牛天洋 史澤涵 陳井影 廉歡 王奕凱 張?zhí)烊?/p>

摘要?選取黑麥草作為供試植物，通過模擬根箱栽培試驗，探究在不同外源鈾下黑麥草修復鈾污染土壤的根際效應(yīng)。研究結(jié)果表明：黑麥草植株地上部和根部鈾含量直接受外源鈾濃度影響，黑麥草地上部分和根部富集系數(shù)均大于1，但轉(zhuǎn)運系數(shù)均小于1，黑麥草主要將鈾富集在根部，同時，土壤鈾含量達到一定水平會抑制黑麥草的生長導致其生物量降低。根際土壤與非根際土壤中鈾主要以惰性鈾的形式存在。隨著土壤鈾濃度的增加，根際處惰性鈾的含量明顯低于非根際處，這表明根際土壤對惰性鈾具有活化作用，植物根系分泌物促進惰性鈾的轉(zhuǎn)化，將惰性鈾轉(zhuǎn)化為可被植物吸收的活性鈾或潛在活性鈾。

關(guān)鍵詞?植物修復;黑麥草;鈾污染土壤;根際效應(yīng)

中圖分類號?X53?文獻標識碼?A

文章編號?0517-6611（2021）03-0069-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.03.019

Abstract?In?this?thesis，ryegrass?was?selected?as?the?test?plant，and?through?the?simulation?of?root?box?cultivation?experiment，the?rhizosphere?effect?of?ryegrass?under?different?exogenous?uranium?to?repair?uraniumcontaminated?soil?was?explored.The?results?showed?that?the?uranium?content?in?the?aerial?parts?and?roots?of?ryegrass?plants?was?directly?affected?by?the?concentration?of?exogenous?uranium.The?enrichment?coefficients?of?the?upper?parts?and?roots?of?the?ryegrass?grassland?were?both?greater?than?1，but?the?transport?coefficients?were?both?less?than?1.The?ryegrass?mainly?enriched?uranium?in?the?roots.At?the?same?time，when?the?soil?uranium?content?reached?a?certain?level，it?would?inhibit?the?growth?of?ryegrass?and?caused?its?biomass?to?decrease.Uranium?in?rhizosphere?soil?and?nonrhizosphere?soil?mainly?existed?in?the?form?of?inert?uranium.With?the?increase?of?soil?uranium?concentration，the?content?of?inert?uranium?in?the?rhizosphere?was?significantly?lower?than?that?in?the?nonrhizosphere，which?indicated?that?the?rhizosphere?soil?had?an?activation?effect?on?inert?uranium，and?the?plant?root?exudates?promoted?the?conversion?of?inert?uranium，converting?inert?uranium?into?active?uranium?or?potentially?active?uranium?that?can?be?absorbed?by?plants.

Key?words?Phytoremediation;Ryegrass;Uranium?contaminated?soil;Rhizosphere?effect

核工業(yè)的快速發(fā)展，導致鈾礦資源被過度開采，進而產(chǎn)生了大量含有238U、40K、232Th、226Ra等放射性核素的廢水、廢石、廢渣等放射性廢物，這些放射性廢物中含有生命周期較長的放射性核素，而目前的技術(shù)水平及經(jīng)濟條件無法將放射性核素完全從放射性廢物中分離出來[1-2]。

物理法、化學法和生物法是修復含有放射性鈾污染土壤的主要方法。早期，我國研究者主要利用物理法和化學法來修復含有放射性鈾污染的土壤，比如客土法、離子交換法和氧化還原法等，但由于技術(shù)不成熟且成本過高，導致修復土壤的結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)遭到破壞，造成二次污染。為了更加經(jīng)濟有效地去除土壤中的放射性鈾，我國研究者采用生物法來修復含鈾土壤。其中植物修復技術(shù)是生物修復技術(shù)中的一種，具有成本低，維護費用小，易操作，不容易造成二次污染，且能夠?qū)崿F(xiàn)資源回收利用的優(yōu)點，深受國內(nèi)外學者重視[3]。

多年生黑麥草是禾本科早熟禾亞科黑麥草屬多年生疏叢型草本植物，是我國南北方普遍種植的優(yōu)質(zhì)牧草和常用的優(yōu)質(zhì)草坪草，其再生能力強，易于種植[4]。有報道表明黑麥草對鈾有較強的富集能力[5]。目前對鈾污染下黑麥草對鈾的富集機理分析還不夠深入，特別是外源鈾作用下根際環(huán)境如何影響修復作用的機理研究還不多，這對鈾污染土壤植物修復技術(shù)的應(yīng)用至關(guān)重要。該研究采用模擬根箱栽培技術(shù)探究在不同鈾濃度脅迫下黑麥草修復鈾污染土壤的根際效應(yīng)。

1?材料與方法

1.1?儀器與試劑?試驗所用儀器見表1[6]。試驗所用試劑及去離子水均是符合國家標準的分析純試劑。試驗中所用的主要化學試劑有硝酸、氫氟酸、高氯酸、氫氧化鈉、抗干擾鈾熒光試劑、草酸、草酸銨、檸檬酸三鈉、碳酸氫鈉、連二亞硫酸鈉、醋酸、30%雙氧水溶液。

1.2?供試材料

供試植物為黑麥草，多年生優(yōu)良牧草植物。從農(nóng)貿(mào)市場中選擇顆粒飽滿、大小均勻且無毒無蛀完整的種子。

供試土壤均為無鈾污染的土壤，取0～20?cm的表層土壤。土壤為紅壤土，顏色為黃色，pH為中性（6.32），基本理化性質(zhì)如下：有機質(zhì)35.543?g/kg，堿解氮115.423?mg/kg，速效磷32.246?mg/kg，速效鉀106.753?mg/kg。

1.3?栽培試驗?將供試土壤放在空曠通風處進行風干，土壤風干后磨細再過2?mm篩，將過篩后的土壤依次放入根箱中并加入底肥（尿素0.5?g/kg，磷酸二氫鉀0.44?g/kg）混勻待用。將土壤樣品分成4個處理組，每處理組3個重復，同時設(shè)置一批對照組。鈾（U）以UO2（NO3）2·6H2O溶液的形式加入土壤中，然后均勻攪拌。土壤中鈾溶液的濃度分別為5、10、15、20?mg/kg，土壤靜置7?d后進行播種。

將上述供試土壤放入根箱中，根箱中間被300目尼龍網(wǎng)分隔開，將黑麥草種植在根箱一側(cè)，作為根際側(cè)，土壤為根際土壤;另一側(cè)為非根際側(cè)，土壤為非根際土壤。保持田間持水量，黑麥草的生長周期為45?d。

1.4?測試方法

植物樣品和土壤樣品中鈾的測定采用激光液體熒光法，土壤樣品中鈾的各形態(tài)采用在Tessier[7]五步提取法基礎(chǔ)上修改的逐級化學提取法來確定。

富集量等相關(guān)計算見公式（1）和（2）。

式中，Cground為黑麥草地上部鈾含量（mg/kg）;Croot為黑麥草根部鈾含量（mg/kg）;Csoil為土壤鈾濃度（mg/kg）。

1.5?數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)處理使用WPS2019軟件，使用SPSS17.0對數(shù)據(jù)進行Duncans法單因素方差分析和多重比較，P<0.05為顯著，P<0.01為極顯著，最后使用Origin2017作圖。

2?結(jié)果與分析

2.1?鈾脅迫對黑麥草生物量的影響

由表2可知，黑麥草地上部和根部干重在不同濃度鈾處理之間存在顯著差異（P<0.05）。隨著土壤鈾濃度的升高，黑麥草地上部干重和根部干重均呈先增加后降低趨勢。在土壤鈾濃度為5?mg/kg時，黑麥草地上部和根部干重均達到最大值：地上部干重為270.685?mg/盆、根部干重為146.415?mg/盆，分別較對照增加了8.7%和9.4%。隨著土壤鈾濃度的升高，黑麥草地上部干重和根部干重逐漸降低，在10～20?mg/kg鈾脅迫下，黑麥草地上部和根部干重分別較對照降低了7.4%、22.2%、32.8%和19.4%、27.2%、45.7%，這表明土壤鈾濃度達到一定高度會抑制黑麥草的生長，導致其生物量降低。這與王帥等[8]低濃度鈾會促進植物生長，高濃度鈾會抑制植物生長的研究結(jié)果保持一致。

2.2?鈾脅迫對黑麥草富集量的影響?由圖1可知，隨著土壤鈾水平的升高，黑麥草植物地上部和根部鈾含量均呈增加趨勢（P<0.05），說明黑麥草植物體內(nèi)鈾含量直接受外源鈾濃度影響，這與徐國聰?shù)萚9]的研究結(jié)果基本一致。黑麥草根部鈾含量明顯高于地上部分，說明黑麥草根部吸收鈾貢獻顯著大于地上部，即黑麥草富集鈾的主要器官為根部。在土壤鈾水平為20?mg/kg時，黑麥草根部鈾含量達到最大值為829.25?mg/kg，比陳威[10]報道間作竹柳地下部鈾含量305.635?mg/kg要高很多，分別較其他3個處理組增加了151.3%、55.9%、1.5%;而黑麥草地上部鈾含量在15?mg/kg鈾脅迫時達到最大值為81.967?mg/kg，分別較其他3個處理組增加了194.5%、34.6%、0.5%。當土壤鈾濃度分別為15、20?mg/kg時，黑麥草根部鈾含量相差無幾，說明土壤鈾濃度達到一定水平時，黑麥草根部對鈾的富集量會呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。

2.3?鈾脅迫對黑麥草富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響

植物體內(nèi)鈾含量與土壤中鈾含量之比為富集系數(shù)[11]（BCF），其值越大，則表明植物富集能力越強。植物地上部分鈾含量與根部鈾含量之比為轉(zhuǎn)運系數(shù)[11]（TF），其值越大，則表明植物將鈾從根部轉(zhuǎn)運到地上部的能力越強。由公式（1）和（2）可得計算結(jié)果如表3所示。黑麥草地上部鈾富集系數(shù)（BCF）隨鈾濃度增加呈先增加后降低趨勢，在10?mg/kg鈾濃度下黑麥草地上部BCF達到最大值為6.088，較其他3個處理組增加了9.4%、11.4%、49.3%。黑麥草BCF根部顯著大于地上部，在5?mg/kg鈾濃度下黑麥草根部BCF達到最大值為66.007，較其他3個處理組增加了24.1%、21.3%、59.4%。黑麥草轉(zhuǎn)運系數(shù)在10?mg/kg鈾濃度下達到最大值為0.114，且所有處理下轉(zhuǎn)運系數(shù)均小于1。與文獻[12-14]中的研究結(jié)果“超富集植物應(yīng)滿足富集系數(shù)大于1”保持一致。但轉(zhuǎn)運系數(shù)小于1，表明黑麥草將鈾從根部轉(zhuǎn)運到地上部的能力較差，不符合超富集植物特點。

2.4?根際效應(yīng)分析

含鈾土壤中鈾的形態(tài)可分為可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、有機質(zhì)結(jié)合態(tài)、無定型鐵錳氧化態(tài)/氫氧化物結(jié)合態(tài)、晶質(zhì)型鐵錳氧化物/氫氧化物結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)6種。其中可交換態(tài)鈾和碳酸鹽結(jié)合態(tài)鈾稱為活性鈾，有機質(zhì)結(jié)合態(tài)鈾和無定型鐵錳氧化物/氫氧化物結(jié)合態(tài)鈾稱為潛在活性鈾，植物容易吸收活性鈾或潛在活性鈾;而晶質(zhì)型鐵錳氧化物/氫氧化物結(jié)合態(tài)鈾和殘渣態(tài)鈾稱為惰性鈾，不易被植物吸收[15-17]。由圖2可知，根際土壤中各相態(tài)鈾占總相態(tài)鈾含量的平均百分比為惰性鈾（46.6%）>潛在活性鈾（29.47%）>活性鈾（23.93%）;非根際土壤中各相態(tài)鈾占總相態(tài)鈾含量的平均百分比為惰性鈾（60.22%）>活性鈾（21.21%）>潛在活性鈾（18.57%）。在不同濃度鈾脅迫下，根際土壤和非根際土壤中惰性鈾含量明顯高于其他2種相態(tài)鈾含量，這表明根際土壤與非根際土壤中鈾主要以惰性鈾的形式存在。隨著土壤鈾濃度的增加，根際處惰性鈾含量逐漸低于非根際處，這表明黑麥草根系具有很強的活化能力，黑麥草根系分泌出某種有機酸能夠?qū)ΩH土壤中惰性鈾進行轉(zhuǎn)化，將惰性鈾轉(zhuǎn)化為可被植物吸收的活性鈾或潛在活性鈾。有研究表明：土壤的pH是影響鈾活性的重要因素[18]。有機酸在被施入土壤后可與重金屬形成可溶的絡(luò)合物，不僅促進了穩(wěn)定態(tài)的重金屬向土壤溶液中遷移，而且也使重金屬很容易隨著植物的蒸騰作用從根部向地上部遷移，顯著提高了植物體內(nèi)重金屬的含量[19-20]。研究證實，超富集植物印度芥菜能夠從根系中分泌出檸檬酸作為螯合劑，與土壤中的重金屬離子相結(jié)合，提高重金屬在土壤溶液中的移動性，使得通過質(zhì)流、擴散等作用到達植物根際土壤的重金屬離子的量的增加，從而增加植物根系對重金屬的富集量，促進植物將重金屬從根系轉(zhuǎn)運到地上部[21]。

3?結(jié)論

采用模擬根箱栽培試驗，通過對黑麥草進行不同濃度鈾（5、10、15、20?mg/kg）處理，對黑麥草生物量、植物體內(nèi)鈾含量及根際與非根際土壤中鈾的賦存形態(tài)進行測定與分析，研究結(jié)果如下。

（1）黑麥草地上部和根部干重在不同濃度鈾處理之間存在顯著性差異（P<0.05）。隨著土壤鈾濃度的升高，黑麥草的地上部干重和根部干重均呈先增加后降低趨勢。

（2）黑麥草根部鈾濃度明顯高于地上部分，隨著土壤鈾濃度的升高，黑麥草地上部和根部鈾濃度呈顯著增加趨勢（P<0.05）。黑麥草地上部和根部富集系數(shù)大于1，但轉(zhuǎn)運系數(shù)均小于1，說明黑麥草主要將鈾富集在根部。

（3）在不同濃度鈾脅迫下，根際土壤與非根際土壤中鈾均以惰性鈾形式存在。隨著土壤鈾濃度的增加，根際處惰性鈾含量逐漸低于非根際處，說明黑麥草根系可能分泌出某種有機酸作為螯合劑促進了鈾向根際土壤處遷移，導致根際土壤中惰性鈾較非根際處易于轉(zhuǎn)化為活性鈾。

參考文獻

[1] BACA?T?E，F(xiàn)LORKOWSKI?T.The?environmental?challenges?of?nuclear?disarmament[M].Dordrecht：Springer?Netherlands，2000：1-12.

[2]?TAYLOR?S?R.Abundance?of?chemical?elements?in?the?continental?crust：A?new?table[J].Geochimica?et?cosmochimica?acta，1964，28（8）：1273-1285.

[3]?劉娜，楊云龍.生物修復技術(shù)在污染環(huán)境修復中的應(yīng)用研究[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2005，15（3）：173-175.

[4]王宏信.重金屬富集植物黑麥草對鋅、鎘的響應(yīng)及其根際效應(yīng)[D].重慶：西南大學，2006：9.

[5]?趙繼武，羅學剛，王焯，等.黑麥草對鈾脅迫的光合響應(yīng)及鈾吸收特性研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2019，38（11）：2456-2464.

[6]?周秀麗.某鈾礦區(qū)土壤放射性核素鈾形態(tài)分布特征及其生物有效性研究[D].南昌：東華理工大學，2016：13.

[7]?TESSIER?A，CAMPBELL?P?G?C，BISSON?M.Sequential?extraction?procedure?for?the?speciation?of?particulate?trace?metals[J].Analytical?chemistry，1979，51（7）：844-851.

[8]?王帥，黃德娟，黃德超，等.蕹菜對鈾的富集特征及其形態(tài)分析[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學，2016，44（8）：266-268.

[9]?徐國聰，唐運來，陳梅，等.鈾對菠菜葉片光合作用影響的研究[J].西北植物學報，2016，36（2）：370-376.

[10]?陳威.博落回和竹柳間作修復鈾污染土壤的研究[D].衡陽：南華大學，2018：27.

[11]?王帥.某鈾礦區(qū)農(nóng)田土壤重金屬形態(tài)分析及其風險評價[D].南昌：東華理工大學，2017：47.

[12]?萬芹方，陳雅宏，胡彬，等.植物對土壤中鈾的吸收與富集[J].植物學報，2011，46（4）：425-436.

[13]?BAKER?A?J?M，BROOKS?R?R.Terrestrial?higher?plants?which?hyperaccumulate?metallic?elementsA?review?of?their?distribution，ecology?and?phytochemistry[J].Biorecovery，1989，1（2）：81-126.

[14]?沈振國，劉友良.重金屬超量積累植物研究進展[J].植物生理學通訊，1998，34（2）：133-139.

[15]?宋照亮，朱兆洲，楊成.烏江流域石灰土中鈾等元素形態(tài)與鈾活性[J].長江流域資源與環(huán)境，2009，18（5）：471-476.

[16]?GUO?P?R，DUAN?T?C，SONG?X?J，et?al.Evaluation?of?a?sequential?extraction?for?the?speciation?of?thorium?in?soils?from?Baotou?area，Inner?Mongolia[J].Talanta，2007，71（2）：778-783.

[17]?MARTNEZAGUIRRE?A，GARCIALEN?M，IVANOVICH?M.U?and?Th?speciation?in?river?sediments[J].Science?of?the?total?environment，1995，173/174：203-209.

[18]?廉歡.黑麥草對鈾污染土壤植物提取修復的根際效應(yīng)研究[D].南昌：東華理工大學，2018：25.

[19]?ZHAO?S?L，LIAN?F，DUO?L.EDTAassisted?phytoextraction?of?heavy?metals?by?turfgrass?from?municipal?solid?waste?compost?using?permeable?barriers?and?associated?potential?leaching?risk[J].Bioresource?technology，2011，102（2）：621-626.

[20]?DE?LA?ROSA?G，PERALTAVIDEA?J?R，CRUZJIMENEZ?G，et?al.Role?of?ethylenediaminetetraacetic?acid?on?lead?uptake?and?translocation?by?tumbleweed?（Salsola?kali?L.）[J].Environmental?toxicology?and?chemistry，2007，26（5）：1033-1039.

[21]?霍文敏，趙中秋，王麗，等.不同超富集、富集植物-玉米間作模式對玉米中鎘吸收、轉(zhuǎn)運的影響研究[J].地學前緣，2019，26（6）：118-127.