濱海濕地鹽地堿蓬對銫污染的響應(yīng)及富集規(guī)律

張衍亮，楊紅軍，夏江寶，孫景寬，屈凡柱，李 磊

（1.濱州學(xué)院/山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濱州 256603；2.中央民族大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，北京 100081）

當(dāng)今，核能已被廣泛應(yīng)用于軍事、能源、工業(yè)、航天等各個領(lǐng)域。目前，核能提供了約世界總能源的6.0%和總發(fā)電量的16%[1]，為解決世界能源危機(jī)提供了有效途徑，但同時(shí)也帶來了潛在的核污染隱憂。美國核能研究所（NEI）研究發(fā)現(xiàn)，每年有大約2000～2300 t的核廢物通過各種途徑釋放到環(huán)境中[2]，對周圍的水、土壤和大氣造成放射性核污染。核污染的放射性元素成分包括銫（Cs-131、134、137），鍶（Sr 90）及碘（I-131、135）等，其中放射性Cs約占16.9%，為主要成分[3-4]。放射性同位素134Cs和137Cs的半衰期分別為2.06年和30年，在衰變過程中會釋放出強(qiáng)輻射性的?射線和γ射線，即使含量很低也會對人們的健康造成長期的嚴(yán)重威脅，甚至致畸、致癌、致突變等[5-6]。此外，Cs+具有極高的水溶性（與K+和Na+類似），大氣中的放射性Cs可通過降雨灑落到廣闊的地面，一旦沉積在土壤中，將在土壤表層長期駐留，很難清除[7-8]。常規(guī)的物理和化學(xué)處理方法，包括挖掘收集、溶劑清洗[9]、吸附、生物降解[10]和電修復(fù)[11-12]等，因成本高、適用范圍小、容易破壞土壤結(jié)構(gòu)等使其應(yīng)用受限[13-14]。目前認(rèn)為，植物修復(fù)技術(shù)具有操作簡便、成本低、不引起二次污染等特點(diǎn)，因而成為該領(lǐng)域的主要研究方向[15]。植物修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵在于超富集植物的篩選。Broadley等[16]研究認(rèn)為藜科、莧科、菊科對放射性Cs吸收能力較強(qiáng)；唐永金等[17]研究了不同植物在高濃度Sr和Cs脅迫下的響應(yīng)與修復(fù)植物的篩選。目前，對于植物修復(fù)土壤Cs污染的研究較多[18-19]，但鮮有關(guān)于黃河三角洲地區(qū)鹽地堿蓬對Cs富集規(guī)律的研究。

鹽地堿蓬（Suaeda salsa）是黃河三角洲濱海濕地先鋒植物，具有較高的耐鹽性，是重度鹽堿濕地的主要修復(fù)物種[20]。此前對于鹽地堿蓬的報(bào)道多側(cè)重于NaCl脅迫[21-22]、重金屬脅迫等[23]，但關(guān)于其對放射性Cs污染土壤修復(fù)的研究相對較少，這在一定程度上限制了本土鹽生植物的開發(fā)與利用。由于放射性137Cs與穩(wěn)定性133Cs化學(xué)性質(zhì)相近，植物對二者的吸收不存在區(qū)別[24]。因此本實(shí)驗(yàn)以鹽地堿蓬為試驗(yàn)對象，以穩(wěn)定性133Cs代替放射性137Cs，在溫室盆栽條件下研究不同Cs濃度對鹽地堿蓬種子的萌發(fā)和富集特征的影響，以期能夠?yàn)檫M(jìn)一步挖掘本土鹽生植物在植物修復(fù)技術(shù)中的利用價(jià)值提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試種子采自黃河三角洲地區(qū)濱海濕地內(nèi)成熟的鹽地堿蓬群落。將種子處理干凈，于4℃冰箱內(nèi)儲存?zhèn)溆?。試?yàn)在濱州學(xué)院山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的溫室大棚內(nèi)進(jìn)行?；ㄅ璨捎?號全新PP樹脂材料磚紅色花盆，外徑15.6 cm，底徑11 cm，高15.4 cm，重量0.15 kg，容積1.7 L。試驗(yàn)用土為黃河口濱岸潮土，土壤背景值：pH 8.13±0.13，含鹽量0.06%±0.020%，總碳5.57%±1.01%，總氮213.4±79.5 mg·kg-1，總磷249.2±56.2 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)，將經(jīng)臭氧消毒的50粒飽滿鹽地堿蓬種子置于干凈培養(yǎng)皿中（直徑10 cm，內(nèi)墊2層濾紙），分別加入濃度為100、200、400、800 mg·L-1的CsNO3溶液各6 mL，以蒸餾水處理作為對照（CK），各處理均重復(fù)4次。封口膜密封后放置于25℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，培養(yǎng)周期為7 d。每日觀察記錄種子發(fā)芽數(shù)，培養(yǎng)第7 d開始測量幼苗芽長和根長，統(tǒng)計(jì)種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、活力指數(shù)和發(fā)芽指數(shù)。

Cs污染土壤的制備，將土壤自然風(fēng)干、研磨過2.5 mm篩，裝盆，每盆土壤用量為1 kg（以干土計(jì)）。供試土壤Cs（以CsNO3形式加入）濃度分別為0（CK）、100、200、400、800 mg·kg-1，每盆澆400 mL CsNO3溶液或清水（CK），使土壤達(dá)到飽和持水量，以保證土壤得到均勻污染。每一濃度梯度均設(shè)置4組重復(fù)，共計(jì)20盆。經(jīng)CsNO3處理的土壤放置于陰涼處8周，待土壤吸附后播種。每盆定苗6株，每1～2 d澆水1次，保持土壤持水量在60%～70%。播種90 d后收獲，每盆取3株長勢相近的植株，按處理分為根、莖、葉3部分。先用自來水清洗干凈，再用超純水清洗3次，然后用吸水紙吸去植物體表面水分，按照根、莖、葉分別編號后裝入信封，最后將樣品放置于70℃烘箱中烘至恒質(zhì)量，計(jì)算生物量。

1.3 測定和計(jì)算方法

鹽地堿蓬種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)分別按照以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Gt為t日發(fā)芽數(shù)（發(fā)芽率7 d，發(fā)芽勢3 d）；Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)；T為種子總數(shù)；S為根長，mm。種子萌發(fā)第7 d測定芽長和根長。

將鹽地堿蓬根、莖、葉各部分研磨、消解后采用AA6800原子吸收分光光度計(jì)（日本島津公司）測定Cs含量，測試分析均重復(fù)4次。Cs的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別按公式（5）和公式（6）進(jìn)行計(jì)算：

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2013作圖，SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算及相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cs對鹽地堿蓬萌發(fā)特性的影響

由表1可知，與CK相比，不同濃度Cs處理對鹽地堿蓬發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)影響均不顯著。由表2可知，不同濃度Cs處理對鹽地堿蓬幼苗生長的影響不同，表現(xiàn)為“低促高抑”的雙重作用。當(dāng)Cs濃度為100 mg·L-1時(shí)對胚根、胚芽生長及活力指數(shù)具有顯著的促進(jìn)作用（P＜0.05）；當(dāng)濃度≥200 mg·L-1時(shí)對胚根、胚芽生長及活力指數(shù)具有顯著的抑制作用（P＜0.05），且隨著Cs濃度的升高對胚根抑制作用大于對胚芽的抑制作用。說明胚根對環(huán)境中的Cs更敏感，亦表明高濃度Cs對鹽地堿蓬胚根的生長造成了一定的損害。

表1 不同濃度Cs處理下鹽地堿蓬萌發(fā)特性比較Table 1 Comparison of germination characteristics of Suaeda salsa under different concentrations of Cs

表2 不同濃度Cs處理下鹽地堿蓬發(fā)芽特性比較Table 2 Root length，bud length and vitality index of Suaeda salsa seedlings as affected by different concentrations of Cs

2.2 Cs對鹽地堿蓬各部位生物量的影響

由圖1可知，不同Cs濃度處理對鹽地堿蓬各部位干質(zhì)量的影響不同。當(dāng)土壤Cs濃度為100 mg·kg-1時(shí)，鹽地堿蓬各部位生物量比CK組各部位略有增加，之后隨著Cs濃度的升高鹽地堿蓬各部位生物量逐漸降低。在土壤Cs濃度為800 mg·kg-1時(shí)，鹽地堿蓬各部位生物量達(dá)到最低值，根部、莖部和葉片的生物量比CK組分別降低40.0%、66.56%、58.26%。

2.3 Cs在鹽地堿蓬體內(nèi)的富集規(guī)律

由圖2可知，鹽地堿蓬各部位積累的Cs含量均隨著處理濃度的升高而顯著增加（P＜0.05）。在相同Cs濃度下鹽地堿蓬各部位的富集量存在顯著差異（P＜0.05），在不同Cs濃度下鹽地堿蓬各部位的富集情況也不同，葉片中的Cs含量始終高于根部和莖部。當(dāng)土壤Cs濃度≤200 mg·kg-1時(shí)，鹽地堿蓬各部位積累的Cs含量表現(xiàn)為葉＞根＞莖；當(dāng)土壤Cs濃度≥400 mg·kg-1時(shí)，各部位積累的Cs含量變?yōu)槿~＞莖＞根；當(dāng)土壤Cs濃度達(dá)到800 mg·kg-1時(shí)，根部、莖部和葉片積累的Cs含量達(dá)到最大，分別為1.69、2.48、4.18 mg·kg-1。

圖1 不同濃度Cs對鹽地堿蓬各器官干質(zhì)量的影響Figure 1 Effect of different concentrations of Cs on the dry weight of different organs of Suaeda salsa

圖2 Cs在鹽地堿蓬體內(nèi)分布Figure 2 The absorption and distribution of Cs in Suaeda salsa

富集系數(shù)反映的是鹽地堿蓬對Cs的富集能力，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)反映的是鹽地堿蓬對Cs的轉(zhuǎn)運(yùn)能力。由圖3可知，在濃度為100 mg·kg-1時(shí)，鹽地堿蓬根、莖、葉的富集系數(shù)最大，之后隨著土壤Cs濃度的增加富集系數(shù)逐漸降低，在Cs濃度為800 mg·kg-1時(shí)達(dá)到最低值，分別比100 mg·kg-1時(shí)根、莖、葉的富集系數(shù)低72.23%、49.59%、53.39%。由圖4可知，隨著土壤Cs濃度的增加，鹽地堿蓬莖部和葉片的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)逐漸增大，在土壤Cs濃度為800 mg·kg-1時(shí)達(dá)到最大值，比100 mg·kg-1時(shí)莖和葉的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別提高81.48%和67.57%。

3 討論

Cs與K為同主族元素，在化學(xué)性質(zhì)上具有相似性，進(jìn)入到細(xì)胞中的Cs+能結(jié)合在K+相應(yīng)的結(jié)合位點(diǎn)上，但不能激活需K+活化的多種蛋白酶，因此在某些生理功能上Cs+不能代替K+[26]。對植物的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)根部Cs濃度大于200 mmol·L-1時(shí)，會造成植物體內(nèi)K的缺乏，影響植物正常生長[27]。本研究中發(fā)現(xiàn)，Cs濃度為100～800 mg·L-1時(shí)，對鹽地堿蓬種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)的影響均不顯著，這與陶宗婭等[27]對油菜種子的萌發(fā)實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，表明鹽地堿蓬種子在萌動期對Cs具有較強(qiáng)的耐受力。鹽地堿蓬胚根和胚芽的生長對Cs表現(xiàn)出一定的劑量效應(yīng)：一方面，在一定濃度內(nèi)能夠促進(jìn)鹽地堿蓬胚根和胚芽的生長；另一方面，當(dāng)濃度超過一定范圍時(shí)即產(chǎn)生抑制，且胚根比胚芽更具敏感性。Patra等[28]認(rèn)為在一定范圍內(nèi)，重金屬對植物具有積極的“刺激作用”，表現(xiàn)為暫時(shí)性的生長發(fā)育增強(qiáng)，這是植物對脅迫產(chǎn)生的一種應(yīng)激反應(yīng)，但當(dāng)超過一定濃度即表現(xiàn)出明顯的毒性效應(yīng)。

圖3 鹽地堿蓬各器官對Cs的富集系數(shù)Figure 3 Enrichment factor of Cs in various organs of Suaeda salsa

圖4 鹽地堿蓬莖、葉對Cs的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Figure 4 Transport factor of Cs from stem and leaf of Suaeda salsa

生物量是評價(jià)植物抗脅迫能力的重要指標(biāo)之一。本研究中發(fā)現(xiàn)，低濃度Cs（100 mg·kg-1）處理能促進(jìn)鹽地堿蓬生長，使其生物量略有增加；高濃度Cs（≥200 mg·kg-1）處理則抑制鹽地堿蓬的生長，生物量降低；且濃度越高抑制效果越明顯。Hampton等[26]研究發(fā)現(xiàn)，137Cs會降低植物枝條重量，原因是137Cs能降低植物枝條中的K含量。Wang等[29]發(fā)現(xiàn)在Cs濃度為100 mg·kg-1時(shí)高粱生長狀況良好，在400 mg·kg-1時(shí)受到抑制，這與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似。

植物體內(nèi)Cs含量、富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)是評價(jià)植物修復(fù)潛力的重要指標(biāo)。本研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤Cs濃度低時(shí)（≤200 mg·kg-1），鹽地堿蓬各部位Cs的富集情況為葉＞根＞莖，鹽地堿蓬將莖中的Cs轉(zhuǎn)移到葉片中，此時(shí)莖部Cs含量小于根部和葉片；當(dāng)濃度升高時(shí)（≥400 mg·kg-1）則表現(xiàn)為葉＞莖＞根。張曉雪等[7]、朱靖等[24]分別對雞冠花和康定柳的Cs富集規(guī)律進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為根＞莖＞葉，這可能是因?yàn)镃s濃度、植物種類、土壤類型影響了最終的富集結(jié)果。鹽地堿蓬不同于雞冠花和康定柳的富集特性，其根部的Cs含量低，這可能是因?yàn)辂}地堿蓬葉片肉質(zhì)化程度高，葉片內(nèi)薄壁細(xì)胞組織大量增生，細(xì)胞數(shù)目多且體積大，可以吸收大量的水分而稀釋從環(huán)境吸收的Cs，當(dāng)根部Cs濃度過高時(shí)，為避免Cs對根部的損傷，鹽地堿蓬將根部的Cs轉(zhuǎn)移至地上部稀釋，維持其正常生理功能，這個推測可通過鹽地堿蓬轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)隨著土壤Cs濃度升高而逐漸增大得到證實(shí)。此外，隨著濃度的升高，富集系數(shù)逐漸降低。富集系數(shù)與鹽地堿蓬的總生物量和體內(nèi)Cs含量有關(guān)，隨著Cs濃度的升高，鹽地堿蓬的富集量增大，受脅迫程度增加后生物量不斷降低，所以富集能力受到一定抑制。不同植物類型的富集系數(shù)差異很大，鄒玥等[30]得出木耳菜在紫色土壤中地上部對Cs的富集系數(shù)在2.76～6.04之間；地下部富集系數(shù)在5.52～13.06之間。陳柯罕等[31]通過計(jì)算得出，鹽地堿蓬對Cd的富集系數(shù)最大可達(dá)到49.39。與鄒玥、陳柯罕相比，本研究得出鹽地堿蓬富集系數(shù)最大達(dá)到11.22，處于較高水平。結(jié)合富集量與轉(zhuǎn)移系數(shù)，足以說明黃河三角洲濱海濕地先鋒植物鹽地堿蓬對Cs具有較強(qiáng)的富集能力。

4 結(jié)論

（1）Cs濃度為100～800 mg·L-1時(shí)，對黃河三角洲濱海濕地鹽地堿蓬的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)影響不顯著，但對胚根、胚芽的生長具有“低促高抑”的雙重作用，且胚根對Cs更具敏感性。

（2）鹽地堿蓬在低濃度Cs（100 mg·kg-1）下生物量略有增加，隨著濃度的升高，鹽地堿蓬生長受到抑制，生物量不斷降低，且濃度越高抑制程度越大。

（3）隨著土壤Cs濃度的升高，鹽地堿蓬各部位的富集量不斷增大，富集系數(shù)不斷下降。

試驗(yàn)表明，黃河三角洲濱海濕地鹽地堿蓬具有一定抗脅迫能力，在修復(fù)濱海濕地Cs污染土壤中具有一定的研究價(jià)值和應(yīng)用潛力。