莧菜、小麥和玉米對銫的吸收和積累差異

陳 梅，安 冰，唐運來*

(1西南科技大學生命科學與工程學院，四川綿陽621010;2西南科技大學核廢物與環境安全國防重點學科實驗室，四川綿陽621010)

隨著核工業的發展和核技術的廣泛應用，人類生態環境中核素的本底值不斷增加。環境中的放射性核素會通過植物、微生物和動物等傳遞轉移進入人體，從而對人類健康造成危害[1]。137Cs作為銫的同位素之一，被認為是最危險的核素之一。銫作為鉀的營養類似物而容易被植物吸收，進入食物鏈，從而對人類健康產生危害[2]。生物修復技術被認為是清除環境中放射性核素污染的有效途徑之一[3，4]。銫污染土壤植物修復技術研究主要集中在對銫超富集植物的篩選[5～7]和對影響銫污染土壤植物修復環境因素[8～10]的研究兩方面。不同科、屬、種的植物和同種植物的不同器官，以及植物的不同發育時期，對銫的吸收富集均存在很大的差異[11～15]。藜科和莧科植物對銫具有較強的吸收富集能力，而禾本科水稻對銫的富集能力較低[5]。植物對放射性137Cs和其穩定性同位素133Cs的吸收積累特性無顯著差異[16]，因此，可以用穩定性同位素代替放射性同位素來研究植物對銫的吸收分布差異。小麥和玉米是中國的主要糧食作物，它們對銫的吸收富集能力尚鮮見報道。筆者研究莧菜、小麥和玉米對不同濃度銫的動態吸收富集差異，旨在為進一步揭示銫污染的生物效應和提高銫污染植物修復技術提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

供試植物莧菜(紅莧菜)、小麥(西科麥3號)和玉米(川單25號)均為四川地方主栽品種。用石英砂和Hoagland營養液在溫室里進行盆栽培養，培養溫度為23～25℃，光周期為10 h。3葉期開始向營養液里添加不同濃度 CsCl(0、0.5、1.0、5.0、10.0、20.0 mmol/L)，每隔3 d添加1次，在處理后第7、14、21、28天分別采樣，進行指標測定。每處理設3個重復。

1.2 銫含量、富集系數和轉運系數的測定

將莧菜、小麥和玉米樣品的根、莖、葉分開，于75℃烘干至恒重，用A11分析研磨機研細后，取干粉0.1 g作為待測樣品。采用濕法(HNO3－HClO4)硝解，用美國PE AA700型原子吸收光譜測定銫含量。分析條件為:波長852.1 nm;燈電流10 mA;光譜通帶0.2 nm;助燃氣為空氣，17 L/min;燃氣為乙炔，2 L/min;測量方式為AAS;背景扣除方式為賽曼方式。

富集系數 =根、莖、葉中銫的含量(干重，g/kg)/營養液中銫的含量(干重，g/L)。

轉運系數=莖或葉中銫的含量(干重，g/kg)/根中銫的含量(干重，g/kg)。

1.3 統計分析

用軟件Excel和SPSS 11.5對數據進行分析處理。

2 結果與分析

2.1 莧菜、小麥和玉米的銫含量

從表1可看出，莧菜、小麥和玉米的根、莖、葉中和整株植物中銫的含量均隨著銫處理濃度的增加和處理時間的延長而顯著增加，在20 mmol/L銫濃度下處理28 d時均達到最大值。與0.5 mmol/L銫濃度下處理7 d相比，20 mmol/L銫濃度下處理28 d時莧菜根、莖、葉和整體植株中的銫含量分別為其34.1、31.5、22、26.9 倍，玉米分別為 38.9、24、9.6、25.3 倍，小麥分別為314.2、408.2、364.7、346.3 倍。在所有處理濃度和所有處理時間下，莧菜根、莖、葉和整株植物中銫的含量均顯著高于小麥和玉米。在銫處理濃度低于1 mmol/L和處理時間小于14 d的情況下，小麥根、莖、葉中和整株植物中的銫含量低于玉米中的含量，但隨處理濃度的增加和處理時間的延長，尤其是銫處理濃度為5 mmol/L以上，處理時間超過14 d時，小麥根、莖、葉中和整株植物中的銫含量均顯著大于玉米中的含量。從表1還可以看出，莧菜、小麥和玉米的不同器官對銫的吸收富集存在顯著差異。就莧菜而言，不同處理濃度和不同處理時間下均為葉片中銫的含量最高，莖次之，而根中銫的含量最低;就小麥和玉米而言，根卻是銫的主要富集器官，不同處理濃度和不同處理時間下，銫含量均表現為根、莖、葉依次減小。

表1 不同銫處理莧菜、小麥和玉米中的銫含量(mg/kg)

2.2 莧菜、小麥和玉米對銫的富集系數

由表2可見，3種植物根、莖、葉和整體植株的富集系數均與銫處理時間呈正相關，在處理后28 d時達到最大值。但3種植物的富集系數與處理濃度間關系不同。就莧菜而言，根、莖、葉和整體植株對銫的富集系數均隨銫處理濃度的增加而顯著下降;就玉米而言，根的富集系數隨著處理濃度的增加而顯著下降，而莖、葉的富集系數在處理后7 d時隨著處理濃度的增加而顯著下降，且處理時間延長，變化不顯著;就小麥而言，根和莖的富集系數隨處理濃度的增加而顯著上升，葉的富集系數在處理后7 d和14 d時隨處理濃度的增加而顯著上升，但在處理后21 d和28 d時無顯著變化。莧菜的根、莖、葉和整體植株的富集系數在0.5 mmol/L下處理28 d時達到最大值;玉米根、莖和整體植株的富集系數在0.5 mmol/L下處理28 d時達到最大值，而葉在0.5 mmol/L下處理7 d時達到最大值;小麥根、莖、葉的富集系數均在20 mmol/L下處理28 d時達到最大值。以上結果表明，在0.5 mmol/L下處理28 d時，莧菜整體植株對銫的富集系數是小麥的41.2倍，是玉米的52.1倍，說明莧菜對銫的富集能力極顯著高于玉米和小麥。

表2 莧菜、小麥和玉米對銫的富集系數

2.3 莧菜、小麥和玉米對銫的轉運系數

由表3可見，在所有處理濃度和處理時間下，莧菜莖葉的轉運系數遠遠大于小麥和玉米莖葉的轉運系數，而且莧菜葉片的轉運系數也顯著高于莖的轉運系數，說明莧菜富集的銫主要集中在地上部分的莖和葉片。小麥和玉米莖和葉的轉運系數小，吸收的銫主要分布在根部。在處理后7 d和14 d，小麥莖、葉的轉運系數低于玉米莖、葉的轉運系數，但在處理后28 d，小麥莖、葉的轉運系數顯著高于玉米莖、葉的轉運系數。在同一處理濃度下，莧菜葉片的轉運系數隨處理時間的增加而顯著下降，但在相同的處理時間下，不同濃度下轉運系數的變化規律不明顯;莧菜莖的轉運系數在不同處理濃度和不同處理時間下無規律性變化。小麥和玉米莖葉的轉運系數在不同處理濃度和不同處理時間下均無規律性變化。

表3 莧菜、小麥和玉米對銫的轉運系數

(續表3)

2.4 莧菜、小麥和玉米在不同銫處理下的生物量和根冠比

由表4可見，隨著處理濃度的增加，莧菜、小麥和玉米的地下部分和地上部分生物量均顯著降低，尤其是高濃度銫處理顯著抑制3種植物的正常生長。與對照相比，20 mmol/L銫濃度下，莧菜、玉米和小麥地下部分的生物量分別下降了79.3%、41.4%和57.5%，地上部分生物量分別下降了84.6%、68.3%和70%。另一方面，隨著處理濃度的增加，3種植物的根冠比顯著增加，同對照相比，20 mmol/L處理濃度下，莧菜和玉米的根冠比分別增加了33.3%和43%，小麥根冠比的增加幅度尤其明顯，比對照增加了1倍。

表4 20 mmol/L銫處理28 d后莧菜、小麥和玉米的生物量和根冠比

3 結論與討論

目前，比較有潛力的對銫污染土壤進行生物修復的植物主要是藜科、莧科或菊科[4～6]植物。莧科的反枝莧對放射性銫的吸收能力特別強，是一種很有效的放射性銫積累植物[5]。莧科植物的生物富集系數多為0.3～2.03[6]，籽粒莧對134Cs的富集系數為2.20～3.22，莧菜對134Cs的富集系數為2.41～2.79[13]。以上研究均表明莧科植物對銫具有較高的吸收富集能力。本研究結果表明，紅莧菜在0.5、1 mmol/L銫處理1周后，對銫的富集系數分別為2.85和2.39，這與已有的報道基本一致，但隨著處理時間的延長，紅莧菜對銫的吸收富集能力顯著增加，另一方面隨著處理濃度的增加，富集系數顯著減小。在低于1 mmol/L的銫濃度處理下，紅莧菜對銫的富集系數和轉運系數非常高，且生物量幾乎不受影響，維持在一個較高水平，但在高濃度銫處理下，富集系數和生物量都極顯著下降。因此，對于環境介質中的低濃度銫污染，紅莧菜可能是一種非常理想的修復植物，但無法用莧菜對高濃度銫污染進行治理。

植物對核素的富集系數受多種因素影響[8]，隨著核素濃度的增加，富集系數顯著減小[8，10，16]。這可能是由于植物通過多種離子通道和載體對銫進行吸收和轉運。本研究中，莧菜和玉米的根、莖、葉對銫的富集系數均隨著處理濃度的增加而顯著下降。植物在遭受逆境時其形態結構可能會發生變化，一個常見的變化就是根冠比會顯著增加[17，18]。本研究結果表明，隨著處理濃度的增加，莧菜、小麥和玉米的根冠比均顯著增加，小麥的增加幅度顯著大于莧菜和玉米，這可能是小麥根系富集系數在高濃度銫脅迫下顯著上升的一個重要原因，因為小麥通過增加根冠比，相對提高了根部對銫的吸收富集能力。此外，小麥體內有可能還存在一些特殊的對銫吸收轉運和耐受的機理，從而使小麥對銫的富集能力在高濃度銫脅迫下不下降反而顯著增加，其具體機理有待研究。

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