鈾對兩種濕生植物生理生化及其積累特性的影響

李宇林，羅學剛

（西南科技大學環境與資源學院，四川 綿陽 621010）

【研究意義】 近年來核電行業對原料核素鈾的需求量不斷增長，鈾礦在開采和冶煉的同時伴隨著鈾礦廢渣、廢氣以及礦區廢水的產生，這些廢棄物具有低放射性、分布廣、排放量大等特點，同時由于核素具有放射周期長的特性，嚴重影響周圍生態環境[1]。核素對人體和生物的危害主要是輻射能量吸收引起的致電離作用，致使白血球增加、癌變和其他放射性病變，乃至危害生命[2]。因此，鈾礦廢水對人類和環境存在較大的危害，應采取措施進行治理和控制。【前人研究進展】 國內外對含鈾廢水的處理方法主要包括混凝沉淀法、蒸發濃縮法、離子交換法、膜處理法、吸附法等物理化學法以及生物富集法[3-5]。由于生物富集治理低濃度含鈾廢水具有效率高、成本低、耗能少、無二次污染物等優點，受到眾多學者的關注和研究[6]。國內外目前對植物修復[7]的研究主要集中在陸生植物（如吊竹梅[8]、商陸[9]、鴨拓草[10]等），較少報道濕生植物。研究表明，伊樂藻[11]、鳳眼蓮[12]、魚腥藻[13]、浮萍[14]、酸模[15]和銅錢草[16]等水生植物對鈾有一定的累積能力。澤瀉[17]和魚腥草[18]這兩種廣泛分布的濕生植物對重金屬有較強的耐受性，但澤瀉和魚腥草對放射性核素的累積及耐受性研究尚未見報道。植物的抗氧化酶活性、光合及熒光參數[19]對重金屬脅迫較為敏感，可作為評判植物受重金屬污染毒害程度指標。

【本研究切入點】 目前關于重金屬對濕生植物抗氧化酶活性、光合、熒光參數影響的報道較多，但放射性核素對濕生植物抗氧化酶活性及光合、熒光參數影響的報道較少。【擬解決的關鍵問題】 本研究通過水培試驗，探究不同鈾濃度處理對澤瀉和魚腥草的抗氧化酶活性、光合熒光參數的影響以及它們對鈾的積累能力，旨在為濕生植物處理低濃度鈾礦廢水提供數據參考和科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗地點位于西南科技大學重金屬污染修復試驗場，實驗時間為2018年夏，試驗地夏季平均溫度30（±5）℃，年平均濕度79%，以澤瀉和魚腥草為供試植物，用去離子水洗凈澤瀉和魚腥草幼苗根部淤泥，再將幼苗置1/2Hoagland營養液中馴化培養10 d，挑選大小和生長情況基本一致的植株作試驗材料。

1.2 試驗設計

試驗設計鈾濃度5、30、55 mg/L和空白對照4個處理，每個處理3次重復，每個重復1塑料框（21.28 L）。稱取乙酸雙氧鈾（分析純藥品）配成相應濃度鈾溶液，調節pH值至5.5左右，再將所挑選的澤瀉和魚腥草植株分別定植于各鈾溶液的塑料筐中培養，每隔5～7 d補去離子水至刻度處。

1.3 測定指標及方法

供試澤瀉和魚腥草培養21 d后，每個塑料框中隨機采集3個重復樣，測定植株新鮮葉片的可溶性蛋白含量、過氧化氫酶活性（CAT）、過氧化物酶活性（POD）、超氧化物歧化酶活性（SOD）、丙二醛含量（MDA）以及鈾脅迫下對植物光合、熒光參數的影響；培養到22 d時，分別采集植株莖葉和根部分別制備成干樣，測定澤瀉和魚腥草植株中鈾的累積量。

在澤瀉和魚腥草生長旺盛期7月21日，稱取植物葉片鮮樣0.2 g，用考馬斯亮藍染色法測定可溶性蛋白含量；采用LC Pro-S+全自動便攜式光合儀（北京澳作生態儀器有限公司），于穩定光照下，選取相同葉位測定各植株葉片的光合參數，包括氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）和光合速率（A），每個處理測3次取均值；采用M-PEA葉綠素熒光儀（英國Hansatech公司）測定葉片葉綠素熒光參數[20]； SOD活性采用氮藍四唑（NBT）光化還原法測定[21]，POD活性采用愈創木酚法測定[22]，CAT活性采用分光光度法測定[23]，MDA含量用硫代巴比妥酸（TBA）提取法測定；使用ETHOS UP微波消解儀（意大利Milestone公司）進行消解，消解液通過注射過濾器過濾后使用Agilent 7700x ICP-MS（美國安捷倫科技有限公司）測定鈾含量。

試驗數據應用IBM SPSS Statistics 20進行分析，應用Origin2016軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 鈾對澤瀉和魚腥草可溶性蛋白含量的影響

由圖1可知，澤瀉的可溶性蛋白質含量隨水中鈾濃度的增加而逐漸減少，其中鈾濃度55 mg/L處理的可溶性蛋白含量最低，與空白對照組相比，降幅達60.6%。魚腥草的可溶性蛋白含量隨水中鈾濃度增加呈現先增后降的趨勢，鈾濃度為5 mg/L時可溶性蛋白質含量達到最大，與空白對照相比，其漲幅達29.5%；鈾濃度為55 mg/L時可溶性蛋白質含量最少，與空白對照相比，其降幅達59.8%。

圖1 不同鈾濃度下2植物可溶性蛋白含量Fig.1 Soluble protein content of 2 plants at different uranium concentrations

2.2 鈾對澤瀉和魚腥草抗氧化酶系統的影響

由圖2可知，澤瀉和魚腥草的SOD、POD和CAT活性都隨著水中鈾濃度的增加而呈現先上升后下降的趨勢，均在水中鈾濃度為30 mg/L時SOD、POD和CAT活性達到最大，相較于空白對照，分別上升11.79%、114.69%、69.64%和6.03%、19.91%、10.71%。隨著鈾濃度的增加，澤瀉和魚腥草的MDA含量逐漸增加，均在鈾濃度55 mg/L處理下達到最大值，相較于空白對照，分別增加70.42%和55.42%。

2.3 鈾對澤瀉和魚腥草光合參數的影響

由表1可知，隨著鈾濃度的逐漸增加，澤瀉和魚腥草葉片胞間CO2濃度（Ci）逐漸降低，均在鈾濃度55 mg/L處理下達到最低，相較于空白對照，分別降低13.14%和27.49%。澤瀉葉片的氣孔導度（Gs）隨著鈾濃度的增加呈先增后降的趨勢，在鈾濃度5 mg/L處理下達到最大，相較于空白對照，增加184.26%；魚腥草葉片的氣孔導度（Gs）隨著鈾濃度的增加而逐漸增加，在鈾濃度55 mg/L處理下達到最大，比對照增加295.24%。澤瀉和魚腥草葉片的蒸騰速率（Tr）隨著鈾濃度的增加均呈現先增后降的趨勢，在鈾處理濃度5 mg/L時達到最大，分別增加0.17%和6.5%。隨著鈾濃度的逐漸增加，澤瀉和魚腥草葉片的光合速率（A）逐漸降低，在鈾濃度55mg/L時達到最低，相較于空白對照，分別降低55.19%和85.92%。

圖2 不同鈾濃度處理對澤瀉和魚腥草抗氧化酶活性和MDA含量的影響Fig.2 Effects of different uranium concentration on antioxidase activity and MDA conten of Alisma plantago-aquatica Linn and Houttuynia cordata Thunb

表1 不同鈾濃度對澤瀉和魚腥草光合參數的影響Table 1 Effects of different uranium concentration on photosynthetic parameters of Alisma plantago-aquatica Linn and Houttuynia cordata Thunb

2.4 鈾對澤瀉和魚腥草葉綠素熒光參數的影響

由圖3可知，隨著鈾濃度的增加，澤瀉和魚腥草葉片的最大光化學效率（Fv/Fm）逐漸降低，與對照相比，分別下降25.27%和1.45%；光合性能指數（PIABS）均呈現先增后降的趨勢，其中澤瀉葉片PIABS在鈾濃度5 mg/L時達最大值、較空白對照增加146.43%，魚腥草葉片PIABS在鈾濃度30 mg/L處理下達最大值、較對照增加86.57%。

圖3 不同鈾濃度對澤瀉和魚腥草熒光參數的影響Fig.3 Effects of different uranium concentration on chlorophyll fluorescence parameter of Alisma plantago-aquatica Linn and Houttuynia cordata Thunb

2.5 澤瀉和魚腥草對鈾的富集特性

由圖4可知，隨著鈾濃度的增加，澤瀉和魚腥草各部對鈾的富集濃度也逐漸升高，其中根部對鈾的富集最為明顯，在鈾濃度55 mg/L處理下，澤瀉和魚腥草莖葉中鈾的富集濃度分別為2 778.74和3 184.91 mg/kg，根部鈾的富集濃度分別為10 393.94和6 515.00 mg/kg。由表2可知，澤瀉和魚腥草在不同鈾濃度處理下，其對鈾的總富集系數（BCF）、生物轉運系數（TF）和總提取率均呈現不同的變化，其中BCF在鈾濃度5 mg/L處理下的澤瀉最高、為434.19，TF在鈾濃度55 mg/L處理下的魚腥草最高、為0.49，對鈾的總提取率均在鈾濃度30 mg/L處理下達到最高，分別為0.61和 0.22。

圖4 澤瀉和魚腥草莖葉、根部對鈾的富集濃度Fig.4 Enrichment concentration of uranium in stem and leaf,root of Alisma plantago-aquatica Linn and Houttuynia cordata Thunb

表2 澤瀉和魚腥草對鈾的富集特性Table 2 Uranium enrichment properties of Alisma plantago-aquatica Linn and Houttuynia cordata

3 討論

植物受逆境脅迫時，可溶性蛋白質含量是其生長發育的一個重要指標[24]。本試驗中，低濃度鈾處理下澤瀉的可溶性蛋白含量有一定上升趨勢，說明低濃度鈾溶液對澤瀉生長有一定的促進作用，而高濃度鈾處理下澤瀉和魚腥草可溶性蛋白質含量顯著降低，表明高濃度鈾會一定程度抑制澤瀉和魚腥草的生長。

當植物受到外界脅迫時會產生大量的自由基[25]，這些自由基會造成植物生長緩慢或正常代謝活動遭到抑制。于是植物自身會啟動一套抗氧化酶系統來減少這種自由基，以保證植物的正常生長，這套系統中發揮主要作用的是超氧化歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）[26]，三者聯合作用以清除植物體內產生過量的自由基和過氧化物[27]。MDA是植物細胞發生膜脂過氧化后的最終產物，因此被用來衡量植物受迫害程度[28]。本試驗中，澤瀉和魚腥草的SOD、POD和CAT均隨著鈾處理濃度的增加呈現先升高后降低的趨勢，說明在鈾處理濃度5、30 mg/L時植株體抗氧化酶系統清理多余的自由基和過氧化物，而在55 mg/L 鈾處理下植物體產生的抗氧化酶無法清除所產生的大量自由基和過氧化物從而使抗氧化酶含量降低；澤瀉和魚腥草的MDA含量皆在最高鈾處理濃度時達到最大，表明高濃度鈾處理下植物體細胞膜脂過氧化程度加劇影響植物健康。

通過測定植物光合參數胞間CO2濃度（Ci）、氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（E）和光合速率（A）的含量可以一定程度上反映植物光合作用能力的強弱，進一步了解植物的光合作用受脅迫情況。FARQUHAR[29]認為，Ci是評判氣孔和非氣孔因素影響的重要參數，若A減小的同時Tr、Ci和Gs也隨之減小，則A的減小主要因素為氣孔因素；反之，光合效率的下降主要因素為非氣孔因素，即光系統受到損害或者暗反應受阻。本試驗中，隨著鈾濃度的逐漸增加，澤瀉和魚腥草葉片Ci逐漸降低，均在鈾濃度55 mg/L處理下達到最低；澤瀉葉片的氣孔導度（Gs）隨著鈾濃度的增加呈先增后降的趨勢、在鈾濃度5 mg/L時達到最大，而魚腥草葉片的氣孔導度（Gs）隨著鈾濃度的增加而逐漸增加、在鈾濃度55 mg/L時達到最大；澤瀉和魚腥草葉片的蒸騰速率（Tr）隨著鈾濃度的增加均呈現先增后降的趨勢，均在鈾處理濃度5 mg/L時達到最大；隨著鈾濃度的逐漸增加，澤瀉和魚腥草葉片的光合速率（A）逐漸降低，在鈾濃度55 mg/L時達到最低，表明澤瀉和魚腥草光合速率的降低主要因素為光系統受到損害，次要因素為葉片氣孔因素。

植物抗逆性相關研究表明葉綠素熒光參數是一項較好的參考指標[30]。最大光化學效率（Fv/Fm）是與光合效率直接相關的非入侵參數，與光系統PSII的損傷呈負相關，是目前使用最多的生理熒光參數[31]。當植物受到外界脅迫時，Fv/Fm值的下降與光合能力下降有關[32]。本試驗中，隨著鈾處理濃度增加，澤瀉和魚腥草的Fv/Fm值均逐漸下降，說明澤瀉和魚腥草的PSII系統受到抑制；PIABS均呈現先增后減的趨勢。PIABS能綜合反映 PSII的最大光化學效率、有活性反應中心數目和受體側電子傳遞效率的熒光參數，能更加準確地反映 PSII 所受的影響[33]。

本試驗中，隨著鈾處理濃度的不斷增大，澤瀉和魚腥草對水體中鈾的富集濃度也不斷增大，且根部鈾含量遠高于高于莖和葉；澤瀉的BCF值在5 mg/L鈾處理濃度下達到最大，這可能是由于低濃度鈾處理下，澤瀉各部位對鈾的富集能力有一定的促進作用所致，魚腥草的BCF值在55 mg/L鈾處理濃度下達到最大；澤瀉和魚腥草的TF值均在鈾處理濃度55 mg/L時達到最大；澤瀉和魚腥草植株鈾總提取率隨著鈾濃度增加呈現先升后降的趨勢，均在鈾處理濃度30 mg/L時達到最大，而單株鈾提取量皆在 55 mg/L 鈾濃度處理下達到最高。運用IBM SPSS Statistics 20對5個生化指標進行方差齊性檢驗，對方差齊性檢驗＞0.05的可溶性蛋白含量、抗氧化酶活性、光合參數、熒光參數采用Duncan、SNK兩種方法分析比較；而方差齊性檢驗＜0.05的對鈾富集特性參數采用Tamhane、DunnettT3、Games-Howell(A)、Dunnett C 4種方法分別進行事后檢驗的多重比較，結果顯示不同處理間沒有顯著性差異，可見各處理鈾濃度下澤瀉和魚腥草生長情況良好，表明兩種植物對鈾均有一定的耐受性。

4 結論

本試驗結果表明，在中低濃度（5～30 mg/L）鈾處理下，澤瀉和魚腥草的SOD、POD和CAT均呈現逐漸升高的趨勢，而MDA含量逐漸增大；澤瀉和魚腥草的Fv/Fm值與對照相比下降幅度較低，而PIABS有不同程度的上升趨勢，這說明澤瀉和魚腥草植株內部啟動抗氧化系統發揮保護作用，避免植物體受到過大影響。鈾處理濃度55 mg/L時，澤瀉和魚腥草的抗氧化系統和光系統均受到嚴重的影響。兩種濕生植物在試驗中生長狀態良好，對鈾的富集效果較好，表現出一定的耐鈾能力，有用于治理低濃度鈾礦廢水的潛力。