关于尿素酶活性辐照控制及其在红土中固化以增强氡气减少作用的研究

《Journal of Environmental Radioactivity》：Study on the irradiation control of urease activity and its solidification of red clay to enhance radon reduction

铀尾矿库辐照调控大豆脲酶活性增强EICP技术减排氡效应，经XRD和SEM分析证实3-4米深辐照3天处理的EICP-CaLS协同改性红黏土28天氡减排率达97%，显著优于传统红黏土，微观结构显示致密碳酸钙沉淀形成有效阻隔氡迁移通道。

　　

唐园园|梁瑞|魏佳|孙一清|彭伟航|李福兵|张成宇|洪长寿

中国南方大学资源、环境与安全工程学院，衡阳421001

摘要

为了解决铀尾矿池中的氡污染问题，本研究旨在提高酶诱导碳酸钙沉淀（EICP）涂层层的氡减排性能。本研究通过辐照铀尾矿来调节大豆脲酶的活性。通过分析不同埋藏深度下尾矿的辐照效应，并结合X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）进行多尺度表征，系统揭示了氡减排的微观机制。实验结果表明，经过3-4米深度辐照处理并培养三天的大豆脲酶，在28天后实现了97%的氡减排率，比传统红土高出17.1%。微观结构分析证实材料内部形成了稳定的方解石并发生了絮凝作用，减少了孔隙度并提高了密度，有效阻断了氡的迁移路径。上述实验结果验证了辐照-脲酶活性协同增强机制在氡减排中的有效性，为放射性固体废物填埋场的高效氡减排工程提供了理论指导。

引言

随着核电行业的快速发展，铀矿开采和核燃料循环的不断扩大，产生了大量的放射性固体废物。这些废物在处置后形成了采矿和冶金放射性固体废物处置场（以铀尾矿池和废石堆为代表），成为环境中氡释放的高风险源（Kaptanoglu等人，2025年）。这些设施占用了大量土地，导致资源利用不足。这些设施释放的氡气对周围公众的辐射剂量贡献高达80%，显著增加了肺癌发病率，对生态和健康构成了严重威胁（Vogiannis和Nikolopoulos，2015年）。然而，传统的氡污染控制技术普遍存在工程成本高、材料耐久性不足、破坏原位土壤生态以及二次环境污染等固有局限性（Lv等人，2023年）。近年来，酶诱导碳酸钙沉淀（EICP）技术在岩土工程和环境修复领域受到了广泛关注（Hamdan和Kavazanjian，2016年；Kavazanjian等人，2017年）。与微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术相比，EICP具有无需培养微生物、不会造成生物入侵、酶易于降解以及环境兼容性强等优点。学术界普遍认为这是一种绿色环保的技术，具有广泛的应用前景（Liu等人，2025年）。

许多研究人员在处理技术、添加剂和钙源等方面改进了EICP土壤加固技术，以提高其工程应用效果。在处理技术方面，Cui等人（2021年）尝试通过多次喷洒尿素-明胶溶液来增强粘土体的内部矿化作用，但由于反应动力学不匹配，导致渗透率均匀性不足。在添加剂方面，Li等人（2023年）发现向EICP技术中添加山梨醇可以增大CaCO₃晶体的尺寸，提高热稳定性，并将CaCO₃晶体形态从半水合物类型转变为方解石类型；然而，添加蔗糖会降低EICP样品的结晶度。He等人（2023年）将不同类型的纤维引入EICP技术中，发现纤维可以与土壤中的碳酸钙形成网络结构，从而增强强度和耐久性，并减少水分渗透。在钙源方面，Weng等人（2024年）发现不同的钙源对粗大豆脲酶诱导的砂质土壤生物矿化作用有显著影响，其中CaCl₂处理效果最佳；然而，使用CaCl₂通过EICP改善土壤的成本较高；Zhang等人（2022年）发现钙木质素磺酸盐（CaLS）可以为CaCO₃提供成核位点，并作为连接土壤颗粒和CaCO₃的“桥梁”，有效改善土壤力学性能；Liu等人（2025年）发现低含量的CaLS结合3天的固化时间可以优化氡吸附性能，改进处理还能增强土壤强度。因此，在利用EICP固化红土以减少氡的过程中，CaLS不仅是一种有效且环保的钙源，还具有优异的氡吸附和土壤改良能力，显示出显著的协同效应。然而，由于脲酶是EICP技术的“关键”，从源头上调节脲酶活性的研究仍然有限。Zhang等人（2023年）使用紫外线诱变法筛选出高产脲酶菌株，成功增强了脲酶活性和碳酸钙沉积（导致晶体更致密，土壤强度提高），但随机诱变过程需要大量时间来筛选突变菌株，效率较低且周期较长。此外，在开放环境中应用诱变菌株的生物安全性仍是一个限制因素（Gupta，2025年）。传统的化学改性方法需要引入外源试剂，这与放射性固体废物管理的严格“零二次污染”要求直接冲突（Jia等人，2025年）。相比之下，辐照调节技术具有独特的适应性——铀尾矿自然衰变产生的高强度放射性为利用辐照改变脲酶活性提供了直接途径。通过调节铀尾矿的辐照剂量来控制脲酶活性，可以利用现有的辐射设施，降低调节成本，为大规模固体废物填埋场覆盖层项目提供高效、经济且无环境风险的解决方案。

本研究探讨了通过辐照控制调节脲酶诱导的CaCO₃多晶形成的方法。通过测量不同脲酶来源的电导率，选择了最活跃的脲酶来源进行辐照强度和时间的实验。在不同辐照强度下测量了碳酸钙含量，并建立了辐照条件与CaCO₃矿化效应之间的关系。选取了代表性的脲酶来源，采用预混-浸出法在红土上进行EICP-CaLS协同改进实验。分析了改进后的土壤的氡减排效果和力学性能，并进行了微观表征分析，揭示了辐照-EICP-CaLS协同改进红土的微观结构机制。

实验材料与试剂

本实验中使用的主要化学试剂的详细规格、来源和关键参数见表1。

仪器与设备

TD3低速台式离心机，湖南湘仪实验室仪器发展有限公司；DZF-6092真空干燥箱，上海恒科科学仪器有限公司；AR8211+电导率仪，恒新科技有限公司；带数字显示的双孔等温搅拌磁力搅拌水浴锅，湖南千岩科技有限公司；GT-TH-80

筛选用于固化红土的脲酶

在涉及不同深度辐照处理的大豆脲酶来源的实验中，图5(a)显示了脲酶活性。所有辐照组在培养期的前6天内均表现出比空白对照组更高的脲酶活性。其中，H2组的活性最高，稳定性也显著高于其他组；而H1组虽然保持了相对稳定的特性，但其整体活性水平

结论

• (1)
  辐照处理可以显著增强植物来源的脲酶活性。然而，在长时间培养或高剂量辐照条件下，其脲酶活性会呈现下降趋势。这种现象可能与内部结构变化及其导致的失活效应密切相关。
• (2)

CRediT作者贡献声明

唐园园：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，验证，软件应用，方法学研究，数据分析，概念化。梁瑞：撰写 – 审稿与编辑，验证，软件应用，方法学研究，数据分析。魏佳：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，软件应用，概念化。孙一清：资金筹集，数据分析，数据分析。彭伟航：验证，方法学研究，数据分析，

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

作者感谢湖南省自然科学基金（2023JJ30495）和湖南省大学生创新创业培训计划项目（S202410555146）的财政支持。