黑麥草修復(fù)鈾污染土壤的根際效應(yīng)分析

牛天洋 史澤涵 陳井影 廉歡 王奕凱 張?zhí)烊?/p>

摘要?選取黑麥草作為供試植物，通過模擬根箱栽培試驗(yàn)，探究在不同外源鈾下黑麥草修復(fù)鈾污染土壤的根際效應(yīng)。研究結(jié)果表明：黑麥草植株地上部和根部鈾含量直接受外源鈾濃度影響，黑麥草地上部分和根部富集系數(shù)均大于1，但轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于1，黑麥草主要將鈾富集在根部，同時(shí)，土壤鈾含量達(dá)到一定水平會抑制黑麥草的生長導(dǎo)致其生物量降低。根際土壤與非根際土壤中鈾主要以惰性鈾的形式存在。隨著土壤鈾濃度的增加，根際處惰性鈾的含量明顯低于非根際處，這表明根際土壤對惰性鈾具有活化作用，植物根系分泌物促進(jìn)惰性鈾的轉(zhuǎn)化，將惰性鈾轉(zhuǎn)化為可被植物吸收的活性鈾或潛在活性鈾。

關(guān)鍵詞?植物修復(fù);黑麥草;鈾污染土壤;根際效應(yīng)

中圖分類號?X53?文獻(xiàn)標(biāo)識碼?A

文章編號?0517-6611（2021）03-0069-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.03.019

Abstract?In?this?thesis，ryegrass?was?selected?as?the?test?plant，and?through?the?simulation?of?root?box?cultivation?experiment，the?rhizosphere?effect?of?ryegrass?under?different?exogenous?uranium?to?repair?uraniumcontaminated?soil?was?explored.The?results?showed?that?the?uranium?content?in?the?aerial?parts?and?roots?of?ryegrass?plants?was?directly?affected?by?the?concentration?of?exogenous?uranium.The?enrichment?coefficients?of?the?upper?parts?and?roots?of?the?ryegrass?grassland?were?both?greater?than?1，but?the?transport?coefficients?were?both?less?than?1.The?ryegrass?mainly?enriched?uranium?in?the?roots.At?the?same?time，when?the?soil?uranium?content?reached?a?certain?level，it?would?inhibit?the?growth?of?ryegrass?and?caused?its?biomass?to?decrease.Uranium?in?rhizosphere?soil?and?nonrhizosphere?soil?mainly?existed?in?the?form?of?inert?uranium.With?the?increase?of?soil?uranium?concentration，the?content?of?inert?uranium?in?the?rhizosphere?was?significantly?lower?than?that?in?the?nonrhizosphere，which?indicated?that?the?rhizosphere?soil?had?an?activation?effect?on?inert?uranium，and?the?plant?root?exudates?promoted?the?conversion?of?inert?uranium，converting?inert?uranium?into?active?uranium?or?potentially?active?uranium?that?can?be?absorbed?by?plants.

Key?words?Phytoremediation;Ryegrass;Uranium?contaminated?soil;Rhizosphere?effect

核工業(yè)的快速發(fā)展，導(dǎo)致鈾礦資源被過度開采，進(jìn)而產(chǎn)生了大量含有238U、40K、232Th、226Ra等放射性核素的廢水、廢石、廢渣等放射性廢物，這些放射性廢物中含有生命周期較長的放射性核素，而目前的技術(shù)水平及經(jīng)濟(jì)條件無法將放射性核素完全從放射性廢物中分離出來[1-2]。

物理法、化學(xué)法和生物法是修復(fù)含有放射性鈾污染土壤的主要方法。早期，我國研究者主要利用物理法和化學(xué)法來修復(fù)含有放射性鈾污染的土壤，比如客土法、離子交換法和氧化還原法等，但由于技術(shù)不成熟且成本過高，導(dǎo)致修復(fù)土壤的結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)遭到破壞，造成二次污染。為了更加經(jīng)濟(jì)有效地去除土壤中的放射性鈾，我國研究者采用生物法來修復(fù)含鈾土壤。其中植物修復(fù)技術(shù)是生物修復(fù)技術(shù)中的一種，具有成本低，維護(hù)費(fèi)用小，易操作，不容易造成二次污染，且能夠?qū)崿F(xiàn)資源回收利用的優(yōu)點(diǎn)，深受國內(nèi)外學(xué)者重視[3]。

多年生黑麥草是禾本科早熟禾亞科黑麥草屬多年生疏叢型草本植物，是我國南北方普遍種植的優(yōu)質(zhì)牧草和常用的優(yōu)質(zhì)草坪草，其再生能力強(qiáng)，易于種植[4]。有報(bào)道表明黑麥草對鈾有較強(qiáng)的富集能力[5]。目前對鈾污染下黑麥草對鈾的富集機(jī)理分析還不夠深入，特別是外源鈾作用下根際環(huán)境如何影響修復(fù)作用的機(jī)理研究還不多，這對鈾污染土壤植物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用至關(guān)重要。該研究采用模擬根箱栽培技術(shù)探究在不同鈾濃度脅迫下黑麥草修復(fù)鈾污染土壤的根際效應(yīng)。

1?材料與方法

1.1?儀器與試劑?試驗(yàn)所用儀器見表1[6]。試驗(yàn)所用試劑及去離子水均是符合國家標(biāo)準(zhǔn)的分析純試劑。試驗(yàn)中所用的主要化學(xué)試劑有硝酸、氫氟酸、高氯酸、氫氧化鈉、抗干擾鈾熒光試劑、草酸、草酸銨、檸檬酸三鈉、碳酸氫鈉、連二亞硫酸鈉、醋酸、30%雙氧水溶液。

1.2?供試材料

供試植物為黑麥草，多年生優(yōu)良牧草植物。從農(nóng)貿(mào)市場中選擇顆粒飽滿、大小均勻且無毒無蛀完整的種子。

供試土壤均為無鈾污染的土壤，取0～20?cm的表層土壤。土壤為紅壤土，顏色為黃色，pH為中性（6.32），基本理化性質(zhì)如下：有機(jī)質(zhì)35.543?g/kg，堿解氮115.423?mg/kg，速效磷32.246?mg/kg，速效鉀106.753?mg/kg。

1.3?栽培試驗(yàn)?將供試土壤放在空曠通風(fēng)處進(jìn)行風(fēng)干，土壤風(fēng)干后磨細(xì)再過2?mm篩，將過篩后的土壤依次放入根箱中并加入底肥（尿素0.5?g/kg，磷酸二氫鉀0.44?g/kg）混勻待用。將土壤樣品分成4個(gè)處理組，每處理組3個(gè)重復(fù)，同時(shí)設(shè)置一批對照組。鈾（U）以UO2（NO3）2·6H2O溶液的形式加入土壤中，然后均勻攪拌。土壤中鈾溶液的濃度分別為5、10、15、20?mg/kg，土壤靜置7?d后進(jìn)行播種。

將上述供試土壤放入根箱中，根箱中間被300目尼龍網(wǎng)分隔開，將黑麥草種植在根箱一側(cè)，作為根際側(cè)，土壤為根際土壤;另一側(cè)為非根際側(cè)，土壤為非根際土壤。保持田間持水量，黑麥草的生長周期為45?d。

1.4?測試方法

植物樣品和土壤樣品中鈾的測定采用激光液體熒光法，土壤樣品中鈾的各形態(tài)采用在Tessier[7]五步提取法基礎(chǔ)上修改的逐級化學(xué)提取法來確定。

富集量等相關(guān)計(jì)算見公式（1）和（2）。

式中，Cground為黑麥草地上部鈾含量（mg/kg）;Croot為黑麥草根部鈾含量（mg/kg）;Csoil為土壤鈾濃度（mg/kg）。

1.5?數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)處理使用WPS2019軟件，使用SPSS17.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行Duncans法單因素方差分析和多重比較，P<0.05為顯著，P<0.01為極顯著，最后使用Origin2017作圖。

2?結(jié)果與分析

2.1?鈾脅迫對黑麥草生物量的影響

由表2可知，黑麥草地上部和根部干重在不同濃度鈾處理之間存在顯著差異（P<0.05）。隨著土壤鈾濃度的升高，黑麥草地上部干重和根部干重均呈先增加后降低趨勢。在土壤鈾濃度為5?mg/kg時(shí)，黑麥草地上部和根部干重均達(dá)到最大值：地上部干重為270.685?mg/盆、根部干重為146.415?mg/盆，分別較對照增加了8.7%和9.4%。隨著土壤鈾濃度的升高，黑麥草地上部干重和根部干重逐漸降低，在10～20?mg/kg鈾脅迫下，黑麥草地上部和根部干重分別較對照降低了7.4%、22.2%、32.8%和19.4%、27.2%、45.7%，這表明土壤鈾濃度達(dá)到一定高度會抑制黑麥草的生長，導(dǎo)致其生物量降低。這與王帥等[8]低濃度鈾會促進(jìn)植物生長，高濃度鈾會抑制植物生長的研究結(jié)果保持一致。

2.2?鈾脅迫對黑麥草富集量的影響?由圖1可知，隨著土壤鈾水平的升高，黑麥草植物地上部和根部鈾含量均呈增加趨勢（P<0.05），說明黑麥草植物體內(nèi)鈾含量直接受外源鈾濃度影響，這與徐國聰?shù)萚9]的研究結(jié)果基本一致。黑麥草根部鈾含量明顯高于地上部分，說明黑麥草根部吸收鈾貢獻(xiàn)顯著大于地上部，即黑麥草富集鈾的主要器官為根部。在土壤鈾水平為20?mg/kg時(shí)，黑麥草根部鈾含量達(dá)到最大值為829.25?mg/kg，比陳威[10]報(bào)道間作竹柳地下部鈾含量305.635?mg/kg要高很多，分別較其他3個(gè)處理組增加了151.3%、55.9%、1.5%;而黑麥草地上部鈾含量在15?mg/kg鈾脅迫時(shí)達(dá)到最大值為81.967?mg/kg，分別較其他3個(gè)處理組增加了194.5%、34.6%、0.5%。當(dāng)土壤鈾濃度分別為15、20?mg/kg時(shí)，黑麥草根部鈾含量相差無幾，說明土壤鈾濃度達(dá)到一定水平時(shí)，黑麥草根部對鈾的富集量會呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。

2.3?鈾脅迫對黑麥草富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響

植物體內(nèi)鈾含量與土壤中鈾含量之比為富集系數(shù)[11]（BCF），其值越大，則表明植物富集能力越強(qiáng)。植物地上部分鈾含量與根部鈾含量之比為轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)[11]（TF），其值越大，則表明植物將鈾從根部轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部的能力越強(qiáng)。由公式（1）和（2）可得計(jì)算結(jié)果如表3所示。黑麥草地上部鈾富集系數(shù)（BCF）隨鈾濃度增加呈先增加后降低趨勢，在10?mg/kg鈾濃度下黑麥草地上部BCF達(dá)到最大值為6.088，較其他3個(gè)處理組增加了9.4%、11.4%、49.3%。黑麥草BCF根部顯著大于地上部，在5?mg/kg鈾濃度下黑麥草根部BCF達(dá)到最大值為66.007，較其他3個(gè)處理組增加了24.1%、21.3%、59.4%。黑麥草轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)在10?mg/kg鈾濃度下達(dá)到最大值為0.114，且所有處理下轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于1。與文獻(xiàn)[12-14]中的研究結(jié)果“超富集植物應(yīng)滿足富集系數(shù)大于1”保持一致。但轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)小于1，表明黑麥草將鈾從根部轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部的能力較差，不符合超富集植物特點(diǎn)。

2.4?根際效應(yīng)分析

含鈾土壤中鈾的形態(tài)可分為可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài)、無定型鐵錳氧化態(tài)/氫氧化物結(jié)合態(tài)、晶質(zhì)型鐵錳氧化物/氫氧化物結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)6種。其中可交換態(tài)鈾和碳酸鹽結(jié)合態(tài)鈾稱為活性鈾，有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài)鈾和無定型鐵錳氧化物/氫氧化物結(jié)合態(tài)鈾稱為潛在活性鈾，植物容易吸收活性鈾或潛在活性鈾;而晶質(zhì)型鐵錳氧化物/氫氧化物結(jié)合態(tài)鈾和殘?jiān)鼞B(tài)鈾稱為惰性鈾，不易被植物吸收[15-17]。由圖2可知，根際土壤中各相態(tài)鈾占總相態(tài)鈾含量的平均百分比為惰性鈾（46.6%）>潛在活性鈾（29.47%）>活性鈾（23.93%）;非根際土壤中各相態(tài)鈾占總相態(tài)鈾含量的平均百分比為惰性鈾（60.22%）>活性鈾（21.21%）>潛在活性鈾（18.57%）。在不同濃度鈾脅迫下，根際土壤和非根際土壤中惰性鈾含量明顯高于其他2種相態(tài)鈾含量，這表明根際土壤與非根際土壤中鈾主要以惰性鈾的形式存在。隨著土壤鈾濃度的增加，根際處惰性鈾含量逐漸低于非根際處，這表明黑麥草根系具有很強(qiáng)的活化能力，黑麥草根系分泌出某種有機(jī)酸能夠?qū)ΩH土壤中惰性鈾進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將惰性鈾轉(zhuǎn)化為可被植物吸收的活性鈾或潛在活性鈾。有研究表明：土壤的pH是影響鈾活性的重要因素[18]。有機(jī)酸在被施入土壤后可與重金屬形成可溶的絡(luò)合物，不僅促進(jìn)了穩(wěn)定態(tài)的重金屬向土壤溶液中遷移，而且也使重金屬很容易隨著植物的蒸騰作用從根部向地上部遷移，顯著提高了植物體內(nèi)重金屬的含量[19-20]。研究證實(shí)，超富集植物印度芥菜能夠從根系中分泌出檸檬酸作為螯合劑，與土壤中的重金屬離子相結(jié)合，提高重金屬在土壤溶液中的移動(dòng)性，使得通過質(zhì)流、擴(kuò)散等作用到達(dá)植物根際土壤的重金屬離子的量的增加，從而增加植物根系對重金屬的富集量，促進(jìn)植物將重金屬從根系轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部[21]。

3?結(jié)論

采用模擬根箱栽培試驗(yàn)，通過對黑麥草進(jìn)行不同濃度鈾（5、10、15、20?mg/kg）處理，對黑麥草生物量、植物體內(nèi)鈾含量及根際與非根際土壤中鈾的賦存形態(tài)進(jìn)行測定與分析，研究結(jié)果如下。

（1）黑麥草地上部和根部干重在不同濃度鈾處理之間存在顯著性差異（P<0.05）。隨著土壤鈾濃度的升高，黑麥草的地上部干重和根部干重均呈先增加后降低趨勢。

（2）黑麥草根部鈾濃度明顯高于地上部分，隨著土壤鈾濃度的升高，黑麥草地上部和根部鈾濃度呈顯著增加趨勢（P<0.05）。黑麥草地上部和根部富集系數(shù)大于1，但轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于1，說明黑麥草主要將鈾富集在根部。

（3）在不同濃度鈾脅迫下，根際土壤與非根際土壤中鈾均以惰性鈾形式存在。隨著土壤鈾濃度的增加，根際處惰性鈾含量逐漸低于非根際處，說明黑麥草根系可能分泌出某種有機(jī)酸作為螯合劑促進(jìn)了鈾向根際土壤處遷移，導(dǎo)致根際土壤中惰性鈾較非根際處易于轉(zhuǎn)化為活性鈾。

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