鸭跖草的铀富集与耐性特征研究

刘 来，王卫红，张 艳

（西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010）

铀既是重金属也是一种核素，具有强烈的毒性［1-3］。我国表层（ 0～20 cm）土壤铀的平均浓度为3.03 mg/kg［4］，而铀尾矿库矿渣及污染土壤的U浓度可达26.11～122.1 mg/kg。铀矿的开采、冶炼产生的酸、铀等有毒有害污染物随地表径流和地下渗流污染水体及土壤。由于铀等重金属不能被生物降解，土壤中的铀通过食物链直接或间接地危害生态环境和人类健康［5-6］。1983年，美国科学家Chaney首次提出植物修复技术［7］，相较于传统的修复方法，植物修复技术具有安全、绿色、经济等独特的优点，根据其特征和用途分为4种：植物提取（植物将污染物从土壤中去除）、植物挥发（植物将易挥发的污染物去除）、根际过滤（植物根系从流动的液体中去除污染物）、植物固定（植物将土壤转变为毒性较低的形式，但不从土壤中去除）。

鸭跖草属鸭跖草科1年生草本植物［8］，多分布于长江以南，尤以西南地区为盛，具有重要的药用观赏价值和环境监测方面的功能［9-11］。大量研究表明鸭跖草能在铜、镉污染的矿区生存。刘小红等［12］通过水培试验研究了鸭跖草的富铜及生理响应过程，其结果与束文圣野外调查实验结果相似。张杏锋［13］通过温室盆栽实验发现，鸭跖草在高浓度Cd 污染（100 mg/kg）下能够正常生长，生长指标等有增加的趋势。黄德娟等［14］通过野外调查9种优势草本植物，发现鸭跖草地上部铀浓度（130 mg/kg）大于土壤铀浓度（120 g/kg），为铀强富集植物。以往研究主要集中在鸭跖草对镉、铜超富集能力的筛选方面，对于其在不同浓度铀处理土壤的富集、耐性特征却鲜为报道。为此，我们通过室内盆栽试验，设置7个不同浓度的铀处理，对鸭跖草的富集和耐性特征进行比较系统的研究，并探讨将其应用于铀污染土壤修复的可行性。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤为在试验地点生物质材料教育部工程研究中心温室旁边农田（104°42′E， 31°32′N）取的紫色壤土，其基本理化性质为：有机质22.8 g/kg，全氮1.5 g/kg，全磷0.56 g/kg，全钾25.4 g/kg，碱解氮109 mg/kg，有效磷9 mg/kg，速效钾131 mg/kg，pH 7.4。实验盆深15.5 cm，上部和底部直径分别为18.5、13.0 cm。

1.2 评价指标

1.2.1 铀富集评价指标

富集系数BCF=根或地上部（茎叶）铀浓度/ 土壤中铀浓度［15-16］

转移系数TF=植物地上部铀浓度/植物根系铀浓度［17］

植物铀含量=（植物地上部干物质铀含量×地上部干重+植物地下部干物质铀含量×地下部干重）/（地上部干重+地下部干重）

植物铀积累量=植物铀含量×植物干重［18］

1.2.2 铀耐性评价指标

耐性指数TI（%）=（铀处理生物性状值/0浓度处理生物性状值）×100［19-20］

1.3 试验方法

试验设铀浓度 25、75、125、175、275、375、485 mg/kg和空白对照8个处理，每个处理3次重复［21-23］，每个重复1盆。将所取土壤清除杂物，过1.4 cm筛后，按干重每盆2 kg装土，用饱和持水量法加入对应重量的分析纯乙酸双氧铀，在阴凉处放置8周，使铀与土壤充分螯合后播种。待鸭跖草植株长出4片真叶，间苗至每盆2株。每5～6 d浇水1次，每次每盆浇水250 mL，保持土壤湿度在田间持水量的20%～30%，各处理一致。

在鸭跖草生长旺盛期8月3日，采用英国Hansatech公司生产的多功能植物效率仪M-PEA对鸭跖草叶片自上往下的第8片叶进行叶绿素荧光测量。10月15日，分地上部分和地下部分收割植物，测量株高、根长，为了尽量避免根部挖掘、测量等方面的误差影响，本试验只测量鸭跖草主根的长度［24-25］。将所获样品用超纯水清洗后放在烘箱中105℃杀青30 min，然后80℃烘至恒重，测量地上、地下部分生物量，分别磨碎后，每份称取0.15 g左右，加入5 mL分析纯硝酸、2 mL 30%双氧水，用意大利MILESTONE 公司生产的ETHOS UP型微波消解仪消解为液体，在西南科技大学分析测试中心用美国Agilent 7700 x ICP-MS等离子发射光谱质谱仪测试样本的铀含量。试验数据采用SPSS 22.0统计软件分析，利用Origin 9.0对其进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同浓度铀胁迫鸭跖草生长状况

在高浓度（≥275mg/kg）铀胁迫下，鸭跖草叶片泛黄。具体长势见图1（封三），株高随着铀添加浓度的增加呈现先增加后恢复正常值，在高浓度485 μg/g胁迫时，达到最低值38.1 cm，明显低于对照。根系长度随着铀添加浓度增加而增加（表1）。鸭跖草地上部、地下部生物量在铀浓度75 mg/kg时，达到最大值分别为 6.288 g、0.51267 mg（表1、图 2）。

表1 不同铀浓度处理鸭跖草的耐性特征

图2 不同浓度铀处理鸭跖草地下部生物量

2.2 不同浓度铀胁迫鸭跖草富集特征

图3 鸭跖草植株各部分铀含量

由图3可知，鸭跖草地上部、地下部铀浓度和铀处理浓度基本呈正相关性，在铀浓度375 mg/kg时，分别达到最高值541.733、776.497 mg/kg；整株铀浓度能综合反应植物吸收铀的能力，随着铀处理浓度（≤375 mg/kg）增加，整株铀浓度呈增长的趋势，在最高铀浓度375 mg/kg，达到最大值558.487 mg/kg。本试验选取地上生物富集系数和地下部生物富集系数来衡量鸭跖草富集铀的能力，由图4可知，地上生物富集系数小于1，仅在浓度为275 mg/kg时大于1；地下部生物富集系数介于1.674～2.56之间，可见鸭跖草地下部具有强富集能力，属于铀根际富集植物。TF值反映植物将吸收的铀从地下器官（根系）转移到地上器官的能力。由图4可知，转移系数均小于1，介于0.035～0.698，说明铀在鸭跖草体内的转移能力不理想。整株铀提取量指的是植物从土壤中移出和富集铀的总量，其值的大小直接体现植物富集能力的高低。由图5可知，鸭跖草的整株铀提取量和铀处理浓度（≤375 mg/kg）呈正相关性，在铀浓度375 mg/kg时，达到最大值2 654.825 mg。

图4 鸭跖草铀富集、转移系数

2.3 不同浓度铀胁迫鸭跖草耐性特征

图5 鸭跖草整株铀提取量

叶绿素荧光参数的变化可以在一定程度上反映环境因子的变化及其对植物的影响［26-27］，随着光合理论的应用于发展，将更广泛应用于污染检测、病虫防治等研究领域。最大光化学量子产量反映的是当光系统Ⅱ全部处于开放状态时的量子产量，是叶绿索荧光参数中应用最广泛、使用频率最高的一个参数，反映了植物的潜在最大光合能力［28-29］。如果植物对重金属胁迫的耐性较低时，植物会呈现叶片枯黄、茎秆腐烂等现象，严重影响植物地上部分生物量［30-31］。植物根系长度直接反映了重金属对植物的胁迫程度。根际分泌物和根细胞壁能对重金属进行吸收或排斥，从而促进或阻止重金属离子进一步向地上部分运输［32］。根系形态指标常常用于评价植物的金属耐性特征。由于本土壤培养试验采用播种而非移植方式，所以可以用最长根长度作为评价鸭跖草对铀的耐性指标之一。基于上述分析，本试验选取最大光化学量子产量、地上部分生物量、株高、根长4个参数为生物性状值，计算其耐性指数，结果见表1。运用SPSS 22.0对4个生化指标进行方差齐性检验，对方差齐性检验＞0.05的地上生物量、株高、根长采用Duncan、SNK两种方法分析比较；而方差齐性检验<0.05的最大光化学量子产量采用 Tamhane、Dunnett T3、Games-Howell（A）、Dunnett C 4种方法分别进行事后检验的多重比较，比较结果显示不同处理间没有显著差异，可见鸭跖草对铀具有良好的耐受性。

3 结论与讨论

本研究结果与黄德娟等［14］通过野外调查发现鸭跖草地上部分铀浓度大于地下部分研究结果不一致，可能是由于以下原因所致：（1）生长在铀尾矿库的鸭跖草经过自然选择，已经适应了铀污染环境；而盆栽试验采用人工培育的鸭跖草，可能由于品种不同造成植物由地下部分转运到地上部分能力的差异，从而影响到地上部分铀浓度和转移系数的大小。（2）一般来说，植物生长旺盛时的最大光化学量子产量应大于0.8，而盆栽试验所有鸭跖草植株（含0处理）的最大光化学量子产量均小于0.8，一定程度上显示盆栽条件也许在温度、湿度、土壤理化特性等方面不适宜鸭跖草生长，抑制了鸭跖草富集铀的潜能。

魏树和等［33］提出的超富集植物判断标准：（1）临界浓度特征：地上部分重金属浓度大于一定的临界值；（2）转移特征：地上部分的浓度高于地下部分；（3）耐性特征：超富集植物对有毒污染物耐受力高，特别是在生长于受污染土壤时地上部分生物量不明显下降；（4）富集系数特征：富集系数＞1。本研究中鸭跖草转运系数小于1，不属于铀超富集植物。目前对于用于重金属土壤修复植物的筛选主要强调植物地上部分重金属富集能力和转移能力，从而可能将地下部分富集能力强的植物排除在植物提取的范围之外。而植物提取的本质是利用植物将污染物聚集到体内，然后对污染物浓度高的植物进行灰化或消解等集中处理；至于富集污染物的是地上部分还是地下部分，我们认为并不是最关键的。虽然地上部分富集能力强的植物，一般地上部分易于收割，而且收割后水土流失相对较小，但地上部分往往会通过腐烂、落叶等途径使重金属元素重返土壤，而且地上部分一般体积较大，不利于后续集中处理［34］。鸭跖草对铀的富集主要集中在地下部分，其地下部分体积小、易于采集，而且根系不发达，采集后不容易造成水土流失。在地下生物富集系数＞1时，鸭跖草可作为植物提取修复铀污染土壤的备选植物。

不少学者针对植物固定修复备选植物的筛选也开展了研究，陈红琳［35］通过汉源铅锌矿区重金属富集植物调查发现，蔗茅地下部分富集Pb、Zn能力强，可采用植物固定方式修复受污染土壤。刘月莉［36］对四川省甘洛县铅锌矿区植被生态调查发现，紫鳞苔草地下部浓度4 299 mg/kg，用于土壤中Zn的植物稳定和固定。崔爽等［37］对8种植物重金属的吸收与富集研究发现，小白酒花、酸模叶蓼、龙葵等转移小数小于1，地下部重金属浓度高。以上研究针对固定植物的筛选主要以根部富集重金属能力强为评价指标，而实际上植物固定修复技术的备选植物需要具备以下两个条件：一是植物根部富集、沉淀重金属能力强，即根际富集；二是根际分泌物的理化性质以及根际环境使重金属的形态发生化学改变，降低重金属的毒性效应。如果重金属在植物根部富集后而毒性效应并没有降低，若根部腐烂，有毒重金属将返回土壤，达不到修复污染的目的，因此需要开展对根际富集植物的根际理化特征以及对根际周围环境的研究。张树金［38］通过对华中蹄盖蕨镉的耐性生理机制研究发现，通过改变根际环境pH值，从而降低了镉的活性，证明了华中蹄盖蕨具备稳定修复植物的能力。

鸭跖草地下部富集铀能力强，属于根际富集植物。对于根际富集植物如何应用于污染修复的问题，我们认为有两种途径：（1）对于地下部分体积小、便于采集的根际富集植物，如果采集后对水土流失、污染物扩散的风险小，可以考虑将其采集后进行集中处理，即用于植物提取。（2）进一步研究根系分泌物以及根际周围土壤环境，如经根际富集后，重金属的活性降低或毒性减弱，才可用于植物固定。

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