CN104741370A - 一种评价植物修复放射性核素污染土壤潜力的新方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种评价植物修复放射性核素污染土壤潜力的新方法。提出植物修复系数，定义为植物的地上部分生物量与其中放射性核素的浓度的乘积除以土壤中放射性核素的浓度，根据植物修复系数的大小评价一种植物修复放射性核素污染土壤的潜力。本方法综合考虑植物地上部分的生物量、植物地上部分放射性核素的浓度和污染土壤中放射性核素的浓度三个因素，用来评价一种植物修复放射性核素污染土壤的潜力更加合理。与现有的评价方法相比，具有简单、直观、结果合理的优点。

Description

一种评价植物修复放射性核素污染土壤潜力的新方法

技术领域

本发明涉及放射性核素污染土壤的修复，特别涉及放射性核素污染土壤的植物修复。

背景技术

随着我国国防和核电的快速发展，对天然铀的需求在日益增加，这就要求加大铀矿开采和冶炼的规模，这使得越来越多的土壤遭到了放射性核素的污染。放射性核素污染土壤具有放射性核素浓度低、面积广、处理量大等特点。虽然采用客土法、原位覆盖法、固化法、稳定化法、电动修复法、土壤淋洗法、螯合剂浸取法等物理和化学方法，虽可取得较好的效果，但其处理成本高、易造成二次污染，同时还需采用专门的设备，配备专业技术人员对其进行操作、维护和管理，因而只适用于小面积的重度放射性核素污染土壤的处理，而且常常会导致土壤结构破坏、土壤生物活性下降和土壤肥力退化等问题。因此，研究高效、廉价的修复铀矿冶放射性核素污染土壤的方法是我国铀矿冶最紧迫的任务之一。

与传统的物理和化学修复方法相比，生物修复法具有环境友好、技术难度小、投资少、成本低、操作简便、无二次污染等特点。尤其是植物修复法，以阳光为能源，节省人力物力，处理设施小，成本低，适合大规模的应用；有利于土壤生态系统的保持；对污染地景观有美学价值，对环境基本没有破坏作用，易为公众所接受，且有可能通过资源化取得经济效益，是一种最具潜力的铀矿冶放射性核素污染土壤的高效、廉价修复方法。然而，筛选适合当地环境的具有修复功能的植物物种，是植物修复的一项重要基础性工作。

目前，评价一种植物是否具有修复放射性核素污染土壤的潜力，主要有两个指标：生物富集量和生物富集系数。生物富集量是指目标放射性核素在植物体内某一部位的浓度，可以反映植物对放射性核素的富集程度的高低或富集能力的强弱；生物富集系数是指植物某一部位的目标放射性核素浓度与土壤中相应的放射性核素浓度之比，它在一定程度上反映了土壤-植物系统中放射性核素迁移的难易程度。

然而，评价一种植物是否可用于植物修复，植物中目标放射性核素的浓度不是唯一的决定因素。尽管这种植物中目标放射性核素浓度非常高，但是，如果其生物量非常小的话，它对土壤中目标放射性核素的去除能力也将很低，因而它不适合用于植物修复。植物的生物量是评价一种植物用于植物修复的一个重要的评价因子，采用植物中目标放射性核素的浓度与植物生物量的乘积，表示一种植物对污染土壤中目标放射性核素的去除能力更加合理。由于先前的评价指标生物富集量和生物富集系数没有考虑植物的生物量这个因子，因此，亟需根据影响植物修复的三个因素，植物的生物量、植物中放射性核素的浓度和污染土壤中放射性核素的浓度，提出评价植物修复放射性核素污染土壤潜力的新方法。

发明内容

 针对上述情况，本发明的目的是提供一种评价植物修复放射性核素污染土壤潜力的新方法。本发明根据植物的生物量、植物中放射性核素的浓度和放射性核素污染土壤中放射性核素的浓度这三个影响放射性核素污染土壤植物修复效果的因子，提出了一个新的植物修复系数，它被定义为植物地上部分的生物量与其中放射性核素的浓度的乘积再除以土壤中放射性核素的浓度。采用此植物修复系数评价一种植物修复放射性核素污染土壤的潜力，具有简单、直观、结果合理等多重优点。其具体步骤包括：

（1）采集植物和土壤样；

（2）测定植物各个部位的生物量；

（3）测定植物各个部位放射性核素的浓度；

（4）测定土壤中放射性核素的浓度；

（5）计算植物修复系数，评价修复潜力；

其进一步的措施是：

    所述采集植物和土壤样的具体做法是：选好采样地点，对生长在放射性核素污染土壤中的优势植物进行采集，每种植物采集6株；采用带有聚丁烯套的长30.5 cm、直径为5 cm的S形不锈钢钻具，在植物生长对应的采样点上采集土壤样品；

所述测定植物各个部位的生物量的具体做法是：先用自来水冲洗附着在植物样品的叶及根的表面的土壤，然后用去离子水洗干净，将根、茎、叶、花、果实分开。让其自然风干2周后，在105℃的烘箱内烘干24 h，恒质量后，再采用电子天平称取茎、叶和果实的质量；

    所述测定植物各个部位放射性核素的浓度的具体做法是：采用植物粉碎机将烘干至恒质量后的植物的茎、叶和果实进行粉碎，经过63 μm的尼龙筛后，准确称取50～100 mg的样品，置于聚四氟乙烯烧杯中，加入2 mL 浓度为68%的HNO₃，密封放置过夜，然后放置于电热板上敞开加热，在150℃下蒸至近干，冷却后再加入2 mL浓度为68% 的HNO₃ 和0.2 mL浓度为38%的HF，放入内衬钢套加盖密封，置于烘箱中在190℃下加热20 h，稍冷后，再次放置于电热板上蒸至近干，加入1 mL 浓度为500 ng/mL 的Rh内标液，最后加入0.5 mL 浓度为40%的HNO₃ 和3 mL 的H₂O，于130℃下密闭加热3 h，冷却，最后，将消解液用双重蒸馏水定容至10 mL，采用电感耦合等离子体质谱测定其中放射性核素的浓度；

    所述测定土壤中放射性核素的浓度的具体做法是：除去采集到的放射性核素污染土壤样品中的植物残根和石砾，将每个采样点的土壤充分混匀，用四分法取1 kg带回实验室，自然风干2个星期，然后在105°C烘干24 h，恒质量后，采用玛瑙研钵将土壤进行研磨，经过63 μm的尼龙筛后，取50～100 mg的样品置于聚四氟乙烯烧杯中，加入2 mL 浓度为68%的HNO₃，密封放置过夜，然后放置于电热板上敞开加热，在150℃下蒸至近干，冷却后加入2 mL浓度为68% 的HNO₃ 和0.2 mL浓度为38%的HF，放入内衬钢套加盖密封，置于烘箱中在190℃下加热20 h，稍冷后，再次放置于电热板上蒸至近干，加入1 mL浓度为500 ng/mL的 Rh内标液，最后加入0.5 mL浓度为40%的HNO₃ 和3 mL 的H₂O，于130℃下密闭加热3 h，冷却，最后，将消解液用双重蒸馏水定容至50 mL，采用电感耦合等离子体质谱测定其中放射性核素的浓度；

    所述计算植物修复系数，评价修复潜力的具体做法是：才用以下公式（1）计算各种植物对放射性核素的植物修复系数，根据植物修复系数的大小评价一种植物对放射性核素污染土壤的修复潜力，

植物修复系数                                               （1）

在公式（1）中，植物地上部分包括种子、茎和叶等组织，植物地上部分目标放射性核素的浓度指种子、茎和叶等组织中目标放射性核素的平均浓度，土壤中目标放射性核素的浓度指的是待修复放射性核素污染土壤的平均浓度。

此植物修复系数综合考虑了植物地上部分的生物量、植物地上部分放射性核素的浓度和污染土壤中放射性核素的浓度三个因素。因此，用它来评价一种植物修复放射性核素污染土壤的潜力更加合理。植物修复系数较好的反映了植物对污染土壤中目标放射性核素的去除能力，它弥补了现有评价指标的不足，且计算简便。尽管有些植物中目标放射性核素的浓度没有达到超富集植物的要求，但如果其生物量很大，也可以作为潜在的放射性核素修复物种。本专利发明的这种评价植物修复放射性核素污染土壤潜力的方法，与现有的评价方法相比，具有简单、直观、结果合理等优势。

具体实施方法

下面对本发明作进一步说明。

Ⅰ 材料

    植物、放射性核素污染土壤、电子天平、电感耦合等离子体质谱等。

Ⅱ 实施方式

    选好采样地点，对生长在放射性核素污染土壤中的优势植物进行采集，每种植物采集6株；在植物生长对应的采样点上采用带聚丁烯套、长30.5cm、直径5 cm的S形不锈钢钻具采集土壤样品。采集的植物样品先用自来水冲洗附着在其叶和根表面的土壤，然后用去离子水洗干净，将根、茎、叶、花、果实分开。自然风干2个星期后，在105℃的烘箱内烘干24 h，恒质量后，再采用电子天平称取茎、叶和果实的质量。采用植物粉碎机将烘干至恒质量后的植物的茎、叶和果实进行粉碎，经过63 μm的尼龙筛后，待测。采集到的放射性核素污染土壤样品，除去植物残根和石砾后，将每个采样点的土壤充分混匀，用四分法取1 kg带回实验室，自然风干2个星期后，在105°C的烘箱内烘干24 h，恒质量后，再采用玛瑙研钵将土壤进行研磨，经过63 μm的尼龙筛后，待测。准确称取50～100 mg的植物或土壤样品，置于聚四氟乙烯烧杯中，加入2 mL 浓度为68%的HNO₃，密封放置过夜，然后放置于电热板上敞开加热，在150℃下蒸至近干，冷却后加入2 mL 浓度为68% 的HNO₃ 和0.2 mL 浓度为38%的HF，放入内衬钢套加盖密封，置于烘箱中在190℃下加热20 h，稍冷后，再次放置于电热板上蒸至近干，加入1 mL 浓度为500 ng/mL 的Rh内标液，最后加入0.5 mL 浓度为40%的HNO₃ 和3 mL 的H₂O，于130℃下密闭加热3 h，冷却，最后，将植物样品消解液用双重蒸馏水定容至10 mL，将土壤样品消解液用双重蒸馏水定容至50 mL，采用电感耦合等离子体质谱测定其中放射性核素的浓度。根据测定的植物地上部分目标放射性核素的浓度、单株植物地上部分的生物量和土壤中目标放射性核素的浓度，采用（1）式计算植物修复系数，根据植物修复系数的大小评价一种植物对放射性核素污染土壤的修复潜力。

植物修复系数（1）

上式中，植物的地上部分包括种子、茎和叶等组织，植物地上部分目标放射性核素的浓度，指种子、茎和叶等组织中目标放射性核素的平均浓度，土壤中目标放射性核素的浓度指的是待修复放射性核素污染土壤的平均浓度。

Ⅲ 原理

    评价一种植物是否适合用于植物修复，其中目标放射性核素的浓度不是唯一的决定因素。尽管这种植物中目标放射性核素的浓度非常高，但如果其生物量非常小的话，那么它对土壤中目标放射性核素的去除能力也将很低，因而它不适合用于植物修复。植物的生物量是评价一种植物用于植物修复的一个重要的评价因子，采用植物中目标放射性核素的浓度与植物的生物量的乘积，表示一种植物对污染土壤中目标放射性核素的去除能力更加合理。由于先前的评价指标生物富集量和生物富集系数没有考虑植物的生物量这个因子，因此，根据影响植物修复的三个因素，植物的生物量、植物中放射性核素的浓度和污染土壤中放射性核素的浓度，提出新的植物修复系数，它被定义为植物地上部分的生物量与其中放射性核素的浓度的乘积除以土壤中放射性核素的浓度。采用此植物修复系数评价一种植物修复放射性核素污染土壤的潜力更加合理。

Ⅳ 实施例

实施例1

    采集某铀尾矿库及周边地区放射性核素污染土壤中16种优势植物和土壤样品，并对植物地上部分的生物量、地上部分的U浓度和对应的土壤中的U浓度进行了测定，并根据公式（1）计算了每种植物对放射性核素污染土壤中U的植物修复系数，如表1所示，根据计算的植物修复系数，Macleaya cordata对放射性核素污染土壤中U的修复系数最高，为89.3，因此，所采集的16种植物中Macleaya cordata对放射性核素污染土壤中的U具有较好的修复潜力。

植物修复系数（1）。

表1某铀尾矿库及周边地区放射性核素污染土壤中16种植物对U的植物修复系数

实施例2

    采集某铀尾矿库及周边地区放射性核素污染土壤中16种优势植物和土壤样品，并对植物地上部分的生物量、地上部分的Th浓度和对应的土壤中的Th浓度进行了测定，并根据公式（1）计算了每种植物对放射性核素污染土壤中Th的植物修复系数，如表2所示，根据计算的植物修复系数，Macleaya cordata对放射性核素污染土壤中Th的修复系数最高，为9.98，因此，所采集的16种植物中Macleaya cordata对放射性核素污染土壤中的Th具有较好的修复潜力。

植物修复系数（1）。

表2某铀尾矿库及周边地区放射性核素污染土壤中16种植物对Th的植物修复系数

实施例3

    采集某铀尾矿库及周边地区放射性核素污染土壤中16种优势植物和土壤样品，并对植物地上部分的生物量、地上部分的Ba浓度和对应的土壤中的Ba浓度进行了测定，并根据公式（1）计算了每种植物对放射性核素污染土壤中Ba的植物修复系数，如表3所示，根据计算的植物修复系数，Phragmites australis对放射性核素污染土壤中Ba的修复系数最高，为10.0，因此，所采集的16种植物中Phragmites australis对放射性核素污染土壤中的Ba具有较好的修复潜力。

植物修复系数（1）。

表3某铀尾矿库及周边地区放射性核素污染土壤中16种植物对Ba的植物修复系数

实施例4

    采集某铀尾矿库及周边地区放射性核素污染土壤中16种优势植物和土壤样品，并对植物地上部分的生物量、地上部分的Ni浓度和对应的土壤中的Ni浓度进行了测定，并根据公式（1）计算了每种植物对放射性核素污染土壤中Ni的植物修复系数，如表4所示，根据计算的植物修复系数，Miscanthus floridulus对放射性核素污染土壤中Ni的修复系数最高，为25.0，因此，所采集的16种植物中Miscanthus floridulus对放射性核素污染土壤中的Ni具有较好的修复潜力。

植物修复系数（1）。

表4某铀尾矿库及周边地区放射性核素污染土壤中16种植物对Ni的植物修复系数

实施例5

    采集某铀尾矿库及周边地区放射性核素污染土壤中16种优势植物和土壤样品，并对植物地上部分的生物量、地上部分的Sr浓度和对应的土壤中的Sr浓度进行了测定，并根据公式（1）计算了每种植物对放射性核素污染土壤中Sr的植物修复系数，如表5所示，根据计算的植物修复系数，Macleaya cordata对放射性核素污染土壤中Sr的修复系数最高，为69.2，因此，所采集的16种植物中Macleaya cordata对放射性核素污染土壤中的Sr具有较好的修复潜力。

植物修复系数（1）。

表5某铀尾矿库及周边地区放射性核素污染土壤中16种植物对Sr的植物修复系数

实施例6

    采集某铀尾矿库及周边地区放射性核素污染土壤中16种优势植物和土壤样品，并对植物地上部分的生物量、地上部分的Pb浓度和对应的土壤中的Pb浓度进行了测定，并根据公式（1）计算了每种植物对放射性核素污染土壤中Pb的植物修复系数，如表6所示，根据计算的植物修复系数，Phragmites australis对放射性核素污染土壤中Pb的修复系数最高，为10.5，因此，所采集的16种植物中Phragmites australis对放射性核素污染土壤中的Pb具有较好的修复潜力。

植物修复系数（1）。

表6某铀尾矿库及周边地区放射性核素污染土壤中16种植物对Pb的植物修复系数

以上仅仅是本发明的较佳实施方式，根据本发明的上述构思，本领域的熟练人员还可以对此作出各种修改和变换。例如，用本方法评价植物对放射性核素污染土壤中其他核素和重金属的修复潜力、评价植物对重金属污染土壤中各种重金属和各种阴离子的修复潜力、评价植物对有机物污染土壤中各种有机物的修复潜力等等。然而，类似的这种变换和修改均属于本发明的实质。

Claims (6)

1.一种评价植物修复放射性核素污染土壤潜力的新方法，根据植物的生物量、植物中放射性核素的浓度和放射性核素污染土壤中放射性核素的浓度这三个因素影响植物修复放射性核素污染土壤的效率的因子，提出植物修复系数，其特征在于，植物修复系数定义为植物的地上部分生物量与其中放射性核素的浓度的乘积除以土壤中放射性核素的浓度，根据植物修复系数的大小评价一种植物修复放射性核素污染土壤的潜力，评价方法具体步骤包括：

（1）植物和土壤的采集；

（2）测定植物各个部位的生物量；

（3）测定植物各个部位放射性核素的浓度；

（4）测定土壤中放射性核素的浓度；

（5）计算植物修复系数及评价修复潜力。

2.根据权利要求1所述的一种评价植物修复放射性核素污染土壤潜力的新方法，其特征在于，所述的植物和土壤样品的采集是：选好采样地点后，对生长在放射性核素污染土壤中的优势植物进行采集，每种植物采集6株；在植物生长对应的采样点上采用S形，带有聚丁烯套的长30.5cm，直径为5 cm的不锈钢钻具采集土壤样品。

3.根据权利要求1所述的一种评价植物修复放射性核素污染土壤潜力的新方法，其特征在于，所述的测定植物各个部位的生物量具体是：采集的植物样品先用自来水冲洗附着在叶或根表面的土壤，然后用去离子水洗干净，将根、茎、叶、花、果实分开，自然风干2个星期后，然后在105 ℃的烘箱内烘干24 h，质量恒定后，再采用电子天平称取茎、叶和果实的质量。

4.根据权利要求1所述的一种评价植物修复放射性核素污染土壤潜力的新方法，其特征在于，所述的测定植物各个部位放射性核素的浓度具体是：采用植物粉碎机将烘干至恒质量后的植物的茎、叶和果实进行粉碎，经过63 μm的尼龙筛后，准确称取50～100 mg的样品于聚四氟乙烯烧杯中，加入2 mL 68%的HNO₃，密封放置过夜，然后放置于电热板上敞开加热，在150 ℃下蒸至近干，冷却后加入2 mL 68% 的HNO₃ 和0.2 mL 38%的HF，放入内衬钢套加盖密封，置于烘箱中在190 ℃下加热20 h，稍冷后，再次放置于电热板上蒸至近干，加入1 mL 500 ng/mL Rh内标液，最后加入0.5 mL 40%的HNO₃ 和3 mL 的H₂O，于130 ℃下密闭加热3 h，冷却，最后，将消解液用双重蒸馏水定容至10 mL，采用电感耦合等离子体质谱测定其中放射性核素的浓度。

5.根据权利要求1所述的一种评价植物修复放射性核素污染土壤潜力的新方法，其特征在于，所述的测定土壤中放射性核素的浓度具体是：采集到的放射性核素污染土壤样品，除去植物残根和石砾后，将每个采样点的土壤充分混匀，用四分法取1 kg带回实验室，自然风干2个星期，然后在105°C烘干24 h，恒质量后，采用玛瑙研钵将土壤进行研磨，经过63 μm的尼龙筛后，取50～100 mg的样品于聚四氟乙烯烧杯中，加入2 mL 68%的HNO₃，密封放置过夜，然后放置于电热板上敞开加热，在150 ℃下蒸至近干，冷却后加入2 mL 68% 的HNO₃ 和0.2 mL 38%的HF，放入内衬钢套加盖密封，置于烘箱中在190 ℃下加热20 h，稍冷后，再次放置于电热板上蒸至近干，加入1 mL 500 ng/mL Rh内标液，最后加入0.5 mL 40%的HNO₃ 和3 mL 的H₂O，于130 ℃下密闭加热3 h，冷却，最后，将消解液用双重蒸馏水定容至50 mL，采用电感耦合等离子体质谱测定其中放射性核素的浓度。

6.根据权利要求1所述的一种评价植物修复放射性核素污染土壤潜力的新方法，其特征在于，所述的计算植物修复系数、评价修复潜力具体是：根据公式（1）计算各种植物对放射性核素的植物修复系数，根据植物修复系数的大小评价一种植物对放射性核素污染土壤的修复潜力，

植物修复系数                                               （1）

以述公式中，植物的地上部分包括种子、茎和叶组织，植物地上部分的目标核素的浓度，指的是种子、茎和叶组织中目标核素的平均浓度，土壤中目标放射性核素的浓度指的是待修复放射性核素污染土壤的平均浓度。