（生物物理学专业论文）污染环境中95zr和耐辐射奇球菌的研究.pdf

致谢 在此论文完成之际，谨向恩师华跃进教授致以最诚挚的谢意和衷心的祝福。 导师华跃进教授学识广博、 思维开阔、 治学严谨， 从研究思路到论文撰写都给予 了宝贵意见和悉心指导。 导师宽容乐观的生活态度和坦荡纯厚的为人也给我留下 了极为深刻的印象。 导师在学术上循循善诱， 在生活上关心入微， 这一切学生将 永远铭记在心，并以此激励自己不断进取。 在论文完成的过程中， 从研究思路、 实验方法直至论文撰写， 核农所史建君 教授给予了许多宝贵的指导和无私帮助， 他活跃的思维和勤勉的敬业精神令我由 衷敬佩，在此表示深深的谢意。 在浙江大学原子核农业科学研究所 ( 核农所) 学习的五年期间， 核农所人才 辈出、学术研究气氛浓郁、生机勃勃。 这里团结互助的集体，优美整洁的环境， 先进的仪器设备和实验条件， 为我的学习和研究创造了良 好和有利的条件， 给我 留下了深刻难忘的印象。 在论文研究过程中， 有幸得到陈子元院士、 徐步进教授、舒庆尧教授、张永 熙副教授、 沈伟桥副教授、 傅俊杰副教授、 叶庆富副教授、 唐世荣教授、 朱明峰 等老师热情的帮助和指点， 在此一并向他们表示衷心的感谢。 同时， 也感谢这几 年来与我朝夕相处的赵希岳、高冠军、 盛多红、 曹学成、田兵、 吴媛媛、 黄丽芬 博士以及蔡志强、马美萍、 许镇坚、徐兵、 徐强、郑智国、张春潮、陈熙、吴立 成等硕士对我的帮助与支持。 感谢我的父母和亲人长期以来对我的关心、理解和支持，特别感谢我的先 生支康波在生活和学习上给予作者的鼓励和帮助， 是他们的无私关爱给了我克服 困 难的勇气和动力， 使我能 够顺利完成学业。 最后，谨向关心、支持和帮助过我的所有的领导、老师、同事、同学和朋 友在此一并表示感谢， 同时向 参加论文评阅、 评议及答辩委员会的专家、 教授们 致以诚挚的谢意! 刘立丽 2 0 0 4 年5 月于杭州华家池 浙江大学博士学位论文 污染环境中” 5 z : 和耐辐射奇球菌的研究 摘 要 环境污染已成为全球关注的热点问题， 其中环境污染物动态行为的研究及有效清 除环境污染物新方法的探索是解决环境污染问题的重点。 9 5 z : 是核电 站反应堆的主要裂变产物之一， 是压水堆核电站的主要放射性液态排 放物。鉴于核事故的突发性和危害的严重性，需要对其进入生态环境后的迁移消长动 态有较为系统的 研究。 本文采用同 位素示踪技术研究了9 5 z r 在不同 土壤中的 淋溶、 迁 移和在几 种水生 及陆生生态系统中 的 行为， 为 探明” 5 z r 在不同 农业生态环境中的 行为 规律提供基础资料，对制定有关安全标准和污染治理提供了科学依据。 同时针对耐辐射奇球菌d e in o c o c c u s r a d i o d u r a n ， 对电离辐射、紫外线、干燥、强 氧化剂和一些化学诱变剂的惊人的抗性， 对构建在放射性和有机卤代物污染的复合环 境中具有生物修复功能的超级基因工程菌方面做了初步的研究，以发展有效清 除环 境污染的新途径。 采用模拟土柱 法研究了9 5 z : 在两种红 壤 洋贩 红 壤和红黄壤) 中的 淋溶特性和垂 直 迁 移。 结 果 显示: ( 1 ) 淋 溶 收 集 水中9 5 z : 的 含量 甚 微， 接 近于。 ， 且随 着总 淋 溶水量的 增加 ( 2 5 0 m l - 7 5 0 m l) ， 淋溶水中9 5 z : 的总量几乎没有变化， 表明9 5 z r 一 旦被土壤吸附， 则不易 被水流 解吸; ( 2 ) 滞留 于土壤中 的9 5 z : 绝大部分 分布在 土 壤 表 层， 浮 贩 红 壤和 红黄 壤 分 别 有9 0 .0 5 % - - 9 7 .4 7 % 和%.0 2 % - 9 7 .1 6 % 的9 5 z r 滞 留 于。 - 0 .4 c m土 层范 围内 ， 表明 二 种 红 壤 对9 5 z r 均 有较强的 吸附 能 力;比 较其 变 化动态，红黄壤对， 5 z : 的吸附能力略强于洋贩红壤。 采 用土 柱 法 研究了9 5 z : 在 浙 江 省 有 代表 性的3 种 土 壤 ( 小 粉土、 红 黄壤 和海 泥) 中的淋溶和垂直迁移及盐度对其行为的影响。结果显示:( 1 )淋溶后收集到的全 部淋溶水中9 5 z r 的含量较少， 2 5 0 m l . 5 0 0 m l和7 5 0 m l 3 种不同淋溶水量下，小 粉土约占原始引入量的5 .3 3 % 7 .6 8 %，海泥为0 . 7 7 0/ 6 - 1 .3 2 %，红黄壤几乎为0 ; 且随着总的淋溶水量的 增加，被淋溶下的9 5 z : 的总量变化不明显，表明9 5 z r 一旦 被土 壤吸附， 则不易 被解吸: ( 2 ) 滞留 于土壤中 的9 5 z r 绝大部分分布在土壤表层， 、 11， 浙江大学博士学位论文 小 粉土 约 有4 5 .9 9 0/ d - 5 0 .0 2 % 的9 5 z r 滞留 于。 - 0 .4 c m土 层范围内 ， 红 黄 壤和 海 泥则 分别为 %0 2 % 9 7 . 1 6 %和 9 5 .9 4 % 9 8 .0 1 / ; ( 3 )随淋溶水盐度的增加，表层土 ( 0 - 0 . 2 c m ) 中， 5 z : 的量明显提高， 表明 水体盐度增加有助于提高土壤对 5 z r 的吸 附率。 3 、 研究了 螂鱼对 9 5 z r 的吸收和在其体内的分布动态以 及 9 5 z : 在水生生态系统中的行 为特性，并运用非线性拟合方法建立其数学模型。结果表明:( 1 )从水体中引入 的9 5 z r 由 于沉降、土壤吸附、 被鱼体摄入和金鱼藻的吸收、吸附作用使水体中的 9 5 z r比 活度呈快速下降， 其消失动态符合二项指数衰减规律， c.= 4 3 .3 6 e 1 4 + 1 2 .8 5 e -0 s t . ( 2 ) 金 鱼 藻 对“ 5 z r 有 较 强 的 吸 收 、 吸附 能 力， 其比 活 度 变 化 动 态 ( 1 - 2 8 d ) 符 合 单 项 指 数 衰 减 规 律， c h = 1 6 6 .6 9 e 0 .0 4 1 ， 其 浓 集 系 数 ( c f 值 ) 随 时 间 而 增 大， 至 试 验结束时 ( 2 8 d ) 高 达 3 2 1 . 1 2 0 ( 3 ) 卿 鱼从水体中 摄入和吸收9 5 z : 的主 要器官 是肠胃 道 ( 内 脏 ) ， 与水 体 直 接接 触 而吸 附 、 吸收 的” z : 主 要 集中 在 鱼 鳃和 鱼鳍中， 肉 、 骨 和鱼卵中的比活度较低( 略高于本底水平) ， 表明通过肠胃 道摄入和鳃、 鳍等组织吸 附 、 吸 收 的9 5 z r 不 易向 肉 、 骨 和 鱼卵 等内 部 组 织 输 运， 指 数回 归 分 析 表明 螂 鱼 ( 全 鱼 ) 中” 5 z r 的 变 化 动 态 符 合 二 项 指 数 规 律， q = 1 2 . 1 2 ( e 0 .2 0 1- e 1 .4 5 水 4 、 研究了9 5 z : 在蚕 豆一 土壤系统中的 迁移消 长动态。结 果显示: ( 1 ) 当9 5 z : 经模拟 降雨引 入系统后， 9 5 z r 在蚕豆中的比 活度，以茎叶和豆壳中 最高， 根部次之，而 豆粒中 最低， 仅稍高 于本 底水 平。 在整株作 物中9 5 z r 浓度的 动力学 可用指 数回 归 方 程式 表示 如 下: c , ( t) = 3 4 3 .5 7 e -0 .0 4 1( r 2 = 0 .9 6 ) . ( 2 ) 9 5 z r 进 入系 统 后即 在 系 统中 发 生 迁移， 土壤中 的9 5 z r 主要 滞留 于表 层6 c m内， 各 层中 其比 活度与距土 表 深度呈 显著单项指数负相关。 对9 5 z : 在小麦 / 土壤系统中的 分 布积累 动态做了 研究。 结果表明: ( 1 ) 当9 5 z ; 经模 拟降 雨引 入 系 统 后， 小 麦不 仅 从 根 系而 且 还 从 茎叶 吸收 错， 9 5 z r 在小 麦中 的比 活 度，以茎叶和颖壳中最高，根部次之，籽粒中最低，仅稍高于本底水平。在整株 作物中 9 5 z r浓度的动力学可用指数回归方程式表示如下:c , ( t) = 3 5 6 .8 3 e o .o 4 x ( r 2 = 0 .9 8 ) . ( 2 ) 9 5 z r 进 入 系 统 后 即 在 系 统 中 发 生 迁 移， 土 壤 中9 5 z : 主 要 滞留于表层6 c m内，各层中其比活度与距土表深度呈显著单项指数负相关。 浙江大学博士学位论文 6 、以耐辐射奇球菌 d e i n o c o c c u s r a d i o d u r a n s r 1和自养黄色杆菌 x a n t h o b a c t e r a u t o tr o p h ic u s g j 1 0 为 材 料， 利 用 分 子 生 物 技 术 构 建 可 在 辐 射 污 染 环 境中 降 解】 ,2 - 二氯乙烷等卤 代烷烃的超级基因工程菌，用于核复合污染环境的生物修复。以自 养黄色杆菌g j 1 0 抽提的质粒为模板p c r扩增卤代烷烃脱卤酶基因d h la ，并利用 穿 梭载体p r a d z 3 构建在耐 辐射 奇球菌中 可表 达的 重组穿 梭载体p r a d z 3 d h 1 a , 最终将该重组穿梭载体引入耐辐射奇球菌r 1 中。 通过对筛选到的耐辐射奇球菌转 化株进行菌液p c r鉴定， 卤代烷烃脱卤酶基因d h 1a已经导入其中。 证明得到含有 卤代烷烃脱卤酶基因d h 1a的耐辐射奇球菌转化株。 关键词: 9 5 z r ; 土壤: 淋溶; 迁移; 盐 度;耐 辐 射奇球菌;卤 代烷烃脱卤 酶; 生 物修复 浙江大学博士学位论文 第 一 部 分 浙江大学博士学位论文 第一章 引言 环境是人类赖以生存的空间， 是人类进行生产活动的物质基础和必要条件。人 与自 然环境之关系的和谐是社会持续稳定发展的基本保证。 随着社会经济的不断发展 和人类开发创造能力的不断提高， 对自 然环境的改造力度和影响程度也越来越大。 核工业的发展、核技术的广泛应用以及其他工业、农业、能源、军事、交通、医 疗卫生等领域内的活动使人类周围生态环境的放射性核素本底值不断增加。 但随着核 技术的广泛应用其潜在的放射性污染问题也暴露出来。 进入环境中的放射性核素会在 大气、水和土壤中迁移，随食物链进入人和动物体内，产生辐射损伤，部分核素还影 响人体的生理生化反应及代谢过程。 鉴于放射性核素存在着潜在的环境危害， 必须了解核素进入土壤、 水等环境以及 由 此进入动植物体内乃至人体的其动态行为， 并在此基础上寻找净化放射性污染物及 降低放射性核素进入动植物体内的合理、有效的途径。 1 . 1 核电站的发展 一百年前天然放射性的发现，引起了人类对宇宙认识和知识更新的一场伟大变 革。 正是由于这场科学思想上的革命， 在经历了半个世纪的探索和奋斗后， 终于打开 了核能的巨大宝库。当今全世界有4 4 1 座核电站在运行，另有3 0 座核电 站在建造， 核电己占 世界总发电量的1 7 %.截至2 0 0 2 年底，全世界核电机组累计运行了1 0 6 9 7 个堆年，总共发生过两起重大事故，即三里岛核电 站事故和切尔诺贝利核电站事故。 核电之所以能成为重要的能源支柱之一， 是由它的安全性、 运行稳定、寿期长和 对环境的影响小等优点所决定的。 大部分核电发达国家的核能发电比常规能源发电更 为经济 ( 熊本和等2 0 0 1 ) 。 核电 在我国也具有较强的潜在经济竞争力，目 前，它的经 济性已可以与引进的脱硫煤电 厂相比较。 核电是清洁的能源。 与燃煤电厂相比， 核电站不向环境排放一氧化碳、 二氧化碳、 二氧化硫和氮氧化物以及烟尘。 核电 站从事放射性工作的人员， 其辐照剂量是非常有 限的。国家规定从事放射性工作的人员每年不得超过 5 0毫希，核电站周围居民每年 不得 超过0 . 2 5 毫希， 而我国 公 众人均 天然本底辐射的剂量为 每年2 .3 毫 希( 胡国 辉等 2 0 0 3 ) . 浙江大学博士学位论文 经过十多年来秦山核电站环境监测站、 浙江省放射性环境监测站以及航空监测， 分析结果表明， 秦山核电站运行前后周围环境放射性水平没有变化， 空气中贯穿辐射 剂量率水平、 放射性气溶胶和沉降物及各种环境介质中的放射性水平均处于运行前的 本底涨落范围内，生态环境未见异常，环境质量良 好。 核电是一种清洁安全环保的能源，在我国大力发展核电有着重要意义。它在继续 提高我国核能力、维护国家能源安全、促进可持续发展、拉动内需、促进经济结构升 级等方面发挥重要作用。目 前环境污染已 成为我国经济发展面临的严峻挑战。在煤、 水等资源严重缺乏、 生态环境压力大的东南沿海地区， 积极发展核电更有着现实意义。 并且，核电站的运行成本非常低， 经济性能优于传统的火电、 水电， 而后者对生态环 境的潜在及直接影响更是无法以金钱去估量的。 大量的研究和调查数据表明， 核电站对公众健康的影响远远小于人们日常生活中 所经常遇到的一些健康风险，例如吸烟和空气污染等等。因此，核电站在正常运行情 况下的环境安全性已被人们所广泛接受 ( 陈志东等2 0 0 3 ) 0 1 .2 核废物处置 随着人民生活水平的不断提高，人们对自己所处的生存环境的质量越来越关心， 其中，环境、生活中的放射性越来越引起人们的普遍关注。 核电厂通常释放少量的放射性物质，发生事故则释放较多。核废料心须小心地处 置。 在和平利用核能的过程中， 放射性污染主要是在核电厂等核设施营运、 放射性同 位素和射线装置应用等过程中产生的。管理严格、设计良 好的核电 厂在正常运行时， 产生的放射性污染很小。 但是， 核电 厂等核设施从建设、 运营及退役全过程中都存在 着潜在的放射性危害。若不加强管理， 核电厂在任何环节发生事故时，都会造成严重 的 放射性污染，威胁公众健康 ( 罗上庚等2 0 0 1 ) 0 核能的利用是人类 2 0世纪最伟大的科技成就之一，但核废料的处理却一直令人 头疼。科学家们目 前的一项研究有望较好地解决这一难题。 放 射性 废 物是 指 那些 含有 发 射a . p 和7 辐 射的 不 稳定 元素 并 伴随 有 热产 生的 无 用材料， 又称核废物。 放射性废物进入环境后造成大气、 水和土壤污染并可能通过多 种途径进入人体。 放射性废物分为 低放、 中 放和高放废物。目 前对短寿命低中 放废物 采用近地表处置， 对长寿命低中 放废物和高放废物采用深地层埋藏处置。 我国的低放 废物沥青固化、水泥固化技术和中 放废物深地层压裂技术均已开发成功并投入运行. 6 浙江大学博士学位论文 对长寿命强放射性的高放废物，正在进行深地层埋藏的场址预选， 并通过钻探取得了 阶段性的成果。 与此同时， 正在研发最终处理高放废物的先进方法一 一分离一擅变法， 并取得了具有国际先进水平的成果。 1 .2 . 1 放射性废物的特点 放射性废物因其包含放射性物质而与其它一般工业有毒废物有所不同， 其一是放 射性物质会随时间而衰减，即核废物中放射性物质的毒性是有时间性的， 虽然不同的 核素， 衰变到无害化所需的时间长短不一， 但最终都会衰变到与一般废物没什么区别， 而一般工业毒物的毒性 ( 如重金属等) 却是永久存在的;其二它会放射出a , a , 丫 等 射线，一旦进入环境将会被生物体吸收， 对生物体造成内外照射危害，这是放射性废 物的两个主要特点。 过强的 辐射， 无论是a , p 、 质子或中子射线， 还是x 或7 射线， 都会对生物体造 成危害。因为这些射线与生物体作用时，会使机体细胞、组织、体液等物质的原子或 分子电离，而破坏机体内某些大分子结构，如使蛋白分子链断裂，核糖核酸或脱氧核 糖核酸链断裂， 破坏某些对物质代谢有重要意义的酶等， 这不仅会扰乱和破坏机体组 织的代谢活动而且会直接破坏细胞和组织结构， 并会引 起机体的白 细胞、 淋巴 细胞和 血小板的减少。 放射性元素产生的电离辐射能杀死生物体的细胞，妨碍正常的细胞分裂和再生， 并且引起细胞内遗传信息的突变。受辐射的人在数年或数十年后，可能出现白血病、 恶性 肿瘤、 智力低下、白内 障、 生长发育 迟缓、 生育力降 低等远期 躯体效 应( 陈峰等 2 0 0 2 ) ; 还可能出现胎儿性别比 例变化、 先天性畸形、 流产、 死产等遗传效应。 核废物 的处置在发达国家中日益引起广泛的关注。 核电站排出的放射性污染物为人工放射性核素以及放射性废水。在正常情况下， 核电站对环境的污染很轻微，但在发生事故时，会对环境造成严重污染。 1 .2 .2 处置方法 高放废物的处置通常是指把需要长期隔离的高放废物进行最终的处置， 使所含的 放射性核素在衰变到无害水平之前与人类生活环境长期隔离， 对当 代和后代人类及其 生存环境不会造成不可接受的影响， 依照国际现行辐射防护规定，为确保人类及其生 存环境安全，目 前需要长期隔离的有三类高放废物， 即乏燃料、高放玻璃固化块和超 铀废物。高放废物在处置前一定要贮存一段时间，以便废物产生的热降到易于控制的 水 平。 高 放废 液 ( h i g h l e v e l l iq u i d w as t e ) 的 主要 来 源是乏燃料后处理过程中 产生的酸 浙江大学博士学位论文 性废液， 它含有半衰期长毒性大的放射性核素， 需经历很长时间才能衰变至无害水平， 如9 0 s r , 1 3 7 c s 需要几百年。 要在如此长的时间内 确保高放废液与生物圈隔绝是十分困 难的。 对于高放废物的最终处置， 国内外经过研究并设计出很多方案( 沈珍瑶等2 0 0 2 a ) , 如深地质处置、 海床处置、冰层处置、宇宙空间处置和分离擅变处置等，但是海洋倾 倒， 海底处置和大陆冰盖处置违反了国际法; 监控储存，将处置责任推给下一代，不 符合可持续发展，从物质与安全角度能很好控制， 对于将来管理或处理有可行性，为 保证安全，需要进行监控，因裂变物质存在，需要进行监测， 对于战争、动乱、经济 衰退等社会问题很敏感，不是长期的处理方法。长期来说，剂量不满足安全与辐射防 护要求; 发射到太空，不仅花费大，且有不可预示的后果;后处理/ 擅变，需要一个 复杂包括新反应堆的核系统， 需深入进行研究产生的废物， 仍需采用与核燃料一样的 处理方法，与将来的能源系统有关， 在经济上与政治上均不可行;地质处置，可满足 所有要求， 现在有能力实行， 下一代有重新处置废物的选择; 最终移去，废物全部消 失，没有危害，不需要深地质处置，目 前技术上尚不可行，有不可修复的失败风险。 总的说来，地质处置高放废物是比较安全的， 它建立在多层屏障的基础上，一般 至少有四层屏障，使其与外界环境完全隔离。第一层即高放废物本身 ( 固体) ;第二 层是钢桶 ( 即包装容器) ，可阻止放射性外移:第三层是回填材料 ( 即缓冲剂) ，它保 障 废物与岩石之间热力学性质的连续性， 并减少地下水直接与废物罐接触; 最后一 层， 也是最重要的一层是岩石的地质屏蔽。 目 前， 对于高放废物处置，国际国内公认的方法是深地质处置。直接在深地质处 置库处置，处理步骤少，意味着对人的剂量负担小，目前技术己可行且相对简单，特 别是对于长寿命核素的低溶解性， 将来可以获取及恢复发生显著后果的可能性小， 其 缺点是所有的长寿命核素留在废物中， 铀的利用率低， 其大部分内在能量留在废物中， 需长时间监测， 裂变物质在今后很长时间仍保留在废物中; 后处理后再在深地质处置 库处置， 铀中的能量在轻水堆及增殖反应堆中可充分利用， 减少了铀浓集的需要， 减 少了废物中铀与钵的量，高放废物更易确定与控制的形状，长期 ( 1 0 0 0 a 内)的毒性 小于直接处置，但众多的处理步骤增加了对人的剂量和释放的风险花费高废物类型 多，可能增加处置的废物体积， 增加了核武器物质扩散的风险; 后处理及擅变后再在 深地质处置库处置， 铀中的能量能够很好地在增殖反应堆与加速器系统中利用， 废物 中长寿命核素量相应减少，长期观点可减小深地质处置库的大小，可是众多的处理步 浙江大学博士学位论文 骤增加了对人的剂量和释放的风险进一步增加花费废物类型多， 可能增加处置的废物 体积， 增加了技术扩散的风险， 使得可能 用作核武器的原料，目 前技术上尚不可行， 存在不确定性 我国的放射性废物处置方面的研究工作自2 0 世纪7 0 年代开始的， 但其中也有一 个认识的过程。在 7 0年代末，我国在开始为低、中放废物处置做淮备时，曾经以为 这是一个比较简单的事情。经过 2 0年经验和挫折的积累，才逐渐明白了低、中放废 物并不纯粹是一个工程技术问题， 首先它是一个与特定场址和特定处置工程设施有关 的工程安全、环境保护、公众辐射防护和社会可接受性问题， 要求做很多的地质基础 工 作， 要求包括地质体在内的多重屏障效能的可靠性 ( 吴彬等1 9 9 9 ， 沈珍瑶等2 0 0 0 , 2 0 0 2 b ，陈璋如等 2 0 0 0 ) . 总之， 放射性废物处置阶段变化， 反映出了 人类对放射性废物处置中地质处置方 案的认识和重视。而其地质处置的核心问题就是处置场的选址和环境评价， 其中涉及 的专业领域十分广泛，除了 放射性化学、原子物理、管理学等专业知识外，还涉及到 地质学问题，如土壤物理学、岩体力学、水文学、水文地质学、水文地球化学、构造 地质学、 土 木工程学、 地球物理 学等。 从当 前i a e a ( 国 际 原子能 机构 ) 和我国 制 定的 场 址选址程序和评价标准来看， 地质学问题是放射性废物处置过程中极其重要的一个问 题， 它直接关系着处置库的封闭性能和安全运行，因此各个国家都十分重视废物处置 中的地质学研究。 1 . 3 结语 历史已 经证实，正确地应用核技术不但不会对于环境和人类健康产生危害，而且 能在诸多方面得到巨大的收益。 核科学技术的基本组成和应用范围就像一棵根深叶茂的大树，以核物理学为理论 基础和养料来源，以核基础技术和核应用技术为支撑根茎，以工农业、国防、能源、 环境、医学等各个领域的应用为枝叶，茁壮成长，且尚有大量的新领域有待“ 分权、 开花、结果” 。 可以 预计， 2 1 世纪将是核能与核技术全方位应用的新时代。 因而， 将核技术运用 于环境保护， 为子孙后代造福， 对当代的 环境工作者来说， 是具有很大现实意义而且 是大有可为的。 浙江大学博士学位论文 1 .4本文研究目 的、 意义与内 容 1 .4 . 1 研究的目的与意义 为了实现核电的持续发展和保持高质量环境的统一， 研究核电站放射性排放物在 生物体和生态系统中的行为特性是一个相当活跃的研究领域。 为了在万一发生严重事故、 周围公众的健康与安全，需要对 中的行为有一较为系统的研究。 大量放射性物质泄漏到外部环境的情况下，能够保障 1 3 7 c s , 6 0 c o , 9 0 s r , 9 5 z r 等重 要核污染 物在生态环境 有关生物体对核电站放射性排放物如 c s , c o , s r 等核素的吸收及其在生态 系统中的 行为， 尤其是迁移和累积等行为特性前人己 作了 较多的研究( w a d e y 等2 0 0 1 , s t a n d r i n g e t a l . , 2 0 0 2 , w a n g e t a l ., 2 0 0 1 , a l h a m a rne h e t a l ., 2 0 0 3 , s h u t o v e t a l ， 2 0 0 2 ) , 但对9 5 z : 在生 物体和生态系中 行为 动力学 方面的 研究报道相当 较少， 有关9 5 z r 的 研究 报道仅见切尔诺贝利核电站附近地区 及事故后世界各地对主要放射性核素 ( 9 5 z : 是其 中之一)的环境监测，主要集中在核事故后的环境监测和评价上 ( y i r c h e n k o e t a l ., 1 9 9 3 , m o s u li s h v i li e t a l ., 1 9 9 4 , k r u g lo v e t a l ., 1 9 9 6 ) ， 而 关于9 5 z r 在生 态系 统中 如 何 吸附、分配和积累的研究报道甚少。 9 5 z r ( z i r c o n iu m - 9 5 ) 是 核电 站 反 应 堆 的 主 要 裂 变 产 物 之 一， 是 压 水 堆 核电 站 的 主 要 放 射 性 液 态 排 放 物。 9 5 z r 半 衰 期 为6 3 .9 8 d ; 其p 射 线的 能 量 分 别 为0 .3 6 0 m e v , 0 .3 9 6 m e v , 0 .8 9 0 m e v : 而7 射线能量分别为0 .2 3 5 m e v , 0 . 7 2 4 m e v , 0 .7 5 7 m e v ( w h i c k e r e t a l . , 1 9 8 2 ) 。含z r 的主要矿物是错英石，其自 然丰度为0 .0 2 ，熔点为1 8 5 0 0c ，具 有极强的抗腐蚀性，在水冷式的核反应堆中 用z : 作铀棒的护套。 2 0 0 0 年起本所史建 君教授、 赵希岳以 及本文作 者等对9 5 z : 在不同 生 物体及生 态 系 统中的 行为动力学做了 相关 研究 和报道 s h i e t a l . , 2 0 0 2 a b , s h i e t a l . , 2 0 0 3 ， 陈晖等 2 0 0 1 ， 王春琳等2 0 0 3 ， 史建君等2 0 0 2 a b c d ， 赵希岳等2 0 0 1 , 2 0 0 2 , 2 0 0 3 ) ， 介绍了9 5 z r 在不同 水土体系中的吸附、 解吸动力学， 描述了9 5 z : 在鱼/ 海水/ 底泥、 玉米/ 土壤、 大 豆/ 土壤、茶叶/ 土壤等不同生态系统中的迁移、消长和分配动态。 错虽然稀有而且缺少明显的生物功能， 也没有营养类似物， 故它的行为不能从一 般的 营 养 元素 来 推测， 但并 不 能 排除 它 是一 个 潜 在的 生 物危害 物。 因 为9 5 z : 是高 裂 变 产 额的 裂 变 产 物， 并 具 有p 、 : 辐 射 的 潜 在 危 害。 所以 研究9 5 z : 对生 态 环 境 的 影 响 ， 对核电等设施的持续发展、保护环境和人类健康安全都具有重要意义。 为了适应我国核电等迅速发展的需要，根据目前的研究现状与该领域的要求， 本 1 0 浙江大学博士学位论文 文 从 动 力 学角 度 研究了9 5 z r 在 不同 土 壤系 统、 水 生系 统、 陆 生 系 统中的 吸附、 迁 移、 积累和分布， 对9 5 z : 在与人类生活联系紧密的生态系统中的行为做了 研究， 对评价其 对生态环境的影响程度提供了部分基础资料， 为核事故污染后处理制定有关法规提供 了基础数据，同时也充实和丰富了我国的放射生态学理论， 缩短了该领域中我国与发 达国家间的差距。 1 .4 .2研究内 容 基于以上研究目的，我们开展了以下几个方面的研究: ( l ) 9 5 z ; 在不同 红 壤系 统中 的 消 长 动 态; ( 2 ) 9 5 z : 在不同 土 壤体系里的 淋 溶和 迁移的 研究， 研究9 5 z r 在不同 种类土壤 及 盐度不同的海泥土中的行为; ( 3 ) 9 5 z r 在金 鱼藻一 螂鱼 水生生 态系统中的 变 化动态， 研究9 5 z r 在金 鱼藻、 a 即 鱼中的不同分配及在螂鱼各部位中的累积; ( 4 ) s z r 由 模拟降雨进入土 壤一 蚕豆系 统中 的 积累 动态， 研究土壤及蚕 豆各 分 部位9 5 z r 的分布; ( 5 ) 9 5 z : 由 模拟降雨引入土壤一小麦体系后的迁移和分配动态， 研究9 5 z : 在土 壤及小麦各部位中的积累变化。 浙江大学博士学位论文 第二章放射性错在红壤中的淋溶特性研究 本文采 用土 柱法研究了9 5 z r 在浙江省两 种有代表性的 土壤中的 垂直迁移、 在土壤 一 淋溶水系统中的消长与分配。 为进一步探明9 5 z r 在生态环境中的行为规律提供基础 资料，为制定有关安全标准提供科学依据。 2 . 1材料与方法 2 . 1 . 1 供试土壤 本研究选用浙江省有代表性的二种红壤:浮贩红壤 ( 取自 浙江大学试验农场) 、 黄红壤 ( 取自 浙江秦山) ， 土壤经风干、 粉碎后3 0目 过筛， 使用前经粉碎， 去除石块、 植物根系等杂物。土壤的主要理化参数见表2 . 1 。 表2 . 1 供试土竣的理化性质 t a b l e 2 . 1 ma i n p h y s i o c h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f s o i l s t e s t e d 土壤类别 浮贩红壤 黄红壤 p h值 ( 水浸)有机质 ( %) c e c ( c m o t/ k g ) 4 . 71 5 . 5 0 31 1 5 a 粘粒 ( %) 1 2. 5 1 8 3 2 . 1 .2 同位素 9 5 z r 伍为 黑 色 粉末 状固 体， 由 中 国 原 子能 研究院同 位素 所提 供， 放 射性比 活 度 为 2 .2 8 4 x l o s b q / g ， 放化纯 度大于9 5 % ， 使 用前 用 氢 氟酸 将其转 化为 1 .2 3 3 x 1 0 7 b q / m l ( 2 0 0 0 - 6 - 2 0 ) 的9 5 z r f 4 溶液， 实验时 再 稀释到 合适的比 活度。 2 . 1 . 3 淋溶装置 淋溶装置如图 2 . 1所示，淋溶柱由 0 . 5 m m 透明塑料制成， (p 6 .4 c m x 1 2 c m，下端为园锥体，锥体高度为6 .5 c m ，在锥体底部钻一 内 衬 1 6 0目 绢筛一层。 然后装入1 5 0 8( 由 预备试验 确定) 洗净过筛 沙，沙层正好填满圆锥体。 上端圆柱尺寸为 rp l . 5 c m的圆孔， ( 3 0目) 后的细 浙江大学博士学位论文 ( 1 6 0 目 ) 图2 . 1淋溶装置示意图 f i g u r e 2 . 1 s k e t c h m a p o f l e a c h i n g i n s t a l l a t i o n 2 . 1 .4试验设计 在1 8 只淋溶柱中分别装入浮贩红壤、 黄红壤各2 0 0 g( 每种土壤进行三种淋溶水 量处理，每种处理三个重复) ，装土后用适量蒸馏水灌水沥滤， 溶 柱中 分 别 加入9 5 z r 水 溶 液5 0 m l( 比 活 度为4 9 .3 5 b q / m l ) o 静置 2 4 h后，在各淋 在淋溶试验期间不断加 水，以 保持土芯处于淹水状态和淋溶的 连续性，总的淋溶水量分 2 5 0 m l . 5 0 0 m l和 7 5 0 m l 三种。 2 . 1 . 5采样 淋溶水按每淋溶5 0 m l水收取一个样品。 淋溶结束后， 将淋溶柱置于室外晒干( 风 干) 、 剪开淋溶柱推出土柱、 置于6 0 下烘至恒重。 土柱沿纵向依次分割 ( 用称重法 分割)为5 个2 m m段、2 个5 m m段、1 个 l o m m段，剩余部分作为一段。土柱分段 操作方法如下: 首先称出整个土柱的重量w ( g ) ， 量出 土柱的高度h ( m m ) ， 计算出 每m m土柱的重量为w/ h ， 然后用刀片沿横断面将土逐层刮下， 收集刮下的土壤称重， 当其重量为2 w/ h时，则刮下的的土壤为一个2 m m段。5 m m, i o m m段操作方法与 上类同。 2 . 1 .6放射性活度测量 从收取的淋溶水中吸取 l o m l( 每个样品取三个重复) 、 切割下的土壤研碎后称取 5 .鲍置于测 样杯中 测其放 射性活 度 放射性活度测量采用b h 1 2 2 4型微机一 多道一体化能谱仪 ( 北京核仪器厂生产) 测 1 3 浙江大学博士学位论文 其7 射线。 该谱仪配置 倒置的。 7 0 m m n a l 闪 烁 探头， 安装 在铅屏蔽室中。 测样器皿 采 用自 备的。 7 5 m m * 1 l o m m的一次性塑料测样杯， 将其置于倒置的闪烁探头上面， 并用 自制的定位装置固定测量位置，以保证所有样品测量几何位置的一致性。 探头工作电 6 2 3 v ,闭值0 .2 8 。选取一个谱峰 ( 2 4 0 - 3 0 0 道) 进行计数测量，测量结果经探测效 、死时间、衰变等校正后换算成样品的放射性比活度，测量误差控制在 5 %以内。 压率 所有样品在采样当天完成测量，以减少样品由于水分挥发而造成的误差。 2 .2结果与分析 2 .2 . 1 淋 溶水中9 5 z r 的含量 及变化动态 二种红壤淋溶水中9 5 z r 的比 活度动态见表2 .2 ， 结果显示淋溶水中9 5 z : 的含量甚 微， 全 部 淋 溶 水中9 龙 : 的 量占 原 始引 入 量的比 率 为: 洋 贩红 壤0 % - 0 .0 4 % ， 黄红 壤为 0 % 一 。 .0 2 % 。 表明 淋 溶 水中9 5 z : 量的 大小 与 土 壤的 吸附 特 性有 直接的 关 系。 随 着总 的 淋 溶 水 量的 增 加， 被淋溶 下的9 5 z : 的 总 量 变 化 不明 显， 表明9 5 z r 一 旦 被 土 壤 吸附 ， 则 不易被解吸。 表2 .2 s z r 在淋溶水中 量的 分布 ( b q / m l ) t a b le 2 .2 t h e d is t r i b u t io n o f s z r i n l e a c h in g w a t e r ( b q / g ) 淋溶 水量 / ml 土壤 种类 取样次数 ( 每次收取5 0 m l 淋溶水) 2 34 5 6 7 9 1 0 1 1 1 5 2 5 0 0 0 0 0 刀1 0 0 0 0 力1 0 0 5 0 0 0 . 01 0 0 0 0 0 7 5 0 浮阪红壤 黄红壤 浮贩红壤 黄红壤 伴贩红壤 黄红壤0 0 0 . 010 0 0 0 0 0 0 2 . 2 . 2 9 5 z r 在土 壤中 含 量 及 垂直 分 布 表2 .3 所示是不同 淋溶水量不同 土 壤中9 5 z : 的比 活度与 时间 的关系， 9 5 z ; 在不同 浙江大学博士学位论文 土壤同一淋溶水量比活度随时间的变化趋势见图2 .2 , 2 .3 , 2 .4 ，同一土壤不同 淋溶水 量时” s z r 的比 活度随时间的 变化趋势如图2 . 5 , 2 .6 所示。 结果表明， 经淋溶后， 9 5 z r 在土壤柱的各层均有分布，表明 经水淋溶后， 9 5 z r 有随水流向 下层迁移的趋势。 但绝 大部分滞留于表层土中，经 2 5 0 m l , 5 0 0 m l和 7 5 0 m l蒸馏水淋溶后，浮贩红壤约有 9 0 .0 5 % - 9 7 .4 7 % 的9 5 z r 滞留于。 一 。 .4 c m土层范围内， 黄红壤为%.0 2 % - 9 7 . 1 6 % 。 表明二 种红壤 对 9 佗 : 的 吸附能力很强， 从动态变 化看， 随 土层深度的 增加， 黄红 壤中9 5 z r 比 活度的 下降 速率大于潘贩红壤。 表明 红黄 壤对9 5 z r 的 吸附能力 略强于潘贩 红壤。 淋 溶水量的多少( 在实验的范围内) 对9 5 z : 在土壤中的垂直分布的影响不明 显， 表明9 5 z r 一旦被土壤吸附，则不易被解吸。 表2 .3 z r 在 土 壤 中 的 垂 直 分 布 b q -扩 t a b le 2 .3 t h e v e r t i c a l d i s t r ib u t io n o f 9 5 z r i n s o i l v o l u m e b q 玄 淋溶 水量 八 n l 土壤深度/ c m 土壤 种类 0 . 4 - 0 . 6 - 0 0 . 8 - - 1 1 . 0 -1 1 . 5 - 2 2 . 0 - 0 -0 . 23 . 0 - 0 石. 8. 0 3 . 0 2 5 0 浮贩红壤 黄红壤 拌贩红壤 黄红壤 伴贩红壤 黄红壤 2 0 6 . 2 74 7 . 1 41 1 . 8 1 4 . 9 9 8 . 5 5 . 1 9 5 . 3 8 3 . 4 8 3 . 3 8 0 . 9 9 0 . 6 4 0 . 5 5 0 . 3 8 0 . 6 4 0 . 3 8 0 . 1 2 0 . 4 3 0 . 0 3 0 . 2 6 21 8 . 5 71 8 . 5 7 5 0 02 01 . 5 651 . 1 9 0 . 1 90 . 0 50 . 0 2 0 . 0 7 68384420627 住众让。住众 49803174232 sl今l认1 1 9 4 . 9 341 . 910 . 01 7 5 02 3 8 212 3 . 8 40. 0 5 0 . 0 30 . 0 2 21 9 . 5 2 2 8 石0 . 1 70 . 0 80 . 0 3 浙江大学博士学位论文 刊 卜 -伴贩红壤 一 . 卜 -黄红壤 一l n八曰n00八u solans 口户八乙1111 补pl叫衬。旧。叫呐叫。e。5 比b山侧鹅玉 尹0 0 .才扩犷才扩 土层深度( 厘米) d e p t h ( c m ) 图2 .2 2 5 0 m l 淋 溶水 量时 饱r 在 淬 贩 红 壤与 黄红 壤中 的比 活 度与 土 层深 度的 关 系 f ig u r e 2 .2 t h e r e l a t io n s h ip b e t w e e n z r s p e c i f i c a c t iv it y c o n c e n t r a t i o n a n d s o i l d e p t h in p a n f a n r e d s o i l a n d y e l l o w - r e d e a r t h w i t h 2 5 0 m l l e a c h i n g w a t e r n曰n曰0n00 5八曰50口 n乙q心下上，1 卜衬一卜1祠。司。叫铂。d的 国b巴侧奥玉 尹扩 卜 z . o 00 oti a p p b 土层深度( 厘米) d e p t h ( c m ) 图2 .3 5 0 0 m l 琳 溶水量时 吃 r 在淬 阪红 壤与 黄 红 壤中 的比 活 度与土 层 深 度的 关 系 f i g u r e 2 .3 t h e r e la t io n s h ip b e t w e e n z r s p e c i f i c a c t i v ity c o n c e n t r a t io n c o n c e n t r a t io n a n d s o i d e p t h i n p a n f a n r e d s o i l a n d y e l l o w - r e d e a rt h w it h 5 0 0 m l le a c h in g w a t e r 浙江大学博士学位论文 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 一 月 卜 一 浮贩红壤 - . 一黄红壤 卜祠曰叫衬v门。叫拙。q的 切召侧邺五 0 一一 op ti 君才才 o 犷 0 尹 ,5 oro . o . o . o yv 1 ti 土层深度( 厘米) d e p t h ( c m ) 图2 . 4 7 5 0 m l 淋溶水量时 z r 在浮阪红壤与黄红壤中的比活度与土层深度的关系 f i g u r e 2 .4 t h e r e la t io n s h ip b e t w e e n 9 5 z r s p e c ifi c a c t iv it y c o n c e n t r a t i o n a n d s o il d e p t h in p a n f a n r e d s o i l a n d y e l l o w - r e d e a r t h w i t h 7 5 0 m l l e a c h i n g w a t e r 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 0 一2 5 0 m 1 淋溶水量 t 5 0 0 m 1 淋溶水量 于7 5 0 m 1 淋溶水量 卜衬卜p。泊。t怕叫。d仍 助口田侧鹅纽 ti 扩 t 。 b 才扩才 do 才 lcf0 otip o o0 o v 0 土层深度( 厘米) d e p t h ( c m ) 图 2 .5不同淋溶水量时 气r 在伴贩红壤中的比 活度与土层深度的关系 f ig u r e 2 .5 t h e r e l a t i o n s h ip b e t w e e n 9 5 z r s p e c i f ic a c t iv i ty c o n c e n t r a t i o n a n d s o i l d e p t h in p a n f a n r e d s o i l w it h d i ff e r e n t l e a c h i n g q u a n t it y 浙江大学博士学位论文 - - * -2 5 0 m 1 淋溶水量 - t 5 0 0