铀污染土壤生物修复技术研究进展_原寒.pdf

第 卷第 期（总第 期）辐射防护通讯 年 月综 述铀污染土壤生物修复技术研究进展原寒，乔新燕，曹少飞（中国辐射防护研究院，山西 太原，）摘 要 通过文献调研，系统总结了目前针对铀污染土壤生物修复技术的研究成果，包括植物修复、微生物修复、植物微生物联合修复、植物微生物螯合剂联合修复技术。分析了目前的研究中存在的不足并对今后的研究方向提出以下建议：（）对螯合剂进行改良；（）培育具有工程应用价值的超富集植物；（）将现有实验室研究成果应用到大面积铀污染土壤的实地修复中，实现工程应用的目的；（）对修复后的植物进行合理的减量化、无害化、资源化处理，寻找修复后植物处理的新技术。关键词：铀污染土壤；生物修复；联合修复；影响因素中图分类号：.文献标识码：文章编号：（）铀是核电原料之一，铀矿开采过程中产生的废弃物具有低放射性、排放量大、分布广、放射周期长等特点，会对周围生态环境以及野生动植物和人类健康造成一定程度危害。目前，全球铀尾矿存积量超 亿吨，其中我国铀尾矿堆放场遍布 省 多个地区，累计 处左右。因此，铀矿冶过程产生的放射性污染土壤的防治和修复成为研究热点和难点问题。目前，对于铀污染土壤修复技术主要包括土壤淋洗法、客土法、固定化法、稳定化法、氧化还原法、电动修复法、土壤气体抽取法、络合物浸提法等，这些方法简单有效，但存在工程量较大、投资高、易造成土壤肥力下降、二次污染等问题。生物修复技术以生物为主体，与物理化学技术相比，价格低廉、环境友好，逐渐成为近年来的研究方向。常用于污染土壤的生物修复技术包括植物修复、微生物修复、植物微生物联合修复和植物微生物螯合剂联合修复。本文对铀污染土壤生物修复技术进行了阐述，并就未来的研究方向提出展望。铀污染土壤的植物修复技术 美国环境保护署对植物修复技术的定义为：利用植物提取、转移、吸收、分解、转化、固定污染介质中污染物技术的总称。.铀污染土壤的植物修复技术机理对铀污染土壤的植物修复主要是基于植物提取的作用，利用超富集植物吸收土壤中的铀，进而收获植物，以达到去除污染的目的。超富集植物一般是指能够从大面积土壤中吸收重金属（或放射性核素）并将其富集在植物体内，其对重金属（或放射性核素）具有超耐受性和超富集能力，内部浓度比普通植物高 倍。对放射性核素超富集植物的判断标准为：（）植物地上部的核素质量浓度大于某临界值。通常认为对铀的超富集植物体内铀浓度达 （植物干重）以上。（）富集系数，富集系数（）含量（植物体内）含量（土壤）；（）转运系数，转运系数（）含量（地上部分）含量（根部）。基金项目：国家重点研发计划。收稿日期：作者简介：原寒（），女，年 月毕业于中国科学院大学生态学专业，硕士，助理研究员。：。通信作者：曹少飞。：.影响植物富集铀的因素影响植物富集铀的因素来自于植物本身和环境条件。植物本身对富集铀的影响因素主要是植物种类和植物部位。等对铀矿场附近 种植物进行研究，结果表明蔬菜体内铀含量高于玉米和向日葵，植物地上部分铀含量高于茎块、种子，老叶比新叶富集更多的铀。环境条件中的影响因素有土壤理化性质、值、水分含量、氧化还原电位、根系微生物以及根际分泌物等。等研究发现豌豆富集铀的多少与土壤 值有关，当.时，土壤中的铀更容易被豌豆吸收。等认为植物吸收铀与土壤类型有关，酸性土和含有碳酸盐的碱性 土 能 促 进 植 物 对 铀 的 吸 收。等的研究结果表明，土壤有机质对铀有吸附作用，会通过降低铀生物有效性，减小植物对铀的提取效率。.铀超富集植物的种类 年，等在含铀场地记录到一种 禾 本 科 植 物，植 物 体 内 铀 质 量 浓 度 达 。之后，国内外学者对铀的超富集植物进行了大量的筛选研究，目前获得的铀超富集植物列于表。表 文献中铀超富集植物植物名称学名土壤 浓度（）植物中 浓度（）地上地下地上地下文献向日葵.印度芥菜.水莎草.牧草.碎米莎草.菠菜.特选榨菜 .泡青菜 .黑麦草.黑麦草.黑麦草.黑麦草.雀稗.博落回.黄秋葵.黄秋葵.黄秋葵.狗牙根.四季香油麦菜 .铀污染土壤的微生物修复 微生物修复技术是指利用自然界中或人工培育的功能性微生物，通过微生物代谢性氧化还原作用和非代谢性生物吸附作用对污染土壤进行修复。.微生物修复铀污染土壤的作用机理微生物在铀污染土壤修复中的作用机制主要有四种：生物还原、生物矿化、生物吸附、生物富集。生物还原是指在缺氧条件下，微生物利用电子供体，如醋酸盐、乳酸盐等，将（）还原为（），还原得到的（）较稳定，主要以（晶质铀矿）形态存在。研究表明，硫酸盐还原辐射防护通讯 年 月 第 卷 第 期菌、铁还原菌等微生物均可还原（）。生物矿化指通过微生物细胞表面局部碱化作用，使（）沉淀后生成难溶的氢氧化物或碳酸盐，或通过酶促反应，使（）与生成的配位体如草酸盐、磷酸盐等通过共沉淀生成稳定配合物（如、（）（）等）。研究发现新月柄杆菌（）能以磷酸铀酰盐矿物形态将（）沉淀。等在同时加入有机磷酸盐和硝酸铀酰的培养基中观察到在乳酸克鲁维酵母（）、清酒假丝酵母（）、隐球酵母（）表面有铀的磷酸盐沉淀。生物吸附指铀在微生物细胞表面被动吸附。常用的铀生物吸附微生物有地杆菌、芽孢杆菌、梭状芽孢杆菌、链霉菌和节杆菌等，目前主要用于处理低浓度含铀废水。生物富集是指铀在微生物细胞体内富集。铀在细胞内富集的原因可能是细胞膜的通透性受到破坏。当细胞内出现铀积累，细胞会通过多种途径固定铀，如螯合作用，从而被动提高细胞的耐受性。许多菌株中均能观察到该机制，如嗜酸氧化亚铁硫杆菌（）和 鞘氨醇单胞菌属（）。尽管有许多学者研究了该方法的可行性，但目前尚无统一结论。.微生物修复铀污染土壤的的影响因素（）铀浓度及其赋存形态在一定范围内，铀还原速率随铀浓度增加而升高，但浓度超过上限后，铀还原率则显著降低。当铀质量浓度分别高于、时，梭状芽胞杆菌（）、铜绿假单胞菌（）、脱铁热土杆菌（）的生长受到抑制。此外，铀的赋存状态在一定程度决定了铀的毒性。（）生物量、温度和 值研究表明，提高初始微生物浓度可使铀去除率提高。等研究结果表明，（）还原速率随着腐败希瓦氏菌（）初始生物量的增加而持续提高。温度和 值能间接影响修复效率，如改变铀赋存状态和微生物酶活，等研究表明当温度从 提高至 时，（）还原速率提高。（）电子供体（）进行生物还原时，通常优先选择低分子量的有机物作为电子供体。目前研究发现有机酸类、芳香烃类化合物能促进（）的生物还原。现场试验中，醋酸盐作为电子供体被广泛应用于（）的生物还原。（）竞争性电子受体硫酸盐、硝酸盐、锰和铁等电子受体的存在能影响（）还原。等研究表明当硫酸盐存在时，（）的还原率升高；此外，被氧化生成硫化物也可以还原（）。当 质量浓度达到 时，脱硫脱硫弧菌（）对（）的还原受到抑制。当 时，（）的还原与 的还原同时进行，且（）在沉积物中的浓度通常远低于。（）碳酸氢盐及其他化合物碳酸氢盐对（）去除率以及微生物群落结构有显著影响。等研究发现，碳酸氢盐对（）有脱附作用，然后结合微生物还原（），从而提高生物修复的效果。等发现加入醋酸和碳酸氢盐后，（）的还原速率较只加醋酸的对照组明显提高。铀污染区域存在的其他金属离子如、等能对微生物修复铀污染产生抑制作用。当溶液中存在 时，（）的还原效率显著降低。当.，或 时均能完全抑制（）的去除。.铀污染土壤修复的微生物种类目前公认的几类具备铀还原能力的微生物包括：存在于铀尾矿区土壤中的假单胞菌、肠杆菌属、泛菌菌属；从铀尾矿污染区分离出的嗜热菌、地杆菌。通过文献调研，用于修复铀污染土壤的微生物种类列于表。植物微生物联合修复 植物微生物联合修复技术是通过利用植物、微生物在土壤中的共存关系，发挥植物和微生物的优势，提高植物修复的效率。.微生物强化植物修复效果作用机理（）提高元素生物有效性土壤微生物通过代谢作用会释放有机酸、铁铀污染土壤生物修复技术研究进展 原寒 表 修复铀污染的微生物种类生物种类菌种除铀能力）（）文献霉菌霉菌根霉（）产黄青霉（）酵母菌啤酒酵母菌（）放线菌 链霉菌（）藻类满江红鱼腥藻（）.细菌细菌细菌细菌细菌柠檬酸杆菌（）枯草芽孢杆菌（）粘细菌（）铜绿假单孢菌（）生枝动胶菌（）表中除铀能力为最优条件下不同微生物对铀的最大吸附量。载体等物质到根系土壤，这些物质通过与重金属发生螯合作用、酸化土壤微环境、改变重金属氧化还原电位等方式，提升重金属生物有效性。等发现铜绿假单胞杆菌（）分泌的绿脓杆菌螯铁蛋白能提高土壤中铬和铅可利用量。（）促进植物生长植物根际促生菌能分泌植物激素等代谢产物，此类物质可以显著提高根系对土壤中水分和营养物质的吸收和摄取效率，并对植物体的其他生理活动进行有效调控。如铁是植物进行生理活动的一种必需元素，然而在自然条件下通常以氧化铁形式存在，不易被生物吸收利用，但大多数微生物可以产生铁载体，加大植物对铁摄取；乙烯是一种植物促生激素，然而过多乙烯会抑制植物生长发育，研究指出根际促生菌能产生 氨基环丙烷羧酸（）脱氨酶分解乙烯的生物合成前体物质，从而降低根系的乙烯水平，促进植物的生长。此外，植物根际促生菌能分泌多种抗生素，主要有土壤杆菌素、，二乙酰间苯三酚等，可有效改善植物根系生长微环境，抑制多种真菌病源生成。.植物微生物联合修复研究进展对于微生物植物联合修复技术的研究，主要集中在重金属和有机物污染土壤的修复方面，如镉、铅、铬、多环芳烃、石油等，对于铀污染土壤的修复，应用最多的是丛枝菌根。丛枝菌根真菌（，）是土壤环境中广泛存在的一种土壤微生物，能够与多类植物的根系共生，提高植物对污染物质的耐受性。在铀污染土壤环境中，将大麦、蒺藜状苜蓿接种 后，结果显示根部铀含量增加，转运系数减小。蜈蚣草接种 后，其根部对土壤中铀的吸收量显著增加。因此，丛枝菌根可用于植物固定铀尾矿土壤和废水排放区域土壤中的铀。但是，利用丛枝菌根修复铀污染土壤仍存在一定局限性，丛枝菌根可以将铀固定于植物根系，一旦铀从根系中释放，将存在二次污染的风险。因此，应在当前方法的基础上，积极开展促进铀向地上部分转运的研究。植物微生物螯合剂联合修复.作用机理添加螯合剂能改变土壤中铀的化学形态，促进植物对铀的富集。等开展了铀在博落回中的富集实验，在铀污染土壤中加入不同浓度梯度的柠檬酸（）和乙二胺二琥珀酸（）后，博落回对铀的富集效果显著提高，且添加 的富集效果优于添加。目前常用的螯合剂分为两类：天然小分子有机酸，如柠檬酸、苹果酸、草酸等；多羟基氨基酸，如乙二胺四乙酸（）、乙二胺二琥珀酸（）、乙二醇四乙酸（）等。.研究进展螯合剂植物联合修复和微生物植物联合修复均有明显的强化植物富集铀效果，在理论上可以结合两者的优势，实现螯合剂微生物植物联合修复，强化植物修复效果，但是在实际应用中二者仍有局限性。目前在螯合剂菌根植物联合修复重金属方面，已取得一定成效。等以烟草为研究对象，研究施加 和丛枝菌根（，）对 吸收影响时发现，当施加 浓度为 时，对烟草吸收 的作用优于施加.的处理，然而前者会对植物生长产生毒害；接种 可以缓解了 对植物的抑制效应，能促进植物生长。在研究苜蓿和辐射防护通讯 年 月 第 卷 第 期黑麦草修复铀污染土壤的实验中，柠檬酸和菌根联合修复的实验效果最好，有效验证了植物微生物螯合剂联合修复可成为铀污染土壤修复技术的最佳组合。螯合剂的适量添加可以提高植物对铀污染土壤的修复能力，能够增强植物在铀污染环境中的抗逆性，促进铀在植物体内的富集；通过菌丝的作用，缓解铀在植物体累积后产生的毒害。讨论与展望 相关学者已开展大量研究，为本课题组相关实验的顺利开展提供了良好的理论基础。但是上述进展仍有一定的局限：（）集中于实验室研究；（）未考虑对螯合剂进行改良，以减小其对土壤和植物的毒害作用；（）在螯合剂微生物植物联合修复方面，集中于对重金属污染土壤的治理，对铀污染土壤的研究尚少。通过对目前铀污染土壤生物修复技术的总结和梳理，生物修复技术已成为研究的热点问题。然而由于植物、微生物、螯合剂的修复效果受到多种内外因素的影响，目前还存在一些待解决的问题。结合目前正在进行的工作，初步总结未来的研究方向主要集中在以下方面：（）对螯合剂进行改良，开发缓释螯合剂，延长释放周期，一方面增强修复效果，另一方面减小对土壤和植物的毒害作用；（）培育具有工程应用价值的超富集植物，缩短修复周期，可通过转基因技术、诱导突变技术等；（）对于铀污染土壤生物修复的研究尚处于实验室研究阶段，未达到工程应用的阶段。应将实验室研究成果应用到大面积铀污染土壤的实地修复中；（）对修复后的植物进行合理的减量化、无害化、资源化处理，不断寻找新的处理技术，以便于更加科学合理地选择铀污染土壤修复植物，大规模推广植物修复技术的应用。参考文献：王津，李红春，刘娟，等 铀矿开采利用过程中的放射性污染研究进展 环境与健康杂志，（）：许冬梅 浅谈铀矿山的环境污染及治理对策 环境研究与监测，（）：荣丽杉铀污染土壤的植物微生物修复及其机理研究南华大学，（）：万芹方，邓大超，柏云，等植物和动电修复铀污染土壤的研究现状核化学与放射化学，（）：，：，（）：，（）：，（）：，：，：，（）：，（）：谢红艳，胡劲松，殷杰，等某铀尾矿区植物组成及其对铀的积累作用研究原子能科学技术，（）：聂小琴，丁德馨，李广悦，等某铀尾矿库土壤核素污染与优势植物累积特征环境科学研究，（）：徐俊，龚永兵，张倩慈，等三种植物对铀耐性及土壤中铀吸收积累差异的研究化学研究与应用，（）：唐丽，柏云，邓大超，等修复铀污染土壤超积累植物铀污染土壤生物修复技术研究进展 原寒的筛选及积累特征研究核技术，（）：牛天洋，史泽涵，陈井影，等黑麦草修复铀污染土壤的根际效应分析安徽农业科学，（）：沙银花，胡南，陈思羽，等雀稗博落回间作强化修复铀污染土壤的研究南华大学学报（自然科学版），（）：贾文甫，罗学刚，陈功亮，等黄秋葵对铀胁迫的光合生理响应及吸收特征环境科学与技术，（）：王瑞兰，易俗，陈康贵，等夹竹桃（）等四种植物放射性核素、的含量研究湘潭师范学院学报（自然科学版），（）：万芹方，任亚敏，王亮，等铀污染土壤的植物修复研究化学学报，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（），（）：，：，（）：，（）：，（）（），（）：，：，（）：，（）：，（），：，（）辐射防护通讯 年 月 第 卷 第 期 ，（）：，（），（）：，（）：，（）（），（）：，（）（）（），（）：，（）：，（），（）：，（）：，（）：，（），（）：王水云，谢水波，李仕友，等啤酒酵母菌吸附废水中铀的研究进展铀矿冶，（）：，（）：，（）：张小枝，罗上庚，杨群，等满江红鱼腥藻吸附低浓度铀的研究核化学与放射化学，（）：柏云，张静，冯易君生物吸附法处理含铀废水研究进展四川环境，（）：，：，：，（）：，（）：王宝娥，徐伟昌，谢水波，等啤酒酵母菌固定化凝胶颗粒吸附铀的研究铀矿冶，（）：郝希超铀污染土壤牧草微生物联合修复工艺技术西南科技大学，贾彦博，芮昶，季天委，等土壤铜污染的微生物及酶学指标研究广东微量元素科学，（）：，（）：杨春微量元素与健康微量元素与健康研究，：，（）：，（）：，（）：，（）铀污染土壤生物修复技术研究进展 原寒 ，（）：，（）：，（）：，（，），：（）；（）；（）；（），：；（责任编辑：王慧娟）出版物介绍 号出版物简介：飞行中对宇宙辐射的防护辐射是我们环境的自然组成部分。那么，什么是“宇宙”辐射？宇宙辐射来自太阳和外太空。宇宙辐射约占我们所受自然辐射的六分之一。每个人，每个地方，都暴露在宇宙辐射中。地球磁场和大气层保护我们免受宇宙辐射。在飞行高度较高的地方，特别是在接近南极和北极时，这种保护就比较弱。在一次商业飞行中，宇宙辐射是地面辐射的几倍。我们越来越多的人乘飞机旅行。飞机在不断改进，允许在更高的高度、北极和南极上空进行更长时间的飞行。对于大多数人，专家不建议采取特别措施。应该向那些感兴趣的人提供信息，以便他们能够得到适当的信息。经常坐飞机的人，比如每周都要长途旅行的商务人士，可能会有兴趣了解更多。例如，可以追踪你自己的宇宙辐射剂量。使用在线工具很容易做到。对于空乘人员和飞行员，航空公司应该教育和告知员工宇宙辐射的剂量和影响。航空公司还应评估并记录这些剂量，使每个员工的个人剂量信息可供使用。必要时，应制定相关规定，调整已宣布怀孕的空乘人员的工作职责。各个国家和航空公司应提高对宇宙辐射的认识，并提供支持，以便就与飞行有关的宇宙辐射照射作出明智的决定。（来源：网站）辐射防护通讯 年 月 第 卷 第 期