施加磷酸盐对浮萍抗氧化特性及铀富集能力的影响

范 益，朱 靖，张 艳，谭仁豪，陈 珂

(西南科技大学生命科学与工程学院，四川绵阳 621000)

随着核工业的发展，带来了巨大的经济效益，为人类的发展做出巨大贡献；但与此同时，大量的铀矿被开发，产生大量的尾矿以及矿渣，在大雨冲刷后，有大量含铀元素的水体聚集在低洼地带，要么汇入附近河流，要么形成污染水体蓄积或进入地下水体，甚至污染附近农田灌溉水体[1-3]。铀作为一种重金属元素在水体中无法降解，具有相当高的稳定性，会对水体、水生植物、水生动物系统产生严重危害，并可能通过食物链直接或间接地影响到人类的自身健康。而且尾矿铀元素具有放射性，衰变时产生大量射线，也会对人体造成内源辐照伤害。因此，亟待开展对铀污染水体的生态效应研究[4]。

浮萍(Lemna)植物是一类以漂浮为主的水生被子植物,主要是无性繁殖，能够起到净化水体的作用[5-8]。由于利用浮萍科植物治理受污染水体有很多其他治理方法无法比拟的优点，所以无论是在废水的处理上还是在水体的生态恢复与监测上，浮萍都具有重要的应用价值[9]。因此，该研究以浮萍为研究对象，通过施加磷酸盐研究其在不同浓度铀胁迫条件下抗氧化酶系统的响应机制，以及铀富集能力的变化，探讨铀污染水体的生态效应和浮萍应对铀污染的植物修复潜力。

1 材料与方法

1.1试验材料浮萍采自西南科技大学校园池塘，先水培容器中预培养，用1/2 Hogland营养液预水培15 d，然后挑选长势、大小一致的植物作为供试材料。

1.2试验方法试验在西南科技大学温室中进行，采用浮水植物浮萍，利用温室水盆进行驯化及试验，驯化15 d，水体采用Hogland营养液。Hogland营养液配方如下：大量元素，KNO3510 mg/L、Ca(NO3)2820 mg/L、MgSO4·7H2O 490 mg/L、KH2PO4136 mg/L、FeSO40.6 mg/L；微量元素，H3BO32.86 mg/L、MnCl2·4H2O 1.81 mg/L、ZnSO4·7H2O 0.22 mg/L、(NH4)Mo7O240.45 mg/L、EDTA 0.744 mg/L、CuSO4·5H2O 0.08 mg/L。温度控制在20～25 ℃。

试验采用单因素完全随机设计，供试核素为醋酸双氧铀[UO2(CH3COO)2·2H2O]，铀(UO22+)处理浓度为国家排放标准0.05 mg/L的整倍数：低浓度(0.5 mg/L，U0.5)、中浓度(5.0 mg/L，U5)、高浓度(50.0 mg/L，U50)，试验采用的磷酸盐为KH2PO4，PO43-施加浓度分别为0(-P)、5 mg/L(低浓度，+P5)、50 mg/L(高浓度，+P50)。具体设计如表1。水培容器每盆20 L纯水，pH调节至6，浮萍处理组每盆150 g，每个处理3次重复，共计27盆。容器随机排列，保持足够的空间，消除边际效应的干扰。

1.3指标测定试验处理第9天收获植物样品测定超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)活性及丙二醛(MAD)和脯氨酸(Pro)的含量，结束后收集植物样品干燥后测定生物量及植物体内的铀含量。

SOD酶活性采用氮蓝四唑(NBT)法；CAT活性采用紫外比色法测定；MAD采用硫代巴比妥法；脯氨酸含量测定采用酸性茚三酮法；铀含量是由在植物样品微波消解法后，采用美国安捷伦公司电感耦合等离子体发射光谱-质谱仪(ICP-MS)进行测定。

1.4数据分析采用SPSS 17.0进行数据差异性分析，利用Origin 8.5进行作图。富集系数=植物U的含量(g/kg)/培养液中U的含量(g/kg)。

2 结果与分析

2.1铀胁迫下施加磷酸盐对浮萍抗氧化酶系统的影响由图1可见，水体高浓度铀(50.0 mg/L)显著抑制了浮萍的SOD和CAT活性，而在低、中浓度(0.5、5.0 mg/L)的铀胁迫中浮萍均保持较高的抗氧化酶活性。施加了磷酸盐后，总体上来看，在中低浓度铀胁迫下浮萍的CAT活性没有受到显著的变化，但在高浓度铀胁迫下浮萍的CAT活性显著提高。磷酸盐诱导了浮萍在中高浓度铀胁迫下SOD活性的显著增高，而且施加低浓度的磷酸盐的促进作用更加明显，因为高浓度的磷酸盐导致高浓度铀胁迫下SOD活性的下降。

注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate significant difference (P<0.05)图1 磷酸盐作用下不同浓度铀离子处理对浮萍CAT(A)和SOD(B)活性的影响Fig.1 Effects of phosphate(±P) on CAT activities of Lemna minor L.under different treatments with UO22+

2.2铀胁迫下施加磷酸盐对浮萍MAD和Pro含量的影响由图3可见，在未施加磷酸盐的情况下，铀的胁迫并未导致浮萍MAD含量的显著变化，只有在高浓度铀胁迫下MAD有所下降。而施加了磷酸盐后，在低浓度铀胁迫下，浮萍的MAD含量随磷酸盐的增加呈先降低后升高的趋势；在中浓度铀胁迫时，MAD含量随磷酸盐的增加呈先升高后降低的趋势，且在低浓度磷酸盐的情况下有最大值；在高浓度的铀胁迫下，MAD含量随磷酸盐增加而增加。未施加磷酸盐时，浮萍Pro含量随铀胁迫浓度的增加而下降，但是差异不显著；施加磷酸盐后，浮萍Pro含量都在显著增高，并且磷酸盐的浓度越高，在中高浓度组的浮萍Pro含量增加越多，且达到显著水平。

注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate significant difference (P<0.05)图2 磷酸盐作用下不同浓度铀离子处理对浮萍MDA(A)和Pro(B)含量的影响Fig.2 Effects of phosphate(±P) on Pro contents of Lemna minor L.under different treatments with UO22+

2.3铀胁迫下施加磷酸盐对浮萍生物量和富集量的影响在整个试验过程，浮萍在处理前后的生物量变化不显著。由表2可见，浮萍对铀的富集量是随着铀胁迫浓度的增加而显著提高的，但富集系数则是在中浓度铀胁迫条件下达到最大。而磷酸盐的施加会导致浮萍对铀的富集量和富集系数显著下降，且磷酸盐浓度越高，铀富集量下降得越多，但是低浓度磷酸盐能够显著提高低浓度铀条件下浮萍对铀的富集系数。总体上看，磷酸盐会抑制浮萍对铀的富集和吸收。

表2施加磷酸盐后不同浓度铀离子处理对浮萍富集量的影响

Table2EffectsofphosphateonaccumulationamountofduckweedunderdifferenttreatmentswithUO22+

磷酸盐浓度Phosphateconcentrationmg/L铀处理浓度UO22+concentrationmg/L铀富集浓度Uraniumenrichmentconcentrationmg/g富集系数Enrichmentcoefficient00．50．35±0．02f0．705．05．61±0．24c1．1250．042．45±1．93a0．8350．50．66±0．33e1．325．00．31±0．18g0．6150．020．13±1．09b0．40500．50．18±0．01h0．365．00．16±0．01i0．0350．01．30±0．08d0．03

注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05)

Note：Different lowercase letters indicate significant difference (P<0.05)

3 讨论

铀作为非生物功能性元素，通常情况下，进入植物体内主要是通过被动运输，首先铀吸附在植物表面，可能通过能量流动和信息传递等功能进入细胞内部，并富集在植物体内，有研究表明铀进入细胞内是由于铀的毒性改变了细胞渗透性从而进入体内[10-11]。从该研究的试验结果来看，未施加磷酸盐时，浮萍MAD、Pro、CAT和SOD这4个理化指标对铀胁迫浓度的响应并不明显，仅在高浓度铀胁迫条件下CAT和SOD有所下降，而浮萍对铀的富集量却是随着铀浓度的增加而显著升高的。这表明浮萍对铀的富集可能是由于铀离子主要被吸附在浮萍的根和叶片背面上，并没有被吸收到植物体内造成实质性的伤害；只有在高铀胁迫下，植物表面富集的铀含量过高而可能导致离子通道受阻或造成部分物理伤害，从而直接导致浮萍抗氧化系统受到了一定损伤且直接有所下降。该研究指出浮萍对铀的富集量最大也能达到44.37 mg/g，表明对铀富集能力是比较强的。这与聂小琴等[12]的研究结果一致，说明浮萍科植物对铀确实有较高的富集能力。

一般认为，由于磷元素与铀元素具有较强的络合作用，因此磷酸盐的加入对铀在水环境中的吸附(分配)产生较大的影响，同时水体中铀的赋存形态关系着生物对铀的可利用性[13]。磷酸盐主要从2个方面对植物产生影响：一是为植物生长提供营养物质，磷作为植物生长的必需元素，在植物体内物质的组成和代谢过程方面都有重要的作用，对植物生长具有重要作用；二是磷酸盐的加入与环境中的重金属产生络合等作用，对重金属生物利用有效性产生影响[14-16]。谷兆萍[17]研究也发现低浓度的磷处理下浮萍体内As含量明显增加，高浓度的磷处理下浮萍体内As含量明显降低，这与植物对重金属的富集既通过物理化学吸附又经过磷酸盐的吸收通道有关系。该研究中磷酸盐的施加对浮萍最大的影响是对铀富集量的显著抑制，而且施加的磷酸盐浓度越大，浮萍对铀的富集量越小。结合聂小琴等[12]、谷兆萍[17]的研究推测的铀元素主要被吸附在浮萍植物表面，属于物理吸附，那么磷酸盐可能起到的作用是通过络合的作用解析了植物表面吸附的铀酰离子，从而显著降低了植株对铀的富集量。此外，从MAD、Pro、CAT和SOD的变化来看，磷酸盐的施加虽然降低了浮萍对铀的富集，但是可能增强了铀酰离子对植株的膜脂过氧化损伤，这也在一定程度上解释了为什么磷酸盐促进浮萍在低浓度铀胁迫下的富集系数反而升高的原因。有研究发现，由于细胞膜具有运输磷元素的特殊通道，磷酸型铀酰离子更容易被细胞吸收，因此，对于生物而言，磷酸型铀酰离子比其他形式的铀酰离子具有更大的毒性，具有更强的生物可利用性[18]。由此也可以初步推断，施加磷酸盐后，浮萍对铀的富集主要是通过吸收作用而不是吸附作用。

4 结论

该试验主要研究了浮萍在不同浓度铀胁迫条件下，高低2个浓度磷酸盐施加前后，其MAD、Pro以及CAT和SOD 2个抗氧化酶系统的生理生化指标的变化。结果表明，浮萍对水体中的铀有较高的富集能力，最大能达到44.37 mg/g，而且主要是以吸附作用为主，植株受到的膜脂过氧化胁迫程度小。但施加磷酸盐后，浮萍对水体中铀的富集量和富集系数显著下降，富集机制可能由吸附转变为吸收为主，提高了铀酰离子的生物有效性，从而导致植株受到更明显的膜脂过氧化胁迫。

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