史 巖 斯琴圖雅 趙弘韜

1（東北林業(yè)大學林學院 哈爾濱150040）

2（黑龍江省科學院技術物理研究所 哈爾濱150086）

2011 年，日本福島核電站發(fā)生大規(guī)模放射性物質(zhì)泄漏，造成土地污染面積達800 km2，引起了世界對核安全、核污染問題的再度熱議和關注。修復被放射性物質(zhì)污染土壤的方法主要有三類：（1）物理方法包括鏟土去污法、深翻客土法、懸土移除法等［1］；（2）化學方法包括土壤淋洗法、固化-穩(wěn)定法等［2］；（3）生物方法包括植物修復方法等［3-4］。物理、化學修復方法成本高，污染清除不徹底，治理效率不理想，還會引入新的污染物質(zhì)，導致地下水被二次污染，破壞土壤結構及微生物群落，引起土壤某些養(yǎng)分失衡［5］。植物修復方法與前兩種傳統(tǒng)方法相比，雖可以避免以上問題的產(chǎn)生，但也存在植物生長速度緩慢，生物量較小，修復周期長、速度慢等問題。

蚯蚓可以在組織中積累放射性核素，對土壤中放射性核素進行生物積累和生物轉化，提高植物對放射性核素的吸收，對被污染的土壤進行修復和改善［6-8］。研究人員發(fā)現(xiàn)，將蚯蚓引入到植物修復過程中，可有效解決超積累植物生長速度緩慢以及生物量較小的問題［9］。因此，有必要全面了解蚯蚓在促進植物修復放射性污染土壤中的關鍵問題，為核污染治理提供技術參考。

1 超積累植物在放射性土壤修復中的應用

植物修復方法是通過植物根系吸取養(yǎng)分與水分的過程來吸收、轉化土壤中的污染物質(zhì)，即通過生物遷移達到清除、修復或治理目的的一種環(huán)境治理方法。按其修復的機理和過程可分為植物提取、植物固定、根際過濾和植物輔助生物修復［9-12］。常用的為植物提取技術，即利用高生物量的超積累植物對土壤中放射性核素的吸收和轉移作用，使其富集在植物的地面以上部分，隨后通過收割地面以上部分和集中處理去除污染［13-15］。

研究人員通過實地研究、小區(qū)試驗和盆栽試驗等方法，對野生、栽培植物吸收和富集核素的能力進行研究，來篩選修復、積累能力強的植物，探索植物修復核素污染的能力［4，16-27］，具體常見的超積累植物詳見表1。Dushenkov 等［4］報道了莧屬植物中反枝莧具有較大生物量，可富集切爾諾貝利核事故地區(qū)土壤中20.7%的137Cs，并且通過實地研究試驗連續(xù)種植三季印度芥菜，發(fā)現(xiàn)土壤中137Cs平均活度從2 558 Bq/kg 降至2 239 Bq/kg，單季修復使得污染土壤（＞3 000 Bq/kg）的面積從29.4%降至7.7%，變化情況如圖1 所示。結果表明，在合理的時間范圍內(nèi)，植物修復可以顯著降低土壤污染物的濃度。但植物提取技術的有效與否還取決于超積累植物的生長速度、生物量以及土壤中放射性核素的生物有效性等因素［28］。

表1 國內(nèi)外常見的放射性核素超積累植物Table 1 Common radionuclide hyperaccumulating at home and abroad

圖1 種植印度芥菜后土壤表層137Cs分布變化情況[4]Fig.1 Distribution and change of 137Cs in soil surface layer after planting Indian mustard [4]

2 蚯蚓對土壤中放射性核素的影響

2.1 蚯蚓對土壤中放射性核素的吸收作用

蚯蚓的身體具有生物過濾器的作用，可以在其組織中積累和轉化有機物質(zhì)和放射性核素，因此可作為監(jiān)測土壤污染的生態(tài)指標來評估輻射對環(huán)境的影響［29-31］。另外，蚯蚓還可通過攝食和被動擴散兩種方式對土壤中放射性核素進行積累：攝食是指蚯蚓吞食土壤來攝入放射性核素；被動擴散則是指放射性核素從土壤溶液穿過體表進入蚯蚓體內(nèi)［32-33］。

目前國外已開展蚯蚓對土壤中部分放射性核素的積累能力研究，并以放射性核素濃度比例CR（CR=蚯蚓活度濃度/土壤活度濃度）為指標評價蚯蚓對土壤中放射性核素的積累能力，研究結果見表2。影響蚯蚓生物積累潛力的因素有蚯蚓的品種和放射性核素的種類等?；诓煌赜颉⒉煌廴竞怂?、不同污染水平，以及當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)中適應能力強的蚯蚓品種差異性等特點，國內(nèi)也應開展相關研究，研究重點為不同品種蚯蚓對放射性核素的積累及其解毒機制，以評價不同品種蚯蚓在放射性污染土壤中進行遷移的潛力和風險評估的作用。

表2 蚯蚓對放射性土壤中核素的積累情況Table 2 Accumulation of radionuclides in radioactive soil by earthworm

2.2 蚯蚓對土壤中放射性核素的遷移作用

在微生物的協(xié)同作用下，蚯蚓可有效分解、轉化有機物質(zhì)；由于鈾、釷、鐳等放射性核素易被有機質(zhì)吸附，也使其易被蚯蚓吸收轉化。Brown等［36］通過室內(nèi)試驗，研究了蚯蚓對土壤和植物凋落物中銫的吸收與遷移作用，蚯蚓攝入的放射性物質(zhì)有5%～25%被蚯蚓保留或吸收，其中用土壤飼養(yǎng)的蚯蚓由于腸道清除（損失半衰期約0.2～0.6 d）和吸收銫的緩慢流失（損失半衰期約15～26 d）而導致體內(nèi)銫在初期快速流失；而以蘋果碎葉為食的蚯蚓體內(nèi)銫吸收損失半衰期為18～54 d，最后試驗結果表明，蚯蚓從蘋果葉片中吸收銫的量比從土壤中吸收的量要高，大約為腸道消化前測得活度的55%～100%。此外，在日本福島核事故初期，Tanaka 等［30］調(diào)查了2014-2016 年間福島山區(qū)森林中137Cs在表層蚯蚓、凋落物和土壤中的活度濃度，調(diào)查結果如表3 所示。根據(jù)結果分析，蚯蚓可能是137Cs通過食物網(wǎng)進行長期遷移的主要途徑。

表3 日本福島山區(qū)森林中137Cs在表層蚯蚓、凋落物和土壤中的活度濃度Table 3 Activity concentration of 137Cs in surface earthworm,litter and soil of forest in Fukushima mountain area,Japan

3 蚯蚓在放射性土壤修復中的應用

3.1 蚯蚓對土壤養(yǎng)分循環(huán)和植物生長的影響

蚯蚓通過分解有機廢物來提高土壤養(yǎng)分的生物利用度已得到相關研究證明［37］。蚯蚓屬于陸地生態(tài)系統(tǒng)中大型土壤動物的代表，它們通過取食、掘穴等相關活動，來改變土壤的理化和生物學性質(zhì)，影響土壤養(yǎng)分的循環(huán)轉化，促進植物對養(yǎng)分的吸收和轉移，在土壤生態(tài)系統(tǒng)中起到肥力改良的作用，是名副其實的“土壤生態(tài)系統(tǒng)工程師”［38-39］。

蚓糞中富含微生物，能產(chǎn)生植物所需的生長素、細胞分裂素、腐殖質(zhì)等生長激素，因此蚓糞有利于植物生長［40-41］。俞協(xié)治［42］通過在人為添加銅離子、鎘離子的紅壤和高砂土中種植黑麥草，并接種蚯蚓進行研究，發(fā)現(xiàn)接種蚯蚓組黑麥草的生物量比對照組增加33%～96%，同時也增加了黑麥草對銅和鎘的吸收量。蚯蚓對重金屬污染土壤中生長植物的促進作用已被眾多類似研究得到證實［43-46］，但蚯蚓對放射性污染土壤中生長植物影響的研究較少。很多放射性核素具有重金屬的化學性質(zhì)，植物吸收和積累放射性核素的基本機理與修復重金屬污染的基本相似，因此可推測蚯蚓對放射性污染土壤中生長植物也具正面影響，但為嚴謹起見，仍需作進一步實驗驗證。

3.2 蚯蚓對植物吸收土壤中放射性核素的影響

蚯蚓攝入含有放射性核素的土壤后，在腸道中進行消化，消化后土壤的酸堿度、可溶性有機碳含量和微生物群落結構均會發(fā)生變化，從而改變土壤的化學性質(zhì)［47］；土壤中微生物結構的變化還會影響吸附放射性核素的有機物。蚓糞中含有的大量細菌、放線菌和真菌等微生物使復雜物質(zhì)礦化為植物易于吸收的有效物質(zhì)，還合成一系列有生物活性的物質(zhì)。因此，蚯蚓排泄物對環(huán)境土壤起的平衡或者消化作用使土壤中放射性核素的生物有效性得到提高，從而促進植物對放射性核素的吸收［48］，詳見圖2。

圖2 蚯蚓對土壤中放射性核素生物有效性的影響的概念模型[49]Fig.2 Conceptual model of impacts of earthworms on soil radionuclide bioavailability[49]

為驗證蚯蚓對植物吸收放射性核素的影響，Peredelskii 等［7-8］進行了相關實驗。1957 年他們配制含有60Co的土壤，并種植谷類、豆類、芥末、大麻、薺麥等植物，分析了有無蚯蚓時，植物體內(nèi)60Co 的含量，實驗結果如表4 所示。接種蚯蚓時，植物更容易積累60Co。1960年，他們研究了蚯蚓對植物從土壤中吸收放射性核素45Ca 和90Sr 的情況，實驗結果如表5 所示。蚯蚓增加了玉米葉片中45Ca 和90Sr 的積累，但根部的積累受到了抑制；增加了豆類植物根部和葉片中90Sr的積累以及葉片中45Ca的積累。受當時實驗條件限制，獲得數(shù)據(jù)較 少且未進行統(tǒng)計學分析，有必要完善這類研究。

表4 含60Co土壤中植物體內(nèi)核素的積累情況Table 4 Accumulation of nuclides in plants in soil containing 60Co

表5 含45Ca、90Sr土壤中植物體內(nèi)核素的積累情況Table 5 Accumulation of nuclides in plants in soil containing 45C and 90Sr

3.3 影響蚯蚓修復放射性土壤的因素

環(huán)境因素：蚯蚓的主要食物是土壤中的腐殖質(zhì)，土壤上層常有大量凋落物，有機質(zhì)豐富，同時又有多種細菌分解這些植物體，因此蚯蚓主要以穴居方式生活在土壤上層15～20 cm 處；蚯蚓觸覺發(fā)達，易受光線影響，并且土壤中通風情況也會明顯影響其生長水平。蚯蚓的活動最適溫度為20～27 ℃，0～5 ℃進入休眠狀態(tài)，0 ℃以下容易凍死，32 ℃以上停止生長，40 ℃以上死亡。適宜蚯蚓生長繁殖的相對濕度為60%～80%，酸堿度為6～8［50］。因此土壤環(huán)境中溫度、濕度、酸堿度、有機質(zhì)含量、氧氣含量、光照等因素均影響蚯蚓在植物修復中的作用。

生物因素：蚯蚓的活動能夠對微生物種群結構和數(shù)量產(chǎn)生影響，微生物的存在還能夠促使礦物營養(yǎng)的釋放，促進植物和蚯蚓的生長繁殖，抑制病原菌活性，改善土壤肥力。成杰民等［51］分析蚯蚓和菌根的協(xié)同作用發(fā)現(xiàn)，蚯蚓對黑麥草根部Cd 的積累起到了促進作用，菌根還可加速這種金屬的轉移，二者對黑麥草吸收Cd 的水平均有促進作用；接種蚯蚓后菌根的浸染率明顯提高，促進了Cd的遷移，二者還具有促進Cd向植物地上部轉移的協(xié)同作用。此外，蚯蚓體內(nèi)還有多種酶，如幾丁質(zhì)酶、蛋白酶和糖酶等，這些天然酶在有機物廢物分解方面有著很好的促進作用。

3.4 蚯蚓修復放射性土壤后處理

蚯蚓壽命較短，受污染土壤中的放射性物質(zhì)對蚯蚓產(chǎn)生一定影響，使其生存能力下降；富集放射性核素的蚯蚓死亡后，尸體仍留存在土壤中，尸體腐爛后會把體內(nèi)的放射性核素釋放到土壤中，然后再通過其他蚯蚓的吞噬攝入，經(jīng)腸道消化排出，富集至植物體內(nèi)，從而減少土壤中的放射性含量。

植物富集放射性核素后，通過落葉、器官腐敗以及由于死亡未及時回收處理等原因使放射性核素重新進入土壤，因此必須在植物落葉腐敗前進行收割處理。目前常用的方法是焚燒、萃取等。Anderson等［52］提出植物采礦模型（圖3）：超積累植物—收割—焚燒—冶煉，進而對生物礦中的鎳、金、鎘等重金屬進行回收，同時焚燒時產(chǎn)生的熱能還可以利用。植物采礦模型仍需進一步驗證其可行性。

圖3 植物采礦的概念模型[52]Fig.3 Conceptual model of the phytomining operation[52]

3.5 蚯蚓修復放射性土壤的應用前景

日本福島核電站發(fā)生泄漏后，為解決放射性污染土壤的修復問題，日本政府在初期采用了鏟土去污、深翻客土、懸土移除、植物修復等方法，如表6所示。雖然物理方法在事故初期應急情況下取得了明顯成效，但除染措施后續(xù)產(chǎn)生的污染土壤的處理與處置仍是一個棘手的問題。截至2019年2月，福島縣內(nèi)通過除染措施產(chǎn)生的污染土壤達到1.4×107m3以上。另外采用的植物修復方法結果也不理想。張瓊等［53］分析可能是事故發(fā)生初期土壤中的銫尚處于表層，不能被剛種植的向日葵根莖良好地吸收轉移。

蚯蚓在放射性土壤修復中的應用（圖4），一定程度上可以解決以上問題。對于除染措施產(chǎn)生的污染土壤多為被去除的2～4 cm 表土，可以在合適的處理地點進行囤積，在污染土壤上種植向日葵等超級積累植物，并接種一定量的蚯蚓，使土壤中的放射性物質(zhì)富集到植物中，減少土壤中放射性物質(zhì)的含量。這樣不僅可以減少污染土壤的儲存時間與數(shù)量，還可降低污染土壤的處理難度，植物的后處理與污染土壤相比難度較小。但該理論仍處于設想階段，建議開展相關研究，以支撐該理論的實際應用，為我國核事故應急及核污染治理能力儲備技術力量。

表6 日本福島土壤放射性核素銫污染修復方法[54]Table 6 Remediation methods of soil contaminated by radioactive cesium of Fukushima,Japan[54]

圖4 蚯蚓在放射性土壤修復中的作用示意圖Fig.4 Role of earthworm in the remediation of radioactive soil

4 總結與展望

利用單獨一種生物修復放射性土壤效果往往不十分理想，而超積累植物與蚯蚓兩種生物的聯(lián)合作用則表現(xiàn)出良好的應用前景：（1）蚯蚓具有生物過濾器的作用，能在組織中積累轉化有機物質(zhì)和放射性核素；（2）蚯蚓作為監(jiān)測土壤污染的生態(tài)指標，能評估輻射對環(huán)境的影響；（3）蚯蚓可以通過分解有機廢物提高土壤養(yǎng)分的生物利用度，促進植物對養(yǎng)分的吸收和轉移，蚓糞中還富含微生物，能產(chǎn)生植物所需生長激素，對植物生長和發(fā)育起著重要作用；（4）蚯蚓攝入含放射性核素的土壤后，產(chǎn)生的排泄物會使土壤中放射性核素生物有效性得到提高，促進植物對放射性核素的吸收；（5）蚯蚓的活動能夠對微生物種群結構和數(shù)量產(chǎn)生影響，蚯蚓和微生物的聯(lián)合作用還可加速有機質(zhì)的分解以及礦物營養(yǎng)的釋放；（6）蚯蚓可應用于核事故現(xiàn)場、放射性尾礦和伴生礦場地土壤的植物修復中。

但超積累植物與蚯蚓兩種生物的聯(lián)合作用要發(fā)揮其最大作用，仍需進一步的研究數(shù)據(jù)支持：（1）放射性核素生物有效性是植物修復放射性土壤的關鍵因素，但蚯蚓對放射性核素生物有效性的影響及其機制研究較少，針對不同品種蚯蚓對放射性核素的積累和解毒機制加以研究，以評價不同品種蚯蚓在放射性污染土壤中遷移的潛力和風險評估的作用；（2）不同種類超積累植物和不同品種蚯蚓對環(huán)境因素需求不同，對放射性核素的耐受性不同，需根據(jù)不同的環(huán)境因素和放射性核素進行針對性篩選研究，并根據(jù)不同地區(qū)生態(tài)環(huán)境條件尋找培育具有針對性的超級積累植物和蚯蚓品種，收集相關土壤和微生物資料，建立超積累植物和蚯蚓的生物資源庫及數(shù)據(jù)庫；（3）利用現(xiàn)有的分子生物學與基因工程技術，來改善提高超積累植物的生物性狀，培育活化放射性核素能力強的蚯蚓新品種；（4）對蚯蚓在放射性土壤修復中后處理技術進行研究，發(fā)展出可對放射性核素回收、處理簡單、無二次污染、具有可操作性的后處理技術工藝；（5）在實驗室內(nèi)開展以上研究，取得一定成果后，再對野外實地投入試驗，并且可以根據(jù)不同污染情況條件與物理、化學等其他方法進行聯(lián)合技術應用研究；（6）進一步探究在放射性土壤中蚯蚓-菌根的協(xié)同作用，促進植物對放射性核素的吸收與遷移；（7）目前蚯蚓在重金屬土壤修復中的應用研究已得到廣泛關注，在此基礎上進一步探究蚯蚓、土壤和植物根系的交互作用對超積累植物和土壤中放射性核素生物有效性的影響。