莧菜、小麥和玉米對(duì)銫的吸收和積累差異

陳 梅，安 冰，唐運(yùn)來*

(1西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽621010;2西南科技大學(xué)核廢物與環(huán)境安全國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽621010)

隨著核工業(yè)的發(fā)展和核技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人類生態(tài)環(huán)境中核素的本底值不斷增加。環(huán)境中的放射性核素會(huì)通過植物、微生物和動(dòng)物等傳遞轉(zhuǎn)移進(jìn)入人體，從而對(duì)人類健康造成危害[1]。137Cs作為銫的同位素之一，被認(rèn)為是最危險(xiǎn)的核素之一。銫作為鉀的營(yíng)養(yǎng)類似物而容易被植物吸收，進(jìn)入食物鏈，從而對(duì)人類健康產(chǎn)生危害[2]。生物修復(fù)技術(shù)被認(rèn)為是清除環(huán)境中放射性核素污染的有效途徑之一[3，4]。銫污染土壤植物修復(fù)技術(shù)研究主要集中在對(duì)銫超富集植物的篩選[5～7]和對(duì)影響銫污染土壤植物修復(fù)環(huán)境因素[8～10]的研究?jī)煞矫?。不同科、屬、種的植物和同種植物的不同器官，以及植物的不同發(fā)育時(shí)期，對(duì)銫的吸收富集均存在很大的差異[11～15]。藜科和莧科植物對(duì)銫具有較強(qiáng)的吸收富集能力，而禾本科水稻對(duì)銫的富集能力較低[5]。植物對(duì)放射性137Cs和其穩(wěn)定性同位素133Cs的吸收積累特性無顯著差異[16]，因此，可以用穩(wěn)定性同位素代替放射性同位素來研究植物對(duì)銫的吸收分布差異。小麥和玉米是中國的主要糧食作物，它們對(duì)銫的吸收富集能力尚鮮見報(bào)道。筆者研究莧菜、小麥和玉米對(duì)不同濃度銫的動(dòng)態(tài)吸收富集差異，旨在為進(jìn)一步揭示銫污染的生物效應(yīng)和提高銫污染植物修復(fù)技術(shù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

供試植物莧菜(紅莧菜)、小麥(西科麥3號(hào))和玉米(川單25號(hào))均為四川地方主栽品種。用石英砂和Hoagland營(yíng)養(yǎng)液在溫室里進(jìn)行盆栽培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度為23～25℃，光周期為10 h。3葉期開始向營(yíng)養(yǎng)液里添加不同濃度 CsCl(0、0.5、1.0、5.0、10.0、20.0 mmol/L)，每隔3 d添加1次，在處理后第7、14、21、28天分別采樣，進(jìn)行指標(biāo)測(cè)定。每處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。

1.2 銫含量、富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的測(cè)定

將莧菜、小麥和玉米樣品的根、莖、葉分開，于75℃烘干至恒重，用A11分析研磨機(jī)研細(xì)后，取干粉0.1 g作為待測(cè)樣品。采用濕法(HNO3－HClO4)硝解，用美國PE AA700型原子吸收光譜測(cè)定銫含量。分析條件為:波長(zhǎng)852.1 nm;燈電流10 mA;光譜通帶0.2 nm;助燃?xì)鉃榭諝猓?7 L/min;燃?xì)鉃橐胰玻? L/min;測(cè)量方式為AAS;背景扣除方式為賽曼方式。

富集系數(shù) =根、莖、葉中銫的含量(干重，g/kg)/營(yíng)養(yǎng)液中銫的含量(干重，g/L)。

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=莖或葉中銫的含量(干重，g/kg)/根中銫的含量(干重，g/kg)。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

用軟件Excel和SPSS 11.5對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 莧菜、小麥和玉米的銫含量

從表1可看出，莧菜、小麥和玉米的根、莖、葉中和整株植物中銫的含量均隨著銫處理濃度的增加和處理時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著增加，在20 mmol/L銫濃度下處理28 d時(shí)均達(dá)到最大值。與0.5 mmol/L銫濃度下處理7 d相比，20 mmol/L銫濃度下處理28 d時(shí)莧菜根、莖、葉和整體植株中的銫含量分別為其34.1、31.5、22、26.9 倍，玉米分別為 38.9、24、9.6、25.3 倍，小麥分別為314.2、408.2、364.7、346.3 倍。在所有處理濃度和所有處理時(shí)間下，莧菜根、莖、葉和整株植物中銫的含量均顯著高于小麥和玉米。在銫處理濃度低于1 mmol/L和處理時(shí)間小于14 d的情況下，小麥根、莖、葉中和整株植物中的銫含量低于玉米中的含量，但隨處理濃度的增加和處理時(shí)間的延長(zhǎng)，尤其是銫處理濃度為5 mmol/L以上，處理時(shí)間超過14 d時(shí)，小麥根、莖、葉中和整株植物中的銫含量均顯著大于玉米中的含量。從表1還可以看出，莧菜、小麥和玉米的不同器官對(duì)銫的吸收富集存在顯著差異。就莧菜而言，不同處理濃度和不同處理時(shí)間下均為葉片中銫的含量最高，莖次之，而根中銫的含量最低;就小麥和玉米而言，根卻是銫的主要富集器官，不同處理濃度和不同處理時(shí)間下，銫含量均表現(xiàn)為根、莖、葉依次減小。

表1 不同銫處理莧菜、小麥和玉米中的銫含量(mg/kg)

2.2 莧菜、小麥和玉米對(duì)銫的富集系數(shù)

由表2可見，3種植物根、莖、葉和整體植株的富集系數(shù)均與銫處理時(shí)間呈正相關(guān)，在處理后28 d時(shí)達(dá)到最大值。但3種植物的富集系數(shù)與處理濃度間關(guān)系不同。就莧菜而言，根、莖、葉和整體植株對(duì)銫的富集系數(shù)均隨銫處理濃度的增加而顯著下降;就玉米而言，根的富集系數(shù)隨著處理濃度的增加而顯著下降，而莖、葉的富集系數(shù)在處理后7 d時(shí)隨著處理濃度的增加而顯著下降，且處理時(shí)間延長(zhǎng)，變化不顯著;就小麥而言，根和莖的富集系數(shù)隨處理濃度的增加而顯著上升，葉的富集系數(shù)在處理后7 d和14 d時(shí)隨處理濃度的增加而顯著上升，但在處理后21 d和28 d時(shí)無顯著變化。莧菜的根、莖、葉和整體植株的富集系數(shù)在0.5 mmol/L下處理28 d時(shí)達(dá)到最大值;玉米根、莖和整體植株的富集系數(shù)在0.5 mmol/L下處理28 d時(shí)達(dá)到最大值，而葉在0.5 mmol/L下處理7 d時(shí)達(dá)到最大值;小麥根、莖、葉的富集系數(shù)均在20 mmol/L下處理28 d時(shí)達(dá)到最大值。以上結(jié)果表明，在0.5 mmol/L下處理28 d時(shí)，莧菜整體植株對(duì)銫的富集系數(shù)是小麥的41.2倍，是玉米的52.1倍，說明莧菜對(duì)銫的富集能力極顯著高于玉米和小麥。

表2 莧菜、小麥和玉米對(duì)銫的富集系數(shù)

2.3 莧菜、小麥和玉米對(duì)銫的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

由表3可見，在所有處理濃度和處理時(shí)間下，莧菜莖葉的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于小麥和玉米莖葉的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，而且莧菜葉片的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)也顯著高于莖的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，說明莧菜富集的銫主要集中在地上部分的莖和葉片。小麥和玉米莖和葉的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)小，吸收的銫主要分布在根部。在處理后7 d和14 d，小麥莖、葉的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)低于玉米莖、葉的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，但在處理后28 d，小麥莖、葉的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)顯著高于玉米莖、葉的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)。在同一處理濃度下，莧菜葉片的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)隨處理時(shí)間的增加而顯著下降，但在相同的處理時(shí)間下，不同濃度下轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的變化規(guī)律不明顯;莧菜莖的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)在不同處理濃度和不同處理時(shí)間下無規(guī)律性變化。小麥和玉米莖葉的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)在不同處理濃度和不同處理時(shí)間下均無規(guī)律性變化。

表3 莧菜、小麥和玉米對(duì)銫的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

(續(xù)表3)

2.4 莧菜、小麥和玉米在不同銫處理下的生物量和根冠比

由表4可見，隨著處理濃度的增加，莧菜、小麥和玉米的地下部分和地上部分生物量均顯著降低，尤其是高濃度銫處理顯著抑制3種植物的正常生長(zhǎng)。與對(duì)照相比，20 mmol/L銫濃度下，莧菜、玉米和小麥地下部分的生物量分別下降了79.3%、41.4%和57.5%，地上部分生物量分別下降了84.6%、68.3%和70%。另一方面，隨著處理濃度的增加，3種植物的根冠比顯著增加，同對(duì)照相比，20 mmol/L處理濃度下，莧菜和玉米的根冠比分別增加了33.3%和43%，小麥根冠比的增加幅度尤其明顯，比對(duì)照增加了1倍。

表4 20 mmol/L銫處理28 d后莧菜、小麥和玉米的生物量和根冠比

3 結(jié)論與討論

目前，比較有潛力的對(duì)銫污染土壤進(jìn)行生物修復(fù)的植物主要是藜科、莧科或菊科[4～6]植物。莧科的反枝莧對(duì)放射性銫的吸收能力特別強(qiáng)，是一種很有效的放射性銫積累植物[5]。莧科植物的生物富集系數(shù)多為0.3～2.03[6]，籽粒莧對(duì)134Cs的富集系數(shù)為2.20～3.22，莧菜對(duì)134Cs的富集系數(shù)為2.41～2.79[13]。以上研究均表明莧科植物對(duì)銫具有較高的吸收富集能力。本研究結(jié)果表明，紅莧菜在0.5、1 mmol/L銫處理1周后，對(duì)銫的富集系數(shù)分別為2.85和2.39，這與已有的報(bào)道基本一致，但隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，紅莧菜對(duì)銫的吸收富集能力顯著增加，另一方面隨著處理濃度的增加，富集系數(shù)顯著減小。在低于1 mmol/L的銫濃度處理下，紅莧菜對(duì)銫的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)非常高，且生物量幾乎不受影響，維持在一個(gè)較高水平，但在高濃度銫處理下，富集系數(shù)和生物量都極顯著下降。因此，對(duì)于環(huán)境介質(zhì)中的低濃度銫污染，紅莧菜可能是一種非常理想的修復(fù)植物，但無法用莧菜對(duì)高濃度銫污染進(jìn)行治理。

植物對(duì)核素的富集系數(shù)受多種因素影響[8]，隨著核素濃度的增加，富集系數(shù)顯著減小[8，10，16]。這可能是由于植物通過多種離子通道和載體對(duì)銫進(jìn)行吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。本研究中，莧菜和玉米的根、莖、葉對(duì)銫的富集系數(shù)均隨著處理濃度的增加而顯著下降。植物在遭受逆境時(shí)其形態(tài)結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生變化，一個(gè)常見的變化就是根冠比會(huì)顯著增加[17，18]。本研究結(jié)果表明，隨著處理濃度的增加，莧菜、小麥和玉米的根冠比均顯著增加，小麥的增加幅度顯著大于莧菜和玉米，這可能是小麥根系富集系數(shù)在高濃度銫脅迫下顯著上升的一個(gè)重要原因，因?yàn)樾←溚ㄟ^增加根冠比，相對(duì)提高了根部對(duì)銫的吸收富集能力。此外，小麥體內(nèi)有可能還存在一些特殊的對(duì)銫吸收轉(zhuǎn)運(yùn)和耐受的機(jī)理，從而使小麥對(duì)銫的富集能力在高濃度銫脅迫下不下降反而顯著增加，其具體機(jī)理有待研究。

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