李 斌，閆 冬，姜曉燕

(中國疾病預(yù)防控制中心輻射防護與核安全醫(yī)學(xué)所放射生態(tài)學(xué)研究室，北京 100088)

隨著能源低碳化需求與日俱增，核能的利用在世界范圍內(nèi)快速發(fā)展，并以其可持續(xù)、高效、可靠等優(yōu)勢給人類社會帶來了巨大的經(jīng)濟效益。核能的利用同時也產(chǎn)生了一定量的放射性核素，一旦它們由于事故等意外排放進入到環(huán)境中，難以避免地對生態(tài)環(huán)境造成污染，并隨著植物的吸附和富集作用進入植物體內(nèi)，放射性核素對植物具有雙重作用，即放射性核素本身的毒性作用以及鈷-60(60Co)發(fā)出的γ射線對植物的內(nèi)外照射作用，對植物的生理生化功能產(chǎn)生的影響。放射性核素60Co是壓水堆核電站的主要液態(tài)放射性流出物之一，一旦意外排放進入環(huán)境，被植物等非人類物種吸附與富集，將通過生物圈進入食物鏈，若放射性核素通過食物鏈大量進入人體，勢必會在人體內(nèi)形成內(nèi)照射，直接威脅人類健康。

目前，研究放射性核素污染修復(fù)較為常見的方法是生物修復(fù)，包括植物修復(fù)、微生物修復(fù)、植物與微生物聯(lián)合修復(fù)等，其中植物修復(fù)法以其成本低、效益高、操作簡單、不破壞土壤理化性質(zhì)等優(yōu)點成為當下研究較熱的一個前沿領(lǐng)域[1]。而在生態(tài)環(huán)境中，多種因素都能夠?qū)Ψ派湫院怂貜耐寥赖街参锏霓D(zhuǎn)移產(chǎn)生或強或弱的影響，這些因素包括植物種類、放射性核素的種類及其理化特性、土壤學(xué)特征、菌根共生的存在等[2]。 此外，可以根據(jù)經(jīng)60Co γ射線照射植物后，植物生長、生理特性及其植物體內(nèi)物質(zhì)的變化情況，分析植物對輻射的敏感性。

研究植物對60Co 的富集作用，一方面利用某些植物對60Co吸附和富集能力強的特征，尋找超富集植物，直接吸收環(huán)境中的鈷，在植物體內(nèi)通過一系列的生理過程將其轉(zhuǎn)化為毒性較小的形式，再轉(zhuǎn)移到植物地上部分[3]，最終實現(xiàn)對環(huán)境的修復(fù)，探索植物協(xié)助核素鈷清出的可行性；另一方面，研究60Co釋放的γ射線照射對植物生理功能的影響，尋找植物受照射后的敏感指標作為標志物，為核事故應(yīng)急、劑量估算模型建立等進行預(yù)測、預(yù)警提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與技術(shù)支撐。本文通過對國內(nèi)外文獻調(diào)研，歸納和總結(jié)有關(guān)植物對60Co的吸附與富集能力方面的研究，以及植物受到60Co γ射線照射后生長生理特性變化方面的研究，探索植物對60Co 的富集能力以及植物修復(fù)環(huán)境60Co 污染的可行方法，為進一步的植物修復(fù)研究提供理論依據(jù)。

1 植物對鈷的吸附與富集

1.1 植物對核素吸附能力的內(nèi)部影響因素

植物吸附與富集核素的能力可以用富集系數(shù)(bioconcentration factor，BCF)和轉(zhuǎn)移系數(shù)(bio-transportation factor，BTF)進行評價。BCF=wp/ws，式中wp為植物體內(nèi)的核素質(zhì)量分數(shù)(mg/kg)；ws為根際土壤中核素質(zhì)量分數(shù)(mg/kg)。BTF=wa/wr，式中wa為植物地上部的核素質(zhì)量分數(shù)(mg/kg)；wr為植物根部的核素質(zhì)量分數(shù)(mg/kg)。其分別反映植物吸附環(huán)境土壤中核素的能力和植物吸附核素后從根部轉(zhuǎn)移到地上部的能力[4]。此外，脅迫性研究中還需要使用相關(guān)生物效應(yīng)指標[5]。

放射性核素60Co進入環(huán)境后隨著時間的推移，將與環(huán)境中的穩(wěn)定Co 逐漸達到平衡，且植物在富集Co 時不會區(qū)分60Co 和穩(wěn)定Co[6]，因此，在分析植物對60Co 的吸附能力時，除了測定植物體內(nèi)金屬Co含量，還要通過測量60Co的比活度對植物的富集能力進一步評估。

1.1.1 不同植物富集核素60Co能力的差異不同植物具有不同的生理特性和代謝規(guī)律，導(dǎo)致對于60Co的吸附能力存在一定程度的差異，在相同60Co 濃度的培養(yǎng)環(huán)境下，不同植物對60Co 的吸附的能力不同，即使同科不同屬的植物富集系數(shù)之間差距也較為顯著，如菊科中牛膝菊的富集系數(shù)為22.70，而野茼蒿的富集系數(shù)僅為11.96[1]。

1.1.2 植物器官對核素60Co的吸附與富集能力的影響植物經(jīng)由根部吸收的環(huán)境中的60Co，通過一系列的生理代謝轉(zhuǎn)運到莖、葉等不同器官并積聚，但植物各部位對60Co 的親和力不同，60Co含量分布也存在一定的差異。研究發(fā)現(xiàn)[7]，油菜各器官對鈷的吸收分布規(guī)律為根部>莖>葉，且老葉葉柄中60Co的含量高于嫩葉葉柄，可能與老葉導(dǎo)管發(fā)育更完善，運輸能力更強有關(guān)。該研究還發(fā)現(xiàn)，當鈷濃度達到100 mg/kg 時，無論老葉還是嫩葉，葉柄中60Co 含量高于葉片，這可能是油菜對60Co 脅迫的應(yīng)激反應(yīng)。

1.1.3 植物生長期對核素60Co的吸附與富集能力的影響植物在不同生長期對60Co的富集能力不同。在Quinto等[2]對萵苣的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著生物量的增長，植株中60Co的總活性呈現(xiàn)增加的趨勢，但這種趨勢表現(xiàn)為指數(shù)<1的冪指數(shù)增長，也就是說，植物每單位質(zhì)量中60Co的比活度隨著生長階段減少。

1.1.4 對核素60Co吸附和富集能力較強的植物隨著60Co濃度升高，植物生物量降低，對60Co的吸附量和積累量呈現(xiàn)出不同程度的升高，而轉(zhuǎn)運系數(shù)、富集系數(shù)及60Co吸附量的變化趨勢不盡相同：牛膝菊在中度處理水平時對60Co的吸附量、轉(zhuǎn)移系數(shù)及總富集系數(shù)均較高，而龍葵的60Co吸附量較高但轉(zhuǎn)移、富集能力一般，其間相關(guān)性有待進一步研究[8]。另外，植物對60Co的富集是植物體內(nèi)吸附與分配的結(jié)果，與生物量關(guān)系不大：豌豆的生物量是油菜的96.46 倍，而其積累量只比油菜多出2.09倍，由此可見，油菜對60Co 具有更強的富集能力[9]。因此，在選擇植物對60Co 污染土壤進行修復(fù)時，應(yīng)綜合考慮60Co 對植物的脅迫作用及植物對60Co的富集能力。

1.2 植物吸附核素60Co能力的外部影響因素

1.2.1 微生物與植物共生可提高植物對核素60Co的吸附接種叢枝菌根真菌(AMF)通過增加番茄的生物量，從而不同程度地促進番茄對土壤中有效態(tài)60Co 的吸附，增強番茄對60Co 的富集能力[10]。此外，高羊茅、一年生黑麥草與蠟樣芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌和蘇云金桿菌所組成的配伍組合可以有效提高對60Co離子的清出能力[11]。

1.2.2 金屬螯合劑影響重金屬向植物轉(zhuǎn)移添加金屬螯合劑可以活化土壤中的重金屬，增加土壤溶液的重金屬含量，以便植物吸附重金屬[12]。向土壤中加入EDTA、NTA 等人工螯合劑可以誘導(dǎo)植物超常吸附重金屬[13]，其中，某些螯合劑還可以通過與重金屬結(jié)合，形成穩(wěn)定的螯合物降低重金屬離子在植物細胞中的毒性[14]。

2 60Co γ射線對植物生長和生理特性的影響

2.1 植物生長特性的改變

有研究認為，經(jīng)60Co γ射線輻射處理后，與生長素分泌相關(guān)的基因被直接或間接激活，植株細胞分裂加速，核酸和蛋白質(zhì)合成加快，從而促進植物生長[15]。茉莉種子在經(jīng)20 Gy60Co γ射線輻射處理后，萌發(fā)進程加快[16]。黃瓜種子在接受50 Gy60Co γ射線處理后，幼苗根系生長加快，側(cè)根增加[17]。

此外，在Kim 等[18]的研究中(處理劑量分別為100、200、300、400、800、1 200、1 600、2 000 Gy)發(fā)現(xiàn)，相對較低劑量的(100 Gy)60Co γ射線輻射還可以通過改變植物細胞內(nèi)的激素信號通路或增加細胞抗氧化能力刺激植物生長，提高植物抗逆性。經(jīng)過50 Gy60Co γ射線預(yù)處理的青稞幼苗體內(nèi)編碼重金屬離子轉(zhuǎn)運蛋白的基因轉(zhuǎn)錄水平顯著上調(diào)，能夠有效增強青稞幼苗重金屬耐受性，緩解Pb、Cd環(huán)境脅迫所帶來的損傷[19]。

隨著輻照劑量的增加，植物種子內(nèi)部的自由基和酶活性變化逐漸積累，損傷種胚組織，進而影響細胞的生長和分裂，使萌發(fā)進程受阻，方竹種子受到30 Gy60Co γ射線處理后，萌發(fā)起始日期相較于對照組推遲3 d，并提前2 d結(jié)束[20]。

2.2 植物細胞生理特性的改變

2.2.1 60Co γ射線照射對葉綠素含量的影響低劑量(50 Gy)60Co γ射線輻照可以一定程度上保護植物葉綠體超微結(jié)構(gòu)免受Pb、Cd等重金屬的破壞，通過增加抗氧化酶活性和脯氨酸積累減少植株氧化損傷，使葉綠體保持橢圓形的形態(tài)及維持良好狀態(tài)的類囊體膜，最終提高光合能力[19]。茉莉花種子受到20~60 Gy劑量照射后，其幼苗葉片中葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b均顯著低于對照，80 Gy 條件下，三者含量均顯著高于對照[16]。此外，低劑量60Co γ輻射(20 Gy)可以通過增加葉綠體大小，減少干旱脅迫，在一定程度上重建葉綠體結(jié)構(gòu)，并增加葉綠素含量來增強大豆的耐旱性[21]。

高劑量(高達100 Gy)60Co γ射線輻射植物使其體內(nèi)細胞膜脂過氧化增強，活性氧增加，膜穩(wěn)定性降低，類囊體膜受損，光合產(chǎn)物的跨膜運輸受阻，使葉綠素在輻射下降解或合成過程受阻[22]。經(jīng)50 Gy60Co γ輻射處理后，黃瓜幼苗子葉中葉綠素含量高于對照組，隨著輻射劑量增加，葉綠素含量直線下降，到1 000 Gy時，植株葉面散生條狀黃斑[17]。在2~30 Gy劑量范圍內(nèi)的60Co γ射線照射下，萵苣中的光合色素水平增加，但在更高的劑量條件(高達70 Gy)色素含量下降[23]。

2.2.2 60Co γ射線照射對植物滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響在逆境脅迫發(fā)生時，植物細胞通過主動積累胞內(nèi)一些相容性物質(zhì)來維持滲透壓的平衡，從而保持細胞內(nèi)部生物膜結(jié)構(gòu)的完整性和蛋白質(zhì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以減輕脅迫損害，這些相容性物質(zhì)即為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，主要包括無機離子、糖類、多元醇、氨基酸和生物堿等，其含量與植物的抗逆性有關(guān)[24-25]。適當劑量的60Co γ輻射有助于植物細胞中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累，改善植物的水分失衡，抵御逆境脅迫，而較高劑量的60Co γ射線輻射對滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量具有明顯的抑制作用。在干旱脅迫下，60Co γ輻照劑量在100 Gy 以下時無芒雀麥幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量增加，當輻射劑量高于200 Gy 時，無芒雀麥幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量顯著降低[26]。在NaCl 脅迫下，胡麻幼苗接受1 000 Gy 劑量60Co γ射線照射后，葉片中可溶性蛋白、可溶性糖及脯氨酸含量均顯著增加，當照射劑量達到3 000 Gy 時，三者含量均顯著降低[27]。

2.2.3 60Co γ射線照射對丙二醛含量的影響植物在受到60Co γ輻射或其他逆境脅迫時，體內(nèi)自由基代謝失衡，活性氧防御系統(tǒng)的功能失調(diào)，產(chǎn)生大量膜脂過氧化物——丙二醛(malondialdehyde，MDA)，其含量可以衡量植物膜系統(tǒng)受損程度。輻射處理植物使細胞膜內(nèi)活性氧、自由基等有害物質(zhì)增加，膜脂過氧化增強，進而刺激MDA 含量增加。青稞幼苗受到100~300 Gy60Co γ輻射后，植株細胞內(nèi)的MDA 含量相較于對照組呈現(xiàn)不同程度的增加[19]。

適當劑量的60Co γ輻射可以緩解逆境對植物的損傷，一定程度上提高植物的抗逆性，而高劑量輻射能夠加劇逆境對植物的損傷。在鹽脅迫條件下，1 000 Gy以下60Co γ輻射可降低胡麻幼苗葉片MDA 含量，當劑量為1 500和3 000 Gy時MDA 含量顯著升高[27]；用50 Gy60Co γ輻照預(yù)處理可以有效降低青稞幼苗中MDA含量，可緩解其被Pb/Cd誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激[19]。

2.2.4 60Co γ射線照射對植物抗氧化保護性酶活性的影響植物抗氧化酶類包括超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、過氧化物酶(peroxidase，POD)、過氧化氫酶(catalase，CAT)等。在正常情況下，植物細胞內(nèi)的活性氧水平處于動態(tài)平衡，不會對植物造成損傷，當植物受到脅迫時，體內(nèi)氧代謝失調(diào)，植物通過SOD、POD、CAT 等保護性酶協(xié)調(diào)工作緩解活性氧傷害。

SOD作為細胞清除活性氧過程中第一個發(fā)揮作用的抗氧化酶，對輻射劑量的改變更敏感，能夠有效清除植物細胞內(nèi)的生成無毒的O2和毒性較低的H2O2，減弱膜脂過氧化作用，一定程度上修復(fù)60Co γ輻射或其他逆境所造成的損傷。茉莉花種子經(jīng)60 Gy60Co γ射線輻射后，其幼苗葉片中SOD 活性顯著升高，之后隨著輻照劑量增加逐漸降低[16]。60Co γ射線輻射可以通過增加植物體內(nèi)保護性酶活性緩解逆境脅迫所帶來的氧化損傷。在干旱脅迫下，無芒雀麥幼苗SOD活性在60Co γ輻射劑量為50 Gy時最大，比對照增加44.49%，隨后逐漸降低，劑量為輻射200 Gy 時，SOD 活性較對照降低了17.83%，POD 與CAT活性變化趨勢與SOD一致[26]。

POD與CAT通過清除體內(nèi)H2O2，從而提高自身抗逆性，減少逆境所造成的傷害。在低劑量條件下，POD活性與對照相比雖有所提高，但其含量仍然較低，說明在此條件下，細胞受損并不嚴重或損傷可以及時修復(fù)。隨著60Co γ輻照劑量的增加，露地菊葉片中SOD 的活性逐漸受到抑制，細胞內(nèi)過氧化物增多，POD 活性受到刺激而逐漸增強[28]。輻照處理后，植株中CAT 活性變化不一：隨著輻照劑量的增加，東林瑞雪植株中CAT活性呈現(xiàn)先增后減的趨勢，而粉翎的CAT活性呈逐步上升的趨勢[28]。不同的植物對60Co γ射線的耐受程度不同，此外，不同的處理部位、處理劑量、處理時間等都可能導(dǎo)致不同的反應(yīng)。

2.3 對60Co γ射線照射敏感的部分植物舉例

植物受到60Co γ輻射后，初期表現(xiàn)為葉片掉落、生長遲緩、出芽慢甚至死亡，此類反應(yīng)可以統(tǒng)稱為損傷效應(yīng)，不同植物品種對輻射的敏感性不同，受照后的損傷效應(yīng)也有不同表現(xiàn)。吳萍等[29]依據(jù)半致死量對4 種藥用植物評價輻照敏感性，紫蘇半致死劑量在50~100 Gy 之間，對60Co γ照射敏感性較高，車前種子的半致死劑量在300~400 Gy 之間，益母草和蒲公英種子的半致死劑量大于400 Gy，對60Co γ射線的耐受能力較強。張瑞勛等[30]則以發(fā)芽率評估作物對輻射的敏感性，各品種的輻射敏感性從弱到強依次為油菜<大麥<糯玉米<甜玉米<棉花<大豆<水稻；此外，該研究發(fā)現(xiàn)，各品種作物的輻射敏感性與染色體中DNA 含量呈顯著負相關(guān)(r=-0.844)，這可能與較大的基因組或DNA量受γ射線照射后產(chǎn)生突變概率較小，或基因自我修復(fù)能力較強有關(guān)。

3 小結(jié)與展望

不同植物對60Co的吸附能力存在一定的差異，且同一種植物對60Co 的富集程度受到60Co 的形態(tài)、微生物及金屬螯合物等因素的影響從而有所波動。植物的生物量與其對60Co的富集能力未見明顯聯(lián)系，富集能力較強的植物有野茼蒿、油菜、蘿卜等。因此，在未來的研究中，可進一步篩選對60Co富集能力強的植物，吸附環(huán)境中的60Co以達到修復(fù)核污染土壤等生態(tài)環(huán)境的目的，并使之發(fā)展為一種切實可行、行之有效的方法。

60Co在植物不同部位的分布不同，富集規(guī)律主要表現(xiàn)為地下部分>地上部分，以根部為主，地上可食部分積累相對較少，而一些可食用部分為地下部分的作物少有研究，在未來的研究中，可以將此類作物納入研究，以探究其中60Co殘留所造成的內(nèi)照射對人體健康所帶來的影響。

60Co 處理后植物的生長、生理特性發(fā)生變化，低劑量條件下，植物根長、坐果率、干質(zhì)量等相比于對照均有所升高，而且適當劑量60Co γ輻射有助于提高植物對逆境脅迫的抵抗能力。此外，低劑量輻照造成的損傷引起一系列修復(fù)酶的活動，可引起植物加速生長，植物光合色素含量增加，SOD 活性升高，植物體內(nèi)活性氧清除系統(tǒng)功能增強，MDA含量降低；當輻射劑量較高時，植物細胞受到損傷，膜系統(tǒng)遭到破壞，植物光合色素被降解或合成受阻，而SOD 活性逐漸降低，MDA 產(chǎn)生增多，同時，POD與CAT的活性被誘導(dǎo)升高。由此推測，植物在不同劑量條件下的生長特性變化趨勢可能存在拐點，植物可通過自身修復(fù)機制調(diào)節(jié)酶活性以保護自身免受或少受輻射損傷，可從分子水平進一步探究該過程的極限劑量，并為育種提供資料。與此同時，可以根據(jù)植物對60Co γ射線輻射的敏感性，篩選能夠指示60Co 礦所在地的植物；開展60Co γ射線照射對植物的生理功能的影響，尋找某些植物因受照射后而變化的敏感指標，作為標志物，為核事故發(fā)生發(fā)展趨勢、劑量估算模型建立等進行預(yù)測、預(yù)警提供技術(shù)支撐。