广州大学环境科学与工程学院王津副教授团队在环境科学领域国际知名学术期刊Journal of Hazardous Materials（IF: 10.588）在线发表了题为“Geochemical and U-Th isotopic insights on uranium enrichment in reservoir sediments”的研究论文。该文报道了铀矿水冶厂下游水库沉积物剖面中铀（U）和钍（Th）的地球化学行为及其同位素组成特征，并揭示了U在水库沉积物中的富集机制，为利用铀同位素技术研究我国铀的表生地球化学行为与源解析提供了初步和关键的基础数据（图1）。论文的第一及通讯作者是王津副教授。

     图1  图文摘要  

随着核能核电的持续发展，与铀矿开采选冶相关工业方兴未艾，同时也导致大量兼具化学毒性和放射性的U被释放到周围环境，威胁人群健康与生态安全。研究U在各种环境介质中的存在形式以及迁移转化行为，有助于实现U污染的科学防控。近年来，U同位素组成δ²³⁸U（样品的²³⁸U/²³⁵U原子比相对于标准物质的千分偏差）被认为具有揭示U迁移转化行为的潜力，且U和Th同位素的活度比可反映其来源。基于此，我们团队选取广东省北部某铀矿水冶厂下游的一个矿区水库作为研究对象，拟利用U和Th同位素技术查明沉积物剖面中U的生物地球化学行为与污染源解析。  

研究发现，虽然水库表层水中的U浓度符合环境标准，但下层存在U污染，且随着深度增加U浓度呈上升趋势。沉积物剖面中的U含量为207.3–1117.7 mg/kg，酸可提取态U（0.5 M盐酸提取）占比为29.3–68.7%，说明沉积物U污染严重且迁移性强。通过测定沉积物剖面中的²³⁴U/²³⁸U活度比，发现中层沉积物的U含量虽然比上层高，但²³⁴U/²³⁸U活度比小于1.0且小于上层，由于²³⁴U迁移性大于²³⁸U且倾向于与U⁶⁺结合，说明U存在从中层向上层扩散的趋势，这一发现可能与洪水等水动力扰动的影响有关。此外，U从沉积物中再释放并向上扩散可能也是造成水库下层水U浓度比上层高的原因。自然风化形成的沉积物的²³⁰Th/²³²Th活度比通常为0.8–1.5，但所研究沉积物剖面的²³⁰Th/²³²Th活度比均超过1.5，说明该沉积物剖面受到铀矿污染。此外，由于²³²Th主要来源于自然风化，如果²³²Th/²³⁸U大于1.0，说明该沉积物主要来源于自然风化。但所研究沉积物不存在²³²Th/²³⁸U活度比>1.0和²³⁰Th/²³²Th活度比<1.0的情况，说明U和Th主要来源于人为污染。  

由于²³⁴U迁移性大于²³⁸U且远大于²³⁰Th，所以大多数沉积物的²³⁰Th/²³⁴U活度比大于²³⁰Th/²³⁸U且均大于1.0。但底层沉积物的²³⁰Th/²³⁴U活度比小于²³⁰Th/²³⁸U，由于²³⁴U倾向于与U⁶⁺结合，说明该层沉积物主要通过吸附作用固定U。此外，还有部分沉积物的²³⁰Th/²³⁴U活度比大于²³⁰Th/²³⁸U且均小于1.0，说明这些沉积物固定了大量的外来源U，且存在²³⁴U再释放或者U还原导致的²³⁸U富集。为进一步阐明U富集机制，对沉积物剖面的U同位素组成δ²³⁸U进行分析。如果沉积物中的U仅来源于自然风化和铀矿污染的混合，那么根据二端元混合模型，沉积物的δ²³⁸U应该与酸可交换态U（该形态U主要来源于铀矿污染）呈正相关性，但结果发现两者并不存在这种关系，说明U在沉积物中的生物地球化学行为导致了δ²³⁸U分馏。为确定特定深度沉积物中U的主要固定机制，将酸可交换态U的占比作为铀矿污染对沉积物中U的贡献值，计算得到了自然风化和铀矿污染混合导致的δ²³⁸U。由实验研究发现，U吸附在铁锰氧化物上导致²³⁵U在固相富集，而²³⁸U在还原产物U⁴⁺上富集。因此，当沉积物实测的δ²³⁸U大于计算得到的二端元混合的δ²³⁸U时，说明该层沉积物中的U主要发生了还原过程；反之，说明U主要发生了吸附过程。该结果也进一步被X射线吸收精细结构谱分析证实。  

迄今，对于长期开采和选冶活动影响下沉积物中的重金属地球化学行为及其同位素分馏机制的研究工作尚十分欠缺，该研究工作有力补充了受铀矿冶影响的河流沉积物中U地球化学循环及其同位素组成的数据，并利用U同位素组成和U、Th同位素活度比信息揭示了U污染来源和富集机制。  

该研究得到国家自然科学基金项目（41773011）、广东省自然科学基金（2017A030313247, 2015A030313512）等项目的资助。  

原文链接：  

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.125466

供稿：王津