薺菜對土壤中鍶(Sr)的吸收和富集

程禹敏，蒯琳萍

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院核科學(xué)與工程學(xué)院，上海200240)

鈾礦的開采、核武器制造、核試驗(yàn)、放射性同位素的生產(chǎn)應(yīng)用、核廢料、核事故等所產(chǎn)生的人工放射性核素對環(huán)境造成了難以治理的放射性污染。這些人工放射性核素通過擴(kuò)散、遷移、轉(zhuǎn)化等途徑進(jìn)入土壤生態(tài)環(huán)境，在土壤中積累，并最終對人類健康產(chǎn)生各種影響［1－2］。人類的生存和發(fā)展離不開土壤，受放射性核素污染的土壤不僅浪費(fèi)了人類的土壤資源，而且也給人類健康帶來了威脅。因此，采用合理的修復(fù)技術(shù)對受放射性核素污染的土壤進(jìn)行修復(fù)具有重大意義。其中，被認(rèn)為是綠色修復(fù)技術(shù)的植物修復(fù)技術(shù)在土壤放射性污染修復(fù)領(lǐng)域引起了人們極大的興趣和關(guān)注。土壤放射性污染的植物修復(fù)就是通過在污染土壤中種植植物，利用植物根系吸收水分和養(yǎng)分的過程來吸收土壤中的污染核素，最后將收獲的植物進(jìn)行統(tǒng)一處理以達(dá)到清除核素、修復(fù)土壤目的的修復(fù)技術(shù)［3］。

由于涉及到植物生長，受氣候條件、土壤性質(zhì)等影響，植物修復(fù)研究中使用較多的表征植物對核素富集能力的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)等并不固定，即使是同種植物對同一核素的富集能力，國內(nèi)外不同研究的結(jié)果差異較大［4］。例如，莧菜的Sr富集系數(shù)，裘同才等的研究結(jié)果較高［5－6］，而唐永金等的則較低［7］。目前，對我國華東地區(qū)大面積低放射性污染土壤的植物修復(fù)研究較少。華東地區(qū)一帶有不少核電站在運(yùn)行，無論從事故后還是退役后土壤修復(fù)的角度出發(fā)，在華東地區(qū)開展大面積低放射性污染土壤的植物修復(fù)研究都具有重要意義。

土壤放射性的主要來源是核試驗(yàn)的沉積物以及核電站事故釋放的進(jìn)入土壤中的放射性核素，而90Sr在裂變產(chǎn)物中產(chǎn)額較高。另外90Sr屬于高毒性核素，半衰期長達(dá)28.1年［8］，與營養(yǎng)元素鈣(Ca)同族而具有相似的化學(xué)生物性質(zhì)，是植物最容易吸收的放射性核素［9］，進(jìn)入人體后危害較大。因此本研究以Sr為例進(jìn)行研究。

雖然國內(nèi)外學(xué)者們認(rèn)為“能富集放射性銫(Cs)的植物往往能富集鉀(K)，對Ca吸收的植物可能吸收土壤中的放射性Sr”［10］。但是，鮮有研究者據(jù)此選擇Ca吸收能力強(qiáng)的植物進(jìn)行Sr植物修復(fù)研究，但有Fuhrmann等選擇菜豆這種鈣吸收能力強(qiáng)的豆科植物［11］。薺菜是我國較受歡迎的野菜品種，其在上海經(jīng)人工栽培已成為當(dāng)?shù)赜忻奶貎?yōu)蔬菜之一。薺菜Ca含量較高［12－13］，是有名的“補(bǔ)鈣小能手”，而且其生長周期短，可以一次播種，多次采收［14］。因此Ca含量高的薺菜可能較為適合修復(fù)土壤中的Sr，且有望通過1年內(nèi)多次采收來提高修復(fù)效率。

本研究擬用溫室內(nèi)盆栽土培的方法，研究不同土壤有效Sr濃度下薺菜對Sr的富集能力，探討薺菜修復(fù)土壤Sr污染的可行性，為我國華東地區(qū)大面積低放射性污染土壤的植物修復(fù)研究提供一定的研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

研究表明，植物對放射性核素及其穩(wěn)定性同位素的吸收并沒有選擇性［15－16］。因此，本試驗(yàn)用非放射性鍶(88Sr)代替放射性Sr，具體施加形式為分析純Sr(NO3)2。

鑒于植物修復(fù)實(shí)際應(yīng)用可能會進(jìn)行土壤改良，且本試驗(yàn)為先期基礎(chǔ)研究，故暫不考慮可能有差異的實(shí)際可能污染地點(diǎn)的土壤性質(zhì)，進(jìn)而選取上海交通大學(xué)閔行校區(qū)的土壤［有機(jī)基質(zhì)(N+P2O5+K2O≥2%，有機(jī)質(zhì)≥40%)］和黃沙于通風(fēng)避光處自然風(fēng)干，剔除雜物并搗碎過篩，按6∶3∶1的質(zhì)量比混勻，表1為其主要性質(zhì)參數(shù)。

表1 試驗(yàn)土壤主要性質(zhì)參數(shù)

薺菜品種為大葉薺菜，生長期40 d左右，購買自上海農(nóng)樂種植有限公司。試驗(yàn)所用塑料花盆底部開孔帶托盤，規(guī)格為盆口直徑22 cm、盆高19 cm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用盆栽土培的方式，自2016年10月1日開展于玻璃智能溫室內(nèi)。

根據(jù)華東地區(qū)中的土壤Sr含量——A層土壤最大值為329 mg/kg(山東)［17］以及試驗(yàn)土壤有效 Sr含量為81.7 mg/kg，試驗(yàn)將Sr施加的濃度設(shè)置為5組:0(人為不添加)、40、80、160、320 mg/kg，每組設(shè) 3 個(gè)重復(fù)(1 個(gè)重復(fù)為 1盆)。之所以設(shè)置如此高的濃度，是因?yàn)槿缜八?，植物對放射性核素及其穩(wěn)定性同位素的吸收并沒有選擇性。因此，用植物修復(fù)土壤中的放射性Sr還需要考慮土壤中穩(wěn)定性Sr含量的影響。

種植的田地一般在種植前翻耕 15 ～ 20 cm［11，15，18－19］，這樣會使得核素在這15～20 cm的表層土上得以較為均勻地分布?？紤]到應(yīng)用植物修復(fù)大面積放射性污染土壤時(shí)，種植植物前也可能會進(jìn)行上述翻耕，所以試驗(yàn)時(shí)每個(gè)花盆裝干土3 kg，使土深17 cm左右，按前述Sr施加濃度分組，將相應(yīng)量的Sr(NO3)2溶于水中，與土壤充分混勻，再播種。每盆播種10粒種子，出苗后留下長勢好、個(gè)體大小一致的3株薺菜繼續(xù)試驗(yàn)，其余拔掉放在土壤上讓其自行分解。

土培過程中視土壤含水量情況澆水。出苗后20、30、60 d每盆分別收獲1株植物，每株植物分成根、莖、葉3個(gè)部分。

1.3 分析測試

收獲的植物先后用清水、去離子水清洗，并用吸濕紙吸去植物表面水分。再放置于烘箱內(nèi)，在105℃下殺青30 min，然后在80℃下烘干至恒質(zhì)量，繼而分別測量植物根、莖、葉干質(zhì)量。

烘干至恒質(zhì)量的植物樣品先用馬弗爐在650℃下灰化1 h，然后用濃硝酸－高氯酸混合酸(體積比4∶1)消解，最后用ICP－AES測量其Sr含量，每個(gè)樣品重復(fù)測量3次，結(jié)果表示為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”。

1.4 數(shù)據(jù)處理

核素含量［4，20］，指單位質(zhì)量的植物干物質(zhì)中核素的含量。轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(translocation factor，簡稱 TF)［21－23］，指植物地上部核素含量與根部核素含量的比值，其反映了核素在植物內(nèi)的轉(zhuǎn)移及分配情況。TF越大，說明植物將核素從根部轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部的能力越強(qiáng)。富集系數(shù)(enrichment coefficient，簡稱EC)［23－24］，指單位質(zhì)量的植物干物質(zhì)中某核素的含量與土壤中該核素原含量的比值。另外，本研究特地引進(jìn)“核素富集總量”的評價(jià)指標(biāo)，即植物吸收的核素總量，是植物從土壤中去除的核素的絕對量，理應(yīng)是評價(jià)植物修復(fù)效果的重要指標(biāo)。

數(shù)據(jù)分析采用 Microsoft Excel 2013，并采用 IBM SPSS Statistics 22進(jìn)行單因素方差分析和Duncan's多重比較。作圖由Microsoft Word 2013完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 薺菜生長特性

由圖1、圖2和圖3可知，在相同種植時(shí)間下，隨著Sr處理濃度增大，薺菜根、莖、葉3個(gè)部位的生物量大體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。其中，在80 mg/kg Sr處理下，薺菜達(dá)到最大生物量。由此可見，適宜的土壤Sr濃度能促進(jìn)薺菜的生長，而土壤Sr濃度過高則會抑制薺菜的生長，但在試驗(yàn)條件下未出現(xiàn)明顯病變。在相同的Sr處理濃度下，隨著種植時(shí)間的延長，薺菜的生物量也增加，其中葉部生物量增加速率最高。

另外根據(jù)試驗(yàn)過程中的觀察，薺菜在發(fā)芽出苗時(shí)期生長較慢，而在生長后期生長速率較快。不同濃度的Sr處理對薺菜的這一生長規(guī)律并沒有明顯影響。

2.2 薺菜Sr吸收和分布特性

由表2、表3和表4可知，在相同的種植時(shí)間下，隨著Sr處理濃度的增大，薺菜根、莖、葉3個(gè)部位的Sr含量均增加。且根、莖、葉3個(gè)部位的Sr含量基本表現(xiàn)為莖＞葉＞根。在相同的Sr處理濃度下，隨著種植時(shí)間的延長，薺菜根、莖、葉3個(gè)部位的Sr含量增加。

在相同的種植時(shí)間下，隨著Sr處理濃度的增大，薺菜莖、葉的TF大體上呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，這說明土壤Sr濃度對薺菜的Sr轉(zhuǎn)運(yùn)能力有一定影響，大體上來說是中等土壤Sr濃度情況下，薺菜的Sr轉(zhuǎn)運(yùn)能力更高。在相同的Sr處理濃度下，隨著種植時(shí)間的延長，薺菜莖、葉的TF沒有明顯的變化規(guī)律，這表明長時(shí)間的Sr處理對薺菜的Sr轉(zhuǎn)運(yùn)能力影響并不大，薺菜可能具有較好的Sr耐受性。

2.3 薺菜Sr富集特性

表3 30 d后薺菜Sr吸收和分布情況

表4 60 d后薺菜Sr吸收和分布情況

表5 20 d后薺菜Sr富集情況

由表5、表6和表7可知，在相同的種植時(shí)間下，隨著Sr處理濃度的增大，薺菜根、莖、葉3個(gè)部位的Sr富集總量大體上增大。且根、莖、葉3個(gè)部位的Sr富集總量表現(xiàn)為葉＞莖＞根。在相同的Sr處理濃度下，隨著種植時(shí)間的延長，薺菜根、莖、葉3個(gè)部位的Sr富集總量增大。

在相同的種植時(shí)間下，隨著Sr處理濃度的增大，薺菜根、莖、葉3個(gè)部位的EC增大。且根、莖、葉3個(gè)部位的Sr富集系數(shù)基本表現(xiàn)為莖＞葉＞根，而且均大于唐秀歡等導(dǎo)出的90Sr超富集植物的最低EC值0.86［25］。相同Sr處理濃度下，隨著種植時(shí)間的增長，薺菜根、莖、葉3個(gè)部位的Sr富集系數(shù)也增大。

由于薺菜葉部生物量大，因此其Sr富集總量也大，但是其EC大部分情況下低于薺菜莖部的EC。

3 討論

本研究表明，適宜的土壤Sr濃度能促進(jìn)薺菜的生長，而土壤Sr濃度過高則會抑制薺菜的生長。這與現(xiàn)有研究的Sr對其他一些植物的生長影響相似［26］。根據(jù)與薺菜同屬的油菜、白菜的研究結(jié)果，Sr對薺菜生長的影響可能是Sr對薺菜光合作用、氧化酶系統(tǒng)和脂質(zhì)過氧化作用產(chǎn)生了影響，即低濃度的Sr處理可能提高了薺菜的葉綠素含量，從而促進(jìn)了光合效率，提高了抗氧化酶系統(tǒng)的活性并降低了脂質(zhì)過氧化作用［26－29］。

表6 30 d后薺菜Sr富集情況

表7 60 d后薺菜Sr富集情況

植物修復(fù)的關(guān)鍵是找到合適的超富集植物。超富集植物的定義源于重金屬的植物修復(fù)研究，是指植物地上部分累積核素的量較一般植物高10～500倍的植物［30－32］。但是在放射性核素的植物修復(fù)領(lǐng)域由于研究較少，對此還沒有定論。目前，對放射性核素的超富集植物在富集能力上的要求是:對放射性核素吸收能力強(qiáng)，而且最好是地上部分積累，即EC較高且 TF＞1［33－34］。本研究中，薺菜的 Sr轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)都大于1，而且隨著種植時(shí)間的延長，薺菜莖、葉的Sr轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)沒有明顯的變化規(guī)律，薺菜具有較好的Sr耐受性。薺菜的Sr富集系數(shù)也均大于唐秀歡等導(dǎo)出的90Sr超富集植物的最低富集系數(shù)0.86［25］。因此，薺菜有可能是Sr的超富集植物。由于在放射性核素Sr的植物修復(fù)研究中未見薺菜的研究，且與其同屬的油菜、白菜的研究結(jié)果［4，27，35－38］本來就存在差異，所以在此不作與其他研究結(jié)果的比較。

植物修復(fù)研究中發(fā)現(xiàn)的超富集植物往往具有生物量小、生長速度慢的缺點(diǎn)［33］。本研究中，薺菜生長速度僅在發(fā)芽出苗的幾天時(shí)間中較慢。另外可能由于種植期間肥水管理工作不夠到位，單株薺菜生物量較小，沒達(dá)到該薺菜品種應(yīng)有的18 cm開展度，導(dǎo)致結(jié)果中單株薺菜Sr富集總量較小。進(jìn)一步的研究應(yīng)探索如何提高單株薺菜生物量，從而提高單株薺菜的Sr富集總量的途徑，或者通過合理密植來提高單位面積土壤上薺菜的Sr富集總量。

Ca是植物的不可利用元素，在植物體內(nèi)以穩(wěn)定的化合物形式存在，來源于土壤。因此，Ca含量高的植物如果在被Sr污染的土壤上種植，則有可能由于Sr與Ca的性質(zhì)相似而吸收較多的Sr。本研究對“補(bǔ)鈣小能手”薺菜的研究結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。因此，篩選Sr的超富集植物可以優(yōu)先從人們熟知的Ca含量高的植物入手，尤其是蔬菜類作物。因?yàn)槭卟俗魑镉腥斯ご竺娣e種植和病蟲害防治的經(jīng)驗(yàn)，一般生長速率較快、生命周期較短，土壤和氣候等條件對其的影響亦為人類熟知。另外，蔬菜作物的生物量一般都不會很大，其應(yīng)用在植物修復(fù)中產(chǎn)生的放射性廢物量也就不會太大。

4 結(jié)論

本研究根據(jù)華東地區(qū)的土壤Sr含量水平設(shè)置了試驗(yàn)土壤Sr施加濃度，初步得出薺菜生長、Sr吸收和分布、Sr富集隨土壤Sr濃度的變化規(guī)律，以及其隨種植時(shí)間的變化規(guī)律，并大致確定了最適宜薺菜生長的土壤有效Sr濃度在80 mg/kg左右，且值得指出的是，更高的土壤有效Sr濃度對薺菜富集土壤中Sr的效果并沒有抑制作用。

本研究條件下，薺菜對Sr的TF和EC較高，有可能是Sr的超富集植物，有實(shí)際應(yīng)用于Sr污染土壤修復(fù)的潛力。但是單株薺菜生物量較小，從而其Sr富集總量較小，進(jìn)一步的研究應(yīng)嘗試通過加強(qiáng)肥水管理等農(nóng)藝學(xué)手段提高單株薺菜生物量，或者通過合理密植提高單位面積土壤上薺菜的Sr富集總量。

Ca含量高的植物的確具有較強(qiáng)的Sr富集能力。植物修復(fù)超富集植物的篩選工作應(yīng)從這方面入手，如篩選Sr的超富集植物考慮Ca含量高的植物、篩選Cs的超富集植物考慮K含量高的植物等。