全 文 ：文章编号 :100028551 (2008) 032379204
抗辐射球菌对结球甘蓝吸收134 Cs 的影响
朱　聪　郭江峰
( 浙江理工大学生物工程研究所 , 浙江 杭州　310018)
摘 　要 :在土壤中引入134 Cs 后接种抗辐射球菌 ( Deinococcus radiodurans) ,研究其对放射性铯在土壤中化学
形态的影响。在抗辐射球菌存在的情况下 ,利用结球甘蓝 ( Brassica oleracea) 吸收134 Cs ,初步研究了134 Cs
化学形态与结球甘蓝对其吸收能力的关系。结果表明 :134 Cs 在土壤中主要以残留态形式存在 ,且接种
抗辐射球菌的土壤残留态134 Cs 比在无菌土壤中的比例高 28164 %～38117 %。结球甘蓝对134 Cs 的吸收量
约为 12100BqΠg ,但在接种抗辐射球菌后 ,结球甘蓝对134 Cs 的吸收量约为 8500BqΠg ,比未接种细菌时的吸
收量下降了约 29 %。抗辐射球菌可以改变134 Cs 在土壤中的化学形态 ,从而降低植物对134 Cs 的吸收。
关键词 :134 Cs ;抗辐射球菌 ;化学形态 ;结球甘蓝
EFFECT OF Deinococcus radiodurans ON UPTAKE OF
134 Cs BY Brassica oleracea
ZHU Cong 　GUO Jiang2feng
( Institute of Bioengineering , Zhejiang Sci2Tech University , Hangzhou , Zhejiang 　310018)
Abstract :Deinococcus radiodurans was inoculated into the soil which was spiked with 134 Cs to investigate its effect on chemical
speciation of 134 Cs. The relationship between chemical speciation of 134 Cs and its absorbtion capacity by cabbage ( Brassica
oleracea) in the presence of D . radiodurans was also investigated. The results showed that an increase of 28164 %～38117 %
in content of 134 Cs in residual phase was observed with presence of D . radiodurans in comparison with the aseptic control . The
amounts of radiocesium uptaken by cabbage were about 12100BqΠg under aseptic conditions , however , which were about
8500BqΠg with the presence of D . radiodurans. The proportion of 134 Cs taken up by cabbage decreased about 29 % in
comparison with the aseptic control . The chemical speciation could be influenced by D . radiodurans so that its uptake by
plants could be reduced.
Key words :134 Cs ; Deinococcus radiodurans ; chemical speciation ; cabbage
收稿日期 :2007204206 　接受日期 :2007212221
基金项目 :国家自然科学基金项目 (10405021)
作者简介 :朱　聪 (19812) , 男 , 浙江苍南人 , 硕士研究生 ,研究方向为生物芯片技术及应用。
通讯作者 :郭江峰 (19692) ,男 ,山东聊城人 ,教授 ,博士 ,从事生物芯片方面的研究工作。E2mail : jfguo @zstu. edu. cn　　137 Cs 的半衰期达 3012 年 ,其释放到环境中后主要分布在表层土壤中[1 ,2 ] 。由于铯与钾性质相似 ,因此 ,土壤中的137 Cs 易被植物吸收进入食物链 ,从而在人体内富集 ,对人体健康造成危害。进入土壤中的金属可以不同的化学形态存在 ,各形态金属具有不同的生物有效性[3 ] 。可交换态金属主要通过吸附作用附着于土壤颗粒表面 ,易于迁移转化 ,能被植物吸收 ;碳酸盐结合态金属受土壤 pH 影响较 大 ,pH升高会促使金属形成碳酸盐形态 ,pH 降低会使碳酸盐态金属朝游离态转化 ;铁锰态氧化物具有较大的比表面积 ,使其能在土壤中与金属结合 ,因此 ,该形态金属的生物有效性不高[4 ] ;有机态金属以金属为配位中心 ,生成难溶性物质 ,但在氧化条件下易于释放到土壤溶液中 ,被植物吸收 ;残留态金属主要以硅酸盐形式存在 ,在自然条件下能稳定存在 ,生物有效性较差。
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利用植物修复放射性铯污染的土壤已成为研究的
热点之一。对铯有较强积累能力的植物主要集中在十
字花科、苋科、藜科等[5 ] 。唐世荣等[6 ] 研究了 6 种苋科
植物对134 Cs 的吸收和积累。另外 ,微生物借助植物根
系分泌的有机酸可活化某些金属离子 ,影响植物对金
属离子的吸收[7 ,8 ] 。Entry 等研究表明 ,在被137 Cs 和90 Sr
污染的土壤中接种菌根菌 Glomus mosseae 可以促进 3
种草本植物 ( Paspalum notatum、Sorghum halpense 和
Panicum virginatum) 的生长 ,接种菌根菌的植株与不接
种的植株相比 ,接种植物体内的137 Cs 和90 Sr 含量显著
提高[9 ] 。土壤微生物的代谢活动改变了金属的化学形
态 ,从而影响植物对其的吸收。
抗辐射球菌 D . radiodurans 被认为是到目前为止
最具辐射抗性的生物。它能在 60GyΠh 持续辐照条件
下生长 ,其生长速率和外源基因表达不受影响[10 ] ,对
电离辐射的抗性是大肠杆菌的 200 倍[11 ] ,可用于放射
性环境污染的修复。结球甘蓝属十字花科植物 ,它对
放射性铯的吸收与铯的化学形态的关系及在 D .
radiodurans 作用下对放射性铯吸收的影响还未见报
道。
本文旨在研究抗辐射球菌对 Cs 在土壤中的化学
形态的影响 ,利用十字花科中的结球甘蓝 ( Brassica
oleracea) 吸收134 Cs 来研究 D . radiodurans 对其吸收能
力的影响 ,以期阐明铯的化学形态与结球甘蓝吸收能
力的关系。
1 　材料与方法
111 　材料
由于134 Cs 的半衰期比137 Cs 短 ,便于放射性废物处
理 ,本试验用134 Cs 代替137 Cs。134 CsCl 由中国原子能科
学研究院提供 ,放射性比活度为 317 ×109BqΠg。
抗辐射球菌 ( D . radiodurans R1) 由浙江大学原子
核农业科学研究所华跃进教授提供 ; TGY培养液含蛋
白胨 5gΠL、葡萄糖 1gΠL、酵母提取物 3gΠL ,加水溶解 ,调
pH至 710。
人工基质由珍珠岩、泥炭土、蛭石按 1∶1∶1 (VΠVΠ
V)的比例混匀组成。所用土壤为小粉土 ,取自浙江大
学华家池校区实验农场 ,根据美国土壤分类标准属始
成土 (inceptisols) ,其理化性质见表 1 ,在使用前将土壤
风干、研磨、过筛。
表 1 　土壤理化性质
Table 1 　Soil properties
土壤 soil pH(H2O)
有机质
OM(gΠkg) 粉粒silt ( %) 沙粒sand( %) 粘粒clay( %) 阳离子交换容量CEC(meqΠ100g)
小粉土 inceptisols (silty) 716 810 4415 612 913 2015
　　结球甘蓝种子购于杭州市种子公司 ,播于露天大
田 ,待菜苗生长至六叶期时用于试验。
112 　土壤中 Cs 的化学形态
11211 　土壤样品的预处理及134 Cs 的引入 　将土壤样
品过 40 目网筛 ,称取 1g 土壤样品于 50ml 离心管中 ,
共 12 份样品。在每个样品中各加 1ml 去离子水 ,用
60 Coγ射线辐照灭菌后在 30 ℃条件下培养 24h ,辐照灭
菌及培养操作连续重复 3 次。
将134 Cs 溶液经微孔过滤除菌 ,各取 1ml 添加到上
述 12 份样品中 ,134 Cs 溶液活度为 4148 ×106BqΠml ,各
样品中再添加 9ml TGY 培养液。其中 6 个接种 D .
radiodurans ,另外 6 个作为对照。均在无菌条件下操
作。
上述样品在 30 ℃黑暗条件下振荡培养 ,在第 4 天
和第 7 天分别随机取样。抽取的样品 5000rΠmin 离心
15min ,弃上清液 ,残留物用于以下134 Cs 的形态分析。
11212 　土壤中铯的化学形态分析 　134 Cs 的不同化学 形态按以下连续提取方法进行分析 :(1) 可交换态 :上述土壤样品中加入 8ml 1molΠLMgCl2 (pH 710) 提取液 ,25 ℃以 200rΠmin 振荡提取 1h ,然后以 5000rΠmin 离心 15min ,收集上清液 ,浓缩至约1ml ,再用多道γ谱仪测定放射性活度。残留物继续用于以下形态分析。(2) 碳酸盐结合态 : 在上述残留物中加入 8ml1molΠL NaOAc ΠHOAc 提取液 ,25 ℃,以 200rΠmin 振荡提取 5h ,然后 5000rΠmin 离心 15min ,收集上清液。浓缩及测定同上。(3) 铁锰氧化态 :在上述残留物中加入 20ml 用25 % HOAc (VΠV) 配制的 0104molΠL NH2OH·HCl 提取液 ,96 ℃下保温 6h ,并间歇振荡 ,5000rΠmin 离心 15min ,收集上清液。浓缩及测定同上。(4) 有机态 :在上述残留物中各加 3ml 0102molΠLHNO3 和 5ml 30 % H2O2 ,混匀 ,85 ℃保温 2h ,间歇振荡。
083 核　农　学　报 22 卷
再加入 3ml 30 %的 H2O2 (用 HNO3 调 pH 至 2) ,85 ℃继
续保温 3h ,并间歇振荡。冷却至室温后 ,加入 5ml 用
20 % HNO3 (VΠV) 配制的 312molΠL NH4OAc 提取液 ,于
25 ℃以 200rΠmin 振荡提取 30min ,然后 5000rΠmin 离心
15min ,收集上清液。浓缩及测定同上
(5) 残留态 :有机态提取后 ,剩余残留物中含有的
134 Cs 为残留态。样品烘干后 ,测定 Cs 的放射性活度。
在各步连续提取的过程中 ,将离心后的上清液转
移至另一个离心管中后 ,用 8ml 的去离子水清洗残渣 ,
5000rΠmin 离心 15min 后 ,弃上清液。残渣再用于下一
步提取。
113 　抗辐照球菌对结球甘蓝吸收134 Cs的影响
将人工基质装于直径 7cm、高 11cm 的密封瓶中 ,
并加入 80ml 去离子水 ,用60 Coγ射线辐照灭菌。灭菌
后的样品在 30 ℃条件下培养 24h ,辐照灭菌及培养操
作连续重复 3 次。
选取大小均一的六叶期结球甘蓝苗 ,苗根部先用
自来水冲洗 ,然后用 70 %乙醇浸泡 30s ,用无菌水清洗
2 次后移栽于人工基质中 ,每瓶 1 株。每瓶再加入无
菌水 100ml 和 10ml TGY培养液。在 6 瓶人工基质中分
别接种 1ml D . radiodurans ,其余 6 瓶各添加 1ml TGY
培养液作为对照 ,以上步骤均在无菌条件下操作。
将活度为 2186 ×105BqΠml 的134 Cs 溶液经微孔过滤
除菌后 ,量取 3ml ,从结球甘蓝苗根部缓慢施入人工基
质中。
移栽后的结球甘蓝苗在自然条件下生长 ,分别在
第 10 天和第 20 天取样。结球甘蓝苗根部经自来水充
分冲洗 ,用吸水纸吸干外部水分 ,于 50 ℃下烘干 ,粉碎
后称其干重 ,测量放射性活度。吸收量的计算公式 : Q
= qΠw ,式中 , Q 为吸收量 (BqΠg) , q 为植物吸收134 Cs 的
放射性活度 (Bq) , w 为植物干重 (g) 。
114 　放射性测定
134 Cs 在衰变过程中会产生β和γ射线 ,其中一个
特征峰在 340～450 道之间 ,利用装有 NaI 闪烁探头的
多道谱仪 (BH1224 型 ,北京核仪器厂) 测定其放射性活
度 ,测量误差控制在 5 %以内。
2 　结果
211 　放射性铯在土壤中的化学形态
134 Cs 在土壤中的化学形态随时间的变化如图 1 和
图 2 所示。培养 4d 后 ,没有接种微生物的土壤中吸附
的134 Cs 大约有 46119 %以残留态形式存在。接种 D .
radiodurans 的土壤中残留态的比例占 59142 % ,表明134
Cs 主要以残留态形式存在于土壤中。与无菌的土壤
相比 ,接种 D . radiodurans 134 Cs 的土壤碳酸盐结合态、
铁锰氧化态和有机态的比例略有降低 ,可交换态134 Cs
的量从 6112 %降到 2195 %。
培养 7d 后 ,残留态是134 Cs 在土壤中的主要形态 ,
134 Cs 的各种化学形态比例与 4d 的比例相比没有显著
差异。
图 1 　接种 D. radiodurans 4d 后土壤中134 Cs 的化学形态分布
Fig. 1 　Chemical speciation of 134 Cs in soil
with presence or absence of D . radiodurans
after incubation of 4 days
图 2 　接种 D. radiodurans 7d 后土壤
中134 Cs 的化学形态分布
Fig. 2 　Chemical speciation of 134 Cs in soil
with presence or absence of D . radiodurans
after incubation of 7 days
212 D . radiodurans 对结球甘蓝吸收134 Cs 的影响
D . radiodurans 对结球甘蓝吸收134 Cs 的影响如图
3 所示。移栽后第 10 天取样测定结果表明 :结球甘蓝
183　3 期 抗辐射球菌对结球甘蓝吸收134Cs 的影响
对134 Cs 的吸收量约为 12100BqΠg (干重) ,在接种了 D .
radiodurans 的人工基质中 ,结球甘蓝对134 Cs 的吸收量
约为 8500BqΠg(干重) 。与未接种 D . radiodurans 的人
工基质中生长的结球甘蓝相比 ,接种使134 Cs 的吸收量
降低了约 29 %。
移栽后第 20 天取样测放射性活度 ,结果表明 : 结
球甘蓝对放射性铯的吸收量约为 12100BqΠg (干重) ,
在接种了 D . radiodurans 的人工基质中 ,结球甘蓝对
放射性铯的吸收量约为 8500BqΠg (干重) 。经统计分
析表明 ,结球甘蓝在处理第 10 天和第 20 天时对放射
性铯的吸收量变化无差异。
图 3 　接种和不接种 D. radiodurans 时植物对134 Cs 的吸收
Fig. 3 　134 Cs uptake by cabbage with presence
or absence of D . radiodurans
3 　讨论
通过植物修复134 Cs 污染的土壤已经受到广泛的
重视和研究。杨俊诚等[12 ] 选用南瓜、油菜、虎尾草、红
梗叶甜菜、东升叶甜菜和红甜菜等几种植物 ,通过盆栽
试验 ,研究不同活度137 Cs 污染的广东大亚湾水稻土、
浙江秦山水稻土和北京褐土的生物修复作用。植物对
铯的吸收除本身因素之外还与 Cs 的化学形态及土壤
中的微生物有关。
一般认为金属残留态形态不能被植物所利用。细
菌的存在对土壤中金属的迁移能力既有正面作用 ,也
有反面作用。一方面 ,细菌通过分泌一些有机酸等化
合物溶解矿化的金属 ,提高其迁移能力 ;另一方面 ,它
们也会通过吸附、沉淀等作用限制金属的迁移[7 ,8 , 13 ] 。
在接种 D . radiodurans 后 ,土壤中134 Cs 的残留态比例
比其在无菌土壤中提高了 28164 %～38117 % ,并且最
适合植物利用的可交换态铯呈下降趋势。134 Cs 的残
留态形式比例显著提高 ,可能归因于细菌对134 Cs的吸
附、吸收和沉淀作用。
在人工基质中有 D . radiodurans 存在时 ,结球甘
蓝对放射性铯的吸收量下降了 29184 %～29153 % ,表
明 D . radiodurans 存在会影响134 Cs 的化学形态的分
布 ,并且会提高其残留态比例从而引起结球甘蓝对
134 Cs的吸收量下降 ,两者之间具有较强的相关性。与
未接种 D . radiodurans 的人工基质中生长的结球甘蓝
相比 ,接种了 D . radiodurans 的人工基质中的结球甘
蓝对 134 Cs 的吸收量有一定的下降 , 可能是 D .
radiodurans 吸附了一部分134 Cs ,并且这种吸附作用强
于它的活化作用 ,从而降低了结球甘蓝对134 Cs 的吸收
量。
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