鈾對(duì)兩種濕生植物生理生化及其積累特性的影響

李宇林，羅學(xué)剛

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

【研究意義】 近年來(lái)核電行業(yè)對(duì)原料核素鈾的需求量不斷增長(zhǎng)，鈾礦在開(kāi)采和冶煉的同時(shí)伴隨著鈾礦廢渣、廢氣以及礦區(qū)廢水的產(chǎn)生，這些廢棄物具有低放射性、分布廣、排放量大等特點(diǎn)，同時(shí)由于核素具有放射周期長(zhǎng)的特性，嚴(yán)重影響周?chē)鷳B(tài)環(huán)境[1]。核素對(duì)人體和生物的危害主要是輻射能量吸收引起的致電離作用，致使白血球增加、癌變和其他放射性病變，乃至危害生命[2]。因此，鈾礦廢水對(duì)人類(lèi)和環(huán)境存在較大的危害，應(yīng)采取措施進(jìn)行治理和控制?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】 國(guó)內(nèi)外對(duì)含鈾廢水的處理方法主要包括混凝沉淀法、蒸發(fā)濃縮法、離子交換法、膜處理法、吸附法等物理化學(xué)法以及生物富集法[3-5]。由于生物富集治理低濃度含鈾廢水具有效率高、成本低、耗能少、無(wú)二次污染物等優(yōu)點(diǎn)，受到眾多學(xué)者的關(guān)注和研究[6]。國(guó)內(nèi)外目前對(duì)植物修復(fù)[7]的研究主要集中在陸生植物（如吊竹梅[8]、商陸[9]、鴨拓草[10]等），較少報(bào)道濕生植物。研究表明，伊樂(lè)藻[11]、鳳眼蓮[12]、魚(yú)腥藻[13]、浮萍[14]、酸模[15]和銅錢(qián)草[16]等水生植物對(duì)鈾有一定的累積能力。澤瀉[17]和魚(yú)腥草[18]這兩種廣泛分布的濕生植物對(duì)重金屬有較強(qiáng)的耐受性，但澤瀉和魚(yú)腥草對(duì)放射性核素的累積及耐受性研究尚未見(jiàn)報(bào)道。植物的抗氧化酶活性、光合及熒光參數(shù)[19]對(duì)重金屬脅迫較為敏感，可作為評(píng)判植物受重金屬污染毒害程度指標(biāo)。

【本研究切入點(diǎn)】 目前關(guān)于重金屬對(duì)濕生植物抗氧化酶活性、光合、熒光參數(shù)影響的報(bào)道較多，但放射性核素對(duì)濕生植物抗氧化酶活性及光合、熒光參數(shù)影響的報(bào)道較少。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】 本研究通過(guò)水培試驗(yàn)，探究不同鈾濃度處理對(duì)澤瀉和魚(yú)腥草的抗氧化酶活性、光合熒光參數(shù)的影響以及它們對(duì)鈾的積累能力，旨在為濕生植物處理低濃度鈾礦廢水提供數(shù)據(jù)參考和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地點(diǎn)位于西南科技大學(xué)重金屬污染修復(fù)試驗(yàn)場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2018年夏，試驗(yàn)地夏季平均溫度30（±5）℃，年平均濕度79%，以澤瀉和魚(yú)腥草為供試植物，用去離子水洗凈澤瀉和魚(yú)腥草幼苗根部淤泥，再將幼苗置1/2Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中馴化培養(yǎng)10 d，挑選大小和生長(zhǎng)情況基本一致的植株作試驗(yàn)材料。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)鈾濃度5、30、55 mg/L和空白對(duì)照4個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)1塑料框（21.28 L）。稱(chēng)取乙酸雙氧鈾（分析純藥品）配成相應(yīng)濃度鈾溶液，調(diào)節(jié)pH值至5.5左右，再將所挑選的澤瀉和魚(yú)腥草植株分別定植于各鈾溶液的塑料筐中培養(yǎng)，每隔5～7 d補(bǔ)去離子水至刻度處。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

供試澤瀉和魚(yú)腥草培養(yǎng)21 d后，每個(gè)塑料框中隨機(jī)采集3個(gè)重復(fù)樣，測(cè)定植株新鮮葉片的可溶性蛋白含量、過(guò)氧化氫酶活性（CAT）、過(guò)氧化物酶活性（POD）、超氧化物歧化酶活性（SOD）、丙二醛含量（MDA）以及鈾脅迫下對(duì)植物光合、熒光參數(shù)的影響；培養(yǎng)到22 d時(shí)，分別采集植株莖葉和根部分別制備成干樣，測(cè)定澤瀉和魚(yú)腥草植株中鈾的累積量。

在澤瀉和魚(yú)腥草生長(zhǎng)旺盛期7月21日，稱(chēng)取植物葉片鮮樣0.2 g，用考馬斯亮藍(lán)染色法測(cè)定可溶性蛋白含量；采用LC Pro-S+全自動(dòng)便攜式光合儀（北京澳作生態(tài)儀器有限公司），于穩(wěn)定光照下，選取相同葉位測(cè)定各植株葉片的光合參數(shù)，包括氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）和光合速率（A），每個(gè)處理測(cè)3次取均值；采用M-PEA葉綠素?zé)晒鈨x（英國(guó)Hansatech公司）測(cè)定葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)[20]； SOD活性采用氮藍(lán)四唑（NBT）光化還原法測(cè)定[21]，POD活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定[22]，CAT活性采用分光光度法測(cè)定[23]，MDA含量用硫代巴比妥酸（TBA）提取法測(cè)定；使用ETHOS UP微波消解儀（意大利Milestone公司）進(jìn)行消解，消解液通過(guò)注射過(guò)濾器過(guò)濾后使用Agilent 7700x ICP-MS（美國(guó)安捷倫科技有限公司）測(cè)定鈾含量。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用IBM SPSS Statistics 20進(jìn)行分析，應(yīng)用Origin2016軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鈾對(duì)澤瀉和魚(yú)腥草可溶性蛋白含量的影響

由圖1可知，澤瀉的可溶性蛋白質(zhì)含量隨水中鈾濃度的增加而逐漸減少，其中鈾濃度55 mg/L處理的可溶性蛋白含量最低，與空白對(duì)照組相比，降幅達(dá)60.6%。魚(yú)腥草的可溶性蛋白含量隨水中鈾濃度增加呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，鈾濃度為5 mg/L時(shí)可溶性蛋白質(zhì)含量達(dá)到最大，與空白對(duì)照相比，其漲幅達(dá)29.5%；鈾濃度為55 mg/L時(shí)可溶性蛋白質(zhì)含量最少，與空白對(duì)照相比，其降幅達(dá)59.8%。

圖1 不同鈾濃度下2植物可溶性蛋白含量Fig.1 Soluble protein content of 2 plants at different uranium concentrations

2.2 鈾對(duì)澤瀉和魚(yú)腥草抗氧化酶系統(tǒng)的影響

由圖2可知，澤瀉和魚(yú)腥草的SOD、POD和CAT活性都隨著水中鈾濃度的增加而呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，均在水中鈾濃度為30 mg/L時(shí)SOD、POD和CAT活性達(dá)到最大，相較于空白對(duì)照，分別上升11.79%、114.69%、69.64%和6.03%、19.91%、10.71%。隨著鈾濃度的增加，澤瀉和魚(yú)腥草的MDA含量逐漸增加，均在鈾濃度55 mg/L處理下達(dá)到最大值，相較于空白對(duì)照，分別增加70.42%和55.42%。

2.3 鈾對(duì)澤瀉和魚(yú)腥草光合參數(shù)的影響

由表1可知，隨著鈾濃度的逐漸增加，澤瀉和魚(yú)腥草葉片胞間CO2濃度（Ci）逐漸降低，均在鈾濃度55 mg/L處理下達(dá)到最低，相較于空白對(duì)照，分別降低13.14%和27.49%。澤瀉葉片的氣孔導(dǎo)度（Gs）隨著鈾濃度的增加呈先增后降的趨勢(shì)，在鈾濃度5 mg/L處理下達(dá)到最大，相較于空白對(duì)照，增加184.26%；魚(yú)腥草葉片的氣孔導(dǎo)度（Gs）隨著鈾濃度的增加而逐漸增加，在鈾濃度55 mg/L處理下達(dá)到最大，比對(duì)照增加295.24%。澤瀉和魚(yú)腥草葉片的蒸騰速率（Tr）隨著鈾濃度的增加均呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，在鈾處理濃度5 mg/L時(shí)達(dá)到最大，分別增加0.17%和6.5%。隨著鈾濃度的逐漸增加，澤瀉和魚(yú)腥草葉片的光合速率（A）逐漸降低，在鈾濃度55mg/L時(shí)達(dá)到最低，相較于空白對(duì)照，分別降低55.19%和85.92%。

圖2 不同鈾濃度處理對(duì)澤瀉和魚(yú)腥草抗氧化酶活性和MDA含量的影響Fig.2 Effects of different uranium concentration on antioxidase activity and MDA conten of Alisma plantago-aquatica Linn and Houttuynia cordata Thunb

表1 不同鈾濃度對(duì)澤瀉和魚(yú)腥草光合參數(shù)的影響Table 1 Effects of different uranium concentration on photosynthetic parameters of Alisma plantago-aquatica Linn and Houttuynia cordata Thunb

2.4 鈾對(duì)澤瀉和魚(yú)腥草葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

由圖3可知，隨著鈾濃度的增加，澤瀉和魚(yú)腥草葉片的最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）逐漸降低，與對(duì)照相比，分別下降25.27%和1.45%；光合性能指數(shù)（PIABS）均呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，其中澤瀉葉片PIABS在鈾濃度5 mg/L時(shí)達(dá)最大值、較空白對(duì)照增加146.43%，魚(yú)腥草葉片PIABS在鈾濃度30 mg/L處理下達(dá)最大值、較對(duì)照增加86.57%。

圖3 不同鈾濃度對(duì)澤瀉和魚(yú)腥草熒光參數(shù)的影響Fig.3 Effects of different uranium concentration on chlorophyll fluorescence parameter of Alisma plantago-aquatica Linn and Houttuynia cordata Thunb

2.5 澤瀉和魚(yú)腥草對(duì)鈾的富集特性

由圖4可知，隨著鈾濃度的增加，澤瀉和魚(yú)腥草各部對(duì)鈾的富集濃度也逐漸升高，其中根部對(duì)鈾的富集最為明顯，在鈾濃度55 mg/L處理下，澤瀉和魚(yú)腥草莖葉中鈾的富集濃度分別為2 778.74和3 184.91 mg/kg，根部鈾的富集濃度分別為10 393.94和6 515.00 mg/kg。由表2可知，澤瀉和魚(yú)腥草在不同鈾濃度處理下，其對(duì)鈾的總富集系數(shù)（BCF）、生物轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）和總提取率均呈現(xiàn)不同的變化，其中BCF在鈾濃度5 mg/L處理下的澤瀉最高、為434.19，TF在鈾濃度55 mg/L處理下的魚(yú)腥草最高、為0.49，對(duì)鈾的總提取率均在鈾濃度30 mg/L處理下達(dá)到最高，分別為0.61和 0.22。

圖4 澤瀉和魚(yú)腥草莖葉、根部對(duì)鈾的富集濃度Fig.4 Enrichment concentration of uranium in stem and leaf,root of Alisma plantago-aquatica Linn and Houttuynia cordata Thunb

表2 澤瀉和魚(yú)腥草對(duì)鈾的富集特性Table 2 Uranium enrichment properties of Alisma plantago-aquatica Linn and Houttuynia cordata

3 討論

植物受逆境脅迫時(shí)，可溶性蛋白質(zhì)含量是其生長(zhǎng)發(fā)育的一個(gè)重要指標(biāo)[24]。本試驗(yàn)中，低濃度鈾處理下澤瀉的可溶性蛋白含量有一定上升趨勢(shì)，說(shuō)明低濃度鈾溶液對(duì)澤瀉生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用，而高濃度鈾處理下澤瀉和魚(yú)腥草可溶性蛋白質(zhì)含量顯著降低，表明高濃度鈾會(huì)一定程度抑制澤瀉和魚(yú)腥草的生長(zhǎng)。

當(dāng)植物受到外界脅迫時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的自由基[25]，這些自由基會(huì)造成植物生長(zhǎng)緩慢或正常代謝活動(dòng)遭到抑制。于是植物自身會(huì)啟動(dòng)一套抗氧化酶系統(tǒng)來(lái)減少這種自由基，以保證植物的正常生長(zhǎng)，這套系統(tǒng)中發(fā)揮主要作用的是超氧化歧化酶（SOD）、過(guò)氧化物酶（POD）和過(guò)氧化氫酶（CAT）[26]，三者聯(lián)合作用以清除植物體內(nèi)產(chǎn)生過(guò)量的自由基和過(guò)氧化物[27]。MDA是植物細(xì)胞發(fā)生膜脂過(guò)氧化后的最終產(chǎn)物，因此被用來(lái)衡量植物受迫害程度[28]。本試驗(yàn)中，澤瀉和魚(yú)腥草的SOD、POD和CAT均隨著鈾處理濃度的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，說(shuō)明在鈾處理濃度5、30 mg/L時(shí)植株體抗氧化酶系統(tǒng)清理多余的自由基和過(guò)氧化物，而在55 mg/L 鈾處理下植物體產(chǎn)生的抗氧化酶無(wú)法清除所產(chǎn)生的大量自由基和過(guò)氧化物從而使抗氧化酶含量降低；澤瀉和魚(yú)腥草的MDA含量皆在最高鈾處理濃度時(shí)達(dá)到最大，表明高濃度鈾處理下植物體細(xì)胞膜脂過(guò)氧化程度加劇影響植物健康。

通過(guò)測(cè)定植物光合參數(shù)胞間CO2濃度（Ci）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（E）和光合速率（A）的含量可以一定程度上反映植物光合作用能力的強(qiáng)弱，進(jìn)一步了解植物的光合作用受脅迫情況。FARQUHAR[29]認(rèn)為，Ci是評(píng)判氣孔和非氣孔因素影響的重要參數(shù)，若A減小的同時(shí)Tr、Ci和Gs也隨之減小，則A的減小主要因素為氣孔因素；反之，光合效率的下降主要因素為非氣孔因素，即光系統(tǒng)受到損害或者暗反應(yīng)受阻。本試驗(yàn)中，隨著鈾濃度的逐漸增加，澤瀉和魚(yú)腥草葉片Ci逐漸降低，均在鈾濃度55 mg/L處理下達(dá)到最低；澤瀉葉片的氣孔導(dǎo)度（Gs）隨著鈾濃度的增加呈先增后降的趨勢(shì)、在鈾濃度5 mg/L時(shí)達(dá)到最大，而魚(yú)腥草葉片的氣孔導(dǎo)度（Gs）隨著鈾濃度的增加而逐漸增加、在鈾濃度55 mg/L時(shí)達(dá)到最大；澤瀉和魚(yú)腥草葉片的蒸騰速率（Tr）隨著鈾濃度的增加均呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，均在鈾處理濃度5 mg/L時(shí)達(dá)到最大；隨著鈾濃度的逐漸增加，澤瀉和魚(yú)腥草葉片的光合速率（A）逐漸降低，在鈾濃度55 mg/L時(shí)達(dá)到最低，表明澤瀉和魚(yú)腥草光合速率的降低主要因素為光系統(tǒng)受到損害，次要因素為葉片氣孔因素。

植物抗逆性相關(guān)研究表明葉綠素?zé)晒鈪?shù)是一項(xiàng)較好的參考指標(biāo)[30]。最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）是與光合效率直接相關(guān)的非入侵參數(shù)，與光系統(tǒng)PSII的損傷呈負(fù)相關(guān)，是目前使用最多的生理熒光參數(shù)[31]。當(dāng)植物受到外界脅迫時(shí)，F(xiàn)v/Fm值的下降與光合能力下降有關(guān)[32]。本試驗(yàn)中，隨著鈾處理濃度增加，澤瀉和魚(yú)腥草的Fv/Fm值均逐漸下降，說(shuō)明澤瀉和魚(yú)腥草的PSII系統(tǒng)受到抑制；PIABS均呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。PIABS能綜合反映 PSII的最大光化學(xué)效率、有活性反應(yīng)中心數(shù)目和受體側(cè)電子傳遞效率的熒光參數(shù)，能更加準(zhǔn)確地反映 PSII 所受的影響[33]。

本試驗(yàn)中，隨著鈾處理濃度的不斷增大，澤瀉和魚(yú)腥草對(duì)水體中鈾的富集濃度也不斷增大，且根部鈾含量遠(yuǎn)高于高于莖和葉；澤瀉的BCF值在5 mg/L鈾處理濃度下達(dá)到最大，這可能是由于低濃度鈾處理下，澤瀉各部位對(duì)鈾的富集能力有一定的促進(jìn)作用所致，魚(yú)腥草的BCF值在55 mg/L鈾處理濃度下達(dá)到最大；澤瀉和魚(yú)腥草的TF值均在鈾處理濃度55 mg/L時(shí)達(dá)到最大；澤瀉和魚(yú)腥草植株鈾總提取率隨著鈾濃度增加呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，均在鈾處理濃度30 mg/L時(shí)達(dá)到最大，而單株鈾提取量皆在 55 mg/L 鈾濃度處理下達(dá)到最高。運(yùn)用IBM SPSS Statistics 20對(duì)5個(gè)生化指標(biāo)進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，對(duì)方差齊性檢驗(yàn)＞0.05的可溶性蛋白含量、抗氧化酶活性、光合參數(shù)、熒光參數(shù)采用Duncan、SNK兩種方法分析比較；而方差齊性檢驗(yàn)＜0.05的對(duì)鈾富集特性參數(shù)采用Tamhane、DunnettT3、Games-Howell(A)、Dunnett C 4種方法分別進(jìn)行事后檢驗(yàn)的多重比較，結(jié)果顯示不同處理間沒(méi)有顯著性差異，可見(jiàn)各處理鈾濃度下澤瀉和魚(yú)腥草生長(zhǎng)情況良好，表明兩種植物對(duì)鈾均有一定的耐受性。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)結(jié)果表明，在中低濃度（5～30 mg/L）鈾處理下，澤瀉和魚(yú)腥草的SOD、POD和CAT均呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)，而MDA含量逐漸增大；澤瀉和魚(yú)腥草的Fv/Fm值與對(duì)照相比下降幅度較低，而PIABS有不同程度的上升趨勢(shì)，這說(shuō)明澤瀉和魚(yú)腥草植株內(nèi)部啟動(dòng)抗氧化系統(tǒng)發(fā)揮保護(hù)作用，避免植物體受到過(guò)大影響。鈾處理濃度55 mg/L時(shí)，澤瀉和魚(yú)腥草的抗氧化系統(tǒng)和光系統(tǒng)均受到嚴(yán)重的影響。兩種濕生植物在試驗(yàn)中生長(zhǎng)狀態(tài)良好，對(duì)鈾的富集效果較好，表現(xiàn)出一定的耐鈾能力，有用于治理低濃度鈾礦廢水的潛力。