《Journal of Contaminant Hydrology》：Seasonal behavior of Iodine-129 in a contaminated Wetland: A field-scale conceptual site model from the Savannah River Site
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湿地生态系统对放射性碘-129的动态滞留与释放机制研究。通过土壤-地下水多介质采样、微生物群落分析和自主传感器监测，揭示了萨凡纳河国家实验室F-Area湿地季节性水文变化（冬季高地下水通量，夏季低通量）与生物地球化学过程（有机质降解、氧化还原电位波动）共同调控129I的迁移转化规律。表面水碘浓度夏季达3-8 Bq/L，冬季降至0.9 Bq/L，与地下水通量呈显著负相关。有机碘形态占比78-99%，证实有机质矿化是129I释放的关键驱动因素。
汉塞尔·冈萨雷斯-雷马特（Hansell Gonzalez-Raymat）| 迈尔斯·E·丹纳姆（Miles E. Denham）| 哈鲁科·M·韦恩赖特（Haruko M. Wainwright）| 霍莉·H·维尔梅伦（Holly H. VerMeulen）| 纳撒尼尔·A·洛西（Nathaniel A. Losey）| 杰弗里·蒂博（Jeffrey Thibault）| 凯文·博斯特勒（Kevin Boerstler）| 奥斯汀·科尔曼（Austin Coleman）| 乔丹·弗洛伊德（Jordan Floyd）| 布拉迪·D·李（Brady D. Lee）| 拉维·古达瓦利（Ravi Gudavalli）| 卡罗尔·A·埃迪-迪莱克（Carol A. Eddy-Dilek）
美国南卡罗来纳州艾肯市萨凡纳河国家实验室（Savannah River National Laboratory），邮编29808
摘要
湿地是动态的生态系统，能够在较长时间内固定污染物，但当水文和/或生物地球化学条件发生变化时也会释放这些污染物。尽管这种行为已被广泛认知，然而控制某些污染物（如碘-129（^129I）的滞留和释放的现场尺度过程仍知之甚少，尤其是在美国能源部萨凡纳河国家实验室的受污染湿地中。在这项研究中，我们假设地下水流量的季节性变化通过改变湿地渗漏物和下方沉积物的生物地球化学性质来调节^129I的行为。为了验证这一假设，我们结合了土壤和水样采集、微生物分析、碘的形态测定以及自主传感器监测。研究结果表明，^129I主要滞留在富含有机物的表层土壤中，其浓度在表层0.15米范围内达到0.22 Bq g^-1的峰值，随后随深度增加而降低。地表水中^129I浓度存在明显的季节性波动，冬季为0.9–2 Bq L^-1，夏季则升至3–8 Bq L^-1，而地下水中的浓度始终较低（0.2–0.6 Bq L^-1），且季节性变化较小。这些变化与地下水向渗漏处的流动情况有关：冬季较高的地下水流使地表水中的^129I浓度接近地下水浓度；而夏季较低的地下水流则导致停滞和缺氧条件，从而促进富含有机物的土壤中结合态^129I释放到地表水中。碘的形态分析表明，地表水中78%至99%的碘以有机碘的形式存在，这表明有机物的降解驱动了^129I的再迁移。
引言
碘-129（^129I）是一种半衰期约为1570万年的长寿命放射性核素，由于其在环境中的持久性、迁移性、生物累积潜力以及在核废料中的大量存在，它构成了相当大的辐射风险（Kaplan等人，2014a；Wainwright等人，2025）。在自然环境中，^129I通过自发裂变和宇宙射线相互作用以微量产生，但人类活动显著增加了其含量（Hou等人，2009）。据估计，在人类核活动之前，天然^129I/^127I的比例约为10^-12（这一比例通过海洋和沉积物记录得到证实，Fehn等人，1986；Fehn等人，2007；Moran等人，1998）。然而，核武器试验和乏核燃料再处理使这一比例上升至10^-9至10^-6（Hou等人，2007；Hou等人，2009；Hou等人，2002；Michel等人，2012；Schnabel等人，2007）。
在美国前核处理设施中，^129I对地下水的污染尤为令人担忧，因为它可能在甲状腺中累积，增加患甲状腺癌的风险（Neeway等人，2019）。为了降低暴露风险，美国环境保护署（EPA）将饮用水中的^129I标准设定为0.037 Bq L^-1（1 pCi L^-1或5.66 ng L^-1）（EPA，2002）。此外，^129I的半衰期长且迁移性强，使其能够在地下水中持续存在数十年，并最终进入地表水，威胁环境和人类健康。
多年来，许多研究致力于了解碘在环境中的行为。这些研究被汇编在综述文章中，包括Kaplan等人（2014a）、Yeager等人（2017）和Neeway等人（2019）的文章。以下总结了这些综述文章中关于水生和陆地环境中碘行为的关键点：
•多种碘物种（如碘化物、碘酸盐和有机碘）可以在地下水和地表水中共存。
•在富含有机物的土壤中，碘主要通过与有机物的芳香成分形成稳定的C-I键而滞留。
•在有机质贫乏的土壤中，碘通过吸附在矿物表面（尤其是低pH值下的铁氧化物和铝氧化物）而滞留。
•pH值的增加会降低阴离子碘物种（如碘化物和碘酸盐）的吸附能力，因为矿物表面的负电荷增加。
•氧化条件有利于碘的滞留，而缺氧条件则通过脱卤和还原反应促进碘从富含有机物的土壤中释放到地表水中。
•微生物参与氧化还原转化反应，产生活性碘物种（如I2和HIO），这些物种与有机物结合形成有机碘化合物。
特别是在美国能源部的萨凡纳河国家实验室（SRS），在了解F区湿地中^129I的环境行为方面取得了显著进展（Kaplan等人，2022；Kaplan等人，2014b；Xu等人，2011a；Xu等人，2011b；Xu等人，2012；Zhang等人，2011；Zhang等人，2014）。例如，Xu等人（2011b）发现46%的^129I与腐殖质结合，其余部分与残留的土壤有机物结合。Zhang等人（2014）发现^129I浓度的季节性变化与地下水的pH值呈正相关，而与其他参数（如溶解有机碳、溶解氧（DO）、氧化还原电位（ORP）或水位）之间没有显著关系。最近，Kaplan等人（2022）提出，夏季温度升高可能增强微生物活性并促进有机物降解，从而可能以有机碘的形式释放^129I。作者还指出，夏季地下水位下降可能导致地下水从含浓度较高的含水层排出，进而使地表水中的^129I浓度升高。
虽然这些研究提供了关于^129I在分子和孔隙尺度上的滞留和释放机制的见解，但对于这些过程如何响应现场尺度上的季节性水文和生物地球化学变化知之甚少。水文与生物地球化学之间的相互作用是一个关键但尚未充分探索的控制因素，它影响着受污染湿地中^129I的季节性行为。为填补这一空白，我们的研究采用了现场尺度的综合方法，结合了地下水和水样采集、微生物群落分析、碘的形态测定以及自主传感器监测。这种综合方法对于开发一个概念性模型至关重要，该模型将水文和生物地球化学过程与SRS受污染湿地中^129I的季节性变化联系起来。我们假设地下水流量的季节性变化驱动了地表水中^129I的波动。冬季，较高的地下水流冲刷渗漏处，使地表水中的^129I浓度接近地下水浓度；相反，夏季地下水流减少，导致停滞和缺氧条件，从而促进富含有机物的土壤中结合态^129I释放到地表水中。我们的模型表明，控制^129I变化的过程可能主要发生在渗漏处，这使得未来的修复策略比这些过程发生在更广泛区域时更易于管理。
部分摘录
场地描述
在SRS，^129I作为反应堆运行的副产品产生，并随后由于再处理活动释放到环境中。1955年至1988年间，约有7.4×10^10 Bq的^129I被排放到未衬里的F区渗漏盆地中，这些废水呈酸性（Kantelo等人，1993；Killian等人，1987）。随着时间的推移，^129I与其他污染物一起通过非饱和带进入地下水，形成了一个约1平方公里的地下水羽流。
垂直剖面
图2中的垂直剖面显示了三个土壤层（A层、Cg层和C层），这些层根据美国农业部土壤调查手册的命名法进行分类（USDA，2017）。表层从0到1.22米，因其独特的深棕色至黑色和高有机质含量而被认定为A层。中间层从1.22到3.35米，被归类为Cg层，其特征是浅灰色的细粒砂质沉积物。
讨论
图4a和b的结果显示，地表水中^129I浓度存在明显的季节性变化，夏季浓度升高，冬季浓度降低。相比之下，地下水中的^129I浓度在整个季节中保持较低。地表水中夏季^129I浓度的显著升高表明，^129I是通过季节性的水文和生物地球化学变化从富含有机物的表层土壤中释放的。
结论
本研究结合了土壤和水样采集、微生物分析、碘的形态测定以及自主传感器监测，开发了一个现场尺度的概念模型，描述了SRS受污染湿地中^129I的季节性行为。在这个概念模型中，湿地内的季节性水文变化被认为是影响地表水中^129I浓度变化的主要因素。冬季较高的地下水位，尤其是在渗漏处之间，
CRediT作者贡献声明
汉塞尔·冈萨雷斯-雷马特（Hansell Gonzalez-Raymat）：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、监督、项目管理、方法论、调查、正式分析、概念化。迈尔斯·E·丹纳姆（Miles E. Denham）：撰写——审阅与编辑、可视化、概念化。哈鲁科·M·韦恩赖特（Haruko M. Wainwright）：撰写——审阅与编辑、概念化。霍莉·H·维尔梅伦（Holly H. VerMeulen）：撰写——审阅与编辑。纳撒尼尔·A·洛西（Nathaniel A. Losey）：撰写——审阅与编辑、正式分析。杰弗里·蒂博（Jeffrey Thibault）：撰写——审阅与
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本手稿由萨凡纳河国家实验室（SRNL）撰写，该实验室由Battelle Savannah River Alliance代表美国能源部运营，合同编号为89303321CEM000080。在SRS F区湿地进行的研究得到了萨凡纳河核解决方案环境合规与区域完成项目（SRNS-EC&ACP）的支持，合同编号为DE-AC09-08SR22470，以及
美国能源部环境管理办公室的支持
