全 文 ：第 34 卷第 8 期
2014 年 8 月
环 境 科 学 学 报
Acta Scientiae Circumstantiae
Vol． 34，No． 8
Aug．，2014
基金项目:国防基础研究重点项目(No． B3120110001) ;西南科技大学研究生创新基金(No． 13ycjj46)
Supported by the Key Basic Ｒesearch Fund of National Defense (No． B3120110001)and the Graduate Innovation Fund of Southwest University of
Science and Technology (No． 13ycjj46)
作者简介:王佳(1989—) ，女，E-mail:wangjia220281@ sina． com;* 通讯作者(责任作者)，E-mail:lxg@ swust． edu． cn
Biography:WANG Jia (1989—) ，female，E-mail:wangjia220281@ sina． com;* Corresponding author，E-mail:lxg@ swust． edu． cn
DOI:10． 13671 / j． hjkxxb． 2014． 0674
王佳，罗学刚，石岩． 2014．美洲商陆(Phytolacca Americana L．)对铀的富集特征及根际微生物群落功能多样性的响应［J］． 环境科学学报，34
(8) :2094-2101
Wang J，Luo X G，Shi Y． 2014． Characteristics of uranium uptake by pokeweed (Phytolacca Americana L．)and response of rhizosphere microbial
community functional diversity［J］． Acta Scientiae Circumstantiae，34(8) :2094-2101
美洲商陆(Phytolacca Americana L．)对铀的富集特征
及根际微生物群落功能多样性的响应
王佳1，3，罗学刚2，3，* ，石岩4
1． 西南科技大学生命科学与工程学院，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，绵阳 621010
3． 生物质材料教育部工程研究中心，绵阳 621010
4． 西南科技大学环境与资源学院，绵阳 621010
收稿日期:2014-01-02 修回日期:2014-03-25 录用日期:2014-03-28
摘要:在模拟低(25 mg·kg－1)、中(50 mg·kg－1)、高(100 mg·kg－1)剂量铀污染的条件下，采用盆栽试验，研究了美洲商陆富集铀的特点及铀污
染对根际微生物群落的影响．结果表明，铀污染对美洲商陆生长的影响可能存在一个阈值，该阈值介于 25 ～ 50 mg·kg－1 之间，低于该阈值时，
铀污染能够促进美洲商陆的生长，反之，则会抑制美洲商陆的生长．美洲商陆成熟时，根、茎和叶的最大铀富集量分别为 131． 69、9． 87 和 45． 33
μg，是一种较为理想的修复铀尾矿的植物． Biolog-Eco测试结果表明，土壤中铀会对美洲商陆根际微生物群落产生负效应，铀胁迫可使根际微
生物代谢迟缓，对碳源的选择发生转移，对糖类、羧酸类和胺类碳源的利用显著减少，对酚酸类碳源的利用显著增加;同时，铀胁迫可导致根际
微生物群落功能多样性指数、均匀度指数及优势微生物种类降低．最后，利用培养 96 h的平均吸光值进行聚类和主成分分析．结果表明，铀胁
迫下美洲商陆根际微生物群落异于对照，美洲商陆根际微生物对铀胁迫的适应是以降低对糖类、羧酸类和胺类等碳源的利用为代价的．
关键词:铀;美洲商陆;富集量;根际微生物群落功能多样性
文章编号:0253-2468(2014)08-2094-08 中图分类号:X53 文献标识码:A
Characteristics of uranium uptake by pokeweed (Phytolacca Americana L．)and
response of rhizosphere microbial community functional diversity
WANG Jia1，3，LUO Xuegang2，3，* ，SHI Yan4
1． School of Life Science and Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010
2． State Defense Key Laboratory of the Nuclear Waste and Environmental Security，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010
3． Engineering Ｒesearch Center of Biomass Materials，Ministry of Education，Mianyang 621010
4． School of Environment and Ｒesource，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010
Ｒeceived 2 January 2014; received in revised form 25 March 2014; accepted 28 March 2014
Abstract:The paper imitated three (25，50，100 mg·kg－1)concentration uranium contamination using pot method． The tolerance and enrichment
characteristics of pokeweed (Phytolacca Americana L．)were measured，including the biomass，the plant height，stem diameter，leaf length，leaf width
and the content of uranium in plant． The rhizosphere microbial community of pokeweed was studied by biolog technology． The main results showed that
there might be a threshold value of uranium contamination affecting the growth of pokeweed． The threshold value might be between 25 ～ 50 mg·kg－1 ．
When uranium contamination was lower than this value，it facilitated pokeweed growth． However，when uranium contamination was higher than this
value，it inhibited pokeweed growth． The maximum enrichment amount of uranium in pokeweeds roots，stems and leaves were 131． 69 μg，9． 87 μg and
45． 33 μg respectively in the mature period． Pokeweed became an ideal plant of repairing uranium tailings． Biolog-Eco test showed that uranium pollution
had a negative influence on rhizosphere microbial community of pokeweed． The microbial metabolic activity was delayed． The microorganisms choice of
8 期 王佳等:美洲商陆(Phytolacca Americana L．)对铀的富集特征及根际微生物群落功能多样性的响应
carbon source was transferred． Ｒhizosphere microbial significantly reduced the utilization of carbohydrates，carboxylic acids and amines，while they
significantly increased the utilization of phenolic acids． Uranium stress caused rhizosphere microbial community functional diversity index，evenness index
and dominant microbial species to be decreased． Cluster and principal component analysis of substrate reactions were performed after 96h of incubation．
The results indicated that rhizosphere microbial communities of pokeweed under uranium were different from controls． The rhizosphere microbial
community of pokeweed adapted to uranium at the cost of reducing the consumption of carbohydrates，carboxylic acids and amines．
Keywords:uranium;pokeweed;enrichment;functional diversity of rhizosphere microbial community
1 引言(Introduction)
自 20 世纪 50 年代我国铀矿冶工业兴起至今，
铀尾矿已给人类生存环境造成了极大的威胁，因
此，其处置问题始终是铀矿冶工业面临的重大难
题．据不完全统计，全世界的铀尾矿总量已达 200 亿
t(王志章，2009;刘振昊等，2012) ，当铀尾矿库因服
务期满或其他原因永久停止使用时，必须对铀尾矿
库进行一系列的环境治理． 植物修复技术是一种成
本低廉、安全环保、易于被公众接受的修复方法，因
此，该技术已成为目前最具潜力的修复铀尾矿的方
式(姚介等，2010)．
植物修复技术的关键是选取合适的用于修复
的植物，通常是一些具有“特异功能”的植物，主要
包括两类:一类是超富集植物，它们对污染物的富
集具有专一性，一般生物量较低、生长缓慢;另一类
是从污染地原位筛选出来的优势植物，它们生长快
速、生物量大，对多种污染物都具有相对较好的富
集效果(申时立等，2013)． 美洲商陆(Phytolacca
Americana L．)属于第二类植物，它是多年生草本植
物，在许多矿区的植被调查中都有报道(黄德娟等，
2012;薛亮，2013)． 吴彦琼等(2010)在我国华南某
铀尾矿库区的植物组成及多样性调查中发现，草本
层美洲商陆占优势，但目前关于美洲商陆对铀富集
效果的研究却鲜有报道． 此外，植物根际微生物在
植物修复中发挥着极为重要的作用，一方面它能增
加污染物的生物可利用性，促进污染物由根向茎叶
输送;另一方面，可将土壤根际的污染物固定，减少
污染物向地下水的迁移和淋溶(Treey et al．，1999;
Wei et al．，2014)．因此，研究铀胁迫下植物根际微
生物群落的变化，有助于阐明植物修复生态系统的
稳定性．
基于此，本文依托西南科技大学材料环境降解
及安全性评价试验场，模拟不同程度的铀污染情
况，探究美洲商陆对铀的富集特点及根际微生物群
落变化情况，以期为评估大生物量优势植物修复铀
尾矿的可行性及生态系统的稳定性提供数据参考．
2 材料与方法(Materials and methods)
2． 1 供试材料
土壤采自西南科技大学材料环境降解及安全
评价试验场(东经 104°42，北纬 31°32) ，土壤类型
为暗棕壤，有机质含量 22． 8 g·kg－1，全氮 1． 50
g·kg－1，全磷 0． 562 g·kg－1，全钾 25． 4 g·kg－1，碱解
氮 109 mg·kg－1，有效磷 9 mg·kg－1，速效钾 131
mg·kg－1，阳离子交换量 9． 34 cmol·kg－1 ． 试验于
2012 年 10 月开始，采用盆(盆高 25 cm，直径 20
cm)栽方式，每盆装土 2 kg． 土壤处理方法:采取向
目标土壤中添加外源污染物的形式，同时测定土壤
含水量用以计算添加铀(U)的量，将铀溶液与干净
土壤充分混匀(达最大持水量)而成，3 个铀剂量分
别为 25、50、100 mg·kg－1，处理编号依次为 U25、
U50、U100，用等体积清水处理作对照(CK)．每个处
理 3 个重复，预培养 6 个月． 2013 年 5 月种植美洲
商陆，每盆定植 3 株，培养初期，每天傍晚浇水 1 次，
旺盛生长期，早晚各浇 1 水次．
2． 2 样品采集与处理
2013 年 8 月(美洲商陆成熟期)采集美洲商陆
根际土壤样品和植物样品． 首先采集植物地上部
分，装入植物样品袋后带回实验室，然后用直径 5
cm的环割刀沿美洲商陆根垂直插入土层，取出环割
刀，擦除外壁附着的土壤，轻轻敲打环割刀，将取出
的土壤样品装入无菌塑料袋，取出的根装入植物样
品袋带回实验室．植物样品带回实验室后立即进行
测量;根际土壤混匀，过 2 mm筛后置于冰箱内 4 ℃
保存，于 7 d内测定微生物功能多样性．
2． 3 实验方法
2． 3． 1 美洲商陆植物学特性测量 用游标卡尺测
量植物样品的株高和茎粗，测定距顶端第 4 片叶子
大小(叶长和叶宽) ，统计植物学性状;用自来水冲
洗植物样品，再用去离子水冲洗 3 次，沥干，计算生
物量．
2． 3． 2 美洲商陆各部位铀富集量的测定 植物样
品分根、茎和叶 3 部分，在 105 ℃下杀青 20 min，80
℃烘干至恒重，研磨粉碎，准确称取 0． 3 g，加入 7
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环 境 科 学 学 报 34 卷
mL浓硝酸和 2 mL 30%双氧水，于微波消解仪中消
解，用 ICP-MS(Agilent 7700x，美国安捷伦公司)测
定各部位的铀含量．铀的富集量 F 按以下公式计算
(唐永金等，2011) :
F=C×D
式中，C 为单位植物干重的铀含量 (μg·g－1
或 mg·kg－1) ，D为植物干重(g或 kg)．
2． 3． 3 根际微生物活性及群落功能多样性的测定
(Biolog法) 采用 ECO微平板(Biolog 公司) ，每个
样品测试 31 种碳源(见表 1)．称取 10 g 新鲜土样，
加入到 200 mL 的三角瓶中，加入 100 mL 灭菌的
0. 85%生理盐水，放到恒温摇床上，28 ℃振荡 24 h．
取出后静置 15 min 左右，在超净工作台上用灭菌的
生理盐水稀释至 10－3 ． Biolog Eco平板在恒温培养箱
预热到 25 ℃后取出，用微量移液器取 150 μL 稀释
后的菌液于 Biololg生态板各孔中，然后放入恒温培
养箱中，28 ℃恒温培养 12 d，分别在 24、48、72、96、
120、144、168、192、216、240、264、288 h 时用 Thermo
Scientific Multiskan Spectrum 全波长酶标仪读取各
孔在 590 nm波长下的吸光值． 采用培养 98 h 的吸
光值计算土壤微生物群落多样性指数． 选择
Shannon多样性指数(H)、Shannon均匀度指数(E)、
Simpson指数(1－G) ，分别评价土壤微生物丰富度、
均匀度及某些菌种的优势度，各指数的计算公式可
参考文献(王强等，2010)．
表 1 ECO板碳源
Table 1 Carbon sources in ECO
编号
碳源种类
A1 A2 A3 A4
B1 B-甲基-D-葡萄糖苷 衣康酸 L-苯基丙氨酸 i-赤藓糖醇
B2 D-半乳糖酸内脂 甘氨酰-L-谷氨酸 吐温 80 2-羟基苯甲酸
B3 L-精氨酸 D-纤维二糖 D-甘露醇 D-葡萄糖胺酸
B4 丙酮酸甲酯 α-D-葡萄糖-1-磷酸 4-羟基苯甲酸 D-苹果酸
B5 D-木糖 α-丁酮酸 L-丝氨酸 腐胺
B6 D-半乳糖醛酸 苯乙胺 α-环式糊精 L-苏氨酸
B7 L-天门冬酰胺 α-D-乳糖 N-乙酰-D-葡萄糖胺 肝糖
B8 吐温 40 D，L-α-磷酸甘油 γ-羟丁酸
2． 3． 4 实验数据分析 数据用 SPSS13． 0、DPS9． 50
和 Excel软件进行统计分析，多重比较采用 Tukey
法，所有测定数据以平均值±标准误表示．
3 结果(Ｒesults)
3． 1 不同剂量铀胁迫对美洲商陆生长的影响
通过对植株生长指标的测定，评价铀对美洲商
陆生长的影响，实验结果见表 2． 由表 2 可知，铀胁
迫后美洲商陆各部分干重变化明显，均表现为在低
剂量铀胁迫下增加，在高剂量铀胁迫下降低的趋
势．低剂量(25 mg·kg－1)铀处理下，植物叶干重显著
高于对照 17． 49%(p＜0． 05) ，而根和茎干重则略微
上升;在中剂量(50 mg·kg－1)铀处理下，根、茎和叶
的干重与对照相比没有显著性差异;当铀处理剂量
为 100 mg·kg－1 时，根、茎和叶的干重均显著低于对
照 20. 09%、47． 86%、27． 32%(p＜0． 05)． 这表明随
着土壤铀剂量的增加，美洲商陆根、茎、叶的干重均
呈现先增大后减小的变化趋势． 碳水化合物是植物
干重的主要成分，因此，低剂量(25 mg·kg－1)铀能增
加美洲商陆叶片中碳水化合物含量，高剂量(100
mg·kg－1)铀处理则减少美洲商陆各部分中碳水化
合物的含量．
表 2 不同剂量铀胁迫对美洲商陆生长的影响
Table 2 The influence of different uranium concentration stress on pokeweed growth
处理
生物量 /(g·株－1)
根 茎 叶
植株尺寸 / cm
株高 茎粗 叶长 叶宽
CK 4． 28±0． 10a 2． 57±0． 22a 3． 66±0． 15b 35． 22±1． 75b 0． 210±0． 012a 10． 73±0． 59a 7． 90±0． 06a
U25 4． 75±0． 18a 2． 85±0． 11a 4． 30±0． 19a 42． 07±0． 87a 0． 210±0． 009a 11． 33±0． 34a 8． 13±0． 19a
U50 4． 32±0． 19a 2． 61±0． 22a 3． 90±0． 08b 31． 98±0． 95b 0． 190±0． 003ab 9． 92±0． 04a 7． 63±0． 03a
U100 3． 42±0． 12b 1． 34±0． 10b 2． 66±0． 09c 19． 10±0． 90c 0． 160±0． 009b 7． 72±0． 10b 5． 30±0． 36b
注:表中数据为平均值±标准误(n=3) ，同一列不同字母表示差异显著(p＜0． 05)．
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8 期 王佳等:美洲商陆(Phytolacca Americana L．)对铀的富集特征及根际微生物群落功能多样性的响应
由表 2 可知，随着铀处理剂量的增加，美洲商陆
株高、茎粗、叶长和叶宽均呈先上升后下降的变化
趋势．在低剂量(25 mg·kg－1)铀处理下，植物株高显
著高于对照 19． 45%(p＜0． 05) ，而茎粗、叶长和叶宽
则略微增加．中剂量(50 mg·kg－1)铀处理时，植物的
株高、茎粗、叶长及叶宽与对照相比都略微降低． 但
当高剂量(100 mg·kg－1)铀处理土壤时，植物的株
高、茎粗、叶长及叶宽均显著低于对照 45． 77%、
23. 81%、28． 05%、32． 91%(p＜0． 05)．
以上结果表明，低剂量(25 mg·kg－1)铀胁迫能
促进美洲商陆生长，增加叶的干重和株高，中剂量
(50 mg·kg－1)铀胁迫对美洲商陆的生长影响不显
著，高剂量(100 mg·kg－1)铀胁迫则显著抑制美洲商
陆生长，株高、茎粗、叶宽和叶长都显著降低．
图 1 不同剂量铀胁迫对美洲商陆根、茎、叶铀富集量的影响
(图中数据为平均值±标准差(n = 3) ;不同字母表示差异
极显著(p＜0． 01) )
Fig． 1 The influence of different uranium concentration stress on the
average uranium enrichment in root， stem and leaf of
pokeweed
3． 2 铀在美洲商陆体内的富集分析
不同剂量铀处理时美洲商陆根、茎和叶中的铀
富集量见图 1．从图 1 可以看出，在铀污染土壤中生
长的美洲商陆，其不同部位铀富集量均高于对照．
随着土壤中铀含量的增加，美洲商陆根中铀富集量
从低剂量(25 mg·kg－1)下为对照的 20． 5 倍一直上
升，最高剂量(100 mg·kg－1)下铀富集量为对照的
51． 85 倍;茎中铀富集量随着铀处理剂量的增加而
增加，为对照的 7． 4 ～ 49． 4 倍;而叶中铀的富集量则
表现出先上升后下降的变化规律，在 U50 处理时叶
中铀的富集量达到最大值 45． 33 μg，为对照的 7． 94
倍．当土壤中铀含量由 50 mg·kg－1 增大到 100 mg·
kg－1 时，茎中铀富集量显著升高 6． 25 μg，叶中铀富
集量显著下降 6． 12 μg，而根中铀富集量变化不显
著．由此推断，土壤铀含量达到一定值时，根中铀的
富集量达到最大值，叶中的铀向茎中转移，此结果
验证了美洲商陆对铀胁迫有较强耐性(吴彦琼等，
2010)．从根、茎、叶对铀的富集情况来看，不同剂量
铀处理下植株各部分铀的分布规律均相同，富集铀
规律是:根＞叶＞茎，铀主要富集在美洲商陆的根中．
3． 3 Biolog指纹
Biolog-Eco 板中每孔的平均吸光值(Average
Well Color Development，AWCD)是表征土壤微生物
群落活性的重要指标．从图 2 可以看出，CK、U25 和
U50 处理在培养 24 h 内对底物的利用率不明显;
U100 处理在培养 48 h 内对底物的利用率不明显．
由此可见，100 mg·kg－1 铀处理下，美洲商陆根际微
生物对 Biolog-Eco板中碳源利用比对照和其它 2 个
处理更迟缓．在培养 48 ～ 144 h 内，对照和处理组之
间均存在显著性差异(p＜0． 01) ，利用碳源能力的大
小顺序为:CK＞U25＞U50＞U100，这与土壤中铀含量
的顺序相反．而在培养 168、192、216、240、264 和 288
h时，对照根际微生物代谢强度显著高于各处理组
(p＜0． 01) ;U25 根际微生物代谢强度显著高于 U50
和 U100(p＜0． 01) ，而 U50 和 U100 根际微生物对碳
源利用能力水平相当． 此结果表明，随着土壤铀含
量的增加，美洲商陆根际微生物对碳源利用能力逐
渐减弱．
图 2 不同剂量铀胁迫下美洲商陆根际微生物群落在 Biolog-
Eco中的平均颜色变化率
Fig． 2 The average well color development (AWCD)of pokeweed
rhizosphere microbial under different uranium concentration
in Biolog-Eco
根据培养 96 h 的 AWCD 值评价微生物群落对
6 类碳源的利用程度(图 3) ，结果表明，对糖类利用
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环 境 科 学 学 报 34 卷
率顺序是 CK＞U25＞U50＞U100，且各处理之间存在
极显著差异(p＜0． 01) ;对氨基酸类利用率顺序为
CK＞U25＞U100＞U50，除 CK与 U25 之间没有显著差
异外(p＞0． 05) ，其他处理之间均存在极显著差异
(p＜0． 01) ;对羧酸类利用率顺序是 CK＞U100＞U50＞
U25，且存在极显著差异(p＜0． 01) ;对多聚物利用率
顺序为 U25＞U100＞CK＞U50，且各处理间存在极显
著差异(p＜0． 01) ;对胺类利用率顺序是 CK＞U25＞
U50＞U100，CK 处理显著高于其他 3 个处理(p ＜
0. 01) ;对酚酸类的利用率顺序为 U25＞U50＞U100＞
CK，各处理间存在显著差异(p＜0． 05)． Pearson 相关
分析结果见表 3，从表 3 可知，不同剂量铀处理下，
美洲商陆根际微生物对糖类利用能力与土壤中铀
含量呈显著负相关(r = －0． 984，p＜0． 05) ，但对其他
碳源的利用能力与土壤中铀含量却无显著性关系．
图 3 不同剂量铀胁迫下美洲商陆根际微生物对 6 类碳源利用
的吸光值(不同小写字母表示差异极显著(p＜0． 01) ，不同
大写字母表示差异显著(p＜0． 05) )
Fig． 3 The AWCD of six kinds of carbon sources utilized by
pokeweed rhizosphere microbial under different uranium
concentration stress
表 3 不同铀剂量与 6 类碳源 Person相关性分析
Table 3 The person correlation analysis between uranium concentration and six kinds of carbon sources
糖类 氨基酸 羧酸类 多聚物 胺类 酚酸类
铀剂量 －0． 948(0． 016)* －0． 805(0． 195) 0． 167(0． 833) －0． 011(0． 989) －0． 867(0． 133) －0． 291(0． 709)
注:括号中数据为 p值，* p＜0． 05(双尾检验)．
以 96 h 的 AWCD 计算对照和处理组微生物群
落的多样性指数． 本文采用 Shannon 指数(H)、
Shannon均匀度(E)、Simpson 指数(1－G)分别表征
美洲商陆根际土壤微生物群落的丰富度、均匀度及
某些最常见种群的优势度．从表 4 可以看出，3 个指
数均发生了极显著变化(p＜0． 01)．随着土壤中铀含
量的增加，Shannon 多样性指数和均匀度指数明显
减小，Simpson 指数明显增大． 由此得出，美洲商陆
在铀胁迫下，根际微生物群落的多样性、均匀度及
优势微生物种类均降低．
表 4 不同剂量铀胁迫下美洲商陆根际微生物功能多样性指数
Table 4 The functional diversity indexes of pokeweed rhizosphere
microbial under different uranium concentration stress
处理 多样性指数 H 均匀度指数 E Simpson指数 1-G
CK 2． 96a 23． 07a 0． 06d
U25 2． 69b 18． 09b 0． 08c
U50 2． 56c 17． 12c 0． 10b
U100 2． 08d 7． 00d 0． 17a
注:表中不同字母表示差异极显著(p＜0． 01)．
对 96 h 6 类碳源的 AWCD 值进行聚类分析和
主成分分析(图 4) ，可以清晰直观地显示各研究对
象之间的远近关系． 聚类分析(图 4a)表明，对照是
单独一类，U25、U50 和 U100 是一类，其中，U50 和
U100 之间距离最短，表明铀含量越高，美洲商陆根
际微生物群落相似性越大． 为了探讨不同程度铀胁
迫下根际微生物群落的变化情况，对 96 h 数据标准
化后，进行主成分分析． 两个主因子的主成分分析
(图 4b)中，第 1 主成份(PC1)解释了 58． 17%的数
据变异，第 2 主成份(PC2)为 26． 52% ．在二元平面
图 PC1 上对照(CK)分布在正轴上，低、中、高剂量
铀处理(U25、U50、U100)主要分布在负轴上;PC2
上对照(CK)和低剂量铀处理(U25)主要分布在正
轴上，中和高剂量铀处理(U50、U100)主要分布在负
轴上，U50 和 U100 聚集在一起． 表 5 列出了与第一
主成分和第二主成分分别具有较高相关系数的各
种碳源及主成分载荷量． 对主成分 1 具有分异作用
的主要碳源是糖类和羧酸类，对主成分 2 具有分异
作用的主要碳源是糖类和氨基酸．
4 讨论(Discussion)
铀元素物理化学性质比较特殊，目前尚未发现
以铀作为必需营养元素的植物，但许多植物诸如向
8902
8 期 王佳等:美洲商陆(Phytolacca Americana L．)对铀的富集特征及根际微生物群落功能多样性的响应
图 4 不同剂量铀胁迫下美洲商陆根际微生物代谢特征聚类分
析和主成分分析(培养 96 h)
Fig． 4 Cluster analysis and principle components analysis on
pokeweed rhizosphere microbial community under different
uranium concentration stress (incubation for 96 h)
日葵、印度芥菜等会将大量铀吸附于其根部，有的
植物还会将其转运到地上部分，这些都为植物修复
技术治理土壤中的铀污染提供了可能(Oh et al．，
2014)．美洲商陆是大生物量优势草本植物，在多种
矿区均有分布，适应性很强，对锰、镉有很好的富集
效果(吴彦琼等，2010;王瑞兰等，2004;聂发辉，
2006)．本研究发现低剂量铀能促进美洲商陆的生
长，中、高剂量铀则会抑制美洲商陆生长． 由此推
断，铀污染对美洲商陆生长的影响存在一个阈值，
该阈值可能介于 25 ～ 50 mg·kg－1 之间，这对于评价
土壤质量对生态系统的稳定性具有重要意义． 对美
洲商陆根、茎、叶中铀含量的测定发现，美洲商陆能
把土壤中的铀吸附并大量地储存于根部，这表明美
洲商陆耐铀性强，能从土壤中富集铀，具有修复铀
尾矿的潜质．
平均吸光度(AWCD)可以表征微生物对碳源的
利用率，是微生物群落利用单一碳源能力的一个重
要指标(Fang et al．，2009) ，最终的 AWCD 值与微
生物群落中能利用单一碳源的微生物种类和数量
有关． AWCD 值越大，表明群落总体活性越高;反
之，活性越低(谢文军等，2008)．本研究中，根际土
壤微生物代谢活性随培养时间的延长而增强，但高
剂量(100 mg·kg－1)铀胁迫下根际微生物代谢较为
迟缓，培养 48 h 后才表现出代谢活性，说明高剂量
铀胁迫严重抑制了根际微生物的活性，这与大部分
研究结果相符(Wenderoth et al．，2001;Wenderoth
et al．，1999;王秀丽等，2003)． 研究表明(沈德中，
2002) ，一般在低剂量下，重金属对微生物有刺激作
用，能使微生物代谢活性增强;在高剂量下，重金属
对微生物代谢活性有抑制作用． 而本研究中，各剂
量铀都表现出对美洲商陆根际微生物代谢活性的
抑制作用，最可能原因是由于美洲商陆对铀的耐性
强，根际土壤铀含量太大，铀毒害作用可以引起细
胞死亡，抑制根际微生物活性，从而降低了根际微
生物种类和数量，导致根际微生物活性的降低
(Shen et al．，2008)． 尽管随着铀胁迫导致美洲商
陆根际微生物种类和数量降低，代谢活性减弱，但
美洲商陆铀含量却显著增加，这说明铀胁迫导致的
根际微生物种类和数量减少，代谢活性减弱，对美洲
商陆富集铀的能力影响不大．从根际微生物对 6 类碳
源的利用结果看，铀胁迫使根际微生物对糖类、羧酸
类和胺类的利用都显著降低，而对酚酸类的利用却显
著升高，因此，酚酸类碳源可能是美洲商陆根际铀
表 5 与 PC1 和 PC2 显著相关的主要碳源
Table 5 Main substrates with high correlation coefficients to PC1
and PC2
主成分 碳源 r
PC1 糖类 D-半乳糖酸内脂 0． 980
甘氨酰-L-谷氨酸 0． 965
L-精氨酸 0． 979
L-天门冬酰胺 0． 978
吐温 40 0． 964
羧酸 苯乙胺 0． 964
α-D-乳糖 0． 954
D，L-α-磷酸甘油 0． 980
多聚物 2-羟基苯甲酸 0． 971
D-苹果酸 0． 933
胺类 N-乙酰-D-葡萄糖胺 0． 981
γ-羟丁酸 0． 974
氨基酸 α-环式糊精 0． 996
PC2 糖类 衣康酸 0． 979
D-木糖 0． 969
多聚物 腐胺 0． 971
氨基酸 L-苯基丙氨酸 0． 981
4-羟基苯甲酸 0． 946
9902
环 境 科 学 学 报 34 卷
污染中单一敏感的一类碳源． 此外，本研究中随着
铀剂量的增加，美洲商陆提取铀量不断增加，这表
明，尽管铀含量的增加导致美洲商陆根际微生物活
性降低，但微生物类群对根际土壤铀的活化能力却
增强，才导致植物对铀的提取量增加．
土壤铀污染不但对根际土壤微生物代谢活性
产生影响，而且改变了根际微生物群落功能多样
性，使微生物对碳源的选择发生转移． 康敏明等
(2009)在广州工业区的研究表明，重金属胁迫导致
土壤微生物代谢活性滞后，微生物群落功能多样性
降低．本研究中铀胁迫得到类似结果:随铀胁迫程
度的增加，Shannon多样性指数和 Shannon均匀度指
数明显减小，Simpson 指数明显增大，说明铀胁迫降
低了根际微生物群落功能多样性、均匀度及优势微
生物种类． 根际微生物对各类碳源利用情况表明，
对糖类、羧酸类和胺类的利用显著降低，对酚酸类
的利用显著升高．应用 96 h各类碳源的吸光值进行
聚类分析和主成分分析，结果显示(图 4) ，不同剂量
铀胁迫均使美洲商陆根际微生物对碳源的利用模
式异于对照组，这可能是因为铀毒引起根际土壤养
分发生改变，导致铀敏感微生物的死亡，耐铀微生
物数量增加，从而改变了微生物类群． 由于美洲商
陆对铀的富集量显著增加，由此推断，根际耐铀微
生物可能会调节土壤中铀的生物有效性，协助美洲
商陆吸收铀和抵抗铀胁迫． Garland 等(1991)研究
认为，各样本在空间上位置的不同是与碳底物的利
用能力相关联的． 具体而言，PC 轴坐标的差异是与
聚集在该 PC 轴上碳源相联系的． 对照和铀处理根
际微生物群落对碳源利用的差异主要体现在 PC1
上，对照和处各理分别分布于 PC1 的正轴和负轴，
因此，对照根际微生物对 PC1 所代表的糖类和羧酸
类等碳源具有较高的利用;而铀胁迫下根际微生物
对 PC1 所代表的碳源利用较低，这表明铀胁迫下美
洲商陆根际微生物群落发生的改变，可能是由于利
用糖类和羧酸类碳源的微生物数量减少所致． 这与
Gremion等(2004)的研究结果相似，微生物对重金
属的适应可能是以减少以某种特殊有机物为碳源
的微生物数量为代价的．
5 结论(Conclusions)
1)低剂量铀污染可以促进美洲商陆生长，表明
高剂量铀污染抑制了美洲商陆生长，铀污染对美洲
商陆生长的影响可能存在一个阈值，该阈值介于 25
～ 50 mg·kg－1 之间，具体值还有待研究．铀在美洲商
陆各部位的分布情况为根＞叶＞茎，美洲商陆对铀的
总富集量较大，是一种较为理想的修复铀尾矿的多
年生草本植物．
2)土壤中铀含量与美洲商陆根际微生物代谢
活性呈负相关，铀胁迫导致根际微生物对糖类、羧
酸类和胺类的利用显著降低．
3)铀胁迫致使美洲商陆根际微生物群落异于
正常情况下的根际微生物群落． 一方面铀胁迫降低
了根际微生物群落功能多样性、均匀度及优势微生
物种类，另一方面铀胁迫导致对碳源的选择发生改
变．然而，美洲商陆根际微生物群落中究竟哪些微
生物发生改变，所产生的效应如何，还有待进一步
深入研究．
责任作者简介:罗学刚(1957—)，教授，博士生导师，长期从
事生物质改性与深加工利用、重金属污染环境修复方面的研
究，在国内外重要学术期刊上发表论文 100 余篇，被 SCI、EI
收录 40 余篇．
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