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  姚天月，  王丹，  李澤華，  龍嬋，  江文靜，  陳立，  向明文

  （1．西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院；

 2．西南科技大學(xué)核廢物與環(huán)境安全國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽(yáng)621010）

  摘要：研究植物對(duì)鈾的耐受性和富集特性對(duì)修復(fù)鈾污染的土壤具重要意義。該研究采取模擬鈾污染土壤的方法，研究在外源鈾添加量為150 mg/kg土條件下，比較8種花卉植物（竹柏、金邊虎尾蘭、五彩芋、豆瓣綠、吊蘭、白掌、吊竹梅、綠蘿）的生長(zhǎng)狀況、耐鈾性、植物體鈾含量、富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，積累量和鈾提取量，并采用賦值法對(duì)植物鈾富集特性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：鈾對(duì)植物的影響因植物種類(lèi)的不同而存在顯著差異，其中白掌耐鈾性最強(qiáng)；吊竹梅鈾富集特性綜合評(píng)價(jià)值最高，其地上部和根部鈾含量最高分別為162.11 mg/kgDW和2 7.56.55 mg/kg DW,鈾富集系數(shù)分別為1.08和18.38，單株鈾積累量0,39 mg，每公頃受污染土壤鈾提取量為506.37 g。8種植物地上部鈾含量均顯著小于地下部，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于0.5，根系是植物富集鈾的主要器官。

 關(guān)鍵詞：鈾；花卉植物；富集

 隨著核能源的利用和發(fā)展，不斷加大了鈾礦的開(kāi)采和冶煉，截止2010年底，我國(guó)鈾礦開(kāi)采廢石總量約2.8x107 t，尾沙量約為3x107t，根據(jù)《中國(guó)土壤元素背景值》中所統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示我國(guó)土壤（A層）鈾元素背景值平均為3.03 mg/kg，我國(guó)鈾礦廢石平均鈾含量比土壤本底值高出4～10倍，多數(shù)調(diào)查研究顯示鈾尾礦及其污染地范圍內(nèi)的鈾含量普遍在幾十到幾百毫克每千克上下，例如我國(guó)某鈾礦污染的農(nóng)田鈾含量高達(dá)390 mg/kgc4]高出我國(guó)土壤鈾本底值2個(gè)數(shù)量級(jí)。大面積的鈾礦“三廢”不合理排放對(duì)土地資源，環(huán)境安全和人體健康都帶來(lái)了嚴(yán)重的輻射危害和化學(xué)毒害。由此可見(jiàn)鈾尾礦環(huán)境治理刻不容緩。與傳統(tǒng)修復(fù)方法相比，植物修復(fù)技術(shù)具備操作簡(jiǎn)單，成本低廉，對(duì)環(huán)境擾動(dòng)小等特點(diǎn)，尤其在大面積土壤污染治理中的應(yīng)用更是受到各國(guó)環(huán)保工作者和科研人員的青睞。迄今為止，有關(guān)鈾的超富集植物鮮有報(bào)道，僅發(fā)現(xiàn)較少對(duì)鈾元素具有較好富集能力的植物如印度芥菜(Brassicajuncea)、向日葵(He1ianthusannuus)、水蜈蚣(Ky11ingabrevifo1ia)、碎米莎草(Cyperus iria1．)等。因此富集植物的篩選已然成為植物修復(fù)土壤鈾污染的前提和基礎(chǔ)。

  花卉植物資源豐富，擴(kuò)大超積累植物篩選范圍的同時(shí)，利用超積累的花卉植物修復(fù)土壤鈾污染能降低土壤中鈾含量，切斷污染食物鏈．還能起到美化環(huán)境的作用。近些年，利用花卉植物修復(fù)土壤重金屬污染的研究已有報(bào)道，并在Pb、Cd、Zn等土壤重金屬污染修復(fù)中收效較好，但在修復(fù)鈾污染土壤應(yīng)用中鮮有報(bào)道。超富集植物的篩選以植物耐受性為基礎(chǔ)，不少研究在土壤鈾濃度100 mgfkg條件下篩選鈾含量高的植物，此方法忽略了非明感性植物對(duì)鈾的耐受性，因此對(duì)植物耐受性評(píng)價(jià)不準(zhǔn)確，有報(bào)道稱(chēng)土壤鈾含量200 mg/kg以上會(huì)使非敏感性植物顯現(xiàn)葉片變小發(fā)黃等不適應(yīng)現(xiàn)象，據(jù)此在保證植物順利完成生長(zhǎng)期的前提下，本研究以8種常見(jiàn)花卉植物為材料，通過(guò)模擬盆栽試驗(yàn)，比較研究在高濃度鈾(150 mg/kg土)條件下，8種植物對(duì)鈾的吸收，轉(zhuǎn)運(yùn)和富集能力，以期篩選出新型鈾的耐性和積累能力強(qiáng)的植物，為鈾污染土壤修復(fù)提供更多植物種質(zhì)資源和理論依據(jù)。

1  材料與方法

1.1  試驗(yàn)材料

供試花卉苗木均購(gòu)于四川省綿陽(yáng)市榮盛發(fā)花卉種植專(zhuān)業(yè)合作社，8種植物的基本信息如表1所示。試驗(yàn)用土采自西南科技大學(xué)后花園表層土(0—20 cm)，土壤類(lèi)型為黃壤土，土壤有機(jī)質(zhì)含量為17.65 g/kg，堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別為162.46、39.35、146.03mg/kg，pH 7.03．CEC陽(yáng)離子交換量為116.83 mmoVkg。

1.2  試驗(yàn)設(shè)計(jì)

  采用模擬盆栽試驗(yàn)，將供試土壤自然風(fēng)干，剔除草根、碎石，壓碎并混勻后，過(guò)1 cm篩，每次定量稱(chēng)取3 kg土壤移人塑料盆（規(guī)格中20 cmx20 cm，底部有孔，帶托盤(pán)）。外源施加到土壤中的鈾質(zhì)量比為150mg/kg土(UO。(CH。C02)：．2H。0，分析純）。將處理土壤充分?jǐn)嚢杈鶆蚝�，保持含水量為田間持水量的60%～70%，靜置于陰涼處平衡8周。

  靜置結(jié)束后，選取生長(zhǎng)良好且長(zhǎng)勢(shì)一致的8種花卉幼苗進(jìn)行移栽，每種植物分試驗(yàn)組U(外源鈾濃度為150 mg/kg土)和對(duì)照組CK（外源鈾濃度為0 mg/kg土），共16個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)5次，每盆定植4株，共計(jì)320株。將所有盆栽植物置于溫室大棚中，定期澆水調(diào)節(jié)盆中土壤含水量約為田間持水量的60%，其余處理一致。植物栽培90 d后收獲并進(jìn)行各指標(biāo)的測(cè)定。

1.3  試驗(yàn)方法

 供試的8種花卉植物栽培90 d后，對(duì)植物生物量和植物體地上部、地下部鈾含量進(jìn)行測(cè)量具體過(guò)程如下。將植株從盆中連根移出，清理掉附著在根系表面的土壤并洗凈；將根與地上部分開(kāi)，105℃殺青30min后，在75℃下于烘箱中烘干至恒重后稱(chēng)取干重(g)。將所有植物干物質(zhì)按地上部和地下部分別粉碎混勻后各稱(chēng)取粉末0.300 0 g，加入20 m1濃硝酸，利用石墨爐消解儀(SH230N，濟(jì)南海能儀器股份有限公司)進(jìn)行消解，采用ICP-MS(Agi1ent 7700x，美國(guó)安捷倫公司)測(cè)定植物體各部分的鈾含量。

1.4  數(shù)據(jù)分析

 利用Microsoft Exce1 2013對(duì)平行樣的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)用SPSS 22.0軟件進(jìn)行單因素方差分析和1SD多重比較檢驗(yàn)處理間差異程度。采用OriginPr0 9.0繪圖。

 富集系數(shù)(bioaccumu1ation factor，BCF)=植物地上部鈾含量或地下部鈾含量(mg/kg)/土壤全鈾含量(mg/kg)。

 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(trans1ocation factor，TF)=植物地上部鈾含量(mg/kg)/根部鈾含量(mg/kg)。

 鈾積累量(Bioaccumu1ation quantity，BCQ)=植物地上部鈾含量或是地下部鈾含量(mg/kg)x植物地上部干重或是地下部干重(g)。

2  結(jié)果與分析

2.1  鈾對(duì)植物生長(zhǎng)的影響

由圖1(a)、(b)可知，與對(duì)照相比，鈾處理顯著抑制了吊蘭，吊竹梅地上部及豆瓣綠根部干質(zhì)量增加；顯著促進(jìn)豆瓣綠，白掌地上部及五彩芋根部干質(zhì)量增加，由此可見(jiàn)鈾(150 mg/kg土)處理對(duì)植物生長(zhǎng)的影響因植物種類(lèi)的不同表現(xiàn)出不同程度的促進(jìn)或抑制作用，且作用程度大小不同。分析圖1(c)可得，高濃度鈾對(duì)白掌和吊竹梅作用最顯著，其余植物生物量與對(duì)照相比均無(wú)顯著性差異，進(jìn)一步分析此8種植物單株生物量的相對(duì)增加量，比較植物在鈾脅迫條件下的耐受性：白掌>竹柏>豆瓣綠>五彩芋>金邊虎尾蘭>吊蘭>綠蘿>吊竹梅�？梢�(jiàn)，白掌的耐性最強(qiáng)，吊竹梅最低，表明高濃度鈾對(duì)白掌生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用而對(duì)吊竹梅生長(zhǎng)具有顯著抑制作用。

2.2  不同植物地上部和根部的鈾含量

比較8種植物的地上部和根部鈾含量如表2所示，吊竹梅最高分別為162.11 mg/kg DW，2 756.55mg/kg DW;金邊虎尾蘭最低分別為3.88 mg/kg DW，24.06 mg/kg DW;前者鈾含量是后者相應(yīng)部位鈾含量的41,78倍和114.57倍，差異顯著(P<0.05)。由此可見(jiàn)吊竹梅對(duì)鈾具有較好的吸收能力。分析比較植物單株鈾含量，變幅在7.61—942.56 mg/kg DW，相差123.86倍，然而同屬天南星科的白掌和綠蘿，同屬百合科的金邊虎尾蘭和吊蘭鈾含量差異不顯著，表明同屬植物具有較為相近吸收特征；且此8種花卉植物地上部鈾含量均顯著小于地下部，即根部對(duì)鈾的吸收對(duì)植物吸收鈾貢獻(xiàn)顯著大于地上部，植物根系是植物富集鈾的主要器官。

2,3  植物的生物富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

高濃度鈾(150 mg/kg土)處理下不同植物對(duì)鈾的富集系數(shù)(BCF)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)如表3所示，吊竹梅、五彩芋、豆瓣綠三者的鈾富集系數(shù)均大于1且顯著高于其他5種植物(P<0.05)，符合超富集植物富集系數(shù)特點(diǎn)要求，其中吊竹梅鈾富集系數(shù)最大6.28，其地上部和根部鈾富集系數(shù)分別為1.08和18.38，金邊虎尾蘭最低僅0.16，前者是后者的39.2倍。然而8種植物鈾轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于0.5，不符合超富集植物轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)特點(diǎn)要求，白掌的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最大僅為0.28。富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)是鈾富集植物篩選的重要指標(biāo)，其值越大，表明植物吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)鈾的能力越強(qiáng)，研究中8種花卉植物沒(méi)有達(dá)到超富集植物要求，鈾轉(zhuǎn)運(yùn)能力差，吊竹梅雖然具有較高的鈾富集系數(shù)但其對(duì)鈾轉(zhuǎn)運(yùn)能力差，可以考慮外源添加化學(xué)試劑或通過(guò)育種改良等措施為實(shí)現(xiàn)有效修復(fù)土壤鈾污染的植物篩選提供種質(zhì)資源。同屬的白掌和綠蘿，金邊虎尾蘭和吊蘭鈾富集系數(shù)差異不顯著與其自身鈾含量差異規(guī)律一致，進(jìn)一步說(shuō)明同屬植物對(duì)鈾吸收具有較為相近的吸收富集機(jī)制。

2,4  不同植物地上部和根部的鈾積累量及提取量

  分析表4可知，生物量參數(shù)的加入直接影響了植物鈾積累量，效果最顯著的吊蘭以其發(fā)達(dá)的根系顯著積累了大量的鈾，使其鈾積累量位居第三，即植物鈾積累量主要受到植物單位質(zhì)量鈾含量和生物量?jī)煞矫娴挠绊�，植物在鈾脅迫條件下，主要表現(xiàn)為高富集量低生物量或低富集量高生物量，兩者在生產(chǎn)實(shí)踐中此消彼漲的合理應(yīng)用以期最后達(dá)到理想的土壤修復(fù)效果。分析比較單株鈾積累量及單盆(S而積=314 Cn12)鈾提取量（每盆植物干重所含鈾的總積累量）大�。憾拱昃G>吊竹梅>吊蘭>白掌>五彩芋>綠蘿>竹柏>金邊虎尾蘭，值越大，富集在植物體中的鈾越多，越有利于去除土壤中的鈾，修復(fù)效果越好。其中豆瓣綠的鈾提取量最高1.66 mg/pot，吊竹梅次之1.59 mg/pot，兩者差異不顯著(P<0.05)，每公頃受污染土壤鈾提取量分別是528.66、506.37 g。

2.5  植物鈾富集能力綜合評(píng)價(jià)

  上述指標(biāo)分別從不同層面表征了此8種花卉植物對(duì)鈾的吸收，富集和轉(zhuǎn)運(yùn)能力。分析表2、表3和表4得：不同花卉植物對(duì)同濃度鈾元素的積累，轉(zhuǎn)運(yùn)和富集并不是相互協(xié)調(diào)統(tǒng)一的，吊竹梅鈾含量顯著高于豆瓣綠，但其鈾積累量顯著低于豆瓣綠，由此為進(jìn)一步真實(shí)反映植物對(duì)鈾的綜合富集能力，篩選出理想的鈾富集植物。參考王志坤的賦值評(píng)價(jià)法，將8種植物在鈾(150 mg/kg土)處理下各項(xiàng)指標(biāo)（單株鈾含量，富集系數(shù)，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，單株積累量，單盆鈾提取量）相對(duì)值的平均值從小到大排列，分別賦值1到8，綜合評(píng)價(jià)分析8種花卉植物鈾吸收和富集能力差異，評(píng)價(jià)值越高，植物對(duì)鈾吸收和富集能力越強(qiáng)。由表5可得吊竹梅評(píng)價(jià)值最高，對(duì)鈾的吸收和富集綜合能力最強(qiáng)，是此8種花卉植物中相對(duì)較為理想的鈾吸收植物。

3  討論

 鈾濃度為150 mg/kg條件下，不同植物或同種植物不同部位生長(zhǎng)受到不同程度的促進(jìn)或抑制影響�？赡茉�因是由于植物吸收過(guò)量的鈾抑制了葉綠素合成相關(guān)酶活性，葉綠素含量降低，植物光合作用生產(chǎn)有機(jī)物減少直接導(dǎo)致植物地上部和地下部分生物量減少。還有可能受植物重金屬的吸收位點(diǎn)，植物細(xì)胞中對(duì)重金屬結(jié)合位點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)，重金屬離子的特性，離子的有效性等因素影響，與此同時(shí)鈾脅迫的抑制作用會(huì)隨植物生長(zhǎng)適應(yīng)性增強(qiáng)而相應(yīng)減弱。實(shí)際觀察得在高濃度鈾污染條件下，吊竹梅的生長(zhǎng)僅在第一周出現(xiàn)葉片萎蔫等不良現(xiàn)象，隨后呈現(xiàn)生長(zhǎng)極其緩慢但鈾含量顯著高于其他7種植物，有研究表明植物對(duì)重金屬的高富集量是以低生物量為代價(jià)。

 根據(jù)周啟星教授提出的超富集植物評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，8種花卉植物主要劣勢(shì)表現(xiàn)在植物地上部鈾含量顯著小于根部，鈾轉(zhuǎn)運(yùn)能力差，此結(jié)果與陳磊等研究結(jié)果一致。此外趙魯雪等研究了不同鈾質(zhì)量比處理下5種植物的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF），結(jié)果表明轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于0.5與本研究結(jié)果一致。植物對(duì)重金屬的排斥機(jī)制有根部減少吸收和在根部通過(guò)區(qū)室化保存2個(gè)方面，植物體尤其是地上部重金屬含量較低是植物排異最重要的特征，與超富集植物以體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)和富集為主導(dǎo)的機(jī)制相反。植株對(duì)鈾的排斥性不利于鈾的提取修復(fù)，但卻顯示植物較強(qiáng)的耐性，植物將吸收的大量鈾滯留在根部，從而降低了鈾對(duì)植物體生理代謝的損害。

 吊竹梅綜合評(píng)價(jià)值最高，是本研究中唯一地上部鈾富集系數(shù)大于1的植物，其最大的優(yōu)勢(shì)在于根部鈾含量高可達(dá)2 756.55 mg/kg高于萬(wàn)芹方等研究的19種植物根部鈾含量最高的紅蘿卜2 740 mg/kg，以及唐永金等研究的14種植物根部鈾含量最高的菊苣1 794.70 mg/kg。加拿大核安全委員會(huì)合約報(bào)告指明，植物對(duì)鈾的平均富集系數(shù)在0.006 9—0.034 0之間，吊竹梅超過(guò)其平均富集系數(shù)的307.09倍。目前尚未找到真正意義上的鈾超富集植物，其主要癥結(jié)在于鈾在植物體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)能力差，因而通過(guò)各種途徑提高普通植物對(duì)鈾轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)成為一種現(xiàn)實(shí)選擇，查忠勇等研究了不同種類(lèi)及濃度的螯合劑以及土壤改良劑對(duì)特選榨菜修復(fù)鈾污染土壤的影響，結(jié)果表明檸檬酸和微生物化肥能增加植物地上部對(duì)鈾的富集。Huang等試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)向鈾污染土壤中加20 mmo/1檸檬酸，3d后印度芥菜和大白菜地上部鈾富集量提高1 000倍。因此吊竹梅在修復(fù)鈾污染土壤方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值。吊竹梅屬多年生草本植物，繁速度快，生命力強(qiáng)，在鈾污染土壤范圍內(nèi)采取矮株密植的方法為植物修復(fù)鈾污染土壤提供一種新思路。此外，金邊虎尾蘭對(duì)鈾的吸收，轉(zhuǎn)運(yùn)和富集能力最差，其對(duì)鈾富集的鈍化響應(yīng)為美化環(huán)境和進(jìn)一步研究作物低富集高生產(chǎn)提供種質(zhì)資源和研究基礎(chǔ)，對(duì)于阻絕鈾的食物鏈危害具有重要研究意義。

4  結(jié)論

 (1)鈾脅迫對(duì)不同植物或同種植物的不同部位表現(xiàn)出不同程度的促進(jìn)或抑制作用，其中白掌耐受力最強(qiáng)。

 (2)植物根系鈾含量顯著大于地上部，鈾在植物體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)能力差，根系是植物富集鈾主要器官。

 (3)吊竹梅綜合評(píng)價(jià)值最高，對(duì)鈾吸收富集能力最好且富集系數(shù)大于1；金邊虎尾蘭綜合評(píng)價(jià)值最低，對(duì)鈾吸收富集能力最差。

 (4)吊竹梅優(yōu)越的根系鈾吸收能力及較強(qiáng)的富集特性對(duì)修復(fù)鈾污染土壤具有潛在利用價(jià)值。