黑麦草修复铀污染土壤的根际效应分析

牛天洋 史泽涵 陈井影 廉欢 王奕凯 张天然

摘要 選取黑麦草作为供试植物，通过模拟根箱栽培试验，探究在不同外源铀下黑麦草修复铀污染土壤的根际效应。研究结果表明：黑麦草植株地上部和根部铀含量直接受外源铀浓度影响，黑麦草地上部分和根部富集系数均大于1，但转运系数均小于1，黑麦草主要将铀富集在根部，同时，土壤铀含量达到一定水平会抑制黑麦草的生长导致其生物量降低。根际土壤与非根际土壤中铀主要以惰性铀的形式存在。随着土壤铀浓度的增加，根际处惰性铀的含量明显低于非根际处，这表明根际土壤对惰性铀具有活化作用，植物根系分泌物促进惰性铀的转化，将惰性铀转化为可被植物吸收的活性铀或潜在活性铀。

关键词 植物修复;黑麦草;铀污染土壤;根际效应

中图分类号 X53 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2021）03-0069-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.03.019

Abstract In this thesis，ryegrass was selected as the test plant，and through the simulation of root box cultivation experiment，the rhizosphere effect of ryegrass under different exogenous uranium to repair uraniumcontaminated soil was explored.The results showed that the uranium content in the aerial parts and roots of ryegrass plants was directly affected by the concentration of exogenous uranium.The enrichment coefficients of the upper parts and roots of the ryegrass grassland were both greater than 1，but the transport coefficients were both less than 1.The ryegrass mainly enriched uranium in the roots.At the same time，when the soil uranium content reached a certain level，it would inhibit the growth of ryegrass and caused its biomass to decrease.Uranium in rhizosphere soil and nonrhizosphere soil mainly existed in the form of inert uranium.With the increase of soil uranium concentration，the content of inert uranium in the rhizosphere was significantly lower than that in the nonrhizosphere，which indicated that the rhizosphere soil had an activation effect on inert uranium，and the plant root exudates promoted the conversion of inert uranium，converting inert uranium into active uranium or potentially active uranium that can be absorbed by plants.

Key words Phytoremediation;Ryegrass;Uranium contaminated soil;Rhizosphere effect

核工业的快速发展，导致铀矿资源被过度开采，进而产生了大量含有238U、40K、232Th、226Ra等放射性核素的废水、废石、废渣等放射性废物，这些放射性废物中含有生命周期较长的放射性核素，而目前的技术水平及经济条件无法将放射性核素完全从放射性废物中分离出来[1-2]。

物理法、化学法和生物法是修复含有放射性铀污染土壤的主要方法。早期，我国研究者主要利用物理法和化学法来修复含有放射性铀污染的土壤，比如客土法、离子交换法和氧化还原法等，但由于技术不成熟且成本过高，导致修复土壤的结构及理化性质遭到破坏，造成二次污染。为了更加经济有效地去除土壤中的放射性铀，我国研究者采用生物法来修复含铀土壤。其中植物修复技术是生物修复技术中的一种，具有成本低，维护费用小，易操作，不容易造成二次污染，且能够实现资源回收利用的优点，深受国内外学者重视[3]。

多年生黑麦草是禾本科早熟禾亚科黑麦草属多年生疏丛型草本植物，是我国南北方普遍种植的优质牧草和常用的优质草坪草，其再生能力强，易于种植[4]。有报道表明黑麦草对铀有较强的富集能力[5]。目前对铀污染下黑麦草对铀的富集机理分析还不够深入，特别是外源铀作用下根际环境如何影响修复作用的机理研究还不多，这对铀污染土壤植物修复技术的应用至关重要。该研究采用模拟根箱栽培技术探究在不同铀浓度胁迫下黑麦草修复铀污染土壤的根际效应。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂 试验所用仪器见表1[6]。试验所用试剂及去离子水均是符合国家标准的分析纯试剂。试验中所用的主要化学试剂有硝酸、氢氟酸、高氯酸、氢氧化钠、抗干扰铀荧光试剂、草酸、草酸铵、柠檬酸三钠、碳酸氢钠、连二亚硫酸钠、醋酸、30%双氧水溶液。

1.2 供试材料

供试植物为黑麦草，多年生优良牧草植物。从农贸市场中选择颗粒饱满、大小均匀且无毒无蛀完整的种子。

供试土壤均为无铀污染的土壤，取0～20 cm的表层土壤。土壤为红壤土，颜色为黄色，pH为中性（6.32），基本理化性质如下：有机质35.543 g/kg，碱解氮115.423 mg/kg，速效磷32.246 mg/kg，速效钾106.753 mg/kg。

1.3 栽培试验 将供试土壤放在空旷通风处进行风干，土壤风干后磨细再过2 mm筛，将过筛后的土壤依次放入根箱中并加入底肥（尿素0.5 g/kg，磷酸二氢钾0.44 g/kg）混匀待用。将土壤样品分成4个处理组，每处理组3个重复，同时设置一批对照组。铀（U）以UO2（NO3）2·6H2O溶液的形式加入土壤中，然后均匀搅拌。土壤中铀溶液的浓度分别为5、10、15、20 mg/kg，土壤静置7 d后进行播种。

将上述供试土壤放入根箱中，根箱中间被300目尼龙网分隔开，将黑麦草种植在根箱一侧，作为根际侧，土壤为根际土壤;另一侧为非根际侧，土壤为非根际土壤。保持田间持水量，黑麦草的生长周期为45 d。

1.4 测试方法

植物样品和土壤样品中铀的测定采用激光液体荧光法，土壤样品中铀的各形态采用在Tessier[7]五步提取法基础上修改的逐级化学提取法来确定。

富集量等相关计算见公式（1）和（2）。

式中，Cground为黑麦草地上部铀含量（mg/kg）;Croot为黑麦草根部铀含量（mg/kg）;Csoil为土壤铀浓度（mg/kg）。

1.5 数据处理与统计分析

数据处理使用WPS2019软件，使用SPSS17.0对数据进行Duncans法单因素方差分析和多重比较，P<0.05为显著，P<0.01为极显著，最后使用Origin2017作图。

2 结果与分析

2.1 铀胁迫对黑麦草生物量的影响

由表2可知，黑麦草地上部和根部干重在不同浓度铀处理之间存在显著差异（P<0.05）。随着土壤铀浓度的升高，黑麦草地上部干重和根部干重均呈先增加后降低趋势。在土壤铀浓度为5 mg/kg时，黑麦草地上部和根部干重均达到最大值：地上部干重為270.685 mg/盆、根部干重为146.415 mg/盆，分别较对照增加了8.7%和9.4%。随着土壤铀浓度的升高，黑麦草地上部干重和根部干重逐渐降低，在10～20 mg/kg铀胁迫下，黑麦草地上部和根部干重分别较对照降低了7.4%、22.2%、32.8%和19.4%、27.2%、45.7%，这表明土壤铀浓度达到一定高度会抑制黑麦草的生长，导致其生物量降低。这与王帅等[8]低浓度铀会促进植物生长，高浓度铀会抑制植物生长的研究结果保持一致。

2.2 铀胁迫对黑麦草富集量的影响 由图1可知，随着土壤铀水平的升高，黑麦草植物地上部和根部铀含量均呈增加趋势（P<0.05），说明黑麦草植物体内铀含量直接受外源铀浓度影响，这与徐国聪等[9]的研究结果基本一致。黑麦草根部铀含量明显高于地上部分，说明黑麦草根部吸收铀贡献显著大于地上部，即黑麦草富集铀的主要器官为根部。在土壤铀水平为20 mg/kg时，黑麦草根部铀含量达到最大值为829.25 mg/kg，比陈威[10]报道间作竹柳地下部铀含量305.635 mg/kg要高很多，分别较其他3个处理组增加了151.3%、55.9%、1.5%;而黑麦草地上部铀含量在15 mg/kg铀胁迫时达到最大值为81.967 mg/kg，分别较其他3个处理组增加了194.5%、34.6%、0.5%。当土壤铀浓度分别为15、20 mg/kg时，黑麦草根部铀含量相差无几，说明土壤铀浓度达到一定水平时，黑麦草根部对铀的富集量会呈现饱和状态。

2.3 铀胁迫对黑麦草富集系数和转移系数的影响

植物体内铀含量与土壤中铀含量之比为富集系数[11]（BCF），其值越大，则表明植物富集能力越强。植物地上部分铀含量与根部铀含量之比为转运系数[11]（TF），其值越大，则表明植物将铀从根部转运到地上部的能力越强。由公式（1）和（2）可得计算结果如表3所示。黑麦草地上部铀富集系数（BCF）随铀浓度增加呈先增加后降低趋势，在10 mg/kg铀浓度下黑麦草地上部BCF达到最大值为6.088，较其他3个处理组增加了9.4%、11.4%、49.3%。黑麦草BCF根部显著大于地上部，在5 mg/kg铀浓度下黑麦草根部BCF达到最大值为66.007，较其他3个处理组增加了24.1%、21.3%、59.4%。黑麦草转运系数在10 mg/kg铀浓度下达到最大值为0.114，且所有处理下转运系数均小于1。与文献[12-14]中的研究结果“超富集植物应满足富集系数大于1”保持一致。但转运系数小于1，表明黑麦草将铀从根部转运到地上部的能力较差，不符合超富集植物特点。

2.4 根际效应分析

含铀土壤中铀的形态可分为可交换态、碳酸盐结合态、有机质结合态、无定型铁锰氧化态/氢氧化物结合态、晶质型铁锰氧化物/氢氧化物结合态和残渣态6种。其中可交换态铀和碳酸盐结合态铀称为活性铀，有机质结合态铀和无定型铁锰氧化物/氢氧化物结合态铀称为潜在活性铀，植物容易吸收活性铀或潜在活性铀;而晶质型铁锰氧化物/氢氧化物结合态铀和残渣态铀称为惰性铀，不易被植物吸收[15-17]。由圖2可知，根际土壤中各相态铀占总相态铀含量的平均百分比为惰性铀（46.6%）>潜在活性铀（29.47%）>活性铀（23.93%）;非根际土壤中各相态铀占总相态铀含量的平均百分比为惰性铀（60.22%）>活性铀（21.21%）>潜在活性铀（18.57%）。在不同浓度铀胁迫下，根际土壤和非根际土壤中惰性铀含量明显高于其他2种相态铀含量，这表明根际土壤与非根际土壤中铀主要以惰性铀的形式存在。随着土壤铀浓度的增加，根际处惰性铀含量逐渐低于非根际处，这表明黑麦草根系具有很强的活化能力，黑麦草根系分泌出某种有机酸能够对根际土壤中惰性铀进行转化，将惰性铀转化为可被植物吸收的活性铀或潜在活性铀。有研究表明：土壤的pH是影响铀活性的重要因素[18]。有机酸在被施入土壤后可与重金属形成可溶的络合物，不仅促进了稳定态的重金属向土壤溶液中迁移，而且也使重金属很容易随着植物的蒸腾作用从根部向地上部迁移，显著提高了植物体内重金属的含量[19-20]。研究证实，超富集植物印度芥菜能够从根系中分泌出柠檬酸作为螯合剂，与土壤中的重金属离子相结合，提高重金属在土壤溶液中的移动性，使得通过质流、扩散等作用到达植物根际土壤的重金属离子的量的增加，从而增加植物根系对重金属的富集量，促进植物将重金属从根系转运到地上部[21]。

3 结论

采用模拟根箱栽培试验，通过对黑麦草进行不同浓度铀（5、10、15、20 mg/kg）处理，对黑麦草生物量、植物体内铀含量及根际与非根际土壤中铀的赋存形态进行测定与分析，研究结果如下。

（1）黑麦草地上部和根部干重在不同浓度铀处理之间存在显著性差异（P<0.05）。随着土壤铀浓度的升高，黑麦草的地上部干重和根部干重均呈先增加后降低趋势。

（2）黑麦草根部铀浓度明显高于地上部分，随着土壤铀浓度的升高，黑麦草地上部和根部铀浓度呈显著增加趋势（P<0.05）。黑麦草地上部和根部富集系数大于1，但转运系数均小于1，说明黑麦草主要将铀富集在根部。

（3）在不同浓度铀胁迫下，根际土壤与非根际土壤中铀均以惰性铀形式存在。随着土壤铀浓度的增加，根际处惰性铀含量逐渐低于非根际处，说明黑麦草根系可能分泌出某种有机酸作为螯合剂促进了铀向根际土壤处迁移，导致根际土壤中惰性铀较非根际处易于转化为活性铀。

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