鴨跖草的鈾富集與耐性特征研究

劉 來，王衛(wèi)紅，張 艷

（西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010）

鈾既是重金屬也是一種核素，具有強烈的毒性［1-3］。我國表層（ 0～20 cm）土壤鈾的平均濃度為3.03 mg/kg［4］，而鈾尾礦庫礦渣及污染土壤的U濃度可達26.11～122.1 mg/kg。鈾礦的開采、冶煉產(chǎn)生的酸、鈾等有毒有害污染物隨地表徑流和地下滲流污染水體及土壤。由于鈾等重金屬不能被生物降解，土壤中的鈾通過食物鏈直接或間接地危害生態(tài)環(huán)境和人類健康［5-6］。1983年，美國科學(xué)家Chaney首次提出植物修復(fù)技術(shù)［7］，相較于傳統(tǒng)的修復(fù)方法，植物修復(fù)技術(shù)具有安全、綠色、經(jīng)濟等獨特的優(yōu)點，根據(jù)其特征和用途分為4種：植物提?。ㄖ参飳⑽廴疚飶耐寥乐腥コ?、植物揮發(fā)（植物將易揮發(fā)的污染物去除）、根際過濾（植物根系從流動的液體中去除污染物）、植物固定（植物將土壤轉(zhuǎn)變?yōu)槎拘暂^低的形式，但不從土壤中去除）。

鴨跖草屬鴨跖草科1年生草本植物［8］，多分布于長江以南，尤以西南地區(qū)為盛，具有重要的藥用觀賞價值和環(huán)境監(jiān)測方面的功能［9-11］。大量研究表明鴨跖草能在銅、鎘污染的礦區(qū)生存。劉小紅等［12］通過水培試驗研究了鴨跖草的富銅及生理響應(yīng)過程，其結(jié)果與束文圣野外調(diào)查實驗結(jié)果相似。張杏鋒［13］通過溫室盆栽實驗發(fā)現(xiàn)，鴨跖草在高濃度Cd 污染（100 mg/kg）下能夠正常生長，生長指標(biāo)等有增加的趨勢。黃德娟等［14］通過野外調(diào)查9種優(yōu)勢草本植物，發(fā)現(xiàn)鴨跖草地上部鈾濃度（130 mg/kg）大于土壤鈾濃度（120 g/kg），為鈾強富集植物。以往研究主要集中在鴨跖草對鎘、銅超富集能力的篩選方面，對于其在不同濃度鈾處理土壤的富集、耐性特征卻鮮為報道。為此，我們通過室內(nèi)盆栽試驗，設(shè)置7個不同濃度的鈾處理，對鴨跖草的富集和耐性特征進行比較系統(tǒng)的研究，并探討將其應(yīng)用于鈾污染土壤修復(fù)的可行性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤為在試驗地點生物質(zhì)材料教育部工程研究中心溫室旁邊農(nóng)田（104°42′E， 31°32′N）取的紫色壤土，其基本理化性質(zhì)為：有機質(zhì)22.8 g/kg，全氮1.5 g/kg，全磷0.56 g/kg，全鉀25.4 g/kg，堿解氮109 mg/kg，有效磷9 mg/kg，速效鉀131 mg/kg，pH 7.4。實驗盆深15.5 cm，上部和底部直徑分別為18.5、13.0 cm。

1.2 評價指標(biāo)

1.2.1 鈾富集評價指標(biāo)

富集系數(shù)BCF=根或地上部（莖葉）鈾濃度/ 土壤中鈾濃度［15-16］

轉(zhuǎn)移系數(shù)TF=植物地上部鈾濃度/植物根系鈾濃度［17］

植物鈾含量=（植物地上部干物質(zhì)鈾含量×地上部干重+植物地下部干物質(zhì)鈾含量×地下部干重）/（地上部干重+地下部干重）

植物鈾積累量=植物鈾含量×植物干重［18］

1.2.2 鈾耐性評價指標(biāo)

耐性指數(shù)TI（%）=（鈾處理生物性狀值/0濃度處理生物性狀值）×100［19-20］

1.3 試驗方法

試驗設(shè)鈾濃度 25、75、125、175、275、375、485 mg/kg和空白對照8個處理，每個處理3次重復(fù)［21-23］，每個重復(fù)1盆。將所取土壤清除雜物，過1.4 cm篩后，按干重每盆2 kg裝土，用飽和持水量法加入對應(yīng)重量的分析純乙酸雙氧鈾，在陰涼處放置8周，使鈾與土壤充分螯合后播種。待鴨跖草植株長出4片真葉，間苗至每盆2株。每5～6 d澆水1次，每次每盆澆水250 mL，保持土壤濕度在田間持水量的20%～30%，各處理一致。

在鴨跖草生長旺盛期8月3日，采用英國Hansatech公司生產(chǎn)的多功能植物效率儀M-PEA對鴨跖草葉片自上往下的第8片葉進行葉綠素?zé)晒鉁y量。10月15日，分地上部分和地下部分收割植物，測量株高、根長，為了盡量避免根部挖掘、測量等方面的誤差影響，本試驗只測量鴨跖草主根的長度［24-25］。將所獲樣品用超純水清洗后放在烘箱中105℃殺青30 min，然后80℃烘至恒重，測量地上、地下部分生物量，分別磨碎后，每份稱取0.15 g左右，加入5 mL分析純硝酸、2 mL 30%雙氧水，用意大利MILESTONE 公司生產(chǎn)的ETHOS UP型微波消解儀消解為液體，在西南科技大學(xué)分析測試中心用美國Agilent 7700 x ICP-MS等離子發(fā)射光譜質(zhì)譜儀測試樣本的鈾含量。試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0統(tǒng)計軟件分析，利用Origin 9.0對其進行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度鈾脅迫鴨跖草生長狀況

在高濃度（≥275mg/kg）鈾脅迫下，鴨跖草葉片泛黃。具體長勢見圖1（封三），株高隨著鈾添加濃度的增加呈現(xiàn)先增加后恢復(fù)正常值，在高濃度485 μg/g脅迫時，達到最低值38.1 cm，明顯低于對照。根系長度隨著鈾添加濃度增加而增加（表1）。鴨跖草地上部、地下部生物量在鈾濃度75 mg/kg時，達到最大值分別為 6.288 g、0.51267 mg（表1、圖 2）。

表1 不同鈾濃度處理鴨跖草的耐性特征

圖2 不同濃度鈾處理鴨跖草地下部生物量

2.2 不同濃度鈾脅迫鴨跖草富集特征

圖3 鴨跖草植株各部分鈾含量

由圖3可知，鴨跖草地上部、地下部鈾濃度和鈾處理濃度基本呈正相關(guān)性，在鈾濃度375 mg/kg時，分別達到最高值541.733、776.497 mg/kg；整株鈾濃度能綜合反應(yīng)植物吸收鈾的能力，隨著鈾處理濃度（≤375 mg/kg）增加，整株鈾濃度呈增長的趨勢，在最高鈾濃度375 mg/kg，達到最大值558.487 mg/kg。本試驗選取地上生物富集系數(shù)和地下部生物富集系數(shù)來衡量鴨跖草富集鈾的能力，由圖4可知，地上生物富集系數(shù)小于1，僅在濃度為275 mg/kg時大于1；地下部生物富集系數(shù)介于1.674～2.56之間，可見鴨跖草地下部具有強富集能力，屬于鈾根際富集植物。TF值反映植物將吸收的鈾從地下器官（根系）轉(zhuǎn)移到地上器官的能力。由圖4可知，轉(zhuǎn)移系數(shù)均小于1，介于0.035～0.698，說明鈾在鴨跖草體內(nèi)的轉(zhuǎn)移能力不理想。整株鈾提取量指的是植物從土壤中移出和富集鈾的總量，其值的大小直接體現(xiàn)植物富集能力的高低。由圖5可知，鴨跖草的整株鈾提取量和鈾處理濃度（≤375 mg/kg）呈正相關(guān)性，在鈾濃度375 mg/kg時，達到最大值2 654.825 mg。

圖4 鴨跖草鈾富集、轉(zhuǎn)移系數(shù)

2.3 不同濃度鈾脅迫鴨跖草耐性特征

圖5 鴨跖草整株鈾提取量

葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化可以在一定程度上反映環(huán)境因子的變化及其對植物的影響［26-27］，隨著光合理論的應(yīng)用于發(fā)展，將更廣泛應(yīng)用于污染檢測、病蟲防治等研究領(lǐng)域。最大光化學(xué)量子產(chǎn)量反映的是當(dāng)光系統(tǒng)Ⅱ全部處于開放狀態(tài)時的量子產(chǎn)量，是葉綠索熒光參數(shù)中應(yīng)用最廣泛、使用頻率最高的一個參數(shù)，反映了植物的潛在最大光合能力［28-29］。如果植物對重金屬脅迫的耐性較低時，植物會呈現(xiàn)葉片枯黃、莖稈腐爛等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響植物地上部分生物量［30-31］。植物根系長度直接反映了重金屬對植物的脅迫程度。根際分泌物和根細(xì)胞壁能對重金屬進行吸收或排斥，從而促進或阻止重金屬離子進一步向地上部分運輸［32］。根系形態(tài)指標(biāo)常常用于評價植物的金屬耐性特征。由于本土壤培養(yǎng)試驗采用播種而非移植方式，所以可以用最長根長度作為評價鴨跖草對鈾的耐性指標(biāo)之一。基于上述分析，本試驗選取最大光化學(xué)量子產(chǎn)量、地上部分生物量、株高、根長4個參數(shù)為生物性狀值，計算其耐性指數(shù)，結(jié)果見表1。運用SPSS 22.0對4個生化指標(biāo)進行方差齊性檢驗，對方差齊性檢驗＞0.05的地上生物量、株高、根長采用Duncan、SNK兩種方法分析比較；而方差齊性檢驗<0.05的最大光化學(xué)量子產(chǎn)量采用 Tamhane、Dunnett T3、Games-Howell（A）、Dunnett C 4種方法分別進行事后檢驗的多重比較，比較結(jié)果顯示不同處理間沒有顯著差異，可見鴨跖草對鈾具有良好的耐受性。

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果與黃德娟等［14］通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)鴨跖草地上部分鈾濃度大于地下部分研究結(jié)果不一致，可能是由于以下原因所致：（1）生長在鈾尾礦庫的鴨跖草經(jīng)過自然選擇，已經(jīng)適應(yīng)了鈾污染環(huán)境；而盆栽試驗采用人工培育的鴨跖草，可能由于品種不同造成植物由地下部分轉(zhuǎn)運到地上部分能力的差異，從而影響到地上部分鈾濃度和轉(zhuǎn)移系數(shù)的大小。（2）一般來說，植物生長旺盛時的最大光化學(xué)量子產(chǎn)量應(yīng)大于0.8，而盆栽試驗所有鴨跖草植株（含0處理）的最大光化學(xué)量子產(chǎn)量均小于0.8，一定程度上顯示盆栽條件也許在溫度、濕度、土壤理化特性等方面不適宜鴨跖草生長，抑制了鴨跖草富集鈾的潛能。

魏樹和等［33］提出的超富集植物判斷標(biāo)準(zhǔn)：（1）臨界濃度特征：地上部分重金屬濃度大于一定的臨界值；（2）轉(zhuǎn)移特征：地上部分的濃度高于地下部分；（3）耐性特征：超富集植物對有毒污染物耐受力高，特別是在生長于受污染土壤時地上部分生物量不明顯下降；（4）富集系數(shù)特征：富集系數(shù)＞1。本研究中鴨跖草轉(zhuǎn)運系數(shù)小于1，不屬于鈾超富集植物。目前對于用于重金屬土壤修復(fù)植物的篩選主要強調(diào)植物地上部分重金屬富集能力和轉(zhuǎn)移能力，從而可能將地下部分富集能力強的植物排除在植物提取的范圍之外。而植物提取的本質(zhì)是利用植物將污染物聚集到體內(nèi)，然后對污染物濃度高的植物進行灰化或消解等集中處理；至于富集污染物的是地上部分還是地下部分，我們認(rèn)為并不是最關(guān)鍵的。雖然地上部分富集能力強的植物，一般地上部分易于收割，而且收割后水土流失相對較小，但地上部分往往會通過腐爛、落葉等途徑使重金屬元素重返土壤，而且地上部分一般體積較大，不利于后續(xù)集中處理［34］。鴨跖草對鈾的富集主要集中在地下部分，其地下部分體積小、易于采集，而且根系不發(fā)達，采集后不容易造成水土流失。在地下生物富集系數(shù)＞1時，鴨跖草可作為植物提取修復(fù)鈾污染土壤的備選植物。

不少學(xué)者針對植物固定修復(fù)備選植物的篩選也開展了研究，陳紅琳［35］通過漢源鉛鋅礦區(qū)重金屬富集植物調(diào)查發(fā)現(xiàn)，蔗茅地下部分富集Pb、Zn能力強，可采用植物固定方式修復(fù)受污染土壤。劉月莉［36］對四川省甘洛縣鉛鋅礦區(qū)植被生態(tài)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，紫鱗苔草地下部濃度4 299 mg/kg，用于土壤中Zn的植物穩(wěn)定和固定。崔爽等［37］對8種植物重金屬的吸收與富集研究發(fā)現(xiàn)，小白酒花、酸模葉蓼、龍葵等轉(zhuǎn)移小數(shù)小于1，地下部重金屬濃度高。以上研究針對固定植物的篩選主要以根部富集重金屬能力強為評價指標(biāo)，而實際上植物固定修復(fù)技術(shù)的備選植物需要具備以下兩個條件：一是植物根部富集、沉淀重金屬能力強，即根際富集；二是根際分泌物的理化性質(zhì)以及根際環(huán)境使重金屬的形態(tài)發(fā)生化學(xué)改變，降低重金屬的毒性效應(yīng)。如果重金屬在植物根部富集后而毒性效應(yīng)并沒有降低，若根部腐爛，有毒重金屬將返回土壤，達不到修復(fù)污染的目的，因此需要開展對根際富集植物的根際理化特征以及對根際周圍環(huán)境的研究。張樹金［38］通過對華中蹄蓋蕨鎘的耐性生理機制研究發(fā)現(xiàn)，通過改變根際環(huán)境pH值，從而降低了鎘的活性，證明了華中蹄蓋蕨具備穩(wěn)定修復(fù)植物的能力。

鴨跖草地下部富集鈾能力強，屬于根際富集植物。對于根際富集植物如何應(yīng)用于污染修復(fù)的問題，我們認(rèn)為有兩種途徑：（1）對于地下部分體積小、便于采集的根際富集植物，如果采集后對水土流失、污染物擴散的風(fēng)險小，可以考慮將其采集后進行集中處理，即用于植物提取。（2）進一步研究根系分泌物以及根際周圍土壤環(huán)境，如經(jīng)根際富集后，重金屬的活性降低或毒性減弱，才可用于植物固定。

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