趙繼武,羅學(xué)剛,王 焯,黃 強
(西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院,四川 綿陽621010)
隨著國防軍工和核電工業(yè)對鈾資源的需求日益增大,在開采和利用鈾資源的過程中不可避免地要產(chǎn)生大量的鈾礦冶廢石和鈾尾礦,其中一定數(shù)量的鈾[1],經(jīng)過雨水和地下水的作用會進(jìn)入周邊環(huán)境并可能通過食物鏈進(jìn)入人體,以內(nèi)照射和化學(xué)毒性的方式損害人體健康[2]。因此,針對鈾污染的環(huán)境修復(fù)成為國內(nèi)外廣大學(xué)者研究的重點。
針對鈾污染土壤修復(fù)的方法有物理法、化學(xué)法和生物修復(fù)法。物理法和化學(xué)法由于工程量較大、修復(fù)成本高等因素很難推廣,而生物修復(fù)法因為其不會破壞土壤結(jié)構(gòu),不易對土壤造成二次污染而得到學(xué)者的廣泛認(rèn)同。植物修復(fù)技術(shù)是指運用植物遏制、降解或提取水中或土壤基質(zhì)中的外源性物質(zhì)的技術(shù)[3]。與其他生物修復(fù)技術(shù)相比,植物修復(fù)具有環(huán)保、綠色、無公害、成本低的優(yōu)點。
黑麥草(Lolium perenneL.)為草本植物,生長速度快,適應(yīng)性廣,是引種栽培的優(yōu)良牧草,也常常作為水土保持的先鋒植物,在草原建設(shè)及畜牧業(yè)發(fā)展中具有重要作用,近幾年發(fā)現(xiàn)其對重金屬如銅、鎘、鉛、汞等也有較強的富集能力[4-7]。針對植物修復(fù)技術(shù)的大多數(shù)研究主要集中于尋找理想的超富集植物、了解植物在鈾污染土壤環(huán)境中的適應(yīng)能力和探究鈾脅迫下植物生長的機制。關(guān)于不同濃度鈾污染土壤中作物體內(nèi)各部位鈾積累分布特征及動態(tài)變化的研究極少。因此,本文以盆栽試驗的方式,研究在不同濃度鈾污染土壤下,鈾對黑麥草光合參數(shù)短期內(nèi)的動態(tài)變化、土壤鈾殘留濃度和黑麥草植株體各部分的短期積累的動態(tài)變化,為植物修復(fù)重金屬或放射性核素污染土壤提供一定的理論基礎(chǔ)。
試驗選擇禾本科的黑麥草(Lolium perenneL.)作為供試植物。試驗場地位于西南科技大學(xué)材料環(huán)境降解及安全性評價試驗場,選用壤土,采自西南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)試驗基地菜園,土壤理化性質(zhì)為:有機質(zhì)19.24 g·kg-1,總N、P、K 分別為1.23、0.43 g·kg-1和12.18 g·kg-1,速效N、P、K 分別為136.3、7.8 mg·kg-1和108 mg·kg-1,土壤pH 4.51,土壤中鈾含量為3.5~4.0 mg·kg-1。
試驗設(shè)計:土壤處理采取向土壤中添加外源鈾污染的方法,所用藥品為乙酸雙氧鈾,試驗設(shè)置4 個外源鈾濃度:25、50、75、100 mg·kg-1,同時設(shè)置空白對照CK,共取3周,每處理設(shè)置3個重復(fù),共45盆。盆規(guī)格為Φ16 cm×13 cm,每盆裝干質(zhì)量1 kg 土壤。處理方法:于2018年3月用飽和持水量法進(jìn)行土壤鈾污染處理,以乙酸雙氧鈾的形式按每盆350 mL 的量配成相應(yīng)濃度的溶液施入土壤中,空白組施加等量清水。土壤處理后用黑色遮陽網(wǎng)覆蓋放置于通風(fēng)干燥處。鈾處理土壤穩(wěn)定8 周以后再栽種植物,保證鈾被土壤充分吸附。每盆栽種5 株,保持田間持水量的60%~70%,黑麥草生長56、63 d 和70 d 后測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)、光合參數(shù),并分別采集土壤樣品和植物樣品。
葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定采用M-PEA-2 熒光儀(英國Hansatech 公司),測量前先將葉片暗適應(yīng)20 min,再進(jìn)行測定[8]。測定了反映PSⅡ反應(yīng)中心內(nèi)稟光能轉(zhuǎn)換效率的最大光化學(xué)效率(Fv∕Fm)、反映J 點的相對可變熒光強度的相對可變熒光(Vj)和以吸收光能為基礎(chǔ)的性能指數(shù)——光合性能指數(shù)(PIabs)。
采用LC Pro-SD+全自動便攜式光合儀(澳作生態(tài)儀器有限公司),在自然光照、大氣CO2濃度、溫度和濕度下,分別于56、63 d 和70 d 上午9:00—11:30測定黑麥草葉片光合氣體交換參數(shù):光合速率(A)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)。每個處理測3次,取平均值[9]。
土壤樣品放入80 ℃烘箱中烘至恒質(zhì)量,使用中藥粉碎機(北京永光明)粉碎,稱取0.200 0 g,加入5 mL 濃硝酸、2 mL 氫氟酸、2 mL 鹽酸和2 mL 30%雙氧水,使用Synthos 3000 消解儀(奧地利安東帕公司)消解,消解液通過濾膜過濾后使用Agilent 7700x ICPMS(美國安捷倫公司)測定鈾含量。
植物樣品用自來水洗凈,再用超純水清洗3 次,濾紙擦干,放入105 ℃烘箱中殺青30 min,而后80 ℃烘至恒質(zhì)量。使用中藥粉碎機(北京永光明)粉碎,稱取0.200 g,加入7 mL 濃硝酸和2 mL 30%雙氧水,使用Synthos 3000 消解儀(奧地利安東帕公司)消解,消解液通過濾膜過濾后使用Agilent 7700x ICP-MS(美國安捷倫公司)測定鈾含量。
生物富集系數(shù)(BCF)=植物干物質(zhì)中重金屬含量(mg·kg-1DW)∕土壤重金屬濃度(mg·kg-1DW)[9]。
生物轉(zhuǎn)移因子(TF)=植物地上部干物質(zhì)重金屬濃度(mg·kg-1DW)∕植物地下部干物質(zhì)重金屬濃度(mg·kg-1DW)[9]。
鈾總提取量=植物地下部干物質(zhì)中鈾濃度×地下部干質(zhì)量+植物地上部干物質(zhì)鈾濃度×地上部干質(zhì)量。
使用WPS 2018 進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理,使用DPS7.05[10]進(jìn)行方差分析,分析方法為Tukey 多重比較法,P<0.05 為顯著,P<0.01 為極顯著,應(yīng)用Origin 8 軟件作圖,并用其分析功能進(jìn)行線性擬合和非線性擬合。
由圖1(A)可以看出,以黑麥草作為修復(fù)植物,對外源鈾污染土壤進(jìn)行修復(fù)后,土壤的鈾殘留濃度隨外源鈾濃度的增高而增高(P<0.05),在56 d 100 mg·kg-1處理下達(dá)到最大,為96.46 mg·kg-1,然而在63 d 和70 d 100 mg·kg-1時,土壤的鈾殘留濃度為73.06 mg·kg-1和62.53 mg·kg-1(P<0.05),說明黑麥草對不同濃度鈾污染的土壤是有修復(fù)效果的。其中,100 mg·kg-1外源鈾處理下,土壤鈾殘留濃度減少值最大,分別比56 d減少了23.39 mg·kg-1和33.92 mg·kg-1,而25 mg·kg-1時,土壤鈾濃度減少值最小,分別比56 d 減少了7.59 mg·kg-1和8.99 mg·kg-1。圖1(B)和圖2(A)分別是鈾處理濃度和周數(shù)與土壤實際鈾濃度之間的關(guān)系,對其擬合,得知外源鈾濃度與土壤實際濃度呈線性關(guān)系,且斜率隨著生長時間的增加而減小,而決定系數(shù)(R2)為0.99、0.98、0.98,說明外源鈾濃度對土壤鈾殘留濃度的影響較大;生長時間與土壤實際鈾濃度呈指數(shù)衰減的趨勢,最后逐漸趨于穩(wěn)定。
由圖1(C)可知在56 d 時,不同濃度鈾污染的土壤中,黑麥草地下部的鈾濃度分別為3.29、96.09、185.15、79.05、137.20 mg·kg-1,在63 d 時,黑麥草地下部 的 鈾 濃 度 達(dá) 到 了3.31、131.96、308.73、442.22、905.40 mg·kg-1,在56 d 的 基 礎(chǔ) 上 增 長 了0.62%、37.33%、66.75%、459.43%、559.50%,在70 d 時,黑麥草地下部的鈾濃度分別為4.71、193.55、375.03、534.53 mg·kg-1和1070.63 mg·kg-1,在56 d的基礎(chǔ)上增長了43.20%、101.42%、102.56%、576.20%、680.33%。說明不同濃度污染下黑麥草地下部鈾濃度隨生長時間的增加而增加(P<0.05)。根據(jù)圖1(D)可知地下部鈾濃度與外源鈾處理濃度呈線性關(guān)系,在70 d的決定系數(shù)(R2)較高,為0.90,說明隨著生長時間的增加外源鈾處理濃度對黑麥草地上部的鈾濃度影響逐漸密切。根據(jù)圖2(B)的非線性擬合可知,在高濃度處理下,56~63 d黑麥草地下部鈾濃度的增長量比63~70 d之間的增長量大,這種差異在100 mg·kg-1處理下為最大。圖2(A)和圖2(B)在56~63 d 的時候土壤中的鈾含量減少較多,而黑麥草地下部含量在56~63 d 增加的較多,說明在56~63 d 這個生長時間段內(nèi)黑麥草地下部富集鈾的能力較強,而63~70 d 鈾濃度的濃度差較小的原因可能是因為根部富集的鈾逐漸達(dá)到峰值,因此63~70 d土壤的鈾實際濃度差的也較小。
由圖1(E)可知在56 d時,不同濃度鈾污染的土壤中,黑麥草地上部的鈾濃度分別為1.53、23.62、88.85、95.04、237.34 mg·kg-1,即隨外源鈾濃度的增加而增加(P<0.05),在63 d 時,黑麥草地上部的鈾濃度達(dá)到了3.42、116.46、135.93、179.06、340.30 mg·kg-1,在56 d的基礎(chǔ)上增長了123.51%、392.96%、52.99%、88.40%、43.38%,在70 d 時,黑麥草地上部的鈾濃度分別為2.65、151.59、250.44、351.71 mg·kg-1和628.33 mg·kg-1,在56 d 的 基 礎(chǔ) 上 增 長 了73.07%、541.79%、181.87%、270.07%、167.74%。說明不同濃度污染下黑麥草地上部鈾濃度隨生長時間的增加而增加(P<0.05)。斜率隨生長時間的增大而增大,說明地上部鈾濃度與外源鈾濃度正相關(guān),且隨著生長時間的增加鈾處理濃度對黑麥草地上部的鈾濃度影響也越來越密切。而根據(jù)圖2(B)和圖2(C)與生長時間的非線性擬合可知在中高濃度鈾處理下黑麥草地上部鈾濃度在63~70 d時的濃度差大于56~63 d的濃度差,而黑麥草地下部在56~63 d 時的濃度差比63~70 d 高,說明在56~63 d時黑麥草地上部雖然會富集一定量的鈾,但其主要富集在地下部,但在63 d后,雖然鈾還是主要富集在地下部,但是鈾逐漸在向地上部轉(zhuǎn)移,且這種轉(zhuǎn)移趨勢較快。
由表1 可知,當(dāng)外源鈾濃度為0~100 mg·kg-1時,黑麥草在不同生長時間下的轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)均逐漸增加,但生物富集系數(shù)(BCF)卻呈下降趨勢,分別為0.94~6.06(25 mg·kg-1)、1.77~5.01(50 mg·kg-1)、1.26~4.69(75 mg·kg-1)和2.37~6.28(100 mg·kg-1)。當(dāng)外源鈾為100 mg·kg-1時,黑麥草的鈾提取總量在56、63、70 d 時分別達(dá)到0.019、0.142、0.233 mg,呈明顯的“累積效應(yīng)”。同時,隨黑麥草生長時間的延長,BCF也在逐漸增加。這表明,黑麥草根系對土壤鈾具有較強的吸收能力,且黑麥草對土壤鈾的累積、轉(zhuǎn)移特征與外源鈾污染水平、生長時間密切相關(guān)。
圖1 不同生長時間下土壤(A、B)、地下部(C、D)、地上部(E、F)鈾濃度與外源鈾處理濃度的關(guān)系Figure 1 Relationship between uranium concentration in soil(A,B),underground(C,D)and aboveground(E,F(xiàn))and treatment concentration of exogenous uranium under different growth time
由圖3 可以看出,隨著外源鈾濃度的增加,不同時期黑麥草的光合性能指數(shù)(PIabs)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(P<0.05),而隨著生長時間的增加,不同濃度處理下的黑麥草PIabs 也呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(P<0.05),在56 d 時,與對照組相比黑麥草的PIabs 變化了-2.10%、46.96%、16.23%、17.67%;在70 d時,與對照組相比黑麥草的PIabs 變化了7.09%、10.47%、-0.42%、-26.75%。
由圖4 可以看出,最大光化學(xué)效率(Fv∕Fm)隨外源鈾濃度的增加和植物生長時間的增加,呈現(xiàn)較為平穩(wěn)的趨勢,總體是維持在0.771~0.804 的區(qū)間范圍內(nèi),外源鈾濃度和生長時間對黑麥草的最大光化學(xué)效率影響不顯著。
表1 不同濃度鈾處理下BCF、TF、鈾提取總量隨生長時間的動態(tài)變化Table 1 Dynamic change of BCF,TF,total uranium extraction with time under different U treatments
圖2 不同外源鈾濃度下土壤(A)、地下部(B)、地上部(C)鈾濃度與生長時間的關(guān)系Figure 2 Relationship between uranium concentration and time in soil(A),underground(B)and aboveground(C)parts under different U concentrations
由圖5 可知,不同生長時間的植物葉片相對可變熒光(Vj)隨鈾濃度的升高呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢,在70 d 25 mg·kg-1外源鈾濃度處理下達(dá)到最大,為0.48,比56 d 25 mg·kg-1處理的Vj 增加了7.09%,比70 d CK組增加了13.66%。
有文獻(xiàn)指出外源重金屬脅迫不僅對植物的光合熒光參數(shù)產(chǎn)生影響,也會對植物的光合氣體參數(shù)產(chǎn)生影響,針對外源鈾污染脅迫,本研究對黑麥草光合氣體參數(shù)進(jìn)行了檢測。
圖3 不同濃度鈾處理下黑麥草光合性能指數(shù)PIabs隨生長時間的動態(tài)變化Figure 3 Dynamic changes of PIabs with ryegrass under differentconcentrations of U treatment
圖4 不同濃度鈾處理下黑麥草Fv∕Fm隨生長時間的動態(tài)變化Figure 4 Dynamic changes of Fv∕Fm with ryegrass under differentconcentrations of U treatment
圖5 不同濃度鈾處理下黑麥草Vj隨生長時間的動態(tài)變化Figure 5 Dynamic changes of Vj with ryegrass under different concentrations of U treatment
由表2 可知,在不同的外源鈾濃度和生長時間的處理下,黑麥草的PSⅠ的幾個指標(biāo)呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。黑麥草的光合速率(A)和氣孔導(dǎo)度(Gs)在不同生長時間和不同濃度鈾脅迫下都小于CK,但是隨外源鈾濃度的變化和生長時間變化的差異不顯著。胞間CO2濃度(Ci)在不同生長時間和不同濃度處理下的值相比差異不顯著,其中在70 d 75 mg·kg-1時達(dá)到最大,分別比70 d CK 和56 d 75 mg·kg-1增加了35.19%和38.86%。蒸騰速率(Tr)是在56 d 75 mg·kg-1時達(dá)到最大,比56 d CK 增加了14.73%,且蒸騰速率的值維持在3.50~6.62。
將不同生長時間下的光合速率(A)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)、相對可變熒光(Vj)、光合性能指數(shù)(PIabs)、最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、土壤鈾殘留濃度、地下部鈾累計量和地上部鈾累計量計算平均值,然后分析其相關(guān)性。
由表3 可知,外源鈾濃度與黑麥草的Tr、土壤鈾殘留濃度、地下部鈾累積量和地上部鈾累積量極顯著相關(guān);黑麥草的Tr 與土壤鈾殘留濃度極顯著相關(guān),與地上部累積量顯著相關(guān);PIabs 與Fv/Fm、地下部鈾累積量、地上部鈾累積量顯著相關(guān);土壤鈾殘留濃度與地下部鈾累積量、地上部鈾累積量顯著相關(guān);地下部鈾累積量與地上部鈾累積量極顯著相關(guān)。
本研究中,黑麥草植物體內(nèi)鈾濃度隨土壤鈾殘留濃度升高而升高,且地上部和地下部與鈾處理濃度呈正相關(guān),隨著生長時間的增加,外源鈾濃度對黑麥草地上部和地下部的鈾濃度影響逐漸明顯,說明影響黑麥草體內(nèi)的鈾濃度主要與外源鈾污染濃度有關(guān),這與徐國聰?shù)萚11]的研究結(jié)果基本一致。各處理地下部鈾濃度均高于地上部,且地下部和地上部鈾濃度隨生長時間的增加呈指數(shù)增加的形式,且地上部增加的幅度要比地下部高,說明隨著單位時間的增加,黑麥草地下部富集鈾的濃度逐漸降低,并向地上部運輸,使得地上部的單位時間內(nèi)的鈾濃度逐漸增大,這與廖若星等[12]的研究結(jié)果相似。
富集系數(shù)[13](BCF)是指植株體內(nèi)元素含量與環(huán)境元素含量之比,其值越大,則表明植物吸收能力越強。轉(zhuǎn)運系數(shù)[13](TF)是指地上部分鈾的含量與地下部分鈾的含量之比,它表示鈾元素在植株體內(nèi)轉(zhuǎn)運情況,可作為評價植物將鈾從地下部分向地上部分轉(zhuǎn)運能力大小的指標(biāo)。BCF 和TF分別在70 d 100 mg·kg-1和56 d 100 mg·kg-1處理時達(dá)到最大值,這是因為在高水平土壤鈾濃度下,土壤中鈾含量基數(shù)較大。同時也表明,隨著生長時間的增加,黑麥草將鈾主要富集在地下部。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為[14-16],重金屬超富集植物應(yīng)滿足3 個指標(biāo):植株體重金屬濃度達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)(Cd為100 mg·kg-1,Pb 為1000 mg·kg-1,Zn、Mn 為10 000 mg·kg-1,等);BCF>1;TF>1。按照這一標(biāo)準(zhǔn),在本文試驗條件下黑麥草滿足BCF>1 這一條件,但其TF 在本研究中多數(shù)都小于1,因此黑麥草不是鈾的超富集植物。傳統(tǒng)超富集植物評價指標(biāo)最大的不足是忽略了對植物生物量的討論,因此有學(xué)者[17-20]提出了生物富集量系數(shù)、轉(zhuǎn)運量系數(shù)、單株植物總提?。ㄌ蕹┝?、吸收模量、修復(fù)年限、修復(fù)指數(shù)量等指標(biāo),引入了生物量及植物生長周期對修復(fù)效果的考慮。黑麥草具有生物量大、生長周期短、再生能力強、種植管理方便、對鈾脅迫耐受性強等優(yōu)點,有望通過合理的農(nóng)藝管理措施,增加其對鈾的絕對富集量,強化其修復(fù)能力。
表2 黑麥草光合作用參數(shù)對土壤鈾污染的生理響應(yīng)Table 2 Dynamic changes of biological effect index(BI)of photosynthetic system I(PSⅠ)of plants under different concentrations of U-contaminated soil
表3 光合特性與黑麥草富集量之間的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis between photosynthetic characteristics and ryegrass enrichment
葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化能夠反映外界的環(huán)境脅迫對植物光合作用各過程產(chǎn)生的影響,因此將葉綠素?zé)晒鈪?shù)作為光合反應(yīng)中的靈敏指標(biāo)[21]。Fv∕Fm[22]的值反映了PSⅡ反應(yīng)中心均處于開放狀態(tài)時的量子產(chǎn)量,即PSⅡ的潛在最大量子產(chǎn)量。在本試驗中不同外源鈾濃度處理下,黑麥草的Fv∕Fm 與對照都在正常范圍內(nèi),并無明顯的差異。PIabs[23]表示光合作用性能指數(shù),此性能指數(shù)可以更準(zhǔn)確地反映生物PSⅡ的生理活性狀態(tài),能夠較準(zhǔn)確合理地反映脅迫對光系統(tǒng)的影響[23-24]。本研究結(jié)果表明,在鈾脅迫下,黑麥草的PIabs 呈先增后減的趨勢,說明黑麥草在中低濃度下PSⅡ耐受性較好,Vj[23]表示葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)曲線中J 點的相對可變熒光,本試驗中黑麥草的Vj 的呈先升后降的趨勢,但總體上維持在0.4~0.5。Fv/Fm、PIabs 和Vj 能夠反映外界的脅迫對于光合系統(tǒng)Ⅱ的影響,在外源鈾脅迫下Fv∕Fm、Vj 沒有顯出顯著性差異,而PIabs 呈先增后減的趨勢,說明黑麥草的光合系統(tǒng)Ⅱ整體上對外源鈾脅迫的抗性較高,并未對光合系統(tǒng)Ⅱ產(chǎn)生影響。
重金屬脅迫會對植物的光合作用過程造成影響,最終導(dǎo)致碳固定和同化效率降低[25-26]。有研究表明[27-29],當(dāng)A 下降時,若植物Ci 增加,說明引起葉片光合速率降低的原因是葉肉細(xì)胞光合活性下降,即非氣孔因素;若Ci 減小,則為氣孔因素。本研究顯示,黑麥草在鈾脅迫下,其光合速率(A)、氣孔導(dǎo)度(Gs)顯著降低,胞間CO2濃度(Ci)的改變則不顯著,因此不能判斷黑麥草光合速率(A)下降是由非氣孔因素還是氣孔因素引起的。也有研究[30-31]表明光合速率下降的內(nèi)在原因可能因光抑制引起的,即光合機構(gòu)吸收的光能超過光合作用本身所能利用的能量而引起光合效率下降。本次試驗的植物生長環(huán)境都有遮陰和通風(fēng)扇的大棚,在測量時,外遮和內(nèi)遮都會打開并關(guān)閉風(fēng)扇,使用日光測植物的光合參數(shù),所以猜測植物在測量時受到了光抑制。
各濃度鈾處理對植物黑麥草的光合氣體交換參數(shù)尤其是光合速率會有顯著影響,可能是非氣孔因素導(dǎo)致的,而不同生長時間段各濃度處理對黑麥草光合熒光參數(shù)影響不顯著,對光合系統(tǒng)PSⅡ影響較小。外源鈾污染濃度對黑麥草地下部和地上部鈾濃度隨生長時間的增加,影響逐漸增加,單位時間內(nèi)的鈾濃度變化地下部小于地上部,但地下部富集量大于地上部。本試驗中黑麥草雖未達(dá)到鈾超富集植物的指標(biāo),但其較強的耐受性和較高的富集量使其成為鈾污染土壤植物修復(fù)的潛在植物。