant[J].Journal of Environmental Radioactivity，2002，59（2）：191-205.

[12]袁世斌.生物技術在放射性污染土壤修復中的研究進展[J].生物技術通報，2008（S1）：121-124，134.

[13]陳開琦.由日本核泄漏引發的公民環境安全權思考[J].云南師范大學學報（哲學社會科學版），2011，43（05）：14-22.

[14]張瓊，陳金融，張春明，王亮，李勇.土壤放射性核素銫污染修復研究進展[J].核農學報，2014，28（10）：1924-1931.

[15]楊金輝，王清良，周書葵.鈾礦山及周邊環境放射性污染現狀調查及治理對策[J].湖南生態科學學報，2014，1（04）：7-9.

[16]王亮.日本福島事故土壤放射性污染狀況及應對措施[C].中國環境科學學會.2012中國環境科學學會學術年會論文集（第二卷）.中國環境科學學會：2012：5.

[17]徐磊，錢建平，唐專武.我國鈾礦廢渣石污染特點及治理方法[J].中國礦業，2013，22（01）：61-64，75.

[18]張展適，李滿根，楊亞新.贛、粵、湘地區部分硬巖型鈾礦山輻射環境污染及治理現狀[J].鈾礦冶，2007（04）：191-196.

[19]崔玉婷.化肥與生態環境保護[M].北京：化學工業出版社，2000：77-80.

[20]查忠勇，王定娜，馮孝杰.生物修復放射性污染土壤的研究進展[J].化學研究與應用，2014，26（02）：153-159.

[21]劉忠義，楊川，黃子濤，唐謀生.放射性污染土壤危害及其防治對策的探討[J].環境與可持續發展，2010，35（06）：33-36.

[22]Prof，DrMamdouh F，Abdel-Sabour. Decontamination of radioactive-contaminated soils[J].A PRESENTATION TO Jubail International Environment Conference，2011（5-6）：1-10.

[23]AlashrahSaleh，El-Taher A.Assessment of natural radioactivity level and radiation hazards in soil samples of Wadi Al- RummahQassim province， Saudi Arabia.[J].Journal of environmental biology，2016，37（5）：985-991.

[24]張彪，張曉文，李密.鈾尾礦污染特征及綜合治理技術研究進展[J].中國礦業，2015，24（04）：58-62.

[25]高崇林.對放射性污染土壤的治理與修復技術研究[C].中國指揮與控制學會.2013第一屆中國指揮控制大會論文集.中國指揮與控制學會：2013：4.

[26]Ivana Smio[DD（-1*9][KG2*1/5]ˇ[DD）]klas， Marija S[DD（-*2][KG*2]ˇ[DD）]ljivic[DD（-1*9][KG2*2]′[DD）]-Ivanovic[DD（-1*9][KG4]′[DD）]. Radioactive Contamination of the Soil： Assessments of Pollutants Mobility with Implication to Remediation Strategies[J]. Soil Contamination - Current Consequences and Further Solutions，2016：253-276.

[27]LI Jing-jing，WEN Bao-yin，JIANG Zi-ying，LIU Sen-lin. Research on Phytoremediation of Contaminated Soil with Low Level Radioactivity[J]. Annual Report of China Institute of Atomic Energy， 2016：244-245.

[28]陳保冬，趙方杰，張莘，伍松林，喬敏，歐陽緯瑩，朱永官. 土壤生物與土壤污染研究前沿與展望[J]. 生態學報，2015，35（20）：6604-6613.

[29]柯為.治理放射性污染物的微生物技術[J].生物工程學報，2006（05）：860.

[30]郭瑞萍，楊春林.農業土壤放射性污染現狀與修復技術探討[J].北京農業，2012（06）：184-185.

[31]劉周莉，何興元，陳瑋.忍冬——一種新發現的鎘超富集植物[J].生態環境學報，2013，22（04）：666-670.

[32]薛生國，周菲，葉晟.金屬尾礦廢棄地植物穩定技術研究進展[J].環境科學與技術，2009，32（08）：101-104.

[33]王奮飛.將蜈蚣草植物螯合肽合成酶基因（PvPCS1）轉入擬南芥中的研究[D].南昌：南昌大學，2007.

[34]薛生國，周菲，葉晟.金屬尾礦廢棄地植物穩定技術研究進展[J].環境科學與技術，2009，32（08）：101-104.

[35]陳保冬，陳梅梅，白刃.叢枝菌根在治理鈾污染環境中的潛在作用[J].環境科學，2011，32（03）：809-816.

[36]王丹，陳曉明，唐運來，羅學剛.放射性核素污染土壤的植物提取修復技術研究關鍵問題探討[J].輻射防護，2016，36（02）：94-103.

[37]熊玉寶.植物修復技術及其在環境保護中的應用[J].建材與裝飾，2018（15）：144-145.

[38]Slavik Dushenkov.Trends in phytoremediation of radionuclides[J].Plant and Soil2003，249（1）：167-175.

[39]唐秀歡，潘孝兵.植物修復——大面積低劑量放射性污染的新治理技術[J].環境污染與防治，2006（04）：275-278.

[40]陳思，安蓮英.土壤放射性污染主要來源及修復方法研究進展[J].廣東農業科學，2013，40（01）：174-177.

[41]侯曉龍.鉛超富集植物金絲草對Pb脅迫的響應機制研究[D].福州：福建農林大學，2013.

[42]饒苗苗，鄭立莉.放射性污染的微生物修復機理及展望[J].江西化工，2018（04）：29-33.

[43]Simonoff M， Sergeant C， Poulain S， et al.Microorganisms and migration of radionuclides in environment[J].Comptes Rendus Chimie，2007，10（10）：1092-1107.

[44]胡婷.苯酚降解菌的固定化及其修復作用研究[D].咸陽：西北農林科技大學，2014.

[45]CHAI Liyuan， HUANG Shunhong， YANG Zhihui， et al.Cr（VI）re-mediation by indigenous bacteria in soils contaminated by chromi-um-containing slag[J].Journal of Hazardous Materials， 2009，167（1-3）：516-522.

[46]張瓊，王博，王亮.切爾諾貝利和福島核事故后放射性土壤修復研究進展[J].環境與可持續發展，2016，41（05）：117-121.

[47]謝廣智，駱楓，林力.放射性污染土壤修復方法概述及評價[J].四川環境，2018，37（01）：164-168.

（責任編輯 周康）

收稿日期：2020-10-20

基金項目：陜西省土地整治重點實驗室開放基金“污損土地修復的研究”（項目編號：2018-JC08）

作者簡介：付泉（1992-），男，碩士，助理工程師。研究方向：土地工程。