北方某铀矿区野生草本植物的铀富集能力研究

姜晓燕，闫 冬，何映雪，李奕奉，丁库克*

（中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所放射生态学研究室，北京 100088）

北方某铀矿区野生草本植物的铀富集能力研究

姜晓燕，闫 冬，何映雪，李奕奉，丁库克*

（中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所放射生态学研究室，北京 100088）

铀矿开采、冶炼过程中会产生大量的尾矿和废料，加之近年来核能的广泛利用，人类这一系列的活动和行为均可导致铀在环境中富集而产生污染，也是环境中土壤、植物铀污染的重要途径。铀在自然界中不仅存在于矿石岩石、工业废渣废料中，而且还存在于土壤、空气、建筑材料、水(饮用水和工业废水等)和食品中。铀所放射出的α射线，一旦进入体内形成内照射，将对人类健康造成极大的危害。铀尾矿中仍含有一定量的放射性铀，它可对生态环境和人类健康产生一定影响。恰当地处理铀尾矿土壤成为目前研究的热点和环境污染治理亟待解决的问题。目前较多研究集中在利用植物的超富集性[1]和植物修复法[2]达到对环境中放射性核素污染的减少或清除作用方面探讨。植物修复法是利用植物对土壤中重金属的吸收和富集作用，以减少土壤中重金属的含量，具有费用低、重金属再循环好、对修复场地的破坏小等优点。本研究通过野外调查了解北方某铀尾矿库内植物群落生态环境，采集自然生长的优势植物及其根系，同时采集土壤样品，测定植物和土壤中的铀含量，目的是掌握铀矿周边植物中铀含量的基本情况，针对植物对铀的耐受性和富集性能进行植物筛选。研究植物铀富集能力，为矿区土壤铀污染的植物修复提供可靠的实践依据，为进一步探讨利用植物修复技术对铀矿区进行土壤修复的可行性提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 采样点

分别选取北方某铀矿区内矿仓20m处、尾渣库10m处、堆浸50m处和矿区外2 km处作为采样地点，检测土壤中铀(U)含量和矿区自然生长植物的根、茎、叶、花果中铀含量。

1.2 采样方法

对北方某铀矿周边优势植物种中铀含量富集调查取样。在铀矿区进行实地采样，选取3个地点，尾矿库、矿仓、堆选，在2m2范围内，采集常见的野生草本植物如灰菜(Chenopodium album L.)等5种，制作标本，进行植物鉴定，区分根、茎、叶、花、果，同时采集土壤样品。将采集的样品进行前处理后，依据环境样品中微量铀测量方法中的规定进行测量，最后再经过数据处理得出植物不同器官的富集系数或富集率(concentration ratio，CR)，富集系数[3]为元素在植物器官中的含量(mg/kg)/元素在土壤中的含量(mg/kg)，它是指植株地上部分元素含量与土壤中元素含量之比，富集系数是表示元素在土壤-植株系统中迁移的难易程度，可作为植物将核素吸收至地上部分能力大小的评价指标。从而得出铀在从矿区土壤向植物中的累积关系。

1.3 试剂和仪器

硝酸、氢氟酸、高氯酸，均为分析纯，购自北京化工厂。仪器采用美国Thermofisher Scientific公司ELEMENT XR型高分辨电感耦合等离子体质谱分析仪(Inductively C oupled P lasmam ass S pectrometry，ICP-MS)。

1.4 样品处理方法

1.4.1 植物样品 将植物样在60℃下干燥4h后，高速粉碎机打成粉末，准确称取0.200 0 g于聚四氟乙烯密封溶样罐中，加入5mLhNO3，盖上盖子密闭，在200℃低温电热板上消解。待试验样本消化完全后，用高纯水定容至20mL，在ICP-MS上用Rh在线内标法测定。

1.4.2 土壤样品 将试验样本在60℃下干燥4h后，准确称取0.050 0 g于聚四氟乙烯密封溶样罐中，先用少量水润湿，轻轻震动使样品均匀，加入3mL氢氟酸，1mL硝酸，1mL高氯酸，盖上专用溶样罐盖，在低温电热板上200℃加热溶解24h以上，打开溶样罐，在低温电热板上加热蒸至近干，视消解情况可再次加入3mL氢氟酸，1mL硝酸，1mL高氯酸重复上述消解过程，再次蒸至近干后加入1∶1硝酸3mL，盖上专用溶样罐盖焖置以溶解可溶性残渣。用1%硝酸提取至50mL容量瓶中，摇匀后在ICP-MS上采用在线内标(Rh)法进行测量，得各样品的测定结果。

1.5 仪器检测

ICP-MS工作条件为：冷却气流量15.0 L/min；辅助气流量：0.86 L/min；载气流量1.012 L/min；功率1400W。

1.6 数据处理

2 结果

2.1 矿区植物生长情况

矿区多草本少灌木植物，由于矿区的长期开采，原生的植被已经被破坏，多岩石少土壤，不利于植被生长，数量少，长势差，因此导致该矿区植物资源较为贫乏，植物群落较为简单，以草本为主，灌木或乔木较少[4-5]，这一点与国内其他铀矿植物调研基本一致。主要有灰菜、月见草、红蓼、小蓬草、大籽蒿等。

2.2 矿区土壤中铀含量

对铀矿区不同地点的土壤进行采样，采集0～10

cm表层土作为土壤样品，ICP-MS检测土壤中铀含量(μg/g)，铀矿区不同地点土壤中铀含量见表1。矿区内土壤中铀含量比矿区外高(P<0.05)。

表1 铀矿区不同地点土壤中铀含量

2.3 矿区及周边植物中铀含量

每个植物分根、茎、叶、花果进行铀含量检测，结果见表2。可见不同地点不同植物的铀含量不同。从植物的不同部位来看，总体来说都是根部大于其他部位，根﹥叶﹥茎(P<0.05)。这一结果与国内、外其他研究相一致[6-7]。

表2 铀矿区不同地点不同植物中铀含量

2.4 矿区不同地点γ剂量率水平测定

对铀矿区不同地点采用高灵敏度环境级γ 剂量率仪(德国automes，6150AD-b/H，S/N123073，Scintllator ProBe)进行γ 剂量率水平测定，每一地点连续测定12个数据，得到平均值见表3。可见矿区内土壤γ 剂量率高于矿区外。矿区内矿仓、尾渣库、堆浸地高于矿区外(P<0.05)。

表3 铀矿区不同地点γ周围剂量率水平(n=12，±s)

表3 铀矿区不同地点γ周围剂量率水平(n=12，±s)

与矿区外土壤比较，*P<0.05.

3 讨 论

通过对北方某铀矿区内、外土壤和植物铀含量的调查，掌握了铀矿基础数据材料，所采样场地土壤中铀含量为36.56、47.16、28.00和14.63μg/g，其放射性活度分别相当于0.44、0.58、0.34和0.12 Bq/g，植物中铀放射性活度最高的是尾渣库地红蓼的根部0.78 Bq/g、由于尾渣库地的土壤铀含量较高，导致在此地土壤生长的植物富集较多的铀，矿仓地月见草的根0.27 Bq/g，尾渣库的灰菜根0.26 Bq/g。基本上植物的地下部分铀含量均高于地上部分，主要集中在根部，植物各部位铀含量由高到低分别为根、叶、茎、花果，研究结果表明，不同工位地点的γ周围剂量率较高，其土壤中铀含量也较高，其土地上生长的植物体内铀含量也相应较高，本次调查中堆浸地的红蓼根部铀含量较高为64.10μg/g，其根部富集系数高达2.29，与其他植物相比，有显著性差异。在矿仓、尾渣库、堆浸工位地点均有的灰菜，其在矿仓地的灰菜根部富集系数为0.36、尾渣库地为0.44、堆浸地为0.38。在堆浸工位和矿区外距矿区2 km处玉米地处采集的玉米铀含量检测中，发现食用部分玉米粒铀含量相对较少，其对铀的富集系数极低为0.000 9，而非食用部分玉米叶子含量相对较高，其富集系数为0.039。这一点对于食品安全评价有着重要的实际意义。有研究表明，水莎草、牧草、小飞蓬的富集量在600mg/kg 以上，草本植物对铀的富集作用大于木本植物，可考虑将水莎草、牧草作为超富集植物应用于铀污染土壤的修复[7]，利用超富集植物对铀的富集能力实现修复有污染土壤或水体之目的。植物地上部分和地下部分对铀的吸附和富集能力差别较大，矿区优势草本植物，种类贫乏，地下部分对铀的吸附较强的植物较多。铀矿土壤和植物中铀含量累计特征和趋势国内报道基本一致[7-8]。

本研究的目的在于探讨和明确应用植物修复技术对铀矿污染土壤环境的修复潜力和可行性。通过本次调查研究首先明确了铀矿不同工位常见植物中铀含量的累积特征，进一步筛选矿区的铀富集植物；其次是探讨利用植物修复技术对铀矿区进行土壤修复的可行途径。寻找对铀具有超富集能力的植物方面已有一些研究，黄德娟等[8]对某铀矿9种优势草本植物铀含量的测定结果表明，野棉花具有超强的铀富集作用，商陆、鬼针草、辣蓼等也具有较强的铀富集能力。黄彤等[9]研究表明，芒草、鸭跖草、凤尾蕨、野棉花4种草铀含量超出样品土壤中铀含量，其中芒草和鸭跖草铀含量均在130μg/g以上；野棉花的茎、叶、根三者铀的富集系数都大于1，具有很强的铀富集作用。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。进一步寻找铀超富集植物，可为矿区土壤铀污染的植物修复提供可靠的基础数据和可行性建议，利用植物的富集作用，一方面可应用于植物修复污染土壤改善生态环境，另一方面应用于核事故应急状态下对食品的安全性进行评估，进一步研究植物的富集作用具有一定的应用价值和现实意义。对于保护生态环境、食品安全性评估和人群健康有着重要的现实意义。

[1] 万芹方，陈雅宏，胡彬，等.植物对土壤中铀的吸收与富集[J].植 物学，2011，46(4)：425-436.

[2] 徐磊，钱建平，唐专武.我国铀矿废渣石污染特点及治理方法[J].中 国矿业，2013，22(1)：61-75.

[3] 姜晓燕，刘淑娟，闫冬，等.植物对锶的吸附与富集作用研究现状[J].癌 变·畸变·突变，2014，26(6)：463-466.

[4] 朱业安，黄德超，廖晓峰，等.矿区污染土壤上植物资源调研[J].江 西科学，2012，30(5)：620-624.

[5] 李有志，罗佳，张灿明，等.湘潭锰矿区植物资源调查及超富集植物筛选[J].生 态学杂志，2012，31(1)：16-22.

[6] Paulo JCF，João Pratasb，Soumitamitrae，etal.Biogeochemistry of uranium in the soil-plantand water-plant systemsin anold uraniummine[J].Sci Total Environ，2016，5 68(10)：350-368.

[7] 谢红艳，胡劲松，殷杰，等.某铀尾矿区植物组成及其对铀的积累作用研究[J].原子能科学技术，2014，48(11)：1954-1959.

[8] 黄德娟，徐卫东，罗明标，等.某铀矿九种优势草本植物铀的测定[J].环 境科学与技术，2011，34(3)：29-31．

[9] 黄彤，王攀峰，花榕，等.江西某铀矿尾矿库周边铀污染土壤综合治理策略研究[J].江 西化工，2016，4：149-151.

Study of enrichment capacity of wildherbaceous plant for uranium

JIANG Xiaoyan，YAN Dong，HE Yingxue，LI Yifeng，DING Kuke*
(Departmentof Radioecology, National Institute for Radiological Protection, Chinese Centre for Disease Control and Prevention, Beijing 100088, China)

目的： 了解北方某铀矿区内放射性核素铀在不同工位野生草本植物体中的富集特征，为进一步探讨利用植物修复技术对铀矿区进行土壤修复的可行性与核事故应急情况下食品安全性评估提供基础数据。方法：观察矿区野生植物生长状况，采集矿区不同工位常见野生草本植物样本，利用电感耦合等离子体质谱分析仪(ICP-MS)测定所采植物和土壤样品中放射性铀的含量，针对植物对铀的耐受性和富集能力进行评估。并对矿区不同地点γ剂量率水平进行测定。结果：经对采集的植物中铀含量检测发现植物的地下部分铀含量高于地上部分，铀主要集中在根部，植物各部位铀含量由高到低分别为根、叶、茎、花果。3号地的红蓼根部铀含量较高为64.10μg/g，其根部富集系数高达2.29。在矿区外2 km处玉米地采集的玉米铀含量检测中，发现可食用部分玉米粒铀含量相对较少，其对铀的富集系数极低为0.000 9，而非食用部分玉米叶子含量相对较高，其富集系数为0.039。结论：所调查的北方某铀矿区内不同工位所采植物样品中铀含量基本是地下部分大于地上部分，铀主要富集于植物根部，植物各部位铀含量根>叶>茎>花果。利用植物的富集作用，一方面可应用于植物修复污染土壤改善生态环境，另一方面应用于核事故应急状态下对食品的安全性进行评估，进一步研究植物的富集作用具有一定的应用价值和现实意义。

铀矿；铀；富集能力；野生草本植物

OBJECTIVE:The project was based firstly on field surveys to understand plant community ecology around uranium tailingsin the North as well as the dominant plantand soil uranium concentrations.Secondly，the characteristics of radioactive nuclide uranium accumulation in the plant was determined inorder tofurther explore phytoremediation technology for uranium-contaminated soil repair.METHODS：To observe the growth conditionofmining area of wild plants，to collect common wildherbaceous plant samplesin different work places，to detect the contentof radioactive uranium using ICP-Msin plants and soil，to screenout plants of strong capability to accumulate uranium，and to explore themethods and technique of phytoremediation technology with contaminated soil.RESULTS：The uranium contentof in the underground partof plants samples washigher than thatof the above ground part.For each plant，the uranium content fromhigh to low was root，leaf，stem，flowers and fruit respectively.In the No.3 work place，the uranium contentof Polygonum orientale L.root was 64.10μg/g which was 2.29 ×higher than thatof other plants.At 2 km outside the uraniummine area，the uranium content in edible part (niblet) of collected samples of corn was lower than that in the inedible parts.The uranium enrichment coefficient in edible partof corn (niblet) was 0.000 9，the inedible partof corn was 0.039.CONCLUSION：Plant samples around uraniummine sites showed accumulationof uranium.Enrichment wasmainly in plant roots and uranium content in different parts of plant were root>leaf>stem>flower and fruit.Enrichmentof plants can be used for phytoremediationof soil pollution，for improvementof ecological environment，and for evaluationof food safety in nuclear accident emergency.Further study on plant enrichmentof uranium canhave application value and practical significance.

uraniummine；uranium；accumulation；herbaceous plant

TL75

A

1004-616X(2016)06-0464-04

1 0.3969/j.issn.1004-616x.2016.06.010

2016-08-28；

2016-10-22

核废物与环境安全国防重点学科实验室西南科技大学开放基金资助项目(14zxnk03)

作者信息： 姜晓燕，E-mail：fangsheshengtai@126.com。*通信作者，丁库克，E-mail：shouding@ccmu.edu.cn