某鈾尾礦區(qū)植物組成及其對(duì)鈾的積累作用研究

謝紅艷，胡勁松，殷 杰,，丁德馨

(1.南華大學(xué) 藥學(xué)與生物科學(xué)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001；2.南華大學(xué) 鈾礦冶生物技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，湖南 衡陽(yáng) 421001)

我國(guó)鈾礦的開(kāi)采力度在逐年擴(kuò)大，在鈾礦石的開(kāi)采和冶煉加工中會(huì)產(chǎn)生帶有天然放射性核素的固體廢物，如鈾廢渣和尾礦等，它們是不容忽視的放射性污染源，對(duì)環(huán)境和生態(tài)危害嚴(yán)重[1]。鈾尾礦沙中含有鈾及其全部子體，其放射性核素含量較本底高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，裸露的鈾尾礦沙使鈾通過(guò)流失散布到土壤表面，或通過(guò)淋洗而進(jìn)入地下水，對(duì)當(dāng)?shù)氐娘嬎踩?、生態(tài)環(huán)境等產(chǎn)生重大影響[2]。因此如何清除土壤中的鈾是環(huán)境治理中重要的課題?？紤]到鈾及其衰變子體對(duì)環(huán)境構(gòu)成的長(zhǎng)期、潛在的危害性，如何修復(fù)大面積、低比活度鈾污染環(huán)境已成為各國(guó)科技工作者的研究熱點(diǎn)。

隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，探索在不破壞生態(tài)環(huán)境的情況下原位治理放射性鈾污染成為必然趨勢(shì)，植物修復(fù)順應(yīng)了這種趨勢(shì)。與傳統(tǒng)的修復(fù)技術(shù)相比，植物修復(fù)技術(shù)利用的是植物的光合作用,具有投資和維護(hù)成本低、操作簡(jiǎn)便、不造成二次污染等優(yōu)點(diǎn)，且還有可能通過(guò)資源化利用而取得一定經(jīng)濟(jì)效益，具有廣闊的應(yīng)用前景，因而越來(lái)越受到各國(guó)科研人員的廣泛重視和青睞[3]。近年來(lái)，對(duì)環(huán)境放射性污染進(jìn)行植物修復(fù)已成為國(guó)際放射性污染治理的研究熱點(diǎn)之一[4-6]，且前景十分看好[7]。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的超積累植物有400余種，分布于45個(gè)植物科屬[8]，大多屬于十字花科植物，多數(shù)在國(guó)外，且主要是對(duì)重金屬Ni、Zn、Pb、Cr、Cd、Ni、Zn、Cu的吸收很好，而對(duì)放射性核素能較好吸收的植物較少[9-11]。因此，對(duì)于鈾污染環(huán)境的植物修復(fù)技術(shù)研究，繼續(xù)尋找和篩選更多的鈾(超)積累本土植物是提高修復(fù)效率的物質(zhì)基礎(chǔ)[3]。

本工作擬對(duì)南方某鈾尾礦區(qū)鈾污染土壤的植物資源進(jìn)行調(diào)查分析，并對(duì)植物各組織的鈾含量進(jìn)行測(cè)定，探討這些植物用于鈾礦廢棄地生態(tài)恢復(fù)的可行性，為我國(guó)鈾污染土壤的植物修復(fù)提供基礎(chǔ)資料。

1 礦區(qū)概況

該尾礦區(qū)位于丘陵地帶，面積約2.5 km2，處于亞熱帶氣候地帶，年均降水量1 300 mm以上，降水分布不均，多集中于春末夏初。年均溫度為18 ℃，年均日照時(shí)間約為1 400 h 。該地區(qū)季節(jié)分明，春陰雨低溫，盛夏、初秋高溫少雨，冬寒期偶有冰雪。

2 材料與方法

2.1 植物資源調(diào)查研究方法

利用植物修復(fù)污染土壤，首先要求植物對(duì)土壤中的污染物具有一定的耐受性，表現(xiàn)為植物在污染土壤中能正常生長(zhǎng)發(fā)育，并在修復(fù)過(guò)程中有較高的生物量[12]。所以本文主要針對(duì)該尾礦區(qū)具有生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)的植物進(jìn)行研究。

采用目測(cè)多度法、樣地法、樣線結(jié)合法對(duì)該鈾尾礦區(qū)植物資源進(jìn)行調(diào)查研究。先用目測(cè)多度法確定植物群落較有優(yōu)勢(shì)的區(qū)域。經(jīng)目測(cè)發(fā)現(xiàn)尾礦區(qū)植物群落較有優(yōu)勢(shì)的區(qū)域有3個(gè)，即尾礦區(qū)周邊路口、中間小水塘周邊地帶、尾礦中間低洼潮濕區(qū)域。然后在每個(gè)優(yōu)勢(shì)區(qū)域間隔選取3個(gè)樣點(diǎn)，對(duì)樣點(diǎn)植物種類(lèi)進(jìn)行全面統(tǒng)計(jì)。對(duì)區(qū)域和區(qū)域之間、樣點(diǎn)和樣點(diǎn)之間采用樣線結(jié)合法，沿途統(tǒng)計(jì)植物種類(lèi)。

2.2 樣品采集與鈾含量測(cè)定

1) 樣品采集

植物樣品的采集：對(duì)礦區(qū)植物資源組成的調(diào)查統(tǒng)計(jì)完成后，在3個(gè)優(yōu)勢(shì)區(qū)域的9個(gè)樣地選取生長(zhǎng)旺盛的植株進(jìn)行采集，對(duì)于草本植物全株采集，對(duì)于灌木和喬木采集植株部分(根、莖、葉、花和果實(shí))。在利用植物修復(fù)重金屬污染土壤時(shí)，判定一種植物是否為超富集植物，一個(gè)重要因素是植株地上部分和根中的重金屬濃度之比大于1[13]，因此本研究將各植物樣品分為地下部分(根)和地上部分(莖、葉、花和果實(shí))。

土壤樣品的采集：在所選的3個(gè)優(yōu)勢(shì)區(qū)域的9個(gè)樣點(diǎn)分別采集0～20 cm的表層土作為土壤樣品。

2) 樣品制備與消解

樣品制備：將采集的植物樣品用自來(lái)水洗凈后，再用超純水沖洗3次，瀝去水分，在105 ℃烘箱內(nèi)殺青30 min，55 ℃下烘至恒重后，用植物粉碎機(jī)粉碎，最后過(guò)200目篩，置于干燥器中備用。將土壤樣品自然風(fēng)干，并排除外來(lái)雜物，置于80 ℃烘箱烘至恒重，粉碎研磨，過(guò)200目篩，置于干燥器中備用。

樣品消解：樣品消解方法參照文獻(xiàn)[14]，準(zhǔn)確稱(chēng)量0.5 g上述處理過(guò)的灰分樣品放入聚四氟乙烯管中，再加入5 mL濃HNO3和1 mL HF，采用ETHOS-1型微波消解儀進(jìn)行消解。消解完成后，將消解液定容至50 mL，待測(cè)。植物的鈾含量單位為mg/kg(以灰分計(jì))。

3) 樣品中鈾含量的檢測(cè)

按照《低品位鈾礦石中鈾的測(cè)定方法》[15]的要求，以三正辛基氧膦為萃取劑，以2-(5-溴-2-吡啶偶氮)-5-乙氨基苯酚作鈾的顯色劑，用分光光度法測(cè)定樣品中微量鈾的含量。

用pH計(jì)測(cè)定土壤pH值(水與土的質(zhì)量比m(水)∶m(土)=2.5∶1)，參考文獻(xiàn)[16]測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量。

3 結(jié)果與討論

3.1 植物資源組成情況

對(duì)該鈾礦區(qū)植物資源的全面調(diào)查結(jié)果列于表1。由表1可見(jiàn)，尾礦區(qū)污染土壤中植物群落較簡(jiǎn)單，共有高等植物31種，分屬于12科。其中禾本科最多，12種，占總數(shù)的38.7%；其次是菊科，5種，占總數(shù)的16.1%；鳳尾蕨科和莎草科各3種；其他科每科1種。植物習(xí)性方面，一年生草本或多年生草本植物28種，占總數(shù)的90.3%，其他3種為灌木或小喬木。

分析發(fā)現(xiàn)該尾礦區(qū)植物以自然定居種為主，多為先鋒植物，少見(jiàn)人工栽培種。群落結(jié)構(gòu)上，以1～2年生或多年生草本為主，伴有少量小喬木或灌木。喬木樹(shù)種主要為陽(yáng)性耐旱先鋒植物，如鹽膚木、枸骨、大青等，說(shuō)明該區(qū)植物群落形成年限不長(zhǎng)，且植物種類(lèi)較少，群落結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。

表1 植物的品種、科屬及習(xí)性

該鈾尾礦區(qū)植物組成與其他重金屬礦區(qū)的植物[17-19]相比，表現(xiàn)出了礦區(qū)植物的共性，即以草本為主，灌木或喬木較少，禾本科和菊科植物較多，植物資源較為貧乏，植物群落較為簡(jiǎn)單。分析其形成原因如下：1) 由于該礦區(qū)是放射性重金屬尾礦，放射性強(qiáng)，來(lái)往的人口及動(dòng)物極少，植物種子的傳入很難；2) 由于要防止污染附近環(huán)境，每置入一些鈾尾礦砂，就會(huì)在上面覆蓋一些黏土以降低環(huán)境放射性，這樣加大了植物的存活難度。

3.2 鈾尾礦庫(kù)區(qū)土壤基本性質(zhì)與污染情況

pH計(jì)測(cè)定結(jié)果顯示，礦區(qū)土壤的pH值為5～7，略偏酸性。土壤中有機(jī)質(zhì)含量約為18～19 mg/kg，不同采樣點(diǎn)的鈾含量均在20～40 mg/kg之間，大多在30 mg/kg左右。而我國(guó)土壤鈾含量背景值為2.79 mg/kg[20]，世界土壤自然背景值為2.0 mg/kg，地殼豐度自然背景值為2.7 mg/kg[21]，由此可見(jiàn)該尾礦區(qū)土壤鈾含量遠(yuǎn)超出一般土壤背景值，鈾污染較為嚴(yán)重。

3.3 植物對(duì)鈾的富集及生物遷移特征

通過(guò)對(duì)各植物地上部分和地下部分鈾含量的測(cè)定，得到該尾礦區(qū)鈾在31種植物中的分布情況，如圖1所示。

圖1 31種植物地下部分和地上部分組織鈾含量

地上部分鈾含量高的植物有水莎草、牧草、燕麥、鼠曲草，其次是龍葵、鹽膚木、井欄邊草、枸骨、狗尾草和鳳尾蕨，其他種類(lèi)地上部分鈾含量較低，均在130 mg/kg以下。

地下部分鈾含量高的有水莎草、小飛蓬、畫(huà)眉草，均在400 mg/kg以上，其次是狗尾草、井欄邊草、牧草、碎米莎草、矮蒲葦、茵陳蒿、鹽膚木、枸骨，其他種類(lèi)地下部分鈾含量均在200 mg/kg以下。

生物富集系數(shù)(BCF)是反映植物將重金屬吸收轉(zhuǎn)移到體內(nèi)能力大小的指標(biāo)[22]。由于本研究是對(duì)尾礦區(qū)受污染土壤和植物的鈾含量測(cè)定，不能完全準(zhǔn)確測(cè)定土壤污染殘留量，所以不能準(zhǔn)確計(jì)算出每種植物的生物富集系數(shù)。但從鈾濃度上分析，土壤鈾含量平均值為30 mg/kg，而有些植物鈾含量遠(yuǎn)超過(guò)該值，并且部分植物種類(lèi)單株植物生物量較大，從而提高了從土壤中吸收鈾的效率，具有修復(fù)潛能。如生物富集量較高的有水莎草、牧草、狗尾草、鹽膚木、井欄邊草、枸骨?？傮w來(lái)說(shuō)，富集量在200 mg/kg以上的有14種，占總數(shù)的45%，其中富集量在600 mg/kg以上的有3種，分別是水莎草、牧草、小飛蓬。

遷移系數(shù)(TF)是植物地上部和根部重金屬含量的比值(以干重計(jì))，可以體現(xiàn)植物從根部向地上部分運(yùn)輸?shù)哪芰Γ琓F 是超富集植物的一個(gè)重要指標(biāo)，超富集植物的TF應(yīng)大于1。植物的TF越大，修復(fù)效果越好[23]。由圖1可見(jiàn)，植物遷移系數(shù)較高的有燕麥、牧草、鼠曲草、青蒿、葎草、龍葵、水蜈蚣、牛筋草、水莎草，均大于1。

3.4 該鈾尾礦區(qū)植物對(duì)鈾的積累特征比較分析

本研究中土壤鈾含量背景值均在20～40 mg/kg之間，大多在30 mg/kg左右。與其他研究相比，土壤背景值不是很高。但水莎草地上部分對(duì)鈾的積累量達(dá)967.67 mg/kg，地下部分達(dá)879.45 mg/kg，地上部分含量大于地下部分，遷移系數(shù)為1.1。牧草地上部分對(duì)鈾的積累量達(dá)720.89 mg/kg，地下部分達(dá)338.13 mg/kg，地上部分含量大于地下部分，遷移系數(shù)為2.13。小飛蓬地上部分對(duì)鈾的積累量53.41 mg/kg，地下部分達(dá)609.95 mg/kg，地上部分含量小于地下部分，遷移系數(shù)為0.09。

根據(jù)超富集植物篩選原則，合適的超富集植物，必須具有較高的植物生物量、較大的生物富集量，生物地下到地上部分的遷移系數(shù)大于1，而且越高越好[24]。

可見(jiàn)水莎草、牧草和小飛蓬對(duì)鈾都有較強(qiáng)的積累作用，尤其是水莎草和牧草還具有地上部分鈾含量大于地下部分的特點(diǎn)(遷移系數(shù)大于1)，符合鈾超積累植物特征，可用作鈾超積累植物，應(yīng)用于生態(tài)修復(fù)。而小飛蓬雖對(duì)鈾有較大的積累，但主要在根部，而地上部分較少，遷移系數(shù)低，不能用作鈾超積累植物，但若能通過(guò)其他方法提高其鈾的遷移能力，在鈾污染土壤修復(fù)上也能發(fā)揮一定作用。

鹽膚木和枸骨作為該尾礦區(qū)少有的幾種喬灌木，能正常生長(zhǎng)，可見(jiàn)其耐鈾能力強(qiáng)，且根部對(duì)鈾有較高的積累作用，地上生物量大，若能通過(guò)其他方法提高其鈾遷移系數(shù)，則其在鈾污染土壤生態(tài)修復(fù)中將會(huì)有非常重要的意義。

總體來(lái)說(shuō)，草本植物對(duì)鈾的富集作用大于木本植物，這與徐輝等[25]對(duì)放射性核素钚的植物吸收研究結(jié)果一致。對(duì)鈾富集植物科屬比較發(fā)現(xiàn)，莎草科植物富集能力最強(qiáng)，如水莎草、碎米莎草、水蜈蚣的鈾含量均很高，這與聶小琴等[26]的研究結(jié)果一致，說(shuō)明莎草科植物對(duì)鈾有很好的耐受性和潛在的富集能力。

本研究中的其他植物如燕麥、鼠曲草、碎米莎草、龍葵等對(duì)鈾也有一定的富集作用，在污染土壤修復(fù)上具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，可進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

1) 該鈾尾礦區(qū)共有高等植物31種，分屬于12科。其中禾本科最多，有12種，其次是菊科，5種；鳳尾蕨科和莎草科各有3種；其他科每科1種。一年生或多年生草本植物28種，占總數(shù)的90.3%。該區(qū)植物群落形成年代不久，植物種類(lèi)較少，群落結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。與其他重金屬礦區(qū)相比，該礦區(qū)植物資源較為貧乏，植物群落較為簡(jiǎn)單，但也體現(xiàn)了礦區(qū)植物的共性，以草本為主，灌木或喬木較少，禾本科和菊科植物較多。

2) 植物各組織(地上部分和地下部分)間鈾積累量差異較明顯，其中地上部分鈾含量較高的植物有水莎草、牧草、燕麥、鼠曲草；地下部分鈾含量高的有水莎草、小飛蓬、畫(huà)眉草，鈾含量均在400 mg/kg以上。植物遷移系數(shù)大于1的有燕麥、牧草、鼠曲草、青蒿、葎草、龍葵、水蜈蚣、牛筋草、水莎草。

3) 水莎草和牧草的地上部分和地下部分鈾含量都很高，且遷移系數(shù)均大于1，可考慮將其作為鈾超富集植物進(jìn)一步研究，例如如何提高其地上生物產(chǎn)量及生物遷移系數(shù)等。

4) 小飛蓬、鹽膚木、枸骨、燕麥、鼠曲草、碎米莎草、龍葵等對(duì)鈾的積累都有較強(qiáng)作用，對(duì)鈾污染土壤修復(fù)具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，可進(jìn)一步研究。

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