放射性污染区内沙漠植物中90Sr的含量及分布

徐 辉，金玉仁，李伟平，田 梅，曾 可，王卫宪，甘宗煜

西北核技术研究所，陕西 西安 710024

90Sr是典型的裂变产物，产额高，为纯β放射性核素，半衰期较长(28.79 a)[1]。其化学性质与钙相似，生物可给性强，是典型的亲骨性元素，易通过食物链向人转移，并贡献一定的辐照剂量[2]。在90Sr的土壤-植物-动物-人转移过程中，植物吸收是第一步，因此，植物中90Sr的含量及分布研究备受关注。自20世纪60年代以来，开展了许多针对90Sr在植物中的含量及分布的研究，分析比较了不同种类植物中90Sr的含量及分布，获得了一些规律性认识[3-7]，重点研究了各种生态系(农业、森林、牧场等)作物和野生植物中90Sr的含量、分布及变化趋势，植物浓集吸收和转移90Sr的机制[8]以及用于90Sr污染场地修复超富集植物的找寻。目前，已发现可用于90Sr污染场地修复的植物有：印度芥菜、反枝苋和宽菜豆等[3]。但关于沙漠植物中90Sr含量及分布的研究很少[9]。沙漠植物能在极度干旱、高盐、低养分等苛刻环境下生长，而国际上有多个位于沙漠地区的放射性污染场地，因此，研究放射性污染区内沙漠植物中90Sr的含量及分布，不仅可获得沙漠植物吸收和转移90Sr规律的认识，还有可能从中发现90Sr超积累植物。本工作拟测定某放射性污染区内芦苇、黑果枸杞、河西苣、盐生草、刚毛柽柳、沙拐枣、盐节木等7种典型沙漠植物中90Sr的含量，分析沙漠植物中90Sr含量与植物生长期、植物种类及其部位的关系。

1 实验部分

1.1 研究区域概况

所选研究区的年平均降水量为25 mm，年蒸发量在2 000 mm以上，年平均相对湿度仅为28.4%，年平均绝对湿度4 g/m3，属温带极端干旱的大陆性气候。区内地表为戈壁荒漠，植物生长环境恶劣，地表少有植被，只在区内的泉眼或季节性河道附近长有零星的藜科(chenopodiaceae)、菊科(compositae)和豆科(fabaceae)类植物，主要种类有芦苇(phragmites australis)、黑果枸杞(lycium ruthenicum)、刚毛柽柳(tamarix hispida)、盐生草(halogeton glomeratus)、河西苣(hexinia polydichotoma)、沙拐枣(calligonum kuerlese)、盐节木(halocnermum strobilaceum)等。区内植物一般在每年5月开始复苏，3至4个月内发育成熟，11月至来年4月均处于“休眠”状态。研究区受239Pu、90Sr等人工放射性核素的污染。对照区选在为同纬度相似生境的无污染区。

1.2 仪器与试剂

FM-3型密闭制样机，北京永光明医疗仪器厂；HYP型消化炉，上海纤检仪器有限公司；LD5-2A型低速离心机，北京医用离心机厂；LXJ-ⅡB型大容量低速离心机，上海安亭科学仪器厂；PSFO2.0型ICP-AES，美国Leeman公司；MINI20型低本底α/β计数器，法国EM公司。

所用试剂均为分析纯。铁载体质量浓度为10 g/L，钡载体质量浓度为20 g/L；锶载体质量浓度为50 g/L，钇载体质量浓度为20 g/L，均按国标GB11222.1[10]所述方法配制和标定。90Sr-90Y标准溶液，购自中国原子能科学研究院；90Sr-90Y平面监督源，由中国剂量科学研究院标定。

1.3 样品采集与预处理

分别在污染区和对照区采集处于生长发育期(7月)和成熟期(9～10月)的植物全样。样品在现场喷水冲洗后趁湿封装在塑料袋中(事先设定不清洗的样品例外)，带回实验室后彻底清洗沾附的灰尘并分割出根、茎、穗，置于滤纸上待表面阴干后称重。

阴干后的样品置于瓷托盘中，在鼓风干燥箱中于60 ℃“杀青”10～30 min，再升温至105 ℃烘干4～6 h，冷却，称重，用铡刀剪切至2～5 cm，再于105 ℃烘干1～2 h，趁热用植物粉碎机粉碎，使其完全通过100目筛，贮存备用。称取一定质量的干燥植物粉碎样置于陶瓷灰化皿中，置于马弗炉中于300 ℃碳化3 h，再升温至550 ℃灼烧8 h，转入干燥器内冷却至室温，称植物灰重，计算干灰比。

1.4 植物灰中90Sr的分析方法

1.4.1植物灰消解 准确称量植物灰于玻璃消化管中，用水润湿后加入锶载体和一定体积的2∶1稀王水(固液比为0.1 kg/L)，于消化炉中加热浸取1 h；取下稍冷后滴加1 mL H2O2，继续煮沸1 h，取下冷却；搅拌下滴加浓氨水调节溶液pH至8.0～9.0，继续煮沸15 min，离心分离，弃去沉淀，用水洗涤沉淀2～3次，得到消解液。

1.4.290Sr分离纯化 在约200 mL植物灰的消解液中加入15 g碳酸铵，加热煮沸后室温静置陈化4 h，离心分离，弃去上清液，沉淀用4 mol/L HNO3溶解，稀释至约30 mL，加入1 mL铁载体，水浴煮沸3～5 min，滴加新鲜氨水至出现红褐色絮状沉淀(pH≈10)，煮沸使絮状沉淀凝聚，趁热离心分离。弃去沉淀，保留上清液，记录锶、钇分离时刻t1(90Y开始增长的时刻)。加入1 mL钡载体溶液，1 mL 6 mol/L乙酸溶液，2 mL 3 mol/L乙酸铵溶液，煮沸2 min，搅拌下滴加3 mL 0.3 mol/L铬酸钠溶液，煮沸5 min，冷至室温，离心分离，弃去沉淀。将上清液转移至50 mL容量瓶中，加入1.000 mL钇载体溶液，用4 mol/L HNO3定容(放置液)，放置14 d以上，使90Sr与90Y达到放射性衰变平衡。

1.4.3制源与测量 准确移取1.00 mL放置液用2% HNO3稀释50倍，用锶载体溶液配置标准系列，ICP-AES分析测定锶回收率Y(Sr)。将剩余放置液转入离心管中，用氨水调节溶液pH至8～9，水浴煮沸使沉淀凝聚，冷却后离心分离，弃去溶液。记录锶、钇分离时刻t2(90Y开始衰变的时刻)。用少量4 mol/L HNO3溶解沉淀，重复上述操作2次。最后的沉淀用少量4 mol/L HNO3溶解，用水稀释并转移溶液至100 mL烧杯中，加入5 mL饱和草酸溶液，用氨水调节pH至1.5～2.0。电热板上加热，微沸5～10 min，使沉淀凝聚，水浴冷却。在可拆卸式漏斗上抽滤，依次用5 mL 1%草酸溶液、5 mL无水乙醇洗涤，得到草酸钇的滤纸源，转入干燥箱中于110 ℃烘至恒重，放入干燥器中冷至室温，称量，按草酸钇[Y2(C2O4)3·9H2O]的分子式计算钇的回收率Y(Y)。用α/β低本底计数器测量草酸钇滤纸源90Y的β计数，记录测量中间时刻t3。仪器对90Y的探测效率按国标GB11222.1[10]方法进行校准。

1.4.490Sr比活度的计算 按式(1)计算植物样品中90Sr的比活度：

a(Sr)=

式中，a(Sr)为样品中90Sr的比活度，mBq/g(干重)；ω为植物样品干灰比；N0为草酸钇源中90Y的净计数率，min-1；m为植物样品灰取样分析质量，g；Y(Sr)为锶的化学回收率；Y(Y)为钇的化学回收率；η(Y)为低本底α/β计数器对90Y的探测效率；λ=ln 2/T1/2，T1/2为90Y的半衰期(64.2 h)；t1为第一次锶钇分离的时刻(90Y开始增长的时刻)；t2为第二次锶、钇分离的时刻(90Y开始衰变的时刻)；t3为90Y测量中间的时刻。

2 结果和讨论

2.1 分析方法的可靠性和探测限

90Sr-90Y标准电镀源α/β低本底计数器探测效率监测结果表明，仪器探测效率稳定；试剂空白计数率与仪器的本底计数率在95%置信水平下没有显著差异；6个样品4次平行分析结果的相对标准偏差均小于5%，在实际分析的49对平行样中，最大标准偏差不大于15%；样品源的放射性纯度检验表明草酸钇源中基本不含其它β放射性杂质；该法给出的90Sr分析结果与P204萃取色层法[10]在7%范围内吻合。α/β低本底计数器在预置测量条件和95%置信度下的探测限N仪为0.20 min-1。

植物灰取样量m为10 g，90Y探测效率η(Y)=46%，钇的化学回收率Y(Y)=90%，锶的化学回收率Y(Sr)=50%，放置平衡时间(t2-t1)=14 d，90Y开始衰变至测量中间时刻的间隔(t3-t2)=6 h，测量时间为300 min，植物样品的干灰比为90时，方法对植物样品中90Sr的检出限为0.17 mBq/g(干重)。

2.2 植物地上部分90Sr的比活度

研究区植物样品中90Sr分析结果列入表1。用植物地上部90Sr含量来表征其受污染状况。除未清洗样品外，取自污染区7种植物地上部分经清洗的样品，按干重加权平均得到地上部90Sr的比活度，对其进行统计得到污染区植物地上部90Sr含量的平均值为(3.6±4.3) mBq/g(n=25)，最大值为20.23 mBq/g，中值为2.3 mBq/g，最小值为0.33 mBq/g。

污染区和对照区刚毛柽柳和芦苇样品中90Sr的比活度测定结果列于表2。由表2可见，污染区刚毛柽柳中a(90Sr)是对照区的4.3倍，污染区内芦苇中的a(90Sr)是对照区的7.6倍，污染区中植物体内存在受当地90Sr污染的迹象。但污染区植物中90Sr比活度远小于某放射性污染区青苔等植物[7]中90Sr的含量(24～240 000 mBq/g)，总体上小于澳大利亚非污染环境牧草[4]中90Sr的含量(5.6～49.7 mBq/g)，表明污染区植物体内受90Sr污染的程度不严重。

表1 污染区植物样品中90Sr的比活度

续表1

注(Note)：n=25；*，样品未清洗(The samples were not rinsed)

表2 污染区和对照区植物中90Sr比活度

注(Note)：1) 不同部位系列分样干重加权的平均值(The datum is the dry weighted average of different parts)

2.3 不同种类植物中90Sr的比活度

污染区中芦苇、黑果枸杞和刚毛柽柳3种植物地上部分90Sr比活度的统计结果列于表3。由表3可知，这3种植物中90Sr比活度的相对大小为：黑果枸杞>刚毛柽柳>芦苇。对于其它几种分布较少的植物，因为样品数少，取其90Sr比活度的最高值与取样点附近其它种类植物中90Sr的最大比活度相比较，得出比活度相对大小。7种植物中90Sr的比活度由高到底的顺序为：盐生草>河西苣>黑果枸杞>刚毛柽柳>芦苇>沙拐枣>盐节木。

表3 污染区植物地上部的90Sr比活度

2.4 不同生长期植物中90Sr的比活度

不同季节采集的4种植物样品中90Sr的比活度列于表4。由表4可见，除刚毛柽柳外，芦苇、黑果枸杞、河西苣等植物中7月90Sr的比活度比9月的高。90Sr在棉花等作物体内分布及高浓集植物的筛选研究[11]表明，在三个生长发育阶段(出苗-拔节-孕穗/蕾阶段；拔节-孕穗/现蕾-抽穗-开花阶段；抽穗-开花-籽实成熟阶段)，植物对养分的吸收和积累不同，而且不同植物对90Sr的吸收量和浓集能力差异很大。如夏谷等禾本科植物，单位干物质中放射性含量在拔节、孕穗期以茎叶中为最高，抽穗期后逐渐下降，成熟阶段叶片中含量增加很快。主要原因是植物在拔节-孕穗/现蕾-抽穗-开花阶段，营养生长、生殖生长同时进行，生长发育加快，养分的需求和吸收量最大，而在抽穗-开花-籽实成熟阶段，全株干物质的积累加快，同时贮存的营养物质在植株各器官中进行强烈的重新分配，籽实增重加快。研究区植物9～11月为开花-籽实成熟期，植株干物质的积累加快，摄入核素量少；5～8月为生长期，养分的需求和摄入量最大，摄入核素量多，因而植物体内具有较高的90Sr比活度。刚毛柽柳中9月90Sr的比活度比7月的高，与其生物特性有关。刚毛柽柳为中生盐生植物，泌盐，其根部10～30 cm土层土壤盐分含量可高达35%，根际微域盐分含量可达29%。刚毛柽柳通过根部拒盐、体内耐盐及泌盐腺泌盐来达到其耐盐碱的目的[12]，摄入植物体内的核素可能随植物的泌盐过程而被排出植物体外。

表4 不同季节植物中90Sr比活度

2.5 90Sr在植物不同部位中的分布

植物通过根系吸收土壤中的90Sr，经过生理代谢作用，将其转移、运送到地上部各个部分。Sr被植物吸收后易沉积在某些器官中，尤其是老叶中，而不再被转移利用，表现为下部茎叶中90Sr的含量高于上部茎叶[11]。刚毛柽柳及芦苇不同部位的90Sr比活度列于表5。从表5可见，刚毛柽柳老枝与嫩枝叶中90Sr的比活度相近，而90Sr在芦苇各部位的分布存在明显差异，且不同地点采集的芦苇中各部位90Sr比活度大小顺序完全一致，均为：根>穗≈叶>茎。根据该分布可以认为芦苇除通过根部吸收90Sr，由茎向叶和穗输运外，还存在叶(穗)吸收[6,11,13]。未经清洗的芦苇中90Sr的比活度比清洗过芦苇中的大得多，由此可见，污染区中芦苇等植物主要受放射性再悬浮污染。因此，在考虑通过食物链的摄入剂量时，主要应考虑再悬浮污染的贡献。

表5 刚毛柽柳和芦苇各部位中90Sr的比活度

3 结 论

所研究的污染区植物中90Sr含量明显高于对照区，植物样品中90Sr的比活度均值为(3.6±4.3) mBq/g，污染区内植物受90Sr污染但不严重。未清洗的芦苇样品中90Sr的含量比清洗干净的芦苇样品中的含量高得多，表明污染区内植物主要受再悬浮污染。几种沙漠植物中90Sr的含量与植物种类、生长发育期关系密切，且在不同部位的分布有所不同。7种植物中90Sr的比活度水平大小次序为：盐生草>河西苣>黑果枸杞>刚毛柽柳>芦苇>沙拐枣>盐节木；生长期采集的样品中90Sr比活度更高；芦苇各部位中90Sr比活度存在显著差异，依次为根>穗≈叶>茎。

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