盆栽条件下常见蔬菜对污染土壤中铀的吸收*

彭燕 张静 陈迪云 陈南

(1.广州大学环境科学与工程学院 广州 510006；2.广东省放射性核素污染控制与资源化重点实验室 广州 510006)

0 引言

铀矿开采与核能的利用使铀在环境中不断富集，作为其重要赋存介质的土壤，铀污染形势不容忽视[1]，并对矿区附近居民的生存和人体健康有较严重的影响。

植物中铀等核素主要通过根吸收途径从土壤向生物进行迁移，因此，放射性核素环境行为中的土壤-植物迁移是一个关键环节。基于此，针对大面积铀污染土壤的修复研究中，植物修复技术因其操作简便、投资与维护成本低、不造成二次污染等优点，受到国内外学者的广泛关注，并取得了丰富的研究成果。例如，在寻找理想的铀富集植物方面，姚天月等[2]对八种花卉植物富集土壤铀的特性进行了研究，发现吊竹梅的根系具有比较优越的铀吸收能力及较强的富集特性，该花卉对铀污染土壤的修复具有潜在利用价值。DANA U等[3]研究了风滚草对美国新墨西哥州干旱环境中土壤贫铀污染的提取修复状况，发现在开花前收获的风滚草吸收了大量的贫铀，推测可能是植物在提取过程中利用金属合成了色素。一些研究发现：向日葵和印度芥菜能超量富集铀，向日葵对铀的富集主要集中在根部[4]，印度芥菜则可将铀大量转运至地上部[5]。

同样的，经此途径，铀也会通过污染土壤所种植的蔬菜进入生态系统食物链，对人类健康产生危害。闫冬等[6]对铀矿周边常用蔬菜铀富集水平进行了调查分析，在研究区农田土壤铀含量处于安全水平的前提下，所采蔬菜样品中铀含量均未超过标准限值，但目前此类研究仍相对较少。

本研究以4种蔬菜(豌豆、土豆、胡萝卜和生菜)为受试植物，通过盆栽实验，比较研究在蔬菜生长过程中，对种植蔬菜的土壤持续添加相同体积、不同浓度的含铀水溶液或相同铀浓度、不同体积的铀矿山废水条件下，蔬菜可食用部位对铀的吸收水平。

1 材料与方法

1.1 实验材料和试剂

实验土壤：红壤土，采自广州大学城内果园，采集0～20 cm的表层土壤样品，剔除植物残枝以及石块等杂物后，将土壤在塑料薄膜上均匀铺开，自然风干后混匀、磨细，过2 mm筛备用。经测定，土壤pH值为6.94，有机质为2.89%，田间持水量为15.52%。

铀矿山废水：采自粤北某铀矿山，废水中铀及其他金属含量见表1。

表1 铀矿山废水中各金属的质量浓度 mg/L

模拟含铀废水的配制：准确称取1.179 2 g U3O8于100 mL烧杯中，加10 mL浓盐酸、3 mL H2O2、两滴1 mol/L硝酸，盖上表面皿放置3 min并摇动，剧烈反应停止后，加热至U3O8完全溶解，稍冷后转入1 000 mL容量瓶并加水定容，摇匀，得到质量浓度为1 g/L的 U(Ⅵ) 标准溶液，实验所用其他含铀溶液用去离子水稀释到所需浓度，用NaOH溶液和盐酸调节其pH值即可[7]。

1.2 实验方法

以胡萝卜、生菜、土豆、豌豆为受试对象，利用大棚进行模拟栽培实验。实验使用高15 cm、直径40 cm聚乙烯塑料盆，每盆装入土壤3.8 kg，添加等量有机肥，土和有机肥混合均匀。蔬菜盆栽实验研究分为4个实验组(胡萝卜、生菜、土豆、豌豆)，每组7个(S，A，B，C，D，E，F)处理编号。先将蔬菜种子分别放入盆中进行育苗，待植物生长到一定阶段，选择长势均匀的幼苗，移植于其他盆内，并每周在每组盆中分别加入不同浓度的铀溶液或实际铀矿山废水2～3次，每类样品3个平行样，具体添加情况见表2。定期浇水施肥，并保持植物生长的外环境一致，待植物成熟前一周，停止铀溶液和铀矿山废水的添加。

表2 含铀废水添加状况

蔬菜成熟后，分别采集食用部位与非食用部位，先后用自来水和去离子水冲洗干净，晾干，称其鲜重，80 ℃烘干至恒重，称其干重，保存。

在蔬菜收获后，将盆中土壤倒出并充分搅拌混匀后，以四分法保留0.5 kg作为一个待测土壤样品，剩余土壤以此法依次制备土壤样品。

1.3 分析方法和测试仪器

土壤酸碱度用去离子水(1 g土加2.5 mL水)浸提，磁力搅拌器剧烈搅拌1～2 min后静置30 min，将玻璃电极与甘汞电极插入浸出液中，用pH计测定pH值。土壤有机质采用油浴加热重铬酸钾氧化-容量法[8]测定。

土壤中铀的测定方法按照核工业部《铀矿石中铀的测定：三氯化钛还原/钒酸铵氧化滴定法》(EJ 267.2—1984)进行[9]。

土壤样品前处理：称取0.1～1.0 g土样于50 mL聚四氟乙烯烧杯中，加入10 mL盐酸(相对密度为1.19)、3 mL过氧化氢(质量分数30%)、1 mL氢氟酸(相对密度为1.13)，盖上表面皿，放置3 min，不时摇动。剧烈反应停止后煮沸并蒸发至体积约2 mL，直至土样完全消解。过滤后将滤液盛于锥形瓶中，并用热的盐酸(质量分数2%)洗涤器皿和滤纸各3次，滤液的体积约20 mL，加入12 mL磷酸(相对密度为1.72)。

植物样品前处理：将植物烘干，称其干重后在550 ℃下灼烧至无明显碳粒，称取0.03～0.05 g灰，置于50 mL聚四氟乙烯烧杯，加10 mL HNO3，加热蒸至尽干，稍冷却后加入2～3 mL H2O2和3～4滴 HNO3，缓慢蒸至尽干，加10 mL HNO3，再蒸至尽干。加蒸馏水，定容至50 mL，过滤，取滤液10 mL于25 mL容量瓶中，加入5 mL混合掩蔽剂。

主要仪器设备：电感耦合等离子体原子发射光谱仪，ICP-AES Prodigy Spectrum，美国利曼公司；721分光光度计，上海第三仪器厂；酸度计，PHS-3C型pH计，上海雷磁；恒温振荡器，JULABO SW22，上海司乐仪器有限公司；磁力搅拌器，81-2型，上海司乐仪器有限公司。

2 结果与分析

2.1 铀浓度与分布规律

土壤和所种植蔬菜中可食用部位的铀含量如表3所示。

由表3可知，采自果园的对照土壤中铀含量为13.12 mg/kg，该水平与广东省天然背景值比较高这一特征相符[10]，经含铀水溶液或铀矿山废水污染后，土壤铀含量均有不同程度的增高。除E组是土豆土壤中铀含量最高外，其余组都是生菜土壤中铀的含量最高，这两种蔬菜的平均铀含量也较高。

表3 土壤与蔬菜样品中的铀含量 mg/kg

由表3中4种蔬菜可食部位中铀含量可以看出，相对于对照土壤(S)而言，经含铀水溶液或铀矿山废水污染后的土壤种植的豌豆、土豆和生菜叶中的铀含量均有不同程度的升高。豌豆中铀含量变化范围最大，为0.02～0.16 mg/kg，最大值与最小值相差近一个数量级；其次是土豆和生菜，铀含量分别为0.13～0.41 mg/kg和0.11～0.42 mg/kg。胡萝卜中的铀含量变化不大，为0.08～0.12 mg/kg，且污染组A、C中铀浓度比对照组略低，一定程度上表明在土壤铀浓度处于较低水平时，其铀含量变化对胡萝卜的影响不大。

蔬菜中铀含量最大值为C组的生菜叶0.42 mg/kg，其次是D组土豆0.41 mg/kg。平均铀含量较高的为土豆和生菜，分别为0.26 mg/kg和0.25 mg/kg，胡萝卜和豌豆的平均铀含量分别为0.11 mg/kg和0.09 mg/kg。从4种蔬菜可食部位的铀含量可看出，在相同的盆栽条件和污染水平下，铀含量有所不同，一定程度上表明不同植物对铀的吸收水平和累积模式具有差异，这与其他研究者的研究结果类似[11]。

刘锡岱等[12]的研究表明：放射性核素在植物各部位含量的顺序为：根>茎，叶>果实、籽粒。本研究中，土豆生长在地下，属于根茎类植物，因此具有较高的铀含量；胡萝卜的食用部位也为根部，但其浓度较低，一定程度表明胡萝卜对铀的富集较弱； 生菜为叶菜，其可食部位铀含量相对较高。豌豆属于籽粒，含铀较低。另外，有研究表明元素从根向茎叶的传输主要取决于两个过程，一是元素向木质部的运移，二是元素通过木质部的通量，该通量受根系压力和蒸腾作用影响[13]。生菜的生长周期比其他3种蔬菜稍短，但其铀含量较高，可能与单株叶面积大、蒸腾作用强有关。

在生长周期内，土壤经过持续性铀溶液污染后培育的蔬菜，绝大部分样品的可食部位铀含量有所增加，但是均未超过我国蔬菜中铀含量的限定标准1.5 mg/kg，处于安全水平[14]。分析原因，一方面是放射性核素在固体介质中迁移受诸多因素控制，速度一般较为缓慢，因此通过迁移的方式转移到环境中在短时间内不会十分明显[15]；另一方面可能是因为在蔬菜生长过程中，土壤污染采取逐步进行的方式，外源铀未来得及被土壤完全吸收，富集至蔬菜中的量就更少，表明土壤在短时间内受一定程度的铀污染对所种植蔬菜影响不大。

2.2 种植蔬菜与土壤中铀含量相关性分析

由表4中可看出，土豆和生菜叶中的铀含量与对应土壤中铀含量呈现出一定的相关性，其它两种蔬菜中的铀含量与土壤中铀含量的相关性不明显，可见土壤中的铀含量不能作为反映蔬菜吸收铀的主要参数。蔬菜对土壤中铀的吸收，除了受到土壤本身铀含量影响外，还受土壤中铀的化学形态、土壤的物理化学性质以及气候因素等影响。

表4 土壤铀含量与对应蔬菜铀含量的相关性

2.3 污染方式对蔬菜铀含量的影响

由表3可知，加入实际铀矿山废水的土壤种植的蔬菜组(D，E，F)比加入相当质量浓度铀水溶液土壤种植的蔬菜组(A，B，C)的铀含量普遍略高。如D组添加的铀矿山废水中铀的含量分别比A组多，比B组少，但其所种植蔬菜中铀含量绝大部分都高于A组和B组蔬菜。一定程度上因实际铀矿山废水中存在多种质量浓度较高的其它金属元素和成分如Mn，Zn，Cu和Cr等协同作用所致。

铀具有+3，+4，+5，+6几种价态，+4，+6的氧化态在环境中较为稳定，并主要以铀酰离子的形式存在[16]。铀能够与CO32-，OH-，SO42-和 PO43-形成配合物，提高其在土壤和水体中的总溶解度。有研究表明，有机质含量较高以及含有较高铁、锰氧化物的酸性土壤中生长的植物体内铀含量较低[17]。因此，矿山废水中阴离子与阳离子如何与铀协同作用，以及对土壤和植物中铀含量的影响有待进一步深入研究。

2.4 土壤铀对蔬菜生长的影响

观察蔬菜生长过程发现，对照组的4种蔬菜植株最先成熟，土壤中添加了20 mg/L人工含铀废水的植株长势较好，而添加70 mg/L和100 mg/L含铀废水的蔬菜有枯萎现象。添加了铀矿山废水的生菜植株矮小，叶片上出现了很多黑斑，最先枯萎，且生长到一定阶段根部开始腐烂。添加了铀矿山废水的胡萝卜植株长势比对照组略好，但植株的颜色较深，成熟后收获时发现胡萝卜表面凹凸不平，并有黑斑。添加了铀矿山废水的土豆个头较大、数量少、成熟期较早。土壤含铀与否对豌豆植株长势影响不明显。

究其原因，可从两个方面来考虑，首先从生物学角度，NATHALIE V等[17]曾对被铀污染过的拟南芥的生物效应进行研究，发现铀可以引起植物生物量的降低和植物中一些生物活性酶的改变，另一方面可能是废水中其它金属成分影响所致。

将蔬菜总干重与对应土壤中的铀含量进行相关性分析，结果见表5。

表5 土壤铀含量与对应蔬菜质量之间的相关性

从以上结果看出，胡萝卜土壤中铀含量与其植株总干重之间的相关性较大，说明在实验所添加浓度范围内，土壤铀浓度的升高对胡萝卜的生长影响不大。生菜土壤铀含量与其干重之间呈负相关，表明土壤铀污染可能会抑制生菜的生长。而豌豆和土豆干重与对应土壤中铀浓度基本不相关。实验结果一定程度上表明不同植物对铀的吸收抗性是不一样的，实验的4种蔬菜中，胡萝卜抗铀污染相对较好，这与在蔬菜生长过程中观察到的现象一致。

2.5 蔬菜样品中铀的富集系数

通常用富集系数，即植物体某部位中某种元素的含量与土壤中同种元素含量的比值来表示元素在土壤-植株系统中迁移的难易程度，可用于评价植物将元素吸收至植株体内的能力。富集系数越大，植物吸收重金属的能力越强[18]。

富集系数计算式为

λ=Cvi/Csi

式中，λ为某种蔬菜的富集系数，Cvi和Csi分别为蔬菜、土壤中重金属i的含量，单位为mg/kg。

本研究中，4种蔬菜可食部位对铀的平均富集系数分别为豌豆3.70×10-3、土豆6.81×10-3、胡萝卜5.83×10-3和生菜5.60×10-3。土豆对铀的富集系数最高，其次为胡萝卜，土豆属于地下茎，胡萝卜是植物的根，所以它们富集放射性核素的能力相对较强，豌豆是植物的种子，其富集放射性核素的能力较小。尽管受试蔬菜可食部位对铀的富集存在差异，但对于铀的吸收与累积有限，几种常见蔬菜均为低铀累计作物。

2.6 外源铀对土壤pH值的影响

重金属元素的生物有效性和土壤pH值密切相关，土壤pH值的升高有利于重金属离子在土壤胶体粘粒表面吸附，降低重金属有效态的含量，进而减少植物的吸收，减弱毒性[19]。为探讨加入不同含量的铀溶液或含铀废水对所种植蔬菜的土壤pH值的影响，对土壤中pH值进行了分析。加入含铀水溶液或铀矿山废水并种植蔬菜后，土壤pH值如图1。

图1 含铀废水施入对土壤pH值的影响

各组施入实际铀矿山废水的土壤pH值均较对照组土壤略有降低，但施入含铀废水后土壤的pH值总体变化不大。由此可见，在实验所添加质量浓度及体积范围内，含铀水溶液或铀矿山废水的施入对土壤pH值影响较小。

3 结论

土壤经过持续性含铀水溶液或铀矿山废水污染后，铀含量有所增高。相对于对照组土壤种植的蔬菜而言，经含铀水溶液或铀矿山废水污染后的土壤种植的豌豆、土豆和生菜中的铀含量均有不同程度的升高，胡萝卜中的铀含量变化不大。富集系数的计算表明，不同蔬菜吸收铀的能力与累积模式存在差异，但受试的4种蔬菜均为低铀富集作物。植物生长周期较短，因此虽然绝大部分蔬菜样品中铀含量有所增加，但是均未超过蔬菜中铀含量的限定标准1.5 mg/kg，处于安全水平，但外源铀的添加对蔬菜的生长有一定影响。实验中，外源含铀废水的施入对土壤pH值的影响较小。