植物共植對(duì)低濃度含鈾廢水修復(fù)的影響

張 悅,崔月婷,張 琪,王永東

(南華大學(xué) 鈾礦冶生物技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,湖南 衡陽 421001)

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0 引 言

為保證鈾資源的穩(wěn)定供應(yīng)，加大鈾礦開采力度成為必然舉措，但鈾礦的開采和加工會(huì)帶來一系列環(huán)境問題，尤其是水體的鈾污染問題。據(jù)初步估算每生產(chǎn)1 t鈾礦石所產(chǎn)生的廢石量為1～6 t，這些含鈾廢石在堆放過程中，經(jīng)過長期的雨水淋濾作用下，酸與硫酸根會(huì)解析到水中，浸出其中的鈾，經(jīng)過風(fēng)化侵蝕、雨水沖刷，使得鈾以可溶性重金屬鹽的形式侵入周圍環(huán)境。進(jìn)入生態(tài)環(huán)境的含鈾廢水一方面對(duì)周邊水體和土壤產(chǎn)生放射性影響[1]，另一方面通過地表徑流和地下滲流擴(kuò)散到周邊區(qū)域[2-3]，從而對(duì)生態(tài)環(huán)境以及周邊居民的身體健康產(chǎn)生極其不利的影響[4-5]，亟需采取有效措施對(duì)含鈾廢水開展修復(fù)。

常用的含鈾廢水修復(fù)技術(shù)主要有離子交換法、化學(xué)沉淀法、膜分離法、蒸發(fā)濃縮法、吸附法等傳統(tǒng)的物理和化學(xué)方法。但受技術(shù)水平限制，物理方法目前只適用于小面積鈾污染水體的處理，而化學(xué)方法普遍成本較高，并且這兩種方法易產(chǎn)生鈾的二次污染。

近年發(fā)展起來的生物修復(fù)技術(shù)以其成本低廉、安全、環(huán)保、適應(yīng)pH值范圍較廣、適用于大面積和低濃度的鈾污染地域的修復(fù)等特點(diǎn)成為鈾污染修復(fù)技術(shù)的一個(gè)研究熱點(diǎn)[6-8]。如黑麥草等作為典型耐受型植物可以將鈾累積在根部，從而達(dá)到從土壤中將鈾去除的目的。牛天洋等人[9]通過根箱栽培試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在鈾質(zhì)量比為20 mg/kg的土壤中,黑麥草根部吸附量可達(dá)829.25 mg/kg。影響植物對(duì)土壤中鈾的吸收過程的主要因素是pH值、鈾質(zhì)量濃度以及土壤類型等。在鈾污染水體的植物修復(fù)研究方面，有研究表明，如熊凡[10]通過水培實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)蘆葦能在水體中將鈾吸附于植物體內(nèi)，結(jié)果表明在鈾質(zhì)量濃度為1 mg/L時(shí)，蘆葦達(dá)到最大吸附量為768.77 mg/kg。這為運(yùn)用植物修復(fù)技術(shù)治理鈾污染水體提供了可能。但研究表明，不同的植物在對(duì)重金屬的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、耐受性等方面存在差異，單一植物修復(fù)含重金屬污染的水體存在生長緩慢、生物量低、修復(fù)效率慢、易受環(huán)境干擾等不足[11-12]。因此，如何在現(xiàn)有的植物條件下改變植物水培模式對(duì)植物修復(fù)技術(shù)至關(guān)重要。有報(bào)道指出，植物共植可提高生物多樣性、植物適應(yīng)性和植物抗干擾能力，植物共植能更有效地利用光、水、養(yǎng)分，促進(jìn)植物生長[13]。兩種植物可產(chǎn)生互促作用的安全生產(chǎn)方式開始應(yīng)用于低濃度重金屬污染的修復(fù)。

1 材料與方法

1.1 植物共植體系的構(gòu)建

本實(shí)驗(yàn)的供試植物共計(jì)5種，分屬4科5屬，分別為挺水植物-合果芋、挺水植物-白鶴芋、挺水植物-豆瓣綠、浮水植物-滿江紅和沉水植物-莫絲，所有植物均購自衡陽花卉市場(chǎng)。

實(shí)驗(yàn)采用的水培液由改進(jìn)的Hoagland’s營養(yǎng)液(去除KH2PO4)添加鈾標(biāo)準(zhǔn)溶液配制而成，采用10 g/L Na2CO3和5 g/L NaHCO3將緩沖液控制pH=6.0。

所購植物先在清水中培養(yǎng)3 d，選取長勢(shì)相似的植物，合果芋、白鶴芋、豆瓣綠選取單株25～30 g、個(gè)體差異不大的植株；滿江紅、莫絲分別選取20 g、25 g，隨后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的KMnO4溶液消毒10 min，并用去離子水清洗3次，用濾紙擦去植物表面附著的水分，稱取鮮重并記錄，將處理好的植物置于含鈾Hoagland’s水培液中，鈾質(zhì)量濃度為1.0 mg/L(由UO2(NO3)2·6H2O配制)。玻璃缸30 cm×25 cm×15 cm，每個(gè)注入4 L含鈾Hoagland’s水培液，單一植物修復(fù)體系放置4株同種植物，植物共植修復(fù)體系中放入兩種植物，每種植物2株。在南華大學(xué)植物修復(fù)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行培養(yǎng)，溫度控制在20 ℃～25 ℃，設(shè)置每天光照12 h(7:00～19:00)，周期32 d。

1.2 不同共植體系對(duì)低濃度含鈾廢水修復(fù)的影響

植物生長至設(shè)定周期后取出，將其表面沖洗干凈，用濾紙吸干殘余水分，測(cè)量植物鮮重以表征植物的生長率，植物生長率的計(jì)算依據(jù)公式(1)。從植物置于水培營養(yǎng)液時(shí)開始，每6 d檢測(cè)一次水體中鈾質(zhì)量濃度。計(jì)算吸附后水體中鈾質(zhì)量濃度以表征植物對(duì)含鈾廢水的去除率。鈾去除率的計(jì)算依據(jù)公式(2)。將植物燒成灰燼后，取0.2 g用水潤濕，與4 mL HNO3和1 mL HClO4混合，放入石墨消解儀中進(jìn)行消解，過濾后用ICP-MS(7700X，Agilent(USA))測(cè)定溶液中的鈾含量。用生物富集量、生物富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)來表征植物對(duì)鈾的富集特性。生物富集量A(bioaccumulation)是指單位質(zhì)量的植物所富集的鈾含量，它能反映出單位質(zhì)量的植物所能積累的最大鈾質(zhì)量。生物富集系數(shù)B(bioaccumulation factor)為植物中鈾含量與水培液中鈾含量的比值，它可以反映出植物對(duì)鈾的吸收能力，生物富集系數(shù)計(jì)算依據(jù)公式(3)。轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)T(translocation factor)是指植物地上部分的金屬含量與地下部分中的金屬含量的比值。它是用來評(píng)價(jià)植物將重金屬從地下部分向地上部分的運(yùn)輸和轉(zhuǎn)運(yùn)能力的一種指標(biāo)，其計(jì)算依據(jù)公式(4)。

(1)

式中，G為生長率；m0為吸附后植株質(zhì)量(g)；m1為吸附前植株質(zhì)量(g)。

(2)

式中，C0為水中初始的鈾質(zhì)量濃度(mg/L)；C1為吸附后水中的鈾質(zhì)量濃度(mg/L)。

(3)

式中，C為水培液中鈾的濃度(mg/L)；A為生物富集量(mg/kg)。

(4)

式中，C地上為地上部分鈾含量(mg/kg)；C地下為地下部分鈾含量(mg/kg)。

1.3 植物共植對(duì)不同濃度含鈾廢水修復(fù)的影響

為了進(jìn)一步研究植物共植對(duì)不同濃度含鈾廢水修復(fù)的影響，選取合果芋-豆瓣綠共植體系進(jìn)行不同鈾質(zhì)量濃度的水培實(shí)驗(yàn)，鈾質(zhì)量濃度設(shè)置為0.5 mg/L、1.0 mg/L、2.0 mg/L，由1 g/L鈾標(biāo)準(zhǔn)溶液稀釋配置。每隔一天將水培營養(yǎng)液補(bǔ)至初始量并混合均勻。水樣采用定量濾紙和微孔濾膜依次過濾懸浮物后，置于離心管中使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(inductively coupled plasma mass spectromet-ry,ICP-MS)檢測(cè)鈾質(zhì)量濃度。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016對(duì)三個(gè)平行樣的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行計(jì)算，采用統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品與服務(wù)解決方案(statistical product and ser-vice solutions,SPSS)22.0進(jìn)行單因素方差分析和最小顯著性差異法(Least Significant Difference,LSD)多重比較，顯著性P<0.05，最后采用OriginPro 9.0繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同共植體系對(duì)低濃度含鈾廢水修復(fù)的影響

比較15種植物修復(fù)體系總生長率的變化(即植物共植體系中兩種植物分別與其單獨(dú)修復(fù)相比提高的生長率總和)如圖1，可以看出，不同植物共植體系中的總生長率差異明顯，總提高幅度在1.38%～12.25%，按從大到小排序?yàn)槎拱昃G-滿江紅>合果芋-豆瓣綠>白鶴芋-豆瓣綠>滿江紅-莫絲>豆瓣綠-莫絲>白鶴芋-滿江紅>合果芋-白鶴芋>合果芋-滿江紅>合果芋-莫絲>白鶴芋-莫絲。生物量的增長主要是因?yàn)橹参锕仓搀w系可以提高植物地上部分的養(yǎng)分生物有效性，促進(jìn)了植物根系對(duì)磷、鉀等養(yǎng)分吸收，有助于減少氧化損傷，提高抗氧化酶活性。這些變化影響了植物根系形態(tài)和生理，從而導(dǎo)致植物共植體系中植物生物量的變化[14-15]。在植物共植體系中，植物間的主要影響為促進(jìn)和競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，本實(shí)驗(yàn)的10種植物共植體系中植物的生長幾乎沒有觀察到負(fù)面影響，表明這些植物具有良好的適應(yīng)性，可進(jìn)行聯(lián)合種植。

圖1 植物共植體系中植物的總生物量變化Fig.1 Variation in the total biomass of plants in plants co-planting

在不同的植物共植體系和不同的時(shí)間作用下，水體中的鈾質(zhì)量濃度如圖2?？梢钥闯?，植物共植修復(fù)體系與單一植物修復(fù)體系修復(fù)鈾污染水體的過程相似，均可分為三個(gè)階段：快速富集階段(前12 d)，平穩(wěn)富集階段(12～24 d)，平衡階段(24～32 d)。

圖2 不同植物共植體系作用下水體中鈾質(zhì)量濃度的變化Fig.2 Variation of uranium in water under different plants co-planting

在快速富集階段(前12 d)，在植物共植體系的修復(fù)作用下鈾的去除率達(dá)到59.33%～80.03%，這一時(shí)期水中鈾質(zhì)量濃度的快速降低可能是在吸附初期植物中存在大量的與鈾結(jié)合的位點(diǎn)，植物在吸收營養(yǎng)物質(zhì)的同時(shí)也可吸收水體中的鈾。在15種植物修復(fù)體系中合果芋-滿江紅、白鶴芋-滿江紅、豆瓣綠-滿江紅、滿江紅-莫絲、滿江紅植物修復(fù)體系呈現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)，對(duì)鈾的去除率分別為71.27%、72.5%、74.83%、75.83%、80.03%，其中滿江紅修復(fù)體系去除效率最高，這可能得益于滿江紅的高生長率和高修復(fù)率。

在平穩(wěn)富集階段(12～24 d)，植物共植體系對(duì)水體中鈾的去除率達(dá)到了85.57%～97.03%，水體中鈾質(zhì)量濃度仍然表現(xiàn)為整體下降趨勢(shì)，這是因?yàn)樵诖藭r(shí)期植物體內(nèi)仍存在較多的可與鈾結(jié)合的位點(diǎn)，同時(shí)植物生物量也在增加。在15種植物修復(fù)體系中豆瓣綠-滿江紅、滿江紅-莫絲、滿江紅修復(fù)體系的鈾去除效率分別為96.73%、97.20%、97.03%，使水體中的鈾率先降至國家排放標(biāo)準(zhǔn)(50 μg/L)。同時(shí)，合果芋-豆瓣綠、合果芋-滿江紅、合果芋-莫絲、豆瓣綠-莫絲、白鶴芋-豆瓣綠、白鶴芋-滿江紅6種植物共植體系的去除效率均達(dá)到90%以上。

在平衡階段(24～32 d)，鈾的富集增長緩慢逐步穩(wěn)定。這可能是由于植物對(duì)鈾的富集逐步達(dá)到平衡，植物與鈾的結(jié)合位點(diǎn)被占據(jù)從而導(dǎo)致植物富集鈾的能力不再增長。同時(shí)，在15種植物修復(fù)體系中水中鈾的濃度均未出現(xiàn)升高的趨勢(shì)，說明在鈾脅迫作用下植物的根莖葉部位保持完整未出現(xiàn)腐爛解體現(xiàn)象，植物可以有效地將鈾富集在體內(nèi)，使得鈾酰離子不隨時(shí)間的延長而重新釋放回水體。此外，除去合果芋植物修復(fù)體系、白鶴芋植物修復(fù)體系、豆瓣綠植物修復(fù)體系、白鶴芋-莫絲共植修復(fù)體系，其它11種植物修復(fù)體系的鈾去除效率均達(dá)到95%以上，將水中鈾降至國家排放標(biāo)準(zhǔn)(50 μg/L)。

水培實(shí)驗(yàn)結(jié)束后(32 d)，不同植物修復(fù)體系對(duì)鈾的去除率由高到低排序?yàn)闈M江紅>滿江紅-莫絲>豆瓣綠-滿江紅>合果芋-滿江紅>合果芋-豆瓣綠>白鶴芋-滿江紅>白鶴芋-豆瓣綠>豆瓣綠-莫絲>合果芋-莫絲>白合芋-莫絲>合果芋-白鶴芋>莫絲>合果芋>白鶴芋?？梢钥闯?，雖然與滿江紅搭配的植物共植體系(合果芋-滿江紅、白鶴芋-滿江紅、豆瓣綠-滿江紅、滿江紅-莫絲)均表現(xiàn)出高修復(fù)率(97%～99%)，但與滿江紅單獨(dú)修復(fù)體系相比，去除效率均未提高，不滿足本實(shí)驗(yàn)的篩選要求，這可能是由于滿江紅自身的高生長率和高修復(fù)率導(dǎo)致滿江紅在植物共植體系中占據(jù)了主導(dǎo)地位。滿江紅是一種生長在稻田、內(nèi)湖、池塘水池中的小型浮水植物，植株略呈三角形，葉片直徑0.5 cm，生長迅速，多分布于我國東部和南部。胡南[16]等對(duì)五種水生植物進(jìn)行了水培實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明，滿江紅是一種富鈾能力強(qiáng)，且在低濃度鈾脅迫下生長繁殖速度快的植物。合果芋-白鶴芋、合果芋-豆瓣綠、合果芋-莫絲、白鶴芋-豆瓣綠、豆瓣綠-莫絲共植體系與單一體系相比，修復(fù)效率均提高，其中合果芋-豆瓣綠、白鶴芋-豆瓣綠共植體系鈾去除率分別提高了4.7%，6%；4.5%，5.7%，差異顯著(P<0.05)，符合本實(shí)驗(yàn)的篩選條件。

對(duì)篩選出的優(yōu)勢(shì)植物共植體系(合果芋-豆瓣綠、白鶴芋-豆瓣綠)進(jìn)行鈾的富集特性分析，見表1。在合果芋-豆瓣綠中，合果芋地上部分鈾含量為20.202 mg/kg，地上部分干重4.273 g，地下部分鈾含量283.311 mg/kg，地下部分干重0.760 g，與合果芋單一植物修復(fù)相比，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)提高了6%，生物富集系數(shù)、生物富集量提高了37.27%，具有顯著性差異(P<0.05)；豆瓣綠地上部分鈾含量為130.306 mg/kg，地上部分干重1.916 g，地下部分鈾含量949.492 mg/kg，地下部分干重0.296 g，與豆瓣綠單一植物修復(fù)相比，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)提高了132.20%，生物富集系數(shù)、生物富集量提高了63.89%，具有顯著性差異(P<0.05)。在白鶴芋-豆瓣綠中，白鶴芋地上部分鈾含量為40.012 mg/kg，地上部分干重3.457 g，地下部分鈾含量270.890 mg/kg，地下部分干重0.889 g，與白鶴芋單一植物修復(fù)相比，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)提高了127.69%，生物富集系數(shù)、生物富集量提高了108.24%，具有顯著性差異(P<0.05)；豆瓣綠地上部分鈾含量為69.887 mg/kg，地上部分干重1.957 g，地下部分鈾含量1 145.976 mg/kg，地下部分干重0.274 g，與豆瓣綠單一植物修復(fù)相比，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)提高了3.39%，生物富集系數(shù)、生物富集量提高了39.20%，具有顯著性差異(P<0.05)。孟楠等[17]研究了空心菜與10種植物共植種植后吸收Pb的性能，結(jié)果顯示，組合種植顯著提高了空心菜的生物量(15.79%～84.75%)，并提高了整個(gè)修復(fù)體系對(duì)Pb的富集量。劉晨等[18]通過了毛竹幼苗與伴礦景天種植發(fā)現(xiàn)組合種植模式下顯著促進(jìn)了毛竹幼苗與伴礦景天體內(nèi)重金屬由地下向地上的運(yùn)輸，并提高了伴礦景天對(duì)重金屬的積累。這與本研究結(jié)果相似，可能是由于植物間相互作用改變了植物體內(nèi)重金屬的化學(xué)形態(tài)，進(jìn)而影響了植物對(duì)重金屬的吸收。

表1 植物對(duì)鈾的富集特性Table 1 Enrichment characteritics of uranium in plants

2.2 植物共植體系對(duì)不同濃度含鈾廢水修復(fù)的影響

選取合果芋-豆瓣綠植物共植體系對(duì)不同鈾質(zhì)量濃度廢水中進(jìn)行鈾的去除率分析。如表2所示，當(dāng)廢水中鈾質(zhì)量濃度為1 mg/L時(shí)，合果芋-豆瓣綠共植修復(fù)體系修復(fù)效果最佳，鈾去除率可達(dá)98.7%。與單一植物修復(fù)體系相比，合果芋-豆瓣綠共植修復(fù)體系對(duì)鈾的去除率均有提高，合果芋提高了1.9%～4.7%，豆瓣綠提高了2.8%～7%，這表明優(yōu)勢(shì)植物共植對(duì)低濃度含鈾廢水的修復(fù)均有促進(jìn)作用。

表2 植物對(duì)低濃度含鈾廢水中鈾的去除率Table 2 Removal rate of uranium in low concentration uranium-containing wastewater by plants %

3 結(jié) 論

本水培實(shí)驗(yàn)通對(duì)植物對(duì)廢水中鈾去除率、優(yōu)勢(shì)植物共植體系中鈾的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)行計(jì)算后分析比對(duì)。從鈾去除率來看，15種植物修復(fù)體系均對(duì)含鈾廢水表現(xiàn)出良好的修復(fù)效果，在修復(fù)32 d鈾去除率均達(dá)到90%以上，其中合果芋-豆瓣綠、白鶴芋-豆瓣綠共植體系分別提高了4.7%、6%和4.5%、5.7%，差異顯著(P<0.05)，符合本實(shí)驗(yàn)的篩選條件。從對(duì)鈾的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)來看，在優(yōu)勢(shì)植物共植體系合果芋-豆瓣綠中，分別與單一植物修復(fù)相比，豆瓣綠的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)、生物富集系數(shù)、生物富集量分別提高132.20%、63.89%、63.89%，合果芋為6%、37.27%、37.27%；在白鶴芋-豆瓣綠中，白鶴芋轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)、生物富集系數(shù)、生物富集量分別提高127.69%、108.24%、108.24%，豆瓣綠為3.39%、39.20%、39.20%。從植物對(duì)不同鈾質(zhì)量濃度廢水修復(fù)效率來看，植物共植均可提高植物對(duì)鈾的去除效率。與單一植物修復(fù)體系相比，合果芋-豆瓣綠共植修復(fù)體系對(duì)鈾的去除率均有提高，合果芋和豆瓣綠去除率分別提高了1.9%～4.7%和2.8%～7%，表明合理的植物共植可以促進(jìn)植物生長，提高其生物量。植物間相互作用可能改變了鈾的化學(xué)形態(tài)而有利于植物根部的鈾向上轉(zhuǎn)移，因此提高了植物對(duì)鈾的富集特性。