植物對(duì)放射性核素鈷-60吸附與富集的研究進(jìn)展

李 斌，閆 冬，姜曉燕

(中國(guó)疾病預(yù)防控制中心輻射防護(hù)與核安全醫(yī)學(xué)所放射生態(tài)學(xué)研究室，北京 100088)

隨著能源低碳化需求與日俱增，核能的利用在世界范圍內(nèi)快速發(fā)展，并以其可持續(xù)、高效、可靠等優(yōu)勢(shì)給人類社會(huì)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。核能的利用同時(shí)也產(chǎn)生了一定量的放射性核素，一旦它們由于事故等意外排放進(jìn)入到環(huán)境中，難以避免地對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染，并隨著植物的吸附和富集作用進(jìn)入植物體內(nèi)，放射性核素對(duì)植物具有雙重作用，即放射性核素本身的毒性作用以及鈷-60(60Co)發(fā)出的γ射線對(duì)植物的內(nèi)外照射作用，對(duì)植物的生理生化功能產(chǎn)生的影響。放射性核素60Co是壓水堆核電站的主要液態(tài)放射性流出物之一，一旦意外排放進(jìn)入環(huán)境，被植物等非人類物種吸附與富集，將通過生物圈進(jìn)入食物鏈，若放射性核素通過食物鏈大量進(jìn)入人體，勢(shì)必會(huì)在人體內(nèi)形成內(nèi)照射，直接威脅人類健康。

目前，研究放射性核素污染修復(fù)較為常見的方法是生物修復(fù)，包括植物修復(fù)、微生物修復(fù)、植物與微生物聯(lián)合修復(fù)等，其中植物修復(fù)法以其成本低、效益高、操作簡(jiǎn)單、不破壞土壤理化性質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)成為當(dāng)下研究較熱的一個(gè)前沿領(lǐng)域[1]。而在生態(tài)環(huán)境中，多種因素都能夠?qū)Ψ派湫院怂貜耐寥赖街参锏霓D(zhuǎn)移產(chǎn)生或強(qiáng)或弱的影響，這些因素包括植物種類、放射性核素的種類及其理化特性、土壤學(xué)特征、菌根共生的存在等[2]。 此外，可以根據(jù)經(jīng)60Co γ射線照射植物后，植物生長(zhǎng)、生理特性及其植物體內(nèi)物質(zhì)的變化情況，分析植物對(duì)輻射的敏感性。

研究植物對(duì)60Co 的富集作用，一方面利用某些植物對(duì)60Co吸附和富集能力強(qiáng)的特征，尋找超富集植物，直接吸收環(huán)境中的鈷，在植物體內(nèi)通過一系列的生理過程將其轉(zhuǎn)化為毒性較小的形式，再轉(zhuǎn)移到植物地上部分[3]，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的修復(fù)，探索植物協(xié)助核素鈷清出的可行性；另一方面，研究60Co釋放的γ射線照射對(duì)植物生理功能的影響，尋找植物受照射后的敏感指標(biāo)作為標(biāo)志物，為核事故應(yīng)急、劑量估算模型建立等進(jìn)行預(yù)測(cè)、預(yù)警提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與技術(shù)支撐。本文通過對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)調(diào)研，歸納和總結(jié)有關(guān)植物對(duì)60Co的吸附與富集能力方面的研究，以及植物受到60Co γ射線照射后生長(zhǎng)生理特性變化方面的研究，探索植物對(duì)60Co 的富集能力以及植物修復(fù)環(huán)境60Co 污染的可行方法，為進(jìn)一步的植物修復(fù)研究提供理論依據(jù)。

1 植物對(duì)鈷的吸附與富集

1.1 植物對(duì)核素吸附能力的內(nèi)部影響因素

植物吸附與富集核素的能力可以用富集系數(shù)(bioconcentration factor，BCF)和轉(zhuǎn)移系數(shù)(bio-transportation factor，BTF)進(jìn)行評(píng)價(jià)。BCF=wp/ws，式中wp為植物體內(nèi)的核素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mg/kg)；ws為根際土壤中核素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mg/kg)。BTF=wa/wr，式中wa為植物地上部的核素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mg/kg)；wr為植物根部的核素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mg/kg)。其分別反映植物吸附環(huán)境土壤中核素的能力和植物吸附核素后從根部轉(zhuǎn)移到地上部的能力[4]。此外，脅迫性研究中還需要使用相關(guān)生物效應(yīng)指標(biāo)[5]。

放射性核素60Co進(jìn)入環(huán)境后隨著時(shí)間的推移，將與環(huán)境中的穩(wěn)定Co 逐漸達(dá)到平衡，且植物在富集Co 時(shí)不會(huì)區(qū)分60Co 和穩(wěn)定Co[6]，因此，在分析植物對(duì)60Co 的吸附能力時(shí)，除了測(cè)定植物體內(nèi)金屬Co含量，還要通過測(cè)量60Co的比活度對(duì)植物的富集能力進(jìn)一步評(píng)估。

1.1.1 不同植物富集核素60Co能力的差異不同植物具有不同的生理特性和代謝規(guī)律，導(dǎo)致對(duì)于60Co的吸附能力存在一定程度的差異，在相同60Co 濃度的培養(yǎng)環(huán)境下，不同植物對(duì)60Co 的吸附的能力不同，即使同科不同屬的植物富集系數(shù)之間差距也較為顯著，如菊科中牛膝菊的富集系數(shù)為22.70，而野茼蒿的富集系數(shù)僅為11.96[1]。

1.1.2 植物器官對(duì)核素60Co的吸附與富集能力的影響植物經(jīng)由根部吸收的環(huán)境中的60Co，通過一系列的生理代謝轉(zhuǎn)運(yùn)到莖、葉等不同器官并積聚，但植物各部位對(duì)60Co 的親和力不同，60Co含量分布也存在一定的差異。研究發(fā)現(xiàn)[7]，油菜各器官對(duì)鈷的吸收分布規(guī)律為根部>莖>葉，且老葉葉柄中60Co的含量高于嫩葉葉柄，可能與老葉導(dǎo)管發(fā)育更完善，運(yùn)輸能力更強(qiáng)有關(guān)。該研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鈷濃度達(dá)到100 mg/kg 時(shí)，無(wú)論老葉還是嫩葉，葉柄中60Co 含量高于葉片，這可能是油菜對(duì)60Co 脅迫的應(yīng)激反應(yīng)。

1.1.3 植物生長(zhǎng)期對(duì)核素60Co的吸附與富集能力的影響植物在不同生長(zhǎng)期對(duì)60Co的富集能力不同。在Quinto等[2]對(duì)萵苣的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著生物量的增長(zhǎng)，植株中60Co的總活性呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，但這種趨勢(shì)表現(xiàn)為指數(shù)<1的冪指數(shù)增長(zhǎng)，也就是說，植物每單位質(zhì)量中60Co的比活度隨著生長(zhǎng)階段減少。

1.1.4 對(duì)核素60Co吸附和富集能力較強(qiáng)的植物隨著60Co濃度升高，植物生物量降低，對(duì)60Co的吸附量和積累量呈現(xiàn)出不同程度的升高，而轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)、富集系數(shù)及60Co吸附量的變化趨勢(shì)不盡相同：牛膝菊在中度處理水平時(shí)對(duì)60Co的吸附量、轉(zhuǎn)移系數(shù)及總富集系數(shù)均較高，而龍葵的60Co吸附量較高但轉(zhuǎn)移、富集能力一般，其間相關(guān)性有待進(jìn)一步研究[8]。另外，植物對(duì)60Co的富集是植物體內(nèi)吸附與分配的結(jié)果，與生物量關(guān)系不大：豌豆的生物量是油菜的96.46 倍，而其積累量只比油菜多出2.09倍，由此可見，油菜對(duì)60Co 具有更強(qiáng)的富集能力[9]。因此，在選擇植物對(duì)60Co 污染土壤進(jìn)行修復(fù)時(shí)，應(yīng)綜合考慮60Co 對(duì)植物的脅迫作用及植物對(duì)60Co的富集能力。

1.2 植物吸附核素60Co能力的外部影響因素

1.2.1 微生物與植物共生可提高植物對(duì)核素60Co的吸附接種叢枝菌根真菌(AMF)通過增加番茄的生物量，從而不同程度地促進(jìn)番茄對(duì)土壤中有效態(tài)60Co 的吸附，增強(qiáng)番茄對(duì)60Co 的富集能力[10]。此外，高羊茅、一年生黑麥草與蠟樣芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌和蘇云金桿菌所組成的配伍組合可以有效提高對(duì)60Co離子的清出能力[11]。

1.2.2 金屬螯合劑影響重金屬向植物轉(zhuǎn)移添加金屬螯合劑可以活化土壤中的重金屬，增加土壤溶液的重金屬含量，以便植物吸附重金屬[12]。向土壤中加入EDTA、NTA 等人工螯合劑可以誘導(dǎo)植物超常吸附重金屬[13]，其中，某些螯合劑還可以通過與重金屬結(jié)合，形成穩(wěn)定的螯合物降低重金屬離子在植物細(xì)胞中的毒性[14]。

2 60Co γ射線對(duì)植物生長(zhǎng)和生理特性的影響

2.1 植物生長(zhǎng)特性的改變

有研究認(rèn)為，經(jīng)60Co γ射線輻射處理后，與生長(zhǎng)素分泌相關(guān)的基因被直接或間接激活，植株細(xì)胞分裂加速，核酸和蛋白質(zhì)合成加快，從而促進(jìn)植物生長(zhǎng)[15]。茉莉種子在經(jīng)20 Gy60Co γ射線輻射處理后，萌發(fā)進(jìn)程加快[16]。黃瓜種子在接受50 Gy60Co γ射線處理后，幼苗根系生長(zhǎng)加快，側(cè)根增加[17]。

此外，在Kim 等[18]的研究中(處理劑量分別為100、200、300、400、800、1 200、1 600、2 000 Gy)發(fā)現(xiàn)，相對(duì)較低劑量的(100 Gy)60Co γ射線輻射還可以通過改變植物細(xì)胞內(nèi)的激素信號(hào)通路或增加細(xì)胞抗氧化能力刺激植物生長(zhǎng)，提高植物抗逆性。經(jīng)過50 Gy60Co γ射線預(yù)處理的青稞幼苗體內(nèi)編碼重金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的基因轉(zhuǎn)錄水平顯著上調(diào)，能夠有效增強(qiáng)青稞幼苗重金屬耐受性，緩解Pb、Cd環(huán)境脅迫所帶來的損傷[19]。

隨著輻照劑量的增加，植物種子內(nèi)部的自由基和酶活性變化逐漸積累，損傷種胚組織，進(jìn)而影響細(xì)胞的生長(zhǎng)和分裂，使萌發(fā)進(jìn)程受阻，方竹種子受到30 Gy60Co γ射線處理后，萌發(fā)起始日期相較于對(duì)照組推遲3 d，并提前2 d結(jié)束[20]。

2.2 植物細(xì)胞生理特性的改變

2.2.1 60Co γ射線照射對(duì)葉綠素含量的影響低劑量(50 Gy)60Co γ射線輻照可以一定程度上保護(hù)植物葉綠體超微結(jié)構(gòu)免受Pb、Cd等重金屬的破壞，通過增加抗氧化酶活性和脯氨酸積累減少植株氧化損傷，使葉綠體保持橢圓形的形態(tài)及維持良好狀態(tài)的類囊體膜，最終提高光合能力[19]。茉莉花種子受到20~60 Gy劑量照射后，其幼苗葉片中葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b均顯著低于對(duì)照，80 Gy 條件下，三者含量均顯著高于對(duì)照[16]。此外，低劑量60Co γ輻射(20 Gy)可以通過增加葉綠體大小，減少干旱脅迫，在一定程度上重建葉綠體結(jié)構(gòu)，并增加葉綠素含量來增強(qiáng)大豆的耐旱性[21]。

高劑量(高達(dá)100 Gy)60Co γ射線輻射植物使其體內(nèi)細(xì)胞膜脂過氧化增強(qiáng)，活性氧增加，膜穩(wěn)定性降低，類囊體膜受損，光合產(chǎn)物的跨膜運(yùn)輸受阻，使葉綠素在輻射下降解或合成過程受阻[22]。經(jīng)50 Gy60Co γ輻射處理后，黃瓜幼苗子葉中葉綠素含量高于對(duì)照組，隨著輻射劑量增加，葉綠素含量直線下降，到1 000 Gy時(shí)，植株葉面散生條狀黃斑[17]。在2~30 Gy劑量范圍內(nèi)的60Co γ射線照射下，萵苣中的光合色素水平增加，但在更高的劑量條件(高達(dá)70 Gy)色素含量下降[23]。

2.2.2 60Co γ射線照射對(duì)植物滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響在逆境脅迫發(fā)生時(shí)，植物細(xì)胞通過主動(dòng)積累胞內(nèi)一些相容性物質(zhì)來維持滲透壓的平衡，從而保持細(xì)胞內(nèi)部生物膜結(jié)構(gòu)的完整性和蛋白質(zhì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以減輕脅迫損害，這些相容性物質(zhì)即為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，主要包括無(wú)機(jī)離子、糖類、多元醇、氨基酸和生物堿等，其含量與植物的抗逆性有關(guān)[24-25]。適當(dāng)劑量的60Co γ輻射有助于植物細(xì)胞中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累，改善植物的水分失衡，抵御逆境脅迫，而較高劑量的60Co γ射線輻射對(duì)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量具有明顯的抑制作用。在干旱脅迫下，60Co γ輻照劑量在100 Gy 以下時(shí)無(wú)芒雀麥幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量增加，當(dāng)輻射劑量高于200 Gy 時(shí)，無(wú)芒雀麥幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量顯著降低[26]。在NaCl 脅迫下，胡麻幼苗接受1 000 Gy 劑量60Co γ射線照射后，葉片中可溶性蛋白、可溶性糖及脯氨酸含量均顯著增加，當(dāng)照射劑量達(dá)到3 000 Gy 時(shí)，三者含量均顯著降低[27]。

2.2.3 60Co γ射線照射對(duì)丙二醛含量的影響植物在受到60Co γ輻射或其他逆境脅迫時(shí)，體內(nèi)自由基代謝失衡，活性氧防御系統(tǒng)的功能失調(diào)，產(chǎn)生大量膜脂過氧化物——丙二醛(malondialdehyde，MDA)，其含量可以衡量植物膜系統(tǒng)受損程度。輻射處理植物使細(xì)胞膜內(nèi)活性氧、自由基等有害物質(zhì)增加，膜脂過氧化增強(qiáng)，進(jìn)而刺激MDA 含量增加。青稞幼苗受到100~300 Gy60Co γ輻射后，植株細(xì)胞內(nèi)的MDA 含量相較于對(duì)照組呈現(xiàn)不同程度的增加[19]。

適當(dāng)劑量的60Co γ輻射可以緩解逆境對(duì)植物的損傷，一定程度上提高植物的抗逆性，而高劑量輻射能夠加劇逆境對(duì)植物的損傷。在鹽脅迫條件下，1 000 Gy以下60Co γ輻射可降低胡麻幼苗葉片MDA 含量，當(dāng)劑量為1 500和3 000 Gy時(shí)MDA 含量顯著升高[27]；用50 Gy60Co γ輻照預(yù)處理可以有效降低青稞幼苗中MDA含量，可緩解其被Pb/Cd誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激[19]。

2.2.4 60Co γ射線照射對(duì)植物抗氧化保護(hù)性酶活性的影響植物抗氧化酶類包括超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、過氧化物酶(peroxidase，POD)、過氧化氫酶(catalase，CAT)等。在正常情況下，植物細(xì)胞內(nèi)的活性氧水平處于動(dòng)態(tài)平衡，不會(huì)對(duì)植物造成損傷，當(dāng)植物受到脅迫時(shí)，體內(nèi)氧代謝失調(diào)，植物通過SOD、POD、CAT 等保護(hù)性酶協(xié)調(diào)工作緩解活性氧傷害。

SOD作為細(xì)胞清除活性氧過程中第一個(gè)發(fā)揮作用的抗氧化酶，對(duì)輻射劑量的改變更敏感，能夠有效清除植物細(xì)胞內(nèi)的生成無(wú)毒的O2和毒性較低的H2O2，減弱膜脂過氧化作用，一定程度上修復(fù)60Co γ輻射或其他逆境所造成的損傷。茉莉花種子經(jīng)60 Gy60Co γ射線輻射后，其幼苗葉片中SOD 活性顯著升高，之后隨著輻照劑量增加逐漸降低[16]。60Co γ射線輻射可以通過增加植物體內(nèi)保護(hù)性酶活性緩解逆境脅迫所帶來的氧化損傷。在干旱脅迫下，無(wú)芒雀麥幼苗SOD活性在60Co γ輻射劑量為50 Gy時(shí)最大，比對(duì)照增加44.49%，隨后逐漸降低，劑量為輻射200 Gy 時(shí)，SOD 活性較對(duì)照降低了17.83%，POD 與CAT活性變化趨勢(shì)與SOD一致[26]。

POD與CAT通過清除體內(nèi)H2O2，從而提高自身抗逆性，減少逆境所造成的傷害。在低劑量條件下，POD活性與對(duì)照相比雖有所提高，但其含量仍然較低，說明在此條件下，細(xì)胞受損并不嚴(yán)重或損傷可以及時(shí)修復(fù)。隨著60Co γ輻照劑量的增加，露地菊葉片中SOD 的活性逐漸受到抑制，細(xì)胞內(nèi)過氧化物增多，POD 活性受到刺激而逐漸增強(qiáng)[28]。輻照處理后，植株中CAT 活性變化不一：隨著輻照劑量的增加，東林瑞雪植株中CAT活性呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，而粉翎的CAT活性呈逐步上升的趨勢(shì)[28]。不同的植物對(duì)60Co γ射線的耐受程度不同，此外，不同的處理部位、處理劑量、處理時(shí)間等都可能導(dǎo)致不同的反應(yīng)。

2.3 對(duì)60Co γ射線照射敏感的部分植物舉例

植物受到60Co γ輻射后，初期表現(xiàn)為葉片掉落、生長(zhǎng)遲緩、出芽慢甚至死亡，此類反應(yīng)可以統(tǒng)稱為損傷效應(yīng)，不同植物品種對(duì)輻射的敏感性不同，受照后的損傷效應(yīng)也有不同表現(xiàn)。吳萍等[29]依據(jù)半致死量對(duì)4 種藥用植物評(píng)價(jià)輻照敏感性，紫蘇半致死劑量在50~100 Gy 之間，對(duì)60Co γ照射敏感性較高，車前種子的半致死劑量在300~400 Gy 之間，益母草和蒲公英種子的半致死劑量大于400 Gy，對(duì)60Co γ射線的耐受能力較強(qiáng)。張瑞勛等[30]則以發(fā)芽率評(píng)估作物對(duì)輻射的敏感性，各品種的輻射敏感性從弱到強(qiáng)依次為油菜<大麥<糯玉米<甜玉米<棉花<大豆<水稻；此外，該研究發(fā)現(xiàn)，各品種作物的輻射敏感性與染色體中DNA 含量呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.844)，這可能與較大的基因組或DNA量受γ射線照射后產(chǎn)生突變概率較小，或基因自我修復(fù)能力較強(qiáng)有關(guān)。

3 小結(jié)與展望

不同植物對(duì)60Co的吸附能力存在一定的差異，且同一種植物對(duì)60Co 的富集程度受到60Co 的形態(tài)、微生物及金屬螯合物等因素的影響從而有所波動(dòng)。植物的生物量與其對(duì)60Co的富集能力未見明顯聯(lián)系，富集能力較強(qiáng)的植物有野茼蒿、油菜、蘿卜等。因此，在未來的研究中，可進(jìn)一步篩選對(duì)60Co富集能力強(qiáng)的植物，吸附環(huán)境中的60Co以達(dá)到修復(fù)核污染土壤等生態(tài)環(huán)境的目的，并使之發(fā)展為一種切實(shí)可行、行之有效的方法。

60Co在植物不同部位的分布不同，富集規(guī)律主要表現(xiàn)為地下部分>地上部分，以根部為主，地上可食部分積累相對(duì)較少，而一些可食用部分為地下部分的作物少有研究，在未來的研究中，可以將此類作物納入研究，以探究其中60Co殘留所造成的內(nèi)照射對(duì)人體健康所帶來的影響。

60Co 處理后植物的生長(zhǎng)、生理特性發(fā)生變化，低劑量條件下，植物根長(zhǎng)、坐果率、干質(zhì)量等相比于對(duì)照均有所升高，而且適當(dāng)劑量60Co γ輻射有助于提高植物對(duì)逆境脅迫的抵抗能力。此外，低劑量輻照造成的損傷引起一系列修復(fù)酶的活動(dòng)，可引起植物加速生長(zhǎng)，植物光合色素含量增加，SOD 活性升高，植物體內(nèi)活性氧清除系統(tǒng)功能增強(qiáng)，MDA含量降低；當(dāng)輻射劑量較高時(shí)，植物細(xì)胞受到損傷，膜系統(tǒng)遭到破壞，植物光合色素被降解或合成受阻，而SOD 活性逐漸降低，MDA 產(chǎn)生增多，同時(shí)，POD與CAT的活性被誘導(dǎo)升高。由此推測(cè)，植物在不同劑量條件下的生長(zhǎng)特性變化趨勢(shì)可能存在拐點(diǎn)，植物可通過自身修復(fù)機(jī)制調(diào)節(jié)酶活性以保護(hù)自身免受或少受輻射損傷，可從分子水平進(jìn)一步探究該過程的極限劑量，并為育種提供資料。與此同時(shí)，可以根據(jù)植物對(duì)60Co γ射線輻射的敏感性，篩選能夠指示60Co 礦所在地的植物；開展60Co γ射線照射對(duì)植物的生理功能的影響，尋找某些植物因受照射后而變化的敏感指標(biāo)，作為標(biāo)志物，為核事故發(fā)生發(fā)展趨勢(shì)、劑量估算模型建立等進(jìn)行預(yù)測(cè)、預(yù)警提供技術(shù)支撐。