李銳儀

摘 要：地球環(huán)境中的放射性核素具有天然放射性來源和人為放射性來源，其遷移研究對放射性污染的治理有重要意義。本文介紹了土壤中放射性核素的化學(xué)與遷移行為，著重分析了影響土壤放射性核素積累和遷移的因素（包括土壤理化性質(zhì)、核素理化性質(zhì)和生物等方面），并對今后核素遷移研究的方向進行了思考。

關(guān)鍵詞：放射性核素 土壤 來源 遷移

放射性是某些元素原子核裂變是發(fā)生的能量以電磁放射或快速粒子形式進行的釋放過程，而元素的同位素物質(zhì)可散發(fā)射線的稱為放射性核素。自然環(huán)境中存在許多放射性核素，包括天然放射性核素（40K、238U和232Th等）和人為放射性核素（主要有137Cs、134Cs、90Sr、240Pu、131I等）。天然放射性核素所造成的人體內(nèi)照射劑量和外照射劑量都很低，它們不影響人類的正常生活?？墒?，隨著核技術(shù)尤其是核電站的迅猛發(fā)展，不可避免地產(chǎn)生了大量放射性廢物，這些廢物中的核素衰變引起電離輻射造成了人體多種疾病，對人類的危害極大。

目前，核廢物處置方法主要是深度地質(zhì)處置，即將放射性廢物處置庫建造在深度地質(zhì)層中，使用工程的和天然的多層屏障將廢物隔離起來[1]?？墒?，隨著時間的推移，多層屏障必將遭到破壞，廢物中的各種放射性核素就會或多或少地隨著地下水流或巖石裂隙從地下廢物庫中擴散、遷移到巖層或土層中。土壤作為環(huán)境的重要組成部分，其中的放射性核素的遷移大大影響到其他圈層中核素的含量與分布。因此，了解土壤中放射性核素的來源以及其遷移規(guī)律對指導(dǎo)放射性污染的治理有重要意義。

1 土壤放射性核素的來源

1.1 成土母質(zhì)

“原生放射性核素”指的是在地球形成期間出現(xiàn)的原子序數(shù)大于83的放射性核素，這些放射性核素一般分為鈾系、釷系和錒系三個系列，它們通過放射性衰變，產(chǎn)生大量α、β和γ射線，對地球環(huán)境產(chǎn)生強烈的影響。其中具有足夠長半衰期，以致至今仍能探測到，并意義重大的有40K、238U和232Th。鈾和釷還能通過衰變產(chǎn)生一系列的放射性子代系列。這些放射性核素廣泛地存在于自然界中，并主要貯存于巖石圈中。研究表明地殼中的巖石大部分都含有鈾和釷[2]，238U、232Th含量以巖漿巖最高，變質(zhì)巖次之，沉積巖最低；40K含量也以巖漿巖為最高，但以變質(zhì)巖最低。其中花崗巖中238U、232Th含量較高，而我國花崗巖出露廣泛，這是我國土壤中天然放射性核素含量較高的原因之一。

1.2 核能利用

1.2.1 核爆炸

核爆炸所產(chǎn)生的放射性落下灰是迄今土壤環(huán)境的主要放射性污染源，對生物圈影響深遠。核爆炸時大約有170種放射性同位素被帶到對流層中，其中主要是U和Pu的裂變產(chǎn)物[3]。它們首先會對其爆炸中心周圍的土壤產(chǎn)生較大影響，進而在風(fēng)和降水的作用下在全球范圍內(nèi)重新分布，沉積到土壤環(huán)境中造成放射性污染。

1.2.2 核工業(yè)

核能生產(chǎn)包括鈾礦開采、礦石加工、鈾燃料生產(chǎn)、反應(yīng)堆動力生產(chǎn)、放射性物質(zhì)的運輸和廢物處置等一系列工業(yè)流程，所有這些環(huán)節(jié)都有可能造成環(huán)境的放射性污染。

1.3 磷鉀肥的使用

化肥中的磷肥和鉀肥都不同程度的含有放射性核素，因此，施用化肥可能會引起環(huán)境放射性增加。盡管如此，許多研究資料報道含鉀磷肥料的使用短期內(nèi)不會對農(nóng)田、環(huán)境造成明顯污染。據(jù)王少仁研究[4]，由于土壤有機質(zhì)能夠?qū)偊?、β造成屏蔽作用，在使用含鉀磷肥料時，土壤有機質(zhì)提高，甚至出現(xiàn)了土壤α、β減弱的現(xiàn)象。然而由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需要大量的化肥，長期使用還是會對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

1.4 煤炭物質(zhì)的使用

燃煤及燃煤發(fā)電廠也是環(huán)境中放射性核素增加原因之一。煤在形成過程中經(jīng)過復(fù)雜的物理化學(xué)和地質(zhì)作用，不同程度的伴生有40K、238U、226Ra、230Pb、232Th等天然放射性核素。據(jù)吳錦海等研究表明[5]，煤燃燒后放射性物質(zhì)在煤灰中濃集，其中總α比放射性為原煤的3～15倍，238U為2～4倍，232Th為3～10倍。如今，燃煤電廠排泄堆放的煤灰渣已成為城市一個潛在的核污染隱患[9]。

1.5 放射性同位素的生產(chǎn)和應(yīng)用

隨著放射性同位素在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)和科研等方面的廣泛使用，其產(chǎn)生的放射性廢物種類和數(shù)目越來越大。其中在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用產(chǎn)生的核素較多，主要是198Au、131I、32P等[3]。

2 放射性核素在土壤中的遷移研究

2.1 研究方法及研究動態(tài)

土壤中核素遷移一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點，主要的研究方法有：實驗室模擬、野外現(xiàn)場實驗和直接針對核事故的核素遷移調(diào)查及研究等。

現(xiàn)今對土壤放射核素遷移研究主要涉及：研究核素從土壤中向不同的動植物遷移及其影響因素；不同生態(tài)系統(tǒng)的核素的遷移規(guī)律及其放射性水平；137Cs及85Sr在土壤中的遷移規(guī)律；微生物對核素遷移轉(zhuǎn)化的影響等。我國學(xué)者主要以黃土為介質(zhì)進行核素（主要是137Cs、85Sr和60Co）在地質(zhì)介質(zhì)中的遷移實驗研究，取得了許多成果，其中，據(jù)李書紳[6]等研究表明，廣泛分布于全世界的黃土水分滲透系數(shù)很小，對放射性核素吸附能力很強，是放射性廢物處置場良好的候選場址。此外，由于低中放射性廢物中含有許多有機成份，如離子交換樹脂、草酸、檸檬酸以及纖維等，因此也有學(xué)者研究了有機化合物和微生物對核素遷移的影響。在對土壤腐殖酸對核素遷移影響的研究中也發(fā)現(xiàn)了腐殖酸對金屬離子的絡(luò)合作用和還原作用極大地影響了放射性核素的遷移。

2.2 核素在土壤中遷移的影響因素

2.2.1 腐殖質(zhì)的影響

腐殖質(zhì)極大地影響了放射性核素的遷移，一般認為，土壤中腐殖酸含量高，對放射性核素處理的容量就大，使進入土壤中的放射性核素主要積累在土壤中，而被遷移進入地下水以及被植物吸收的部分就少。而這種影響核素遷移的研究是一個涉及多學(xué)科的復(fù)雜課題，目前，無論在理論還是實踐上都很不完善。盡管如此，腐殖質(zhì)仍是進行核素遷移研究必須考慮的重要影響因素之一。

（1）腐殖質(zhì)與核素的互相作用機理

腐殖質(zhì)是經(jīng)微生物作用后，在土壤中新形成的一種特殊類型的高分子有機物，其性質(zhì)較穩(wěn)定，一般占土壤有機質(zhì)的50～90%，主體為各種腐殖酸及其金屬離子相結(jié)合的鹽類[3]。根據(jù)起溶解性能，一般分為富里酸、胡敏酸和胡敏素。它們對金屬離子具有電荷、吸附、離子交換、緩沖、絡(luò)合和生理活性等作用，因此對放射性核素在土壤中的遷移具有很大的影響。

（2）影響因素

實際上，腐殖酸不僅可以因絡(luò)合作用和還原作用改變放射性核素的化學(xué)狀態(tài)，而且可以改變吸附劑膠體的穩(wěn)定性和表面性質(zhì)，故腐殖酸對放射性核素遷移的影響是非常復(fù)雜的，它既可加快核素的遷移，也可阻止核素的遷移，這取決于它的含量、種類、分子量和核素種類與性質(zhì)。如王旭東等[7]進行了腐殖酸對237Np在石英砂柱中遷移的影響研究，結(jié)果表明一定濃度的腐殖酸能使237Np在石英砂柱中的遷移速度加快；但當(dāng)腐殖酸濃度達到10mg/L或更高時，237Np在石英砂柱中的遷移速度不再有顯著變化。Yoshiaki等[8]通過實驗研究了Np在砂土和花崗巖中的遷移，發(fā)現(xiàn)不同分子量的腐殖質(zhì)對核素遷移的影響不同，分子量低于50000道爾頓的CRL—富里酸可使Np在砂土柱中的遷移速度加快，而分子量為300000到1000000道爾頓的Aldrich-胡敏酸則能在一定程度上阻滯Np在柱中的遷移。

2.2.2 微生物的影響

微生物個體微小、比表面積大、繁殖快，在自然界中廣泛分布，甚至可以在受高放射性活度污染的土壤環(huán)境中生存，因此，微生物對核素遷移的影響不可低估。G.Tittel等[9]把微生物的作用歸結(jié)為六點：①使核廢物型體產(chǎn)生降解；②腐蝕核廢物貯存罐；③破壞回填材料（一種人工屏障）；④改變地下水的化學(xué)特征，如Eh，pH等；⑤使有機材料降解，以提供核素絡(luò)合劑；⑥直接攝取核素（移動或滯留）。然而，近年來，隨著對微生物和核素之間互相作用機理的深入研究，人們逐漸認識到微生物吸收、吸附及轉(zhuǎn)化作用對核素遷移的重要性。

（1）微生物的吸收作用

土壤中微生物生長代謝除了需要K、Na、Ca、Mg等常規(guī)元素外，還需要一些具有特殊生理功能的微量元素，包括一些重金屬元素。因此，微生物可通過代謝過程將一些核素富集與細胞內(nèi)。

（2）微生物的吸附作用

微生物體積微小，在所有生物中具有最大的表面積/體積比率，同時其表面有各種各樣的帶負電荷的表面功能基團（表面反應(yīng)位），如羧基、磷?；?、羥基等基團，因此可吸附各種各樣的金屬陽離子（包括放射性核素或核廢料元素）。

（3）微生物的還原作用

事實上，自然界中許多核素都具有氧化還原活性，并且其還原態(tài)的溶解度較小，因此，微生物還原作用可以降低目標(biāo)核素在土壤環(huán)境中的溶解度和移動性。例如，F(xiàn)e（III）-還原細菌可將U（VI）（鈾酰離子，UO22+）還原成U（IV）（鈾礦，UO2），而且活性比較低的還原性產(chǎn)物U（IV）將在細胞周質(zhì)的沉淀。在大多數(shù)中、低放廢物中，238U是一種重要的優(yōu)先控制污染物，但這些放射性廢物中還存在其他一些錒系元素，包括237Np、241Pu等。Pu（V）/Pu（IV）和 Np（V）/Np（IV）的電位值通常低于Fe3+/Fe2+的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位值（大約為0V），因此，F(xiàn)e（III）-還原細菌還原這些核素，這對核素的遷移是十分重要的，因為四價的錒系元素與配合物結(jié)合的能力強，它們甚至可以被固定在含有活性微生物的沉積物里[10]。

微生物—核素的相互作用對核素遷移有重要意義，近年來還提出利用微生物技術(shù)去除土壤中的放射性核素的方案，但它們之間的互相作用是極其復(fù)雜的，目前這方面的理論與研究都還在起步階段。

3 核素遷移研究的展望

在核素遷移研究中關(guān)注的核素種類多，研究的介質(zhì)也多，不僅有土壤，還有各種巖石甚至一些礦物，如花崗巖、頁巖、石灰?guī)r以及膨潤土、磷石膏等，水介質(zhì)也是研究重點之一。國內(nèi)外學(xué)者在核素遷移研究中取得了大量成果，但都是研究137Cs和85Sr等核素比較多，而研究U、Pu、Nd等超鈾核素較少；單介質(zhì)研究多，多介質(zhì)研究少；研究都側(cè)重與均勻介質(zhì)，對非均勻介質(zhì)研究少。事實上，核素遷移更多的是在一個非均勻的介質(zhì)系統(tǒng)中進行。因此，今后的研究中應(yīng)加強多介質(zhì)以及非均勻介質(zhì)的遷移研究。

【參考文獻】

[1]羅嗣海，錢七虎，周文斌，李金軒，易萍華. 高放廢物深地質(zhì)處置及其研究概況. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，第23卷第5期

[2]俞譽福. 環(huán)境放射性概論. 上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，1993

[3]仇榮亮. 環(huán)境土壤學(xué). 中山大學(xué)出版社，1998，242-244

[4]王少仁，夏培楨. 含磷化肥的α和β比放活性及其對農(nóng)業(yè)土壤的影響. 農(nóng)業(yè)環(huán)境保護，1991

[5]吳錦海，李金全，周天豹. 我國原煤幾煤渣、粉煤灰的放射性水平調(diào)查. 上海環(huán)境科學(xué)，1989

[6]李書紳，王志明，趙英杰，范智文，劉春立等. 237Np、238Pu、241Am和90Sr在包氣帶黃土、含水層和工程屏障材料中遷移行為的野外試驗研究. 輻射防護.，2003，第23卷第5期.

[7]王旭東，劉志輝，游志均，李禎堂. 腐殖酸對Np在石英砂柱中遷移的影響研究. 輻射防護，2004，第24卷第6期

[8]劉期鳳，劉寧，廖家莉，金建南. 放射性核素遷移研究的現(xiàn)狀與進展. 化學(xué)研究與應(yīng)用，2005，第18卷第5期

[9]Tittel G，Kutzner HJ，Hermann Detal. Radiochimica Acta，1991

[10]王建龍，陳燦. 微生物還原放射性核素研究進展. 核技術(shù)，2006，第29卷第4期.