首页分享 Screening of rhizomatic accumulators to uranium and cadmium

Screening of rhizomatic accumulators to uranium and cadmium

来源：花匠小妙招时间：2025-01-10 10:58

摘要: 为研究植物对铀（U）、镉（Cd）的富集特性，在每千克土中分别外源添加铀、镉150 mg和15 mg，试验评价5科8种根茎类植物的污染耐受性和铀、镉富集转运效应，筛选富集植物，并以对铀有良好富集效果的植物向日葵作为对照，通过主成分分析对植物铀、镉富集转运能力进行综合评价。结果表明：8种植物中，雪莲果综合评价最高，各部生物量均大于对照，单株铀积累量和铀、镉积累总量均最大，分别为3 564.75 μg和4 342.95 μg，根部铀含量为638.89 mg·kg-1 DW，铀富集系数4.26；此外，由于雪莲果有膨大的块状茎，生物量较大，存在用于植物修复的潜质。苤蓝吸收铀、镉最少，单株铀、镉含量分别低至1.45 mg·kg-1 DW和11.45 mg·kg-1 DW，贮藏部位的铀、镉含量更低，分别仅有1.43 mg·kg-1 DW和2.43 mg·kg-1 DW，故苤蓝有应用于污染土再利用的潜质。

Abstract: To study plants uranium(U) and cadmium(Cd) enrichment characteristics is significance. The U-Cd-contaminated soil was conducted to study the tolerance,accumulation and transformation of U and Cd using eight rhizomatic plants(Saussurea involucrata, Colocasia esculenta L., Acorus calamus L., Alocasia macrorrhiza L., Ipomoea batatas, Dioscorea Transversa, Solanum tuberosum, Brassica oleracea var. caulorapa, Helianthus annuus) under the additional 150 mg·kg-1 U,15 mg·kg-1 Cd; The sunflower worked as CK. The advantage of evaluation method was used to synthesized comment these plants. Results was showed that the roots of the implemented plants are the main parts to store the U and Cd; the translocation factor from the underground part to the storage is lower than the factor from the storage to up-ground part; the synthesized comment of Saussurea involucrata, with the best tolerance and stronger capability in extracting and accumulating U and Cd, is the highest among the eight species of plants. The U content in underground part and the bioaccumulation factor of Saussurea involucrata are up to 638.89 mg·kg-1 DW and 4.26, respectively. Moreover, the single U bioaccumulation quantity and the total U and Cd bioaccumulation quantity of Saussurea involucrata are also highest up to 3 564.75 μg and 4 342.95 μg, respectively. On the contrary, the Brassica oleracea var. caulorapa perform worst in this experiment, whose U and Cd contents are down to 1.45 mg·kg-1 DW和11.45 mg·kg-1 DW, respectively. The Brassica oleracea var. caulorapa has the ability to recycle the contaminated soil.

核技术的发展在给人类带来巨大利益的同时也产生了大量的核废物[1]。放射性铀作为主要的核废物之一，常常与镉伴生存在[2]，二者会通过各种途径进入土壤环境中，并能通过食物链严重威胁人体健康。植物修复作为核素污染土壤的绿色修复方法，具有操作简单、成本低廉且不带来二次污染的特点[3-4]。植物提取是植物修复的主要手段之一[5]，而超富集植物筛选则是植物提取的核心与基础[6]。镉的超富集植物主要有天蓝遏蓝菜（Thlaspiarvense L.），宝山堇菜（Vio原labaoshaensis），二者在自然条件下对镉的富集量分别高达2130、1168 mg·kg-1[7-8]；而向日葵（Helianthusannuus）和印度芥菜（Brassica juncea）则能超量富集铀，其中向日葵对铀的富集主要集中在根部[9]，印度芥菜则可将铀大量转运至地上部[10]。

传统的超富集植物筛选主要存在四个问题：

（1）土壤重金属浓度设置不恰当。研究发现铀浓度为100 mg·kg-1 时[11-12]，耐性植物的耐性体现不明显，大多数植物均能正常生长；而土壤铀含量在200mg·kg-1以上时会使非敏感植物叶色变淡萎蔫，植株变小[13-14]，植株无法正常完成其生长周期。这两种铀处理均不能准确有效地反应植物对铀的耐受性和富集特性。同时，镉作为铀重要的伴生重金属，在土壤A层中最大含量可达到13 mg·kg-1，因此选择恰当的试验浓度非常重要。

（2）参选植物主要集中在杂草和花卉之中[15-21]，其中不乏一些能超量积累重金属的种类，但这类植物普遍存在生物量较小、重金属转运难，且地下部生长状况较弱而导致无法承受过高浓度的重金属，常常在完成整个生长周期前出现枯黄、萎蔫甚至死亡等缺陷[12]。因此杂草与花卉的总体修复效果并不明显。

（3）一般的植物幼苗时期没有多余的营养储备，完全依赖土壤营养条件，抵抗铀、镉毒害的能力较弱，这往往会导致植物幼苗发育不良，影响其后期对重金属的吸收富集。

（4）大多数植物富集铀、镉主要为地下部，而地下部不易采收，导致最后修复效果并不理想。

根茎类植物生物量大、生长耐性强，块根、块茎无性繁殖可为幼苗移栽初期提供充足营养，且地下部易于采收。本试验创新性地选取5 科8 种根茎类植物幼苗作为试验材料进行模拟盆栽试验，比较研究在铀、镉浓度分别为150 mg·kg-1土和15 mg·kg-1土的复合污染条件下，8 种植物的耐受性和铀、镉富集转运特性，同时选取报道中铀富集效果较好的向日葵作为铀、镉富集效果总体评价中的参照植物。

1 材料和方法1.1 材料1.1.1 植物

供试植物共9种，分属5 科8 属，分别是芋头、菖蒲、雪莲、海芋、向日葵、苤蓝、马铃薯、红薯、脚板薯（表 1）。所有植物幼苗均购于绵阳市农资市场。

表 1 供试植物Table 1 Plant species used in the study

1.1.2 试剂

硝酸双氧铀[UO2（NO3）2·6H2O]和氯化镉（CdCl2·2.5H2O）均为分析纯，购于西南科技大学生科力公司。

1.1.3 土壤

供试土壤取自西南科技大学龙山资源圃表层0~15 cm 的土壤，土壤类型为黄壤土，基本理化性质为：pH 6.88，有机质18.99 g·kg-1，速效磷、碱解氮、速效钾分别为41.35、166.46、57.03 mg·kg-1，阳离子交换量为119.79 mmol·kg-1。

1.2 试验设计

通过向供试土壤外源施加UO2（NO3）2·6H2O 和CdCl2·2.5H2O 来模拟复合污染土壤。U 和Cd 用专业搅拌器材与供试土壤均匀混合，二者浓度分别为150mg·kg-1土和15mg·kg-1土。一次性施入基肥：（NH4） 2SO424.3 g；KH2PO4 7.02 g；K2SO4 24.52 g。混合均匀并保持供试土壤含水量为田间持水量的60%，静置平衡2 周后装盆备用。试验容器为长方体塑料花盆（长、宽、高分别为50、15、20 cm），底部有孔，带托盘，每盆定量装土4 kg。静置结束后，将9 种供试植物幼苗移栽到装好铀、镉模拟污染土壤的花盆中，5 次重复，另设置1 组不添加铀、镉元素的空白处理，共54 盆，每盆种3 株植物幼苗，共162株。栽培过程中定期浇水以保持栽培盆中土壤含水量为田间持水量的60%左右，并将托盘中的沥出物全部重新倒回花盆中，待植物完成各自生长期之后收获，进行相关指标的测定。

1.3 分析测定方法1.3.1 生物量测定

样品采收后用蒸馏水洗净，滤纸吸干多余水分，将植物分为地上部、贮藏部和根部（本研究中块茎植物的根部指所有形态学根部，块根植物的根部指除去肉质根后的所有须根系）分别装袋，做好标记后置于烘箱中110℃杀青3 h，然后75℃烘干至恒重，用电子天平（精度0.001）分别测定地上部、贮藏部和地下部的干物质量。

1.3.2 铀、镉含量测定

将块茎植物分地上部、块茎、根系，块根植物分地上部、块根、须根，各部分单独研磨并过100 目筛，每个样品称取0.1~0.5 g（实际用量视植物样品总量而定），进行石墨炉（SH220）消解。采用IAA（火焰原子吸收光谱仪，AA700，美国）测定消解样品中镉含量，ICP-MS（等离子电感耦合质谱仪，Agilent 7700x，美国安捷伦公司）测定铀含量。每个样品重复测定3 次。

1.4 数据处理

铀镉富集能力采用DPS 进行单因素方差分析，Origin 9.0 作图；植物富集特性综合评价采用IBMSPSS Statistics 22 进行主成分分析。

富集系数（Bioaccumulation factor，BCF）=植物各部铀（镉）含量（mg·kg-1）/土壤全铀（镉）含量（mg·kg-1）

铀积累量（Bioaccumulation quantity，BCQ，μg）=植物各部铀（镉）含量（mg·kg-1）×植物对应各部干重（g）

地下部向贮藏部转运系数（Translocation factor，TF1）=植物贮藏部铀（镉）含量（mg·kg-1）/地下部铀（镉）含量（mg·kg-1）

贮藏部向地上部转运系数（Translocation factor，TF2）=植物地上部铀（镉）含量（mg·kg-1）/贮藏部铀（镉）含量（mg·kg-1）

2 结果与分析2.1 铀、镉对植物生物量的影响

从图 1A、图 1B、图 1C 可以看出，铀、镉处理能显著促进雪莲果须根和贮藏部位块根的生长，二者生物量分别达到对照的1.40 倍和2.21倍（P<0.05），但对雪莲果地上部影响不明显。铀、镉处理下红薯的块根生物量几乎为零，地上生长也受到明显抑制，但须根生物量显著提高，为对照的2.33 倍。说明铀、镉对植物不同部位生物量的影响不同。

图 1 铀、镉对植物生物量的影响Figure 1 Effects of U and Cd on plant biomass

海芋、马铃薯在铀、镉胁迫下表现出较强的耐性，生物量与对照无明显差异。而菖蒲、芋头、脚板薯、向日葵在铀、镉的胁迫下各部生长受到显著抑制，其中菖蒲所受影响最大，其各部生物量均减少了60%以上。由此可见，铀、镉胁迫对植物生长的影响因植物种类不同而不同。

由图 1D 可知，雪莲果单株生物量显著大于对照。虽然菖蒲、红薯的单株生物量较大，但受到的抑制最强。

2.2 植物各部铀、镉的含量和富集系数

表 2 显示9 种植物各部铀含量大小。芋头对铀的吸收效果最好，其各部的铀含量均高于其他植物的对应部位，芋头地下部的铀含量达到820.57 mg·kg-1DW，为最小铀含量苤蓝地下部的70.86 倍，二者差异显著（P<0.05）。此外，雪莲果也表现出较强的吸收铀的能力，其地下部、贮藏部和单株铀含量仅次于芋头相应部位，大小分别为638.89、139.51、271.86 mg·kg-1DW。

表 2 铀、镉复合污染处理下植物各部铀含量Table 2 U concentration in different parts under U and Cd treatments

镉在不同植物体内的含量如表 3所示。菖蒲地下部镉含量最高（364.05 mg·kg-1 DW），但其地上部和贮藏部（肉质茎）的镉含量处于较低水平，均不到10mg·kg-1 DW。芋头在铀含量已经较高的情况下，对镉的吸收量也较大，地下部镉含量仅次于菖蒲为337.45mg·kg-1 DW，且单株镉含量最高。综上所述，雪莲果、芋头、菖蒲为本试验中吸收铀、镉的优势植物，初步具备铀、镉富集植物特性。

表 3 铀、镉复合污染处理下植物各部镉含量Table 3 Cd concentration in different parts under U and Cd treatments

9 种植物对铀的富集效果见表 4。植物根部的铀富集系数均高于地上部和贮藏部，其中芋头、雪莲果地下部的富集系数居于前两位，分别为5.470 和4.259，贮藏部位的富集系数均大于0.9，单株富集系数分别达到1.043和1.812，具备超富集植物富集系数大于1 的特点。苤蓝的各部富集系数较小，其单株铀富集系数仅为0.071，说明苤蓝吸收铀较为困难。由于镉的金属性质与植物必需元素锌相似且土壤中外源镉浓度较低，大部分植物对镉的富集水平较高。分析表 5的数据可知，芋头的单株镉富集系数最大为4.917，雪莲果位居第二为3.981。

表 4 铀、镉复合污染处理下植物各部铀富集系数Table 4 BCF for U in different parts of plants under U and Cd treatments

表 5 铀、镉复合污染处理下植物各部镉富集系数Table 5 BCF for Cd in different parts of plants under U and Cd treatments

从铀、镉含量和富集系数来看，芋头效果最好，菖蒲、雪莲果其次，具备较强的铀、镉超富集潜力；苤蓝效果最差，不具有富集铀、镉的特性。

2.3 植物各部之间铀镉的转运情况

为了进一步分析铀、镉元素在根茎类植物各部的迁移情况，本试验分别计算了铀、镉元素从地下部转运到贮藏部的转运系数TF1 和从贮藏部转运到地上部的转运系数TF2。表 6 中“R”表示TF2 与TF1 之比，该比值越高说明贮藏部的铀、镉转出能力越强。分析表 6 数据可知，马铃薯铀、镉R 值最高，分别达到29.09 和103.55，说明马铃薯贮藏部的铀、镉转出能力远高于转入能力，其贮藏部对铀、镉有较强的排斥作用；而雪莲果的两个比值均小于1，说明雪莲果对铀、镉的转运能力较弱。

表 6 铀、镉复合污染处理下植物铀镉转移系数Table 6 U and Cd TF in different parts under U and Cd treatments

2.4 植物各部铀、镉的积累量

植物铀、镉的积累量（BCQ）可实际反映植物各部或单株铀、镉的绝对质量，其主要受生物量和铀、镉含量两个指标影响。图 2A 表示9 种供试植物对铀的绝对积累量。可以看出，除地上部外雪莲果单株铀积累量均显著高于其余植物（P<0.05），为3 564.75 μg。马铃薯各部与单株铀积累量均为最低。图 2B 为各植物的镉积累量，由图可知，雪莲果的单株镉积累量次于红薯位居第二，为778.2 μg。雪莲果铀、镉总积累量最高，为4 342.95 μg，说明其对铀、镉的综合积累效果最好。

图 2 铀、镉复合污染处理下植物铀镉积累量Figure 2 U and Cd accumulation amounts under U and Cd treatments

2.5 菖蒲、芋头、雪莲果铀、镉富集能力的综合评价与比较

影响植物对铀、镉元素吸收的因素很多，且每种因素对植物吸收铀、镉综合能力的影响程度不同，因此单个影响因子的好坏无法全面反映植物的超富集能力。试验运用SPSS Statistics 22软件对9 种植物的单株生物量、单株铀、单株镉含量、单株富集系数、地下向贮藏部的转运系数、贮藏部向地上部的转运系数、单株积累量6 个指标进行主成分分析，提取3 个主成分分别为：铀、镉提取能力主成分；铀、镉贮藏部向地上部转运能力主成分；贮藏部向地上部转运铀、镉能力主成分。通过各主成分贡献率计算每个主成分的权重值，再乘以其经过无量纲化处理的平均值得到表 7 中各植物的综合评价分数，总分为铀、镉得分的直接加和。可以明显看出3 种优势植物分别是雪莲果、芋头、菖蒲。这与前文中3 种植物的吸收富集效果表现一致，其中雪莲果的评分最高，尤其是对铀的吸收富集综合评分达到1.195，表明雪莲果对铀、镉复合污染的正向综合响应最好。

表 7 各植物综合评价得分Table 7 The complex scores of different plant species

3 讨论

植物对铀、镉的耐受性不同，因此生物量受到的影响程度也不同。铀、镉处理促进了雪莲果的生长，其原因可能是铀、镉促使雪莲果土壤菌根共生体的建立，从而改善雪莲果对一种或者几种营养元素的吸收与运输，有助于雪莲果植株在铀、镉逆境中的生长[22]。

块根、块茎植物的根茎生物量占整株生物量的比重较大，因此探究铀、镉在植物块茎、块根与其余各部之间的转运情况能更深入地了解这类植物转运铀、镉的途径及各部转运能力。试验中大多数植物的根部铀、镉含量高于地上部和贮藏部，尤其是铀元素的根部含量更远大于地上部和贮藏部，说明相较于镉，铀更不容易从根部被转运至其他部位。其主要原因可能是由于铀元素分子量较大，植物的蒸腾拉力不足以提供铀向上运输的动力，还有可能是因为这些植物体内缺乏铀的相关转运蛋白[23-24]，本结果与聂惠、陈磊等的研究结果一致[25-26]。再比较地下部向贮藏部的转运系数和贮藏部向地上部的转运系数发现，贮藏部的铀、镉转出能力强于铀、镉转入能力。这可能是植物主要器官规避重金属迫害的途径之一，此结果与武倩倩等[27]研究一致。

雪莲果综合评价最高。雪莲果的各部铀、镉含量均不是最高，但由于各部生物量较大，对铀、镉的单株绝对积累量达3 564.75 μg，单盆铀积累量高达10694.25 μg，远远大于唐永金等[28]研究中菊苣的最高积累量，也高于姚天月等[11]研究中铀的超富集植物吊竹梅单株积累量。由此可见植物生物量对重金属元素的吸收富集影响非常大。很多研究表明[29]，向日葵地下部对铀具有较强的富集作用。本试验中，向日葵根部的铀含量仅为雪莲果根部铀含量的16.18%，雪莲果单株富集系数是向日葵的23.84 倍，在本试验条件下，雪莲果对铀、镉的富集特性优于铀的富集植物向日葵。

重金属复合污染相较于单一重金属污染的修复难度大、情况复杂，铀的修复更是难于其余重金属，迄今为止几乎没有铀的超富集植物的报道。雪莲果隶属多年生草本菊科植物，生物量大，自然环境中平均可生长到2~3 m高，在铀、镉复合污染中的耐受性较强，虽然其对铀的富集效果未严格达到超富集植物的要求，但若通过一些技术手段如施加螯合剂和激素[30-32]、采取有效的种植方式等，均可提高其对铀的吸收富集效果[33-34]，从这一角度来看，雪莲果具有修复铀、镉复合污染的潜力。与雪莲果相反，苤蓝、马铃薯铀、镉含量和富集系数均处于9 种植物中的较低水平，尤其是苤蓝的主要食用部位块茎的铀、镉富集系数仅为0.016 和0.162。苤蓝的这一特性可被应用在铀、镉污染土壤的再利用上，结合合理的种植技术，保证进入种植在铀、镉污染土中的苤蓝铀、镉含量处于安全食用范围，从而达到污染土再利用的目的。

4 结论

（1）不同植物对铀、镉的耐受性不同，本文研究的植物中雪莲果耐受性最强。

（2）根茎类植物富集铀、镉的主要部位为根部，贮藏部的富集能力最弱，但铀、镉从贮藏部位的转出作用强于转入作用。

（3）芋头、雪莲果、菖蒲为富集铀、镉的优势植物，其中雪莲果富集能力较强。由于雪莲果有膨大的块状茎，生物量大，存在用于植物修复的潜质；苤蓝、马铃薯几乎不吸收铀、镉，尤其是主要食用器官块茎，有应用于污染土再利用的潜质。