燕麦富集铯的特点及其抗性

亓 琳，杨莹博，申志强，张文彦，赵 威，王晓凌

（1. 河南科技大学农学院，河南 洛阳 471023；2. 洛阳市共生微生物与绿色发展重点实验室，河南 洛阳 471023；3. 兰州大学草地农业科技学院 / 草地农业生态系统国家重点实验室，甘肃 兰州 730000；4. 甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州 730070）

放射性元素铯在工业、能源、医疗卫生等领域中广泛应用，铯及其盐类化合物也是制造真空件器、光电管、航天动力系统燃料等的重要原料。133Cs是自然界唯一的稳定同位素，134Cs、135Cs和137Cs等均为铀裂变产生的放射性同位素[1]。放射性铯释放至环境中，空气中的放射性铯可通过大气沉降或降水进入土壤，而水中的放射性铯可通过灌溉进入土壤[2]。土壤颗粒极易吸附和固定金属铯，而且铯被吸附后就不易解吸[3]。由于137Cs的半衰期为30.17年，吸附于土壤的铯将直接作为辐射源对周围生物造成伤害。放射性铯在植物果实等可食用部位富集积累，通过食物链进入人体。放射性铯会在肌肉组织中积累，极少被代谢出体外，危害人类生命健康[4]。

植物体内富集铯之后，植株的生长受到抑制，叶片黄化失绿，光合作用强度减弱，细胞膜完整性受到破坏[5]。由于铯与钾同处第一主族，化学性质相似，所以处于被污染地区的植物很容易将铯吸收[6]。其毒理机制主要为铯(Cs+)进入细胞后取代钾(K+)，使细胞内代谢过程中需要K+的关键组分失活。大量试验结果表明，微量的铯能保持生物体内电解质平衡，但过量的铯具有毒性作用，这种双重作用表现出了铯在生物学功能调节和效应中的复杂性[7]。被铯污染的植物自身生长受到影响，铯直接导致菠菜(Spinacia oleracea)叶片光合作用受到抑制，降低其光合效率，其影响从幼苗期就体现出来[8]。在有氧呼吸和光合作用电子传递过程中，自由基会损害细胞膜，破坏蛋白质和核酸的结构和功能，最终使细胞死亡[9]。植物抗氧化酶系统能够清除自由基，比如，超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)可将 O2-转化为 H2O2，过氧化物酶(peroxidase，POD)、过氧化氢酶(catalase，CAT)均能够将H2O2分解为H2O和O2，以此减轻自由基对细胞产生的损害[10]。研究表明，高浓度Cs对叶绿素含量、根系、株高和生物量具有影响，使苏丹草(Sorghum sudanense)叶绿素含量和丙二醛(malonaldehyde，MDA)含量降低、POD和CAT活性升高[11]。张晓雪等[12]研究发现，随着铯处理浓度的增加，鸡冠花(Celosia cristata)总生物量呈递减趋势，叶片中丙二醛含量和可溶性糖含量增加，根系活力先增强后降低。

植物修复技术被广泛应用于放射性铯污染土壤的治理，即利用植物能够忍耐或超量富集某种或某些化学元素，减轻环境中的重金属或核素污染[13]。植物提取修复技术中对放射性核素的超富集植物的鉴定和筛选，尤其是特定植物对特定核素的吸收、转运、富集能力是决定修复效率的重要因素[14]。植物地上部分积累镍的浓度超过 1 000 mg·kg-1被评价为超富集植物[15]。之后，超富集植物被定义为植物富集重金属元素的能力为普通植物的100倍以上[16]。现在已知的超富集植物存在一定的局限性，比如生长速度缓慢，生物量较小。研究发现，一些牧草类型，比如燕麦(Avena sativa)和高粱(Sorghum bicolor)能够富集一定的重金属，且生物量大、生长快、易于栽种、收割和管理，能够大量种植。燕麦是世界各地广泛栽培的一种重要粮食兼牧草、饲料作物，具有抗旱、耐冷、耐瘠薄等特点。研究表明稳定性铯(133Cs)和放射性铯(137Cs)在土壤-植物体系中的吸收和积累特征相似[17]。本研究通过人为添加重金属铯(133Cs)，测定燕麦富集金属铯的浓度、转移系数和富集系数，及其生长和抗氧化酶系的响应，对燕麦治理土壤铯污染的潜在应用价值进行评价。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试植物：燕麦(白燕2号)种子购买于农资市场，选择颗粒饱满、大小一致的种子。所有种子先用2%浓度的双氧水消毒5 min，消毒后用流水冲洗30 min，将种子上的残留物清洗干净。为了防止种子处于睡眠期，将其进行春化处理。

供试土壤：选择河南科技大学周山校区农田土，表层土0-20 cm，挑拣出石块、植物残体以及其他的杂物，过筛(2 mm)后备用。土壤的基本理化性质采用土壤农化分析方法[18]。土壤pH 8.05，有机质含量 12.85 g·kg-1、全氮含量 0.96 g·kg-1、速效磷含量 12.52 mg·kg-1、速效钾含量 155 mg·kg-1、铵态氮含量 2.01 mg·kg-1，阳离子交换量为 19.23 cmol·kg-1，铯含量为 5 mg·kg-1。

供试试剂：试验中使用氯化铯(133CsCl)提供Cs+，所用试剂为分析纯。

1.2 试验设计

将鲜土(相当于4.5 kg风干土)装入塑料盆(直径 20 cm、高 30 cm)，共设置 4个 Cs+浓度梯度，分别为土壤中金属铯本底值的5倍、20倍、100倍、200倍，即 25、100、500、1 000 mg·kg-1，不添加铯为对照(CK)。共设置5组重复。将金属锶按照上述浓度分别混入过筛后的土壤中，充分搅拌，静置“老化”处理30 d，期间补充水分。“老化”处理30 d后，每盆均匀播下15颗种子。在三叶一心期每盆定苗为10株。在定苗后添加金属铯胁迫，称重法保持60%的田间持水量。铯处理施加30 d后，采集样品。

1.3 生物量的测定

在铯处理30 d后，用游标卡尺量取燕麦的株高，将燕麦植株从土壤中分离，并将根、茎和叶分开。用自来水冲洗燕麦的根部，并且为了避免根系周围存在的铯离子对试验造成误差，将根浸在 1.0 mol·L-1KCl溶液中，最后再用蒸馏水浸泡根部。将每一盆5株燕麦的根茎叶分开独立装进信封中并贴上标签。烘干前先做杀青处理，将植物样品置于烘箱中，先在105 ℃杀青处理15 min，后将置于70 ℃持续烘干过夜，直至恒重。用万分之一分析天平称重。

1.4 植物中金属铯的测定

取2 g植物干样，在250 ℃下灰化，将温度逐渐增加到 500 ℃，持续 2 h。取 1 g 灰化样品与 6 mL HCl-HNO3-HF混合，置于 95 ℃ 下消化 1 h，降温后用去离子水定容到250 mL。ICP-MS测定铯含量。

转移系数 (translocation factor, TLF)是燕麦地上部分包括茎和叶片铯富集浓度与根部铯富集浓度的比值。转移系数表示重金属被植物从根转运至地上部分的能力。富集植物中，转移系数大于1；反之，非富集植物的转移系数小于1。

富集系数 (bioconcentration factor, BCF)为植物地上部分铯的富集浓度与土壤铯浓度的比值。富集系数越大，植物对重金属的富集能力较强[19]。富集系数大于1为超富集植物的重要指标之一。

1.5 抗逆生理指标的测定

采集植物叶片或根部样品，每盆取5株。用自来水冲洗植物的根部和地上部分，洗去植株上的泥沙。装入自封袋，并迅速至于液氮罐中保存。待采样结束，移至-20 ℃冰箱中保存待测，用于测定脂质过氧化水平(MDA)含量和抗氧化酶，包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)，测定方法参考亓琳等[20]。

1.6 数据分析

生物响应指数 (biological index, BI)计算为铯处理的生物性状值与对照处理的生物性状比值[11]。SPSS统计软件进行数据分析。

2 结果

2.1 燕麦对铯的富集与分配特征

随着铯处理浓度的升高，燕麦各部分(根、茎、叶和地上部分)中铯富集浓度和铯富集含量都呈现增加趋势，不同处理之间也呈现显著性差异(P＜ 0.05)(图1)。在 1 000 mg kg-1铯处理中，燕麦根、茎、叶和地上部分的铯浓度分别是25 mg·kg-1铯处理时的25.06倍、22.09倍、20.70倍和20.33倍。在1 000 mg·kg-1铯处理时，铯富集含量在叶片中分别为茎和根部的2.16倍和1.53倍。

图1 不同浓度铯处理下燕麦对铯的富集特征Figure 1 Cs accumulation characteristics in oats under different Cs treatments

白燕2号的转运系数(TLF)范围为0.94～1.20。TLF在 500 mg·kg-1处理时为最高 (表1)，显著高于25、1 000 mg·kg-1处理时的转运系数 (P＜ 0.05)。在25 mg·kg-1处理时，地上部分和整株的生物富集系数 (BCF)分别为 1.29和 1.78。1 000 mg·kg-1处理时，地上部分和整株的BCF分别为0.70和1.01。

表1 不同浓度铯处理下燕麦的转运系数和生物富集系数Table 1 Translation factors and bioconcentration factor of oats under different Cs treatments

铯富集浓度与BCF在燕麦的根、茎、叶中呈现显著的负相关关系，即BCF随着燕麦根、茎和叶中铯富集浓度的增加而降低(图2)。不同器官与BCF的相关性强弱为叶＞根＞茎。

2.2 铯对燕麦生长的影响

燕麦根、茎、叶和地上部分的生物量均随着铯处理浓度的增加呈先升高后降低的趋势(图3)。在100 mg·kg-1铯处理时，根、茎、叶和地上生物量的最高，与对照相比均显著增加(P＜ 0.05)，分别增加了 28%、27%、17%和 26%。1 000 mg·kg-1铯处理时燕麦的生物量显著下降(P＜ 0.05)，根、茎、叶和地上部分与对照相比分别下降了11%、3%、3%和3%。

图2 燕麦器官中铯富集浓度与生物富集系数的相关性Figure 2 Correlation analysis of Cs concentration of oat organs and Cs bioconcentration factors

图3 不同浓度铯处理下燕麦的生物量Figure 3 The biomass of oats under different Cs treatments

图4 不同浓度铯处理下燕麦生物量的生物响应指数Figure 4 The biological index of oat biomass under different Cs treatments

以对照处理中生物量的生物响应指数为100%，评价铯处理对燕麦生长的影响(图4)。铯处理浓度水平为100 mg·kg-1时，生物量的生物响应指数最高，均高于100%。铯处理浓度水平为1 000 mg·kg-1时，根、茎、叶和地上部分生物量的生物响应指数均低于100%。

2.3 燕麦对铯的耐受机制

随着铯处理浓度的升高，MDA含量在燕麦叶片和根中呈现先降低后增加的趋势(图5)。与对照相比，1 000 mg·kg-1铯处理时叶片中的 MDA 含量显著增加了 7.06% (P＜ 0.05)，根中显著增加了 10.72%(P＜ 0.05)。SOD 活性在 1 000 mg·kg-1铯处理时最低，显著低于对照。其他铯处理中的SOD活性与对照相比没有显著性差异(P＞ 0.05)。POD活性则是呈现先增加后降低的趋势，100 mg·kg-1铯处理时 POD 活性最强，而在 1 000 mg·kg-1铯处理时最弱。叶片中的CAT活性在100 mg·kg-1处理时最强，根部的CAT活性在500 mg·kg-1处理时最强。

以对照处理中植物性状值为100%，在低浓度铯处理 ( ＜ 500 mg·kg-1)中，根和叶片中的 POD 和 CAT活性的生物响应指数都大于100%，在1 000 mg·kg-1铯处理时，铯离子抑制了POD和CAT活性，叶片中POD和CAT活性均低于100%(表2)。在所有铯处理中，叶片中SOD活性的生物响应指数均小于100%。然而，当铯处理低于500 mg·kg-1时，根中SOD 活性均高于 100%，在 1 000 mg·kg-1时，根中SOD活性低于100%。

3 讨论

本研究表明，燕麦根、茎、叶和地上部分的铯富集浓度和含量均随着铯处理浓度的升高而增加，且各处理间差异显著(P＜ 0.05)。在评价植物富集能力体系中加入生物量的因素，在单位时间内植物从环境中富集吸收金属的总量更有污染修复价值[20]。在本研究中，燕麦富集铯的能力为叶 ＞根 ＞ 茎。在 1 000 mg·kg-1铯处理时，燕麦叶中铯的富集含量分别为茎和根部的1.58倍和1.11倍。在所有器官中，叶片和根部的富集浓度显著高于茎。由于茎的富集能力最低，地上部分的铯富集浓度低于叶片。然而，当生物量归入评价体系时，地上部分的铯富集含量在所有铯处理中最高。生物富集系数与铯富集浓度的相关性强弱依次为叶 ＞根 ＞ 茎，与燕麦铯富集能力的结果一致。随着铯处理浓度的增加，地上部分对铯的富集能力会受到抑制。随着铯处理浓度的增加，虽然地上部分铯浓度随着铯处理浓度升高依次增加，且在1 000 mg·kg-1铯处理时达到最高值。然而，转运系数在 1 000 mg·kg-1铯处理时下降，显著低于对照，且小于1。这可能是由于植物根系的铯浓度逐渐饱和，富集能力减弱[21]，或是重金属在植物体内逐渐积累，植物通过回避机制减少铯积累，以此减轻铯对植物的胁迫[22]。

图5 不同浓度铯处理下燕麦叶片和根部的MDA含量以及SOD、POD和CAT活性Figure 5 SOD、POD and CAT activity and MDA content of oats under different Cs treatments

表2 不同浓度铯处理下燕麦抗氧化酶活性的生物响应指数Table 2 The biological index of antioxidant enzyme activity of oats under different Cs treatments

植物在不利环境中，其生长和发育会受到周围环境因素的影响。植物生物量常常被用于评价植物受到胁迫程度的强弱[23]。植物苗期是生长发育的关键和敏感时期，对逆境环境的防御能力相对较弱，幼苗生长情况在一定程度上可以反映植物对胁迫环境的耐受能力[24]。“低促高抑”现象在金属离子致毒机制中普遍存在。本研究中，当在低浓度铯处理时 ( ＜ 500 mg·kg-1)，铯对燕麦的叶片和根部生长起促进作用，且在100 mg·kg-1时燕麦的生物量最高。高浓度 (1 000 mg·kg-1)铯处理对燕麦的生长产生抑制作用。一定浓度的铯能够维持植物的电解质处于稳定状态，但是一旦浓度过高，就会对植物产生损害。另外，铯与钾离子的理化性质十分的接近，植物对钾离子的需求量比微量元素大，植物就容易将铯当作钾吸收参与体内物理化学变化[25]。当铯浓度过高时，植物吸收过多，影响其体内离子的均衡状态，所以会造成高浓度下植物生物量的减少[26]。张晓雪等[12]在鸡冠花(Celosia cristata)的相关研究中发现低浓度的133Cs处理下植物的长势与对照组差异不大，甚至有小幅促进，但浓度升高后植物的生长受到影响，生物量低于对照组。在铯胁迫下，生物量总体上存在不同程度的上升，0～50 mg·kg-1处理对燕麦的生物量有增益作用，但在100 mg·kg-1时生物量出现大幅降低的现象。这一结果与本研究结果一致。本研究中出现抑制作用的浓度高于500 mg·kg-1处理，这可能是由于张晓雪等[12]关于铯的研究为水培试验，而在本研究中，植物生长的介质为土壤，土壤溶液对污染物有净化缓冲作用。因此，在土壤环境中铯对燕麦产生抑制作用的浓度高于水培环境中的效应浓度。

当铯处理浓度小于500 mg·kg-1时，燕麦幼苗未出现生长抑制的症状，而在 1 000 mg·kg-1时燕麦表现出叶片失绿、萎蔫等现象，且燕麦的生物量在 1 000 mg·kg-1时显著下降。高浓度铯诱导活性氧自由基的产生和积累，加剧细胞膜的氧化损伤。脂质过氧化会生产超氧负离子，破坏细胞膜结构。细胞膜是细胞与外界沟通交流的桥梁，当植物遭受逆境胁迫时，细胞膜是首先被攻击的主要目标[27]。组织中的MDA含量用于衡量脂质过氧化水平。本研究中，与对照相比，MDA 含量在 1 000 mg·kg-1处理时，叶片增加了7%，根中增加了11%。铯处理低于500 mg·kg-1时，在根和叶片中的POD和CAT活性均高于100%，表明POD和CAT活性增强，由此减轻了膜酯过氧化水平，MDA含量降低。与对照相比，根和叶片中POD和CAT活性在1 000 mg·kg-1铯处理时均低于100%，表明POD和CAT活性受到抑制，并加剧了膜酯过氧化反应，即增加了MDA含量。这一结果与先前的报道一致。安冰等[28]在研究核素Cs胁迫下小麦(Triticum aestivum)抗氧化能力时发现，随着Cs胁迫时间的延长，小麦根茎叶抗氧化酶活性呈先上升后下降的变化趋势，同时增加了H2O2含量。闻方平等[29]发现苏丹草的CAT和POD活性在高浓度133Cs处理时下降，而低浓度时CAT和POD活性升高。植物的POD和CAT活性在低浓度铯处理中显著增加的原因可能是低浓度的铯维持了植物体内的电解质平衡，而随着铯离子浓度的升高，抑制了酶的合成反应，或是自由基加剧的过氧化作用导致酶活性降低[29]。根部和叶片中的SOD活性在小于500 mg·kg-1处理时一直处于较低水平，与对照相比没有差异，但在1 000 mg·kg-1处理时，显著低于对照。SOD活性的降低可能是由于高浓度的铯离子引起的氧化损伤。

4 结论

综上所述，燕麦叶片富集铯的能力最强。在土壤环境中，转运系数(TLF)和生物富集系数(BCF)在100 mg·kg-1铯处理时其都大于1，燕麦具有一定的铯富集能力。铯离子低于500 mg·kg-1时，对燕麦的生长有促进作用，而高于 1 000 mg·kg-1处理对燕麦生长具有抑制作用。低浓度(小于100 mg·kg-1)铯处理诱导燕麦的抗氧化酶活性，降低膜脂过氧化反应，而高浓度(大于500 mg·kg-1)铯处理抑制燕麦的抗氧化酶活性，对燕麦产生氧化损伤。