茍志坤 陳 鵬 徐 剛 樊 偉 龔小強(qiáng) 曹 穎 胡尚連
(西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院,植物細(xì)胞工程實(shí)驗(yàn)室/四川省生物質(zhì)資源利用與改性工程技術(shù)研究中心,四川 綿陽(yáng) 621010)
在鈾尾礦治理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量難以處理的鈾廢水[1]。鈾廢水排放或流失到環(huán)境中會(huì)通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體,從而對(duì)人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重危害[2-3]。處理鈾廢水的方法有化學(xué)法、物理法和生物法,其中生物法中的植物修復(fù)技術(shù)因成本低、操作方便、不易造成二次污染等優(yōu)點(diǎn)而成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)[4-5]。目前,利用植物修復(fù)技術(shù)能夠?qū)⑺w中的重金屬元素富集到植物地上部分,再通過(guò)收割地上部分進(jìn)行處理,在一定程度上能夠達(dá)到減少或去除廢水中重金屬污染的效果[6-7]。Liu等[8]通過(guò)水培試驗(yàn)研究了毛竹幼苗對(duì)鉛的積累和耐性,結(jié)果表明當(dāng)鉛濃度達(dá)到400 mg·L-1時(shí),毛竹幼苗生長(zhǎng)受到明顯抑制,根、莖、葉中吸收鉛濃度分別為4 282.8、482.2和148.8 mg·kg-1。李松[9]研究水培條件下重金屬脅迫對(duì)毛竹幼苗生長(zhǎng)的影響,結(jié)果表明鉛和鋅濃度分別為10~200和10~100 mg·L-1時(shí),毛竹表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗逆性,其植株生長(zhǎng)茂盛;在受到重金屬鉛、鋅、銅污染水體的影響下,毛竹生物量隨著重金屬濃度的增加呈先上升后下降趨勢(shì),在鎘污染下,毛竹生物量則呈下降趨勢(shì)。但目前有關(guān)毛竹應(yīng)用于含鈾廢水治理中的相關(guān)報(bào)道較少。因此,本研究以毛竹為研究對(duì)象,采用水培試驗(yàn)研究不同濃度鈾脅迫對(duì)毛竹生理生化指標(biāo)及鈾富集特性的影響,旨在為植物應(yīng)用于鈾廢水污染水體修復(fù)提供一定的實(shí)踐參考和理論依據(jù)。
毛竹幼苗購(gòu)自四川省眉山市,為一年生實(shí)生苗,株高12 cm,3~4 片真葉。試驗(yàn)地點(diǎn)位于西南科技大學(xué)校內(nèi)試驗(yàn)基地智能溫室,時(shí)間為2022年夏季,溫室平均溫度24.7~27.3 ℃,相對(duì)濕度50%~60%。
選擇生長(zhǎng)良好、長(zhǎng)勢(shì)一致的毛竹幼苗,用離子水清洗后,將其移入裝有1/4 Hoagland’s 改良營(yíng)養(yǎng)液[10]的黑色塑料小桶中(桶的規(guī)格為2 L),培養(yǎng)3 d 后對(duì)毛竹幼苗進(jìn)行不同濃度鈾處理。將不同重量且穩(wěn)定的乙酸雙氧鈾[UO2(CH3COO)2·2H2O]加入1/4 Hoagland’s 改良營(yíng)養(yǎng)液(mg·L-1)[10],配置不同濃度鈾處理溶液,乙酸雙氧鈾濃度分別為0、10、25、50、100、200、400 mg·L-1,分別記為CK、U10、U25、U50、U100、U200、U400,每個(gè)處理3 次生物學(xué)重復(fù),每桶6 株,每隔3 d 更換一次溶液,處理30 d 后收獲植株,并根據(jù)Wang 等[11]的方法進(jìn)行取樣,其中每個(gè)處理取4 株,然后把根、莖、葉分開(kāi),根據(jù)不同測(cè)定指標(biāo)進(jìn)行樣品制備。
1.3.1 光合參數(shù)測(cè)定 采用Li-6400 便攜式光合測(cè)定儀(美國(guó)Li-COR 公司)直接測(cè)定毛竹葉片的光合參數(shù)。選取從上到下第3 片完全展開(kāi)的成熟葉片,于上午9∶00—11∶00 光照強(qiáng)度800 μmol·m-2·s-1、葉室溫度24 ℃的條件下,測(cè)定毛竹葉片氣體交換參數(shù),包括凈光合速率(net photosynthetic rate,Pn)、蒸騰速率(transpiration rate,Tr)、氣孔導(dǎo)度(stomatic conductance,Gs)和胞間CO2濃度(intercellular CO2concentration,Ci),每個(gè)樣本5次生物學(xué)重復(fù)。
1.3.2 葉綠素含量測(cè)定 參照《現(xiàn)代植物生理學(xué)》[12]的方法,稱取毛竹葉片0.1 g 用于提取葉綠素含量,使用U-3900 紫外分光光度計(jì)(日本日立公司)測(cè)定663和645 nm 處的吸光值A(chǔ)663和A645,3 次重復(fù)。按下列公式計(jì)算葉綠素a(chlorophyll a,Chl a)和葉綠素b(chlorophyll b,Chl b)含量[13]:
Chl a=12.21A663-2.81A645;
Chl b=20.13A645-5.03A663。
1.3.3 生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定 取不同濃度鈾處理的毛竹幼苗,用10 mmol·L-1乙二胺四乙酸二鈉(ethylene diamine tetra acetate,EDTA-2Na)溶液浸泡15 min,洗去附著在植株根系表面的重金屬,再用蒸餾水沖洗,吸干表面水分。然后分別對(duì)每個(gè)處理的單株根、莖、葉部位稱量鮮重,裝入信封袋中,于105 ℃烘箱中殺青30 min,75 ℃干燥至恒重,再稱取根、莖、葉的干重[14]。
1.3.4 抗氧化酶活性的測(cè)定 稱取0.1 g葉片樣本加入1 mL酶活提取液,冰浴中研磨成勻漿,在8 000 r·min-1下離心10 min,取0.2 mL 上清液用于酶活測(cè)定。選用北京索萊寶科技有限公司的抗氧化酶系列試劑盒分別測(cè)定超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、過(guò)氧化物酶(peroxidase,POD)、過(guò)氧化氫酶(catalase,CAT)、抗壞血酸過(guò)氧化物酶(ascorbate peroxidase,APX)活性和丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量,每個(gè)處理5個(gè)生物學(xué)重復(fù)。
1.3.5 鈾含量分析 使用FW135 中草藥粉碎機(jī)(北京永光明醫(yī)療儀器有限公司)將烘干后的樣品材料根莖葉分別粉碎,稱取0.1 g,加入3 mL硝酸和1 mL鹽酸的混合液,在Synthos 3000 微波消解儀(奧地利安東帕公司)中消解樣本,每個(gè)部位重復(fù)消解3 次,稀硝酸定容至50 mL后,經(jīng)0.45 μm濾膜過(guò)濾到10 mL的塑料離心管中;使用7700x ICP-MS 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(美國(guó)安捷倫科技有限公司)測(cè)定鈾含量,并按以下公式計(jì)算鈾的生物轉(zhuǎn)移系數(shù)(transferfactor,TF)和富集系數(shù)(bioconcentrationfactor,BCF):
BCF=植物中重金屬濃度÷水體重金屬濃度;
TF=植物地上部重金屬濃度÷植物地下部重金屬濃度。
使用SPSS 26 軟件對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析,從而確定各處理組之間的差異,應(yīng)用Origin 2022軟件繪圖。
生物量是揭示植物對(duì)逆境脅迫響應(yīng)的常用指標(biāo)。由圖1可知,隨著鈾濃度的增加,毛竹幼苗鮮重和干重呈先升高后降低的趨勢(shì)。其中50 mg·L-1鈾脅迫對(duì)毛竹生物量促進(jìn)最明顯,該濃度下,毛竹地上部鮮重和干重分別比對(duì)照組提高了6.74%和12.08%,地下部鮮重和干重分別比對(duì)照組提高了7.82%和7.01%。200~400 mg·L-1鈾脅迫對(duì)毛竹生物量具有抑制作用,在400 mg·L-1鈾濃度下,毛竹地上和地下部鮮重及干重均較對(duì)照顯著降低,該濃度鈾脅迫對(duì)毛竹生長(zhǎng)抑制程度最顯著。
圖1 不同濃度鈾脅迫下毛竹鮮重(A)和干重(B)的變化Fig.1 Changes in fresh weight(A)and dry weight(B)of moso bamboo biomass under different concentrations of uranium stress
由圖2可知,毛竹葉片的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)均隨著鈾濃度的增加呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。Pn、Tr 和Gs 在50 mg·L-1鈾濃度處理下達(dá)到最大值,并高于對(duì)照組,其中Tr 與其他處理組之間差異顯著。在400 mg·L-1鈾濃度時(shí),Tr、Pn、Gs 分別較對(duì)照降低了18.81%、39.71%和36.25%,以Pn 下降幅度較大。胞間CO2濃度(Ci)隨著鈾濃度的增加而降低,處理間均無(wú)顯著差異。
圖2 不同鈾濃度下毛竹葉片凈光合速率(A)、蒸騰速率(B)、氣孔導(dǎo)度(C)和胞間CO2濃度(D)參數(shù)的變化Fig.2 Changes in parameters of net photosynthetic rate(A),transpiration rate(B),stomatal conductance(C)and intercellular CO2 concentration(D)of moso bamboo leaves at different uranium concentrations
葉綠素含量通??梢苑从持参锏纳L(zhǎng)情況,同時(shí)也能夠反映植物光合作用的強(qiáng)弱。由圖3 可知,隨著鈾濃度的增加,毛竹幼苗葉片葉綠素a、b 及葉綠素總含量整體呈降低的趨勢(shì)。當(dāng)鈾濃度為25 mg·L-1時(shí),葉綠素a、b 及葉綠素總含量較對(duì)照組無(wú)顯著差異;當(dāng)鈾濃度為100~200 mg·L-1時(shí)則顯著低于對(duì)照組;當(dāng)鈾濃度為400 mg·L-1時(shí),葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總含量和Chl a/Chl b分別較對(duì)照組顯著下降42.02%、32.69%、35.21%和25.00%,葉綠素a 含量下降幅度大于葉綠素b含量下降幅度,說(shuō)明鈾對(duì)毛竹葉綠素a的抑制作用明顯大于葉綠素b。
圖3 不同鈾濃度脅迫下對(duì)毛竹葉綠素a含量(A)、葉綠素b含量(B)、葉綠素(a+b)含量(C)和葉綠素a/b(D)變化的影響Fig.3 Effects of different uranium concentration stress on the changes of chlorophyll a content(A),chlorophyll b content(B),chlorophyll(a+b)content(C)and chlorophyll a/b(D)in moso bamboo
當(dāng)植物遭受逆境脅迫時(shí),其抗氧化物酶起到了關(guān)鍵性的調(diào)控作用。在不同濃度鈾脅迫下,毛竹的抗氧化酶活性和MDA含量測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖4。各濃度鈾處理下,SOD、POD、CAT 和APX 活性均呈現(xiàn)出低濃度促進(jìn)、高濃度抑制的變化趨勢(shì),且在鈾濃度為50 mg·L-1時(shí)達(dá)到最大值,分別較對(duì)照組增加了33.02%、38.75%、27.36%和22.25%;當(dāng)濃度大于100 mg·L-1后,隨著濃度的增加,毛竹葉片四種抗氧化酶活性逐漸降低,在400 mg·L-1濃度下分別較對(duì)照下降了33.02%、38.75%、27.36%和22.25%。MDA 含量隨著鈾濃度的增加而逐漸增加,且在鈾濃度為100~400 mg·L-1處理下差異顯著(P<0.05),以400 mg·L-1鈾濃度脅迫下的MDA 含量最高,較對(duì)照組增加40.78%。
圖4 不同鈾濃度脅迫下毛竹的SOD(A)、POD(B)、CAT(C)、APX活性(D)和MDA含量(E)變化Fig.4 Changes in SOD(A),POD(B),CAT(C),APX activity(D)and MDA content(E)of moso bamboo under different uranium concentration stresses
評(píng)價(jià)植物富集重金屬能力的重要指標(biāo)是植物體各器官所吸收重金屬的含量。由表1 可知,毛竹幼苗對(duì)鈾具有一定的富集能力,隨著培養(yǎng)基中鈾濃度的增加,毛竹植株各器官的鈾富集濃度均表現(xiàn)為根>莖>葉。當(dāng)鈾濃度為400 mg·L-1時(shí),毛竹根、莖、葉鈾富集濃度別為9 089、519和276 mg·kg-1。BCF 和TF 分別用于評(píng)價(jià)植物對(duì)鈾的積累和轉(zhuǎn)移作用,在不同鈾濃度處理下,毛竹富集系數(shù)均表現(xiàn)為根/莖>莖/莖>葉/莖,轉(zhuǎn)移系數(shù)表現(xiàn)為葉/根>莖/根。當(dāng)鈾濃度為10 mg·L-1時(shí),毛竹總富集系數(shù)達(dá)到最大值,為10.838;總轉(zhuǎn)移系數(shù)在鈾濃度為50 mg·L-1時(shí)達(dá)到最大值,為0.238。說(shuō)明在上述兩個(gè)濃度下,毛竹吸收和轉(zhuǎn)移鈾的能力較強(qiáng)。
表1 不同濃度鈾處理毛竹30 d時(shí)鈾的富集與分布情況Table 1 Uranium enrichment and distribution in moso bamboo treated for 30 days with various enriched uranium sources
不同濃度鈾脅迫下毛竹生理指標(biāo)和富集系數(shù)、轉(zhuǎn)移系數(shù)的相關(guān)性分析結(jié)果表明(表2),Pn 和Tr、Ci呈顯著或極顯著正相關(guān),Tr與Ci呈極顯著正相關(guān),Ci與MDA、Chl a、Chl b含量和TF呈顯著正相關(guān),SOD活性和POD、CAT、APX 活性呈顯著或極顯著正相關(guān),POD 活性與APX活性呈極顯著正相關(guān),CAT活性和APX活性、MDA含量呈顯著或極顯著正相關(guān),APX 活性和Chl a含量呈顯著正相關(guān),MDA 與Chl a 含量呈極顯著正相關(guān),BCF和TF呈極顯著正相關(guān)。
表2 鈾脅迫下毛竹生理指標(biāo)和富集系數(shù)、轉(zhuǎn)移系數(shù)的相關(guān)性分析Table 2 Analysis of the relationships between uranium-stressed moso bamboo’s enrichment and transfer coefficients and physiological markers
重金屬污染土壤會(huì)嚴(yán)重影響植物生長(zhǎng),當(dāng)濃度超過(guò)臨界值時(shí),會(huì)出現(xiàn)植株生長(zhǎng)狀況不良、葉片褪綠變黃及葉片枯萎、生物量明顯減少及植株死亡等毒害癥狀[14-16]。植物遭受重金屬毒害癥狀最直觀的表現(xiàn)是生物量,同時(shí)生物量也是評(píng)估植物抗逆能力的重要指標(biāo)。本研究中,毛竹生物量(鮮重和干重)隨著鈾濃度的增加呈現(xiàn)先增加后降低趨勢(shì),低濃度(10~50 mg·L-1)鈾脅迫對(duì)毛竹幼苗生物量有促進(jìn)作用。當(dāng)鈾濃度大于50 mg·L-1時(shí),隨著鈾濃度的升高,毛竹鮮重和干重呈顯著下降趨勢(shì),鈾對(duì)地上部的抑制作用大于地下部,這與趙奇等[17]的研究結(jié)果類似。
植物在遭受脅迫時(shí),光合速率會(huì)受到氣孔限制和非氣孔限制兩方面影響[18]。有研究表明,當(dāng)Pn 下降時(shí),若植物Ci 和Gs 反而升高,說(shuō)明葉片光合速率降低的主要限制因素是非氣孔因素,即葉肉細(xì)胞光合活性的下降;當(dāng)Pn 下降時(shí),若植物Ci 和Gs 同樣下降,說(shuō)明氣孔是限制葉片光合速率的主要因素[19-20]。本研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)鈾濃度為50 mg·L-1時(shí),毛竹氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率達(dá)到最大,這有利于植物維持自身正常的葉溫,同時(shí)也利于植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸,對(duì)于促進(jìn)植物生長(zhǎng)起到很大的作用[14]。在高濃度鈾(100~400 mg·L-1)處理時(shí),毛竹凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率較對(duì)照明顯降低,胞間CO2濃度變化不顯著,說(shuō)明凈光合速率下降的內(nèi)在原因主要是受非氣孔因素影響,即葉肉細(xì)胞光合活性的下降[21];同時(shí)高濃度鈾處理造成毛竹膜脂過(guò)氧化、細(xì)胞損傷,光合作用受到抑制[14]。
當(dāng)植物遭受重金屬脅迫時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的自由基[22],這些自由基將會(huì)嚴(yán)重造成植物生長(zhǎng)緩慢、抑制正常的代謝活動(dòng)。因此,植物本身將會(huì)啟動(dòng)一系列抗氧化酶系統(tǒng)來(lái)減少自由基,以保證其正常生長(zhǎng),其中起主要作用的是SOD、POD 和CAT[23]。本研究發(fā)現(xiàn),重金屬對(duì)植物的抗氧化酶系統(tǒng)產(chǎn)生了影響,但植物的SOD、POD和CAT 活性均隨鈾濃度的增加呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì),這表明植物具有一定的抗逆能力,但其保護(hù)作用有一定限度[14,24]。同時(shí),SOD、POD、CAT、APX 活性均在鈾濃度為50 mg·L-1處理下達(dá)到最大值,表明該濃度下毛竹體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)的響應(yīng)最為積極,能夠有效清除植株體內(nèi)過(guò)量的活性氧物質(zhì)。在最高濃度(400 mg·L-1)處理下抗氧化酶活性較對(duì)照顯著下降,可能是由于植物體內(nèi)防御系統(tǒng)對(duì)活性氧的清除能力減弱,已不能阻止自由基在植物細(xì)胞內(nèi)的累積,導(dǎo)致細(xì)胞膜脂過(guò)氧化,引起細(xì)胞的衰老和死亡,最終使抗氧化酶活性下降。丙二醛是植物細(xì)胞發(fā)生膜脂過(guò)氧化后的最終產(chǎn)物,從而用來(lái)衡量植物受脅迫程度[14,25]。隨著鈾濃度的升高,毛竹的MDA 含量逐漸升高,說(shuō)明在高濃度鈾脅迫下植物產(chǎn)生了大量活性氧,抗氧化酶系統(tǒng)無(wú)法清除大量的活性氧,從而造成嚴(yán)重的膜脂過(guò)氧化,對(duì)細(xì)胞膜系統(tǒng)造成損傷。
重金屬對(duì)植物的毒害作用主要表現(xiàn)在植物對(duì)重金屬的吸收和運(yùn)輸上,與重金屬在植物不同器官之間的分配,以及植物體內(nèi)重金屬的結(jié)合形態(tài)等因素有關(guān)[26]。植物吸收鈾的主要器官是根系,并逐漸向莖、葉等器官轉(zhuǎn)移[27]。Ding 等[28]對(duì)鉻脅迫下紅麻體內(nèi)鉻含量的研究及陳小米等[29]對(duì)鎘和鋅復(fù)合污染條件下竹柳重金屬含量的研究結(jié)果均顯示,植物體內(nèi)重金屬含量隨著環(huán)境重金屬濃度的增加而增加。本研究同樣發(fā)現(xiàn),在鈾濃度為400 mg·L-1時(shí),毛竹根、莖、葉的鈾富集濃度分別為9 089、519 和276 mg·kg-1,由此可見(jiàn),根部對(duì)鈾的積累量遠(yuǎn)大于莖和葉部。有關(guān)毛竹對(duì)鈾的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制還有待深入研究。
本研究結(jié)果表明,Pn 和Tr、Ci 呈顯著或極顯著正相關(guān),Tr 與Ci 呈極顯著正相關(guān),Ci 與MDA、Chl a、Chl b含量和TF 呈顯著或極顯著正相關(guān),SOD 活性和POD、CAT、APX活性呈顯著正相關(guān),POD活性與APX活性呈顯著或極顯著正相關(guān),CAT 活性和APX 活性、MDA 含量呈顯著或極顯著正相關(guān),APX 活性和Chl a含量呈顯著正相關(guān),MDA 與Chl a 含量呈極顯著正相關(guān),BCF 和TF 呈極顯著正相關(guān)。隨著鈾濃度的增大,光合作用受到了明顯抑制,胞間二氧化碳濃度對(duì)氣孔導(dǎo)度的影響不大,抗氧化酶活性不斷增大,以此來(lái)抵抗逆境,表明毛竹具有較強(qiáng)的耐受性,從而導(dǎo)致丙二醛含量逐漸增加,引起細(xì)胞內(nèi)離子平衡失調(diào),代謝紊亂,生長(zhǎng)受到抑制。這與王一峰等[30]有關(guān)鉛脅迫對(duì)污染區(qū)與非污染區(qū)烏蘇里風(fēng)毛菊MDA 含量影響的結(jié)果相似。從富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)來(lái)看,隨著鈾濃度的增加,二者整體呈下降趨勢(shì),其中在10 和50 mg·L-1處理時(shí),毛竹吸收和轉(zhuǎn)移鈾的能力最強(qiáng),這是因?yàn)榈蜐舛让{迫下,水體中的鈾含量基數(shù)相對(duì)較小,更有利于植物吸收和轉(zhuǎn)移鈾。在高濃度鈾處理下,BCF和TF整體呈下降趨勢(shì),說(shuō)明毛竹對(duì)鈾的富集和轉(zhuǎn)移能力相對(duì)較高,從而導(dǎo)致了植物向地上部分富集和轉(zhuǎn)移重金屬的能力減弱[31-32]。有研究表明,富集系數(shù)與轉(zhuǎn)移系數(shù)可以很好地反映植物對(duì)重金屬的富集和轉(zhuǎn)移能力[33]。富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1的植物為超富集植物,二者均小于1則為富集植物,后續(xù)需進(jìn)一步研究如何使植物地上部從地下部吸收較多的鈾,進(jìn)一步證明毛竹對(duì)鈾污染水體具有潛在的修復(fù)能力。
本研究結(jié)果表明,在乙酸雙氧鈾濃度為10~50 mg·L-1時(shí),SOD、POD、CAT 和APX 活性隨鈾濃度的增加而上升,可以緩解鈾對(duì)毛竹造成的氧化損傷,對(duì)毛竹生長(zhǎng)發(fā)育無(wú)明顯影響;而在400 mg·L-1高濃度鈾脅迫下,毛竹幼苗體內(nèi)抗氧化酶活性降低,膜系統(tǒng)受到破壞,導(dǎo)致毛竹細(xì)胞受到嚴(yán)重傷害,對(duì)毛竹生長(zhǎng)發(fā)育具有抑制作用。當(dāng)鈾濃度為400 mg L-1時(shí),毛竹根、莖、葉對(duì)鈾的積累量達(dá)到最大值,根部富集量明顯大于地上部,且向莖葉轉(zhuǎn)移鈾的能力較弱。綜上,毛竹并非理想的鈾超富集植物,但其較強(qiáng)的耐受力和根部較強(qiáng)的富集能力使其有望成為鈾污染水體治理的潛在植物之一。