地下水环境中钚形态分布研究进展

刘艳  李成邦  王东文  张灏  陈晓谋  张向东

（中国工程物理研究院，四川绵阳621900）

  摘要：在一些遗留核废物点及放射性废物地质处置库的长期环境影响评估中，钚往往是地下环境中放射性污染物的重点关注因子。钚在地下环境中的潜在迁移行为与其化学行为高度相关该文综述了近年来国内外对钚在地下水环境中的化学行为研究成果，包括其在水溶液中不同pH/Eh条件下的存在形态、与地下水中无机配位体以及有机配位体之间的相互作用，着重讨论了地下水环境中铁矿、胶体物质、有机物、微生物等对钚化学行为的影响。最后，展望了国内未来该领域应开展的若干研究方向。

  关键词：地下水；钚；化学行为；氧化还原状态；胶体

 随着核事业的迅猛发展，不可避免地产生了一定量的放射性废物。近几十年来的研究表明，放射性废物固化后地质处置无疑是最有效可行的方法。在放射性废物地质处置中，钚的迁移途径、迁移特征、尤其是钚进入地下水体后的迁移行为及污染范围是人们十分关心的问题，也是放射性废物处置场安全评价的一个极其重要的内容。另外，在大量的遗留的核废物点和相关受核废物污染的地下水中，钚在地下的潜在迁移行为往往也是地下污染物的重点关注对象。钚在地下水中的潜在迁移特性与其在水溶液中的形态分布高度相关。研究表明，地下水中钚的存在形态主要取决于水中的pH、温度以及无机离子性质、有机螯合剂、矿物颗粒和微生物活性等共同作用，这些不同条件可引起钚形态不断转化。了解这些化学形态变化过程，对钚在地下水中的迁移行为研究、放射性废物处置场安全评价以及污染厂址的原位修复等都是一项极其重要的内容。

 针对以上需求，本文对近年来钚元素在地下水介质环境中的形态分布研究进行了综述，主要介绍了地下水环境中无机阴离子、氧化还原性矿物、有机螯合剂和微生物活性等对钚存在状态及化学行为的影响，为初步评估钚在环境中的潜在迁移行为及进一步开展相关研究提供参考。

1钚的水溶液特点

钚是一种具放射性的超铀核素，是原子能工业的重要原料。它也是一种半衰期极长的放射性毒物，环境中遗留的钚可能导致癌症发病率的上升。钚电子壳层5f和6d电子能级的接近和不稳定性决定了钚价态的多样性和化学行为的复杂性。钚的水溶液化学是复杂的，其在水溶液中有5种价态：Pu(Ⅲ)、Pu(Ⅳ)、Pu( V)、Pu(Ⅵ)和Pu(Ⅶ)。每种价态的钚在水溶液中呈现不同的颜色，如图1。另外，由于钚元素电子结构的复杂性，某些水溶液中，Pu(Ⅲ)/Pu(Ⅳ)和Pu( V)/Pu(Ⅵ)之间转换的氧化还原电位与Pu(Ⅳ)／Pu(Ⅵ)之间转换的氧化还原电位接近或更低。因此，在某些水溶液环境中，钚离子各种价态间的相互转化都是可行的。这也导致同一水溶液中可能同时存在多种价态钚氧化物的平衡体系。

2地下水环境中钚的化学行为

 钚在天然水体环境中的化学行为较之实验室条件下的溶液化学行为更加复杂。首先，天然地下水环境中含有多种多样的矿物沉淀（铁、铝、钙等的单质及化合物）、生物体（病毒及有机物）、强氧化性的有机螯合剂（腐殖酸等）等，这些物质的存在都可与钚作用，引起钚的存在形态发生变化；其次，天然水中存在的碳酸根、硝酸根等无机阴离子及腐殖酸、富里酸等天然有机聚合物，同样可与钚发生络合反应，从而影响钚在地下水中的价态分布；另外，钚在地下水体环境中形成各类真假胶体，同样对钚在地下水中的形态分布存在较大的影响。

 在经典的热释光计、电位滴定研究方法基础上，量子化学方法在钚的形态研究中发挥了较多积极的作用，为那些不能实施实验观测或者实验设备无法满足检测要求的情况下提供了一种研究手段。目前，随着逐渐完善的光谱技术的开发，诸如EXAFS（扩展X-射线吸收精细结构）、TRLFS（时间分辨的激光诱导荧光光谱）、拉曼或红外光谱、XPS( X-射线光电子谱)和X-射线反射技术，为研究地下环境中钚的化学行为提供了有效的研究手段。

2.1地下水中钚存在形态的模拟计算

 通常，天然地下水体中存在的钚浓度极低，多为微摩尔浓度，开展该种浓度下钚在地下水环境中的化学行为研究，其中的一个先决条件就是借助先进的光谱技术。这无疑为现场实验研究增加了极大的难度。因此，地下水中钚形态分布的计算机模拟研究已成为一种重要的研究手段之一。

 国内外对钚在地下水中的存在形态进行了较多的模拟研究。Rockhold ML等用模拟软件某厂址内钚形态及迁移特性进行了模拟计算，结果显示，该厂址内钚主要以Pu(Ⅳ)为主。我国学者近年来也应用相关的模拟软件开展了一定的研究。朵天惠等运用PHREEQC模拟软件对西北某区钻孔地下水中钚的存在形式进行了模拟计算。结果显示，钚以Pu(Ⅳ)价态的Pu( C03)2(OH)22-为主，占82.28%；其次为Pu(V)价态的Pu02+、Pu02C03 -和Pu(Ⅵ)价态的Pu02( C03)22-，分别占8.52%、7.82%和1.17%。马应明等用EQ3/6对钚在模拟地下水中的化学形态进行了模拟计算，模拟结果显示，95.01%的钚以Pu( OH)。一(Ⅳ)形式存在，Pu(V)价态的Pu02+和Pu(Ⅵ)价态的Pu02( C03)22-,所占比例分别为3.74%和1.02%。

 由于化学种态分析软件在计算的过程中需要依赖一些常数，而这些常数往往具有地域性且数据库数据资源有限。因此，该类模拟软件只能回答钚在某些特定简单条件下的形态分布。实际情况下，钚在地下水中不仅存在离子、胶体以及沉淀等形态，还会与地下水中介质发生各类复杂的反应。因此，实际地下水中钚的化学形态往往比模拟计算的存在形态要复杂得多。

2.2地下水溶液中钚的水解络合

 由于受地下水中各种复杂离子的影响，钚在地下水中的溶解包括了一系列的平行反应。其中最主要的是水解反应和配位反应。通过水解反应，钚可产生多种单核、多核的水解产物及真（假）胶体，从而影响钚在地下水中的形态。通过配位反应，钚在地下水中各种离子可生成难溶化合物，从而影响钚的溶解，影响溶解度。

2.2.1钚在地下水溶液中的水解反应

钚的水解反应是指钚与水中OH-的配合反应，它是钚在水中最普遍最基本的反应。不同价态钚可能的水解反应及常数不同。表1给出了不同价态钚可能的水解反应及常数。

 由表1可以看出，不同价态钚的水解常数是不同的，四价钚的水解能力最强，是研究地下水中钚水解行为的关键。上述结果与大多数模拟计算结论相似。但某些地下水的现场抽样实验结果表明，当钚存在于某些与空气接触较好的水体中时，钚的主要存在价态为五价态和六价态。Dong W的实验研究表明，当地下水溶液开放于空气中时，溶液中的钚主要为Pu02+与Pu022+。

2.2.2地下水中钚的络合反应

 络合反应是发生在地下水中的非常重要的化学反应之一，根据钚自身的电子结构特点，钚可与地下水中的无机阴离子如氢氧根、碳酸根、硫酸根、氯离子等发生络合反应，另一方面，在地下水中存在的有机多电子聚合物（如结构简单的羟基化合物到结构复杂的腐殖酸）不仅能与钚发生还原反应，而且也能发生螯合反应。

2.2.2.1钚与无机阴离子的络合

钚可与地下水中的的无机含氧配体（如硝酸盐、碳酸盐、硫酸盐及磷酸盐）、氟离子、硫离子及卤素等形成钚的络合物。在水溶液中，钚络合物（特别是与配位体形成络合物）的稳定强度主要按照以下顺序排列：

由于在水中的离子半径及电负性的原因，Pu(Ⅳ)在水中更易形成络合物。另外，地下水中钚络合物的稳定性还取决于阴离子的性质。Berto等就锕系元素与单价的和二价的无机阴离子形成的化合物络合能力进行了排序，与无机阴离子的络合能力排列如下：

可见，钚与碳酸根、氢氧根及含氟化合物有更强的络合能力，而与硫及卤素（除氟外）的络合能力较弱。钚与无机阴离子的络合物见表2所示。

 在自然地下水中，氢氧根离子及碳酸根离子通常占主导地位，且钚与碳酸根、氢氧根又有更强的络合能力。因此，钚与氢氧根离子及碳酸根离子形成的络合物是地下水体中最普遍存在的络合物。

2.2.2.2钚与有机物的螯合

 钚在自然地下水环境中（尤其是在一些富含有机螯合剂的区域）与有机物的螯合作用同与无机离子的络合反应一样重要。大部分的自然水体中都存在不同浓度的有机物，这些有机物主要包括：生物胶质（如病毒、细菌）以及天然有机物（如腐殖质）等。一般来说，地表或浅层地下水中大都含有10—100 mg/L浓度的羧酸有机化合物或一定比例的腐殖酸。

 由于有机物对地下水环境中的钚离子迁移行为的重要性，较早就有关于地下环境中有机物与钚相互作用的研究。橡树岭实验室在肯塔基州Maxey Flats处置场观测到了钚元素的有机络合物，特别是与EDTA形成的络合物的迁移。另外，地下水中存在的草酸、醋酸等有机物能与钚发生螯合反应，并可稳定多种价态的钚，包括Pu(Ⅲ)、Pu(Ⅳ)、Pu(Ⅵ)，这一性质在溶液中不同价态钚的分离中得到了应用。另有研究发现，在自然环境中当钚离子与环境中某些有机物共存时，二者能够通过络合反应和氧化还原反应形成新的复合物胶体，这在相关的研究中得到了证实。Donald T Reed通过加入柠檬酸盐平衡Pu(Ⅵ)或Pu(Ⅲ)，结果也表明，柠檬酸盐可与钚形成Pu(Ⅳ)的有机螯合物吲。

 自然地下水环境中的有机物种类繁多，其分子结构还受不同自然环境条件的影响而改变，因此有机物与钚的相互螯合等作用过程相当复杂。Runde等对自然界水体中有机物与锕系元素的相互作用研究进行了综述，该综述表明，自然水体中的有机螯合剂包括大分子聚合物电解质，其分子结构取决于溶液中的pH值和离子强度等的影响，尽管有一些关于部分有机物如腐殖酸与元素相互作用的研究，但其作用相当复杂，需要进行更为深入的研究。

2.3地下水中钚的氧化还原行为

 钚在地下水中潜在的迁移特性与其氧化状态分布高度相关。在富营养的厌氧地下水下，有机物同时存在，钚的氧化还原行为主要取决于还原性金属矿物、有机螯合剂和微生物活性的共同作用。

2.3.1钚与铁矿表面的氧化还原

 铁矿在环境中广泛存在。在地下水系统中，铁以天然含Fe(Ⅱ)矿物形式存在，或通过被深埋储存的钢罐或建筑材料等废物存放设施的腐蚀，从而进入地下水系统中。了解钚与水溶液中铁矿的相互作用和氧化还原行为，可为钚在地下水中的氧化还原行为评估提供可靠的信息。

 部分研究成果表明，在深度地质贮存处，铁作为供电子源的情况下，钚种态最有可能以Ⅲ或Ⅳ价较高氧化态存在，其溶解度低，铁氧化物对其吸附性较强。

D Fellhauer等通过加入242Pu研究了Pu(Ⅲ)、Pu(Ⅳ)、Pu( V)在模拟铁悬浮液及其缓冲溶液中的吸附行为和氧化还原行为。结果表明，在铁矿悬浮液中，吸附是最主要的过程。达到吸附平衡后，采用XANES和EXAFS分析，还原性铁矿表面钚表现为Pu(Ⅲ)；在磁赤铁矿悬浮液中，40%的Pu(Ⅲ)被氧化为Pu(Ⅳ)；Pu(V)样品则表现出更为复杂的变化过程，即使溶液中只存在三价的铁盐，除了被铁盐吸附之外，Pu(V)被还原为Pu(Ⅳ)或者Pu(Ⅲ)，如图3。

Donald T Reed1201通过模拟实验研究了钚在厌氧环境、pH为9以及存在铁和铁的氧化物的模拟盐水中的氧化状态分布。研究结果表明，在无还原铁存在的环境中，Pu(Ⅵ)能够稳定存在于上述模拟溶液中。溶液中加入铁片、铁粉、磁铁矿或者Fe2+离子溶液，将会导致Pu(Ⅵ)还原为Pu(Ⅳ)。这同样在XANES分析铁相关的钚中得到证实，如图4。

在所得实验数据的基础上进行了相关的热力学模型计算，计算得出Pu(Ⅲ)与Pu(Ⅳ)在不同pH和Eh值溶液中的平衡分布，如图5所示。

2.3.2有机螯合剂与钚的氧化还原反应

 地下水中强有机螯合剂如腐殖酸可影响钚在水溶液中的氧化还原状态分布，进而影响其迁移行为。Banik N L的报告中指出，腐殖酸可直接氧化Pu3+或还原高价态的Pri02+和Pu022+为Pu(Ⅳ)的有机化合物。在某些现场研究中发现，钚离子可被腐殖酸等有机物质氧化还原为四价离子后与有机物形成稳定的可溶性复合物或胶体而使其流动性增强，抽样地下水溶液中显著存在的钚种类为Pu(Ⅳ)的有机化合物。Choppin G R的研究也证实在仅有10-6浓度范围存在时，腐殖酸可使Pu3或Pu02+和Pu022+转化为Pu(Ⅳ)，并进一步表明，腐殖酸是引起Pu02+和Pu022+转化为Pu(Ⅳ)的媒介。

2.3.3微生物与钚的相互作用

 微生物广泛存在于地下环境中，主要通过细胞外聚合物形成的一层生物膜与地下环境中矿物表面结合，影响锕系元素的赋存状态尤其是氧化还原状态分布。Kate Maher等对微生物与锕系元素的相互作用进行了综述。报告指出：锕系元素一般不能为微生物提供电子受体，但锕系元素可通过附着在微生物的细胞壁影响微生物对必要元素的吸收和利用，进而影响微生物的新陈代谢。微生物细胞壁含有羧基、磷酰基、羟基、胺、巯基等高反应性基团，这些基团易在较低pH值下去质子化后与锕系元素成键，且该类基团在中性环境中也显示位电负性，易于与包括锕系元素的金属阳离子结合。微生物细胞壁组成中含有的羧酸酯、膦酸酯、磺酸酯以及羟基含有极强的供电子原子，可参与成键与锕系元素离子紧密结合形成稳定的络合物。由于微生物细胞壁与锕系元素的强烈作用，因此，锕系元素更可能被吸附于细胞膜外面而并非穿过细胞膜渗透进细胞膜内部。但是，铁的缺失会导致微生物分泌细胞外的螯合剂，含铁细胞（低分子铁螯合剂）对四价钚等锕系元素有非常高的鳌合亲和力（因四价钚的电荷／半径比与三价铁相似），细胞内运载铁离子的膜蛋白可将附着在含铁细胞上的锕系元素通过运输通道运输至细胞内，导致细胞内钚元素积聚，细胞内的某些物质会引起易发生氧化还原反应的钚被氧化或还原发生其它种态变化。另外，研究发现异化的金属还原菌可还原Pu( V)、Pu(Ⅵ)为Pu(Ⅲ)或Pu(Ⅳ)，异化的金属还原菌还可通过还原Fe(Ⅱ)和Mn(Ⅱ)，从而依靠Fe(Ⅱ)和Mn(Ⅱ)还原高价态的锕系元素。

Campbell K M研究表明，DMRB可还原溶液中的Pu(V)、Pu(Ⅵ)为Pu02。而一种典型的钚还原菌Shewanella sp(是一种特定的金属还原土壤菌株)，可还原高价态的钚为Pu(Ⅲ)和Pu(Ⅳ)，最终还原产物为Pu(Ⅲ)或Pu(Ⅳ)，取决于溶液中存在或不存在能够稳定Pu(Ⅳ)的配位剂（如图6）。Pu(Ⅳ)。Pu(Ⅲ)还原步骤即与溶液中存在的非生物性的还原性二价铁离子紧密相关，亦同样与生物的酶促相关。

 因此，地下环境中的微生物与钚等锕系元素的相互作用将形成更多的种态，微生物过程即可有助于钚的迁移，也可抑制钚元素的迁移。

2.4地下水中钚的胶体行为

 锕系在环境中的迁移转化与胶体颗粒物紧密相关。在锕系元素浓度较低的地下水和地表水环境中，吸附锕系元素的胶体可决定锕系元素在环境中的迁移速率。已提出2种机理来解释地下水中锕系胶体的形成：一种是自身胶体（真胶体），是由锕系元素分子或离子通过自身逐步的水解和沉淀过程聚集而形成的一类胶体；另一种为缔合胶体（假胶体），由土壤等风化侵蚀等无机、有机杂质胶体上吸附锕系元素后形成的胶体。一般来说，在放射性废物贮存点周围存在的多为真胶体，这类胶体可通过迁移等进入较远的环境中。

2.4.1钚的真胶体

 钚的真胶体是指钚离子水解产物形成的一些粒径界于1nm到几百nm的难溶物质，该类胶体物质不足以形成沉淀，而形成一些微小的聚集体，分散在地下水中的特殊状态。研究认为，钚形成真胶体的顺序趋势与水解类似：Pu4+>Pu022+>Pu3+>Pu02+。真胶体的形成使地下水中钚的溶解度在相当宽的pH范围内比热力学模型估算出的溶解度值高几个数量级。

 Pu(Ⅳ)离子最容易形成真胶体，部分研究表明Pu(Ⅳ)的真胶体可显著地促进钚在环境中的迁移。Pu(Ⅳ)离子真胶体可通过对含Pu(Ⅳ)离子酸性溶液的中和获得，另外，某些异化的微生物还原作用，也可使钚在溶液中形成真胶体。通过EXAFS对该类获得的Pu(Ⅳ)真胶体进行分析显示，Pu(Ⅳ)离子真胶体显现出P1,i02的晶体特征峰图。另有研究者通过离心、过滤、电迁移等方法对钚真胶体的形成机理、粒度、密度及性质等进行了研究。研究表明，在pH值为7—9范围内，溶液中的钚可形成真胶体。也有学者研究表明，当pH≥9时，钚的胶体会重新分配到水中，但其仍可能为钚的真胶体，原因是溶解态的钚和真胶体钚事实上是连续介质。地下水中离子态的钚与胶体状的钚分布与水溶液的氧化还原电势呈负相关，曝气等也会导致胶体态的钚改变为溶解态的钚。Daniel IKaplan通过在萨凡纳河研究中心F区（F区曾经是一个用于生产钚的铀分离工厂，在其1955-1988年的生产期间，含有放射性的酸性废物和金属矿渣被储存在易泄露的凹坑内）进行了实地研究。在210 mV，胶体状的钚与钚离子之比为0.95；在225 mV，胶体状的钚与钚离子之比为0.61；在325 mV，胶体状的钚与钚离子之比为0.30。

2.4.2钚的假胶体

 由于沉积物的物理化学扰动，地下水中往往含有多种多样的无机和有机的胶体物质，包括各种矿物胶体（铁、铝、钙和锰的氧化物、氢氧化物、碳酸根、硅酸盐、磷酸根等），生物胶质（如病毒、细菌）以及天然有机物（如腐殖质）。钚等超铀元素会通过静电力、离子交换、表面配合反应吸附到地下水胶体介质的表面，而形成一种含钚的自然胶体物质，分散在地下水中。

 Daniel I Kaplan研究了在地下水中矿物胶体（铁、铝、钙、和锰的氧化物）对Pu(Ⅳ)和Pu( V)的吸附。结果表明，矿物胶体吸附了溶液中全部的Pu( V)和Pu(Ⅳ)。通过解析研究表明，地下水天然胶体吸附的钚较难以被解析下来。

2.4.3钚胶体的迁移

 地下水中放射性元素胶体是否有利于钚的迁移一直是一个颇具争论的问题。胶体促进钚迁移会引起地下水系统危害，然而科学家面对的困难是要弄明白污染物在地下水中的迁移模型，其中最需要解决的便是模拟地下水实验样品的各种缺陷和不足。这些问题的存在往往因为以下多方面的原因：首先，自然界中存在较少的钚的胶体羽状污染物。其次，即使存在钚的羽状物，其浓度也较低。另外，抛开各种钚分析仪器的自身限制和能供型号选择的限制，钚本身亦是很不稳定且存在形态繁多的，同时，钚的原位取样也很困难，因为取样路径中任何环境的变化都将引起钚存在形态的改变。Kersting A B在内华达核爆实验场地进行了多年的实地实验研究，希望了解地下水中胶体有利于钚的迁移还是不利于钚的迁移。实验结果表明，由于场地内钚浓度太低不能形成胶体以及钚自身形成的化合物亦有迁移作用等原因，认为胶体对钚的迁移促进与否争议仍无结论。

 尽管地下水中胶体增强或阻滞钚的迁移的作用还存在争议，但是，已观察到与胶体缔合的钚的迁移比预测的离子迁移大大增强。Buesseler K O等的研究表明，探取某试验场地1.3 km含水层地下水样中钚与胶体尺寸的粒子缔合，其认为钚的假胶体可随着地下水进行迁移。Novikov等的研究成果也表明，Mayak，Urals(俄罗斯境内，曾经为钚生产点)下游地下水中70%—90%的钚附着在水合铁氧化物胶体表面。

 准确了解胶体促进或抑制放射性元素迁移，这将对放射性废物储存中的不确定因素将起到非常重要的作用，也对放射性废物储存费用和核电的广泛发展产生极其重大的影响。因此，继续开展相关的研究无疑是十分必要的。

3结论及展望

 随着核能的不断发展，无论是放射性废物的地址处置需要抑或是污染场地的原位修复需要，了解钚或其它锕系元素在地下环境中的种态都十分必要。过去几年里，对钚在地下水环境中的种态及其与地下水系统中各类物质的作用机制的基本认知方面已经取得了显著的进步。

 本文综述了钚元素在地下水介质环境中化学行为研究的部分成果，主要介绍了地下水溶液中钚的可能存在形态，无机阴离子、有机螯合剂、还原性金属矿物、微生物等对钚存在状态及分布的影响，并就钚的胶体行为进行了相关的综述。

 (1)由于钚电子壳层5f和6d电子能级的接近和不稳定性决定了钚价态的多样性和化学行为的复杂性。同一溶液中，可能有多种价态的钚同时存在，这也是钚水溶液化学的最大独特特征。

 (2)在近中性pH值和略微带还原性的地下水中，绝大部分钚离子为最稳定价态的四价钚离子。四价钚的水解能力最强，是研究地下水中钚水解行为的关键。

 (3)四价钚与氢氧根、碳酸根有更强的结合能力，且由于自然环境地下水中普遍存在较多的氢氧根离子及碳酸根离子。因此，四价钚与氢氧根离子及碳酸根离子形成的络合物是自然地下水体中最普遍存在的络合物。

 (4)钚在自然环境中（尤其是在一些富含有机螯合剂的区域）与有机物的螯合作用同与无机离子的络合反应一样重要。但该过程较为复杂，需要进一步开展深入的研究。

 (5)部分研究成果表明，在深度地质贮存处，铁作为供电子源的情况下，钚种态最有可能以Ⅲ或Ⅳ价较低氧化态存在，其溶解度低，铁氧化物对其吸附性较强。

 (6)部分研究结果表明，水中强有机螯合剂如腐殖酸等可影响钚在水溶液中的氧化还原状态分布。可直接氧化Pu3+或还原高价态的PU02+和Pu022+为Pu(Ⅳ)的有机络合物。由于有机物的复杂性，其相关作用机理等尚不甚明了，需要进行更为深入的研究。

 (7)微生物可通过细胞壁的有机官能团与钚发生鳌合作用，也可通过含铁细胞影响钚的形态分布，部分微生物还能通过还原作用使钚还原。因此，地下环境中的微生物与钚的相互作用将使钚形成更多的种态，微生物过程即有助于钚的迁移，也可阻滞钚元素的迁移。

 (8)钚在环境中胶体的形成方式存在2种理论：一种是自身胶体（真胶体），是有钚通过自身逐步的水解和聚合而形成的一类胶体；另外一种为缔合胶体（假胶体），由土壤等风化侵蚀等无机、有机物质吸附钚元素后形成的胶体。钚胶体促进或抑制钚在水溶液中的迁移目前尚无定论。

 (9)钚在地下水环境中的化学行为极其复杂，涉及络合物化学、高分子化学、胶体化学、生物化学等学科。已有的工作成果主要是通过热力学平衡模型或在实验室模拟简单地下水环境中单一介质对钚离子化学行为的影响，而对多种因素联合影响下钚的化学行为研究较少涉及。近年来，随着EXAFS等技术的应用，对放射性污染现场钚离子的化学行为研究也进入

微观层面，使得在分子水平上深入理解实际场地内各种介质与钚离子的相互作用成为可能。

 钚在地下水环境中的化学行为研究并不容易进行，需结合钚的自身特性与特定位点进行相关的研究，持续深入的开展该领域的研究工作无疑是必要的。Maher K等的综述报告中指出，开展钚及其它锕系元素在地下环境中的行为后续研究可以从以下方面进行。

 (1)继续开展锕系元素化学相关模型的研究，并在实验的基础上评价这些理论模型在宏观分析及中间过程分析方面的匹配度。

 (2)结合锕系元素的固有特性及具体的场地特点，深入研究锕系元素的反应动力学及转化路径，预测其最终的环境行为。

 (3)收集更多关于地下水矿物表面锕系元素种态及氧化还原行为的信息。

 (4)开展地下水杂质与锕系元素之间的鳌合作用研究，包括地下水中胶体（如铁氧化物）与锕系元素的共沉淀、诱捕、鳌合作用等。

 (5)研究微生物通过改变锕系元素氧化还原状态形态及生物矿化作用对锕系元素的作用过程。