土壤放射性核素的來源與遷移

1、土壤放射性核素的來源與遷移放射性是某些元素原子核裂變是發(fā)生的能量以電磁放射或 快速粒子形式進(jìn)行的釋放過程， 而元素的同位素物質(zhì)可散發(fā)射線 的稱為放射性核素。 自然環(huán)境中存在許多放射性核素， 包括天然 放射性核素（40K、238U和232Th等）和人為放射性核素（主要 有 137Cs、 134Cs、 90Sr、 240Pu、 131I 等）。天然放射性核素所 造成的人體內(nèi)照射劑量和外照射劑量都很低， 它們不影響人類的 正常生活?？墒牵S著核技術(shù)尤其是核電站的迅猛發(fā)展，不可避 免地產(chǎn)生了大量放射性廢物， 這些廢物中的核素衰變引起電離輻 射造成了人體多種疾病，對(duì)人類的危害極大。目前，核廢物處置方法主

2、要是深度地質(zhì)處置， 即將放射性廢 物處置庫建造在深度地質(zhì)層中， 使用工程的和天然的多層屏障將 廢物隔離起來 1 。可是，隨著時(shí)間的推移，多層屏障必將遭到 破壞，廢物中的各種放射性核素就會(huì)或多或少地隨著地下水流或 巖石裂隙從地下廢物庫中擴(kuò)散、 遷移到巖層或土層中。 土壤作為 環(huán)境的重要組成部分， 其中的放射性核素的遷移大大影響到其他 圈層中核素的含量與分布。 因此，了解土壤中放射性核素的來源 以及其遷移規(guī)律對(duì)指導(dǎo)放射性污染的治理有重要意義。1 土壤放射性核素的來源1.1 成土母質(zhì) “原生放射性核素”指的是在地球形成期間出現(xiàn)的原子序數(shù)大于 83 的放射性核素，這些放射性核素一般分為鈾系、釷系和錒系

3、三個(gè)系列，它們通過放射性衰變，產(chǎn)生大量a、B和丫射線，對(duì)地球環(huán)境產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。其中具有足夠長(zhǎng)半衰期，以 致至今仍能探測(cè)到，并意義重大的有40K、238U和232Th。鈾和釷還能通過衰變產(chǎn)生一系列的放射性子代系列。 這些放射性核素 廣泛地存在于自然界中， 并主要貯存于巖石圈中。 研究表明地殼 中的巖石大部分都含有鈾和釷2，238U、232Th含量以巖漿巖 最高，變質(zhì)巖次之，沉積巖最低；40K含量也以巖漿巖為最高，但以變質(zhì)巖最低。其中花崗巖中 238U、232Th含量較高，而我國 花崗巖出露廣泛， 這是我國土壤中天然放射性核素含量較高的原 因之一。1.2 核能利用1.2.1 核爆炸 核爆炸所產(chǎn)生

4、的放射性落下灰是迄今土壤環(huán)境的主要放射 性污染源， 對(duì)生物圈影響深遠(yuǎn)。 核爆炸時(shí)大約有 170 種放射性同 位素被帶到對(duì)流層中，其中主要是U和Pu的裂變產(chǎn)物 。它們 首先會(huì)對(duì)其爆炸中心周圍的土壤產(chǎn)生較大影響， 進(jìn)而在風(fēng)和降水 的作用下在全球范圍內(nèi)重新分布， 沉積到土壤環(huán)境中造成放射性 污染。1.2.2 核工業(yè) 核能生產(chǎn)包括鈾礦開采、礦石加工、鈾燃料生產(chǎn)、反應(yīng)堆動(dòng)力生產(chǎn)、 放射性物質(zhì)的運(yùn)輸和廢物處置等一系列工業(yè)流程， 所有 這些環(huán)節(jié)都有可能造成環(huán)境的放射性污染。1.3 磷鉀肥的使用 化肥中的磷肥和鉀肥都不同程度的含有放射性核素，因此， 施用化肥可能會(huì)引起環(huán)境放射性增加。 盡管如此， 許多研究資料

5、 報(bào)道含鉀磷肥料的使用短期內(nèi)不會(huì)對(duì)農(nóng)田、環(huán)境造成明顯污染。 據(jù)王少仁研究4,由于土壤有機(jī)質(zhì)能夠?qū)?a、B造成屏蔽作 用，在使用含鉀磷肥料時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)提高，甚至出現(xiàn)了土壤a、 B減弱的現(xiàn)象。然而由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需要大量的化肥，長(zhǎng)期使 用還是會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。1.4 煤炭物質(zhì)的使用燃煤及燃煤發(fā)電廠也是環(huán)境中放射性核素增加原因之一。 煤 在形成過程中經(jīng)過復(fù)雜的物理化學(xué)和地質(zhì)作用， 不同程度的伴生 有 40K、 238U、 226Ra、 230Pb、 232Th 等天然放射性核素。據(jù)吳 錦海等研究表明 5 ，煤燃燒后放射性物質(zhì)在煤灰中濃集，其中 總a比放射性為原煤的 315倍，238U為24

6、倍，232Th為3 10 倍。如今，燃煤電廠排泄堆放的煤灰渣已成為城市一個(gè)潛在 的核污染隱患 9 。1.5 放射性同位素的生產(chǎn)和應(yīng)用隨著放射性同位素在工業(yè)、 農(nóng)業(yè)、 醫(yī)學(xué)和科研等方面的廣泛 使用，其產(chǎn)生的放射性廢物種類和數(shù)目越來越大。 其中在醫(yī)學(xué)上 應(yīng)用產(chǎn)生的核素較多，主要是 198Au 1311、32P等。2 放射性核素在土壤中的遷移研究2.1 研究方法及研究動(dòng)態(tài)土壤中核素遷移一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)， 主要的研究 方法有：實(shí)驗(yàn)室模擬、 野外現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和直接針對(duì)核事故的核素遷 移調(diào)查及研究等。現(xiàn)今對(duì)土壤放射核素遷移研究主要涉及： 研究核素從土壤中 向不同的動(dòng)植物遷移及其影響因素； 不同生態(tài)系

7、統(tǒng)的核素的遷移 規(guī)律及其放射性水平； 137Cs 及 85Sr 在土壤中的遷移規(guī)律；微 生物對(duì)核素遷移轉(zhuǎn)化的影響等。 我國學(xué)者主要以黃土為介質(zhì)進(jìn)行 核素（主要是137Cs、85Sr和60Co）在地質(zhì)介質(zhì)中的遷移實(shí)驗(yàn) 研究，取得了許多成果，其中，據(jù)李書紳 6 等研究表明，廣泛 分布于全世界的黃土水分滲透系數(shù)很小， 對(duì)放射性核素吸附能力 很強(qiáng)，是放射性廢物處置場(chǎng)良好的候選場(chǎng)址。此外，由于低中放 射性廢物中含有許多有機(jī)成份，如離子交換樹脂、草酸、檸檬酸 以及纖維等， 因此也有學(xué)者研究了有機(jī)化合物和微生物對(duì)核素遷 移的影響。在對(duì)土壤腐殖酸對(duì)核素遷移影響的研究中也發(fā)現(xiàn)了腐 殖酸對(duì)金屬離子的絡(luò)合作用和還原

8、作用極大地影響了放射性核 素的遷移。2.2 核素在土壤中遷移的影響因素2.2.1 腐殖質(zhì)的影響腐殖質(zhì)極大地影響了放射性核素的遷移， 一般認(rèn)為， 土壤中 腐殖酸含量高， 對(duì)放射性核素處理的容量就大， 使進(jìn)入土壤中的 放射性核素主要積累在土壤中， 而被遷移進(jìn)入地下水以及被植物吸收的部分就少。 而這種影響核素遷移的研究是一個(gè)涉及多學(xué)科 的復(fù)雜課題，目前，無論在理論還是實(shí)踐上都很不完善。盡管如 此，腐殖質(zhì)仍是進(jìn)行核素遷移研究必須考慮的重要影響因素之 一。（1）腐殖質(zhì)與核素的互相作用機(jī)理腐殖質(zhì)是經(jīng)微生物作用后， 在土壤中新形成的一種特殊類型 的高分子有機(jī)物，其性質(zhì)較穩(wěn)定，一般占土壤有機(jī)質(zhì)的5090% 主

9、體為各種腐殖酸及其金屬離子相結(jié)合的鹽類 3 。根據(jù)起溶解 性能，一般分為富里酸、胡敏酸和胡敏素。它們對(duì)金屬離子具有 電荷、吸附、離子交換、緩沖、絡(luò)合和生理活性等作用，因此對(duì) 放射性核素在土壤中的遷移具有很大的影響。（2）影響因素 實(shí)際上，腐殖酸不僅可以因絡(luò)合作用和還原作用改變放射性 核素的化學(xué)狀態(tài)，而且可以改變吸附劑膠體的穩(wěn)定性和表面性 質(zhì)，故腐殖酸對(duì)放射性核素遷移的影響是非常復(fù)雜的， 它既可加 快核素的遷移， 也可阻止核素的遷移， 這取決于它的含量、 種類、 分子量和核素種類與性質(zhì)。 如王旭東等 7 進(jìn)行了腐殖酸對(duì) 237Np 在石英砂柱中遷移的影響研究， 結(jié)果表明一定濃度的腐殖酸能使 23

10、7Np在石英砂柱中的遷移速度加快；但當(dāng)腐殖酸濃度達(dá)到 10mg/L或更高時(shí)，237Np在石英砂柱中的遷移速度不再有顯著變 化。Yoshiaki等8通過實(shí)驗(yàn)研究了 Np在砂土和花崗巖中的遷 移，發(fā)現(xiàn)不同分子量的腐殖質(zhì)對(duì)核素遷移的影響不同， 分子量低 于50000道爾頓的CRL富里酸可使Np在砂土柱中的遷移速度 加快，而分子量為 300000到 1000000道爾頓的 Aldrich- 胡敏酸 則能在一定程度上阻滯 Np 在柱中的遷移。2.2.2 微生物的影響 微生物個(gè)體微小、比表面積大、繁殖快，在自然界中廣泛分 布，甚至可以在受高放射性活度污染的土壤環(huán)境中生存，因此， 微生物對(duì)核素遷移的影響不可

11、低估。 G.Tittel 等9 把微生物的 作用歸結(jié)為六點(diǎn)： 使核廢物型體產(chǎn)生降解； 腐蝕核廢物貯存 罐；破壞回填材料（一種人工屏障）；改變地下水的化學(xué)特 征，如Eh, pH等；使有機(jī)材料降解，以提供核素絡(luò)合劑； 直接攝取核素（移動(dòng)或滯留）。然而，近年來，隨著對(duì)微生物和 核素之間互相作用機(jī)理的深入研究，人們逐漸認(rèn)識(shí)到微生物吸 收、吸附及轉(zhuǎn)化作用對(duì)核素遷移的重要性。（ 1）微生物的吸收作用土壤中微生物生長(zhǎng)代謝除了需要 K、Na Ca、Mg等常規(guī)元素 外，還需要一些具有特殊生理功能的微量元素， 包括一些重金屬 元素。因此，微生物可通過代謝過程將一些核素富集與細(xì)胞內(nèi)。（2）微生物的吸附作用微生物體積

12、微小，在所有生物中具有最大的表面積 /體積比 率，同時(shí)其表面有各種各樣的帶負(fù)電荷的表面功能基團(tuán) （表面反 應(yīng)位），如羧基、磷酰基、羥基等基團(tuán)，因此可吸附各種各樣的 金屬陽離子（包括放射性核素或核廢料元素）。（3）微生物的還原作用事實(shí)上， 自然界中許多核素都具有氧化還原活性， 并且其還原態(tài)的溶解度較小， 因此，微生物還原作用可以降低目標(biāo)核素在 土壤環(huán)境中的溶解度和移動(dòng)性。例如， Fe(III )- 還原細(xì)菌可將 U (VI)(鈾酰離子，UO22+還原成U (IV)(鈾礦，UO2 , 而且活性比較低的還原性產(chǎn)物 U (IV)將在細(xì)胞周質(zhì)的沉淀。在 大多數(shù)中、低放廢物中，238U是一種重要的優(yōu)先控制

13、污染物， 但這些放射性廢物中還存在其他一些錒系元素，包括237Np、241Pu等。Pu (V)/Pu (IV)和 Np (V)/Np (IV)的電位值通 常低于Fe3+/Fe2+的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位值(大約為 0V)，因此， Fe(III )- 還原細(xì)菌還原這些核素，這對(duì)核素的遷移是十分重要 的，因?yàn)樗膬r(jià)的錒系元素與配合物結(jié)合的能力強(qiáng)， 它們甚至可以 被固定在含有活性微生物的沉積物里 10 。微生物核素的相互作用對(duì)核素遷移有重要意義， 近年來還 提出利用微生物技術(shù)去除土壤中的放射性核素的方案， 但它們之 間的互相作用是極其復(fù)雜的， 目前這方面的理論與研究都還在起 步階段。3 核素遷移研究的展望 在核素遷移研究中關(guān)注的核素種類多， 研究的介質(zhì)也多， 不 僅有土壤