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，人類對核能的利用、礦產(chǎn)開采、農(nóng)業(yè)化肥的使用都會導(dǎo)致土壤放射性污染，進(jìn)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(diǎn)話題，本文通過對土壤放射性污染進(jìn)行生物技術(shù)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(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，在對核能的利用、礦產(chǎn)資源的開采、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，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;根際過濾

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

引言

放射性元素通過各種途徑進(jìn)入土壤并造成污染，在影響環(huán)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(jìn)行修復(fù)具有重大的意義[1]。人們密切關(guān)注放射性元素對環(huán)境的危害以及治理方法，對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，并對生物技術(shù)修復(fù)的幾種方法進(jìn)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(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源。但是人類對核能的利用、礦產(chǎn)開采、農(nóng)業(yè)化肥的使用都會導(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(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(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，研究人員對蘭州地區(qū)黃河水和自來水樣品檢測結(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害了日本以及中國人民的人身安全[13，14]。

1.1.2 礦產(chǎn)開采造成的環(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，會使礦產(chǎn)中的放射性元素釋放到環(huán)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(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，在使用的過程中放射性物質(zhì)會進(jìn)入土壤。在美國某些地區(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(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大氣和水進(jìn)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(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)中的鈾元素數(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(fù)技術(shù)對比

目前針對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)果見表1。

針對土壤污染面積小、程度嚴(yán)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(fù)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(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對放射性污染的土壤進(jìn)行修復(fù)，這種方法成本低、不會造成二次污染，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)送過程中可能會拋灑，造成污染擴(kuò)散等[28，29]。物理和化學(xué)方法修復(fù)對土壤本身結(jié)構(gòu)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(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(nèi)，再將植物體集中處理，從而達(dá)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(fā)4種主要機(jī)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(jìn)行灰化處理植物根莖葉部分，將污染物進(jìn)行濃縮，并對灰質(zhì)進(jìn)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(zhuǎn)基因植物來提高植物修復(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(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(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 根際過濾技術(shù)

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(shù)，來源于一種水生植物遏制環(huán)境污染的方法。主要是針對濕地和湖泊污染的修復(fù)。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(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從葉面揮發(fā)的過程。較常用于治理3H，氚一般溶于水中通過食物鏈進(jìn)入到人體，對人體造成危害，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，對環(huán)境不會造成二次污染，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)境會對植物的修復(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)也是近年來的熱點(diǎn)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(jī)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(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，微生物通過主動或被動可以將放射性污染元素轉(zhuǎn)化成不活動狀態(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[46，47]。

4 問題和討論

4.1 問題

通過以上對生物修復(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題。目前對縮短生物修復(fù)技術(shù)周期的研究比較少，生物修復(fù)時間周期較長，修復(fù)效率低，對土壤的養(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，還會對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，用污染元素對微生物進(jìn)行培養(yǎng)，使用基因工程來改善所需微生物的結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)和篩選出對環(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)時間和加快修復(fù)速度，可以更快更便捷地對土壤放射性污染進(jìn)行修復(fù)。當(dāng)植物修復(fù)很難進(jìn)行時，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)。

今后在對核能的利用、礦產(chǎn)資源的開采、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，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(jìn)行修復(fù)。

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（責(zé)任編輯 周康）

收稿日期：2020-10-20

基金項目：陜西省土地整治重點(diǎn)實驗室開放基金“污損土地修復(fù)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。