生物技术修复土壤放射性污染的研究进展

摘 要：随着科学技术的发展，人类对核能的利用、矿产开采、农业化肥的使用都会导致土壤放射性污染，进而威胁到人类的健康。近年来，土壤放射性污染的治理成为热点话题，本文通过对土壤放射性污染进行生物技术治理的探究，特别对植物提取、植物固定、根际过滤和植物挥发的植物修复技术和微生物的修复技术方法进行比较分析，得出结论，在对核能的利用、矿产资源的开采、农业化肥的使用所造成的土壤大面积低剂量放射性污染进行修复时，将微生物修复技术和植物修复技术联合使用可以缩短放射性污染修复的时间周期。

关键词：放射性污染;生物修复技术;植物提取;植物固定;根际过滤

中图分类号：S153 文献标识码：A DOI：10.19754/j.nyyjs.20201130033

引言

放射性元素通过各种途径进入土壤并造成污染，在影响环境的同时，通过辐射可以对人体造成危害，所以对放射性污染的土壤进行修复具有重大的意义[1]。人们密切关注放射性元素对环境的危害以及治理方法，对于土壤放射性污染的修复目前有很多方法，主要使用物理、化学、生物3种处理方法。物理和化学的工程手段来修复大范围内放射性污染是比较困难的，而生物技术则比较适用[2，3]。生物方法治理大面积放射性污染具有很多优点，如不破坏生态环境、成本低等[4]。本文主要对土壤中放射性污染进行生物技术治理进行探究，并对生物技术修复的几种方法进行对比分析。

1 土壤中放射性核素的来源及危害

1.1 土壤中放射性核素的来源

成土母质中含有天然的放射性核素40K、238U、232Th[5-8]，这就成为土壤里放射性污染核素的主要来源。但是人类对核能的利用、矿产开采、农业化肥的使用都会导致土壤放射性污染[9]。

1.1.1 核能的利用事故

随着现代科学技术的日益发展，核能的利用虽然给人们带来了很多资源，但是在使用过程中也给人们带来了很多危害。核事故、核废弃物以及核爆炸试验等都给土壤带来了严重污染。通常进入土壤中的放射性核素有238U、137Cs、90Sr、240Pu、131I等[10]。核爆炸试验所造成的污染程度虽小，但是其范围比较广泛，对土壤造成的放射性污染不能被忽视[11，12]。日本在2011年3月发生大地震引发了海啸，造成福岛重大核泄漏事故。在此次事故中有大量的134Cs和137Cs释放到空气中，最后降落到土壤表面和水体中，研究人员对兰州地区黄河水和自来水样品检测结果表明，兰州地区家庭生活用水都处于卫生标准的限制，此次事故严重损害了日本以及中国人民的人身安全[13，14]。

1.1.2 矿产开采造成的环境破环

由于矿产资源本身携带着大量的放射性核素，煤矿中含有大量放射性元素氡，在人类采矿的同时，会使矿产中的放射性元素释放到环境中[15-18]。在冶炼时也会将大量放射性污染元素释放到大气中，最终降落到土壤中造成土壤污染，进而影响到人类的健康。

1.1.3 农业化肥的使用

在现代农用化肥中的磷肥和钾肥等含有一定量的天然放射性污染，在使用的过程中放射性物质会进入土壤。在美国某些地区施磷肥的80a土壤里，238U的活度提高了1倍[19]，远远超过了土壤自净的能力，不但对人体有危害，还会影响庄稼的生长。

1.2 土壤放射性污染的危害

土壤放射性污染严重威胁着人类的生命健康和其它生物的生存。放射性元素可以通过大气和水进入生物链从而对人类造成伤害，并且可能遗传给后代[20]。土壤中的放射性元素可以对人体造成辐射危害，或者通过呼吸和皮肤接触等途径进入人体，使细胞发生癌变等[1，6]，如131I可以导致甲状腺发生癌变，矿产中的铀元素数周就可以使人的组织器官发生病变。一般的盐碱化或者污损土壤会使土壤的肥力下降，不会对人造成致命的伤害[21-23]，而放射性污染土壤会对人身体造成极大损害[24]。

2 放射性污染土壤的修复技术对比

目前针对治理土壤放射性污染的技术有生物法、物理法和化学法[25]，这3种方法针对不同的污染程度和不同的污染范围均有各自的优缺点，其比较结果见表1。

針对土壤污染面积小、程度严重、污染物难分解、污染物周期长的放射性污染可以使用表层土切削去污修复的物理方法;客土法也称为表土覆盖法，将没有污染的土壤覆盖到污染土壤的表层，让没有污染的土壤起到屏障的作用，降低放射性污染土壤辐射的危害[26]，这2种方法都不适用于大面积放射性污染。

化学方法修复主要是运用淋洗将化学试剂加入到污染的土壤中进行反应去除土壤污染，可分为原位修复技术和异位修复技术[27]。

生物方法主要就是利用植物的某些特性来对放射性污染的土壤进行修复，这种方法成本低、不会造成二次污染，是比较环保的技术方法。

物理方法需要大量的人力物力财力，不适合大面积土壤的污染治理。物理填埋法修复大面积低剂量污染，存在一些缺点，如工程量大耗费人力、能源等运输成本;运送过程中可能会抛洒，造成污染扩散等[28，29]。物理和化学方法修复对土壤本身结构破坏大，有可能造成二次污染，但是对于小面积高污染的土壤，这2种方法还是比较实用。因为这种修复方法投资和维护成本低、操作方便[4]。治理放射性污染的土壤需要因地制宜，综合考虑污染土壤的地理位置、土壤类型、污染的严重程度和污染面积等多方面的因素。由于核试验和核泄漏等所造成污染范围比较大，传统的物理或化学修复手段都不太适用，生物修复技术可以成为有效治理土壤放射性污染新的技术选择[2，3]。

3 土壤放射性污染的生物修复技术

3.1 土壤放射性污染的植物修复技术

植物修复技术治理土壤放射性污染不但经济而且效果好，由于现在还处在初步阶段，使用植物修复的方法主要就是培育和筛选出具有很强吸收和富集能力的植物生长在放射性污染的土壤中，通过植物生长时根部吸收土壤中的水分的同时将污染物一起吸收到植物体内，再将植物体集中处理，从而达到对土壤污染元素处理的目的[19]。其中，植物提取、植物固定、根际过滤和植物挥发4种主要机理[30]都有2个阶段：植物根际附近的污染物向维管植物的茎叶部分（LSB）迁移;收割后进行灰化处理植物根茎叶部分，将污染物进行浓缩，并对灰质进行填埋储存。杂交狼尾草、黑籽雀稗可以超富集Cd[31]，柳叶箬和金丝草可以富集Pb[32]。还可以利用转基因植物来提高植物修复的效率，为了构建修复砷污染土壤的工程植物，王奋飞[33]给高生物量的南芥中转入低生物量的砷超富集植物蜈蚣草螯合肽合成酶基因PvPCSI。

3.1.1 植物提取修复技术

植物提取是通过某些专性植物根部将土壤中污染放射性元素吸收并转移到地上植物体内，然后将植物收割后灰化集中处理的一种技术。后期的“水热液化”或者灰化法处理还可以达到放射性污染元素的回收效果，实现植物修复的生态化。专性植物具有超富集和忍耐某种放射性污染元素的能力[34]。在生物修复技术中植物提取的研究是比较常用的[35]。在植物生长过程中需要施肥、杀虫等提高植物的生长，从而提高植物的修复效率，其中超富集植物的选择是其发挥作用的重要基础。

3.1.2 植物固定技术

植物固定属于较为常见的一种修复技术，是利用根际的某种特殊物质使放射性污染物无害转化的技术[36]。多用在增强土壤里污染物的固定和污染土壤不受到侵蚀方面，可以很好地预防通过食物链传播污染的效果[37]。这种修复机理与植物提取刚好相反，所需要的植物特点也完全相反，将筛选出的植株种植在污染的土体中，在其生长过程中根系几乎不吸收污染物而且可以正常生长。筛选这种所需的植物是关键环节[38]。

植物固定技术不能够清除土壤中放射性污染物，所以这种修复技术不能成为理想的修复技术。

3.1.3 根际过滤技术

根际过滤是利用植物根系沉淀和浓缩水体中放射性核素的技术，来源于一种水生植物遏制环境污染的方法。主要是针对湿地和湖泊污染的修复。如水葫芦、卡州萍和金鱼藻能够很好的富集水体中的95Zr，水葫芦能够富集水体中的95Zr，从而达到净化水体的效果[39]。这种修复植株大部分为水生植物，陆生植物种类比较少[40]。如今研究陆地植物来修复湿地放射性污染已成为新的方向。

3.1.4 植物挥发技术

利用植物的蒸腾作用可以挥发掉大量水的特点，放射性污染元素溶解在水中被植物根部吸收后再从叶面挥发的过程。较常用于治理3H，氚一般溶于水中通过食物链进入到人体，对人体造成危害，植物挥发技术可以改变氚途径，从水中转化到大气中，比溶于水中公众辐照计量减少40%左右[41，42]。

以上4种植物修复技术中植物提取的应用更为广泛，效益更为显著，通过重复该流程，可以有效治理污染土壤。且这4种技术都具有投资和维护成本低，对环境不会造成二次污染，具有一定的绿色生态效应。超富集植物的选取和土壤环境会对植物的修复效果造成一定影响。

3.2 土壤放射性污染的微生物修复技术

微生物的特点就是比表面积大，可以分解和转化很多污染物。微生物修复也是近年来的热点研究问题，利用3大类微生物：基因工程菌、土著微生物和外来微生物。3个主要机理：吸收特性，微生物在生长过程中不但需要K、Na、Ca、Mg等元素，而且还需要微量元素来维持其特殊的生理功能;吸附作用，微生物细胞壁的官能团在吸附放射性元素中起到重要作用，放射性核素可以被微生物表面的特殊物质直接固定和吸附，放射性元素能够被细胞表面吸附和固定，研究表明活生物量没有灭活的吸收的元素多[43]，铁还原菌株能够有效地固定铀，导电菌毛和细胞色素是生物膜增强抗性的主要原因;转化作用，微生物通过主动或被动可以将放射性污染元素转化成不活动状态，降低污染物的活性，如氧化—还原作用，将放射性元素状态进行转化，氧化亚铁硫杆菌可以将Fe2+转化为Fe3+，有些微生物还可以将Hg2+还原成Hg挥发掉。微生物修复污染土壤关键就是筛选修复菌株，在这方面国内外学者取得了一定成果，如胡婷等[44]在被油田污染的土壤中获得了红球菌，这是一种苯酚高效降解菌;Chai Liyuan[45]发现可将Cr6+还原成低转移率的Cr3+的一种土著菌，治理Cr6+污染的效率高达98%。微生物可以和植物共生，能够加快植物根部的吸附能力。由于微生物繁殖速度快，适应特殊环境的能力强，在修复土壤放射性污染中有一定优势[46，47]。

4 问题和讨论

4.1 问题

通过以上对生物修复技术的总结，生物修复技术虽然具有很多优点，但是还存在着一些问题。目前对缩短生物修复技术周期的研究比较少，生物修复时间周期较长，修复效率低，对土壤的养分条件有较高的要求;目前缺少超富集和能够适应特殊环境的植物;具有超富集能力的植物植株都比较矮小、生长速度慢、生物量少;微生物原位修复放射性土壤比植物修复的速度快，但是微生物原位修复技术不能根本消除放射性污染，还会对地下水及深层土壤造成更严重污染。

4.2 讨论

利用生物多样性结合基因诱变工程技术，筛选出在特殊环境下生存能力强并且具有超富集特性的植物是植物修复技术的关键，利用筛选出的这种植物能够更好地进行土壤放射性污染的修复。微生物不但繁殖速度快而且具有很强适应特殊的能力，用污染元素對微生物进行培养，使用基因工程来改善所需微生物的结构，培养和筛选出对环境友好并且高度亲和放射性元素的微生物，缩短菌种的培养时间和加快修复速度，可以更快更便捷地对土壤放射性污染进行修复。当植物修复很难进行时，可以利用某些微生物强化修复技术结合土壤分选、反应器技术进行修复。

今后在对核能的利用、矿产资源的开采、农业化肥的使用所造成土壤的大面积低剂量的放射性污染进行修复时，将微生物修复技术和植物修复技术联合使用可以缩短放射性污染修复的时间周期，从而可以快速地对大面积低剂量的土壤放射性污染进行修复。

参考文献

[1]孙赛玉，周青.土壤放射性污染的生态效应及生物修复[J].中国生态农业学报，2008（02）：523-528.

[2]张学礼，王尔奇.环境中铀污染的植物修复[J].铀矿冶，2008（01）：44-49.

[3]Slavik Dushenkov.Trends in phytoremediation of radionuclides[J].Plant and Soil，2003，249：167-175.

[4]徐慧，陳明.土壤铅，镉污染及其微生物修复研究进展[J].安徽农业科学，2015，43（01）：65-67.

[5]范婷，张晓文，吕俊文.放射性污染土壤生物修复的研究进展[J].安全与环境学报，2011，11（06）：65-68.

[6]李金柱，梅祖明.环境放射性危害[J].上海地质，2003（02）：5-9.

[7]BaozhuLi，Yongfeng Yan.A study of natural radioactivity levels of soil in the Lincang Basin， Yunna [J].Chinese Journal of Geochemistry，2012，31（2）：191-194.

[8]李锐仪.土壤放射性核素的来源与迁移[J].环境，2015（S1）：63-64.

[9]刘少轩.土壤污染及其防治对策[J].产业与科技论坛，2017，16（08）：95-96.

[10]董武娟，吴仁海.土壤放射性污染的来源、积累和迁移[J].云南地理环境研究，2003（02）：83-87.

[11]Z Papp，ZDezso[DD（-1*9][KG3*2]″[DD）]，SDaro[DD（-1*9][KG3]′[DD）]czy.Significant radioactive contamination of soil around a coal-fired thermal power plant[J].Journal of Environmental Radioactivity，2002，59（2）：191-205.

[12]袁世斌.生物技术在放射性污染土壤修复中的研究进展[J].生物技术通报，2008（S1）：121-124，134.

[13]陈开琦.由日本核泄漏引发的公民环境安全权思考[J].云南师范大学学报（哲学社会科学版），2011，43（05）：14-22.

[14]张琼，陈金融，张春明，王亮，李勇.土壤放射性核素铯污染修复研究进展[J].核农学报，2014，28（10）：1924-1931.

[15]杨金辉，王清良，周书葵.铀矿山及周边环境放射性污染现状调查及治理对策[J].湖南生态科学学报，2014，1（04）：7-9.

[16]王亮.日本福岛事故土壤放射性污染状况及应对措施[C].中国环境科学学会.2012中国环境科学学会学术年会论文集（第二卷）.中国环境科学学会：2012：5.

[17]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（01）：61-64，75.

[18]张展适，李满根，杨亚新.赣、粤、湘地区部分硬岩型铀矿山辐射环境污染及治理现状[J].铀矿冶，2007（04）：191-196.

[19]崔玉婷.化肥与生态环境保护[M].北京：化学工业出版社，2000：77-80.

[20]查忠勇，王定娜，冯孝杰.生物修复放射性污染土壤的研究进展[J].化学研究与应用，2014，26（02）：153-159.

[21]刘忠义，杨川，黄子涛，唐谋生.放射性污染土壤危害及其防治对策的探讨[J].环境与可持续发展，2010，35（06）：33-36.

[22]Prof，DrMamdouh F，Abdel-Sabour. Decontamination of radioactive-contaminated soils[J].A PRESENTATION TO Jubail International Environment Conference，2011（5-6）：1-10.

[23]AlashrahSaleh，El-Taher A.Assessment of natural radioactivity level and radiation hazards in soil samples of Wadi Al- RummahQassim province， Saudi Arabia.[J].Journal of environmental biology，2016，37（5）：985-991.

[24]张彪，张晓文，李密.铀尾矿污染特征及综合治理技术研究进展[J].中国矿业，2015，24（04）：58-62.

[25]高崇林.对放射性污染土壤的治理与修复技术研究[C].中国指挥与控制学会.2013第一届中国指挥控制大会论文集.中国指挥与控制学会：2013：4.

[26]Ivana Smio[DD（-1*9][KG2*1/5]ˇ[DD）]klas， Marija S[DD（-*2][KG*2]ˇ[DD）]ljivic[DD（-1*9][KG2*2]′[DD）]-Ivanovic[DD（-1*9][KG4]′[DD）]. Radioactive Contamination of the Soil： Assessments of Pollutants Mobility with Implication to Remediation Strategies[J]. Soil Contamination - Current Consequences and Further Solutions，2016：253-276.

[27]LI Jing-jing，WEN Bao-yin，JIANG Zi-ying，LIU Sen-lin. Research on Phytoremediation of Contaminated Soil with Low Level Radioactivity[J]. Annual Report of China Institute of Atomic Energy， 2016：244-245.

[28]陈保冬，赵方杰，张莘，伍松林，乔敏，欧阳纬莹，朱永官. 土壤生物与土壤污染研究前沿与展望[J]. 生态学报，2015，35（20）：6604-6613.

[29]柯为.治理放射性污染物的微生物技术[J].生物工程学报，2006（05）：860.

[30]郭瑞萍，楊春林.农业土壤放射性污染现状与修复技术探讨[J].北京农业，2012（06）：184-185.

[31]刘周莉，何兴元，陈玮.忍冬——一种新发现的镉超富集植物[J].生态环境学报，2013，22（04）：666-670.

[32]薛生国，周菲，叶晟.金属尾矿废弃地植物稳定技术研究进展[J].环境科学与技术，2009，32（08）：101-104.

[33]王奋飞.将蜈蚣草植物螯合肽合成酶基因（PvPCS1）转入拟南芥中的研究[D].南昌：南昌大学，2007.

[34]薛生国，周菲，叶晟.金属尾矿废弃地植物稳定技术研究进展[J].环境科学与技术，2009，32（08）：101-104.

[35]陈保冬，陈梅梅，白刃.丛枝菌根在治理铀污染环境中的潜在作用[J].环境科学，2011，32（03）：809-816.

[36]王丹，陈晓明，唐运来，罗学刚.放射性核素污染土壤的植物提取修复技术研究关键问题探讨[J].辐射防护，2016，36（02）：94-103.

[37]熊玉宝.植物修复技术及其在环境保护中的应用[J].建材与装饰，2018（15）：144-145.

[38]Slavik Dushenkov.Trends in phytoremediation of radionuclides[J].Plant and Soil2003，249（1）：167-175.

[39]唐秀欢，潘孝兵.植物修复——大面积低剂量放射性污染的新治理技术[J].环境污染与防治，2006（04）：275-278.

[40]陈思，安莲英.土壤放射性污染主要来源及修复方法研究进展[J].广东农业科学，2013，40（01）：174-177.

[41]侯晓龙.铅超富集植物金丝草对Pb胁迫的响应机制研究[D].福州：福建农林大学，2013.

[42]饶苗苗，郑立莉.放射性污染的微生物修复机理及展望[J].江西化工，2018（04）：29-33.

[43]Simonoff M， Sergeant C， Poulain S， et al.Microorganisms and migration of radionuclides in environment[J].Comptes Rendus Chimie，2007，10（10）：1092-1107.

[44]胡婷.苯酚降解菌的固定化及其修复作用研究[D].咸阳：西北农林科技大学，2014.

[45]CHAI Liyuan， HUANG Shunhong， YANG Zhihui， et al.Cr（VI）re-mediation by indigenous bacteria in soils contaminated by chromi-um-containing slag[J].Journal of Hazardous Materials， 2009，167（1-3）：516-522.

[46]张琼，王博，王亮.切尔诺贝利和福岛核事故后放射性土壤修复研究进展[J].环境与可持续发展，2016，41（05）：117-121.

[47]谢广智，骆枫，林力.放射性污染土壤修复方法概述及评价[J].四川环境，2018，37（01）：164-168.

（责任编辑 周康）

收稿日期：2020-10-20

基金项目：陕西省土地整治重点实验室开放基金“污损土地修复的研究”（项目编号：2018-JC08）

作者简介：付泉（1992-），男，硕士，助理工程师。研究方向：土地工程。