稂 濤, 胡 南, 張 輝, 李廣悅, 王永東, 丁德馨*

1.南華大學, 鈾礦冶生物技術國防重點學科實驗室, 湖南 衡陽 421001 2.南華大學, 極貧鈾資源綠色開發(fā)技術湖南省重點實驗室, 湖南 衡陽 421001

博落回對不同化學形態(tài)鈾的富集特征

稂 濤1,2, 胡 南1,2, 張 輝1,2, 李廣悅1,2, 王永東1,2, 丁德馨1,2*

1.南華大學, 鈾礦冶生物技術國防重點學科實驗室, 湖南 衡陽 421001 2.南華大學, 極貧鈾資源綠色開發(fā)技術湖南省重點實驗室, 湖南 衡陽 421001

為了研究陸生植物博落回(MacleayaCordata)對不同化學形態(tài)鈾的富集特征，采用Visual MINTEQ地球化學平衡軟件設計了五種含不同化學形態(tài)鈾〔UO22+、CaUO2(CO3)32-、UO2Cit-、(UO2)2(EDTA)24-和UO2HPO4〕的培養(yǎng)液，開展水培試驗. 博落回在這五種培養(yǎng)液中分別培養(yǎng)1、5、10、15、20和25 d后，測定其株高、根長和干質量，并用電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)測定其地上部分和根部的w(鈾). 結果表明:在不同化學形態(tài)鈾脅迫下，博落回株高無顯著差異，UO2HPO4可促進博落回根的生長，而(UO2)2(EDTA)24-降低了博落回的干質量. 并且,博落回根部對不同化學形態(tài)鈾的富集能力大小順序為UO22+>UO2HPO4>CaUO2(CO3)32->UO2Cit->(UO2)2(EDTA)24-，博落回地上部分對不同化學形態(tài)鈾的富集能力大小順序為UO2Cit->(UO2)2(EDTA)24->UO22+>CaUO2(CO3)32->UO2HPO4. 此外，博落回根部對UO22+的富集能力很高，但地上部分很低. 添加檸檬酸，培養(yǎng)液中鈾的主要化學形態(tài)為UO2Cit-，并且在100 mgL鈾的脅迫下，博落回對UO2Cit-的生物富集系數(shù)和轉移系數(shù)分別達到0.09和8.53. 因此，要提高博落回對鈾污染土壤中鈾的富集和轉移，可添加檸檬酸，促使土壤中鈾的形態(tài)以UO2Cit-為主，同時要降低土壤中碳酸鹽和磷酸鹽的含量.

博落回; 鈾的化學形態(tài); 水培試驗; 富集特征; 轉移

隨著工業(yè)的飛速發(fā)展，人類對能源的需求也與日俱增，能源的可持續(xù)發(fā)展逐漸成為當今人類社會面臨的挑戰(zhàn)之一. 而核能作為一種新興能源，因其經濟性、安全性和清潔性廣受各國青睞，并在很大程度上緩解了全球能源危機. 同時，鈾資源的開發(fā)和利用的各個環(huán)節(jié)，包括鈾礦的開采和冶煉、鈾轉化與濃縮、核燃料元件制造和乏燃料后處理等，都伴隨放射性廢氣、廢水或者固體廢物的產生[1]. 這些過程產生的廢水、廢渣污染不僅會影響周邊地區(qū)的水質，而且對礦區(qū)周圍農田、土壤和植物等產生長久的污染，嚴重影響生物的生存和公眾的健康. 考慮到鈾及其衰變產物對環(huán)境和人類構成的巨大威脅，鈾的處理和回收工作越來越被環(huán)保工作者和科研工作者關注，而如何修復大面積、低濃度的鈾污染環(huán)境也逐漸被研究人員重視[2- 3]. 并且，隨著人們環(huán)保意識的日益增強，探索如何在不破壞原有生態(tài)環(huán)境的情況下原位治理和修復鈾污染環(huán)境成為當今社會發(fā)展的必然要求. 而植物修復正是順應了這種要求，并成為當前最具前景和亟待研究的課題之一.

植物修復是一種直接利用綠色植物及其相關的根際微生物來固定或降低土壤、沉積物、淤泥、地表水或地下水中重金屬或放射性核素污染，以達到凈化環(huán)境為目的的原位修復技術[4]. 與傳統(tǒng)的物理修復和化學修復技術相比，植物修復技術具有經濟合理、操作簡單、高效低碳和不造成二次污染等優(yōu)點[5]，并且這項技術主要針對大面積的地表(一般深度15～30 cm，包括土壤、水體、濕地系統(tǒng)等)污染[4,6]. 近年來，大量研究表明，植物修復技術對重金屬或放射性核素污染土壤和水體的修復效果顯著，并且發(fā)現(xiàn)煙草、蜈蚣草、印度芥菜和向日葵等植物對某些重金屬或放射性核素具有超富集能力[7- 10]. 通過大量的植物篩選，丁德馨等[11]發(fā)現(xiàn)博落回對鈾尾礦庫的鈾具有一定耐受性并對鈾具有很強的富集能力. 此外，LI等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在鈾污染土壤中添加不同濃度的CA(檸檬酸)和EDDS(乙二胺二琥珀酸)后，博落回對鈾的富集顯著提高，并且CA在輔助植物修復鈾污染土壤方面效果優(yōu)于EDDS. 植物對鈾的吸收與鈾在土壤中的化學形態(tài)密切相關[13]，而博落回對不同化學形態(tài)鈾的吸收效果鮮見報道. 因此，該研究采用Visual MINTEQ 3.0軟件設計了五種含不同化學形態(tài)鈾的培養(yǎng)液——UO22+、CaUO2(CO3)32-、UO2Cit-、(UO2)2(EDTA)24-和UO2HPO4，再通過水培試驗，考察博落回對不同化學形態(tài)鈾的富集特征，以期為進一步提高博落回去除土壤中鈾的效率提供新的思路和理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供試材料

選擇博落回作為供試植物研究其對不同化學形態(tài)鈾的富集特征，博落回種子購自湖南省衡陽市種子市場.

試驗采用的培養(yǎng)液由改良的Hoagland培養(yǎng)液配制而成，配方：2 mmolL KCl，2 mmolL Ca(NO3)2，1 mmolL K2SO4，1 mmolL CaCl2，0.5 mmolL MgSO4，0.4 mmolL KH2PO4，0.2 mmolL Fe-Na-EDTA，0.2 mmolL FeSO4，0.15 mmolL K2HPO4，0.1 mmolL H3BO3，5 μmolL MnCl2，4 μmolL ZnSO4，1 μmolL Na2MoO4，1 μmolL CuSO4，0.1 μmolL Co(NO3)2.

標準鈾儲備液的制備：稱取 1.179 2 g預先干燥的基準U3O8(由核工業(yè)北京化工冶金研究院提供)，置于100 mL燒杯中. 加10 mL HCl，3 mL H2O2，0.5 mL HNO3，放置3 min并不停搖動，待劇烈反應停止后，于砂浴上加熱至完全溶解，冷卻至室溫后轉移至1 000 mL容量瓶中，加超純水定容至刻度，搖勻，即得到所需的儲備液.

1.2 培養(yǎng)液中鈾的化學形態(tài)

用地球化學平衡軟件Visual MINTEQ 3.0設計五種含不同化學形態(tài)鈾的培養(yǎng)液[14]. Visual MINTEQ是通過平衡常數(shù)、吉布斯自由能等熱力學數(shù)據(jù)計算化學物質的相互作用，以及通過質量作用表達式來判斷化學物質的形態(tài)分布，預測金屬吸附和金屬有機絡合物形成的一種化學平衡計算軟件[15]. 運行時，溫度設定為25 ℃. 基本培養(yǎng)液(BM)成分：2 mmolL KCl，2 mmolL Ca(NO3)2，1 mmolL K2SO4，1 mmolL CaCl2，0.5 mmolL MgSO4，0.2 mmolL FeSO4，0.1 mmolL H3BO3，5 μmolL MnCl2，4 μmolL ZnSO4，1 μmolL Na2MoO4，1 μmolL CuSO4，0.1 μmolL Co(NO3)2，100 mgL鈾. 五種培養(yǎng)液及其鈾的主要化學形態(tài)如表1所示.

表1 不同培養(yǎng)液中鈾的主要化學形態(tài)

1.3 水培試驗方法

博落回種子用1%的NaClO消毒10 min后，用去離子水沖洗3遍，浸泡6 h，放置在溫度為25 ℃、濕度為65%、光照時間為12 hd的光照培養(yǎng)箱中萌發(fā)14 d. 將長勢一致的幼苗移植到聚丙烯瓶中，加入200 mL 1.1節(jié)中提到的改良Hoagland培養(yǎng)液，用1 mmolL Na2CO3或NaHCO3緩沖液調節(jié)至pH=5.1. 培養(yǎng)21 d 后，使博落回分別在對照組(不添加鈾的基本培養(yǎng)液)和表1所示的五種培養(yǎng)液中分別生長1、5、10、15、20和25 d，培養(yǎng)液每3 d更換一次. 每個試驗組做3個平行組，置于溫室大棚，溫度控制在25 ℃，濕度為65%、光照時間為12 hd. 每周輪流調換植株位置，使所有植株在相似的條件下生長.

1.4 樣品處理和檢測方法

博落回在培養(yǎng)液中生長1、5、10、15、20和25 d后分別收割，將地上部分和根部分離. 用去超純水進行沖洗，隨后用10 mmolL Na2CO3溶液浸泡根部樣品30 min，去除吸附在根表面的鈾，然后再用去超純水沖洗[10]. 測量植物生長參數(shù)：博落回株高和根長. 樣品在90 ℃下干燥48 h至恒質量，粉碎并稱量.

參照Duquène等[16]的方法進行植物樣品消解：分別準確稱取上述已粉粹的植物樣品，取植物地上部分樣品0.5 g、根部樣品0.1 g置于陶瓷坩鍋中，放置在箱式電阻爐中逐步升溫至550 ℃后，灰化3 h，待冷卻后倒入100 mL燒杯，用王水進行消解4 h. 待冷卻后，過濾至100 mL容量瓶中，用超純水潤洗燒杯3次并定容，搖勻同時配制空白樣、標準鈾標樣(由1.1節(jié)中提到的儲備液稀釋得到)和平行樣品進行質量控制. 用電感耦合等離子質譜儀(ICP-MS，Agilent，7700 X，USA)測定w(鈾).

1.5 生物富集系數(shù)和轉移系數(shù)

生物富集系數(shù)(BCF)的計算公式[17]：

BCF=BWC×ρH2O

式中：BW為單位質量的植物在一定濃度的鈾溶液中所富集的w(鈾)，mgkg；C為水中ρ(鈾)，mgL；ρH2O為水的質量濃度，kgL.

轉移系數(shù)(TF)的計算公式[18]：

TF=CshootCroot

式中，Cshoot和Croot分別為地上部分和根部的w(鈾)，mgkg.

1.6 統(tǒng)計學分析

試驗數(shù)據(jù)由3個平行組計算得出，數(shù)據(jù)處理采用Microsoft Excel 2010軟件，采用SPSS 18.0軟件對數(shù)據(jù)進行方差及顯著性分析(Tukey′s 多重比較分析，顯著性水平P<0.05).

2 結果與討論

2.1 不同化學形態(tài)鈾對博落回生長和生物量的影響

博落回幼苗在對照組和1.2節(jié)提到的五種不同化學形態(tài)鈾的培養(yǎng)液中分別培養(yǎng)1、5、10、15、20和25 d. 整個生長過程中，植物的地上部分都未觀察到明顯的肉眼可見的毒理表現(xiàn)(壞死或萎黃病)，表明博落回對鈾的耐受性很強；僅在BM+EDTA處理下生長15 d后發(fā)現(xiàn)博落回的葉片局部有褐色斑點. WU等[9]也發(fā)現(xiàn)，印度芥菜在添加了EDTA的重金屬污染水體中生長1～4 d后，葉片出現(xiàn)大量斑點然后變枯黃，表明鈾和EDTA的毒性對博落回產生一定的影響. 由圖1可見，博落回在對照組和五種培養(yǎng)液下生長1～25 d，其株高無顯著差異.

注：不同小寫字母表示各處理間差異顯著(P<0.05). 下同.圖1 不同培養(yǎng)液下博落回的株高和根長隨時間的變化Fig.1 Variation of shoot height and root length of Macleaya cordata in different nutrient solutions with time

圖2 博落回在不同培養(yǎng)液下地上部分和根部的干質量隨時間的變化Fig.2 Variation of shoot and root dry weights of Macleaya cordata in different nutrient solutions with time

此外，在博落回生長過程中，其根部在對照組和五種培養(yǎng)液下生長正常. 1～15 d內，不同處理下博落回的根長均無顯著差異. 但至第25天，與對照組和BM處理相比，BM+P處理博落回的根長分別表現(xiàn)出14.6%和12.1%的增量(見圖1). 這表明UO2HPO4對博落回的生長是有利的. 博落回根部生長的加快可能是由于植物提高了對磷肥的吸收，進而促進了植物的生長和發(fā)育[19]. 該試驗中，在100 mgL鈾的脅迫下，在博落回根部未見相關毒理效應，與Sheppard等[20]報道的歐洲赤松在100 mgkg鈾污染的土壤中生長未受影響的結果相一致，這可能是植物體內相關抗氧化酶活性的提高，進而在一定程度上減輕了鈾脅迫造成的傷害[21]. 盡管已有報道[22]顯示，鈾在正常背景值以下也對紫三芒草產生諸如枯黃、倒伏等毒理效應.

地上部分和根部的生物量被認為是評價植物應對不同非生物脅迫的一個必要參數(shù). 該試驗中，與對照組相比，不同化學形態(tài)的鈾脅迫1～20 d，博落回的地上部分干質量均無顯著差異(見圖2)，這可能是該時段內該濃度的鈾對博落回影響較小. 但至第25天，BM+EDTA處理博落回地上部分的干質量較對照組和BM處理組分別減少3.0%和5.8%，根部干質量分別減少3.0%和9.0%(見圖2)，表明在鈾脅迫至第25天，鈾和EDTA的植物毒性依然對博落回根部的生長產生一定的抑制作用. 這可能和2.1節(jié)提到的鈾和EDTA的植物毒性有關，這種毒性在一定程度上抑制植物的生長[9]，聶小琴等[23]研究也表明碎米沙草的根長和鮮質量均隨培養(yǎng)液中ρ(鈾)的增加而減少.

2.2 不同化學形態(tài)鈾對博落回吸收、轉運、富集鈾的影響

植物修復的效果與植物的生物量和金屬含量密切相關. 由圖3可見，在BM和BM+P處理組，1～10 d內，博落回根部w(鈾)增長迅速. HUANG等[1]研究發(fā)現(xiàn)，添加CA后印度芥菜根部w(鈾)在第3天達到穩(wěn)定狀態(tài). Claude等[24]研究發(fā)現(xiàn)，萊茵衣藻細胞內鈾的富集達到穩(wěn)定狀態(tài)超過1 h，而細胞外的富集在10 min內就達到穩(wěn)定狀態(tài). 這些研究結果表明，不同植物品種對鈾的富集達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間差別很大，可能與這些植物體內鈾的相關轉運蛋白的種類和功能差異有關[25]. 該試驗中，博落回對UO22+這一形態(tài)下的鈾具有很強的富集能力，可能是因為培養(yǎng)液中鈾主要以游離且易遷移的UO22+形態(tài)存在，最容易被博落回根部吸收[10]. 此外，博落回根部對不同化學形態(tài)鈾的富集能力大小順序為UO22+>UO2HPO4>CaUO2(CO3)32->UO2Cit->(UO2)2(EDTA)24-. 這可能是當培養(yǎng)液中存在磷酸鹽時，鈾主要以UO2HPO4形式沉淀并附著在植物根表面，并通過內化作用固定在植物根部，進而促使植物根部鈾的高積累. Tomé等[26- 27]研究發(fā)現(xiàn)，向日葵在天然鈾污染的水體中培養(yǎng)2 d后，50%的天然鈾被固定在植物根部，并且添加磷酸鹽提高了向日葵根部對鈾的富集，并減少了鈾向地上部分的轉移.

圖3 博落回在不同培養(yǎng)液下地上部分和根部的w(鈾)隨時間的變化Fig.3 Variation of uranium contents in shoot and root of Macleaya cordata in different nutrient solutions with time

此外，在不同化學形態(tài)鈾的脅迫下，博落回地上部分w(鈾)差異顯著(P<0.05). 在BM+CA和BM+EDTA處理組，1～10 d內博落回地上部分w(鈾)增長迅速，博落回地上部分對UO2Cit-的富集效果最好，而對UO2HPO4和CaUO2(CO3)22-的富集很少. DU等[28]通過水培試驗考察了東南景天對不同形態(tài)鈾的富集能力，結果表明，當培養(yǎng)液中存在有機酸(特別是檸檬酸)時，東南景天地上部分w(鈾)大幅提高，并且鈾主要以UO2Cit-的形態(tài)存在. 該試驗中，博落回地上部分對不同化學形態(tài)鈾的富集能力大小順序為UO2Cit->(UO2)2(EDTA)24->UO22+>CaUO2(CO3)32->UO2HPO4，其主要原因可能是添加CA和EDTA后，CA和EDTA同鈾的螯合作用以及CA的酸化作用下(見表1)，鈾主要以UO2Cit-(99.9%)和(UO2)2(EDTA)24-(100%)的化學形態(tài)存在，其通常很難固定在植物根部，卻更高效地從博落回根部轉移并富集到地上部分，有利于鈾污染土壤的植物修復[10,12,27,29]. 因此，要提高博落回對鈾污染土壤中鈾的富集和轉移，可添加CA，使土壤中鈾的形態(tài)調控為以UO2Cit-為主，同時要降低土壤中碳酸鹽和磷酸鹽的含量.

生物富集系數(shù)是反映植物對污染物富集的能力. 由表2可見，在不同化學形態(tài)鈾的脅迫下，1～10 d內博落回對鈾的生物富集隨培養(yǎng)時間的增加而逐漸升高. 此外，在100 mgL鈾的脅迫下，生物富集系數(shù)最高值(0.09)出現(xiàn)在BM+CA處理下的第10天，盡管已報道[30]黑麥草對鈾的富集系數(shù)可達到8.53，而該研究中的生物富集系數(shù)僅為0.09，相差很大. 但

表2 博落回對不同化學形態(tài)鈾的生物富集系數(shù)(BCF)和轉移系數(shù)(TF)

注：不同小寫字母表示各處理間差異顯著(P<0.05).

Sheppard等[31]通過大量調查表明，植物對鈾的平均富集系數(shù)在 0.006 9～0.034 0 之間，而該研究發(fā)現(xiàn)，博落回超過平均富集系數(shù)，該研究中生物富集系數(shù)較低，可能是因為博落回系陸生植物，在水培環(huán)境未完全發(fā)揮其對鈾的富集能力，而單個影響因子的好壞無法全面反映植物的超富集能力.

轉移系數(shù)是反映植物轉移污染物的能力，轉移系數(shù)越大，鈾在植物體內的轉移越快，越容易轉移到植物的地上部分[30]. 由表2可見，在不同化學形態(tài)鈾的脅迫下鈾的轉移系數(shù)差異顯著(P<0.05)，添加CA和EDTA處理下，博落回對鈾的轉移系數(shù)大于1，顯著高于BM、BM+C和BM+P處理下的轉移系數(shù). 轉移系數(shù)最高值(8.53)出現(xiàn)在BM+CA處理下的第15天，為BM處理下的47倍，這表明博落回對UO2Cit-和(UO2)2(EDTA)24-的轉移能力很強，這與2.2節(jié)中提到的CA和EDTA同鈾的螯合作用以及CA的酸化作用有關，使該形態(tài)下的鈾大量地轉運并富集到博落回地上部分. 綜合生物富集系數(shù)和轉移系數(shù)，當鈾為UO2Cit-形態(tài)時博落回對鈾的修復效果最佳，(UO2)2(EDTA)24-次之，CaUO2(CO3)32-和UO2HPO4較差. 曾峰等[32]研究了7科12種植物對鈾的吸收、富集情況，結果表明，12種植物的TF均小于1，其中最大的為酸模(0.75)，其次為鬼針草(0.19)和蒼耳(0.16). 姚天月等[33]研究了8種花卉植物對土壤中外源性鈾的耐受性和富集特性，發(fā)現(xiàn)8種植物地上部分w(鈾)均顯著小于根部，TF均小于0.5. Al-Hamarneh等[29]考察了沙特阿拉伯西北地區(qū)13種蔬菜和農作物對的234U 和238U 的富集效果，研究表明，最高轉移系數(shù)(0.16)出現(xiàn)在黃豆，而該研究結果表明，博落回對鈾的平均轉移系數(shù)為2.39，最高鈾的轉移系數(shù)可達8.53，其對鈾的轉移能力明顯高于國內外報道的其他植物，并且博落回以其多年生、生物量大及耐鈾性強等特點[11- 12]對鈾污染土壤的修復仍具有一定潛力.

目前植物修復技術的推廣和應用的主要限制因素是土壤中重金屬的生物有效性和重金屬從根部向地上部分轉移的能力，而土壤pH直接影響土壤中重金屬的形態(tài)及其生物有效性[34- 35]，進而影響植物對重金屬的富集和轉移. Laurette等[10]研究表明，降低pH可促進碳酸鹽和氫氧化物結合態(tài)鈾的溶解，同時增加UO22+等有效態(tài)鈾的釋放，但pH過低，土壤溶液中各離子平衡被打破，可能導致植物毒害甚至死亡[35]，顯然不利于植物修復的實施. 金星等[36]研究也表明，施加40 mgkg外源硼酸為促進四季豆對鈾富集能力的閾值，當w(硼酸)高達50 mgkg時四季豆的光合能力以及對鈾的富集能力顯著下降. 此外，pH過低還會破壞土壤結構，加重土壤養(yǎng)分和重金屬的流失，加重水環(huán)境的污染. 該研究施加10 mmolL檸檬酸，pH為4，在保證博落回正常生長的同時，顯著提高博落回對鈾的富集和轉移. 因此，在開展鈾污染土壤的植物修復時，應將土壤pH維持在適當?shù)乃嵝詶l件，以此保證穩(wěn)定和較高的修復效率.

3 結論

a) 博落回根部對不同化學形態(tài)鈾的富集能力大小順序為UO22+>UO2HPO4>CaUO2(CO3)32->UO2Cit->(UO2)2(EDTA)24-，博落回地上部分對不同化學形態(tài)鈾的富集能力大小順序為UO2Cit->(UO2)2(EDTA)24->UO22+>CaUO2(CO3)32->UO2HPO4.

b) 當溶液中存在磷酸鹽時，鈾主要以UO2HPO4的形態(tài)存在，更容易富集在博落回的根部；而當溶液中存在檸檬酸時，鈾主要以UO2Cit-的形態(tài)存在，更容易從博落回根部轉移并富集到地上部分，有利于鈾污染土壤的植物修復.

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Accumulation of Different Chemical Species of Uranium inMacleayacordata

LANG Tao1,2, HU Nan1,2, ZHANG Hui1,2, LI Guangyue1,2, WANG Yongdong1,2, DING Dexin1,2*

1.Key Discipline Laboratory for National Defense for Biotechnology in Uranium Mining and Hydrometallurgy, University of South China, Hengyang 421001, China 2.Hunan Province Key Laboratory of Green Development Technology for Extremely Low Grade Uranium Resources, Hengyang 421001, China

Macleayacordata; chemical species of uranium; hydroponic experiment; accumulation; translocation

2017-02-23

2017-05-04

國家自然科學基金重點項目(U1401231)；湖南省科技廳重點項目(2016Sk2041)；湖南省教育廳優(yōu)秀青年項目(14B150)

稂濤(1991-)，男，江西吉安人，ecitlangtao@163.com.

*責任作者，丁德馨(1958-)，男，湖南常德人，教授，博士，博導，主要從事鈾礦冶生物技術研究，dingdxzzz@163.com

X53

1001- 6929(2017)08- 1238- 08

A

10.13198j.issn.1001- 6929.2017.02.53

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