土壤中放射性核素的生物效应和生物修复.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑文本,第二级,第三级,第四级,第五级,土壤中放射性核素的生物效应和生物修复,学校：东华理工大学,学院：水资源与环境工程,学号：,20080111,土壤中放射性核素的生物效应,1,土壤放射性污染的来源,2土壤放射性污染的环境生态效应,3土壤放射性污染的生物修复,4 展望,1,土壤放射性污染的来源,1.,大气层核试验,大气层核试验产生的放射性尘埃是迄今土壤环境的主要放射性污染源。核试验爆炸和核泄漏事故可大面积污染土壤,使具有长期残存的放射性核素,137,s,、,90,r,在土壤中存在。1970年以前,全世界大气层核试验进入大气平流层的,90,Sr,达到5.7610,17,y,其中97%已沉降到地面,这相当于核工业后处理厂排放90,r,的1万倍以上。核工业与核试验过程中排放的废水、废气和废渣,也是造成土壤环境放射性污染的一个原因。在美国,地下掩埋的放射性废物(310,6,3,)污染了约710,7,3,的地表土壤、310,9,3,的地下水。,1,土壤放射性污染的来源,2.,矿物中的放射性物质,除作为核燃料原料的含铀矿物以外,煤、石油、,泥炭、天然气、地热水(或蒸汽)和某些矿砂中的铀,含量较高,其开采、冶炼和应用过程中也会释放放,射性废物到环境中去,给土壤环境带来一定污染。,燃煤中可能存在的放射性核素绝大部分是以空气,沉降物的形式进入土壤与河流沉积物中,1,土壤放射性污染的来源,3.,化肥中的放射性物质,化肥原料中携带放射性核素,化肥的施用将放射性元素扩散到广大农田环境,自然界的磷矿石中常伴生铀、钍、镭等天然放射性元素,磷肥生产过程中,铀和磷一起进入磷肥。在美国一些州施用磷肥80年的土壤中,238,的浓度提高了1倍。钾肥中含有放射性核素,40,钾是动、植物必需的营养元素,很容易通过食物链在人体内积累。我国20世纪90年代初的钾肥消耗量约1 500(,2,),-1,估计进入农田的,40,放射性总强3.710,13,-1,。粉煤灰作为土壤改良剂施用,亦会将放射性污染物质带进土壤,粉煤灰施用量达675,-2,时,土壤中的放射性核素,236,和,238,的比活度分别为对照的3.56倍和2.60倍。,2,土壤放射性污染的环境生态效应,土壤放射性污染危及农业生态系统的稳定。土壤环境中最危险的放射性物质是,137,和,90,其化学性质与生命必需元素和相似,进入生物和人体后,在一定部位积累,增加人体的放射辐射,引起三致(致畸、致癌、致突变)变化。,土壤中放射性核素会引起土壤生物种群区系成分的改变、生物群落结构的变化。,急性辐射胁迫常常导致环境中的敏感植物受伤。如松树是对辐射最为敏感的物种之一,在200内接受300(3)剂量的射线辐射后,所有湿地松样本在其后的几个月内相继死亡;接受800(8)剂量、树龄小于5年的长叶松(.)样本也全部死亡;较大树龄的长叶松在200内接受照射剂量2 800(28)后,几个月内也全部死亡。,3土壤放射性污染的生物修复,目前已有的是工程与化学相结合的方法,将污染土壤从污染位点转移,然后用分散剂和螯合剂进行处理。该方法需要动用大型设备,处理费用高,很少有人用这一技术处理大面积低浓度的放射性核素污染,该方法一般仅用于难以进行生物处理的高放核素污染的治理。,土壤中的放射性核素一般呈低放射性,这为植物与微生物修复技术的实施提供可能。适于植物修复技术的低放核素有,137,、,90,、,3,及的同位素。低放核素的生物修复主要是利用植物吸收、固定土壤中的低放核素,利用微生物吸收、转化环境中放射性核素。,分为：,植物修复微生物修复,植物修复,植物可从污染土壤中吸收积累大量的放射性核素,吸收量因核素与植物种类而异。植物也可阻碍放射性物质传播和辐射,特别是对放射性尘埃有明显的吸收与过滤作用。森林植被能有效吸收和过滤放射性物质,且阔叶林净化放射性散落物能力和速度优于针叶林。植物吸收放射性核素的主要途径为大气干湿降与土壤颗粒在植物体表面的黏附及植物根系吸收。沉降在植物体表的放射性核素可被植物叶片吸附、吸收,转移至植物体内的其他部分。植物根系是吸收土壤中放射性核素的主要途径,通过种植富集放射性核素的植物,结合收集处理植物技术,可降低土壤中放射性污染物。,植物修复技术,(1)植物萃取技术,本质是通过植物的光合作用，将分散在土壤中的污染物泵吸出来，转移到植物地上茎叶部位，最后通过收获植物地上器官并处理这些器官达到环境治理、变废为宝的目的。收获植物中的放射性元素还可以回收利用。植物提取技术利用的是一些对放射性元素具有较强富集能力的特殊超积累植物。,植物修复技术,(,2,）,植物蒸发技术,本质是通过植物的光合作用，将分散在土壤中的污染物泵吸出来，转移到植物地上茎叶部位，最后通过收获植物地上器官并处理这些器官达到环境治理、变废为宝的目的。收获植物中的放射性元素还可以回收利用。植物提取技术利用的是一些对放射性元素具有较强富集能力的特殊超积累植物。,植物修复技术,(3)植物固化技术,通过耐高含量污染、根系发达的多年生常绿植物,固定土壤中放射性污染物,减少其危害性。此法未将土壤中放射性污染物去除,只是暂时将其固定,一旦环境条件发生变化,放射性核素的生物可利用性可能随之改变。,影响植物修复的因素,（1）放射性核素的形态与性质,溶解态的阳离子迁移能力小,难溶态的氧化物或沉淀不易被土壤黏粒吸附。不同氧化价态的核素,植物吸收能力不同,一般放射性核素粒径越小越易被植物吸收。,（,2,）植物种类,研究表明12种植物对铀的吸收积累能力,发现不同植物对铀的积累能力存在很大差异。评价了放射性污染的土壤中放射性核素植物浓缩的潜能,维管植物有较高的,9,9,c,（锝)摄取能力,99,有较强的嫩枝转移和积累趋势。,（3)土壤性质,土壤因子影响放射性核素的植物可得性,土壤黏粒矿物质含量、有机质含量及类型、阳离子交换量和土壤水分状况都会影响植物对放射性污染物的吸收。土壤离子交换能力越强,植物对放射性核素的吸收能力越大。土壤中有机质含量越高,植物吸收和积累的放射性核素含量越多。影响植物吸收、转移土壤中的铀,阳离子交换、碱基饱和度直接影响,137,和,90,在土壤中的行为。土壤水分对植物吸收积累放射性核素也有影响,水分直接影响植物自身长势及污染物在体内的分布。,影响植物修复的因素,（4）,施肥措施,137,与,90,分别同和具有相似的化学性质,在,137,污染的土壤中大量施用钾肥会减少植物对,137,的吸收。NH,4,+,可在吸附位上取代,137,使,137,溶入土壤中,因此修复放射污染土壤时勿用铵肥。土壤中施入钙、磷肥会抑制植物对,90,的吸收。施肥措施还会间接影响修复土壤的肥力及植物生长,缺土壤中增施氮肥,可促进植物根系生长,增加根系密度,从而间接促进植物对核素吸收。,微生物修复,由于微生物,个体小,有相,对大的,比表面积,可以分解转化很多污染物,微生物对放射性核素的吸收起着重要作用。开发经济实用的微生物修复技术来治理土壤放射性污染,愈来愈受到科学家的关注,。,微生物修复机理,1.,微生物吸收作用,微生物生长除需、,a,、,a,、,g,等常规元素外,还需一些具特殊生理功能的微量元素,如参与维生素,12,合成及植物与微生物共生固氮作用。,137,与化学性质相似,通过交换吸收将,137,固定在微生物体内。用放射自显影技术从,137,污染土壤中分离出3株能大量积累,137,的微生物,其中两株是枝孢霉菌.和杆状菌芽孢杆菌,另一株是未被鉴定的革兰氏阴性菌。,微生物,K,+,137,s,微生物修复机理,2.,微生物吸附作用,微生物表面(细胞壁和黏液层)可直接吸附固定放射性核素。如土壤真菌对放射性核素具有一定吸附能力,可以利用土壤真菌将放射性核素固定在表土中,以防地下水污染。野外和实验室实验皆证实,菌丝可富集核素并最终将核素移至果实体中,可通过收获果实体来提取放射性核素。,微生物,微生物修复机理,3.,微生物转化作用,微生物影响放射性核素的生物可得性,土壤微生物对环境中放射性核素的活化与固定起重要作用,菌根菌是土壤中大量存在的微生物,与植物形成共生关系,在植物吸收放射性核素中扮演着重要角色。如巴哈雀稗，宿根高粱，和柳枝稷自身能吸收土壤中,137,和,90,但接种菌根真菌摩西球囊霉和根内球囊霉后,能增加每种草的地上部生物量和器官中,137,和,90,的浓度与积聚率,尤其以摩西球囊霉接种宿根高粱效果最为明显。不同菌根对植物吸收放射性核素的影响不同,植物受到石南型菌根侵染后对,137,吸收能力下降。外生菌根可明显降低挪威云杉幼苗对,137,和,90,的吸收。,植物的根,放射性核素,微生物,微生物修复放射性污染的研究,奇球菌科微生物是迄今为止所发现细菌中辐射耐受性最强的一类细菌,耐辐射菌Deinococcus radiodurans在超过15 000的急性辐照下不出现致死或发生诱变,在慢性辐照下(60,-1,)能连续生长,生长速率和克隆基因表达不受这种辐照影响。1997年起,人们开始探索在辐射条件下耐辐射菌用于生物修复的可行性,目前发现了7个菌株。最近在国内首次分离到1株杆状耐辐射菌,初步鉴定其归于奇球菌科。在慢性照射6 000rad,-1,下其生长及外源基因表达不受任何影响,这是该菌可用以修复放射性污染环境的基础。耐辐射菌的基因组具有非常大的可塑性,可将多种不同生物修复功能的基因引入耐辐射菌细胞中构建用于放射性污染环境修复的基因工程菌。,微生物修复放射性污染的研究,人们成功地研究了耐辐射菌在高辐射环境的遗传系统,利用耐辐射菌进行环境修复是一种具有实用潜力的手段。筛选、改造对放射性核素具有抗性并有较强吸收能力的微生物是一个十分重要的研究方向。利用基因工程技术定向改变微生物的基因结构,可以解除该微生物固有的一些物理、化学和生理方面的限制,提高微生物对放射性核素的选择性、亲和力及吸收能力。人们可以通过培养得到能大量积累放射性核素的微生物,然后投加到受放射性污染的土壤环境中去,进行微生物修复。,展望,土壤放射性污染对动植物产生一定的辐射效应,最终危及农业生态系统稳定与人类健康。常规化学或物理方法不适用于土壤中低放核素污染物处理,生物修复以,成本低、环境搅动性小,等优点而备受瞩目。植物修复技术不仅是一条,有效、廉价,的净化途径,其技术和经济上优于常规方法技术,微生物修复技术去除放射性污染具有实用潜力。植物修复目前仍处于起步阶段,植物对放射性核素超常吸收的许多基础理论问题有待深入研究,关键工作仍是筛选出能超量积累污染物的植物以及能改善植物吸收性能的方法。利用植物基因工程技术,筛选核素积累植物和超积累植物,将有利于解决土壤放射性核素污染的治理。,展望,微生物适应环境能力强且增殖速度快,利用微生物治理土壤放射性污染有一定优势。今后研究重点是通过基因工程手段定向改变微生物的基因结构,筛选、改造出对放射性核素具有高度亲和力且对环境友好的微生物。,此外还需加强植物-微生物共存体系的研究,了解植物根际共存微生物种群的生理生态学特征,根系分泌物对微生物进化选择过程的影响机理。并构建高效降解污染物的微生物基因工程菌,提高植物与微生物对污染土壤生物修复的效率。相信随着生物技术的发展,生物修复技术将在受放射性污染的环境修复中发挥越来越重要的作用。,完,