一种新的锶超积累植物——串叶草

赖捷 邱孟琦 成建峰 冷阳春 庹先国

摘要 [目的]筛选适合污染区生长的超积累植物。[方法]采用野外采样法，以国内某核设施退役厂放射性污染区域为研究对象，测定了该区优势植物（共9科17种）和土壤中的137Cs、90Sr放射性含量，并进行了筛选与田间修复试验。[结果]污染区土壤137Cs和90Sr放射性含量的最大值分别为5.06×106和3.29×104 Bq/kg，均超过国际规定活度限值；菊科串叶草对137Cs的富集和转移系数均小于1.00，而对90Sr的富集和转移系数分别是3.25和2.95，均大于1.00；串叶草具备90Sr超积累植物特征且能修复土壤中5.9%的90Sr，可推荐串叶草对90Sr的污染土壤进行修复处理。[结论]首次发现并证实菊科串叶草是一种90Sr超积累植物，为开展污染区域修复治理工作提供参考。

关键词 铯-137；锶-90；放射性污染；植物修复技术；富集性能

Silphium perfoliatum：A New Hygrophyte with Strontium Hyperaccumulator Properties

LAI Jie1，QIU Meng-qi2，CHENG Jian-feng2，TUO Xian-guo3* et al

（1.Laboratory of National Defense for Radioactive Waste and Environmental Security， Southwest University of Science and Technology， Mianyang， Sichuan 621010；2.College of Nuclear Technology and Automation Engineering， Chengdu University of Technology， Chengdu， Sichuan 610059；3.College of Chemistry and Environmental Engineering， Sichuan University of Science&Engineering， Zigong， Sichuan 643000）

Abstract [Objective] The aim was to screen out hygrophyte with hyperaccumulator properties which could grow in pollution area.[Method] The field sampling method was adopted.On the basis of a nuclear facility decommissioning domestic factory， the content of 137Cs and 90Sr was determined in both dominant species （17 species， 9 families） and soil in polluted areas，and dominant species screening and phytoremediation tests were carried out.[Result] It was demonstrate that Silphium perfoliatum was a kind of 90Sr-hyperaccumualtor， and the maximum contents of 137Cs and 90Sr were 5.06×106 Bq/kg and 3.29×104 Bq/kg respectively， which were both above the maximum values of international regulations.The screening tests indicated that the enrichment and the transfer coefficience to 137Cs of Silphium perfoliatum were both below 1.00， while the coefficience to 90Sr were 3.25 and 2.95 respectively， which were both above 1.00.Silphium perfoliatum had the characteristic of 90Sr-hyperaccumualtor and was able to remedy 5.9% of 90Sr in the soil.[Conclusion] So Silphium perfoliatum can achieve the phytoremediation of contaminated soil with 90Sr， which can provide reference for the repair work of pollution area.

Key words 137Cs；90Sr；Radioactive contamination；Phytoremediation technology；Enrichment of performance

137Cs和90Sr是235U的裂变产物，由核设施退役、核燃料的生产与加工过程产生。137Cs可辐射β和γ射线，90Sr可释放高能β粒子，由于放射性物质会漂浮于空气中或沉降在土壤里，对食物链各级生命体造成潜在的照射危害，如果放射性物质剂量超标，将会对生物的生存环境造成巨大的威胁[1]，严重影响人类的健康[2]。由苏联的切尔诺贝利核事故可以看出，放射性核素90Sr、137Cs会對环境造成持久危害[3]。针对放射性污染如何治理，目前已进行大量的研究，例如常规的移土法[3]、客土法[4]、离子交换法[5]、氧化-还原法[6]等放射性污染治理方法，这些方法因成本高、易破坏土壤结构等缺点使其应用范围有限，但生物修复却因低成本、低扰动等特点而备受关注[7]。如何开发一种环境友好、经济上可行的技术来治理被放射性污染的土壤，已成为国内外研究工作者关注的焦点。目前，我国对放射性污染的植物修复技术研究还仅限于室内90Sr和137Cs超积累植物的筛选及植物转移机理的探究，缺乏田间大规模的植物修复经验[8]。

2.2 137Cs和90Sr在土壤-植物中的富集和转运特征

2.2.1 不同科目植物对137Cs和90Sr的富集和转运特征。

由图2可知，不同科目植物对137Cs和90Sr的富集能力不同。9科目植物的富集系数均小于1.00，菊科植物对137Cs表现出较高的富集能力，富集系数为0.43；其次表现出较高富集能力的是豆科植物，而其他8科目植物的富集系数均低于0.08。茄科、藜科和禾本科植物对90Sr的富集系数均小于1.00，其余6种科目植物90Sr的富集系数大于1.00，说明植物地上部分吸收核素含量高于土壤中核素含量，其中菊科植物的富集系数最高为6.16，即菊科植物对90Sr有较高的富集能力。

由图3可知，菊科植物137Cs和90Sr的转移能力均高于其他5科植物。不同科目植物对137Cs的转移系数均小于1.00，但菊科植物和豆科植物的转移系数高于其他科目植物约1个数量级。除禾本科植物对90Sr的转移系数最低外，其余5科植物的转移系数均大于1.00，其中菊科植物表现出超强的转运能力，转移系数为4.36。

2.2.2 不同植物对137Cs和90Sr的富集和转运特征。

由图4可知，串叶草对137Cs富集系数最高为0.31，其次是苜蓿和向日葵，且都高于其余植物约1个数量级。同时，其余14种植物的富集系数平均值为0.03。串叶草对90Sr的富集系数要远高于137Cs，对90Sr的富集系数为3.25，其中串叶草富集系数高于玉米、小麦和蚕豆等富集能力相对较低的植物约2个数量级。同时也发现夹竹桃、益母草、苜蓿、籽粒觅、白菜、白三叶和向日葵对90Sr的富集系数均高于1.00，表现出良好的富集能力，但均低于串叶草。

试验采集了玉米、马铃薯、菠菜等9种植物的地上部分，未采集地下根部部分。由图5可知，不同植物对90Sr的转移系数明显高于137Cs的转移系数，约1个数量级。其中，串叶草对137Cs的转移系数最高为0.47，与富集系数分析结果相一致，籽粒觅、高羊茅和白三叶对137Cs的转移系数最低，其余植物富集系数均在0.03～0.24；除高羊茅和白三叶外，其余6种植物对90Sr的转移系数均都高于1.00，其中串叶草对90Sr的转移能力最强，转移系数为2.95，益母草对90Sr的转移系数为2.69，低于串叶草。

2.3 串叶草对137Cs和90Sr污染土壤的修复

前文从不同科目植物分析出本地9科17种植物的富集和转移能力，综合上述分析结果得出，菊科串叶草对137Cs和90Sr的富集和转移能力表现出明显的优势。串叶草为菊科植物，属多年生宿根植物，原产于北美，具有产量高、适应性广、耐寒、易繁殖和抗病力强等优点，且在污染区内生物量大、耐受性强，另外根深也满足吸附要求。因此，在本地优势植物中，选取串叶草作为治理137Cs、90Sr污染土壤的超积累植物。通过比较种植前、后土壤中放射性核素含量的变化，判断在污染区是否适宜开展植物种植修复污染土壤的技术研究。

由图6可知，种植前后污染土壤中137Cs的放射性含量从12 100 Bq/kg降至11 878 Bq/kg，降低2.0%，90Sr的放射性含量从8 680 Bq/kg降至8 167 Bq/kg，降低5.9%。

3 讨论

植物对核素的吸收不仅受植物科属、土壤性质的影响，还受植物与土壤相互作用的影响[19]。不同科、属植物对137Cs和90Sr的积累能力存在极大的差别[20]。放射性核素137Cs和90Sr的积累主要集中在觅科、藜科和菊科[21-23]，如Fuhrmann等[24]发现觅科反枝苋对137Cs和90Sr的富集作用大；赵文虎等[21]研究14科169种植物对90Sr和10科28种植物对137Cs的富集能力，得出茄科、藜科等植物对放射性核素表现出强吸收能力；Broadley等[25]和杨俊诚等[22]分别发现藜科的甜菜、菊科的向日葵对137Cs和90Sr也具有很强的富集能力。积累放射性核素的植物往往集中于特定的科属内，而且许多特定科属的积累和超积累植物还尚未被开发。该研究通过对137Cs和90Sr污染区内的9科17种优势生长植物开展富集和转移性能的研究，得出菊科植物对137Cs和90Sr积累能力要高于其他科目植物，其中菊科串叶草的积累能力最为突出。串葉草对90Sr的富集系数和转移系数要高于37Cs，分别为3.25和2.95，表现出超积累植物所具备的特征。闻方平等[26]报道苏丹草对Sr的富集系数为1.2，转移系数为0.5。此外，张晓雪等[27]报道菊科孔雀草和豆科蚕豆对Sr的富集系数分别为2.03和1.22，苕子、豌豆、地被菊、油菜、瓜叶菊、金盏菊等其余植物对Sr的转富集数均小于1.00，但在该研究中，蚕豆的富集系数为0.01。同时，任少雄等[28]报道的芥菜对Sr的富集系数在0.10～1.80，萝卜对Sr的转移系数为1.20，向日葵和芥菜的转移系数均小于1.00，该研究中，向日葵的转移系数为1.41。

通过筛选对比，研究9科17种植物对137Cs和90Sr的积累性能，菊科串叶草表现出超级累植物特征。串叶草对137Cs的富集系数为0.31，转移系数为0.47，均小于1.00，积累能力要弱于90Sr；串叶草对90Sr的富集和转移系数均大于1.00，分别为325和2.95，远高于其他植物。从利用串叶草对研究区污染土壤修复试验得出，串叶草可降低土壤中2%的137Cs和59%的90Sr，与Fuhrmann等[24]利用反枝苋可清除土壤中21%的137Cs和4.5%的90Sr相比，对137Cs而言，串叶草修复效率低于反觅枝，但对90Sr的修复效率却明显高于反枝觅。另外，与串叶草同为菊科植物的向日葵和白菜对137Cs和90Sr的积累性能也明显高于其他测试植物，同时也高于上述报道植物，但与串叶草相比，积累性能则低很多。

4 结论

针对国内某核设施退役厂内受放射性核素137Cs和90Sr污染土壤，通过筛选研究污染区内自然生长的9科17种优势植物对137Cs和90Sr的富集、转移特性，得出以下结论：①不同科目植物对137Cs和90Sr的富集和转移性能存在很大差异，其中菊科植物对土壤中137Cs和90Sr的富集和转移能力明显高于其他8科目植物；②相同科目植物对137Cs和90Sr的富集和转移性能也有所不同，菊科串叶草对137Cs和90Sr的富集和转移能力明显高于向日葵、白菜和莴笋等同科目植物；③串叶草137Cs的富集和转移能力均小于1.00，但对90Sr的富集和转移系数分别为3.25和2.95，均大于1.00，对90Sr具有较高的富集和转移能力，田间种植串叶草可降低土壤中5.9%的90Sr。串叶草是潜在的90Sr超耐受性和超积累植物，对90Sr富集和转移机理还需进一步验证。

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