范 益，朱 靖，張 艷，譚仁豪，陳 珂

(西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽(yáng) 621000)

隨著核工業(yè)的發(fā)展，帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，為人類的發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)；但與此同時(shí)，大量的鈾礦被開(kāi)發(fā)，產(chǎn)生大量的尾礦以及礦渣，在大雨沖刷后，有大量含鈾元素的水體聚集在低洼地帶，要么匯入附近河流，要么形成污染水體蓄積或進(jìn)入地下水體，甚至污染附近農(nóng)田灌溉水體[1-3]。鈾作為一種重金屬元素在水體中無(wú)法降解，具有相當(dāng)高的穩(wěn)定性，會(huì)對(duì)水體、水生植物、水生動(dòng)物系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重危害，并可能通過(guò)食物鏈直接或間接地影響到人類的自身健康。而且尾礦鈾元素具有放射性，衰變時(shí)產(chǎn)生大量射線，也會(huì)對(duì)人體造成內(nèi)源輻照傷害。因此，亟待開(kāi)展對(duì)鈾污染水體的生態(tài)效應(yīng)研究[4]。

浮萍(Lemna)植物是一類以漂浮為主的水生被子植物,主要是無(wú)性繁殖，能夠起到凈化水體的作用[5-8]。由于利用浮萍科植物治理受污染水體有很多其他治理方法無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，所以無(wú)論是在廢水的處理上還是在水體的生態(tài)恢復(fù)與監(jiān)測(cè)上，浮萍都具有重要的應(yīng)用價(jià)值[9]。因此，該研究以浮萍為研究對(duì)象，通過(guò)施加磷酸鹽研究其在不同濃度鈾脅迫條件下抗氧化酶系統(tǒng)的響應(yīng)機(jī)制，以及鈾富集能力的變化，探討鈾污染水體的生態(tài)效應(yīng)和浮萍應(yīng)對(duì)鈾污染的植物修復(fù)潛力。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)材料浮萍采自西南科技大學(xué)校園池塘，先水培容器中預(yù)培養(yǎng)，用1/2 Hogland營(yíng)養(yǎng)液預(yù)水培15 d，然后挑選長(zhǎng)勢(shì)、大小一致的植物作為供試材料。

1.2試驗(yàn)方法試驗(yàn)在西南科技大學(xué)溫室中進(jìn)行，采用浮水植物浮萍，利用溫室水盆進(jìn)行馴化及試驗(yàn)，馴化15 d，水體采用Hogland營(yíng)養(yǎng)液。Hogland營(yíng)養(yǎng)液配方如下：大量元素，KNO3510 mg/L、Ca(NO3)2820 mg/L、MgSO4·7H2O 490 mg/L、KH2PO4136 mg/L、FeSO40.6 mg/L；微量元素，H3BO32.86 mg/L、MnCl2·4H2O 1.81 mg/L、ZnSO4·7H2O 0.22 mg/L、(NH4)Mo7O240.45 mg/L、EDTA 0.744 mg/L、CuSO4·5H2O 0.08 mg/L。溫度控制在20～25 ℃。

試驗(yàn)采用單因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，供試核素為醋酸雙氧鈾[UO2(CH3COO)2·2H2O]，鈾(UO22+)處理濃度為國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)0.05 mg/L的整倍數(shù)：低濃度(0.5 mg/L，U0.5)、中濃度(5.0 mg/L，U5)、高濃度(50.0 mg/L，U50)，試驗(yàn)采用的磷酸鹽為KH2PO4，PO43-施加濃度分別為0(-P)、5 mg/L(低濃度，+P5)、50 mg/L(高濃度，+P50)。具體設(shè)計(jì)如表1。水培容器每盆20 L純水，pH調(diào)節(jié)至6，浮萍處理組每盆150 g，每個(gè)處理3次重復(fù)，共計(jì)27盆。容器隨機(jī)排列，保持足夠的空間，消除邊際效應(yīng)的干擾。

1.3指標(biāo)測(cè)定試驗(yàn)處理第9天收獲植物樣品測(cè)定超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)活性及丙二醛(MAD)和脯氨酸(Pro)的含量，結(jié)束后收集植物樣品干燥后測(cè)定生物量及植物體內(nèi)的鈾含量。

SOD酶活性采用氮藍(lán)四唑(NBT)法；CAT活性采用紫外比色法測(cè)定；MAD采用硫代巴比妥法；脯氨酸含量測(cè)定采用酸性茚三酮法；鈾含量是由在植物樣品微波消解法后，采用美國(guó)安捷倫公司電感耦合等離子體發(fā)射光譜-質(zhì)譜儀(ICP-MS)進(jìn)行測(cè)定。

1.4數(shù)據(jù)分析采用SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)差異性分析，利用Origin 8.5進(jìn)行作圖。富集系數(shù)=植物U的含量(g/kg)/培養(yǎng)液中U的含量(g/kg)。

2 結(jié)果與分析

2.1鈾脅迫下施加磷酸鹽對(duì)浮萍抗氧化酶系統(tǒng)的影響由圖1可見(jiàn)，水體高濃度鈾(50.0 mg/L)顯著抑制了浮萍的SOD和CAT活性，而在低、中濃度(0.5、5.0 mg/L)的鈾脅迫中浮萍均保持較高的抗氧化酶活性。施加了磷酸鹽后，總體上來(lái)看，在中低濃度鈾脅迫下浮萍的CAT活性沒(méi)有受到顯著的變化，但在高濃度鈾脅迫下浮萍的CAT活性顯著提高。磷酸鹽誘導(dǎo)了浮萍在中高濃度鈾脅迫下SOD活性的顯著增高，而且施加低濃度的磷酸鹽的促進(jìn)作用更加明顯，因?yàn)楦邼舛鹊牧姿猁}導(dǎo)致高濃度鈾脅迫下SOD活性的下降。

注：不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate significant difference (P<0.05)圖1 磷酸鹽作用下不同濃度鈾離子處理對(duì)浮萍CAT(A)和SOD(B)活性的影響Fig.1 Effects of phosphate(±P) on CAT activities of Lemna minor L.under different treatments with UO22+

2.2鈾脅迫下施加磷酸鹽對(duì)浮萍MAD和Pro含量的影響由圖3可見(jiàn)，在未施加磷酸鹽的情況下，鈾的脅迫并未導(dǎo)致浮萍MAD含量的顯著變化，只有在高濃度鈾脅迫下MAD有所下降。而施加了磷酸鹽后，在低濃度鈾脅迫下，浮萍的MAD含量隨磷酸鹽的增加呈先降低后升高的趨勢(shì)；在中濃度鈾脅迫時(shí)，MAD含量隨磷酸鹽的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，且在低濃度磷酸鹽的情況下有最大值；在高濃度的鈾脅迫下，MAD含量隨磷酸鹽增加而增加。未施加磷酸鹽時(shí)，浮萍Pro含量隨鈾脅迫濃度的增加而下降，但是差異不顯著；施加磷酸鹽后，浮萍Pro含量都在顯著增高，并且磷酸鹽的濃度越高，在中高濃度組的浮萍Pro含量增加越多，且達(dá)到顯著水平。

注：不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate significant difference (P<0.05)圖2 磷酸鹽作用下不同濃度鈾離子處理對(duì)浮萍MDA(A)和Pro(B)含量的影響Fig.2 Effects of phosphate(±P) on Pro contents of Lemna minor L.under different treatments with UO22+

2.3鈾脅迫下施加磷酸鹽對(duì)浮萍生物量和富集量的影響在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程，浮萍在處理前后的生物量變化不顯著。由表2可見(jiàn)，浮萍對(duì)鈾的富集量是隨著鈾脅迫濃度的增加而顯著提高的，但富集系數(shù)則是在中濃度鈾脅迫條件下達(dá)到最大。而磷酸鹽的施加會(huì)導(dǎo)致浮萍對(duì)鈾的富集量和富集系數(shù)顯著下降，且磷酸鹽濃度越高，鈾富集量下降得越多，但是低濃度磷酸鹽能夠顯著提高低濃度鈾條件下浮萍對(duì)鈾的富集系數(shù)?？傮w上看，磷酸鹽會(huì)抑制浮萍對(duì)鈾的富集和吸收。

表2施加磷酸鹽后不同濃度鈾離子處理對(duì)浮萍富集量的影響

Table2EffectsofphosphateonaccumulationamountofduckweedunderdifferenttreatmentswithUO22+

磷酸鹽濃度Phosphateconcentrationmg/L鈾處理濃度UO22+concentrationmg/L鈾富集濃度Uraniumenrichmentconcentrationmg/g富集系數(shù)Enrichmentcoefficient00．50．35±0．02f0．705．05．61±0．24c1．1250．042．45±1．93a0．8350．50．66±0．33e1．325．00．31±0．18g0．6150．020．13±1．09b0．40500．50．18±0．01h0．365．00．16±0．01i0．0350．01．30±0．08d0．03

注：不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)

Note：Different lowercase letters indicate significant difference (P<0.05)

3 討論

鈾作為非生物功能性元素，通常情況下，進(jìn)入植物體內(nèi)主要是通過(guò)被動(dòng)運(yùn)輸，首先鈾吸附在植物表面，可能通過(guò)能量流動(dòng)和信息傳遞等功能進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，并富集在植物體內(nèi)，有研究表明鈾進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)是由于鈾的毒性改變了細(xì)胞滲透性從而進(jìn)入體內(nèi)[10-11]。從該研究的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，未施加磷酸鹽時(shí)，浮萍MAD、Pro、CAT和SOD這4個(gè)理化指標(biāo)對(duì)鈾脅迫濃度的響應(yīng)并不明顯，僅在高濃度鈾脅迫條件下CAT和SOD有所下降，而浮萍對(duì)鈾的富集量卻是隨著鈾濃度的增加而顯著升高的。這表明浮萍對(duì)鈾的富集可能是由于鈾離子主要被吸附在浮萍的根和葉片背面上，并沒(méi)有被吸收到植物體內(nèi)造成實(shí)質(zhì)性的傷害；只有在高鈾脅迫下，植物表面富集的鈾含量過(guò)高而可能導(dǎo)致離子通道受阻或造成部分物理傷害，從而直接導(dǎo)致浮萍抗氧化系統(tǒng)受到了一定損傷且直接有所下降。該研究指出浮萍對(duì)鈾的富集量最大也能達(dá)到44.37 mg/g，表明對(duì)鈾富集能力是比較強(qiáng)的。這與聶小琴等[12]的研究結(jié)果一致，說(shuō)明浮萍科植物對(duì)鈾確實(shí)有較高的富集能力。

一般認(rèn)為，由于磷元素與鈾元素具有較強(qiáng)的絡(luò)合作用，因此磷酸鹽的加入對(duì)鈾在水環(huán)境中的吸附(分配)產(chǎn)生較大的影響，同時(shí)水體中鈾的賦存形態(tài)關(guān)系著生物對(duì)鈾的可利用性[13]。磷酸鹽主要從2個(gè)方面對(duì)植物產(chǎn)生影響：一是為植物生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，磷作為植物生長(zhǎng)的必需元素，在植物體內(nèi)物質(zhì)的組成和代謝過(guò)程方面都有重要的作用，對(duì)植物生長(zhǎng)具有重要作用；二是磷酸鹽的加入與環(huán)境中的重金屬產(chǎn)生絡(luò)合等作用，對(duì)重金屬生物利用有效性產(chǎn)生影響[14-16]。谷兆萍[17]研究也發(fā)現(xiàn)低濃度的磷處理下浮萍體內(nèi)As含量明顯增加，高濃度的磷處理下浮萍體內(nèi)As含量明顯降低，這與植物對(duì)重金屬的富集既通過(guò)物理化學(xué)吸附又經(jīng)過(guò)磷酸鹽的吸收通道有關(guān)系。該研究中磷酸鹽的施加對(duì)浮萍最大的影響是對(duì)鈾富集量的顯著抑制，而且施加的磷酸鹽濃度越大，浮萍對(duì)鈾的富集量越小。結(jié)合聶小琴等[12]、谷兆萍[17]的研究推測(cè)的鈾元素主要被吸附在浮萍植物表面，屬于物理吸附，那么磷酸鹽可能起到的作用是通過(guò)絡(luò)合的作用解析了植物表面吸附的鈾酰離子，從而顯著降低了植株對(duì)鈾的富集量。此外，從MAD、Pro、CAT和SOD的變化來(lái)看，磷酸鹽的施加雖然降低了浮萍對(duì)鈾的富集，但是可能增強(qiáng)了鈾酰離子對(duì)植株的膜脂過(guò)氧化損傷，這也在一定程度上解釋了為什么磷酸鹽促進(jìn)浮萍在低濃度鈾脅迫下的富集系數(shù)反而升高的原因。有研究發(fā)現(xiàn)，由于細(xì)胞膜具有運(yùn)輸磷元素的特殊通道，磷酸型鈾酰離子更容易被細(xì)胞吸收，因此，對(duì)于生物而言，磷酸型鈾酰離子比其他形式的鈾酰離子具有更大的毒性，具有更強(qiáng)的生物可利用性[18]。由此也可以初步推斷，施加磷酸鹽后，浮萍對(duì)鈾的富集主要是通過(guò)吸收作用而不是吸附作用。

4 結(jié)論

該試驗(yàn)主要研究了浮萍在不同濃度鈾脅迫條件下，高低2個(gè)濃度磷酸鹽施加前后，其MAD、Pro以及CAT和SOD 2個(gè)抗氧化酶系統(tǒng)的生理生化指標(biāo)的變化。結(jié)果表明，浮萍對(duì)水體中的鈾有較高的富集能力，最大能達(dá)到44.37 mg/g，而且主要是以吸附作用為主，植株受到的膜脂過(guò)氧化脅迫程度小。但施加磷酸鹽后，浮萍對(duì)水體中鈾的富集量和富集系數(shù)顯著下降，富集機(jī)制可能由吸附轉(zhuǎn)變?yōu)槲諡橹?，提高了鈾酰離子的生物有效性，從而導(dǎo)致植株受到更明顯的膜脂過(guò)氧化脅迫。

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