铀污染土壤生物修复的研究进展

郑立莉 饶苗苗

(东华理工大学，水资源与环境工程学院，江西 南昌 330013)

核电的快速发展和核能的大规模开发应用，促进了铀资源的大量使用，铀矿的开采和冶炼产生了大量的含铀废石、铀尾矿和含铀废液等放射性废物[1]。根据中国核工业《三十年辐射环境质量评价》报告，铀矿冶系统的放射性废水和土壤(尾矿)中的核素，对周围公众照射的集体剂量约占核燃料系统总集体剂量的91.5%，其主要污染源是铀尾矿。据统计，目前全球积存的铀尾矿超过200亿t，我国的铀尾矿等固体废物堆放场约有200处，分布在14个省区30多个地区[2]。由于铀是一种长寿命元素，所以这些放射性废物中都含有长寿命核素235U、238U，半衰期很长(235U的半衰期为7×108年，238U的半衰期为4.4×109年)，且具有很强的生物、化学毒性和很高的放射性，目前难以将这些核素分离出来[3]。暴露于露天的尾矿、废石在雨水冲刷、风化作用下，放射性铀不断淋浸析出，随雨水和扬尘扩散迁移，使得越来越多的放射性铀进入到土壤中，引起严重的土壤放射性铀污染[4]。土壤被铀污染后，一方面具有放射性，通过放射性衰变产生射线穿透机体组织，损害细胞；另一方面，可通过呼吸系统或食物链等途径进入人体，造成损害更大的内照射损伤，严重威胁生态环境和人类的健康[5-7]。因此，放射性铀污染土壤的防治与修复已成为亟待解决的环境问题[8-9]。

近年来，国内外学者对铀污染土壤修复技术进行大量的研究，包括土壤淋洗法[10-15]、客土法、固定化和稳定化法[10，16-17]、氧化还原法[10，18]、电动修复法[19]、土壤气体抽取和络合物浸提法[20-21]等，但是这些方法各自存在局限性，或价格昂贵，或容易破坏污染土壤场地结构和土壤理化性质，并造成二次污染，均未能成为最理想的铀污染土壤修复方法。生物修复技术与以上传统技术相比，具有安全、费用低廉等优点，被称为环境友好替代技术。生物修复技术主要以生物为主体，利用生物吸收、转化U(VI)，治理污染土壤的技术，包括植物修复、微生物修复技术。除了可以处理表土层污染外，对土壤亚表层甚至更深层的处理更为有效[22]。本文将对土壤中铀的来源，铀污染土壤生物修复技术，包括植物修复、微生物修复、植物-微生物联合修复技术的研究进展进行论述，并对该领域未来的研究方向提出建议。

1 土壤中铀的来源

1.1 天然来源

铀是一种重金属，银白色，具有良好延展性、微弱放射性的特点，细微分裂后易自燃、与冷水反应[23]。作为一个天然元素，铀在环境中存在低水平自然本底辐射，并通过自然过程中风和水的侵蚀、溶解、沉淀以及火山运动再分配到总环境中。

环境中的铀有三种存在形式(同位素)，均具有放射性，其中238U和234U来自铀系列，235U来自锕系列。天然铀的特点如表1所示。自然界中，几乎所有发现的铀都是同位素238U，238U在发生放射性衰变后，转变为13种不同的放射性核素，最终以206Pb形式达到一个稳定状态。这些放射性核素发出α或β射线，少部分还发出γ射线，并且这些射线具有不同的能量[24]。当铀及其衰变产物在原始地壳岩石中保持长期封闭平衡的状态，234U和238U的比例将保持统一，但研究表明，α粒子自238U衰变中脱离，经由地质作用增加了234U运移的有效性，导致了238U和234U之间的不平衡性[25]。同时当水的化学或物理性质变化影响到岩石时，这种不均衡也会发生。

铀几乎存在于所有的岩石和土壤中(源自侵蚀的岩石)，较低浓度的铀存在于基性岩中，酸性岩中铀浓度则较高[26]。如表2所示，土壤的平均放射水平通常与基性岩中岩石的平均放射水平相近。238U在土壤中的平均放射水平为0.6—1pCi/g，由于238U的活跃度大约是自然界中铀总活跃度的一半，因此，土壤中铀的总放射水平约为238U在土壤中放射水平的两倍(约1.2pCi/g)[27]。然而天然铀对人体造成的放射性剂量都很低，对人类的生活影响不大。

1.2 人为来源

就人为因素而言，放射性铀污染主要来源于核武器试验、核能源活动、核电站事故、铀同位素的生产及应用和铀矿的开采冶炼及应用等。

在核能生产过程中，放射性铀核素在整个核燃料循环的各个环节间循环，一方面以尾矿堆形式在特定的位置释放大量的铀，另一方面通过大气、水体等排入环境中，给土壤环境带来一定的污染。此外，核电站事故产生的铀也是土壤铀污染的重要来源之一，如1986年苏联切尔诺贝利核电站泄漏事故，12EBq放射性物质外泄到环境中，对地表土壤和地下水造成了严重的污染[28]。同时铀矿开采、冶炼和农业化肥的施用也会将一定量的铀核素释放到环境中，造成土壤铀污染。据报道在美国一些州施用磷肥的土壤中，238U的活度提高了一倍[29]。

土壤铀污染的潜在风险是一个全球性问题，土壤和水中贫化铀、富集铀以及天然铀的污染在世界许多站点都已被检测到。研究防止铀被植物吸收措施，是修复污染区的第一步[30]。长期以来，人们运用不同的原位技术对大量的沉积物进行商业性溶浸铀，其中包括含有碳酸盐和碳酸氢根离子溶液的碱性溶浸，或者酸性溶浸[31]。但是，由于某些政治上、经济上、环境上的因素，商业规模的铀溶浸操作被禁止[32]。即使在铀回收的过程中，采取了部分预防和补救措施，但因为酸性废水的渗透，许多天然生态系统都被放射性铀核素严重污染[33]。因此必须考虑土壤的修复。

表1 天然铀的特点

表2 几种岩石和土壤中铀的平均放射性

2 铀污染土壤修复

2.1 植物修复

美国环保局定义植物修复为：运用植物遏制、降解或提取水中或土壤基质中的外源性物质[34]。植物修复类型主要包括植物提取、植物固定、植物降解/植物转化、植物挥发、和根际滤除。其中植物提取在修复过程中最实用。因此寻找理想的超富集植物是这一技术应用的基础和关键，早期研究的重点在于寻找超富集植物。

铀的物理化学性质比较特殊，在环境中没有可以替代的相似营养元素，并且不是植物生长的必需或有益元素，但是许多植物，如印度芥菜、向日葵、亚麻等会吸收铀，这表明利用植物提取来修复铀污染土壤的可能性[35-37]。万芹芳等[38]选取分属8种科目的19种植物模拟修复铀污染土壤(铀浓度1.0×102mg/kg)，结果表明四季香油麦菜地上部分铀的富集浓度为1.67×102mg/kg，且生物富集系数和转移系数均大于3，是较好的铀富集植物。唐丽等[39]通过盆栽实验发现特选榨菜和泡青菜迁移系数和生物富集系数均大于1，这两种植物地上部分均有较高的铀提取量，适合作为铀的超富集植物

大量研究表明不同植物以及植物的不同部位对铀的吸附存在差异性，Saric等[40]研究了铀矿场地附近的豆类、卷心菜、莴苣、玉米、洋葱、土豆、菠菜和向日葵，结果显示蔬菜比玉米和向日葵铀含量高，植物的地上部分比植物的茎块、种子富集更多的铀，老叶子比新叶子富集更多的铀

同时土壤的理化性质对植物吸收铀的影响也不容忽视，Ebbs等[41]研究了豌豆、印度芥菜、芜青、红甜菜、苜蓿、野豌豆、毛苕子、小冠花、宽叶菜豆、燕麦、玉米在310mg/kg的含铀土壤中的生长，通过控制pH值，发现土壤的pH值对豌豆富集铀的影响较大，在pH=5时，豌豆上部富集铀的浓度最大，甜菜和小冠花的上部对铀的富集浓度分别达到了2.8mg/kg和3.5mg/kg。Shahandeh[42]认为植物吸收铀受到土壤类型的影响，酸性土壤和具有碳酸盐矿物的碱性土壤对植物吸收铀有利。Ramaswami等[43]研究了向日葵、箭舌豌豆、毛苕子、刺柏、印度芥菜、矮菜豆在溶液、沙土、有机质土中对铀的富集，结果表明，植物在溶液、沙土、富含有机质土壤中对铀的提取效率依次减少，表明土壤有机质可以吸附铀，降低铀的生物有效性，而植物在溶液培养下的行为不同于土壤，应区别看待。

研究表明，通过运用一些方法，如螯合作用(例如添加柠檬酸)、络合作用，可以溶解、解毒以及提高铀的累积量，从而改善从土壤中提取铀的实用性[44-46]。Huang等[47]在用植物修复铀污染土壤时加入柠檬酸、乙酸以及苹果酸，发现加入柠檬酸对铀的富集效果最好：在铀污染土壤中(浓度为750mg/kg)添加柠檬酸后，印度芥菜和大白菜地上部的富集浓度从原来的不足5mg/kg提高到5000mg/kg，提高了1000倍。

2.2 微生物修复

许多微生物都具有将污染土壤和沉积物中的铀转化为微溶和低毒化学形态的能力。因为其成本低以及支持其可行性的研究周期短。这一潜能对于修复铀污染土壤非常具有吸引力[48-49]。

铀铣离子[UO2]2+，该元素在环境中常见、可溶性形态，能通过几种方式经微生物固定，其中三种如图1。然而，这种铀的化学还原受自然界中带负电荷的U(VI)-CO3的抑制，微生物能酶促还原这些形态，形成U(IV)的矿物，如高度不溶的水合沥青铀矿[50-51]。大量的实验研究表明，结合有机物和H2的氧化作用，各种异化金属和硫酸盐还原菌，如希瓦氏菌，地杆菌和脱硫弧菌作为氧化还原剂还原不稳定的U(VI)，形成稳定的U(IV)以及铀沉淀(UO2)[52-54]。图1中间部分的反应A可以用耐辐射球菌来实现。当细胞结合磷酸铀酰氢可析出铀酰离子，而不发生铀氧化态的变化，如图1所示的右支途径。这种反应是在柠檬酸杆菌sp.中的酸性磷酸酶N的辅助下完成的。

异化铁还原菌(DIRB地杆菌和热棒菌类)在氧化地表以下有机污染物(如芳香烃)以及固定铀方面起着重要作用，同时，在热液环境中对于铀矿床和磁铁矿的形成也发挥一定作用[55-57]。U(VI)也被悬浮液中的微生物或含有有机或无机配体或电子受体如氧化铁(III)，硫酸盐或硒酸盐的生物膜还原。通过运用微生物过程以及之后的固定化，U(VI)的修复可通过增加有机电子供体(乙酸、乙醇)得到进一步完善，这同时也增强了Fe(III)还原细菌的繁殖[58-59]。

但是，Wan等人[60]观察到，尽管之前微生物还原铀的短期实验支持通过形成不溶性U(VI)矿物来固定有毒重金属的这一可能性说法，持续17个月的长期室内实验表明，即使在持续的还原条件下，U的生物还原也只是暂时的。在最初的3个月内，铀先被还原，之后被再氧化并溶解，即使存在能还原U(VI)的持久性微生物群落。这种行为被认为是一些关键因素作用的结果，反应如表3所示：

(1)有机碳的氧化，能增加碳酸盐的浓度，并形成极度稳定的碳酸铀铣配合物，从而提升对铀氧化物的热力学支持(反应方程(I)-(III))；

(2)钙的存在，来源于沉积物中的方解石。在不易受生物还原和吸附作用影响的近中性H条件下，通过形成钙配合物将U(VI)释放进入溶液中，钙的存在是有效的；

(3)在不同的CO2分压下，占主导地位的铀氧化还原电位取决于实验条件(Eha，b，c)。

在还原土壤中，铀的再氧化在热力学上是有利的。

由Wan等人进行的非晶铀矿热力学计算，其中UO2(溶质)的溶解度计算是根据表3中的方程，实验表明随着CO2分压的增加U(VI)溶液的浓度依次增大。增加CO2分压则改变U(VI)溶液/U(IV)固体比值，平衡趋向于低氧化还原电位的一方。此外当系统中含有方解石，尤其是H<8时，平衡边界下U(VI)溶液/U(IV)固体氧化还原电位降到较低值。

在其他污染物(络合阴离子、重金属、有机物、螯合剂)存在的情况下，为了确保能持续有效的修复，急需优化生物修复程序，并评估合适的修复终点[61]。

图1 酶存在下铀转化的途径

反应Eha(mV)Ehb(mV)Ehc(mV)Ⅰ.UO2CO3+6H++2e-→UO2(s)+HCO3-278-62-121Ⅱ.UO2(CO3)22-+2H++2e-→UO2(s)+2HCO3-366-78-197Ⅲ.UO2(CO3)34-+3H++2e-→UO2(s)+3HCO3-531-17-195Ⅳ.Ca2UO2(CO3)3+3H+2e-→UO2(s)+3HCO3-+2Ca2+278-181-240Ⅴ.CaUO2(CO3)32-+3H++2e-→UO2(s)+3HCO3-+Ca2+427-76-195Ⅵ.Fe(OH)3+3H++e-→Fe2++3H2O976-78-78Ⅶ.MnO2(pyrolusite)+4H++2e-→Mn2++2H2O122011801180

a标准氧化还原电位

b在以下条件下还原能力的降低：

PCO2=10-3.5atm，pH7.4，

∑U(Ⅵ)(aq)=10-8M，Fe2+=4.5×10-5M，

Mn2+

=3.5×10-5M，Ca2+=10-1.5M

c实验条件下还原能力的降低：

PCO2=10-1.5atm，pH7.4，

∑U(Ⅵ)(aq)=10-8M，Fe2+=4.5×10-5M，

Mn2+

=3.5×10-5M，Ca2+=10-3.5M

注意[Ca2+]是PCO2的一个依赖要素。

2.3 植物-微生物联合修复

近几年，植物-微生物联合修复作为一种强化植物修复技术已经成为土壤修复领域的研究热点。这种修复方法是通过将植物修复与微生物修复技术相结合，充分发挥两种修复方法的优势，改善土壤环境，促进植物吸收放射性核素，提高修复效率。目前对植物微生物共生体系研究较多的是微生物对植物吸附的影响。植物的共生微生物往往能够改善植物的矿质营养条件，另一方面，共生微生物可能直接或间接参与元素活化与植物吸收过程，对植物修复效果产生不容忽视的影响。

在各种植物共生微生物中，菌根真菌是唯一能够直接联系土壤和植物根系的一类，所谓菌根就是土壤中真菌与植物根系形成的一种共生体。菌根是一个复杂的群体，含有大量的微生物，其中包括放线菌、固氮菌等，这类菌具有一定降解能力；同时，菌根根际的微生态能提高自身微生物种群密度以及生理活性，从而使微生物菌群保持更稳定的状态；研究表明，菌根表面的菌丝体可以扩大根系吸收面，提高吸收能力。菌根真菌与植物组织相通可从植物中吸收有机物质作为自身生长所需营养，同时从土壤吸收养分、水分供给植物，并能合成生物活性物质，如植物生长激素、维生素等，促进植物生长，增强植物的抗病能力，大大提高了植物在逆境生理条件下的生存能力。

Chen等[62]对铀污染土壤(浓度111mg/kg)开展了温室实验，研究了菌根真菌(G.mosseae或G.intraradices)对植物吸收铀的影响。研究结果表明：这两种菌根真菌均能够促进植物根部对铀的吸收，并且在植物收获期，根部铀的浓度可高达1574mg/kg；Rufyikiri等[63]通过实验证明AMF对铀迁移至植物根系具有促进作用，但AMF的结构对铀具有强烈的吸附作用，因而限制了铀从植物根部向上部的转移。AMF对植物富集铀促进作用不大，特别是铀浓度高时，甚至还会抑制植物富集铀。

4 研究展望

与物理修复、化学修复相比，铀污染土壤生物修复是一种环境友好型治理方法，具有工艺简单，对土壤扰动小，无二次污染，成本廉价等优势，可能成为最有应用前景的铀污染土壤修复方法之一。今后在铀污染土壤生物修复方面还应加强以下重点研究：

(1)植物修复方面：丰富超累积植物物种资源，并结合遗传工程、杂交等科学技术，培育出耐受能力强、环境适应性好、富集效率高、转运系数大的物种；加强对植物修复吸附、运输和解毒机制的研究；加强对植物修复调控措施，如螯合剂，微生物，基因工程和农艺实践等方面的机制研究；研究发展与植物修复工程化和产业化应用配套的设备和技术，消除区域试验的局限性，为推广植物修复技术奠定基础。

(2)微生物修复方面：将微生物技术与分子生物学、克隆技术和遗传工程相结合，以扩大微生物修复的应用范围；研究更快速筛选优势菌种的技术，减少筛选时间，提高效率；根据土壤不同污染条件，如污染程度、土壤理化性质等，培养驯化特定的功能菌，并结合基因工程手段，研究出新型高效工程菌。

(3)植物微生物联合修复方面：研究具有耐铀性同时能够促植物生长的专性菌株；加强对植物联合微生物修复铀污染土壤的实时监控，对植物微生物共生系统中的环境进行优化和调控，并对共生系统中的植物和微生物进行强化，包括物理强化、化学强化以及酶强化，提高修复效率。