印度芥菜對鈾的生理響應(yīng)與積累特征

榮麗杉 楊金輝 凌 輝 楊瑞麗 謝水波

(1.南華大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖南 衡陽421001;2.污染控制與資源化技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 衡陽421001)

我國核能的快速發(fā)展使得鈾原料的需求激增。鈾礦開采為國防和核電事業(yè)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，但與此同時(shí)，也對周圍的生態(tài)環(huán)境造成了一定程度的影響和破壞。鈾礦開采以及核能的利用過程是鈾在環(huán)境中富集并且產(chǎn)生污染的重要途徑，鈾礦山對周邊水和地表土壤的放射性污染主要來源于“三廢”排放［1］。進(jìn)入周邊水、土的鈾通過地表徑流和地下滲流不斷擴(kuò)大污染范圍，鈾的不可生物降解性以及其可通過食物鏈在生物體內(nèi)的累積性嚴(yán)重威脅著生態(tài)環(huán)境和人類的健康［2-3］。因此，被鈾污染的土壤修復(fù)是鈾礦冶領(lǐng)域凾待解決的重要問題。

傳統(tǒng)的鈾污染治理方法，如化學(xué)和物理修復(fù)法不僅投資運(yùn)行費(fèi)用高，而且易造成二次污染，這使鈾污染的植物修復(fù)變得炙手可熱。植物修復(fù)是利用綠色植物及其根際土著微生物的共同作用清除土壤中污染物的一種新型原位治理技術(shù)［4］。與傳統(tǒng)修復(fù)方法相比，植物修復(fù)具有成本低廉、操作簡便、投資費(fèi)用低、效果持久、對環(huán)境擾動(dòng)小、不形成二次污染等優(yōu)點(diǎn)。另外，在污染土壤上種植植物對環(huán)境有綠化和美化作用，并利于保持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，易于被人們接受［5］。

不同種屬的植物對鈾等的富集存在很大的差異［6-7］，P.Chang 等通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)印度芥菜對鈾具有較好的富集效果，其地上部分鈾含量可達(dá)600 mg/kg［8］。

1 試驗(yàn)儀器、試劑及材料

試驗(yàn)主要儀器有北京普析通用儀器有限責(zé)任公司生產(chǎn)的T6 新世紀(jì)紫外可見分光光度計(jì)、上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的DK－8D 型電熱恒溫水槽、上海梅特勒－托利多儀器有限公司生產(chǎn)的JB/T 5374－1991 型電子天平等。

試驗(yàn)主要試劑有基準(zhǔn)試劑、鈾標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液(濃度為1.00×103mg/L)和標(biāo)準(zhǔn)蛋白質(zhì)溶液(用牛血清白蛋白配成，含蛋白質(zhì)100 μg/mL)，八氧化三鈾、無水乙醇、三氯乙酸(TCA)、氫氧化鈉、硫代巴比妥酸(TBA)均為分析純，水為二次去離子水。

試驗(yàn)土壤由市售河砂和蛭石按體積比1 ∶1 配制，試驗(yàn)植物由市售印度芥菜(Brassica juncea)種子培育。

2 試驗(yàn)方法

2.1 植物培養(yǎng)、鈾污染土壤制備

植物在室外遮陽篷下盆栽種植。

在規(guī)格均為150 mm×190 mm 的塑料花盆內(nèi)各裝供試土壤1.0 kg，用不同濃度的UO2(NO3)2·6H2O溶液300 mL 分別緩慢均勻噴灑出3 個(gè)不同濃度的土壤(UO2(NO3)2·6H2O 溶液用鈾標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液配制)［9］。待土壤鈾濃度平衡1 周后，播種用75%乙醇浸泡3 min、再無菌水沖洗3 次的供試植物種子。每盆播種20 粒，種子萌發(fā)1 周后間苗，每盆留10 株長勢均勻的植物。每天澆水1 ～2 次，每周加改進(jìn)的Hoagland＇s 營養(yǎng)液1 次。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果測定

用卷尺測量生長15、30、45 和60 d 的植株的高度。采集生長45 d 的植株，參照文獻(xiàn)［10］的方法測定光合色素(包括葉綠素a、葉綠素b 和類胡蘿卜素);采用考馬斯亮藍(lán)法［11］測定可溶性蛋白質(zhì)含量;采用硫代巴比妥酸法［12］測定丙二醛(MDA)的含量。所有試驗(yàn)均重復(fù)3 次，并用GraphPad Prism 5 軟件處理數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 鈾濃度對印度芥菜長勢的影響

鈾濃度對印度芥菜長勢(植株高)影響試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

由圖1 可知，隨著土壤鈾濃度的提高，同一生長期內(nèi)，植株的高度差越來越大，且生長時(shí)間越長影響也越顯著，表明放射性核素鈾影響了印度芥菜的生長。

3.2 鈾脅迫對印度芥菜光合色素含量的影響

植物進(jìn)行光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)是光合色素，環(huán)境脅迫可導(dǎo)致光合色素的破壞與降解，從而影響植物的光合作用。在某種程度上可以說，光合色素的減少是衡量葉片衰老的重要生理指標(biāo)。圖2 反映了印度芥菜葉片的葉綠素a、葉綠素b 和類胡蘿卜素含量隨著土壤鈾濃度的變化情況。

由圖2 可知:較低的鈾濃度(1 mg/kg)有利于印度芥菜葉片中葉綠素a、葉綠素b 和類胡蘿卜素的生長;進(jìn)一步提高土壤鈾濃度，印度芥菜葉片中葉綠素a、葉綠素b 和類胡蘿卜素的生長越來越受到抑制。

3.3 鈾脅迫對印度芥菜可溶性蛋白質(zhì)含量的影響

植物受重金屬污染時(shí)，重金屬離子進(jìn)入植物體后，與其他化合物結(jié)合成金屬絡(luò)合物，抑制植物各種代謝活動(dòng)，尤其是蛋白質(zhì)的合成。因此，可溶性蛋白質(zhì)含量是衡量植物是否發(fā)生重金屬脅迫的重要指標(biāo)。鈾脅迫對印度芥菜可溶性蛋白質(zhì)含量的影響見圖3。

由圖3 可知:較低的鈾濃度(1 mg/kg)有利于印度芥菜莖葉和根部的可溶性蛋白質(zhì)的生長;進(jìn)一步提高土壤鈾濃度，印度芥菜莖葉和根部的可溶性蛋白質(zhì)的生長越來越受到抑制。

圖3 鈾脅迫對印度芥菜可溶性蛋白質(zhì)含量的影響Fig.3 Effect of Uranium stress on soluble protein contents in Brassica juncea

3.4 鈾脅迫對印度芥菜丙二醛(MDA)含量的影響

植物器官衰老或在逆境下遭受傷害，往往發(fā)生膜脂過氧化作用，丙二醛(MDA)是膜脂過氧化的最終分解產(chǎn)物，其含量的高低反映了植物膜脂過氧化程度和遭受逆境傷害的程度［13］。鈾脅迫對印度芥菜MDA 含量的影響見圖4。

圖4 鈾脅迫對印度芥菜MDA 含量的影響Fig.4 Effect of Uranium stress on MDA contents in Brassica juncea

由圖4 可知:印度芥菜體內(nèi)的MDA 含量均隨著鈾濃度的升高而升高，這說明土壤鈾濃度與印度芥菜的膜脂過氧化關(guān)系密切。當(dāng)鈾脅迫濃度為20 mg/kg時(shí)，印度芥菜莖葉部和根部的MDA 含量是對照組的1.95 倍和1.83 倍。

3.5 印度芥菜對鈾的富集效果

生長45 d 的印度芥菜莖葉部和根部的鈾含量見圖5。

由圖5 可知，印度芥菜對鈾的生物富集量隨著土壤中鈾濃度的提高而提高，當(dāng)土壤鈾濃度為20 mg/kg時(shí)，印度芥菜莖葉和根部對鈾的生物富集量均達(dá)到最大值，莖葉部分鈾含量為48.85 mg/kg、根部鈾含量為629.05 mg/kg，表明鈾在植物根部的富集程度遠(yuǎn)高于莖葉。

圖5 不同土壤鈾濃度對印度芥菜莖葉和根部的鈾含量的影響Fig.5 Effect of Uranium concentration in soil on uranium contents in shoots and roots of Brassica juncea

4 結(jié) 論

(1)印度芥菜生長初期受鈾的影響較小，生長時(shí)間越長、鈾脅迫濃度越高，印度芥菜的生長情況受影響越明顯。

(2)低濃度的鈾脅迫可刺激印度芥菜光合色素和可溶性蛋白質(zhì)含量的增加，但隨著鈾濃度的提高，植物光合色素和可溶性蛋白質(zhì)含量明顯下降。

(3)鈾脅迫導(dǎo)致印度芥菜體內(nèi)的膜脂過氧化產(chǎn)物MDA 的含量隨著土壤鈾濃度的提高而上升，鈾對植物葉片的膜脂過氧化影響顯著。

(4)印度芥菜對鈾的富集量隨土壤鈾濃度的提高而提高，根部對鈾的富集能力遠(yuǎn)強(qiáng)于莖葉部。

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