姚天月， 王丹， 李泽华， 龙婵， 江文静， 陈立， 向明文
（1．西南科技大学生命科学与工程学院；
2．西南科技大学核废物与环境安全国防重点学科实验室，四川绵阳621010）
摘要：研究植物对铀的耐受性和富集特性对修复铀污染的土壤具重要意义。该研究采取模拟铀污染土壤的方法，研究在外源铀添加量为150 mg/kg土条件下，比较8种花卉植物（竹柏、金边虎尾兰、五彩芋、豆瓣绿、吊兰、白掌、吊竹梅、绿萝）的生长状况、耐铀性、植物体铀含量、富集系数、转运系数，积累量和铀提取量，并采用赋值法对植物铀富集特性进行综合评价。结果表明：铀对植物的影响因植物种类的不同而存在显著差异，其中白掌耐铀性最强；吊竹梅铀富集特性综合评价值最高，其地上部和根部铀含量最高分别为162.11 mg/kgDW和2 7.56.55 mg/kg DW,铀富集系数分别为1.08和18.38，单株铀积累量0,39 mg，每公顷受污染土壤铀提取量为506.37 g。8种植物地上部铀含量均显著小于地下部，转运系数均小于0.5，根系是植物富集铀的主要器官。
关键词：铀；花卉植物；富集
随着核能源的利用和发展，不断加大了铀矿的开采和冶炼，截止2010年底，我国铀矿开采废石总量约2.8x107 t，尾沙量约为3x107t，根据《中国土壤元素背景值》中所统计的数据显示我国土壤（A层）铀元素背景值平均为3.03 mg/kg，我国铀矿废石平均铀含量比土壤本底值高出4～10倍，多数调查研究显示铀尾矿及其污染地范围内的铀含量普遍在几十到几百毫克每千克上下，例如我国某铀矿污染的农田铀含量高达390 mg/kgc4]高出我国土壤铀本底值2个数量级。大面积的铀矿“三废”不合理排放对土地资源，环境安全和人体健康都带来了严重的辐射危害和化学毒害。由此可见铀尾矿环境治理刻不容缓。与传统修复方法相比，植物修复技术具备操作简单，成本低廉，对环境扰动小等特点，尤其在大面积土壤污染治理中的应用更是受到各国环保工作者和科研人员的青睐。迄今为止，有关铀的超富集植物鲜有报道，仅发现较少对铀元素具有较好富集能力的植物如印度芥菜(Brassicajuncea)、向日葵(He1ianthusannuus)、水蜈蚣(Ky11ingabrevifo1ia)、碎米莎草(Cyperus iria1．)等。因此富集植物的筛选已然成为植物修复土壤铀污染的前提和基础。
花卉植物资源丰富，扩大超积累植物筛选范围的同时，利用超积累的花卉植物修复土壤铀污染能降低土壤中铀含量，切断污染食物链．还能起到美化环境的作用。近些年，利用花卉植物修复土壤重金属污染的研究已有报道，并在Pb、Cd、Zn等土壤重金属污染修复中收效较好，但在修复铀污染土壤应用中鲜有报道。超富集植物的筛选以植物耐受性为基础，不少研究在土壤铀浓度100 mgfkg条件下筛选铀含量高的植物，此方法忽略了非明感性植物对铀的耐受性，因此对植物耐受性评价不准确，有报道称土壤铀含量200 mg/kg以上会使非敏感性植物显现叶片变小发黄等不适应现象，据此在保证植物顺利完成生长期的前提下，本研究以8种常见花卉植物为材料，通过模拟盆栽试验，比较研究在高浓度铀(150 mg/kg土)条件下，8种植物对铀的吸收，转运和富集能力，以期筛选出新型铀的耐性和积累能力强的植物，为铀污染土壤修复提供更多植物种质资源和理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试花卉苗木均购于四川省绵阳市荣盛发花卉种植专业合作社，8种植物的基本信息如表1所示。试验用土采自西南科技大学后花园表层土(0—20 cm)，土壤类型为黄壤土，土壤有机质含量为17.65 g/kg，碱解氮、速效磷、速效钾含量分别为162.46、39.35、146.03mg/kg，pH 7.03．CEC阳离子交换量为116.83 mmoVkg。
1.2 试验设计
采用模拟盆栽试验，将供试土壤自然风干，剔除草根、碎石，压碎并混匀后，过1 cm筛，每次定量称取3 kg土壤移人塑料盆（规格中20 cmx20 cm，底部有孔，带托盘）。外源施加到土壤中的铀质量比为150mg/kg土(UO。(CH。C02)：．2H。0，分析纯）。将处理土壤充分搅拌均匀后，保持含水量为田间持水量的60%～70%，静置于阴凉处平衡8周。
静置结束后，选取生长良好且长势一致的8种花卉幼苗进行移栽，每种植物分试验组U(外源铀浓度为150 mg/kg土)和对照组CK（外源铀浓度为0 mg/kg土），共16个处理，每个处理重复5次，每盆定植4株，共计320株。将所有盆栽植物置于温室大棚中，定期浇水调节盆中土壤含水量约为田间持水量的60%，其余处理一致。植物栽培90 d后收获并进行各指标的测定。
1.3 试验方法
供试的8种花卉植物栽培90 d后，对植物生物量和植物体地上部、地下部铀含量进行测量具体过程如下。将植株从盆中连根移出，清理掉附着在根系表面的土壤并洗净；将根与地上部分开，105℃杀青30min后，在75℃下于烘箱中烘干至恒重后称取干重(g)。将所有植物干物质按地上部和地下部分别粉碎混匀后各称取粉末0.300 0 g，加入20 m1浓硝酸，利用石墨炉消解仪(SH230N，济南海能仪器股份有限公司)进行消解，采用ICP-MS(Agi1ent 7700x，美国安捷伦公司)测定植物体各部分的铀含量。
1.4 数据分析
利用Microsoft Exce1 2013对平行样的平均值和标准差进行计算，同时用SPSS 22.0软件进行单因素方差分析和1SD多重比较检验处理间差异程度。采用OriginPr0 9.0绘图。
富集系数(bioaccumu1ation factor，BCF)=植物地上部铀含量或地下部铀含量(mg/kg)/土壤全铀含量(mg/kg)。
转运系数(trans1ocation factor，TF)=植物地上部铀含量(mg/kg)/根部铀含量(mg/kg)。
铀积累量(Bioaccumu1ation quantity，BCQ)=植物地上部铀含量或是地下部铀含量(mg/kg)x植物地上部干重或是地下部干重(g)。
2 结果与分析
2.1 铀对植物生长的影响
由图1(a)、(b)可知，与对照相比，铀处理显著抑制了吊兰，吊竹梅地上部及豆瓣绿根部干质量增加；显著促进豆瓣绿，白掌地上部及五彩芋根部干质量增加，由此可见铀(150 mg/kg土)处理对植物生长的影响因植物种类的不同表现出不同程度的促进或抑制作用，且作用程度大小不同。分析图1(c)可得，高浓度铀对白掌和吊竹梅作用最显著，其余植物生物量与对照相比均无显著性差异，进一步分析此8种植物单株生物量的相对增加量，比较植物在铀胁迫条件下的耐受性：白掌>竹柏>豆瓣绿>五彩芋>金边虎尾兰>吊兰>绿萝>吊竹梅。可见，白掌的耐性最强，吊竹梅最低，表明高浓度铀对白掌生长具有促进作用而对吊竹梅生长具有显著抑制作用。
2.2 不同植物地上部和根部的铀含量
比较8种植物的地上部和根部铀含量如表2所示，吊竹梅最高分别为162.11 mg/kg DW，2 756.55mg/kg DW;金边虎尾兰最低分别为3.88 mg/kg DW，24.06 mg/kg DW;前者铀含量是后者相应部位铀含量的41,78倍和114.57倍，差异显著(P<0.05)。由此可见吊竹梅对铀具有较好的吸收能力。分析比较植物单株铀含量，变幅在7.61—942.56 mg/kg DW，相差123.86倍，然而同属天南星科的白掌和绿萝，同属百合科的金边虎尾兰和吊兰铀含量差异不显著，表明同属植物具有较为相近吸收特征；且此8种花卉植物地上部铀含量均显著小于地下部，即根部对铀的吸收对植物吸收铀贡献显著大于地上部，植物根系是植物富集铀的主要器官。
2,3 植物的生物富集系数和转运系数
高浓度铀(150 mg/kg土)处理下不同植物对铀的富集系数(BCF)和转运系数(TF)如表3所示，吊竹梅、五彩芋、豆瓣绿三者的铀富集系数均大于1且显著高于其他5种植物(P<0.05)，符合超富集植物富集系数特点要求，其中吊竹梅铀富集系数最大6.28，其地上部和根部铀富集系数分别为1.08和18.38，金边虎尾兰最低仅0.16，前者是后者的39.2倍。然而8种植物铀转运系数均小于0.5，不符合超富集植物转运系数特点要求，白掌的转运系数最大仅为0.28。富集系数和转运系数是铀富集植物筛选的重要指标，其值越大，表明植物吸收和转运铀的能力越强，研究中8种花卉植物没有达到超富集植物要求，铀转运能力差，吊竹梅虽然具有较高的铀富集系数但其对铀转运能力差，可以考虑外源添加化学试剂或通过育种改良等措施为实现有效修复土壤铀污染的植物筛选提供种质资源。同属的白掌和绿萝，金边虎尾兰和吊兰铀富集系数差异不显著与其自身铀含量差异规律一致，进一步说明同属植物对铀吸收具有较为相近的吸收富集机制。
2,4 不同植物地上部和根部的铀积累量及提取量
分析表4可知，生物量参数的加入直接影响了植物铀积累量，效果最显著的吊兰以其发达的根系显著积累了大量的铀，使其铀积累量位居第三，即植物铀积累量主要受到植物单位质量铀含量和生物量两方面的影响，植物在铀胁迫条件下，主要表现为高富集量低生物量或低富集量高生物量，两者在生产实践中此消彼涨的合理应用以期最后达到理想的土壤修复效果。分析比较单株铀积累量及单盆(S而积=314 Cn12)铀提取量（每盆植物干重所含铀的总积累量）大小：豆瓣绿>吊竹梅>吊兰>白掌>五彩芋>绿萝>竹柏>金边虎尾兰，值越大，富集在植物体中的铀越多，越有利于去除土壤中的铀，修复效果越好。其中豆瓣绿的铀提取量最高1.66 mg/pot，吊竹梅次之1.59 mg/pot，两者差异不显著(P<0.05)，每公顷受污染土壤铀提取量分别是528.66、506.37 g。
2.5 植物铀富集能力综合评价
上述指标分别从不同层面表征了此8种花卉植物对铀的吸收，富集和转运能力。分析表2、表3和表4得：不同花卉植物对同浓度铀元素的积累，转运和富集并不是相互协调统一的，吊竹梅铀含量显著高于豆瓣绿，但其铀积累量显著低于豆瓣绿，由此为进一步真实反映植物对铀的综合富集能力，筛选出理想的铀富集植物。参考王志坤的赋值评价法，将8种植物在铀(150 mg/kg土)处理下各项指标（单株铀含量，富集系数，转运系数，单株积累量，单盆铀提取量）相对值的平均值从小到大排列，分别赋值1到8，综合评价分析8种花卉植物铀吸收和富集能力差异，评价值越高，植物对铀吸收和富集能力越强。由表5可得吊竹梅评价值最高，对铀的吸收和富集综合能力最强，是此8种花卉植物中相对较为理想的铀吸收植物。
3 讨论
铀浓度为150 mg/kg条件下，不同植物或同种植物不同部位生长受到不同程度的促进或抑制影响。可能原因是由于植物吸收过量的铀抑制了叶绿素合成相关酶活性，叶绿素含量降低，植物光合作用生产有机物减少直接导致植物地上部和地下部分生物量减少。还有可能受植物重金属的吸收位点，植物细胞中对重金属结合位点的竞争，重金属离子的特性，离子的有效性等因素影响，与此同时铀胁迫的抑制作用会随植物生长适应性增强而相应减弱。实际观察得在高浓度铀污染条件下，吊竹梅的生长仅在第一周出现叶片萎蔫等不良现象，随后呈现生长极其缓慢但铀含量显著高于其他7种植物，有研究表明植物对重金属的高富集量是以低生物量为代价。
根据周启星教授提出的超富集植物评判标准，8种花卉植物主要劣势表现在植物地上部铀含量显著小于根部，铀转运能力差，此结果与陈磊等研究结果一致。此外赵鲁雪等研究了不同铀质量比处理下5种植物的转运系数(TF），结果表明转运系数均小于0.5与本研究结果一致。植物对重金属的排斥机制有根部减少吸收和在根部通过区室化保存2个方面，植物体尤其是地上部重金属含量较低是植物排异最重要的特征，与超富集植物以体内转运和富集为主导的机制相反。植株对铀的排斥性不利于铀的提取修复，但却显示植物较强的耐性，植物将吸收的大量铀滞留在根部，从而降低了铀对植物体生理代谢的损害。
吊竹梅综合评价值最高，是本研究中唯一地上部铀富集系数大于1的植物，其最大的优势在于根部铀含量高可达2 756.55 mg/kg高于万芹方等研究的19种植物根部铀含量最高的红萝卜2 740 mg/kg，以及唐永金等研究的14种植物根部铀含量最高的菊苣1 794.70 mg/kg。加拿大核安全委员会合约报告指明，植物对铀的平均富集系数在0.006 9—0.034 0之间，吊竹梅超过其平均富集系数的307.09倍。目前尚未找到真正意义上的铀超富集植物，其主要症结在于铀在植物体内转运能力差，因而通过各种途径提高普通植物对铀转运系数成为一种现实选择，查忠勇等研究了不同种类及浓度的螯合剂以及土壤改良剂对特选榨菜修复铀污染土壤的影响，结果表明柠檬酸和微生物化肥能增加植物地上部对铀的富集。Huang等试验发现向铀污染土壤中加20 mmo/1柠檬酸，3d后印度芥菜和大白菜地上部铀富集量提高1 000倍。因此吊竹梅在修复铀污染土壤方面具有潜在应用价值。吊竹梅属多年生草本植物，繁速度快，生命力强，在铀污染土壤范围内采取矮株密植的方法为植物修复铀污染土壤提供一种新思路。此外，金边虎尾兰对铀的吸收，转运和富集能力最差，其对铀富集的钝化响应为美化环境和进一步研究作物低富集高生产提供种质资源和研究基础，对于阻绝铀的食物链危害具有重要研究意义。
4 结论
(1)铀胁迫对不同植物或同种植物的不同部位表现出不同程度的促进或抑制作用，其中白掌耐受力最强。
(2)植物根系铀含量显著大于地上部，铀在植物体内转运能力差，根系是植物富集铀主要器官。
(3)吊竹梅综合评价值最高，对铀吸收富集能力最好且富集系数大于1；金边虎尾兰综合评价值最低，对铀吸收富集能力最差。
(4)吊竹梅优越的根系铀吸收能力及较强的富集特性对修复铀污染土壤具有潜在利用价值。
