基于作物筛选与动力学模型的放射性锶-90和铯-137污染土壤植物修复优化研究及人体内暴露剂量评估

《Soil & Environmental Health》：Modeling and field trials optimize crop-based phytoremediation of radioactive strontium and cesium

本研究针对农业土壤中90Sr和137Cs共存污染问题，通过田间试验结合土壤-植物-人体动力学模型，开发了集成植物修复框架。研究发现高富集叶菜类（如卷心菜、菠菜）对90Sr（TF高达1.47）和137Cs（TF达3.90×10-2）具有显著提取效果，而低吸收作物（玉米、小麦）适合长期安全种植。模型预测通过优化作物选择可使人体内照射有效剂量降低70%，为放射性污染农田的修复与安全利用提供了创新方案。

　　

在核能广泛应用、核设施运行以及历史核事故的背景下，放射性核素如锶-90(⁹⁰Sr)和铯-137(¹³⁷Cs)对农业土壤的污染已成为一个严峻的全球性环境问题。这些核素半衰期长（⁹⁰Sr为28.8年，¹³⁷Cs为30.1年），毒性高，且能通过食物链富集，最终危害人类健康。与重金属污染不同，⁹⁰Sr和¹³⁷Cs因其化学性质分别与钙(Ca²⁺)和钾(K⁺)相似，更容易通过植物的营养运输途径被吸收并进入可食用部位，这使得传统修复技术面临巨大挑战。当前，植物修复技术虽已广泛应用于重金属污染治理，但在放射性核素修复方面，尤其是针对⁹⁰Sr和¹³⁷Cs的协同修复，仍存在显著的知识空白。现有研究多局限于实验室条件，缺乏大规模的田间试验数据支持；多数模型未能综合考虑土壤-植物-人体系统中的多介质迁移过程，也未能有效评估其对人体健康造成的潜在风险。因此，开发一种能够同时确保有效去污和食品安全的一体化植物修复策略，对于放射性污染农田的可持续管理至关重要。

为了应对这一挑战，由Tian Zhang、Shaofei Cao、Meie Wang、Siqi Liu、Yang Yang和Weiping Chen组成的研究团队在《Soil》上发表了一项创新性研究。他们在我国南方某农业基地开展了系统的田间试验，并构建了一个全新的动力学模型，将田间观测数据与人体器官特异性剂量模拟相结合，旨在优化作物配置，实现污染土壤的高效修复与农产品的安全生产。

本研究主要采用了以下几种关键技术方法：首先，研究团队在我国西南部某农业基地（土壤类型为钙质雏形土）进行了人工添加⁹⁰Sr和¹³⁷Cs的田间试验，设计了完全随机区组试验，对多种作物（包括卷心菜、菠菜、玉米、小麦等）进行了培育和采样。其次，测定了土壤和植物组织中的放射性活度浓度，并计算了土壤-植物转移因子(TF)，以评估核素的生物可利用性。第三，利用Burr Type III分布模型构建了物种敏感性分布(SSD)曲线，推导出保护95%物种的 hazardous concentration (HC₅)。最后，建立了一个动力学模型，将土壤污染水平与人体器官特异性内照射剂量联系起来，该模型考虑了放射性核素的摄入、在体内的分布和滞留，并利用国际放射防护委员会(ICRP)推荐的剂量系数计算了有效剂量。

3.1. 土壤和作物中⁹⁰Sr和¹³⁷Cs的特征分析

田间试验结果显示，实验地块土壤受到了明显的⁹⁰Sr和¹³⁷Cs污染。例如，玉米地土壤中⁹⁰Sr的活度浓度达到5.50 × 10²Bq·kg^–1，¹³⁷Cs为6.16 × 10²Bq·kg^–1，均显著超过国家土壤筛选参考值。不同作物地块的污染水平存在差异，但普遍超标，表明污染具有一定普遍性。对作物可食用部分的检测发现，核素积累存在显著的种间差异。叶菜类蔬菜如卷心菜表现出较高的⁹⁰Sr积累（2.17 Bq·kg^–1），而块茎作物如马铃薯的⁹⁰Sr积累也较高（5.00 Bq·kg^–1）。尽管所有作物样本的核素含量均未超过国家食品安全限量，但部分作物（如马铃薯、卷心菜）的浓度已接近限值，长期摄入存在潜在健康风险。这种积累差异与作物的生理特性密切相关，例如，⁹⁰Sr因化学性质类似Ca²⁺，易被需钙量高的植物通过木质部运输吸收；而¹³⁷Cs类似K⁺，通过钾通道吸收，但在钾丰富的土壤中竞争力较弱。

3.2. 作物对⁹⁰Sr和¹³⁷Cs的转移特征

土壤-植物转移因子(TF)是评估核素迁移能力和植物修复潜力的关键指标。研究结果表明，不同作物对⁹⁰Sr和¹³⁷Cs的富集能力差异巨大。对于⁹⁰Sr，卷心菜的TF值最高（1.47 ± 0.40），而玉米的TF值最低（9.08 × 10^-4）。对于¹³⁷Cs，同样是卷心菜表现出较高的TF值（3.90 × 10^-2± 2.74 × 10^-2），而谷物类作物（玉米、冬小麦）的TF值普遍较低。基于TF数据构建的物种敏感性分布(SSD)曲线显示，保护95%物种的 hazardous concentration (HC₅)对于⁹⁰Sr为0.61 Bq·kg^–1，对于¹³⁷Cs为3.80 × 10^-2Bq·kg^–1。这些阈值可为污染农用地的安全利用提供科学依据。高TF作物（如卷心菜、菠菜）适用于植物提取修复，而低TF作物（如玉米、小麦）则适合在污染水平较低的土地上继续种植，以保障食品安全。

3.3. ⁹⁰Sr和¹³⁷Cs内暴露的有效剂量

研究人员进一步评估了通过食物摄入这些核素对人体造成的内部辐射剂量。通过结合作物中的核素浓度、人群膳食消费量以及ICRP推荐的剂量系数，计算了不同性别、不同食物类别的器官特异性有效剂量。结果显示，肺部是接受剂量最高的器官，对于⁹⁰Sr，男性肺部剂量贡献占96%，女性同样为96%；对于¹³⁷Cs，男性和女性肺部的剂量贡献均为71%。这主要与肺部的高血液灌注率和放射性核素在肺泡区域的短暂滞留有关。骨骼表面和肝脏等器官也接受了一定剂量的照射。在食物类别方面，马铃薯、冬小麦等主食作物由于其消费量较大，对总剂量的贡献相对较高，且男性的有效剂量普遍高于女性，这主要反映了膳食摄入量的性别差异。

3.4. 放射性核素吸收策略的优化

最重要的发现在于，研究提出了一个优化的作物配置策略。在假设土壤污染处于国家筛选水平的情况下，模型预测了种植不同作物可能导致的人体内照射剂量。结果表明，与种植高TF作物（如卷心菜）的基线情景相比，选择低TF作物（如玉米、小麦）可以显著降低核素通过食物链进入人体的量。优化策略能使关键器官（如肺、骨骼表面）的预计辐射剂量降低高达70%以上。例如，对于⁹⁰Sr，男性肺部剂量可降低16.7倍，骨骼表面剂量降低23.3倍；对于¹³⁷Cs，也观察到类似幅度的下降。基于此，研究提出了一种分阶段的修复-生产策略：在污染初期，种植高富集作物（如卷心菜、菠菜）进行主动的植物提取，以快速降低土壤中的放射性水平；当土壤活度浓度降至安全阈值以下时，转而种植低吸收作物（如玉米、小麦）进行长期农业生产，从而在修复土壤的同时确保农产品安全，实现放射性污染农田的可持续利用。

综上所述，这项研究通过创新的田间试验与动力学模型相结合的方法，为解决⁹⁰Sr和¹³⁷Cs复合污染农田的修复难题提供了切实可行的方案。它不仅系统评估了多种常见作物对放射性核素的富集能力，还将环境归趋与健康风险直接关联，为制定科学的土地管理和作物轮作策略提供了定量依据。这种基于作物筛选的优化策略不仅高效、成本低廉，而且与环境相容性好，具有重要的生态和经济效益，对于保障核能可持续发展区的环境安全和公众健康具有深远意义。