某铀尾矿区植物组成及其对铀的积累作用研究

谢红艳，胡劲松，殷 杰,，丁德馨

(1.南华大学 药学与生物科学学院，湖南 衡阳 421001；2.南华大学 铀矿冶生物技术国防重点学科实验室，湖南 衡阳 421001)

我国铀矿的开采力度在逐年扩大，在铀矿石的开采和冶炼加工中会产生带有天然放射性核素的固体废物，如铀废渣和尾矿等，它们是不容忽视的放射性污染源，对环境和生态危害严重[1]。铀尾矿沙中含有铀及其全部子体，其放射性核素含量较本底高2～3个数量级，裸露的铀尾矿沙使铀通过流失散布到土壤表面，或通过淋洗而进入地下水，对当地的饮水安全、生态环境等产生重大影响[2]。因此如何清除土壤中的铀是环境治理中重要的课题。考虑到铀及其衰变子体对环境构成的长期、潜在的危害性，如何修复大面积、低比活度铀污染环境已成为各国科技工作者的研究热点。

随着人们对环境保护的日益重视，探索在不破坏生态环境的情况下原位治理放射性铀污染成为必然趋势，植物修复顺应了这种趋势。与传统的修复技术相比，植物修复技术利用的是植物的光合作用,具有投资和维护成本低、操作简便、不造成二次污染等优点，且还有可能通过资源化利用而取得一定经济效益，具有广阔的应用前景，因而越来越受到各国科研人员的广泛重视和青睐[3]。近年来，对环境放射性污染进行植物修复已成为国际放射性污染治理的研究热点之一[4-6]，且前景十分看好[7]。

已经发现的超积累植物有400余种，分布于45个植物科属[8]，大多属于十字花科植物，多数在国外，且主要是对重金属Ni、Zn、Pb、Cr、Cd、Ni、Zn、Cu的吸收很好，而对放射性核素能较好吸收的植物较少[9-11]。因此，对于铀污染环境的植物修复技术研究，继续寻找和筛选更多的铀(超)积累本土植物是提高修复效率的物质基础[3]。

本工作拟对南方某铀尾矿区铀污染土壤的植物资源进行调查分析，并对植物各组织的铀含量进行测定，探讨这些植物用于铀矿废弃地生态恢复的可行性，为我国铀污染土壤的植物修复提供基础资料。

1 矿区概况

该尾矿区位于丘陵地带，面积约2.5 km2，处于亚热带气候地带，年均降水量1 300 mm以上，降水分布不均，多集中于春末夏初。年均温度为18 ℃，年均日照时间约为1 400 h 。该地区季节分明，春阴雨低温，盛夏、初秋高温少雨，冬寒期偶有冰雪。

2 材料与方法

2.1 植物资源调查研究方法

利用植物修复污染土壤，首先要求植物对土壤中的污染物具有一定的耐受性，表现为植物在污染土壤中能正常生长发育，并在修复过程中有较高的生物量[12]。所以本文主要针对该尾矿区具有生长优势的植物进行研究。

采用目测多度法、样地法、样线结合法对该铀尾矿区植物资源进行调查研究。先用目测多度法确定植物群落较有优势的区域。经目测发现尾矿区植物群落较有优势的区域有3个，即尾矿区周边路口、中间小水塘周边地带、尾矿中间低洼潮湿区域。然后在每个优势区域间隔选取3个样点，对样点植物种类进行全面统计。对区域和区域之间、样点和样点之间采用样线结合法，沿途统计植物种类。

2.2 样品采集与铀含量测定

1) 样品采集

植物样品的采集：对矿区植物资源组成的调查统计完成后，在3个优势区域的9个样地选取生长旺盛的植株进行采集，对于草本植物全株采集，对于灌木和乔木采集植株部分(根、茎、叶、花和果实)。在利用植物修复重金属污染土壤时，判定一种植物是否为超富集植物，一个重要因素是植株地上部分和根中的重金属浓度之比大于1[13]，因此本研究将各植物样品分为地下部分(根)和地上部分(茎、叶、花和果实)。

土壤样品的采集：在所选的3个优势区域的9个样点分别采集0～20 cm的表层土作为土壤样品。

2) 样品制备与消解

样品制备：将采集的植物样品用自来水洗净后，再用超纯水冲洗3次，沥去水分，在105 ℃烘箱内杀青30 min，55 ℃下烘至恒重后，用植物粉碎机粉碎，最后过200目筛，置于干燥器中备用。将土壤样品自然风干，并排除外来杂物，置于80 ℃烘箱烘至恒重，粉碎研磨，过200目筛，置于干燥器中备用。

样品消解：样品消解方法参照文献[14]，准确称量0.5 g上述处理过的灰分样品放入聚四氟乙烯管中，再加入5 mL浓HNO3和1 mL HF，采用ETHOS-1型微波消解仪进行消解。消解完成后，将消解液定容至50 mL，待测。植物的铀含量单位为mg/kg(以灰分计)。

3) 样品中铀含量的检测

按照《低品位铀矿石中铀的测定方法》[15]的要求，以三正辛基氧膦为萃取剂，以2-(5-溴-2-吡啶偶氮)-5-乙氨基苯酚作铀的显色剂，用分光光度法测定样品中微量铀的含量。

用pH计测定土壤pH值(水与土的质量比m(水)∶m(土)=2.5∶1)，参考文献[16]测定有机质含量。

3 结果与讨论

3.1 植物资源组成情况

对该铀矿区植物资源的全面调查结果列于表1。由表1可见，尾矿区污染土壤中植物群落较简单，共有高等植物31种，分属于12科。其中禾本科最多，12种，占总数的38.7%；其次是菊科，5种，占总数的16.1%；凤尾蕨科和莎草科各3种；其他科每科1种。植物习性方面，一年生草本或多年生草本植物28种，占总数的90.3%，其他3种为灌木或小乔木。

分析发现该尾矿区植物以自然定居种为主，多为先锋植物，少见人工栽培种。群落结构上，以1～2年生或多年生草本为主，伴有少量小乔木或灌木。乔木树种主要为阳性耐旱先锋植物，如盐肤木、枸骨、大青等，说明该区植物群落形成年限不长，且植物种类较少，群落结构不稳定。

表1 植物的品种、科属及习性

该铀尾矿区植物组成与其他重金属矿区的植物[17-19]相比，表现出了矿区植物的共性，即以草本为主，灌木或乔木较少，禾本科和菊科植物较多，植物资源较为贫乏，植物群落较为简单。分析其形成原因如下：1) 由于该矿区是放射性重金属尾矿，放射性强，来往的人口及动物极少，植物种子的传入很难；2) 由于要防止污染附近环境，每置入一些铀尾矿砂，就会在上面覆盖一些黏土以降低环境放射性，这样加大了植物的存活难度。

3.2 铀尾矿库区土壤基本性质与污染情况

pH计测定结果显示，矿区土壤的pH值为5～7，略偏酸性。土壤中有机质含量约为18～19 mg/kg，不同采样点的铀含量均在20～40 mg/kg之间，大多在30 mg/kg左右。而我国土壤铀含量背景值为2.79 mg/kg[20]，世界土壤自然背景值为2.0 mg/kg，地壳丰度自然背景值为2.7 mg/kg[21]，由此可见该尾矿区土壤铀含量远超出一般土壤背景值，铀污染较为严重。

3.3 植物对铀的富集及生物迁移特征

通过对各植物地上部分和地下部分铀含量的测定，得到该尾矿区铀在31种植物中的分布情况，如图1所示。

图1 31种植物地下部分和地上部分组织铀含量

地上部分铀含量高的植物有水莎草、牧草、燕麦、鼠曲草，其次是龙葵、盐肤木、井栏边草、枸骨、狗尾草和凤尾蕨，其他种类地上部分铀含量较低，均在130 mg/kg以下。

地下部分铀含量高的有水莎草、小飞蓬、画眉草，均在400 mg/kg以上，其次是狗尾草、井栏边草、牧草、碎米莎草、矮蒲苇、茵陈蒿、盐肤木、枸骨，其他种类地下部分铀含量均在200 mg/kg以下。

生物富集系数(BCF)是反映植物将重金属吸收转移到体内能力大小的指标[22]。由于本研究是对尾矿区受污染土壤和植物的铀含量测定，不能完全准确测定土壤污染残留量，所以不能准确计算出每种植物的生物富集系数。但从铀浓度上分析，土壤铀含量平均值为30 mg/kg，而有些植物铀含量远超过该值，并且部分植物种类单株植物生物量较大，从而提高了从土壤中吸收铀的效率，具有修复潜能。如生物富集量较高的有水莎草、牧草、狗尾草、盐肤木、井栏边草、枸骨。总体来说，富集量在200 mg/kg以上的有14种，占总数的45%，其中富集量在600 mg/kg以上的有3种，分别是水莎草、牧草、小飞蓬。

迁移系数(TF)是植物地上部和根部重金属含量的比值(以干重计)，可以体现植物从根部向地上部分运输的能力，TF 是超富集植物的一个重要指标，超富集植物的TF应大于1。植物的TF越大，修复效果越好[23]。由图1可见，植物迁移系数较高的有燕麦、牧草、鼠曲草、青蒿、葎草、龙葵、水蜈蚣、牛筋草、水莎草，均大于1。

3.4 该铀尾矿区植物对铀的积累特征比较分析

本研究中土壤铀含量背景值均在20～40 mg/kg之间，大多在30 mg/kg左右。与其他研究相比，土壤背景值不是很高。但水莎草地上部分对铀的积累量达967.67 mg/kg，地下部分达879.45 mg/kg，地上部分含量大于地下部分，迁移系数为1.1。牧草地上部分对铀的积累量达720.89 mg/kg，地下部分达338.13 mg/kg，地上部分含量大于地下部分，迁移系数为2.13。小飞蓬地上部分对铀的积累量53.41 mg/kg，地下部分达609.95 mg/kg，地上部分含量小于地下部分，迁移系数为0.09。

根据超富集植物筛选原则，合适的超富集植物，必须具有较高的植物生物量、较大的生物富集量，生物地下到地上部分的迁移系数大于1，而且越高越好[24]。

可见水莎草、牧草和小飞蓬对铀都有较强的积累作用，尤其是水莎草和牧草还具有地上部分铀含量大于地下部分的特点(迁移系数大于1)，符合铀超积累植物特征，可用作铀超积累植物，应用于生态修复。而小飞蓬虽对铀有较大的积累，但主要在根部，而地上部分较少，迁移系数低，不能用作铀超积累植物，但若能通过其他方法提高其铀的迁移能力，在铀污染土壤修复上也能发挥一定作用。

盐肤木和枸骨作为该尾矿区少有的几种乔灌木，能正常生长，可见其耐铀能力强，且根部对铀有较高的积累作用，地上生物量大，若能通过其他方法提高其铀迁移系数，则其在铀污染土壤生态修复中将会有非常重要的意义。

总体来说，草本植物对铀的富集作用大于木本植物，这与徐辉等[25]对放射性核素钚的植物吸收研究结果一致。对铀富集植物科属比较发现，莎草科植物富集能力最强，如水莎草、碎米莎草、水蜈蚣的铀含量均很高，这与聂小琴等[26]的研究结果一致，说明莎草科植物对铀有很好的耐受性和潜在的富集能力。

本研究中的其他植物如燕麦、鼠曲草、碎米莎草、龙葵等对铀也有一定的富集作用，在污染土壤修复上具有潜在的应用价值，可进一步研究。

4 结论

1) 该铀尾矿区共有高等植物31种，分属于12科。其中禾本科最多，有12种，其次是菊科，5种；凤尾蕨科和莎草科各有3种；其他科每科1种。一年生或多年生草本植物28种，占总数的90.3%。该区植物群落形成年代不久，植物种类较少，群落结构不稳定。与其他重金属矿区相比，该矿区植物资源较为贫乏，植物群落较为简单，但也体现了矿区植物的共性，以草本为主，灌木或乔木较少，禾本科和菊科植物较多。

2) 植物各组织(地上部分和地下部分)间铀积累量差异较明显，其中地上部分铀含量较高的植物有水莎草、牧草、燕麦、鼠曲草；地下部分铀含量高的有水莎草、小飞蓬、画眉草，铀含量均在400 mg/kg以上。植物迁移系数大于1的有燕麦、牧草、鼠曲草、青蒿、葎草、龙葵、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铀含量都很高，且迁移系数均大于1，可考虑将其作为铀超富集植物进一步研究，例如如何提高其地上生物产量及生物迁移系数等。

4) 小飞蓬、盐肤木、枸骨、燕麦、鼠曲草、碎米莎草、龙葵等对铀的积累都有较强作用，对铀污染土壤修复具有潜在的应用价值，可进一步研究。

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