全 文 :文章编号 :100028551 (2009) 0120123205
盆栽条件下三种植物对污染土壤中放射性铯的吸收试验
郑洁敏1 ,2 李红艳2 ,3 牛天新1 唐世荣4 陈子元2
(11 杭州市农业科学研究院 ,浙江 杭州 310024 ;21 浙江大学农业与生物技术学院原子核农业科学研究所 ,浙江 杭州 310029 ;
31 济宁市环保局 ,山东 济宁 272100 ; 41 农业部环境保护科研检测所生态毒理与环境修复研究中心 , 天津 300191)
摘 要 :温室盆栽条件下 ,在134 Cs 污染土壤中移栽酸模、戟叶酸模和向日葵 3 种植物 ,对其地上部放射性
铯积累量的动态变化进行了研究。结果表明 ,向日葵地上部生物量显著高于酸模和戟叶酸模 ;处理 50d
时 ,向日葵地上部134 Cs 比活度在 3 种植物中达到最高 ,而在处理 70d 时 ,酸模地上部134 Cs 的比活度达到
最高 ;处理 70d 时 ,酸模、戟叶酸模和向日葵对134 Cs 的富集系数均大于 1 ,分别达到 115、114 和 113 ,且前
2 种植物继续保持快速上升的趋势。3 种植物对铯污染土壤具有一定的忍耐性和较强的从土壤向植物
转移铯的能力 ;在本试验期内 (70d)向日葵对土壤中放射性铯的剔除能力最强 ,而酸模和戟叶酸模则具
有更强的铯转移能力。因此 ,3 种植物可用于放射性铯污染土壤的修复 ;同时 ,对于放射性铯和重金属
复合污染的土壤也具有修复潜力。
关键词 :酸模 ;戟叶酸模 ;向日葵 ;134 Cs ;植物修复
收稿日期 :2008206209 接受日期 :2008209213
基金项目 :国家重点基础研究发展规划项目 ( G1999011800)
作者简介 :郑洁敏 (19772) ,女 ,浙江上虞人 ,博士 ,主要从事污染环境生态修复的研究工作。Tel :0571287581397 ; E2mail :jmzh04 @1631com
通讯作者 :唐世荣 (19632) ,男 ,广西全州人 ,博士 ,研究员 ,主要从事污染环境的生态修复和化学修复研究工作。E2mail :tangshir @hotmail . com
UPTAKE OF RADIOCESIUM BY THREE PLANTS GROWN IN 134 Cs CONTAMINATED
SOIL UNDER POT EXPERIMENT CONDITION
ZHENGJie2min1 ,2 LI Hong2yan1 ,3 NIU Tian2xin1 TANG Shi2rong1 ,4 CHEN Zi2yuan1
(11 Hang Zhou Academy of Agricultural Sciences , Zhejiang , Hangzhou 310024 ;
21 Institute of Nuclear Agricultural Sciences , Zhejiang University , Zhejiang , Hangzhou 310029 ;
31Jining Environmental Protection Agency , Shandong , Jining 272100 ;
41 Centre for Research in Ecotoxicology and Environmental Remediation , Institute of Agro2environmental Protection ,
Ministry of Agriculture of China , Tianjin 300191)
Abstract :Pot experiment was conducted to investigate the accumulation dynamics of 134 Cs in shoots of Rumex acetosa , Rumex
hastatus and Helianthus annuus grown in 134 Cs contaminated soil under greenhouse condition. Results showed that shoot
biomass of H. annuus was significantly higher than that of R . acetosa and R . hastatus ; among 3 plant species , 134 Cs
specific activity in shoots was the highest in H. annuus after treatment for 50 days , however after treatment for 70 days , that
in R . acetosa was the highest . Bioaccumulation ratio reached 115 , 114 and 113 in R . acetosa , R . hastatus and H.
annuus at the end of experiment , respectively , and the former two plants kept with trend of continuously increasing during the
experiment period. Three plants were tolerant to 134 Cs contaminated soil and capable to translocate 134 Cs from soil to plants.
Among them , H. annuus removed greatest 134 Cs amount in the above ground part , and R . acetosa , R . hastatus showed
higher tranclocation factor of Cs than H. annuus. Three plants are promising for phytoremediation of soil contaminated with
radiocesium , and also could be used for phytoremediation of radiocesium and heavy metals complex contamination , potentially.
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Key words : Rumex acetosa ; Rumex hastatus ; Helianthus annuus 134 Cs ; phytoremediation
随着核技术军用和民用的日益增多 ,放射性核素
在工业、农业、能源、军事、交通、医疗卫生等领域中广
泛应用 ,土壤中的放射性核素特别是长寿命核素的本
底值有增加的趋势。
137 Cs 是放射性尘埃和核燃料废物中重要的核素
之一 ,其半衰期 30117 年 ,也是生物学上最危险的放射
性核素之一。放射性铯在土壤中的迁移速度很慢 ,而
且作为钾的营养类似物被作物吸收 ,从而进入生态系
统食物链 ,对人类健康产生严重的危害。进入水体和
土壤环境的放射性核素 ,清除起来非常困难。常规的
物理和化学方法虽然可以用来处理土 - 水系统中的低
放核素 ,但成本高 ,易造成二次污染 ,因而无法实地操
作[1 ] 。目前认为 ,植物修复技术是治理放射性核素污
染环境的有效手段之一 ,国内外已有较多报道[2~8 ] 。
Broadley[5 ]认为对放射性铯吸收能力较强的植物主要
集中在藜科、苋科或是菊科。到目前为止 ,有关蓼科植
物大量蓄铯的报道较少见。蓼科植物酸模 ( Rumex
acetosa)和戟叶酸模 ( Rumex hastatus) 可生长在铜污染
的土壤中 ,生物量较一般矿区生长的植物大 ,并能在植
物体内积累一定量的铜 ,具有较强的耐铜和蓄铜能
力[9 ,10 ] ;向日葵 ( Helianthus annuus) 属于菊科植物 ,其生
物量较大、生长快速 ,且对 Cd、Cu 等重金属都有忍耐
和富集的能力[11 ,12 ] 。本试验以半衰期较短的134 Cs (半
衰期为 21062 年)作为137 Cs 的示踪核素 ,在温室盆栽条
件下 ,对放射性铯污染土壤中生长的酸模、戟叶酸模和
向日葵地上部分对铯的吸收积累动态变化进行了研
究 ,以进一步挖掘这 3 种草本植物在植物修复技术中
的利用价值。
1 材料与方法
111 供试土壤134 Cs 污染处理
供试土壤取自华家池实验农田 ,为粉砂壤土。土
壤去除草根 ,过 3mm 筛后 ,在黑暗中保存。预先测定
土壤的最大田间持水量、含水量和各项物理化学性质
(表 1) ,其测定方法参照文献[13 ]。
试验用塑料盆高 18cm ,直径 15cm ,每盆装土 110
kg(干重) 。将 Ca (NO3 ) 2·H2O、CaHPO4 、KH2 PO4 、H3BO3
以每 kg 土 (烘干重)含氮 100mg、磷 400mg、钾 126mg、硼
1mg 的比例作为基肥混入盆土中[14 ] 。将土和基肥混和
均匀 ,加水至最大田间持水量 ,平衡 2 周后 ,每 kg 土加
入134 Cs 1141 ×105 Bq ,充分混匀后装入盆中 ,再次加水
至最大田间持水量。污染土壤在避光潮湿条件下 ,平
衡 8 周后备用。
表 1 供试土壤的理化性质
Table 1 Physical and chemical properties
of the soil used in experiment
理化性质指标
main physical and chemical properties
数值
value
粘土 clay ( %) 917
粉粒 silt ( %) 7417
砂粒 sand ( %) 1516
总 N total N( %) 0106
总 P total P ( %) 0124
有效 P available P (mgΠkg) 58110
有效 K available K (mgΠkg) 22174
pH值 水浸提 (H2O) 7114
0101molΠL CaCl2 浸提 (0101 molΠL CaCl2) 6189
CEC (cmolΠ100g 土) 7127
有机 C organic matter C ( %) 1150
112 供试植物的培养和处理
向日葵、酸模和戟叶酸模种子用 1 %NaClO 消毒
10min ,用自来水、蒸馏水各冲洗 3 次后 ,在基质 (珍珠
岩∶蛭石 = 1∶1) 中育苗。待长出 1~2 片真叶 ,挑选长
势均匀的幼苗 ,用蒸馏水洗净根系基质 ,移植于经处理
的盆土中 ,每盆种植 3 株 ,每种植物 15 盆。于植物移
栽后 30、40、50、60 和 70d 取样 ,每次每种植物取样 3
盆 ,用于植物生物量干重测定。
113 生物量的测定
取新鲜植物茎叶部 ,先后用自来水、去离子水冲洗
干净 ,吸水纸吸干水分装入纸袋 ,放入烘箱中 110 ℃杀
青 30 min ,80 ℃烘干至恒重。样品称干重后用研钵磨
碎 ,称取 110 g 于玻璃试管 («10mm) 中 ,测定其放射性
134 Cs 比活度。
114 134 Cs 比活度的测定
134 Cs 主要发射γ射线 ,放射性测量采用 BH21224
型微机 - 多道一体化能谱仪 (北京核仪器厂生产) 。该
谱仪在铅屏蔽室中配置倒置的 «700mm NaI 闪烁探头。
测样用的试管置于倒置的闪烁探头上面 ,并用定位装
置固定其放置的位置 ,以保证所有样品测量的几何位
置的一致性。探头工作电压 625V ,阈值 0118。在样品
测量前 ,先确定计数测量道 :将134 Cs 污染处理的土壤
称取若干进行能谱测量 ,根据所测得的能谱图 ,选定第
一个谱峰即最高峰 (310~410 道) 为计数测量道 ;用
134 Cs的标样 (中国原子能研究院同位素所 ,2000 年 5
月)确定仪器的工作效率 ,测量误差控制在 5 %内 ;用
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空试管测量 10min 作为本底值 (4 次重复的平均值) 。
测量结果经探测效率、死时间、衰变等校正后换算成样
品的放射性比活度。所有样品在采样当天完成测量 ,
以减少由于水分蒸发而造成的误差。
2 结果与分析
211 3 种植物生物量的变化
134 Cs 处理后 3 种植物的生物量变化见图 1。从图
1 可以看出随着栽培时间的增加 ,向日葵、酸模和戟叶
酸模的生物量都呈现出平稳上升的趋势 ,说明134 Cs 处
理可能对 3 种植物的生长影响不大 ,但 3 种植物之间
生物量差异较大。向日葵茎叶干重明显大于酸模和戟
叶酸模 ,其差异达到极显著水平 ( P < 0101) ,酸模生物
量略大于戟叶酸模 ,但二者之间差异不显著。
图 1 向日葵、酸模和戟叶酸模地上部
生物量干重的动态变化
Fig. 1 Changes of aboveground biomass
of H. annuus , R . acetosa and R . hastatus
212 3 种植物地上部对134 Cs 的吸收动态
3 种植物地上部对134 Cs 的吸收动态见图 2。随着
处理时间的延长 ,植物蓄积134 Cs 比活度也不断增加 ,
移栽 70d 时 ,向日葵、酸模和戟叶酸模地上部分的134 Cs
比活度分别为 14615、17110 和 15411 BqΠg ,其中酸模地
上部134 Cs 比活度显著高于另 2 种植物。由图 2 可以看
出 ,随处理时间变化 ,3 种植物地上部对134 Cs 的吸收特
性不同。在处理 50d 时 ,向日葵地上部比活度显著高
于另 2 种植物 ,但 50d 以后 ,向日葵地上部134 Cs 比活度
的增加幅度却趋平缓。向日葵134 Cs 比活度与其栽培
时间之间的相关性达到极显著水平 ,其134 Cs 比活度
(BqΠg)随时间 t (天) 的线性回归方程为 : y = 21225 t
+ 010471 ( r = 019408 , P < 0101) 。酸模在处理 40d
内 ,其地上部134 Cs 比活度增加缓慢 ,而在 40d 后又急剧
上升 ,处理 70d 时 ,酸模地上部134 Cs 比活度在 3 种植物
中达到最高 ,其134 Cs比活度 (BqΠg)随时间 t (天) 的线性
回归方程为 : y = 218964 t - 321222( r = 019365 , P <
0101) 。戟叶酸模地上部134 Cs 比活度在处理后 50d 内 ,
增加较为缓慢 ,50d 后则快速增长 ,其134 Cs 比活度 (BqΠ
g)随时间 t (天) 的线性回归方程为 : y = 212971 t -
161455( r = 01916 , P < 0101) 。
图 2 向日葵、酸模和戟叶酸模地上部134 Cs
比活度的动态变化
Fig. 2 Changes of 134 Cs specific activity in aboveground
of H. annuus , R . acetosa and R . hastatus
213 3 种植物对134 Cs 的剔除总量
放射性 Cs 的剔除总量 (即134 Cs 比活度与相对应的
干物质量的乘积) ,被用于衡量植物对放射性 Cs 的修
复潜力。从图 3 可以看出 ,随着处理时间的增加 ,3 种
植物地上部134 Cs 的剔除量不断增加 ,移栽 70d 后 ,每盆
向日葵、酸模和戟叶酸模对134 Cs 剔除量的平均值分别
为 58817、34716 和 29316 BqΠpot ,其中向日葵对134 Cs剔
除量远远大于 2 种蓼科植物 ( P < 0101) ,酸模134 Cs 的
剔除量显著高于戟叶酸模 ( P < 0105) 。向日葵地上部
对134 Cs 的剔除总量远远高于另 2 种植物 ,主要是因为
其具有较大的地上部生物量。
214 3 种植物134 Cs 富集系数的变化动态
生物富集系数 (BCF = 植物中134 Cs 比活度Π土壤中
134 Cs 比活度) 通常用来衡量元素的生物迁移及植物对
其的富集能力。本试验中 3 种植物的134 Cs 富集系数变
化动态见图 4。随着栽培时间的增加 ,3 种植物富集系
数的变化趋势与地上部134 Cs 比活度的变化趋势一致 ,
都不断增加 ,到移栽 70d 后 ,向日葵、酸模和戟叶酸模
的富集系数分别达到了 113、115 和 114。酸模和戟叶
521 1 期 盆栽条件下三种植物对污染土壤中放射性铯的吸收试验
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图 3 向日葵、酸模和戟叶酸模地上部对
134 Cs 的剔除量的动态变化
Fig. 3 Changes of 134 Cs removal amount by aboveground
of H. annuus , R . acetosa and R . hastatus
酸模在试验后期 ,保持快速上升的趋势 ,表现出较强的
富集潜能。
图 4 向日葵、酸模和戟叶酸模地上部
134 Cs 富集系数的动态变化
Fig. 4 Changes of 134 Cs BCF of H. annuus ,
R . acetosa and R . hastatus
3 讨论
本研究中 ,随着处理时间的增加 ,3 种植物地上部
生物量都呈现出平稳上升的趋势 ,表明其对放射性 Cs
具有一定的耐性。向日葵生物量远远高于酸模和戟叶
酸模 ,其对土壤中134 Cs 的总剔除量相应地显著高于 2
种蓼科植物。
从134 Cs 比活度来看 ,在 Cs 污染土壤中生长 70 d
后 ,酸模和戟叶酸模地上部的平均比活度分别达到
17110 和 15411 BqΠg ,高于向日葵 (14615 BqΠg) ,并有继
续上升的趋势 ,表现出一定的 Cs 蓄积能力。已有的报
道除了籽粒苋、苋菜等少数植物能超量积累 134 Cs
外[15 ,16 ] ,多数植物对134 Cs 的蓄积能力并不强。陈传群
等[17 ]报道 ,小麦在拔节期、孕穗期、扬花期分别灌溉
185kBq 134 Cs 时 ,其麦杆中134 Cs 比活度达到最大 ,为
76196 BqΠg ;徐寅良等[18 ] 的研究也表明 ,叶菜、瓜果类
蔬菜作物 ,大豆、玉米等粮食作物以及油菜等油料作物
对134 Cs 的蓄积能力都不强 ,其中小白菜体内134 Cs 比活
度最高 ,也仅有 128124 BqΠg。
生物富集系数常被用来衡量植物对134 Cs 的富集
能力。Lasat 等[7 ]报道在137 Cs 污染土壤中生长的植物 ,
地上部137 Cs 的富集系数仅在 0~110 之间 ;生长在含石
灰质的酸性土壤中的橄榄树和柑桔树对134 Cs 的富集
系数小于 0105[19 ] 。Dushenkov 等[20 ] 的研究表明苋科植
物的生物富集系数多在 013~2103 之间 ;而 Tang 等[15 ]
报道 ,籽粒苋对134 Cs 的富集系数在 2120~3122 之间 ,
苋菜134 Cs 的富集系数在 2141~2179 之间。比较之下 ,
本试验中的 3 种植物地上部对134 Cs 的富集系数虽然没
有报道的苋科植物大 ,但是均大于 1 ,较一般植物高 ,
酸模和戟叶酸模在试验后期仍保持着快速上升的趋
势 ,表现出较强的从土壤中向植物茎叶部转运 Cs 的能
力。
多种措施可增加植物对土壤中污染物质的积累和
转移能力 ,从而提高植物修复技术的效率[21 ] 。Lasat
等[7 ]报道在137 Cs 污染的土壤中添加铵 ,卷心菜地上部
137 Cs 的生物富集系数由 110 提高到 310 ; Strandberg
等[22 ]报道帚石楠根部经过菌根处理后 ,植物茎叶部
134 Cs比活度增加至 259 BqΠg。本试验结果表明 2 种蓼
科植物对放射性 Cs 具有一定的耐性 ,且具有较强的从
土壤中转移 Cs 的能力 ,在采取一定的措施后 ,是否可
进一步提高对土壤中放射性 Cs 的清除能力还待进一
步的研究。
与其他的植物相比较 ,本试验中 3 种植物的另一
个特点是对重金属污染的土壤具有忍耐和富集能力。
因此 ,酸模、戟叶酸模和向日葵不仅对于放射性铯污染
土壤具有一定的修复潜能 ,也为可能存在的放射性铯
和重金属复合污染的土壤进行植物修复提供了植物储
备。
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