综述：采矿影响生态系统中铀伴生重金属的迁移与累积（水、土壤与植物）

《Biology》：Migration and Accumulation of Uranium-Associated Heavy Metals in Mining-Affected Ecosystems (Water, Soil, and Plants) Madina Kairullova, Meirat Bakhtin, Kuralay Ilbekova and Danara Ibrayeva

　　

铀矿开采产生复杂的多元素污染，影响相互关联的生态系统组分，构成长期的生态与卫生风险；本综述将此类影响置于广泛的环境背景下，旨在综合当前关于铀及伴生重金属在水、土壤和植物中的分布、迁移与累积的科学认知。研究人员对国际同行评审文献进行了结构化分析，重点关注金属从尾矿和废石堆释放的记录途径、迁移的地球化学控制因素以及植被的生物吸收过程。被综述的研究一致表明，尾矿和受扰动的含矿层位充当着铀及重金属（例如Cd、Pb、Cr、Ni、Zn、Mn、As）的持续源，这些污染物通过渗滤、酸性矿山排水（AMD）和大气扩散发生迁移，导致地表水和地下水中浓度升高，并在土壤中形成长期累积。土壤作为控制金属生物有效性的主要汇，而植被反映了生物可利用部分，并表现出显著的物种特异性累积模式。这些过程建立了活跃的“土壤–水–植物”传输链，促进污染物进入食物网。综合结果表明，在铀矿区，铀与重金属复合污染构成了持续的生态与公共卫生关切，并强调了需要对土壤、水和植被进行综合监测，开展定量风险评估，并制定基于科学的修复策略。

1. 引言

人类活动加剧了对自然生态系统的影响，引发了全球对铀矿区环境状况的严重关切。铀提取方法（如露天开采、堆浸和原地浸出）扰动土地，活化放射性核素和有毒金属，使其在多种环境圈层中重新分布。降水、风化和尾矿或废石储存设施的泄漏等因素促进了污染物向采矿场以外的迁移，将其整合到天然生物地球化学循环中并形成次生污染区。哈萨克斯坦在全球铀工业中占据重要地位，但其铀矿开采带来的长期环境风险（特别是土壤和水体污染）仍需关注。铀是一种独特的污染物，兼具放射性和化学毒性，其开采过程常伴随Cd、Cu、Pb、Mn和Zn等其他重金属的释放，这些物质在土壤、地表水和地下水中累积，产生复杂的多元素地球化学异常，显著改变生态系统功能。植被在此背景下扮演双重角色：既是敏感的污染生物指示剂，也是有毒物质沿食物网转移的关键载体。

2. 铀矿区生态系统中重金属的来源与迁移路径

重金属是人类活动影响自然生态系统的显著污染物，其引入与矿产资源（特别是多金属和铀矿石）的开采加工密切相关。自工业革命以来，采矿、冶金和能源生产的扩张导致重金属排放急剧增加。在受铀开采和加工的区域内，人为压力源于气溶胶排放、废石和低品位矿石的堆积、湿法冶金尾矿储存以及尾矿设施中的大量液体废物和浆液。这些工业场所成为放射性核素和重金属的长期源，塑造了独特的放射生态学和生态毒理学环境。一旦从尾矿、废石堆和其他人为源中释放，重金属便在水文流动和地球化学过程的驱动下，遵循连续的迁移路径：首先在土壤中重新分配，随后迁移至地表和地下水系统，接着沉积于沉积物中，最终被植被和动物群吸收。这一过程涉及生物体层面的生物富集和食物链上的生物放大，导致生态系统破坏和人类健康风险增加。尾矿设施是铀矿区重金属的主要储库，除铀外通常还富含As、Cd、Pb和Tl等有毒元素。

3. 水体中的重金属

铀富集区的采矿活动显著影响地表水和地下水的质量。水体极易受到重金属污染，重金属在水中可能以溶解态存在或附着在最终沉降到水底的悬浮颗粒上。溶解态金属更具流动性，更容易被水生生物吸收。尾矿储存场和污泥处置区等储存大量工业固体废物的设施在水体污染中起主要作用。随着时间的推移，这些场地通过渗滤作用使污染物（包括重金属、硝酸根和硫酸根离子以及放射性核素）逐渐迁移穿过储存设施的壁和底部，最终渗入上部含水层的地下水中。水迁移是造成地表和地下水环境中污染物长距离输送的基本过程，其主要启动机制包括降水入渗和酸性矿山排水（AMD）。黄铁矿等硫化物矿物的氧化产生低pH值的酸性排水，极大地增加了许多金属（包括铀）的溶解度和迁移率，在此条件下铀被氧化为更易溶的六价态（U(VI)），更易向土壤和河流系统迁移。

4. 土壤中的重金属

土壤是铀矿区重金属和放射性核素的主要汇，在环境和公共健康风险的形成中起决定性作用。在铀提取和加工过程中，土壤覆盖层作为来自工业源（如采矿作业、尾矿储存设施和粉尘排放）以及大气沉降和水体运输污染物的首要储存库。土壤作为一种长期的自然缓冲介质，控制着重金属在大气圈、水圈、生物群和人类等主要生态系统组分间的再分配。由于土壤矿物和有机组分具有高吸附能力，重金属可累积数十年甚至数百年，形成持久的次生污染热点。与空气和水相比，重金属在土壤中的滞留时间要长得多，使得土壤污染成为长期环境风险评估的关键因素。在人为干扰强烈的景观中，观察到明显的元素空间异质性分布，特别是Pb、Cu、Cr、Ni、Zn、Mn和Zr等与工业活动和工艺发展密切相关的元素。重金属在土壤剖面内的持久性尤为值得关注，即使在铀矿开采和加工活动停止后，土壤污染仍可能持续很长时间。

5. 植物中的重金属

植物生物量中重金属的累积是反映土壤中潜在有毒元素总量、生物有效性和生物活性的最具综合性的指标之一。植物生物量主要代表了能够进入土壤溶液并参与生物地球化学循环的元素部分，这使得植被成为人为污染的敏感生物指示剂。植物中重金属的累积水平由生物和非生物因素共同塑造，包括物种特异性的吸收和选择性、化学形态和元素迁移率、土壤类型和矿物组成、水文状况、地形和气候条件。采矿区创造了独特的环境背景，充当植物群落的“筛选器”。随着采矿活动的加强和向更深层次扩展，生态系统受到的负面影响增加。在铀矿区，这些扰动尤为显著，因为高浓度多种有毒元素共存并产生显著的空间异质性污染模式。

6. 重金属对植物的毒理效应机制

过量浓度的重金属通过直接和间接途径对植物产生不利影响。直接毒性效应包括抑制细胞质酶活性以及对细胞膜和细胞器的损伤，主要由氧化应激和活性氧（ROS）的过量产生所驱动。间接效应则包括将必需营养元素（如Ca、Mg、Fe、Zn、P）从根系阳离子交换位点置换出来，破坏离子运输和植物矿质营养平衡。此外，重金属对土壤微生物群的抑制作用导致有益微生物丰度和功能活性下降，有机质矿化过程受损，从而降低土壤肥力。这些效应的综合表现是光合作用活性降低、植物生长和生物量积累受抑制，以及在长期暴露下导致植物死亡。土壤重金属污染是陆地生态系统最广泛的技术压力形式之一，植物作为重金属进入陆生营养链的主要入口点，其吸收和体内转运是多阶段过程，涉及从土壤溶液中获取元素、装载入木质部以及随后向地上器官的转运。

7. 铀矿区植物对铀及重金属的累积

根据国际研究，在铀矿区，植物对铀及伴生重金属的累积可达到引发生态和公共卫生风险的水平，特别是当受污染的植物生物量进入营养链时。此类区域的一个决定性特征是铀污染通常是复合型的，伴随着一系列潜在有毒元素和类金属（如Th、As、Pb、Mo、Cu、Zn）输入土壤，共同形成人为地球化学背景。在尾矿和处理设施附近，这些元素主要通过根际被植物吸收，其浓度通常超过区域背景水平。铀在地表条件下的地球化学行为决定了其在土壤-植物系统中的高生物有效性，在好氧条件下，铀主要以六价形式U(VI)作为铀酰离子（UO₂²⁺）存在，该离子具有高溶解度和迁移率，促进了根系的吸收和向植物组织的转运。尽管铀不是生物学必需元素，但其与重金属在植物体内的共累积已被证实与生长抑制、光合活性降低以及矿质营养和代谢过程的紊乱有关。

8. 用于人体暴露评估的植被中铀及重金属累积

植物累积铀和重金属的最重要后果是它们向食物链的转移及相关的人类健康风险。在受污染土壤上种植的食品作物可能累积达到对人体消费构成潜在危害水平的有毒元素。在铀矿区进行的食物链研究表明，铀及伴生重金属在本地收获的植物和饲料中累积，并随后在绵羊组织中检测到，特别是在肝脏和肾脏中，证实了污染物沿食物链从受污染的土壤和水体向人类膳食摄入的转移。复合污染（涉及铀和伴生重金属）增加了通过食物和饮用水对人体造成化学和放射性暴露的可能性。重金属和铀的摄入可能导致广泛的不良效应，包括神经系统紊乱、肾脏和肝脏损伤、心血管系统功能障碍以及癌症风险增加。定量健康影响评估通常使用危害商数（HQ）、危害指数（HI）和致癌风险（CR）指标来进行，这些指标允许评估通过不同途径的多组分暴露。

9. 讨论

对已发表数据的分析表明，铀矿开采创造了一种独特的地球化学环境，其中铀与广泛的重金属一起释放，形成复杂的多元素污染模式，这种模式在采矿活动停止后仍长期存在。在不同地理区域，尾矿、废石和受扰动的含矿层位始终充当潜在有毒元素的长期源。它们的再分配通过浸出、酸性矿山排水和大气扩散建立了水文驱动的、空间和时间上持久的迁移路径，连接了土壤、地表和地下水以及植被。这证实了铀矿景观是作为一个综合系统运行的，在这个系统中，污染不能在不考虑其他部分的情况下对单一环境组分进行评估。水体主要作为运输介质，使污染能够扩散到采矿场以外。土壤作为铀和重金属的主要长期汇，在形成生态风险方面起核心作用。植被反映了金属的生物可利用部分，并通过植物组织中的生物富集作为污染指示剂。从生态角度来看，慢性金属暴露改变了土壤微生物群落，降低了植物多样性并损害了生态系统功能；从卫生学角度来看，“土壤–水–植物”转移链代表了人类暴露的关键途径。

10. 结论

对已发表数据的分析表明，铀矿开采活动导致环境组分（主要是土壤以及地表水和地下水）的长期污染，这些组分充当了受影响生态系统中铀和重金属迁移的主要源。土壤作为铀和重金属的主要累积介质，而水则促进了它们在景观中的迁移率和再分配。土壤和水体理化性质（包括pH、氧化还原条件和溶解有机物）的变化显著影响这些元素的生物有效性，并决定了它们被植物吸收的程度。植被代表了连接非生物组分（土壤和水）与生物系统及人类暴露途径的迁移链中的关键环节。从生态和公共卫生角度来看，铀和重金属通过“土壤–水–植物–人类”系统的转移构成了重大的长期风险，特别是在受污染的水和植物资源被积极使用的干旱和半干旱地区。研究结果强调了在铀矿区采用综合环境评估方法的必要性，该方法结合土壤、水和植被的分析，这对于有效的环境监测、风险管理以及修复策略的制定至关重要。