1、某铀矿区放射性核素对土壤微生物活性的影响研究周仲魁 a,b，孙占学 a,b，郑立莉 a，饶苗苗 a，王艳芬 a（东华理工大学，a.水资源与环境工程学院，b.核资源与环境国家重点实验室培育基地，南昌 330013）摘要：采集了某铀矿区不同浓度放射性核素污染土壤样品，分析了土壤理化性质、放射性核素 238U、 232Th、 226Ra和 40K活性浓度、土壤呼吸和土壤酶活的变化情况。结果表明，研究区不同浓度区块土壤呼吸作用随着放射性核素活性浓度的增加而降低，且同一浓度区块不同深度土壤呼吸作用变化不显著；研究区不同浓度区块土壤脲酶、过氧化氢酶、脱氢酶、磷酸酶和芳基硫酸酯酶等5种酶活含量变化差异显著，
2、均随着放射性核素活性浓度的增加而降低，且同一浓度区块不同深度土壤5种酶活含量随着采样深度的增加而变小。放射性核素对土壤微生物活性有较大影响。关键词：放射性核素；土壤；微生物活性中图分类号：X53 文献标志码：A 文章编号：1007-7545（2018）04-0000-00Effects of Radionuclides on Soil Microbial Activity in a Uranium Mining AreaZHOU Zhong-kuia,b, SUN Zhan-xuea,b, ZHENG Li-lia, RAO Miao-miaoa, WANG Yan-fena(a. Schoo
3、l of Water Resources and Environmental Engineering, b. State Key Laboratory Breeding Base of Nuclear Resources and Environment, East China University of Technology, Nanchang 330013, China)Abstract：Soil samples from different concentrations of radionuclides in typical uranium mining areas were collec
4、ted. Changes of soil physical and chemical properties, activity concentration of radionuclides 238U, 232Th, 226Ra and 40K, soil respiration and soil enzyme activity of soil samples were analyzed. The results show that soil respiration drops with increase of radionuclide concentration in the areas un
5、der study with different concentration, and respiration of the same concentration block is not significant at different depths. There are significant differences in content changes of soil urease, catalase, dehydrogenase, phosphatase and arylsulfatase in the soil with different concentration in the
6、areas under study, which drops with increase of concentration of radionuclide activity. Contents of the above mentioned 5 enzymes in the soil of the same concentration at different depths drop with rise of sampling depth. Radionuclides exert a bigger effect on soil microbial activity.Key words：radio
7、nuclide; soil; microbial activity铀矿的开采和冶炼产生了大量的含铀废石、铀尾矿和含铀废液等放射性废物 1-4。放射性废物含有一系列长寿命的放射性核素，如铀，镭（Ra）和钍（Th）等同位素。由于矿山的不可移动性，铀矿开采长期占用、破坏、污染土壤，再加上废石尾渣、选矿废水、废气浮尘等通过地表径流、大气沉降等作用进入土壤，导致矿区土壤放射性核素含量增加，对土壤环境产生重大影响 5。土壤中的微生物被认为是最敏感的土壤质量生物学指标 6-7。土壤呼吸、土壤酶活对土壤环境质量有直接或间接的影响，能够较好地反映土壤受重金属污染后质量变化情况 8-10。然而，目前研究中绝大多数
8、涉及的重金属都没有放射性，采用土壤呼吸、土壤酶活作为评价指标研究放射性核素对土壤质量影响的相关研究很少 11-15。为更好地了解放射性核素污染对土壤生物活性的影响，本研究采集我国某典型铀矿区不同浓度放射性核素污染土壤样品，考察土壤呼吸、土壤酶活等指标的变化情况，评估铀矿区土壤质量和生态环境变化，为研究放射性核素对土壤环境质量的影响提供参考。1 材料与方法1.1 研究区概况研究区位于江西省中部丘陵地带，属亚热带湿润季风气候区，年平均气温17.0 ，年平均降雨量1 847 mm。区内地势中心高、周围低，地表水系发达，土壤主要为山地褐土、山地淋溶褐土、山地粽壤等。该矿已开采近60年，部分老矿井已退役
9、，矿区内及周围有稻田、鱼塘和乡村等。1.2 样品采集与处理通过不锈钢土样取样器采集土样。根据相关资料提供的放射性污染强度，按照由大到小的顺序在铀矿区选定5个采样区(见图1)，同时选取远离铀矿区土壤作为对照，采用 “S”型取土方式，样品采集深度分别为020、2040、4060 cm，将同一取样区相同深度的土壤去除植物残体和大块砂砾后混合均匀，然后分成两部分。一部分直接过0.84 mm筛(20 目) ，装入无菌封口塑料袋内置于4 冰箱内保存，用于土壤呼吸和酶活性分析；另一部分风干，然后再分成两份，一份直接过0.42 mm筛(40 目) ，称取3 28 g样品密封在气密聚乙烯 75 cm75 cm圆
10、柱形容器中放置30 doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2018 .04.017d，用于放射性核素浓度。另一份研磨过筛0.147 mm(100目)，用于测定土壤基本理化性状。收稿日期：2017-10-24基金项目：国家自然科学基金资助项目（41662024）；江西省自然科学基金项目（20142BAB213021）；江西省教育厅科技计划项目（GJJ13439）；核资源与环境国家重点实验室培育基地开放基金项目作者简介：周仲魁（1980-），男，广西资源人，副教授 .图1 铀矿区土壤采样点分布示意图Fig.1 Distribution map of uranium mining
11、 soil sampling points1.3 分析方法土壤pH通过pH计（ST3100型）测定；土壤有机质采用重铬酸钾滴定法测定 16；有效磷采用Mo-Sb比色法测定 17；土壤样品酸溶解后，采用半微量凯氏定氮法 18分析总氮含量；使用还原剂进行预处理后，采用碱解扩散法测定碱解氮 19；在1.0 mol/L NH 4AC萃取后，采用原子吸收分光光度法测定有效钾含量 20。土壤放射性核素 238U、 232Th、 226Ra和 40K浓度采用高分辨率高纯锗 (HPGe)谱仪测定 21。土壤呼吸强度采用直接呼吸滴定法 22测定，土壤过氧化氢酶测定采用容量法 23，土壤脲酶测定采用比色法 23，
12、 土壤脱氢酶 测定采用TTC 分光光度法 23，土壤磷酸酶测定采用磷酸苯二钠比色法 23，土壤芳香基硫酸脂酶测定采用对硝基苯硫酸盐法 23。2 结果与讨论2.1 土壤理化性质与放射性核素活性浓度供试土样理化性质及放射性核素活性浓度见表1。由表1可知，铀矿区不同浓度放射性核素区块土壤中有机质、总氮、总磷、总钾随着放射性核素浓度的增加而降低，总碳则随着放射性核素浓度的增加而增加。由于尾矿库内尾矿渣进行了碱中和处理，尾矿库内、尾矿坝土壤pH呈碱性，其余采样点均呈酸性或近中性，符合采样地区土壤特征。在采样垂直剖面，理化性质各指标均随土壤深度的增加呈现降低趋势。由表1还可以看出，放射性核素 238U、
13、232Th、 226Ra、 40K活性浓度分布情况为尾矿库内 尾矿坝 水冶厂墙外采矿区退役区 矿区下游农田 对照点。其中，尾矿库内 238U、 232Th、 226Ra、 40K分别达到127.60 g/g、30.21 g/g、0.17 Bq/g、4.19 g/g，分别是对照点的 60.47、 2.64、2.42和4.02倍。随着土壤采样深度的增加，放射性核素活性浓度呈现降低趋势。表1 铀矿区土壤理化性质和放射性核素活性浓度Table 1 Physicochemical characteristics of soil and concentrations of radionuclides in
14、 soils in uranium mining area理化性质 放射性核素活性浓度样品编号采样点采样深度/cm pH 有机质/(gkg-1) 总碳/ % 总氮/(gkg-1) 总磷/(gkg-1) 总钾/(gkg-1) 碱解氮/(mgkg-1) 有效磷/(mgkg-1) 有效钾/(mgkg-1)238U/(gg-1)232Th/(gg-1)226Ra/(Bqg-1)40K/(104gg-1)020 8.96 6.56 3.78 0.26 0.30 16.36 38.10 3.62 20.12 127.60 30.21 0.17 4.192040 8.90 8.23 4.72 0.20 0.
15、28 15.94 26.82 3.01 20.85 100.92 32.11 0.20 4.621 尾矿库内4060 9.02 7.45 4.32 0.15 0.29 15.72 18.12 2.86 21.76 104.74 36.22 0.39 5.11020 9.01 11.75 6.83 0.46 0.41 17.14 38.02 3.89 39.74 62.12 14.95 0.09 2.042040 8.66 10.86 6.30 0.41 0.42 17.01 37.46 3.76 37.45 51.46 15.71 0.11 2.352 尾矿 坝4060 8.76 10.23
16、5.90 0.39 0.38 16.85 37.13 3.21 31.11 52.32 18.16 0.18 2.61020 7.42 13.02 7.55 0.53 0.51 17.95 39.54 4.50 49.78 28.10 17.31 0.09 1.752040 6.78 12.55 7.27 0.52 0.46 17.65 39.25 4.32 46.54 25.24 17.01 0.15 1.893水冶厂墙外 4060 6.98 12.06 6.96 0.49 0.39 17.23 38.78 3.98 43.21 27.93 18.95 0.21 1.78020 5.01 1
17、4.41 8.36 0.62 0.51 18.75 40.31 4.56 68.12 18.41 11.82 0.06 1.462040 4.95 13.98 8.12 0.59 0.51 18.01 40.12 4.45 65.34 18.36 11.75 0.10 1.574 采矿 区4060 4.88 13.66 7.86 0.75 0.48 16.95 38.19 4.02 64.21 21.55 11.54 0.15 1.46020 4.92 14.51 8.42 0.68 0.46 19.01 41.32 4.64 70.12 6.56 18.09 0.16 1.562040 5.
18、11 14.02 8.13 0.61 0.39 17.95 40.56 4.12 67.89 7.75 18.75 0.15 1.655 退役 区4060 5.08 13.76 7.90 0.59 0.34 18.01 39.54 3.94 69.01 8.74 19.50 0.17 1.80020 4.75 16.45 9.53 0.61 0.55 20.21 41.06 5.49 70.12 2.59 13.21 0.07 1.012040 5.08 15.74 9.13 0.53 0.51 19.85 40.91 5.21 69.52 3.17 14.04 0.11 1.216矿区下游农
19、田 4060 5.13 14.23 8.25 0.52 0.49 17.41 39.75 4.98 67.31 2.74 14.40 0.11 1.24020 6.52 16.52 9.57 0.62 0.41 25.61 42.31 5.42 69.25 2.11 11.45 0.07 1.012040 6.41 15.95 9.25 0.59 0.39 22.84 42.45 4.85 68.72 2.06 11.39 0.07 0.987 对照 点4060 6.40 14.56 8.45 0.58 0.38 21.95 39.76 4.45 66.39 2.08 11.01 0.06 0
20、.962.2 放射性核素对土壤呼吸的影响土壤呼吸是土壤释放CO 2的过程，是研究土壤受重金属污染程度的重要微生物指标。以25.0 g土壤中微生物24 h内释放CO 2量来表征土壤呼吸强度，分析放射性核素对土壤微生物呼吸的影响，某铀矿区不同浓度区块放射性核素对土壤微生物呼吸强度的影响见图2。对 照 点 矿 区 下 游 退 役 区 采 矿 区 水 冶 厂 墙 外 尾 矿 坝 尾 矿 库 内01020304050CO2释放量/(mgkg-1) 采 样 点采 样 深 度 02 cm 40 6 c图2 放射性核素对土壤呼吸的影响Fig.2 Effect of radionuclides on soil
21、respiration由图2可知，随着放射性核素浓度的增加，土壤呼吸强度不断降低，即对照点矿区下游农田退役区采矿区 水冶厂墙外 尾矿坝尾矿库内，矿区尾矿库内放射性核素 238U、 232Th、 226Ra、 40K的活动浓度达到最大（表1），其土壤呼吸强度最低为4.0 mg/kg左右，为对照点的9.3% ；同一浓度区块不同深度土壤呼吸强度变化不显著。这个结果与王丽超等研究结果相一致，其研究以铀尾矿库为对象，发现污染区块土壤呼吸强度相比库外对照区块有显著降低 24。分析原因认为，一方面是放射性元素U 、Th、Ra、K 等与有机质形成复杂的复合物，降低了基质的生物有效性；另一方面，放射性核素对微生
22、物产生毒害作用，甚至杀死微生物，从而降低了土壤微生物的呼吸作用。2.3 放射性核素对土壤酶活性的影响2.3.1 土壤脲酶活性以24 h土壤脲酶分解尿素产生的氨量为土壤脲酶活性，氨产生量越多表明土壤脲酶活性越大 25。某铀矿区不同浓度区块放射性核素对土壤脲酶活性的影响情况见图3。从图3可以看出，土壤脲酶活性随着放射性核素浓度的增加而降低，这与土壤呼吸类似，说明放射性核素对土壤脲酶活性具有抑制作用。其抑制机理可能是放射性核素与酶分子的-SH、 -OH、-COOH等官能团形成牢固的共价键，使酶结构发生改变，酶活性受到抑制 11；也可能是放射性核素与酶分子中的活性部位巯基的配体等结合，形成络合物，产生
23、了与底物的竞争性抑制作用。对 照 点 矿 区 下 游 退 役 区 采 矿 区 水 冶 厂 墙 外 尾 矿 坝 尾 矿 库 内0246810121416 脲酶/(mgkg-1) 采 样 点采 样 深 度 02 cm 40 6 c图3 放射性核素对土壤脲酶活性的影响Fig.3 Effect of radionuclide on soil urease activity从图3还可见，随着取样深度的增加，同一浓度区块土壤脲酶活性降低。这是可能是土壤脲酶活性的垂直变化与不同深度土壤中的有机质、氮、磷、钾等营养元素（表1）及微生物活动、植物根系等有关。通过取样实地考察，铀矿区土壤虽然受到放射性污染，但仍有
24、植物生长，土壤表面积累了落叶和腐殖质，土壤表层微生物繁殖旺盛、代谢活跃。随着土壤深度的增加，土壤养分逐渐降低，孔隙度减小，微生物活性降低，致使土壤脲酶活性降低。2.3.2 土壤过氧化氢酶活性某铀矿区不同浓度放射性核素对土壤过氧化氢酶活性影响如图4所示。由图4可见，土壤过氧化氢酶活性随着放射性核素浓度的增加逐渐降低，这与张文影 26的研究结果一致，其研究发现淮南辛庄梓矿采煤复垦区重金属污染区土壤过氧化氢酶活性与对照区土壤相比活性偏低，受到一定抑制作用。这可能是放射性核素浓度较高时，会毒害微生物和植物根系，导致植物生长不良，抑制过氧化氢酶活性。从图4还可以看出，不同浓度放射性核素区块土壤中过氧化氢
25、酶含量随着采样深度的增加而减小，分析原因认为，表层土壤中植物残体和微生物密集，土壤有机质含量较高，酶活性较强，但随着土壤深度的增加，土壤密集程度增高，有机质含量减少，微生物活性降低，使得土壤中过氧化氢酶活性降低。对 照 点 矿 区 下 游 退 役 区 采 矿 区 水 冶 厂 墙 外 尾 矿 坝 尾 矿 库 内012345 过氧化氢酶/(mg-1) 采 样 点采 样 深 度 02 cm 40 6 c图4 放射性核素对土壤过氧化氢酶活性的影响Fig.4 Effect of radionuclides on soil catalase activity2.3.3 土壤脱氢酶、磷酸酶及芳基硫酸脂酶活性
26、某铀矿区不同浓度放射性核素对土壤脱氢酶、磷酸酶及芳基硫酸脂酶活性影响见图5。对 照 点 矿 区 下 游 退 役 区 采 矿 区 水 冶 厂 墙 外 尾 矿 坝 尾 矿 库 内0.0.50.10.150.20.25 脱氢酶/(mg-) 采 样 点 采 样 深 度 02cm4 6(a)对 照 点 矿 区 下 游 退 役 区 采 矿 区 水 冶 厂 墙 外 尾 矿 坝 尾 矿 库 内0.10.2.30.4.50.6.70.8 磷酸酶/(mg-1) 采 样 点 采 样 深 度 02 cm4 6 (b)对 照 点 矿 区 下 游 退 役 区 采 矿 区 水 冶 厂 墙 外 尾 矿 坝 尾 矿 库 内02
27、40680120146018 方基硫酸脂酶/(mgk-) 采 样 点 采 样 深 度 02 cm4 6 (c)图5 放射性核素对土壤脱氢酶 (a)、磷酸酶(b)及芳基硫酸脂酶(c)活性的影响Fig.5 Effect of radionuclides on soil activity of dehydrogenase (a), phosphatase (b) and side-based sulfatase (c)从图5可以看出，与脲酶和过氧化氢酶活性情况相似，土壤中脱氢酶、磷酸酶及芳基硫酸脂酶活性随着放射性核素浓度的增加而显著降低。尾矿库内由于放射性核素浓度最高，从而土壤中脱氢酶、磷酸酶及芳基
28、硫酸脂酶含量也达到最低，其中脱氢酶含量为0.010.02 mg/g，为对照点0.210.22 mg/g的4.76%9.09% ；磷酸酶含量为0.090.10 mg/g，为对照点0.640.75 mg/g的13.33%14.06%；芳基硫酸酯酶含量为30.1231.25 mg/kg，为对照点165.32166.78 mg/kg的18.21%18.73%。该结果与国内其他学者的研究结果类似，如李江遐等 27研究铜陵尾矿区土壤重金属污染状况及对土壤酶活性影响中发现，尾矿区土壤脱氢酶活性随着重金属污染程度的加剧而显著降低；张孝飞等 28研究南方某铜冶炼区附近土壤时发现，土壤磷酸酶活性随着土壤重金属浓度
29、的增加显著下降。表明放射性核素对土壤微生物活性产生了显著抑制作用。由图5还可以看出，土壤中脱氢酶、磷酸酶和芳基硫酸酯酶含量随着采样深度的增加而降低，与前述脲酶、过氧化氢酶活性变化情况类似，这与其他学者研究成果相一致 29-32。主要原因除表层土壤植物残渣和微生物活跃外，与表层以下深层土壤有机质、氮磷钾含量降低以及土壤空隙密度降低，抑制微生物活性有关。3 结论1)由于铀矿石的开采和冶炼导致铀矿区土壤受到放射性核素污染，各区段放射性核素 238U、 232Th、 226Ra、40K活性浓度分布情况为尾矿库内 尾矿坝水冶厂墙外采矿区退役区矿区下游农田对照点；同一浓度区段，放射性核素随着采样深度的增加
30、而降低。不同浓度区块土壤中有机质、总氮、总磷、总钾随着放射性核素浓度的增加而降低，总碳则随着放射性核素浓度的增加而增加，且同一浓度区块不同深度土壤中有机质、总氮、总磷、总钾随着放射性核素浓度的增加而呈现降低趋势。2）研究区不同浓度区块土壤呼吸作用随着放射性核素活性浓度的增加而降低，且同一浓度区块不同深度土壤呼吸作用变化不显著。3）研究区不同浓度区块土壤脲酶、过氧化氢酶、脱氢酶、磷酸酶和芳基硫酸酯酶等5种酶活含量变化差异显著，均随着放射性核素活性浓度的增加而降低，且同一浓度区块不同深度土壤5种酶活含量随着采样深度的增加而较小。4)放射性核素对土壤微生物活性有较大影响。参考文献1 LI J，ZHA
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