土壤中放射性核素的生物效應(yīng)和生物修復(fù)

1、土壤中放射性核素的生土壤中放射性核素的生物效應(yīng)和生物修復(fù)物效應(yīng)和生物修復(fù)學(xué)校：東華理工大學(xué)學(xué)院：水資源與環(huán)境工程學(xué)號(hào)：20080111土壤中放射性核素的生物效應(yīng)和生物修復(fù)土壤中放射性核素的生物效應(yīng)1 土壤放射性污染的來(lái)源2土壤放射性污染的環(huán)境生態(tài)效應(yīng)3土壤放射性污染的生物修復(fù)4 展望土壤中放射性核素的生物效應(yīng)和生物修復(fù)1 土壤放射性污染的來(lái)源 1.大氣層核試驗(yàn) 大氣層核試驗(yàn)產(chǎn)生的放射性塵埃是迄今土壤環(huán)境的主要放射性污染源。核試驗(yàn)爆炸和核泄漏事故可大面積污染土壤,使具有長(zhǎng)期殘存的放射性核素137s、90r在土壤中存在。1970年以前,全世界大氣層核試驗(yàn)進(jìn)入大氣平流層的90Sr達(dá)到5.761017

2、y,其中97%已沉降到地面,這相當(dāng)于核工業(yè)后處理廠排放90r的1萬(wàn)倍以上。核工業(yè)與核試驗(yàn)過(guò)程中排放的廢水、廢氣和廢渣,也是造成土壤環(huán)境放射性污染的一個(gè)原因。在美國(guó),地下掩埋的放射性廢物(31063)污染了約71073的地表土壤、31093的地下水。土壤中放射性核素的生物效應(yīng)和生物修復(fù)1 土壤放射性污染的來(lái)源 2.礦物中的放射性物質(zhì) 除作為核燃料原料的含鈾礦物以外,煤、石油、泥炭、天然氣、地?zé)崴?或蒸汽)和某些礦砂中的鈾含量較高,其開(kāi)采、冶煉和應(yīng)用過(guò)程中也會(huì)釋放放射性廢物到環(huán)境中去,給土壤環(huán)境帶來(lái)一定污染。燃煤中可能存在的放射性核素絕大部分是以空氣沉降物的形式進(jìn)入土壤與河流沉積物中。土壤中放射性

3、核素的生物效應(yīng)和生物修復(fù)1 土壤放射性污染的來(lái)源 3.化肥中的放射性物質(zhì) 化肥原料中攜帶放射性核素,化肥的施用將放射性元素?cái)U(kuò)散到廣大農(nóng)田環(huán)境,自然界的磷礦石中常伴生鈾、釷、鐳等天然放射性元素,磷肥生產(chǎn)過(guò)程中,鈾和磷一起進(jìn)入磷肥。在美國(guó)一些州施用磷肥80年的土壤中,238的濃度提高了1倍。鉀肥中含有放射性核素40,鉀是動(dòng)、植物必需的營(yíng)養(yǎng)元素,很容易通過(guò)食物鏈在人體內(nèi)積累。我國(guó)20世紀(jì)90年代初的鉀肥消耗量約1 500(2)-1,估計(jì)進(jìn)入農(nóng)田的40放射性總強(qiáng)3.71013-1。粉煤灰作為土壤改良劑施用,亦會(huì)將放射性污染物質(zhì)帶進(jìn)土壤,粉煤灰施用量達(dá)675-2時(shí),土壤中的放射性核素236和238的比活

4、度分別為對(duì)照的3.56倍和2.60倍。 土壤中放射性核素的生物效應(yīng)和生物修復(fù)2 土壤放射性污染的環(huán)境生態(tài)效應(yīng) 土壤放射性污染危及農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。土壤環(huán)境中最危險(xiǎn)的放射性物質(zhì)是137和90,其化學(xué)性質(zhì)與生命必需元素和相似,進(jìn)入生物和人體后,在一定部位積累,增加人體的放射輻射,引起三致(致畸、致癌、致突變)變化。 土壤中放射性核素會(huì)引起土壤生物種群區(qū)系成分的改變、生物群落結(jié)構(gòu)的變化。 急性輻射脅迫常常導(dǎo)致環(huán)境中的敏感植物受傷。如松樹(shù)是對(duì)輻射最為敏感的物種之一,在200內(nèi)接受300(3)劑量的射線輻射后,所有濕地松樣本在其后的幾個(gè)月內(nèi)相繼死亡;接受800(8)劑量、樹(shù)齡小于5年的長(zhǎng)葉松(.)樣本

5、也全部死亡;較大樹(shù)齡的長(zhǎng)葉松在200內(nèi)接受照射劑量2 800(28)后,幾個(gè)月內(nèi)也全部死亡。土壤中放射性核素的生物效應(yīng)和生物修復(fù)3土壤放射性污染的生物修復(fù) 目前已有的是工程與化學(xué)相結(jié)合的方法,將污染土壤從污染位點(diǎn)轉(zhuǎn)移,然后用分散劑和螯合劑進(jìn)行處理。該方法需要?jiǎng)佑么笮驮O(shè)備,處理費(fèi)用高,很少有人用這一技術(shù)處理大面積低濃度的放射性核素污染,該方法一般僅用于難以進(jìn)行生物處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,這為植物與微生物修復(fù)技術(shù)的實(shí)施提供可能。適于植物修復(fù)技術(shù)的低放核素有137、90、3及的同位素。低放核素的生物修復(fù)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、轉(zhuǎn)

6、化環(huán)境中放射性核素。 分為：植物修復(fù) 微生物修復(fù)土壤中放射性核素的生物效應(yīng)和生物修復(fù)植物修復(fù) 植物可從污染土壤中吸收積累大量的放射性核素,吸收量因核素與植物種類而異。植物也可阻礙放射性物質(zhì)傳播和輻射,特別是對(duì)放射性塵埃有明顯的吸收與過(guò)濾作用。森林植被能有效吸收和過(guò)濾放射性物質(zhì),且闊葉林凈化放射性散落物能力和速度優(yōu)于針葉林。植物吸收放射性核素的主要途徑為大氣干濕降與土壤顆粒在植物體表面的黏附及植物根系吸收。沉降在植物體表的放射性核素可被植物葉片吸附、吸收,轉(zhuǎn)移至植物體內(nèi)的其他部分。植物根系是吸收土壤中放射性核素的主要途徑,通過(guò)種植富集放射性核素的植物,結(jié)合收集處理植物技術(shù),可降低土壤中放射性污染

7、物。土壤中放射性核素的生物效應(yīng)和生物修復(fù)植物修復(fù)技術(shù) (1)植物萃取技術(shù) 本質(zhì)是通過(guò)植物的光合作用，將分散在土壤中的污染物泵吸出來(lái)，轉(zhuǎn)移到植物地上莖葉部位，最后通過(guò)收獲植物地上器官并處理這些器官達(dá)到環(huán)境治理、變廢為寶的目的。收獲植物中的放射性元素還可以回收利用。植物提取技術(shù)利用的是一些對(duì)放射性元素具有較強(qiáng)富集能力的特殊超積累植物。土壤中放射性核素的生物效應(yīng)和生物修復(fù)植物修復(fù)技術(shù) (2）植物蒸發(fā)技術(shù) 本質(zhì)是通過(guò)植物的光合作用，將分散在土壤中的污染物泵吸出來(lái)，轉(zhuǎn)移到植物地上莖葉部位，最后通過(guò)收獲植物地上器官并處理這些器官達(dá)到環(huán)境治理、變廢為寶的目的。收獲植物中的放射性元素還可以回收利用。植物提取技

8、術(shù)利用的是一些對(duì)放射性元素具有較強(qiáng)富集能力的特殊超積累植物。土壤中放射性核素的生物效應(yīng)和生物修復(fù)植物修復(fù)技術(shù) (3)植物固化技術(shù) 通過(guò)耐高含量污染、根系發(fā)達(dá)的多年生常綠植物,固定土壤中放射性污染物,減少其危害性。此法未將土壤中放射性污染物去除,只是暫時(shí)將其固定,一旦環(huán)境條件發(fā)生變化,放射性核素的生物可利用性可能隨之改變。土壤中放射性核素的生物效應(yīng)和生物修復(fù)影響植物修復(fù)的因素（1）放射性核素的形態(tài)與性質(zhì),溶解態(tài)的陽(yáng)離子遷移能力小,難溶態(tài)的氧化物或沉淀不易被土壤黏粒吸附。不同氧化價(jià)態(tài)的核素,植物吸收能力不同,一般放射性核素粒徑越小越易被植物吸收。（2）植物種類,研究表明12種植物對(duì)鈾的吸收積累能力

9、,發(fā)現(xiàn)不同植物對(duì)鈾的積累能力存在很大差異。評(píng)價(jià)了放射性污染的土壤中放射性核素植物濃縮的潛能,維管植物有較高的99c（锝)攝取能力,99有較強(qiáng)的嫩枝轉(zhuǎn)移和積累趨勢(shì)。 （3)土壤性質(zhì),土壤因子影響放射性核素的植物可得性,土壤黏粒礦物質(zhì)含量、有機(jī)質(zhì)含量及類型、陽(yáng)離子交換量和土壤水分狀況都會(huì)影響植物對(duì)放射性污染物的吸收。土壤離子交換能力越強(qiáng),植物對(duì)放射性核素的吸收能力越大。土壤中有機(jī)質(zhì)含量越高,植物吸收和積累的放射性核素含量越多。影響植物吸收、轉(zhuǎn)移土壤中的鈾,陽(yáng)離子交換、堿基飽和度直接影響137和90在土壤中的行為。土壤水分對(duì)植物吸收積累放射性核素也有影響,水分直接影響植物自身長(zhǎng)勢(shì)及污染物在體內(nèi)的分布

10、。土壤中放射性核素的生物效應(yīng)和生物修復(fù)影響植物修復(fù)的因素（4）施肥措施,137與90分別同和具有相似的化學(xué)性質(zhì),在137污染的土壤中大量施用鉀肥會(huì)減少植物對(duì)137的吸收。NH4+可在吸附位上取代137,使137溶入土壤中,因此修復(fù)放射污染土壤時(shí)勿用銨肥。土壤中施入鈣、磷肥會(huì)抑制植物對(duì)90的吸收。施肥措施還會(huì)間接影響修復(fù)土壤的肥力及植物生長(zhǎng),缺土壤中增施氮肥,可促進(jìn)植物根系生長(zhǎng),增加根系密度,從而間接促進(jìn)植物對(duì)核素吸收。土壤中放射性核素的生物效應(yīng)和生物修復(fù)微生物修復(fù) 由于微生物個(gè)體小,有相對(duì)大的比表面積,可以分解轉(zhuǎn)化很多污染物,微生物對(duì)放射性核素的吸收起著重要作用。開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的微生物修復(fù)技術(shù)來(lái)

11、治理土壤放射性污染,愈來(lái)愈受到科學(xué)家的關(guān)注。土壤中放射性核素的生物效應(yīng)和生物修復(fù)微生物修復(fù)機(jī)理1.微生物吸收作用 微生物生長(zhǎng)除需、a、a、g等常規(guī)元素外,還需一些具特殊生理功能的微量元素,如參與維生素12合成及植物與微生物共生固氮作用。137與化學(xué)性質(zhì)相似,通過(guò)交換吸收將137固定在微生物體內(nèi)。用放射自顯影技術(shù)從137污染土壤中分離出3株能大量積累137的微生物,其中兩株是枝孢霉菌.和桿狀菌芽孢桿菌,另一株是未被鑒定的革蘭氏陰性菌。微生物K+137s土壤中放射性核素的生物效應(yīng)和生物修復(fù)微生物修復(fù)機(jī)理2.微生物吸附作用 微生物表面(細(xì)胞壁和黏液層)可直接吸附固定放射性核素。如土壤真菌對(duì)放射性核素

12、具有一定吸附能力,可以利用土壤真菌將放射性核素固定在表土中,以防地下水污染。野外和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)皆證實(shí),菌絲可富集核素并最終將核素移至果實(shí)體中,可通過(guò)收獲果實(shí)體來(lái)提取放射性核素。微生物土壤中放射性核素的生物效應(yīng)和生物修復(fù)微生物修復(fù)機(jī)理3.微生物轉(zhuǎn)化作用 微生物影響放射性核素的生物可得性,土壤微生物對(duì)環(huán)境中放射性核素的活化與固定起重要作用,菌根菌是土壤中大量存在的微生物,與植物形成共生關(guān)系,在植物吸收放射性核素中扮演著重要角色。如巴哈雀稗，宿根高粱，和柳枝稷自身能吸收土壤中137和90,但接種菌根真菌摩西球囊霉和根內(nèi)球囊霉后,能增加每種草的地上部生物量和器官中137和90的濃度與積聚率,尤其以摩西球

13、囊霉接種宿根高粱效果最為明顯。不同菌根對(duì)植物吸收放射性核素的影響不同,植物受到石南型菌根侵染后對(duì)137吸收能力下降。外生菌根可明顯降低挪威云杉幼苗對(duì)137和90的吸收。植物的根放射性核素微生物土壤中放射性核素的生物效應(yīng)和生物修復(fù)微生物修復(fù)放射性污染的研究 奇球菌科微生物是迄今為止所發(fā)現(xiàn)細(xì)菌中輻射耐受性最強(qiáng)的一類細(xì)菌,耐輻射菌Deinococcus radiodurans在超過(guò)15 000的急性輻照下不出現(xiàn)致死或發(fā)生誘變,在慢性輻照下(60-1)能連續(xù)生長(zhǎng),生長(zhǎng)速率和克隆基因表達(dá)不受這種輻照影響。1997年起,人們開(kāi)始探索在輻射條件下耐輻射菌用于生物修復(fù)的可行性,目前發(fā)現(xiàn)了7個(gè)菌株。最近在國(guó)內(nèi)首

14、次分離到1株桿狀耐輻射菌,初步鑒定其歸于奇球菌科。在慢性照射6 000rad-1下其生長(zhǎng)及外源基因表達(dá)不受任何影響,這是該菌可用以修復(fù)放射性污染環(huán)境的基礎(chǔ)。耐輻射菌的基因組具有非常大的可塑性,可將多種不同生物修復(fù)功能的基因引入耐輻射菌細(xì)胞中,構(gòu)建用于放射性污染環(huán)境修復(fù)的基因工程菌。土壤中放射性核素的生物效應(yīng)和生物修復(fù)微生物修復(fù)放射性污染的研究 人們成功地研究了耐輻射菌在高輻射環(huán)境的遺傳系統(tǒng),利用耐輻射菌進(jìn)行環(huán)境修復(fù)是一種具有實(shí)用潛力的手段。篩選、改造對(duì)放射性核素具有抗性并有較強(qiáng)吸收能力的微生物是一個(gè)十分重要的研究方向。利用基因工程技術(shù)定向改變微生物的基因結(jié)構(gòu),可以解除該微生物固有的一些物理、化

15、學(xué)和生理方面的限制,提高微生物對(duì)放射性核素的選擇性、親和力及吸收能力。人們可以通過(guò)培養(yǎng)得到能大量積累放射性核素的微生物,然后投加到受放射性污染的土壤環(huán)境中去,進(jìn)行微生物修復(fù)。土壤中放射性核素的生物效應(yīng)和生物修復(fù)展望 土壤放射性污染對(duì)動(dòng)植物產(chǎn)生一定的輻射效應(yīng),最終危及農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定與人類健康。常規(guī)化學(xué)或物理方法不適用于土壤中低放核素污染物處理,生物修復(fù)以成本低、環(huán)境攪動(dòng)性小等優(yōu)點(diǎn)而備受矚目。植物修復(fù)技術(shù)不僅是一條有效、廉價(jià)的凈化途徑,其技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上優(yōu)于常規(guī)方法技術(shù),微生物修復(fù)技術(shù)去除放射性污染具有實(shí)用潛力。植物修復(fù)目前仍處于起步階段,植物對(duì)放射性核素超常吸收的許多基礎(chǔ)理論問(wèn)題有待深入研究,關(guān)鍵工作仍是篩選出能超量積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術(shù),篩選核素積累植物和超積累植物,將有利于解決土壤放射性核素污染的治理。 土壤中放射性核素的生物效應(yīng)和生物修復(fù)展望 微生物適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)且增殖速度快,利用微生物治理土壤放射性污染有一定優(yōu)勢(shì)。