污染物在植物体内迁移的定量层析成像研究：利用β+发射体83Sr和86Y作为裂变产物迁移性的示踪剂

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Quantitative tomography of contaminant phytomobilization: β+ emitters 83Sr and 86Y as tracers of fission-product analog mobility

　　锶同位素示踪剂83Sr2?和钇同位素示踪剂86Y3?用于研究砂土及植物修复中放射性污染物的迁移机制，发现化学增强剂（如柠檬酸、NTA）显著提升锶迁移率（毫米级/小时），而钇迁移受铁氧化物涂层影响，磷存在抑制迁移。PET技术实现毫米级分辨率的三维追踪，验证其在环境修复中的定量分析价值。

　　### 研究背景与意义

放射性污染物的释放是多种环境路径的产物，包括核能生产、核武器试验以及核事故等。尽管像福岛和切尔诺贝利这样的大型事件已经被广泛研究，但小型的放射性核素释放同样值得关注。这些释放事件可能源于历史上的核活动，如常规核操作中对环境的影响，以及较弱的监管措施。为了应对土壤中的放射性污染，当前正在进行土壤修复的研究，其中包括化学淋洗、污染物固定和植物修复（phytoremediation）等方法。然而，这些方法的效率主要取决于污染物的迁移能力。

迁移能力的评估通常涉及金属离子在土壤中的热力学平衡，具体包括它们与土壤颗粒表面和溶液中的相互作用。因此，迁移特性受到土壤成分和孔隙水化学组成的影响。为了提高这些迁移特性的预测能力，有必要更精确地区分固体和溶解态的组成成分。然而，直接评估放射性污染物的迁移仍然面临挑战，因为中长寿命的放射性核素如152Eu、90Sr、137Cs或241Am的处理存在限制。这些限制使得研究变得复杂，因为环境相关的浓度往往低于传统检测限。例如，国际原子能机构（IAEA）对137Cs的清除限为<1.0 Bq/g，相当于仅2.3 fmol/g或313 ppq，这凸显了所需的极端灵敏度。

为了解决这一问题，短寿命的放射性示踪剂被广泛应用。它们在核医学中已证明其有效性，并在环境和材料科学中用于研究关键过程，如流体动力学、吸附效率和污染物迁移等。在本研究中，我们选择了两种放射性示踪剂，83Sr2?和86Y3?，它们分别模拟了90Sr和稀土元素（REE）的迁移特性。83Sr具有32.4小时的半衰期，适合在数天内进行研究，而其较低的β?能量（510 keV）限制了正电子的范围，使其在二氧化硅中不超过1 mm，低于PET扫描仪的典型分辨率限制。对于稀土元素，由于没有合适的PET示踪剂，因此需要寻找替代方案。86Y作为稀土元素的化学模拟物，其具有较短的半衰期（14.7小时）和已知的生产与放射化学分离方法，成为研究的优选。

本研究旨在通过PET技术，对放射性污染物在沙质土壤和植物修复过程中的迁移进行定量分析。通过使用83Sr2?和86Y3?作为示踪剂，我们不仅能够评估它们在不同土壤类型中的迁移特性，还能进一步探讨植物在污染物迁移中的作用。这一研究为环境修复和安全提供了新的方法论，并有助于理解污染物在土壤中的迁移机制。

### 实验设计与材料准备

在本研究中，使用了两种类型的沙质土壤材料：二氧化硅（quartz sand）和铁氧化物（FeOOH）涂层沙。二氧化硅沙具有平均粒径190–200 μm，其中含有微量的氧化铁（0.023%–0.028% w/w）和二氧化钛（0.03%–0.04% w/w）。这些沙质材料的总体孔隙度为34.1%，通过计算机断层扫描（CT）确定。铁氧化物涂层沙则来源于德国德累斯顿-罗斯托克的修复现场，其总体孔隙度为34.4%。这些材料为后续实验提供了良好的基础。

此外，本研究还使用了植物作为实验对象。为了确保植物在实验中的正常生长，我们选择了大麦草（Avena strigosa）作为研究对象，并通过水培方式培养。种子在黑暗中进行至少7天的层积处理，随后在无菌琼脂上发芽，并在无菌的改良Hoagland培养液中继续生长。植物在16/8小时的光照周期中生长，温度维持在23.5/18.5°C之间。植物在实验前的48–72小时被放置在PET样本槽中进行适应，以便于后续实验的进行。

### 放射性示踪剂的制备与纯化

为了研究放射性污染物的迁移特性，我们使用了83Sr2?和86Y3?作为放射性示踪剂。这些示踪剂的制备过程涉及放射性同位素的生产、纯化和最终的实验使用。

对于83Sr的生产，我们采用了Mansel等人（2014）的方法，并进行了适当调整。85Rb作为靶材料，其同位素富集度为99.5%。靶材料被以36.22 MeV的质子轰击，发生85Rb(p,3n)83Sr反应。随后，通过使用选择性吸附树脂柱（Sr-Spec?，TRISKEM Int.）进行分离，83Sr被从靶材料中提取出来。提取后的83Sr溶液被浓缩，并重新配制为1 mM的硝酸溶液，用于后续的PET实验。实验中使用的83Sr溶液的放射化学纯度（RNP）超过99%，确保了实验的准确性。

对于86Y的生产，我们采用了Garmestani等人（2002）的通用方法。86Sr作为靶材料，其同位素富集度为96.40%。靶材料被固定在铝制靶架上，并以15.6 MeV的质子轰击，发生86Sr(p,3n)86Y反应。轰击后，铝箔被移除，靶材料溶解在硝酸中，并通过稀土专用树脂柱（LN-resin-A TRISKEM Int.）进行分离。随后，86Y被从树脂柱中洗脱，并通过减少压力和使用氩气流进行干燥处理。干燥后的残留物被重新溶解在10 mM的硝酸中，并直接用于PET实验。86Y的放射化学纯度（RNP）超过99%，确保了实验的可靠性。

### 实验方法与流程

在本研究中，我们设计了两种类型的实验：化学修复实验和植物修复实验。化学修复实验中，我们使用了PET样本槽，其内径为50 mm，填充了不同的土壤材料，并通过玻璃滤片防止颗粒损失。实验中，样本被填充至至少70 mm的高度，以确保充分的流体流动。在实验F1和F2中，样本槽被半填充为两种土壤材料的混合，而实验F3仅使用了铁氧化物涂层沙。流体通过八个注射针头被滴入样本顶部，并通过蠕动泵控制流量。流量以孔隙体积（PV）表示，以适应不同样本体积和流量的变化。PV的计算公式为：

$$ PV = Q \cdot t \cdot \phi^{-1} \cdot V^{-1} $$

其中Q为体积流量，t为自注射以来的经过时间，φ为孔隙度，V为样本体积。

在植物修复实验中，样本槽被填充为含有植物的混合系统。植物被放置在样本槽中，并通过一个注射针头将放射性示踪剂注入样本槽的下部。植物在12/12小时的光周期中进行PET分析，并在扫描过程中保持在1.15 mm的分辨率下。为了确保实验的准确性，样本槽的温度被升高以补偿PET扫描仪中的热耗散。

在实验过程中，我们使用了不同的洗脱液，以模拟不同的化学条件。对于86Y，我们使用了10 mM的柠檬酸和10 mM的NTA（nitrilotriacetic acid），并调整了溶液的pH值为6.5以维持NTA的溶解性。对于83Sr，我们使用了1 M的硝酸铵（NH?NO?）作为洗脱液。这些洗脱液的使用不仅帮助评估示踪剂的迁移特性，还提供了对不同化学条件下的土壤响应的洞察。

### 实验结果与讨论

在化学修复实验中，我们观察到86Y3?在二氧化硅沙中的迁移特性受到化学条件的影响。在无磷酸的洗脱液中，86Y3?的迁移受到限制，仅在二氧化硅沙中移动了约2.3 mm。然而，当加入柠檬酸后，86Y3?的迁移显著增强，移动速度达到了15 mm·h?1。进一步加入NTA后，迁移速度进一步提高，分别达到了19.2 mm·h?1（二氧化硅沙）和7.9 mm·h?1（铁氧化物涂层沙）。这些结果表明，柠檬酸和NTA作为螯合剂，在促进放射性示踪剂的迁移方面发挥了重要作用。

此外，我们还观察到，磷酸的存在会显著影响86Y3?的迁移特性。在含有磷酸的洗脱液中，86Y3?的迁移速度被抑制，这可能是由于磷酸增强了86Y3?在土壤中的吸附能力。因此，磷酸的存在可能会对植物修复过程中的污染物迁移产生影响，特别是在植物根系分泌物的参与下。

在植物修复实验中，我们使用了83Sr2?作为示踪剂，以研究其在植物和土壤中的迁移特性。实验结果显示，83Sr2?在二氧化硅沙中的迁移速度显著高于在铁氧化物涂层沙中的迁移速度。通过使用二元阈值法和高斯回归法，我们能够更准确地评估示踪剂的迁移特性。例如，在实验P2中，83Sr2?的迁移速度在不同方向上存在显著差异，其中在x方向和z方向的迁移速度分别为150 ± 49 μm·h?1和360 ± 59 μm·h?1。这些结果表明，植物在污染物迁移中扮演了重要角色，特别是在根系分泌物的参与下。

我们还观察到，86Y3?在植物修复实验中的迁移特性受到限制。尽管其在无磷酸的洗脱液中表现出一定的迁移能力，但在含有磷酸的洗脱液中，迁移速度显著降低。这可能是由于磷酸增强了86Y3?在土壤中的吸附能力，从而限制了其迁移。因此，在植物修复过程中，需要考虑磷酸对污染物迁移的影响。

### 数据分析与图像处理

为了更准确地评估放射性示踪剂的迁移特性，我们使用了PET图像处理技术。PET图像通过STIR库进行重建，并应用了背景、衰减、散射和随机事件的校正。随后，我们使用了不同的方法将放射性活度转换为摩尔浓度。对于86Y3?，我们使用了以下公式：

$$ c = A \cdot N_A^{-1} \cdot \lambda^{-1} \cdot v_{vox}^{-1} $$

其中c为摩尔浓度，A为放射性活度，N_A为阿伏伽德罗常数，λ为衰减常数，v_{vox}为体素体积。通过这种方法，我们能够更精确地评估放射性示踪剂的迁移特性，并将其与土壤的孔隙度进行比较。

此外，我们还使用了高分辨率CT扫描来补充PET数据。CT扫描提供了土壤的孔隙度信息，并帮助我们更好地理解放射性示踪剂的分布特性。通过将PET数据与CT数据结合，我们能够更全面地评估污染物的迁移特性，并揭示土壤中不同区域的迁移差异。

### 结论与未来展望

本研究通过使用83Sr2?和86Y3?作为放射性示踪剂，成功地评估了它们在沙质土壤和植物修复过程中的迁移特性。研究结果表明，放射性示踪剂的迁移能力受到土壤成分和洗脱液化学条件的显著影响。例如，86Y3?在二氧化硅沙中的迁移速度远高于在铁氧化物涂层沙中的迁移速度，这可能与两种土壤对Y3?的吸附能力有关。此外，磷酸的存在会显著抑制86Y3?的迁移，这为植物修复过程中磷酸的影响提供了新的见解。

在植物修复实验中，我们观察到植物根系分泌物对污染物迁移的影响。83Sr2?在二氧化硅沙中的迁移速度显著高于在铁氧化物涂层沙中的迁移速度，这表明植物在污染物迁移中扮演了重要角色。通过使用不同的数据评估方法，我们能够更全面地理解污染物的迁移特性，并为环境修复提供新的方法论。

未来的研究可以进一步探讨不同放射性示踪剂在不同土壤类型中的迁移特性，以及它们在植物修复过程中的应用潜力。此外，研究可以扩展到其他放射性核素，以评估它们在环境修复中的作用。这些研究将有助于更全面地理解污染物的迁移机制，并为环境修复策略提供科学依据。