3种植物在水培方式下对锶的富集和迁移实验研究

闫 冬，丁库克，何映雪，范 莉，姜晓燕*

（中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所放射生态学研究室，北京 100088）

锶-90（strontium-90，90Sr）是大气层核试验以及核泄漏事故所产生的能够对人类健康产生影响的主要放射性污染物，其半衰期长，可随大气运动，被运输到全球并沉降至地表，90Sr进入环境后可经过水体或土壤中的植物根系吸收、迁移和富集至植物中，最终对人体产生内照射或外照射。因此，研究锶向植物迁移和富集的过程是明确其环境效应以及进行污染水体和土壤治理的前提。目前，对锶从土壤通过植物根系向植物迁移和富集的研究较多，但因土壤理化性质和研究环境具有一定差异，锶在自然土壤中的本底较高，形态变化多样，其研究结果也表现出较大的差异，因此本研究选择水培方式培养植物，减少土壤和研究环境的干扰。由于实验条件的限制同时也为了保护环境的需要，实验采用稳定锶-88来模拟放射性锶在植物体内迁移富集的过程。

1 材料与方法

1.1 实验设计

选择我国北方可进行水培生长的常见植物绿萝、吊兰和吊竹梅作为供试植物，采用扦插水培方式处理和培养。每种植物设置1个对照组和3个水培液锶浓度处理组，对照组不添加锶，锶浓度处理组分别为1、2和3 mmol/L，分别用配制好的锶母液稀释成不同浓度后与改进Hoagland培养液混合均匀。每个塑料培养箱设置1个浓度，种植1种植物，每个浓度组种植绿萝4株、吊竹梅4株、吊兰3株。各组的实验条件保持一致，整个实验周期为28 d。

1.2 植物培养

用于盛装培养液的培养箱尺寸为20 cm×28 cm×8 cm，可装3 L培养液，上覆用于固定植物的泡沫板，为20 cm×28 cm×1 cm。使用BSG-450型光照培养箱进行植物养殖，期间温度控制在22～24℃，湿度控制在50%～85%，培养液温度控制在18～22℃，培养液导电率控制在2～3 mS/cm，光照周期为光期12 h，暗期12 h，光照度为5 000 lx。实验使用分析纯SrCl2·6H2O配制成1 mol/L母液备用。

1.3 样品处理与检测

植物样品收获时，从泡沫板中小心取出每棵植物，用超纯水充分冲洗根部，沥去水分，用剪刀将植株剪开，绿萝分为茎和叶，吊兰分为叶和根，吊竹梅分为叶、茎和根，65℃烘干至恒重。每部分干燥后的植物样品分别用不锈钢研磨机磨碎，装入自封袋中待测。

精确称取植物样品0.200 0 g置于高压消解罐中，加入2 mL HNO3静置3 h以上，在165℃下消解4 h，定容至10 mL后再稀释10倍，使用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-AES，SPECTRO ARCOS，德国）检测消解液中钙、铁、钾、镁、磷、硫和锶的质量分数。每次消解过程加入试剂空白作为对照组，实验所用试剂为分析纯，使用的超纯水经Milli-Q超纯水系统处理，消解后液体澄清不含杂质。

1.4 迁移系数

元素在植物体内的迁移情况，采用迁移系数（transportation factor，TF）表示[1]。

TF=元素在植物地上器官中的质量分数（mg/g）/元素在植物根系中的质量分数（mg/g）

1.5 数据处理

实验数据使用数据分析软件SPSS 20.0进行统计分析，采用Shapiro-Wilk检验各实验组中数据是否呈正态分布，Levene’s检验各实验组中数据的方差齐性，采用方差分析法对锶处理和对照组间的均值差异进行分析。

2 结果

2.1 绿萝、吊兰和吊竹梅锶含量

不同浓度处理下锶在绿萝、吊兰和吊竹梅各组织中的质量分数如图1所示。由于植物属于扦插处理，其本身带有一定锶元素，因此即使对照组的植物，本身还是会有极少量锶被检测出。经检验各实验组中植物各组织中锶含量不符合正态分布，并且方差不齐，因此采用非参数检验中的Kruskal-Wallis检验进行方差分析。

图1中可以看出在培养液3 mmol/L锶处理下，植物各组织中锶的质量分数与对照组间的差异均有统计学意义（P＜0.05），同时在培养液2 mmol/L锶处理下，吊竹梅根中锶的质量分数与对照组间差异显著（P＜0.05）。从植物各组织中锶的质量分数来看，相同锶处理下3种植物中锶的质量分数为：w锶，吊竹梅叶＞w锶，绿萝叶＞w锶，吊兰叶，w锶，吊竹梅茎＞w锶，绿萝茎，w锶，吊竹梅根＞w锶，吊兰根，可以看出吊竹梅各组织中锶的质量分数均高于绿萝和吊兰相应组织中的质量分数，显示出较强的锶富集能力。

图1 不同浓度锶处理下绿萝、吊兰和吊竹梅各组织中锶的质量分数

2.2 绿萝、吊兰和吊竹梅中主要营养元素的质量分数

不同锶处理下绿萝、吊兰和吊竹梅各组织中主要营养元素的质量分数如表1所示。结果显示，绿萝叶的钙和硫质量分数在2 mmol/L锶处理下与对照组相比显著降低（P＜0.05），镁含量在1 mmol/L锶处理下与对照组相比升高（P＜0.05），即在锶低浓度处理下，绿萝叶中的钙、镁和硫质量分数与对照组相比发生变化。吊兰根的镁质量分数在2 mmol/L锶处理下较对照组显著升高（P＜0.05）。吊竹梅叶的铁质量分数在3个锶处理下均较对照组显著降低（P＜0.05），吊竹梅茎的镁质量分数在2 mmol/L锶处理下较对照组显著降低（P＜0.05），吊竹梅根的钙和铁质量分数均在2、3 mmol/L锶处理下较对照组显著降低（P＜0.05）。锶处理对3种植物吸收钙、镁、铁和硫均产生一定影响。

2.3 吊兰和吊竹梅的锶迁移系数

图2为吊竹梅叶、茎和吊兰叶在不同锶处理下的迁移系数（TF），每组处理数据经过正态检验和方差齐性检验，使用Duncan检验分析对照组与锶处理组间均值的差异性。可以看出本研究中吊竹梅和吊兰的TF值在0.36～2.54之间，在相同锶处理下，吊竹梅叶和茎的TF值大于吊兰的TF值。吊竹梅叶和茎的TF值在1 mmol/L锶处理时最大，分别为2.54和2.33，随锶处理浓度的增加逐渐降低，吊兰叶的TF值在2 mmo/L锶处理时最大，为1.12。与对照组相比，吊竹梅叶的TF值在3个锶处理下均显著升高（P＜0.05），吊竹梅茎的TF值在1 mmo/L锶处理下显著升高（P＜0.05），吊兰叶的TF值在2 mmo/L锶处理下显著升高（P＜0.05）。

图2 吊竹梅叶、茎和吊兰叶在不同锶处理下的迁移系数

3 讨论

本研究选择北方常见植物绿萝、吊兰和吊竹梅作为实验对象，采用水培扦插方式进行培养，通过水培液中设置不同浓度锶处理，考察3种植物对锶的吸收富集和迁移情况，以及锶处理对植物吸收其他6种主要营养元素的影响。

结果表明，水培液中不同锶处理对植物中锶的质量分数有显著影响，3种植物各组织中锶的质量分数均随培养液中锶含量的增加而增加，这与姜晓燕等[2]土培实验中锶从土壤向菠菜和小白菜的迁移富集的特征一致。但随水培液中锶浓度的梯度增加，锶在植物组织中的含量并非成比例增加，这可能与植物对锶吸收后体内锶含量逐渐呈饱和相关，有研究显示高浓度的锶处理（＜25 mmol/L）对植物生长有抑制作用，并且高浓度下植物对锶并非线性吸收[3]。Soudek等[4]通过水培向日葵的实验认为较低离子强度下，锶从水培液中进入植物根部是弥散过程，而在较高离子强度下，锶进入植物根系的方式主要是主动迁移。本研究显示，3种植物中吊竹梅吸收和富集培养液中锶的能力最强，这与汤年华等[5]利用立体生态净化床开展处理含锶的废水实验结果一致。

植物对锶吸收增加的同时对其他营养元素的吸收和富集也会发生变化，一般认为锶与钙、镁是同族元素，具有相近的化学性质，植物根系吸收时呈竞争关系[4]。Moyen等[3]水培玉米的研究显示，水培液中锶浓度的增加可抑制玉米对镁和钙元素的吸收。江世杰等[6]采用盆栽方式种植12种植物，结果显示高浓度锶处理下，植物吸收锶与钙、镁呈极显著正相关，与硫呈显著正相关，与磷、铁呈极显著负相关，与钾呈显著负相关。在本研究中，锶处理浓度的增加，使得3种植物组织中的钙和铁含量呈现出显著降低的趋势（P＜0.05），这与姜晓燕等[2]的研究结果相似。

表1 不同锶处理下绿萝、吊兰和吊竹梅各组织中钙、铁、钾、镁、磷、硫元素的质量分数/（mg/g）

在通过植物根系修复污染的研究中，迁移系数（TF）是反映植物把元素从根部向地上部分迁移的能力，一般认为迁移系数大于1的植物可作为植物修复的备选植物[7]。由于植物种类、污染物种类、植物生长环境、植物生长阶段以及土壤理化性质、气候条件、水环境的复杂性等原因，迁移系数存在较大差异[8]。本研究中3种水培植物的TF值在0.36～2.54之间，这与刘淑娟等[9]在锶污染土壤中种植小白菜、萝卜和芹菜的结果（0.72～2.78）相一致。Wang等[1]在低浓度88Sr污染土壤（2.5～40.0 mg/kg）中进行的小萝卜累积研究显示其TF值在1.16～1.42之间，考虑到本研究锶处理浓度较高，本研究结果在合理范围内。本研究显示，TF值随水培液中锶浓度量的增加，呈现出下降的趋势，可见较低浓度的锶为植物生长必须，此时植物对锶从根部向地上部的迁移能力较强，当锶含量较高时，从植物根部向地上部迁移锶的能力逐渐降低。Yan等[10]在锶污染土壤中种植大豆，结果显示果实、叶和茎的TF值均呈现随土壤锶浓度的增加先升高后下降的现象。吊竹梅叶和茎的TF值大于吊兰叶的TF值，相比而言吊竹梅的吸收和迁移锶的能力较强，可作为锶污染水体的备选植物。