鈾對不同植物根際土壤酶活的影響
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焦揚， 羅學剛， 唐永金， 賈文甫， 李波
（1．西南科技大學生命科學與工程學院；
2．西南科技大學核廢物與環(huán)境安全國防重點學科實驗室，四川綿陽621010；
3．生物質(zhì)材料教育部工程研究中心，四川綿陽621010）
摘要：通過盆栽實驗，研究不同鈾濃度(0、25、50、100、250、500 mg/kg)下，鈾對3種植物（反枝莧、鬼針草、印度芥菜）的根際土壤酶（脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶和脫氫酶）活性的影響。結(jié)果表明：鈾對不同酶活均有抑制作用；脫氫酶、酸性磷酸酶和脲酶與鈾濃度呈顯著負相關(guān)，可以作為監(jiān)測鈾污染的酶學指標，其中脫氫酶最高顯著性可達到-0.974，對鈾最為敏感。3種植物均能提高土壤酶活性，但不同植物對不同土壤酶影響不同：反枝莧對酸性磷酸酶的提升效果最強，對脫氫酶保護作用最強；鬼針草對蔗糖酶提升效果最強，對脲酶的保護作用最強；印度芥菜對脲酶和脫氫酶提升效果最強，對酸性磷酸酶和蔗糖酶保護效果最強。3種植物對不同酶活均值對比發(fā)現(xiàn)：反枝莧組巾平均抑制率最低為l1.690/,，平均變化率為21.579fl/0，對鈾污染土壤酶活修復效果最好。
關(guān)鍵詞：鈾污染；土壤酶；酶學指標；酶活修復
20世紀30年代發(fā)核裂變現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來，隨著對核能研究的深入，大量的鈾礦被開采和冶煉，因此大量的土壤和水體被鈾尾礦和廢料污染。鈾作為環(huán)境中毒性較強的重金屬之一，除具有化學毒性外，還具有衰變放射性毒性的特性。鈾發(fā)射射線主要是a射線(鈾-235為4.679 MeV，鈾-238為4.270 MeV)12]而鈾離子主要通過食物鏈以氣溶膠的形式進入人體，長期處于被鈾污染的環(huán)境中的人更易患癌。有報道稱，在一些鈾冶煉區(qū)附近土壤的鈾濃度高達幾十到幾百mg/kg，因此對其修復勢在必行。
在眾多修復方法中，植物修復以其修復價格低廉、易于實施、對環(huán)境擾動少和無二次污染等優(yōu)點，迅速在重金屬污染治理方面受到重視。目前國內(nèi)外關(guān)于鈾污染土壤的植物修復研究上進行了廣泛的研究并取得了顯著成果，但其主要研究集中于富集植物的篩選上，而對修復后的土壤環(huán)境監(jiān)測、評價方法的研究較少。
土壤酶作為土壤中生物化學反應(yīng)的催化劑，在土壤肥力評價、植物營養(yǎng)利用效率以及土壤污染消除等方面起著重要作用。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，土壤酶活性與重金屬污染程度存在一定的相關(guān)性，因此，土壤酶活性可以用來判別土壤重金屬污染程度。同時研究發(fā)現(xiàn)種植植物對土壤酶活有修復作用。因此研究植物根際土壤酶活的變化對于探索富集植物修復土壤污染的效果和機理有重要作用。但放射性核素鈾污染對富集植物根際土壤酶活的影響的研究還鮮有報道，值得深入研究。
因此，本研究選取普通植物反枝莧、某鈾尾礦優(yōu)勢植物鬼針草、重金屬修復模式植物印度芥菜為材料，通過盆栽控制性實驗，添加外源鈾的方法，對比鈾污染對不同植物的根際土壤酶活性的影響，探討不同植物對土壤酶活的作用，以期為監(jiān)測土壤鈾污染狀況和評價土壤修復效果提供生物酶學理論依據(jù)。
1材料與方法
1.1材料
供試植物：莧科莧屬反枝莧(Amaranthus retrojlexus)、十菊科鬼針草屬鬼針（Bidens pilosa L）和字花科蕓薹屬印度芥菜（Brassica juncea），植物種子采于某鈾尾礦庫。
供試土壤為西南科技大學水稻試驗田中表層土壤(0—20 cm)。該土壤pH值為6.02，有機質(zhì)含量為23.9 g/kg，全氮1.61 g/kg，堿解氮93.8 mg/kg，全磷0.858 g/kg，有效磷25 mgfkg，全鉀21.3 g/kg，速效鉀135 mgfkg，陽離子代換量14.6 cmol/kg，pH 6.02，土壤采回風干過5 mm篩充分混勻備用。
本實驗在西南科技大學溫室中進行，采用15 cmx20 cm的規(guī)格一致塑料米氏盆，每盆裝入干重1kg土壤，以不同濃度U02(CH3C00)2-2H20溶液為添加物，將其在溫室中穩(wěn)定2個月后再進行兩次深翻，確保U分布均勻。不同濃度添加物與土壤結(jié)合之后每盆土壤中的U含量（以純U計）分別為CK(O)、U1(25)、U2( 50)、U3(100)、U4(250)、U5(500)，括號內(nèi)為含量，單位為mg/kg，每個處理均設(shè)3個重復。然后直播3種植物的種子，出苗后每盆定苗2株，另設(shè)一組不種植植物的空白對照。實驗期間保持土壤含水量為80%。
1.2取樣與測定
培養(yǎng)80 d后，將植物從盆中連根完全取出，用抖落法收集根際土壤，同時分別取無植物的處理，裝入無菌紙袋。待自然風干后與實驗室條件下過100目篩，除去土壤樣品中的雜質(zhì)，制成實驗樣品。測定土樣中的4種酶（脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶、脫氫酶）的活性。
土壤酶酶活性的測定方法參照關(guān)松蔭的方法。脲酶采取苯酚鈉一次氯酸鈉比色法，活性單位以產(chǎn)生的NH3-N的量表示；酸性磷酸酶采用對硝基苯比色法，活性單位以產(chǎn)生的對硝基苯酚的量表示；蔗糖酶采用3，5-=硝基水楊酸比色法，活性單位以產(chǎn)生的葡萄糖的量表示；脫氫酶采用TTC(氯化三苯基四氮唑)還原比色法，活性單位以產(chǎn)生的TTF(2，3，5-三苯基甲月替)的量表示。重復測定3次，其中每種酶的測定均包含無底物和無土壤的處理。
1.3數(shù)據(jù)分析
相對變化率(R，)%=(植物組土壤酶活性一空白組土壤酶活性)xl00/空白組土壤酶活性，均為相同濃度處理下。用來表示不同植物對根際土壤酶活的影響。
抑制率%一（不同處理濃度下土壤酶活一未添加鈾的土壤酶活）xl00/未添加鈾的土壤酶活，均為同一中植物。用來表示不同濃度鈾污染對某一植物的根際土壤酶活的影響。
采用Excel 2007進行數(shù)據(jù)處理，用DPS 7.5進行多重比較和顯著性分析，用SPSS 19.0進行顯著性分析，用Origin 8.5作圖。
2結(jié)果與分析
2.1鈾對3種植物根際脲酶酶活性的影響
土壤脲酶可以催化尿素的水解生成氨，能夠來表征土壤中氮的轉(zhuǎn)化狀況。實驗結(jié)果如圖1所示，除鬼針草組外，其他3組處理變化趨勢類似，U1能顯著促進土壤脲酶的活性，U2對酶活影響不顯著，U3、U4、U5對脲酶活性呈現(xiàn)顯著抑制作用，且抑制率隨著鈾濃度的上升也逐漸升高；而鬼針草組U1、U2、U3對脲酶活性作用不顯著，U4、U5顯著抑制脲酶活性�？偟膩砜�，鈾對土壤脲酶有“低促高抑”的現(xiàn)象，陳蘇等研究鉛對土壤酶活的影響中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。這說明鈾對土壤脲酶具有與其他重金屬類似的影響：低濃度的金屬離子作為酶的輔基能促進酶活性中心與底物間的酶蛋白的表面電荷結(jié)合，從而增強酶活性；同時高濃度的金屬離子能夠抑制土壤中微生物的生長和繁殖，減少微生物體內(nèi)酶的合成和分泌，因此酶活性降低，也可能作用于植物根系使根系分泌物減少直接或間接導致土壤酶活的降低。
對比分析如表1所示，相關(guān)系數(shù)表明，除反枝莧組外，土壤脲酶活性與鈾濃度相關(guān)系數(shù)均達到顯著相關(guān)或極顯著負相關(guān)，這說明土壤脲酶能表征鈾的污染狀況，可作為評價鈾污染的指標，這與張飛等對鈾與土壤酶活之間的關(guān)系的研究結(jié)果一致。平均相對變化率表明，印度芥菜組的平均R最大，表明種植印度芥菜對土壤脲酶的提升作用最為明顯。平均抑制率顯示，印度芥菜組的平均抑制率最小，由于低濃度鈾對土壤脲酶有促進作用．所以不能采用平均抑制率來對比不同植物對土壤脲酶的保護作用。而最大抑制率表明，鬼針草組的最大抑制率最小，表明種植鬼針草對土壤脲酶保護效果最好。結(jié)合圖l中種植鬼針草組U1、U2、U3對脲酶活性抑制作用不顯著，綜合分析，3種植物對根際脲酶酶活性提升效果表現(xiàn)為：印度芥菜>鬼針草>反枝莧，這說明是由于印度芥菜的根系提高根際脲酶的活性。但3種植物對鈾污染條件下對土壤脲酶的保護效果表現(xiàn)為鬼針草>印度芥菜>反枝莧，這說明鬼針草的根際土壤脲酶所受鈾的毒害較輕。
2.2鈾對3種植物根際酸性磷酸酶酶活性的影響
有機磷是土壤中磷的重要成分，通過磷酸酶把有機磷催化為無機磷后，植物根系才能吸收利用。因此，土壤磷酸酶可以表征有機磷轉(zhuǎn)化的生化活性。實驗結(jié)果如圖2所示，反枝莧組與空白組的趨勢最為相似，U1、U2作用不顯著，U3、U4、U5顯著抑制磷酸酶的活性，隨著鈾濃度的增大抑制作用增強；鬼針草組的U1、U2、U3、U4均顯著抑制磷酸酶活性且這4個處理間的抑制作用變化不顯著，U5的抑制率最大；印度芥菜組除了U1外，均顯著抑制磷酸酶活性�？偟膩砜矗蜐舛鹊拟檶ν寥懒姿崦傅淖饔貌伙@著，但高濃度鈾對土壤磷酸酶有顯著抑制作用且隨著濃度的增加抑制作用逐漸增強。這可能是因為鈾與土壤酶沒有專一性對應(yīng)關(guān)系，酶活性不受影響，所以低濃度鈾的作用不顯著；而中高濃度的鈾對土壤磷酸酶的抑制原理可能與脲酶類似。
對比分析如表2所示，相關(guān)系數(shù)表明，鈾濃度與不同實驗組之間的相關(guān)系數(shù)均達到顯著或極顯著負相關(guān)，這說明土壤磷酸酶能表征鈾的污染狀況，可作為評價鈾污染的指標這也與張飛等的研究結(jié)果一致。平均相對變化率表明，反枝莧組的平均R最大，表明種植反枝莧對土壤磷酸酶的提升作用最為明顯。平均抑制率顯示，印度芥菜組的平均抑制率最小，而最大抑制率表明，印度芥菜組的最大抑制率最小，綜合這2種指標說明種植印度芥菜對根際磷酸酶酶活性保護較好。綜合所有指標考慮，種植反枝莧能較高的提升根際磷酸酶酶活活性，種植印度芥菜能更好的保護土壤磷酸酶酶活使之較少受到鈾污染的抑制。
2.3鈾對3種植物根際蔗糖酶酶活性的影響
蔗糖酶能夠增加土壤中易溶性營養(yǎng)物質(zhì)，因此蔗糖酶可用來表征土壤中生物學活性強度，而土壤肥力越高，蔗糖酶的活性就會越高。實驗結(jié)果如圖3所示，不同實驗組間蔗糖酶變化趨勢并不一致，而且蔗糖酶酶活性隨著鈾濃度的增加會出現(xiàn)先降低后升高再降低的“抗酶活性”現(xiàn)象，已有研究者證明這種“抗性峰”有時會出現(xiàn)多個�？瞻捉M中，不同濃度鈾對蔗糖酶的酶活性均有顯著抑制作用，但抑制作用并不隨著鈾濃度的增加而增強，而是出現(xiàn)2個“抗性峰”；反枝莧組與空白組類似，只是“抗性峰”只有一個；而鬼針草組不同濃度鈾對酶活性也有抑制作用，在U2和U4處各出現(xiàn)一個“抗性峰”且U2的抑制作用不顯著；印度芥菜組中除U1外其他濃度的鈾均對酶活鈾顯著抑制作用，在U4處出現(xiàn)了一個“抗性峰”。綜合
分析，蔗糖酶酶活性受鈾污染的抑制，但對鈾污染敏感性較低。這與已有研究發(fā)現(xiàn)蔗糖酶的穩(wěn)定性高，不容易隨著環(huán)境條件變化而發(fā)生強烈的變化的研究結(jié)果一致。
對比分析如表3所示，相關(guān)系數(shù)表明，蔗糖酶酶活性與鈾濃度無顯著相關(guān)關(guān)系，說明蔗糖酶不能表征鈾的污染程度。平均相對變化率表明，鬼針草最能提高蔗糖酶的酶活性。平均抑制率表明，印度芥菜組中蔗糖酶酶活性受鈾污染的抑制最��；而最大抑制率表明，印度芥菜組的最大抑制率最低，不同實驗組中最大抑制率出現(xiàn)的位置不同，并且均不在最大鈾濃度處。這說明印度芥菜最能保護蔗糖酶酶活性，使之較少的受到鈾污染的抑制，但是鈾濃度的升高并不能較高程度上抑制蔗糖酶的活性。
2.4鈾對3種植物根際脫氫酶酶活性的影響
脫氫酶是一種只在細胞內(nèi)有活性的酶，其活性更能表示污染物對土壤的影響。實驗結(jié)果如圖4所示，不同實驗組顯示，土壤脫氫酶酶活性均隨著鈾濃度的增加而受到抑制，并且抑制作用隨著鈾濃度的增大而顯著增強。具體來活，空白組中U1對脫氫酶的活性的抑制未達到顯著水平，U2與U3相比差異未達到顯著水平；反枝莧組，每個種處理與CK相比均顯著抑制脫氫酶酶活，除U3與U4間未達到顯著水平外其他每兩種處理間相比均達到顯著水平；而鬼針草組和印度芥菜組每種處理間相比均達到了顯著水平。這與高秀麗等研究發(fā)現(xiàn)的鎘和鉛對脫氫酶活性有“先抑后促”的現(xiàn)象不同，而脫氫酶是胞內(nèi)酶，說明鈾對細胞的作用機理與鎘和鉛不同。
對比分析如表4所示，相關(guān)系數(shù)表明，不同實驗組中脫氫酶酶活性與鈾濃度呈顯著或極顯著負相關(guān)，能用脫氫酶表征鈾污染狀況。平均相對變化率顯示，印度芥菜組的根際土壤脫氫酶相對變化率最高，反枝莧最低。平均抑制率表明，反枝莧組的抑制率最低；而最大抑制率的結(jié)果與平均抑制率的結(jié)果一樣。這表明，印度芥菜對根際土壤脫氫酶的活性提高效果較好，種植反枝莧能較好的保護根際土壤脫氫酶活性使之較少的受到鈾污染的抑制。
2.5不同植物與不同土壤酶的關(guān)系比較
將同一同酶受不同實驗組影響的平均相對變化率、平均抑制率和最大抑制率進行均值對比（表5）發(fā)現(xiàn)，平均變化率表現(xiàn)為：脫氫酶>酸性磷酸酶>蔗糖酶>脲酶；平均抑制率表現(xiàn)為：脫氫酶>蔗糖酶>酸性磷酸酶>脲酶；最大抑制率表現(xiàn)為：脫氫酶>酸性磷酸酶>蔗糖酶>脲酶。說明種植植物后脫氫酶活性的提升最為明顯；添加不同濃度的鈾后脫氫酶受到的抑制作用最強，這也從另一方面反應(yīng)出脫氫酶比其他3種酶更為敏感。
將不同實驗組的平均相對變化率、平均抑制率和最大抑制率進行均值對比（表6）發(fā)現(xiàn)，平均變化率方面，印度芥菜組>反枝莧組>鬼針草組；平均抑制率方面，鬼針草組>空白組>印度芥菜組>反枝莧組；最大抑制率方面，印度芥菜組>鬼針草組>空白組>反枝莧組，但是數(shù)值相差不大。說明種植3種植物均能提高土壤酶活性，且印度芥菜和反枝莧對其提升效果最好，而種植反枝莧后土壤酶活受劍的抑制作用最小。
3結(jié)論
(1)盆栽控制性實驗表明，鈾對不同實驗組4種酶活均有抑制作用。隨著鈾濃度的變化，土壤脲酶有“低促高抑”的現(xiàn)象；土壤磷酸酶受抑制作用增強；蔗糖酶會出現(xiàn)1—2個抗性峰；脫氫酶酶活值顯著下降。脫氫酶、酸性磷酸酶和脲酶，能作為表征鈾的污染的酶學指標，其中脫氫酶最為敏感。
(2)不同植物對不同根際酶酶活性的提升方面存在差異。印度芥菜最能提升土壤脲酶和土壤脫氫酶活性；反枝莧最能提高土壤酸性磷酸酶活性；鬼針草最能提高土壤蔗糖酶活性。4種酶活均值發(fā)現(xiàn)：印度芥菜和反枝莧對土壤酶活的提升效果較好。
(3)不同植物在保護不同酶活性使之較少受到鈾污染抑制的效果方面作用不同。鬼針草最能保護土壤脲酶活性；印度芥菜最能保護土壤酸性磷酸酶和土壤蔗糖酶活性；反枝莧最能保護土壤脫氫酶活性。對比不同酶活均值發(fā)現(xiàn)，反枝莧對鈾污染土壤酶活保護效果最好。
