一種新的鍶超積累植物——串葉草

賴捷 邱孟琦 成建峰 冷陽春 庹先國

摘要 [目的]篩選適合污染區(qū)生長的超積累植物。[方法]采用野外采樣法，以國內某核設施退役廠放射性污染區(qū)域為研究對象，測定了該區(qū)優(yōu)勢植物（共9科17種）和土壤中的137Cs、90Sr放射性含量，并進行了篩選與田間修復試驗。[結果]污染區(qū)土壤137Cs和90Sr放射性含量的最大值分別為5.06×106和3.29×104 Bq/kg，均超過國際規(guī)定活度限值；菊科串葉草對137Cs的富集和轉移系數均小于1.00，而對90Sr的富集和轉移系數分別是3.25和2.95，均大于1.00；串葉草具備90Sr超積累植物特征且能修復土壤中5.9%的90Sr，可推薦串葉草對90Sr的污染土壤進行修復處理。[結論]首次發(fā)現并證實菊科串葉草是一種90Sr超積累植物，為開展污染區(qū)域修復治理工作提供參考。

關鍵詞 銫-137；鍶-90；放射性污染；植物修復技術；富集性能

Silphium perfoliatum：A New Hygrophyte with Strontium Hyperaccumulator Properties

LAI Jie1，QIU Meng-qi2，CHENG Jian-feng2，TUO Xian-guo3* et al

（1.Laboratory of National Defense for Radioactive Waste and Environmental Security， Southwest University of Science and Technology， Mianyang， Sichuan 621010；2.College of Nuclear Technology and Automation Engineering， Chengdu University of Technology， Chengdu， Sichuan 610059；3.College of Chemistry and Environmental Engineering， Sichuan University of Science&Engineering， Zigong， Sichuan 643000）

Abstract [Objective] The aim was to screen out hygrophyte with hyperaccumulator properties which could grow in pollution area.[Method] The field sampling method was adopted.On the basis of a nuclear facility decommissioning domestic factory， the content of 137Cs and 90Sr was determined in both dominant species （17 species， 9 families） and soil in polluted areas，and dominant species screening and phytoremediation tests were carried out.[Result] It was demonstrate that Silphium perfoliatum was a kind of 90Sr-hyperaccumualtor， and the maximum contents of 137Cs and 90Sr were 5.06×106 Bq/kg and 3.29×104 Bq/kg respectively， which were both above the maximum values of international regulations.The screening tests indicated that the enrichment and the transfer coefficience to 137Cs of Silphium perfoliatum were both below 1.00， while the coefficience to 90Sr were 3.25 and 2.95 respectively， which were both above 1.00.Silphium perfoliatum had the characteristic of 90Sr-hyperaccumualtor and was able to remedy 5.9% of 90Sr in the soil.[Conclusion] So Silphium perfoliatum can achieve the phytoremediation of contaminated soil with 90Sr， which can provide reference for the repair work of pollution area.

Key words 137Cs；90Sr；Radioactive contamination；Phytoremediation technology；Enrichment of performance

137Cs和90Sr是235U的裂變產物，由核設施退役、核燃料的生產與加工過程產生。137Cs可輻射β和γ射線，90Sr可釋放高能β粒子，由于放射性物質會漂浮于空氣中或沉降在土壤里，對食物鏈各級生命體造成潛在的照射危害，如果放射性物質劑量超標，將會對生物的生存環(huán)境造成巨大的威脅[1]，嚴重影響人類的健康[2]。由蘇聯的切爾諾貝利核事故可以看出，放射性核素90Sr、137Cs會對環(huán)境造成持久危害[3]。針對放射性污染如何治理，目前已進行大量的研究，例如常規(guī)的移土法[3]、客土法[4]、離子交換法[5]、氧化-還原法[6]等放射性污染治理方法，這些方法因成本高、易破壞土壤結構等缺點使其應用范圍有限，但生物修復卻因低成本、低擾動等特點而備受關注[7]。如何開發(fā)一種環(huán)境友好、經濟上可行的技術來治理被放射性污染的土壤，已成為國內外研究工作者關注的焦點。目前，我國對放射性污染的植物修復技術研究還僅限于室內90Sr和137Cs超積累植物的篩選及植物轉移機理的探究，缺乏田間大規(guī)模的植物修復經驗[8]。

2.2 137Cs和90Sr在土壤-植物中的富集和轉運特征

2.2.1 不同科目植物對137Cs和90Sr的富集和轉運特征。

由圖2可知，不同科目植物對137Cs和90Sr的富集能力不同。9科目植物的富集系數均小于1.00，菊科植物對137Cs表現出較高的富集能力，富集系數為0.43；其次表現出較高富集能力的是豆科植物，而其他8科目植物的富集系數均低于0.08。茄科、藜科和禾本科植物對90Sr的富集系數均小于1.00，其余6種科目植物90Sr的富集系數大于1.00，說明植物地上部分吸收核素含量高于土壤中核素含量，其中菊科植物的富集系數最高為6.16，即菊科植物對90Sr有較高的富集能力。

由圖3可知，菊科植物137Cs和90Sr的轉移能力均高于其他5科植物。不同科目植物對137Cs的轉移系數均小于1.00，但菊科植物和豆科植物的轉移系數高于其他科目植物約1個數量級。除禾本科植物對90Sr的轉移系數最低外，其余5科植物的轉移系數均大于1.00，其中菊科植物表現出超強的轉運能力，轉移系數為4.36。

2.2.2 不同植物對137Cs和90Sr的富集和轉運特征。

由圖4可知，串葉草對137Cs富集系數最高為0.31，其次是苜蓿和向日葵，且都高于其余植物約1個數量級。同時，其余14種植物的富集系數平均值為0.03。串葉草對90Sr的富集系數要遠高于137Cs，對90Sr的富集系數為3.25，其中串葉草富集系數高于玉米、小麥和蠶豆等富集能力相對較低的植物約2個數量級。同時也發(fā)現夾竹桃、益母草、苜蓿、籽粒覓、白菜、白三葉和向日葵對90Sr的富集系數均高于1.00，表現出良好的富集能力，但均低于串葉草。

試驗采集了玉米、馬鈴薯、菠菜等9種植物的地上部分，未采集地下根部部分。由圖5可知，不同植物對90Sr的轉移系數明顯高于137Cs的轉移系數，約1個數量級。其中，串葉草對137Cs的轉移系數最高為0.47，與富集系數分析結果相一致，籽粒覓、高羊茅和白三葉對137Cs的轉移系數最低，其余植物富集系數均在0.03～0.24；除高羊茅和白三葉外，其余6種植物對90Sr的轉移系數均都高于1.00，其中串葉草對90Sr的轉移能力最強，轉移系數為2.95，益母草對90Sr的轉移系數為2.69，低于串葉草。

2.3 串葉草對137Cs和90Sr污染土壤的修復

前文從不同科目植物分析出本地9科17種植物的富集和轉移能力，綜合上述分析結果得出，菊科串葉草對137Cs和90Sr的富集和轉移能力表現出明顯的優(yōu)勢。串葉草為菊科植物，屬多年生宿根植物，原產于北美，具有產量高、適應性廣、耐寒、易繁殖和抗病力強等優(yōu)點，且在污染區(qū)內生物量大、耐受性強，另外根深也滿足吸附要求。因此，在本地優(yōu)勢植物中，選取串葉草作為治理137Cs、90Sr污染土壤的超積累植物。通過比較種植前、后土壤中放射性核素含量的變化，判斷在污染區(qū)是否適宜開展植物種植修復污染土壤的技術研究。

由圖6可知，種植前后污染土壤中137Cs的放射性含量從12 100 Bq/kg降至11 878 Bq/kg，降低2.0%，90Sr的放射性含量從8 680 Bq/kg降至8 167 Bq/kg，降低5.9%。

3 討論

植物對核素的吸收不僅受植物科屬、土壤性質的影響，還受植物與土壤相互作用的影響[19]。不同科、屬植物對137Cs和90Sr的積累能力存在極大的差別[20]。放射性核素137Cs和90Sr的積累主要集中在覓科、藜科和菊科[21-23]，如Fuhrmann等[24]發(fā)現覓科反枝莧對137Cs和90Sr的富集作用大；趙文虎等[21]研究14科169種植物對90Sr和10科28種植物對137Cs的富集能力，得出茄科、藜科等植物對放射性核素表現出強吸收能力；Broadley等[25]和楊俊誠等[22]分別發(fā)現藜科的甜菜、菊科的向日葵對137Cs和90Sr也具有很強的富集能力。積累放射性核素的植物往往集中于特定的科屬內，而且許多特定科屬的積累和超積累植物還尚未被開發(fā)。該研究通過對137Cs和90Sr污染區(qū)內的9科17種優(yōu)勢生長植物開展富集和轉移性能的研究，得出菊科植物對137Cs和90Sr積累能力要高于其他科目植物，其中菊科串葉草的積累能力最為突出。串葉草對90Sr的富集系數和轉移系數要高于37Cs，分別為3.25和2.95，表現出超積累植物所具備的特征。聞方平等[26]報道蘇丹草對Sr的富集系數為1.2，轉移系數為0.5。此外，張曉雪等[27]報道菊科孔雀草和豆科蠶豆對Sr的富集系數分別為2.03和1.22，苕子、豌豆、地被菊、油菜、瓜葉菊、金盞菊等其余植物對Sr的轉富集數均小于1.00，但在該研究中，蠶豆的富集系數為0.01。同時，任少雄等[28]報道的芥菜對Sr的富集系數在0.10～1.80，蘿卜對Sr的轉移系數為1.20，向日葵和芥菜的轉移系數均小于1.00，該研究中，向日葵的轉移系數為1.41。

通過篩選對比，研究9科17種植物對137Cs和90Sr的積累性能，菊科串葉草表現出超級累植物特征。串葉草對137Cs的富集系數為0.31，轉移系數為0.47，均小于1.00，積累能力要弱于90Sr；串葉草對90Sr的富集和轉移系數均大于1.00，分別為325和2.95，遠高于其他植物。從利用串葉草對研究區(qū)污染土壤修復試驗得出，串葉草可降低土壤中2%的137Cs和59%的90Sr，與Fuhrmann等[24]利用反枝莧可清除土壤中21%的137Cs和4.5%的90Sr相比，對137Cs而言，串葉草修復效率低于反覓枝，但對90Sr的修復效率卻明顯高于反枝覓。另外，與串葉草同為菊科植物的向日葵和白菜對137Cs和90Sr的積累性能也明顯高于其他測試植物，同時也高于上述報道植物，但與串葉草相比，積累性能則低很多。

4 結論

針對國內某核設施退役廠內受放射性核素137Cs和90Sr污染土壤，通過篩選研究污染區(qū)內自然生長的9科17種優(yōu)勢植物對137Cs和90Sr的富集、轉移特性，得出以下結論：①不同科目植物對137Cs和90Sr的富集和轉移性能存在很大差異，其中菊科植物對土壤中137Cs和90Sr的富集和轉移能力明顯高于其他8科目植物；②相同科目植物對137Cs和90Sr的富集和轉移性能也有所不同，菊科串葉草對137Cs和90Sr的富集和轉移能力明顯高于向日葵、白菜和萵筍等同科目植物；③串葉草137Cs的富集和轉移能力均小于1.00，但對90Sr的富集和轉移系數分別為3.25和2.95，均大于1.00，對90Sr具有較高的富集和轉移能力，田間種植串葉草可降低土壤中5.9%的90Sr。串葉草是潛在的90Sr超耐受性和超積累植物，對90Sr富集和轉移機理還需進一步驗證。

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