3種植物在水培方式下對鍶的富集和遷移實(shí)驗(yàn)研究

閆 冬，丁庫克，何映雪，范 莉，姜曉燕*

（中國疾病預(yù)防控制中心輻射防護(hù)與核安全醫(yī)學(xué)所放射生態(tài)學(xué)研究室，北京 100088）

鍶-90（strontium-90，90Sr）是大氣層核試驗(yàn)以及核泄漏事故所產(chǎn)生的能夠?qū)θ祟惤】诞a(chǎn)生影響的主要放射性污染物，其半衰期長，可隨大氣運(yùn)動(dòng)，被運(yùn)輸?shù)饺虿⒊两抵恋乇恚?0Sr進(jìn)入環(huán)境后可經(jīng)過水體或土壤中的植物根系吸收、遷移和富集至植物中，最終對人體產(chǎn)生內(nèi)照射或外照射。因此，研究鍶向植物遷移和富集的過程是明確其環(huán)境效應(yīng)以及進(jìn)行污染水體和土壤治理的前提。目前，對鍶從土壤通過植物根系向植物遷移和富集的研究較多，但因土壤理化性質(zhì)和研究環(huán)境具有一定差異，鍶在自然土壤中的本底較高，形態(tài)變化多樣，其研究結(jié)果也表現(xiàn)出較大的差異，因此本研究選擇水培方式培養(yǎng)植物，減少土壤和研究環(huán)境的干擾。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制同時(shí)也為了保護(hù)環(huán)境的需要，實(shí)驗(yàn)采用穩(wěn)定鍶-88來模擬放射性鍶在植物體內(nèi)遷移富集的過程。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇我國北方可進(jìn)行水培生長的常見植物綠蘿、吊蘭和吊竹梅作為供試植物，采用扦插水培方式處理和培養(yǎng)。每種植物設(shè)置1個(gè)對照組和3個(gè)水培液鍶濃度處理組，對照組不添加鍶，鍶濃度處理組分別為1、2和3 mmol/L，分別用配制好的鍶母液稀釋成不同濃度后與改進(jìn)Hoagland培養(yǎng)液混合均勻。每個(gè)塑料培養(yǎng)箱設(shè)置1個(gè)濃度，種植1種植物，每個(gè)濃度組種植綠蘿4株、吊竹梅4株、吊蘭3株。各組的實(shí)驗(yàn)條件保持一致，整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期為28 d。

1.2 植物培養(yǎng)

用于盛裝培養(yǎng)液的培養(yǎng)箱尺寸為20 cm×28 cm×8 cm，可裝3 L培養(yǎng)液，上覆用于固定植物的泡沫板，為20 cm×28 cm×1 cm。使用BSG-450型光照培養(yǎng)箱進(jìn)行植物養(yǎng)殖，期間溫度控制在22～24℃，濕度控制在50%～85%，培養(yǎng)液溫度控制在18～22℃，培養(yǎng)液導(dǎo)電率控制在2～3 mS/cm，光照周期為光期12 h，暗期12 h，光照度為5 000 lx。實(shí)驗(yàn)使用分析純SrCl2·6H2O配制成1 mol/L母液備用。

1.3 樣品處理與檢測

植物樣品收獲時(shí)，從泡沫板中小心取出每棵植物，用超純水充分沖洗根部，瀝去水分，用剪刀將植株剪開，綠蘿分為莖和葉，吊蘭分為葉和根，吊竹梅分為葉、莖和根，65℃烘干至恒重。每部分干燥后的植物樣品分別用不銹鋼研磨機(jī)磨碎，裝入自封袋中待測。

精確稱取植物樣品0.200 0 g置于高壓消解罐中，加入2 mL HNO3靜置3 h以上，在165℃下消解4 h，定容至10 mL后再稀釋10倍，使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-AES，SPECTRO ARCOS，德國）檢測消解液中鈣、鐵、鉀、鎂、磷、硫和鍶的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。每次消解過程加入試劑空白作為對照組，實(shí)驗(yàn)所用試劑為分析純，使用的超純水經(jīng)Milli-Q超純水系統(tǒng)處理，消解后液體澄清不含雜質(zhì)。

1.4 遷移系數(shù)

元素在植物體內(nèi)的遷移情況，采用遷移系數(shù)（transportation factor，TF）表示[1]。

TF=元素在植物地上器官中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（mg/g）/元素在植物根系中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（mg/g）

1.5 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用數(shù)據(jù)分析軟件SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Shapiro-Wilk檢驗(yàn)各實(shí)驗(yàn)組中數(shù)據(jù)是否呈正態(tài)分布，Levene’s檢驗(yàn)各實(shí)驗(yàn)組中數(shù)據(jù)的方差齊性，采用方差分析法對鍶處理和對照組間的均值差異進(jìn)行分析。

2 結(jié)果

2.1 綠蘿、吊蘭和吊竹梅鍶含量

不同濃度處理下鍶在綠蘿、吊蘭和吊竹梅各組織中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖1所示。由于植物屬于扦插處理，其本身帶有一定鍶元素，因此即使對照組的植物，本身還是會(huì)有極少量鍶被檢測出。經(jīng)檢驗(yàn)各實(shí)驗(yàn)組中植物各組織中鍶含量不符合正態(tài)分布，并且方差不齊，因此采用非參數(shù)檢驗(yàn)中的Kruskal-Wallis檢驗(yàn)進(jìn)行方差分析。

圖1中可以看出在培養(yǎng)液3 mmol/L鍶處理下，植物各組織中鍶的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與對照組間的差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），同時(shí)在培養(yǎng)液2 mmol/L鍶處理下，吊竹梅根中鍶的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與對照組間差異顯著（P＜0.05）。從植物各組織中鍶的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來看，相同鍶處理下3種植物中鍶的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：w鍶，吊竹梅葉＞w鍶，綠蘿葉＞w鍶，吊蘭葉，w鍶，吊竹梅莖＞w鍶，綠蘿莖，w鍶，吊竹梅根＞w鍶，吊蘭根，可以看出吊竹梅各組織中鍶的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于綠蘿和吊蘭相應(yīng)組織中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，顯示出較強(qiáng)的鍶富集能力。

圖1 不同濃度鍶處理下綠蘿、吊蘭和吊竹梅各組織中鍶的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.2 綠蘿、吊蘭和吊竹梅中主要營養(yǎng)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

不同鍶處理下綠蘿、吊蘭和吊竹梅各組織中主要營養(yǎng)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。結(jié)果顯示，綠蘿葉的鈣和硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2 mmol/L鍶處理下與對照組相比顯著降低（P＜0.05），鎂含量在1 mmol/L鍶處理下與對照組相比升高（P＜0.05），即在鍶低濃度處理下，綠蘿葉中的鈣、鎂和硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)與對照組相比發(fā)生變化。吊蘭根的鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2 mmol/L鍶處理下較對照組顯著升高（P＜0.05）。吊竹梅葉的鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3個(gè)鍶處理下均較對照組顯著降低（P＜0.05），吊竹梅莖的鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2 mmol/L鍶處理下較對照組顯著降低（P＜0.05），吊竹梅根的鈣和鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在2、3 mmol/L鍶處理下較對照組顯著降低（P＜0.05）。鍶處理對3種植物吸收鈣、鎂、鐵和硫均產(chǎn)生一定影響。

2.3 吊蘭和吊竹梅的鍶遷移系數(shù)

圖2為吊竹梅葉、莖和吊蘭葉在不同鍶處理下的遷移系數(shù)（TF），每組處理數(shù)據(jù)經(jīng)過正態(tài)檢驗(yàn)和方差齊性檢驗(yàn)，使用Duncan檢驗(yàn)分析對照組與鍶處理組間均值的差異性?？梢钥闯霰狙芯恐械踔衩泛偷跆m的TF值在0.36～2.54之間，在相同鍶處理下，吊竹梅葉和莖的TF值大于吊蘭的TF值。吊竹梅葉和莖的TF值在1 mmol/L鍶處理時(shí)最大，分別為2.54和2.33，隨鍶處理濃度的增加逐漸降低，吊蘭葉的TF值在2 mmo/L鍶處理時(shí)最大，為1.12。與對照組相比，吊竹梅葉的TF值在3個(gè)鍶處理下均顯著升高（P＜0.05），吊竹梅莖的TF值在1 mmo/L鍶處理下顯著升高（P＜0.05），吊蘭葉的TF值在2 mmo/L鍶處理下顯著升高（P＜0.05）。

圖2 吊竹梅葉、莖和吊蘭葉在不同鍶處理下的遷移系數(shù)

3 討論

本研究選擇北方常見植物綠蘿、吊蘭和吊竹梅作為實(shí)驗(yàn)對象，采用水培扦插方式進(jìn)行培養(yǎng)，通過水培液中設(shè)置不同濃度鍶處理，考察3種植物對鍶的吸收富集和遷移情況，以及鍶處理對植物吸收其他6種主要營養(yǎng)元素的影響。

結(jié)果表明，水培液中不同鍶處理對植物中鍶的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有顯著影響，3種植物各組織中鍶的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨培養(yǎng)液中鍶含量的增加而增加，這與姜曉燕等[2]土培實(shí)驗(yàn)中鍶從土壤向菠菜和小白菜的遷移富集的特征一致。但隨水培液中鍶濃度的梯度增加，鍶在植物組織中的含量并非成比例增加，這可能與植物對鍶吸收后體內(nèi)鍶含量逐漸呈飽和相關(guān)，有研究顯示高濃度的鍶處理（＜25 mmol/L）對植物生長有抑制作用，并且高濃度下植物對鍶并非線性吸收[3]。Soudek等[4]通過水培向日葵的實(shí)驗(yàn)認(rèn)為較低離子強(qiáng)度下，鍶從水培液中進(jìn)入植物根部是彌散過程，而在較高離子強(qiáng)度下，鍶進(jìn)入植物根系的方式主要是主動(dòng)遷移。本研究顯示，3種植物中吊竹梅吸收和富集培養(yǎng)液中鍶的能力最強(qiáng)，這與湯年華等[5]利用立體生態(tài)凈化床開展處理含鍶的廢水實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

植物對鍶吸收增加的同時(shí)對其他營養(yǎng)元素的吸收和富集也會(huì)發(fā)生變化，一般認(rèn)為鍶與鈣、鎂是同族元素，具有相近的化學(xué)性質(zhì)，植物根系吸收時(shí)呈競爭關(guān)系[4]。Moyen等[3]水培玉米的研究顯示，水培液中鍶濃度的增加可抑制玉米對鎂和鈣元素的吸收。江世杰等[6]采用盆栽方式種植12種植物，結(jié)果顯示高濃度鍶處理下，植物吸收鍶與鈣、鎂呈極顯著正相關(guān)，與硫呈顯著正相關(guān)，與磷、鐵呈極顯著負(fù)相關(guān)，與鉀呈顯著負(fù)相關(guān)。在本研究中，鍶處理濃度的增加，使得3種植物組織中的鈣和鐵含量呈現(xiàn)出顯著降低的趨勢（P＜0.05），這與姜曉燕等[2]的研究結(jié)果相似。

表1 不同鍶處理下綠蘿、吊蘭和吊竹梅各組織中鈣、鐵、鉀、鎂、磷、硫元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/（mg/g）

在通過植物根系修復(fù)污染的研究中，遷移系數(shù)（TF）是反映植物把元素從根部向地上部分遷移的能力，一般認(rèn)為遷移系數(shù)大于1的植物可作為植物修復(fù)的備選植物[7]。由于植物種類、污染物種類、植物生長環(huán)境、植物生長階段以及土壤理化性質(zhì)、氣候條件、水環(huán)境的復(fù)雜性等原因，遷移系數(shù)存在較大差異[8]。本研究中3種水培植物的TF值在0.36～2.54之間，這與劉淑娟等[9]在鍶污染土壤中種植小白菜、蘿卜和芹菜的結(jié)果（0.72～2.78）相一致。Wang等[1]在低濃度88Sr污染土壤（2.5～40.0 mg/kg）中進(jìn)行的小蘿卜累積研究顯示其TF值在1.16～1.42之間，考慮到本研究鍶處理濃度較高，本研究結(jié)果在合理范圍內(nèi)。本研究顯示，TF值隨水培液中鍶濃度量的增加，呈現(xiàn)出下降的趨勢，可見較低濃度的鍶為植物生長必須，此時(shí)植物對鍶從根部向地上部的遷移能力較強(qiáng)，當(dāng)鍶含量較高時(shí)，從植物根部向地上部遷移鍶的能力逐漸降低。Yan等[10]在鍶污染土壤中種植大豆，結(jié)果顯示果實(shí)、葉和莖的TF值均呈現(xiàn)隨土壤鍶濃度的增加先升高后下降的現(xiàn)象。吊竹梅葉和莖的TF值大于吊蘭葉的TF值，相比而言吊竹梅的吸收和遷移鍶的能力較強(qiáng)，可作為鍶污染水體的備選植物。