基于介形类生态特征评价湖南某铀矿山地表水放射性环境

陈 亮，夏良树，刘 江，刘 珊，黄 伟，王正庆，谢焱石，唐振平,*

(1.南华大学 资源环境与安全工程学院，湖南 衡阳 421001；2.衡阳市核燃料循环地质理论与技术重点实验室，湖南 衡阳 421001；3.南华大学 核科学技术学院 博士后流动站，湖南 衡阳 421001)

铀矿开采与选冶所产生的环境影响尤其是辐射环境影响一直受到国际组织、各国政府及广大科研人员的高度重视[1-3]。铀矿开采是导致铀矿冶地域地表水放射性污染的重要因素[4-6]。湖南某铀矿是我国重要铀资源生产基地之一，为我国国防与核电事业发展作出了重要贡献，同时该铀矿冶地域生态环境不可避免地遭受了一定程度的放射性污染，亟需保护与治理。

目前，地表水环境污染评价方法主要有两种：理化评价和生物评价。生物评价较理化评价具有全面、直接、科学、简单及经济的优势[7-9]，故日益受到重视。介形类是生存于各类水体中的一类底栖小型甲壳动物[10-11]，是一重要微体生物，其分布广、物种丰富[12]、数量众多[13]、易于收集，作为水生生态系统的组成部分，其生物多样性能敏感地反映水环境的健康状况[14-16]。

目前，对湖南某铀矿冶地域地表水放射性污染评价仅采用理化方法，未采用生物方法，故其评价结果可能存在不够全面客观的问题。为此，本文在分析该矿冶地域介形类分布与生态特征基础上，利用该生物评价本区地表水放射性污染，为该铀矿冶地域生态环境保护与治理提供数据支持。

1 材料与方法

2018年5月在湖南某铀矿周边共采集15个介形类样本，其中3个溪流样本，12个河流样本(图1)。3个溪流样本取样点大致为等间距分布。12个河流样本中，距铀矿较近河段取样点分布较密集，距铀矿较远河段取样点分布相对稀疏。利用抓斗采泥器采集400 cm2表层沉积物，取其最上层1 cm 作为介形类样品。取50 cm3湿样用于介形类分析，先用75 μm 筛子湿筛，在60 ℃下烘干24～48 h后再用125 μm筛子干筛，取长度大于125 μm的介形类进行分析。介形类挑样在体视显微镜下完成，因为样品中介形类丰度相对不高，故每个个体均挑出。绝大部分介形类的壳体为单瓣壳，很少有双瓣壳。在介形类丰度统计中，每个单瓣壳或双瓣壳作为1个介形类[12,17-18]。

图1 铀矿区采样点分布Fig.1 Sampling point distribution of uranium mine

采集1 L地表水用于物化分析。水温、溶氧量、pH值及电导率均为现场测试，铀、钍含量采用ICP-MS测试。

生物多样性指数计算方法如下：

H=-∑pilnpi

(1)

E=exp(H)/S

(2)

其中：H为Shannon-Wiener物种多样性指数；pi为第i个属种的相对丰度，i的取值范围为大于等于2的自然数；E为均匀度指数；S为属种数。

2 结果与讨论

2.1 溪流样本介形类分布与水环境参数

研究区地表水体物化参数、介形类丰度及生物指数的空间分布特征列于表1。溪流水体与河流水体相比，具有如下明显特征：低pH值(6.31～7.63)、高电导率(370～430 μS/cm)、高U(11.350～49.780 μg/L)及高Th(0.193～2.859 μg/L)含量。溪流中介形类总丰度低((2～6)/50 cm3)，且仅有Cypridopsisvidua。对应的河流水体数据如下：pH值，7.69～8.62；电导率，44～80 μS/cm；U含量，0.384～2.941 μg/L；Th含量，0.120～0.471 μg/L。河流中介形类总丰度为(4～46)/50 cm3，包含Cypridopsisvidua(C.v)与Helerocyprisincongruens(H.i) 2种介形类。该铀矿在采冶过程中广泛使用硫酸，故其产生的废水pH值较低。矿山酸性废水中矿物质含量一般偏高，电导率也相应较高。溪流水体距铀矿近，水流量小，稀释作用相对较小，因此，具有低pH值、高电导率、高U及高Th含量的特征。溪流水体U及Th含量随与矿冶区距离的增加明显降低，对应沉积物中介形类丰度则有所增大。

表1 铀矿周边地区地表水体物化参数、介形类丰度及生物指数的空间分布特征Table 1 Spatial distribution characteristics of physical and chemical parameter of surface water and abundance and bio-index of ostracode from surrounding area of uranium mine

2.2 河流样本介形类分布与水环境参数

研究区河流样本介形类丰度、生物指数及其与地表水体物化参数的相关系数列于表2。由于溪流样本与河流样本在生物丰度、生物指数、U及Th含量、电导率与pH值方面存在明显差异，故相关性分析时河流样本与溪流样本分别进行计算，考虑溪流样本数量很少(仅3个)，进行相关性分析的意义不大，因而，只对河流样本进行了相关性分析。

介形类丰度及其生物指数受水体铀浓度的影响十分明显，其相关系数的绝对值均不低于0.82，均为负相关，其余物化参数影响不明显。C.v丰度、H.i丰度、总丰度、H与E，这五者互相间均显著相关，C.v与H及E的相关性相对较低(相关系数绝对值分别为0.68与0.69)，H与E的相关性最高(相关系数绝对值为1)。pH值与水温和电导率呈显著相关(相关系数绝对值均为0.62)，U及Th含量受水环境参数影响不明显。

研究区铀与介形类丰度及相关生物指数的空间分布特征示于图2。由于仅铀浓度对介形类的影响十分显著，故图2中物化参数仅显示该参数。E与H变化趋势完全一致，因而图2仅显示H的波动趋势。

表2 河流样本介形类丰度、生物指数及其与地表水体物化参数的相关系数 Table 2 Correlation between abundance and bio-indexes of ostracod and physical and chemical parameter from surface water of river sample

图2 铀含量与介形类丰度及相关生物指数的空间分布特征Fig.2 Spatial distribution feature of uranium and abudance and bio-index of the ostracod

R01样点位于溪流与河流交汇点的上游，该点受铀矿的影响不大，其铀浓度明显低于与之紧邻的河流样本。在溪流与河流交汇点的下游，除R05取样点为水体铀含量峰值外，其他取样点铀含量随与矿区距离的增大总体下降。距交汇点较近的样本(R02～R07)，铀浓度随与矿区距离的增大下降幅度较大，远离交汇点的样本(R08～R12)下降幅度较小。

2.3 介形类分布与生态特征

C.v和H.i均为全球分布种，均具有较强的抗污能力[12,17,19-20]。C.v在所有样本中均有分布，丰度变化于(2～26)/50 cm3，其分布水域的理化参数如下：pH值，6.31～8.62；电导率，44～430 μS/cm；溶解氧浓度，5.37～8.38 mg/L；水温，18.6～23.3 ℃；U含量，0.384～49.780 μg/L；Th含量，0.120～2.859 μg/L。H.i仅在河流样本中分布，溪流样本未发现，丰度变化于(1～21)/50 cm3，其分布水域的理化参数如下：pH值，7.69～8.62；电导率，44～80 μS/cm；溶解氧，7.10～8.30 mg/L；水温，18.6～20.6 ℃；U含量，0.384～2.941 μg/L；Th含量，0.120～0.471 μg/L。

2.4 利用介形类评价地表水铀污染

介形类各属种丰度及总丰度均与水体铀浓度呈显著负相关(图2)，说明可利用C.v与H.i丰度及总丰度变化指示水体铀浓度的变化，丰度越小，铀含量越大，反之亦然。铀兼具重金属毒性与放射性危害，易导致介形类丰度与其浓度呈负相关，如C.v丰度与水体Ni、Cd浓度均显著负相关，Herpetocyprischevreuxi丰度与水体Cr浓度明显负相关[21]；Chrissiahalyi丰度随水体Pb浓度升高而降低[22]。C.v与H.i丰度均不高，前者最高为26/50 cm3，后者不超过21/50 cm3，说明研究区地表水铀污染对生物界产生了较明显的影响。一般情况下，生物多样性指数随属种数的增加而增大，其大小与水体污染程度呈反比[21,23]。本文H与水体铀浓度呈明显负相关，与该结论一致。其值变化于0.562～0.693之间，明显偏低，说明研究区水环境质量需要改善。

3 结论

溪流水体与河流水体相比，具有低pH值、高电导率、高U及高Th含量的特征。溪流与河流水体铀含量随与矿区距离的增大总体下降。U及Th含量受水环境参数影响不明显。C.v在溪流与河流中均有分布，分布区U含量为0.384～49.780 μg/L，Th含量为0.120～2.859 μg/L。H.i仅发现于河流，分布区U含量为0.384～2.941 μg/L，Th含量为0.120～0.471 μg/L。利用C.v与H.i丰度及总丰度变化可指示水体铀浓度的变化，丰度越小，铀含量越大，反之亦然。H与水体铀浓度呈明显负相关，表明也可利用该生物指数指示水体铀浓度。H明显偏低，说明该区域地表水环境质量需要改善，放射性污染应引起足够重视。