珠三角地区植物中天然放射性核素水平

中国环境学会  2011年 06月22日

  宋 刚, 陈迪云, 富英杰, 岳玉美, 张志强, 陈永亨
  广州大学环境科学与工程学院, 电话:13928805105

  地址: 广州市广州大学城外环西路230号A129, 邮编: 510006
   
  摘要:通过野外现场采集珠三角地区的植物样品,利用HPGe–γ能谱分析方法测量了样品中天然放射性核素238U、226Ra、232Th和40K的比活度。结果表明大部分植物中天然放射性核素含量较低,但是发现了芒萁(Dicranopteris dichotoma)的226Ra和232Th含量较高,分别达到239.7(45.6—567.1)Bq·kg-1和676.4(162.1—2272.9)Bq·kg-1(干重),计算的生物富集系数分别达到2.5(0.9—4.2)和4.2(1.1—9.2),证明芒萁是一种新的226Ra和232Th超富集植物。研究结果将对大面积低剂量天然放射性核素污染的土壤植物修复研究具有重要的意义。
  关键词:226Ra;232Th;超富集植物;芒萁
   
  环境放射性包括天然来源和人为来源。人类长期受到的环境辐射大部分来自于地表圈、大气圈和水圈中的铀(U)系、钍(Th)系、氚、14C、40K和87Rb等衰变产生的天然放射性。但是,随着我国核能迅猛发展以及铀(钍)矿和伴生放射性矿资源的开发利用,将会对环境造成长期的潜在的放射性污染。放射性核素污染不仅对环境造成射线辐射,而且可以通过食物链进入人体造成内照射,严重威胁人类的健康[1]。这种大面积低剂量的放射性污染难以通过物理——化学方法进行治理,近年来植物修复技术迅猛发展[2-3],使大面积低剂量放射性污染治理有了一种新的选择[4]。
  放射性污染植物修复技术(Phytoremediation)就是利用植物根系吸收水分和养分的过程来吸收、转化污染体(如土壤和水)中的放射性核素,以期达到清除核素、修复或治理目的的一种环境治理技术[3]。U、Th 、226Ra、60Co、90Sr、137Cs等都是具有生态意义的放射性核素,植物修复的目的是减少环境中的这些放射性核素对生态的危害。经过多年的发展,美国、乌克兰、捷克等国家已经掌握了应用于田间试验及小规模污染修复的放射性污染植物修复技术。相对来说对放射性核素90Sr、137Cs研究得比较透,对氡的同位素、锕系元素、14C和3H等也有比较多的研究,对其它放射性核素研究较少[5]。植物提取、植物稳定技术主要用于土壤的修复,而根际过滤更多地用于废液、水体及湿地的修复。从技术运用频率看,植物提取和根际过滤技术频繁被使用,这也符合放射性污染危害的特点和环境治理的需求,表明了修复技术发展的趋势[6]。
  超富集植物的筛选是植物修复技术的关键和核心,也是限制植物修复技术应用的瓶颈所在。目前国内外已发现了430多种超富集植物,其中80%是镍(Ni)的超富集植物。我国自上世纪90年代末期开始进行超富集植物的研究,现已报导了12种金属和重金属的超富集植物[7],如镉超富集植物宝山堇菜[8]、锌超富集植物东南景天[9]、砷超富集植物大叶井口边草[10]等等。但是国内外对天然放射性核素超富集植物的研究相对较少。重金属与放射性核素有相通之处,能否借鉴重金属超积累植物的定义对放射性核素的积累 植物确定一般的考察标准还有待论证,但CR(指干植物中特定元素浓度与干土壤中浓度之比)值大于1的指标已经成为放射性植物筛选的共识。赵文虎等[11]研究了14科169种植物对90Sr及10科28种植物对137Cs的富集能力;Broadley等[12]也进行类似的筛选,这些研究表明,强烈积累放射性核素的植物往往分布在某些特定的科、属内。深入的筛选应该立足于有潜力的特定植物科属中进行。唐世荣等[13]对六种水培的苋科植物进行134Cs富集研究发现,籽粒苋134Cs去除率较高,但考虑到土壤性质等因素影响,其富集能力还需深入研究。在田间试验中,向日葵、印度芥菜、反枝苋和扫帚苗等的应用大多也基于植物筛选的结果,这些植物在特定地域对特定放射性核素的修复效果比较理想。
  放射性污染植物修复技术目前还得不到广泛应用,主要原因是缺乏具有富集能力且适应特定环境的超积累或积累植物。超积累植物的寻找首先应在自然界展开。高本底辐射区的样品具有较高的放射性比活度,各个转化环节处于平衡状态,是研究天然放射性核素环境转化模式和探讨人类与生物长期接受一定水平的辐射照射效应的理想场所。
  广东省富铀、钍等放射性核素的花岗质岩石广泛发育,这些花岗岩体在构造活动、水岩作用以及风化蚀变作用中,铀、钍、镭等放射性核素不断从岩体中释放出来形成天然放射性异常。其中佛山——江门——珠海、韶关、广州——深圳地区土壤中天然放射性核素含量较高[14]。另外,广东北部(粤北)地区进行了50多年的勘探和开采活动,在燕山期花岗岩中发现了一批有经济价值的铀矿床(如下庄、南雄和诸广等矿区)和放射性伴生矿床。在勘探和开采利用的过程中大量的富铀、钍、镭等天然放射性核素的矿渣和副矿石、坑道废水排入自然环境甚至进入人类生活环境[15],存在重大的放射性环境污染隐患,特别是退役后这些矿区的环境污染修复问题更值得引起重视[16-17]。广东省是研究天然放射性核素超富集植物筛选的理想场所,也有开展天然放射性核素污染植物修复研究的迫切需要。所以我们在珠三角地区采集多种植物样品,对其主要的天然放射性核素水平进行了初步研究。


  1 采样和实验方法


  1.1 研究区的选择
  珠江三角洲地区天然辐射背景值高于全国,与花岗岩及酸性火山岩广泛分布密切相关。这些地区的土壤因继承成土母质(花岗岩)的化学特点,铀、钍放射性元素含量高,并在一定地区形成辐射异常区。珠江三角洲地区植被景观受气候影响,发育为热带季风雨林植被。林下灌木、藤本、草本植物亦以热带种属为主,在广大台地低丘区多为常绿灌丛。植物样品采自珠江三角洲经济9个不同地市(见下图1)。


  1.2 样品采集与处理
  采集植物样品时,采用梅花形或S形法多点随机采集多株同种植物的地上部分,组成一个混合样。样品装入布袋或尼龙网袋,并填写样品标签和采样登记表。植物样品执行《食品中放射性物质检验》(GB14883―94)中关于放射性核素测量的方法进行预处理和分析,按照洗涤——自然风干——烘干(80℃)——称重——研细——炭化——灰化——称重——装样进行预处理,放置4周后测量。


  1.3 测量分析方法
  测量采用CANBERRA公司生产的S80系列低本底HPGe反康谱顿γ谱仪,其能量分辨率(对1.33MeV)为1.8 keV,探测效率为32%。铅室选用CANBERRA公司研制747L型低本底铅室。标准源使用中国计量科学研究院提供的U—Ra—Th—K固体混合源。所测样品几何尺寸等尽量与标准源一致,采用相对比较法进行测量。选用的γ射线特征峰分别如下:226Ra为214Pb的352.1keV和214Bi的609.4keV;232Th为208Tl的583.1keV和228Ac的911.1keV;40K为1460.8keV。用空样品盒测量实验室环境放射性本底,标准源测量6 h,植物样品测量24 h。放射性核素的比活度按式(1)计算。
  Qs=A0(Ns-B)/[Ms(N0-B)]                             (1)
  式中:Qs为样品放射性核素比活度,Bq/kg;A0为标准源同一核素的活度,Bq;Ns为样品相应放射性核素特征峰净计数;B为本底计数;Ms为样品质量,kg;N0为标准源同一核素特征峰净计数。


  2 结果与讨论


  2.1 植物中的天然放射性核素的含量
  通过对植物样品的测量数据进行计算、分析和统计,结果见表1。植物中核素含量均指干重计算的比活度(Bq·kg-1)。
  由表1可见,不同植物中天然放射性核素含量相差非常大。在所研究的29种植物中只有15种植物检出238U,而且含量比较低。桉树枝叶中238U含量平均值12.0(4.2—35.7)Bq·kg-1,虽然吸收238U的能力不算很强,但由于桉树在广东是比较普遍的树种,而且生长周期短,生物量大,所以在高本底地区或天然放射性核素污染区栽种桉树将可以有效富集和提取土壤中的238U。由于玉米秆样品数量比较少,所以暂时还不能确定是否能够吸收238U,但从测量的结果来看,玉米秆的238U含量是比较高的,这有待进一步研究确定。
  29种植物都检测到226Ra和232Th,其中芒萁和蜈蚣草的226Ra和232Th含量很高。芒萁样品中226Ra含量是其它植物的6.8—88.8倍,232Th含量是其它植物的5.1—99.5倍。其它27种植物中还是有木薯杆、花生茎叶、桉树叶、玉米秆等能够一定程度上吸收226Ra和232Th。将芒萁和蜈蚣草的数据单独成图(见图2、图3),针对这两种植物进行重点讨论和研究。
  芒萁和蜈蚣草都属于蕨类植物,芒萁比蜈蚣草富集226Ra和232Th的能力更强。芒萁中226Ra和232Th的平均值分别是239.7(45.6—567.1)Bq·kg-1和676.4(162.1—2272.9)Bq·kg-1,分别是蜈蚣草的2.3倍和3.3倍。
  植物中40K的含量与植物种类也有很大关系,稻谷中40K的含量平均值最低(116.3 Bq·kg-1),淮山藤中最高(1648.6 Bq·kg-1)。而且经济类作物(如花生、红薯、木薯、淮山和凉薯等)普遍比较高,分析可能除了与土壤中40K含量有关以外,这些经济作物在栽种过程中会施用钾肥或农家灰肥,而且这些作物生长周期比较长(一般几个月以上),所以植株中40K含量相对较高。


  2.2 生物富集系数
  植物提取的效率通常用生物富集系数(Bioaccumulation Coefficient, BC)(特定放射性核素在植物体内的比活度与在土壤中的比活度比值。土壤中放射性核素的比活度不在本文详述)来衡量。根据植物和对应点土壤中238U、226Ra、232Th和40K的比活度计算植物的生物富集系数BC。由于大部分植物对这四种核素的富集作用很小,生物富集系数也很小,所以主要讨论几种植物的生物富集系数。
  芒萁对226Ra、232Th和40K的生物富集系数BC分别是2.5(0.9—4.2)、4.2(1.1—9.2)和0.60(0.2—2.3)。很明显芒萁对226Ra、232Th有较高的富集系数,属于超富集植物。蜈蚣草对226Ra、232Th和40K的生物富集系数分别是2.2(0.4—3.1)、2.8(0.6—4.3)和1.0(0.6—3.5),对226Ra、232Th和40K也属于超富集的植物。桉树的生物富集系数比较小,相应的生物富集系数分别是0.1(0.05—0.16)、0.15(0.11—0.24)和0.28(0.08—0.42),但由于桉树的生物量比芒萁和蜈蚣草大得多,所以在环境修复中还是有一定的应用前景的。


  3 结论


  对不同采样区植物样品的研究表明, 29种植物中芒萁和蜈蚣草两种蕨类植物中的226Ra和232Th 含量较高。初步筛选出芒萁和蜈蚣草作为226Ra和232Th超富集植物,在修复天然放射性核素污染土壤方面具有潜在应用价值。

  致谢
  感谢国家自然科学基金重点项目(编号40930743)和面上项目(编号40872201,40502030)对本研究的资助。


  参考文献
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