土壤中放射性核素的生物效應和生物修復

1、土壤中放射性核素的生土壤中放射性核素的生物效應和生物修復物效應和生物修復學校：東華理工大學學院：水資源與環(huán)境工程學號：20080111土壤中放射性核素的生物效應和生物修復土壤中放射性核素的生物效應1 土壤放射性污染的來源2土壤放射性污染的環(huán)境生態(tài)效應3土壤放射性污染的生物修復4 展望土壤中放射性核素的生物效應和生物修復1 土壤放射性污染的來源 1.大氣層核試驗 大氣層核試驗產生的放射性塵埃是迄今土壤環(huán)境的主要放射性污染源。核試驗爆炸和核泄漏事故可大面積污染土壤,使具有長期殘存的放射性核素137s、90r在土壤中存在。1970年以前,全世界大氣層核試驗進入大氣平流層的90Sr達到5.761017

2、y,其中97%已沉降到地面,這相當于核工業(yè)后處理廠排放90r的1萬倍以上。核工業(yè)與核試驗過程中排放的廢水、廢氣和廢渣,也是造成土壤環(huán)境放射性污染的一個原因。在美國,地下掩埋的放射性廢物(31063)污染了約71073的地表土壤、31093的地下水。土壤中放射性核素的生物效應和生物修復1 土壤放射性污染的來源 2.礦物中的放射性物質 除作為核燃料原料的含鈾礦物以外,煤、石油、泥炭、天然氣、地熱水(或蒸汽)和某些礦砂中的鈾含量較高,其開采、冶煉和應用過程中也會釋放放射性廢物到環(huán)境中去,給土壤環(huán)境帶來一定污染。燃煤中可能存在的放射性核素絕大部分是以空氣沉降物的形式進入土壤與河流沉積物中。土壤中放射性

3、核素的生物效應和生物修復1 土壤放射性污染的來源 3.化肥中的放射性物質 化肥原料中攜帶放射性核素,化肥的施用將放射性元素擴散到廣大農田環(huán)境,自然界的磷礦石中常伴生鈾、釷、鐳等天然放射性元素,磷肥生產過程中,鈾和磷一起進入磷肥。在美國一些州施用磷肥80年的土壤中,238的濃度提高了1倍。鉀肥中含有放射性核素40,鉀是動、植物必需的營養(yǎng)元素,很容易通過食物鏈在人體內積累。我國20世紀90年代初的鉀肥消耗量約1 500(2)-1,估計進入農田的40放射性總強3.71013-1。粉煤灰作為土壤改良劑施用,亦會將放射性污染物質帶進土壤,粉煤灰施用量達675-2時,土壤中的放射性核素236和238的比活

4、度分別為對照的3.56倍和2.60倍。 土壤中放射性核素的生物效應和生物修復2 土壤放射性污染的環(huán)境生態(tài)效應 土壤放射性污染危及農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。土壤環(huán)境中最危險的放射性物質是137和90,其化學性質與生命必需元素和相似,進入生物和人體后,在一定部位積累,增加人體的放射輻射,引起三致(致畸、致癌、致突變)變化。 土壤中放射性核素會引起土壤生物種群區(qū)系成分的改變、生物群落結構的變化。 急性輻射脅迫常常導致環(huán)境中的敏感植物受傷。如松樹是對輻射最為敏感的物種之一,在200內接受300(3)劑量的射線輻射后,所有濕地松樣本在其后的幾個月內相繼死亡;接受800(8)劑量、樹齡小于5年的長葉松(.)樣本

5、也全部死亡;較大樹齡的長葉松在200內接受照射劑量2 800(28)后,幾個月內也全部死亡。土壤中放射性核素的生物效應和生物修復3土壤放射性污染的生物修復 目前已有的是工程與化學相結合的方法,將污染土壤從污染位點轉移,然后用分散劑和螯合劑進行處理。該方法需要動用大型設備,處理費用高,很少有人用這一技術處理大面積低濃度的放射性核素污染,該方法一般僅用于難以進行生物處理的高放核素污染的治理。 土壤中的放射性核素一般呈低放射性,這為植物與微生物修復技術的實施提供可能。適于植物修復技術的低放核素有137、90、3及的同位素。低放核素的生物修復主要是利用植物吸收、固定土壤中的低放核素,利用微生物吸收、轉

6、化環(huán)境中放射性核素。 分為：植物修復 微生物修復土壤中放射性核素的生物效應和生物修復植物修復 植物可從污染土壤中吸收積累大量的放射性核素,吸收量因核素與植物種類而異。植物也可阻礙放射性物質傳播和輻射,特別是對放射性塵埃有明顯的吸收與過濾作用。森林植被能有效吸收和過濾放射性物質,且闊葉林凈化放射性散落物能力和速度優(yōu)于針葉林。植物吸收放射性核素的主要途徑為大氣干濕降與土壤顆粒在植物體表面的黏附及植物根系吸收。沉降在植物體表的放射性核素可被植物葉片吸附、吸收,轉移至植物體內的其他部分。植物根系是吸收土壤中放射性核素的主要途徑,通過種植富集放射性核素的植物,結合收集處理植物技術,可降低土壤中放射性污染

7、物。土壤中放射性核素的生物效應和生物修復植物修復技術 (1)植物萃取技術 本質是通過植物的光合作用，將分散在土壤中的污染物泵吸出來，轉移到植物地上莖葉部位，最后通過收獲植物地上器官并處理這些器官達到環(huán)境治理、變廢為寶的目的。收獲植物中的放射性元素還可以回收利用。植物提取技術利用的是一些對放射性元素具有較強富集能力的特殊超積累植物。土壤中放射性核素的生物效應和生物修復植物修復技術 (2）植物蒸發(fā)技術 本質是通過植物的光合作用，將分散在土壤中的污染物泵吸出來，轉移到植物地上莖葉部位，最后通過收獲植物地上器官并處理這些器官達到環(huán)境治理、變廢為寶的目的。收獲植物中的放射性元素還可以回收利用。植物提取技

8、術利用的是一些對放射性元素具有較強富集能力的特殊超積累植物。土壤中放射性核素的生物效應和生物修復植物修復技術 (3)植物固化技術 通過耐高含量污染、根系發(fā)達的多年生常綠植物,固定土壤中放射性污染物,減少其危害性。此法未將土壤中放射性污染物去除,只是暫時將其固定,一旦環(huán)境條件發(fā)生變化,放射性核素的生物可利用性可能隨之改變。土壤中放射性核素的生物效應和生物修復影響植物修復的因素（1）放射性核素的形態(tài)與性質,溶解態(tài)的陽離子遷移能力小,難溶態(tài)的氧化物或沉淀不易被土壤黏粒吸附。不同氧化價態(tài)的核素,植物吸收能力不同,一般放射性核素粒徑越小越易被植物吸收。（2）植物種類,研究表明12種植物對鈾的吸收積累能力

9、,發(fā)現(xiàn)不同植物對鈾的積累能力存在很大差異。評價了放射性污染的土壤中放射性核素植物濃縮的潛能,維管植物有較高的99c（锝)攝取能力,99有較強的嫩枝轉移和積累趨勢。 （3)土壤性質,土壤因子影響放射性核素的植物可得性,土壤黏粒礦物質含量、有機質含量及類型、陽離子交換量和土壤水分狀況都會影響植物對放射性污染物的吸收。土壤離子交換能力越強,植物對放射性核素的吸收能力越大。土壤中有機質含量越高,植物吸收和積累的放射性核素含量越多。影響植物吸收、轉移土壤中的鈾,陽離子交換、堿基飽和度直接影響137和90在土壤中的行為。土壤水分對植物吸收積累放射性核素也有影響,水分直接影響植物自身長勢及污染物在體內的分布

10、。土壤中放射性核素的生物效應和生物修復影響植物修復的因素（4）施肥措施,137與90分別同和具有相似的化學性質,在137污染的土壤中大量施用鉀肥會減少植物對137的吸收。NH4+可在吸附位上取代137,使137溶入土壤中,因此修復放射污染土壤時勿用銨肥。土壤中施入鈣、磷肥會抑制植物對90的吸收。施肥措施還會間接影響修復土壤的肥力及植物生長,缺土壤中增施氮肥,可促進植物根系生長,增加根系密度,從而間接促進植物對核素吸收。土壤中放射性核素的生物效應和生物修復微生物修復 由于微生物個體小,有相對大的比表面積,可以分解轉化很多污染物,微生物對放射性核素的吸收起著重要作用。開發(fā)經濟實用的微生物修復技術來

11、治理土壤放射性污染,愈來愈受到科學家的關注。土壤中放射性核素的生物效應和生物修復微生物修復機理1.微生物吸收作用 微生物生長除需、a、a、g等常規(guī)元素外,還需一些具特殊生理功能的微量元素,如參與維生素12合成及植物與微生物共生固氮作用。137與化學性質相似,通過交換吸收將137固定在微生物體內。用放射自顯影技術從137污染土壤中分離出3株能大量積累137的微生物,其中兩株是枝孢霉菌.和桿狀菌芽孢桿菌,另一株是未被鑒定的革蘭氏陰性菌。微生物K+137s土壤中放射性核素的生物效應和生物修復微生物修復機理2.微生物吸附作用 微生物表面(細胞壁和黏液層)可直接吸附固定放射性核素。如土壤真菌對放射性核素

12、具有一定吸附能力,可以利用土壤真菌將放射性核素固定在表土中,以防地下水污染。野外和實驗室實驗皆證實,菌絲可富集核素并最終將核素移至果實體中,可通過收獲果實體來提取放射性核素。微生物土壤中放射性核素的生物效應和生物修復微生物修復機理3.微生物轉化作用 微生物影響放射性核素的生物可得性,土壤微生物對環(huán)境中放射性核素的活化與固定起重要作用,菌根菌是土壤中大量存在的微生物,與植物形成共生關系,在植物吸收放射性核素中扮演著重要角色。如巴哈雀稗，宿根高粱，和柳枝稷自身能吸收土壤中137和90,但接種菌根真菌摩西球囊霉和根內球囊霉后,能增加每種草的地上部生物量和器官中137和90的濃度與積聚率,尤其以摩西球

13、囊霉接種宿根高粱效果最為明顯。不同菌根對植物吸收放射性核素的影響不同,植物受到石南型菌根侵染后對137吸收能力下降。外生菌根可明顯降低挪威云杉幼苗對137和90的吸收。植物的根放射性核素微生物土壤中放射性核素的生物效應和生物修復微生物修復放射性污染的研究 奇球菌科微生物是迄今為止所發(fā)現(xiàn)細菌中輻射耐受性最強的一類細菌,耐輻射菌Deinococcus radiodurans在超過15 000的急性輻照下不出現(xiàn)致死或發(fā)生誘變,在慢性輻照下(60-1)能連續(xù)生長,生長速率和克隆基因表達不受這種輻照影響。1997年起,人們開始探索在輻射條件下耐輻射菌用于生物修復的可行性,目前發(fā)現(xiàn)了7個菌株。最近在國內首

14、次分離到1株桿狀耐輻射菌,初步鑒定其歸于奇球菌科。在慢性照射6 000rad-1下其生長及外源基因表達不受任何影響,這是該菌可用以修復放射性污染環(huán)境的基礎。耐輻射菌的基因組具有非常大的可塑性,可將多種不同生物修復功能的基因引入耐輻射菌細胞中,構建用于放射性污染環(huán)境修復的基因工程菌。土壤中放射性核素的生物效應和生物修復微生物修復放射性污染的研究 人們成功地研究了耐輻射菌在高輻射環(huán)境的遺傳系統(tǒng),利用耐輻射菌進行環(huán)境修復是一種具有實用潛力的手段。篩選、改造對放射性核素具有抗性并有較強吸收能力的微生物是一個十分重要的研究方向。利用基因工程技術定向改變微生物的基因結構,可以解除該微生物固有的一些物理、化

15、學和生理方面的限制,提高微生物對放射性核素的選擇性、親和力及吸收能力。人們可以通過培養(yǎng)得到能大量積累放射性核素的微生物,然后投加到受放射性污染的土壤環(huán)境中去,進行微生物修復。土壤中放射性核素的生物效應和生物修復展望 土壤放射性污染對動植物產生一定的輻射效應,最終危及農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定與人類健康。常規(guī)化學或物理方法不適用于土壤中低放核素污染物處理,生物修復以成本低、環(huán)境攪動性小等優(yōu)點而備受矚目。植物修復技術不僅是一條有效、廉價的凈化途徑,其技術和經濟上優(yōu)于常規(guī)方法技術,微生物修復技術去除放射性污染具有實用潛力。植物修復目前仍處于起步階段,植物對放射性核素超常吸收的許多基礎理論問題有待深入研究,關鍵工作仍是篩選出能超量積累污染物的植物以及能改善植物吸收性能的方法。利用植物基因工程技術,篩選核素積累植物和超積累植物,將有利于解決土壤放射性核素污染的治理。 土壤中放射性核素的生物效應和生物修復展望 微生物適應環(huán)境能力強且增殖速度快,利用微生物治理土壤放射性污染有一定優(yōu)勢。