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碘在土壤 - 植物系统中的行为及其毒理学研究进展论文

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  关键词:碘;碘缺乏症;土壤-植物系统;迁移;毒理学

  碘是动植物生存所必需的一种微量元素,与人体甲状腺功能密切相关。人体内缺碘会引发各种碘缺乏症。虽然人们已经采取多种有效措施来治疗并预防碘缺乏症了,但由于碘在全球分布不均,碘缺乏症仍然是一些国家亟待解决的问题。如何通过强化食用植物碘来为人体补充碘成为了解决碘缺乏症的研究热点。随着核工业的发展,环境中放射性碘的排放已成为威胁人类健康的潜在因素,因此,如何更深入地开展有关碘在土壤-植物系统中的迁移转化规律及其毒理学的研究是保障全球碘安全的现实需要,也是当前亟需解决的难点问题。

碘在土壤 - 植物系统中的行为及其毒理学研究进展论文

  1碘的环境地球化学

  1.1全球碘循环

  碘在自然环境中含量相对较低,在岩石中的含量约为0.3 mg/kg,土壤中约为1~5 mg/kg,雨水中约为0.5~10μg/L,淡水中约为2~10μg/L[1]。地球上的碘循环包含许多不同的地质和生物阶段。海洋是地球上碘的主要储藏库,海水中的碘主要以碘化物(I-)、碘酸盐(IO3-)和有机碘(Org-I)的形式存在。海水中碘的形态在很大程度上受空间位置影响,如在深层海域、表层海水、近岸处分布有不同形式的碘元素。生物和光化学过程可以作用于碘的挥发,会向大气中释放I2、HI和有机碘物种[2]。大气中的光化学作用可将碘转化为活性物种或能够破坏臭氧的粒子,并充当云凝结的成核点。进入大气的碘会通过大气的干湿沉积作用到达地表,是地表水层中的碘的主要来源。而海岸附近土壤和淡水中产生的碘会在一些自然现象的作用下进一步向内陆移动。土壤是一个重要的碘汇,其中主要包含相对不流动的有机碘。微藻和大型藻类、真菌和细菌在碘氧化还原循环中发挥重要作用,可以将I-氧化成为I2和IO3-,参与有机碘的形成、有机碘的脱卤和IO3-的还原[3]。

  1.2环境中放射性碘的存在

  碘也是一种单一同位素元素,已知共有37种同位素(108I-141I),其中只有127I最稳定且最常见,其他均具有放射性。根据来源的不同,可将自然界中碘的放射性同位素分为两类,即天然存在放射性碘和人为活动放射性碘。129I是唯一天然存在的碘放射性同位素,也是所有碘放射性同位素中半衰期最长的(约15.7 Ma)。天然存在的放射性碘可由原始核合成、宇宙射线作用于高层大气中稳定元素、地壳岩石中重元素裂变以及较小程度的中子活化反应产生[4]。此外,自从人类进入核时代起,人类核活动(大气原子爆炸、核燃料后处理设施、核反应堆事故等)已经向环境释放了大量放射性碘,使得环境中129I/127I的占比远高于核前时代。

  2碘在土壤中的赋存及迁移转化

  世界各地向土壤输入碘的方式不同,导致土壤碘含量变化很大,一般来说,土壤中的碘含量约为0.7~25 mg/kg,平均值为1~5 mg/kg[5]。土壤中的大部分碘是通过大气从海洋中获得的,通过干湿沉降沉积下来,近海岸土壤碘元素含量丰富,而远离海洋影响的土壤碘元素相对贫乏[2]。海洋直接向土壤中输入的碘,总量非常有限,一些农业活动也可向土壤中输入碘,如施用粪肥或污水污泥,也可在耕地中添加碘[1]。此外,发电厂和工业区附近土壤的碘含量也可能因化石燃料燃烧过程中释放的烟雾和微粒而增加,特别是燃煤活动更可能提高土壤的碘含量[6]。土壤中碘的另一个潜在人为来源是矿物提取。

  2.1碘在土壤中的赋存形态

  碘在土壤中的化学形态决定着其流动性、毒性、生物有效性和再挥发的可能性。土壤中的碘主要以有机碘、碘化物、碘酸盐的形式存在[7]。许多研究人员指出,I-和IO3-吸附程度不同,在大多数土壤中,IO3-比I-的吸附表现更强烈,添加到土壤中的无机碘可转化为有机碘,虽然IO3-和I-都可以被转化为有机碘,但I-的转化速度更快[8]。此外,碘的吸附明显依赖于土壤微生物,以及厌氧条件下的吸附抑制,大多数情况下,土壤中可溶性碘的含量很低。然而,在渍水土壤中,在还原条件下,如稻田中,大量碘会从土壤释放到水中[9]。在这种还原条件下,水中的碘是可以进行生物利用的,也说明了氧化还原电位(Eh)对土壤碘保留的重要性[2]。

  2.2碘在土壤-植物系统中的迁移

  植物体内的碘含量通常很低。对来自不添加碘的土壤的样品含量值进行归纳研究,发现该土壤植物中的碘含量大多低于1 mg/kg,碘从土壤转移到植物中主要是通过根部吸收[1]。由于土壤类型和环境条件不同,在一些高碘土壤中,碘从土壤到植物的转移因子很低,土壤中的碘被强烈保留[10]。尽管一些研究表明碘从土壤到植物的转移率普遍较低;但也有研究表明,生长在富碘土壤中的植物通常含碘量较高,且植物从土壤中摄取的碘多为土壤水溶液中的碘[11]。此外,已有研究证明,用碘化物或碘酸盐或以富碘肥料(如褐藻)的形式对土壤进行碘强化会强化植物对碘的吸收[12]。也有一些相关证据证明碘可以从植物根部转移到其上部,如谢伶莉等[13]通过对小白菜中碘的富集进行研究并得出结论,大部分进入根部的碘仍保留在植物根部,只有一小部分会从根部通过木质部运输到地上的可食用部分,地下部分与地上部分碘含量的比例为2∶1。总的来说,大多数植物根部的碘在自然条件下的转移量非常有限,这很可能是因为碘在土壤中的滞留力很强,但它在一些植物中也会出现显著转移的情况。碘在植物体内的运输途径分为木质部运输和韧皮部运输两种。木质部运输是植物体内碘的主要运输途径,通过木质部运输到地上部分的碘会在植物体内经历复杂的生物过程,被植物以有机碘的形式释放到空气中[2]。然而,目前仍缺乏关于碘在作物体内转化机制的详细研究。

  植物对不同碘形态的反应不同。研究发现[7],在水培试验中,施用的碘质量分数为1.0 mg/kg时,大麦茎叶和根系的干重均比不施碘的对照组有所增加,不同碘形态的效果为:碘乙酸>碘化钾>碘酸钾>高碘酸钾。当碘质量分数增加到10 mg/kg时,碘化钾和碘乙酸将抑制大麦生长,碘酸钾效果不明显,而高碘酸钾可促进大麦生长。研究I-和IO3-对水稻生长影响的水培试验发现,IO3-浓度为1μmol/L或10μmol/L对水稻生长影响不大,其浓度为100μmol/L时可抑制水稻生长;而在I-浓度为10μmol/L时,水稻就会受到生长抑制[7]。这在一定程度上表明,植物对碘的吸收受到不同碘形态分子质量和化合价的影响。

  3碘的毒理学

  碘的生态毒性还没有得到广泛研究。这是因为除了放射性碘的排放,碘本身并不是一个主要的工业污染物。但一些关于动植物中碘含量的研究表明,碘的状态和剂量会对动植物产生一定的毒理学影响[3]。虽然关于放射性碘在水生和陆生生物中的毒理学数据有限,但对植物物种的相关测试更为频繁。研究发现,当碘质量分数低于1 mg/kg时,番茄果实的重量和番茄植株的果实产量会增加;但碘质量分数超过1 mg/kg就会导致番茄植株的叶片萎蔫和褪绿[14]。碘的毒害作用首先会影响植物的生理生化活性,之后会从外观上表现出来,如出现毒害症状、生物量或产量减少等。

  4总结与展望

  本文基于碘的环境地球化学背景,对环境中的碘循环、碘在土壤中的赋存形态以及碘在环境介质中的迁移转化、碘的毒理学进行了系统的归纳与总结。

  由于植物可以吸收环境中的碘并通过食物链传入人体,因此需要进一步研究植物中碘的形态、迁移转化规律以及环境条件改变对其造成的影响;需要建立有关碘对植物强化/毒害作用的数据库,为相关研究提供更加完善的数据支撑;开展关于气态放射性碘在植物体内积累、迁移过程的研究,获取植物对气态放射性碘的吸收效率、迁移能力和转化过程等信息,并以此为依据建立符合其行为规律的数学模型,从而有效预测核设施运行过程中的安全排放阈值和人体暴露等生态风险。

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