苋菜、小麦和玉米对铯的吸收和积累差异

陈 梅，安 冰，唐运来*

(1西南科技大学生命科学与工程学院，四川绵阳621010;2西南科技大学核废物与环境安全国防重点学科实验室，四川绵阳621010)

随着核工业的发展和核技术的广泛应用，人类生态环境中核素的本底值不断增加。环境中的放射性核素会通过植物、微生物和动物等传递转移进入人体，从而对人类健康造成危害[1]。137Cs作为铯的同位素之一，被认为是最危险的核素之一。铯作为钾的营养类似物而容易被植物吸收，进入食物链，从而对人类健康产生危害[2]。生物修复技术被认为是清除环境中放射性核素污染的有效途径之一[3，4]。铯污染土壤植物修复技术研究主要集中在对铯超富集植物的筛选[5～7]和对影响铯污染土壤植物修复环境因素[8～10]的研究两方面。不同科、属、种的植物和同种植物的不同器官，以及植物的不同发育时期，对铯的吸收富集均存在很大的差异[11～15]。藜科和苋科植物对铯具有较强的吸收富集能力，而禾本科水稻对铯的富集能力较低[5]。植物对放射性137Cs和其稳定性同位素133Cs的吸收积累特性无显著差异[16]，因此，可以用稳定性同位素代替放射性同位素来研究植物对铯的吸收分布差异。小麦和玉米是中国的主要粮食作物，它们对铯的吸收富集能力尚鲜见报道。笔者研究苋菜、小麦和玉米对不同浓度铯的动态吸收富集差异，旨在为进一步揭示铯污染的生物效应和提高铯污染植物修复技术提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

供试植物苋菜(红苋菜)、小麦(西科麦3号)和玉米(川单25号)均为四川地方主栽品种。用石英砂和Hoagland营养液在温室里进行盆栽培养，培养温度为23～25℃，光周期为10 h。3叶期开始向营养液里添加不同浓度 CsCl(0、0.5、1.0、5.0、10.0、20.0 mmol/L)，每隔3 d添加1次，在处理后第7、14、21、28天分别采样，进行指标测定。每处理设3个重复。

1.2 铯含量、富集系数和转运系数的测定

将苋菜、小麦和玉米样品的根、茎、叶分开，于75℃烘干至恒重，用A11分析研磨机研细后，取干粉0.1 g作为待测样品。采用湿法(HNO3－HClO4)硝解，用美国PE AA700型原子吸收光谱测定铯含量。分析条件为:波长852.1 nm;灯电流10 mA;光谱通带0.2 nm;助燃气为空气，17 L/min;燃气为乙炔，2 L/min;测量方式为AAS;背景扣除方式为赛曼方式。

富集系数 =根、茎、叶中铯的含量(干重，g/kg)/营养液中铯的含量(干重，g/L)。

转运系数=茎或叶中铯的含量(干重，g/kg)/根中铯的含量(干重，g/kg)。

1.3 统计分析

用软件Excel和SPSS 11.5对数据进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 苋菜、小麦和玉米的铯含量

从表1可看出，苋菜、小麦和玉米的根、茎、叶中和整株植物中铯的含量均随着铯处理浓度的增加和处理时间的延长而显著增加，在20 mmol/L铯浓度下处理28 d时均达到最大值。与0.5 mmol/L铯浓度下处理7 d相比，20 mmol/L铯浓度下处理28 d时苋菜根、茎、叶和整体植株中的铯含量分别为其34.1、31.5、22、26.9 倍，玉米分别为 38.9、24、9.6、25.3 倍，小麦分别为314.2、408.2、364.7、346.3 倍。在所有处理浓度和所有处理时间下，苋菜根、茎、叶和整株植物中铯的含量均显著高于小麦和玉米。在铯处理浓度低于1 mmol/L和处理时间小于14 d的情况下，小麦根、茎、叶中和整株植物中的铯含量低于玉米中的含量，但随处理浓度的增加和处理时间的延长，尤其是铯处理浓度为5 mmol/L以上，处理时间超过14 d时，小麦根、茎、叶中和整株植物中的铯含量均显著大于玉米中的含量。从表1还可以看出，苋菜、小麦和玉米的不同器官对铯的吸收富集存在显著差异。就苋菜而言，不同处理浓度和不同处理时间下均为叶片中铯的含量最高，茎次之，而根中铯的含量最低;就小麦和玉米而言，根却是铯的主要富集器官，不同处理浓度和不同处理时间下，铯含量均表现为根、茎、叶依次减小。

表1 不同铯处理苋菜、小麦和玉米中的铯含量(mg/kg)

2.2 苋菜、小麦和玉米对铯的富集系数

由表2可见，3种植物根、茎、叶和整体植株的富集系数均与铯处理时间呈正相关，在处理后28 d时达到最大值。但3种植物的富集系数与处理浓度间关系不同。就苋菜而言，根、茎、叶和整体植株对铯的富集系数均随铯处理浓度的增加而显著下降;就玉米而言，根的富集系数随着处理浓度的增加而显著下降，而茎、叶的富集系数在处理后7 d时随着处理浓度的增加而显著下降，且处理时间延长，变化不显著;就小麦而言，根和茎的富集系数随处理浓度的增加而显著上升，叶的富集系数在处理后7 d和14 d时随处理浓度的增加而显著上升，但在处理后21 d和28 d时无显著变化。苋菜的根、茎、叶和整体植株的富集系数在0.5 mmol/L下处理28 d时达到最大值;玉米根、茎和整体植株的富集系数在0.5 mmol/L下处理28 d时达到最大值，而叶在0.5 mmol/L下处理7 d时达到最大值;小麦根、茎、叶的富集系数均在20 mmol/L下处理28 d时达到最大值。以上结果表明，在0.5 mmol/L下处理28 d时，苋菜整体植株对铯的富集系数是小麦的41.2倍，是玉米的52.1倍，说明苋菜对铯的富集能力极显著高于玉米和小麦。

表2 苋菜、小麦和玉米对铯的富集系数

2.3 苋菜、小麦和玉米对铯的转运系数

由表3可见，在所有处理浓度和处理时间下，苋菜茎叶的转运系数远远大于小麦和玉米茎叶的转运系数，而且苋菜叶片的转运系数也显著高于茎的转运系数，说明苋菜富集的铯主要集中在地上部分的茎和叶片。小麦和玉米茎和叶的转运系数小，吸收的铯主要分布在根部。在处理后7 d和14 d，小麦茎、叶的转运系数低于玉米茎、叶的转运系数，但在处理后28 d，小麦茎、叶的转运系数显著高于玉米茎、叶的转运系数。在同一处理浓度下，苋菜叶片的转运系数随处理时间的增加而显著下降，但在相同的处理时间下，不同浓度下转运系数的变化规律不明显;苋菜茎的转运系数在不同处理浓度和不同处理时间下无规律性变化。小麦和玉米茎叶的转运系数在不同处理浓度和不同处理时间下均无规律性变化。

表3 苋菜、小麦和玉米对铯的转运系数

(续表3)

2.4 苋菜、小麦和玉米在不同铯处理下的生物量和根冠比

由表4可见，随着处理浓度的增加，苋菜、小麦和玉米的地下部分和地上部分生物量均显著降低，尤其是高浓度铯处理显著抑制3种植物的正常生长。与对照相比，20 mmol/L铯浓度下，苋菜、玉米和小麦地下部分的生物量分别下降了79.3%、41.4%和57.5%，地上部分生物量分别下降了84.6%、68.3%和70%。另一方面，随着处理浓度的增加，3种植物的根冠比显著增加，同对照相比，20 mmol/L处理浓度下，苋菜和玉米的根冠比分别增加了33.3%和43%，小麦根冠比的增加幅度尤其明显，比对照增加了1倍。

表4 20 mmol/L铯处理28 d后苋菜、小麦和玉米的生物量和根冠比

3 结论与讨论

目前，比较有潜力的对铯污染土壤进行生物修复的植物主要是藜科、苋科或菊科[4～6]植物。苋科的反枝苋对放射性铯的吸收能力特别强，是一种很有效的放射性铯积累植物[5]。苋科植物的生物富集系数多为0.3～2.03[6]，籽粒苋对134Cs的富集系数为2.20～3.22，苋菜对134Cs的富集系数为2.41～2.79[13]。以上研究均表明苋科植物对铯具有较高的吸收富集能力。本研究结果表明，红苋菜在0.5、1 mmol/L铯处理1周后，对铯的富集系数分别为2.85和2.39，这与已有的报道基本一致，但随着处理时间的延长，红苋菜对铯的吸收富集能力显著增加，另一方面随着处理浓度的增加，富集系数显著减小。在低于1 mmol/L的铯浓度处理下，红苋菜对铯的富集系数和转运系数非常高，且生物量几乎不受影响，维持在一个较高水平，但在高浓度铯处理下，富集系数和生物量都极显著下降。因此，对于环境介质中的低浓度铯污染，红苋菜可能是一种非常理想的修复植物，但无法用苋菜对高浓度铯污染进行治理。

植物对核素的富集系数受多种因素影响[8]，随着核素浓度的增加，富集系数显著减小[8，10，16]。这可能是由于植物通过多种离子通道和载体对铯进行吸收和转运。本研究中，苋菜和玉米的根、茎、叶对铯的富集系数均随着处理浓度的增加而显著下降。植物在遭受逆境时其形态结构可能会发生变化，一个常见的变化就是根冠比会显著增加[17，18]。本研究结果表明，随着处理浓度的增加，苋菜、小麦和玉米的根冠比均显著增加，小麦的增加幅度显著大于苋菜和玉米，这可能是小麦根系富集系数在高浓度铯胁迫下显著上升的一个重要原因，因为小麦通过增加根冠比，相对提高了根部对铯的吸收富集能力。此外，小麦体内有可能还存在一些特殊的对铯吸收转运和耐受的机理，从而使小麦对铯的富集能力在高浓度铯胁迫下不下降反而显著增加，其具体机理有待研究。

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