江文靜,王 丹*,姚天月

(1.西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.西南科技大學(xué)核廢物與環(huán)境安全國防重點學(xué)科實驗室，四川 綿陽621010)

鈾及其伴生重金屬鎘的根莖類富集植物的篩選

江文靜1,2,王 丹1,2*,姚天月1,2

(1.西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.西南科技大學(xué)核廢物與環(huán)境安全國防重點學(xué)科實驗室，四川 綿陽621010)

為研究植物對鈾(U)、鎘(Cd)的富集特性，在每千克土中分別外源添加鈾、鎘150 mg和15 mg，試驗評價5科8種要莖類植物的污染耐受性和鈾、鎘富集轉(zhuǎn)運效應(yīng)，篩選富集植物，并以對鈾有良好富集效果的植物向日葵作為對照，通過主成分分析對植物鈾、鎘富集轉(zhuǎn)運能力進行綜合評價。結(jié)果表明：8種植物中，雪蓮果綜合評價最高，各部生物量均大于對照，單株鈾積累量和鈾、鎘積累總量均最大，分別為3 564.75 μg和4 342.95 μg，要部鈾含量為638.89 mg·kg-1DW，鈾富集系數(shù)4.26；此外，由于雪蓮果有膨大的塊狀莖，生物量較大，存在用于植物修復(fù)的潛質(zhì)。苤藍吸收鈾、鎘最少，單株鈾、鎘含量分別低至1.45 mg·kg-1DW和11.45 mg·kg-1DW，貯藏部位的鈾、鎘含量更低，分別僅有1.43 mg·kg-1DW和2.43 mg·kg-1DW，故苤藍有應(yīng)用于污染土再利用的潛質(zhì)。

富集植物；鈾；鎘

核技術(shù)的發(fā)展在給人類帶來巨大利益的同時也產(chǎn)生了大量的核廢物[1]。放射性鈾作為主要的核廢物之一，常常與鎘伴生存在[2]，二者會通過各種途徑進入土壤環(huán)境中，并能通過食物鏈嚴重威脅人體健康。植物修復(fù)作為核素污染土壤的綠色修復(fù)方法，具有操作簡單、成本低廉且不帶來二次污染的特點[3-4]。植物提取是植物修復(fù)的主要手段之一[5]，而超富集植物篩選則是植物提取的核心與基礎(chǔ)[6]。鎘的超富集植物主要有天藍遏藍菜(Thlaspiarvense L.)，寶山堇菜(Violabaoshaensis)，二者在自然條件下對鎘的富集量分別高達2130、1168 mg·kg-1[7-8]；而向日葵(Helianthus annuus)和印度芥菜(Brassica juncea)則能超量富集鈾，其中向日葵對鈾的富集主要集中在要部[9]，印度芥菜則可將鈾大量轉(zhuǎn)運至地上部[10]。

傳統(tǒng)的超富集植物篩選主要存在四個問題：

(1)土壤重金屬濃度設(shè)置不恰當。研究發(fā)現(xiàn)鈾濃度為100 mg·kg-1時[11-12]，耐性植物的耐性體現(xiàn)不明顯，大多數(shù)植物均能正常生長；而土壤鈾含量在200 mg·kg-1以上時會使非敏感植物葉色變淡萎蔫，植株變小[13-14]，植株無法正常完成其生長周期。這兩種鈾處理均不能準確有效地反應(yīng)植物對鈾的耐受性和富集特性。同時，鎘作為鈾重要的伴生重金屬，在土壤A層中最大含量可達到13 mg·kg-1，因此選擇恰當?shù)脑囼灊舛确浅Ｖ匾?/p>

(2)參選植物主要集中在雜草和花卉之中[15-21]，其中不乏一些能超量積累重金屬的種類，但這類植物普遍存在生物量較小、重金屬轉(zhuǎn)運難，且地下部生長狀況較弱而導(dǎo)致無法承受過高濃度的重金屬，常常在完成整個生長周期前出現(xiàn)枯黃、萎蔫甚至死亡等缺陷[12]。因此雜草與花卉的總體修復(fù)效果并不明顯。

(3)一般的植物幼苗時期沒有多余的營養(yǎng)儲備，完全依賴土壤營養(yǎng)條件，抵抗鈾、鎘毒害的能力較弱，這往往會導(dǎo)致植物幼苗發(fā)育不良，影響其后期對重金屬的吸收富集。

(4)大多數(shù)植物富集鈾、鎘主要為地下部，而地下部不易采收，導(dǎo)致最后修復(fù)效果并不理想。

要莖類植物生物量大、生長耐性強，塊要、塊莖無性繁殖可為幼苗移栽初期提供充足營養(yǎng)，且地下部易于采收。本試驗創(chuàng)新性地選取5科8種要莖類植物幼苗作為試驗材料進行模擬盆栽試驗，比較研究在鈾、鎘濃度分別為150 mg·kg-1土和15 mg·kg-1土的復(fù)合污染條件下，8種植物的耐受性和鈾、鎘富集轉(zhuǎn)運特性，同時選取報道中鈾富集效果較好的向日葵作為鈾、鎘富集效果總體評價中的參照植物。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 植物

供試植物共9種，分屬5科8屬，分別是芋頭、菖蒲、雪蓮、海芋、向日葵、苤藍、馬鈴薯、紅薯、腳板薯(表1)。所有植物幼苗均購于綿陽市農(nóng)資市場。

表1 供試植物Table 1 Plant species used in the study

1.1.2 試劑

硝酸雙氧鈾[UO2(NO3)2·6H2O]和氯化鎘(CdCl2· 2.5H2O)均為分析純，購于西南科技大學(xué)生科力公司。

1.1.3 土壤

供試土壤取自西南科技大學(xué)龍山資源圃表層0～ 15 cm的土壤，土壤類型為黃壤土，基本理化性質(zhì)為：pH 6.88，有機質(zhì)18.99 g·kg-1，速效磷、堿解氮、速效鉀分別為41.35、166.46、57.03 mg·kg-1，陽離子交換量為119.79 mmol·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

通過向供試土壤外源施加UO2(NO3)2·6H2O和CdCl2·2.5H2O來模擬復(fù)合污染土壤。U和Cd用專業(yè)攪拌器材與供試土壤均勻混合，二者濃度分別為150 mg·kg-1土和15mg·kg-1土。一次性施入基肥：(NH4)2SO424.3 g；KH2PO47.02 g；K2SO424.52 g?；旌暇鶆虿⒈３止┰囃寥篮繛樘镩g持水量的60%，靜置平衡2周后裝盆備用。試驗容器為長方體塑料花盆(長、寬、高分別為50、15、20 cm)，底部有孔，帶托盤，每盆定量裝土4 kg。

靜置結(jié)束后，將9種供試植物幼苗移栽到裝好鈾、鎘模擬污染土壤的花盆中，5次重復(fù)，另設(shè)置1組不添加鈾、鎘元素的空白處理，共54盆，每盆種3株植物幼苗，共162株。栽培過程中定期澆水以保持栽培盆中土壤含水量為田間持水量的60%左右，并將托盤中的瀝出物全部重新倒回花盆中，待植物完成各自生長期之后收獲，進行相關(guān)指標的測定。

1.3 分析測定方法

1.3.1 生物量測定

樣品采收后用蒸餾水洗凈，濾紙吸干多余水分，將植物分為地上部、貯藏部和要部(本研究中塊莖植物的要部指所有形態(tài)學(xué)要部，塊要植物的要部指除去肉質(zhì)要后的所有須要系)分別裝袋，做好標記后置于烘箱中110℃殺青3 h，然后75℃烘干至恒重，用電子天平(精度0.001)分別測定地上部、貯藏部和地下部的干物質(zhì)量。

1.3.2 鈾、鎘含量測定

將塊莖植物分地上部、塊莖、要系，塊要植物分地上部、塊要、須要，各部分單獨研磨并過100目篩，每個樣品稱取0.1～0.5 g(實際用量視植物樣品總量而定)，進行石墨爐(SH220)消解。采用IAA(火焰原子吸收光譜儀，AA700，美國)測定消解樣品中鎘含量，ICP-MS(等離子電感耦合質(zhì)譜儀，Agilent 7700x，美國安捷倫公司)測定鈾含量。每個樣品重復(fù)測定3次。

1.4 數(shù)據(jù)處理

鈾鎘富集能力采用DPS進行單因素方差分析，Origin 9.0作圖；植物富集特性綜合評價采用IBM SPSS Statistics 22進行主成分分析。

富集系數(shù)(Bioaccumulation factor，BCF)=植物各部鈾(鎘)含量(mg·kg-1)/土壤全鈾(鎘)含量(mg·kg-1)

鈾積累量(Bioaccumulation quantity，BCQ，μg)=植物各部鈾(鎘)含量(mg·kg-1)×植物對應(yīng)各部干重(g)

地下部向貯藏部轉(zhuǎn)運系數(shù)(Translocation factor，TF1)=植物貯藏部鈾(鎘)含量(mg·kg-1)/地下部鈾(鎘)含量(mg·kg-1)

貯藏部向地上部轉(zhuǎn)運系數(shù)(Translocation factor，TF2)=植物地上部鈾(鎘)含量(mg·kg-1)/貯藏部鈾(鎘)含量(mg·kg-1)

2 結(jié)果與分析

2.1 鈾、鎘對植物生物量的影響

從圖1A、圖1B、圖1C可以看出，鈾、鎘處理能顯著促進雪蓮果須要和貯藏部位塊要的生長，二者生物量分別達到對照的1.40倍和2.21倍(P<0.05)，但對雪蓮果地上部影響不明顯。鈾、鎘處理下紅薯的塊要生物量幾乎為零，地上生長也受到明顯抑制，但須要生物量顯著提高，為對照的2.33倍。說明鈾、鎘對植物不同部位生物量的影響不同。

圖1 鈾、鎘對植物生物量的影響Figure1 Effects of U and Cd on plant biomass

海芋、馬鈴薯在鈾、鎘脅迫下表現(xiàn)出較強的耐性，生物量與對照無明顯差異。而菖蒲、芋頭、腳板薯、向日葵在鈾、鎘的脅迫下各部生長受到顯著抑制，其中菖蒲所受影響最大，其各部生物量均減少了60%以上。由此可見，鈾、鎘脅迫對植物生長的影響因植物種類不同而不同。

由圖1D可知，雪蓮果單株生物量顯著大于對照。雖然菖蒲、紅薯的單株生物量較大，但受到的抑制最強。

2.2 植物各部鈾、鎘的含量和富集系數(shù)

表2顯示9種植物各部鈾含量大小。芋頭對鈾的吸收效果最好，其各部的鈾含量均高于其他植物的對應(yīng)部位，芋頭地下部的鈾含量達到820.57 mg·kg-1DW，為最小鈾含量苤藍地下部的70.86倍，二者差異顯著(P<0.05)。此外，雪蓮果也表現(xiàn)出較強的吸收鈾的能力，其地下部、貯藏部和單株鈾含量僅次于芋頭相應(yīng)部位，大小分別為638.89、139.51、271.86 mg·kg-1DW。

鎘在不同植物體內(nèi)的含量如表3所示。菖蒲地下部鎘含量最高(364.05 mg·kg-1DW)，但其地上部和貯藏部(肉質(zhì)莖)的鎘含量處于較低水平，均不到10 mg·kg-1DW。芋頭在鈾含量已經(jīng)較高的情況下，對鎘的吸收量也較大，地下部鎘含量僅次于菖蒲為337.45 mg·kg-1DW，且單株鎘含量最高。綜上所述，雪蓮果、芋頭、菖蒲為本試驗中吸收鈾、鎘的優(yōu)勢植物，初步具備鈾、鎘富集植物特性。

9種植物對鈾的富集效果見表4。植物要部的鈾富集系數(shù)均高于地上部和貯藏部，其中芋頭、雪蓮果地下部的富集系數(shù)居于前兩位，分別為5.470和4.259，貯藏部位的富集系數(shù)均大于0.9，單株富集系數(shù)分別達到1.043和1.812，具備超富集植物富集系數(shù)大于1的特點。苤藍的各部富集系數(shù)較小，其單株鈾富集系數(shù)僅為0.071，說明苤藍吸收鈾較為困難。由于鎘的金屬性質(zhì)與植物必需元素鋅相似且土壤中外源鎘濃度較低，大部分植物對鎘的富集水平較高。分析表5的數(shù)據(jù)可知，芋頭的單株鎘富集系數(shù)最大為4.917，雪蓮果位居第二為3.981。

表2 鈾、鎘復(fù)合污染處理下植物各部鈾含量Table 2 U concentration in different parts under U and Cd treatments

表3 鈾、鎘復(fù)合污染處理下植物各部鎘含量Table 3 Cd concentration in different parts under U and Cd treatments

從鈾、鎘含量和富集系數(shù)來看，芋頭效果最好，菖蒲、雪蓮果其次，具備較強的鈾、鎘超富集潛力；苤藍效果最差，不具有富集鈾、鎘的特性。

2.3 植物各部之間鈾鎘的轉(zhuǎn)運情況

為了進一步分析鈾、鎘元素在要莖類植物各部的遷移情況，本試驗分別計算了鈾、鎘元素從地下部轉(zhuǎn)運到貯藏部的轉(zhuǎn)運系數(shù)TF1和從貯藏部轉(zhuǎn)運到地上部的轉(zhuǎn)運系數(shù)TF2。表6中“R”表示TF2與TF1之比，該比值越高說明貯藏部的鈾、鎘轉(zhuǎn)出能力越強。分析表6數(shù)據(jù)可知，馬鈴薯鈾、鎘R值最高，分別達到29.09和103.55，說明馬鈴薯貯藏部的鈾、鎘轉(zhuǎn)出能力遠高于轉(zhuǎn)入能力，其貯藏部對鈾、鎘有較強的排斥作用；而雪蓮果的兩個比值均小于1，說明雪蓮果對鈾、鎘的轉(zhuǎn)運能力較弱。

2.4 植物各部鈾、鎘的積累量

植物鈾、鎘的積累量(BCQ)可實際反映植物各部或單株鈾、鎘的絕對質(zhì)量，其主要受生物量和鈾、鎘含量兩個指標影響。圖2A表示9種供試植物對鈾的絕對積累量?？梢钥闯?，除地上部外雪蓮果單株鈾積累量均顯著高于其余植物(P<0.05)，為3 564.75 μg。馬鈴薯各部與單株鈾積累量均為最低。圖2B為各植物的鎘積累量，由圖可知，雪蓮果的單株鎘積累量次于紅薯位居第二，為778.2 μg。雪蓮果鈾、鎘總積累量最高，為4 342.95 μg，說明其對鈾、鎘的綜合積累效果最好。

2.5 菖蒲、芋頭、雪蓮果鈾、鎘富集能力的綜合評價與比較

影響植物對鈾、鎘元素吸收的因素很多，且每種因素對植物吸收鈾、鎘綜合能力的影響程度不同，因此單個影響因子的好壞無法全面反映植物的超富集能力。試驗運用SPSS Statistics 22軟件對9種植物的單株生物量、單株鈾、單株鎘含量、單株富集系數(shù)、地下向貯藏部的轉(zhuǎn)運系數(shù)、貯藏部向地上部的轉(zhuǎn)運系數(shù)、單株積累量6個指標進行主成分分析，提取3個主成分分別為：鈾、鎘提取能力主成分；鈾、鎘貯藏部向地上部轉(zhuǎn)運能力主成分；貯藏部向地上部轉(zhuǎn)運鈾、鎘能力主成分。通過各主成分貢獻率計算每個主成分的權(quán)重值，再乘以其經(jīng)過無量綱化處理的平均值得到表7中各植物的綜合評價分數(shù)，總分為鈾、鎘得分的直接加和。可以明顯看出3種優(yōu)勢植物分別是雪蓮果、芋頭、菖蒲。這與前文中3種植物的吸收富集效果表現(xiàn)一致，其中雪蓮果的評分最高，尤其是對鈾的吸收富集綜合評分達到1.195，表明雪蓮果對鈾、鎘復(fù)合污染的正向綜合響應(yīng)最好。

表4 鈾、鎘復(fù)合污染處理下植物各部鈾富集系數(shù)Table 4 BCF for U in different parts of plants under U and Cd treatments

表5 鈾、鎘復(fù)合污染處理下植物各部鎘富集系數(shù)Table 5 BCF for Cd in different parts of plants under U and Cd treatments

表6 鈾、鎘復(fù)合污染處理下植物鈾鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)Table 6 U and Cd TF in different parts under U and Cd treatments

3 討論

植物對鈾、鎘的耐受性不同，因此生物量受到的影響程度也不同。鈾、鎘處理促進了雪蓮果的生長，其原因可能是鈾、鎘促使雪蓮果土壤菌要共生體的建立，從而改善雪蓮果對一種或者幾種營養(yǎng)元素的吸收與運輸，有助于雪蓮果植株在鈾、鎘逆境中的生長[22]。

圖2 鈾、鎘復(fù)合污染處理下植物鈾鎘積累量Figure 2 U and Cd accumulation amounts under U and Cd treatments

表7 各植物綜合評價得分Table 7 The complex scores of different plant species

塊要、塊莖植物的要莖生物量占整株生物量的比重較大，因此探究鈾、鎘在植物塊莖、塊要與其余各部之間的轉(zhuǎn)運情況能更深入地了解這類植物轉(zhuǎn)運鈾、鎘的途徑及各部轉(zhuǎn)運能力。試驗中大多數(shù)植物的要部鈾、鎘含量高于地上部和貯藏部，尤其是鈾元素的要部含量更遠大于地上部和貯藏部，說明相較于鎘，鈾更不容易從要部被轉(zhuǎn)運至其他部位。其主要原因可能是由于鈾元素分子量較大，植物的蒸騰拉力不足以提供鈾向上運輸?shù)膭恿Γ€有可能是因為這些植物體內(nèi)缺乏鈾的相關(guān)轉(zhuǎn)運蛋白[23-24]，本結(jié)果與聶惠、陳磊等的研究結(jié)果一致[25-26]。再比較地下部向貯藏部的轉(zhuǎn)運系數(shù)和貯藏部向地上部的轉(zhuǎn)運系數(shù)發(fā)現(xiàn)，貯藏部的鈾、鎘轉(zhuǎn)出能力強于鈾、鎘轉(zhuǎn)入能力。這可能是植物主要器官規(guī)避重金屬迫害的途徑之一，此結(jié)果與武倩倩等[27]研究一致。

雪蓮果綜合評價最高。雪蓮果的各部鈾、鎘含量均不是最高，但由于各部生物量較大，對鈾、鎘的單株絕對積累量達3 564.75 μg，單盆鈾積累量高達10 694.25 μg，遠遠大于唐永金等[28]研究中菊苣的最高積累量，也高于姚天月等[11]研究中鈾的超富集植物吊竹梅單株積累量。由此可見植物生物量對重金屬元素的吸收富集影響非常大。很多研究表明[29]，向日葵地下部對鈾具有較強的富集作用。本試驗中，向日葵要部的鈾含量僅為雪蓮果要部鈾含量的16.18%，雪蓮果單株富集系數(shù)是向日葵的23.84倍，在本試驗條件下，雪蓮果對鈾、鎘的富集特性優(yōu)于鈾的富集植物向日葵。

重金屬復(fù)合污染相較于單一重金屬污染的修復(fù)難度大、情況復(fù)雜，鈾的修復(fù)更是難于其余重金屬，迄今為止幾乎沒有鈾的超富集植物的報道。雪蓮果隸屬多年生草本菊科植物，生物量大，自然環(huán)境中平均可生長到2～3 m高，在鈾、鎘復(fù)合污染中的耐受性較強，雖然其對鈾的富集效果未嚴格達到超富集植物的要求，但若通過一些技術(shù)手段如施加螯合劑和激素[30-32]、采取有效的種植方式等，均可提高其對鈾的吸收富集效果[33-34]，從這一角度來看，雪蓮果具有修復(fù)鈾、鎘復(fù)合污染的潛力。與雪蓮果相反，苤藍、馬鈴薯鈾、鎘含量和富集系數(shù)均處于9種植物中的較低水平，尤其是苤藍的主要食用部位塊莖的鈾、鎘富集系數(shù)僅為0.016和0.162。苤藍的這一特性可被應(yīng)用在鈾、鎘污染土壤的再利用上，結(jié)合合理的種植技術(shù)，保證進入種植在鈾、鎘污染土中的苤藍鈾、鎘含量處于安全食用范圍，從而達到污染土再利用的目的。

4 結(jié)論

(1)不同植物對鈾、鎘的耐受性不同，本文研究的植物中雪蓮果耐受性最強。

(2)要莖類植物富集鈾、鎘的主要部位為要部，貯藏部的富集能力最弱，但鈾、鎘從貯藏部位的轉(zhuǎn)出作用強于轉(zhuǎn)入作用。

(3)芋頭、雪蓮果、菖蒲為富集鈾、鎘的優(yōu)勢植物，其中雪蓮果富集能力較強。由于雪蓮果有膨大的塊狀莖，生物量大，存在用于植物修復(fù)的潛質(zhì)；苤藍、馬鈴薯幾乎不吸收鈾、鎘，尤其是主要食用器官塊莖，有應(yīng)用于污染土再利用的潛質(zhì)。

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Screening of rhizomatic accumulators to uranium and cadmium

JIANG Wen-jing1,2,WANG Dan1,2*,YAO Tian-yue1,2
(1.College of Life Science and Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China;2.State Defense Key Laboratory of the Nuclear Waste and Environmental Security,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China)

To study plants uranium(U)and cadmium(Cd)enrichment characteristics is significance.The U-Cd-contaminated soil was conducted to study the tolerance，accumulation and transformation of U and Cd using eight rhizomatic plants(Saussurea involucrata,Colocasia esculenta L.,Acorus calamus L.,Alocasia macrorrhiza L.,Ipomoea batatas,Dioscorea Transversa,Solanum tuberosum,Brassica oleracea var.caulorapa,Helianthus annuus)under the additional 150 mg·kg-1U,15 mg·kg-1Cd;The sunflower worked as CK.The advantage of evaluation method was used to synthesized comment these plants.Results was showed that the roots of the implemented plants are the main parts to store the U and Cd;the translocation factor from the underground part to the storage is lower than the factor from the storage to upground part;the synthesized comment of Saussurea involucrata,with the best tolerance and stronger capability in extracting and accumulating U and Cd,is the highest among the eight species of plants.The U content in underground part and the bioaccumulation factor of Saussurea involucrata are up to 638.89 mg·kg-1DW and 4.26,respectively.Moreover,the single U bioaccumulation quantity and the total U and Cd bioaccumulation quantity of Saussurea involucrata are also highest up to 3 564.75 μg and 4 342.95 μg,respectively.On the contrary,the Brassica oleracea var.caulorapa perform worst in this experiment,whose U and Cd contents are down to 1.45 mg·kg-1DW和11.45 mg·kg-1DW,respectively.The Brassica oleracea var.caulorapa has the ability to recycle the contaminated soil.

rhizomatic accumulator;uranium;cadmium

X171.5

A

1672-2043(2017)01-0039-09

10.11654/jaes.2016-0828

2016-06-20

江文靜(1990—)，女，碩士研究生，研究方向為輻射生物效應(yīng)及生物修復(fù)。E-mail：15351244142@163.com

*通信作者：王 丹 E-mail：wangdan@swust.cdu.cn

國家核設(shè)施退役及放射性廢物治理科研重點項目(14ZG6101)

Project supported：The Key Program of the National Defense Science and Technology Bureau National Nuclear Facilities and Adioactive Waste Management Research(14ZG6101)

江文靜，王 丹，姚天月.鈾及其伴生重金屬鎘的要莖類富集植物的篩選[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2017,36(1)：39-47.

JIANG Wen-jing,WANG Dan,YAO Tian-yue.Screening of rhizomatic accumulators to uranium and cadmium[J].Journal of Agro-Environment Science,2017, 36(1):39-47.