植物共植对低浓度含铀废水修复的影响

张 悦,崔月婷,张 琪,王永东

(南华大学 铀矿冶生物技术国防重点学科实验室,湖南 衡阳 421001)

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0 引 言

为保证铀资源的稳定供应，加大铀矿开采力度成为必然举措，但铀矿的开采和加工会带来一系列环境问题，尤其是水体的铀污染问题。据初步估算每生产1 t铀矿石所产生的废石量为1～6 t，这些含铀废石在堆放过程中，经过长期的雨水淋滤作用下，酸与硫酸根会解析到水中，浸出其中的铀，经过风化侵蚀、雨水冲刷，使得铀以可溶性重金属盐的形式侵入周围环境。进入生态环境的含铀废水一方面对周边水体和土壤产生放射性影响[1]，另一方面通过地表径流和地下渗流扩散到周边区域[2-3]，从而对生态环境以及周边居民的身体健康产生极其不利的影响[4-5]，亟需采取有效措施对含铀废水开展修复。

常用的含铀废水修复技术主要有离子交换法、化学沉淀法、膜分离法、蒸发浓缩法、吸附法等传统的物理和化学方法。但受技术水平限制，物理方法目前只适用于小面积铀污染水体的处理，而化学方法普遍成本较高，并且这两种方法易产生铀的二次污染。

近年发展起来的生物修复技术以其成本低廉、安全、环保、适应pH值范围较广、适用于大面积和低浓度的铀污染地域的修复等特点成为铀污染修复技术的一个研究热点[6-8]。如黑麦草等作为典型耐受型植物可以将铀累积在根部，从而达到从土壤中将铀去除的目的。牛天洋等人[9]通过根箱栽培试验发现在铀质量比为20 mg/kg的土壤中,黑麦草根部吸附量可达829.25 mg/kg。影响植物对土壤中铀的吸收过程的主要因素是pH值、铀质量浓度以及土壤类型等。在铀污染水体的植物修复研究方面，有研究表明，如熊凡[10]通过水培实验发现芦苇能在水体中将铀吸附于植物体内，结果表明在铀质量浓度为1 mg/L时，芦苇达到最大吸附量为768.77 mg/kg。这为运用植物修复技术治理铀污染水体提供了可能。但研究表明，不同的植物在对重金属的吸收、转运、耐受性等方面存在差异，单一植物修复含重金属污染的水体存在生长缓慢、生物量低、修复效率慢、易受环境干扰等不足[11-12]。因此，如何在现有的植物条件下改变植物水培模式对植物修复技术至关重要。有报道指出，植物共植可提高生物多样性、植物适应性和植物抗干扰能力，植物共植能更有效地利用光、水、养分，促进植物生长[13]。两种植物可产生互促作用的安全生产方式开始应用于低浓度重金属污染的修复。

1 材料与方法

1.1 植物共植体系的构建

本实验的供试植物共计5种，分属4科5属，分别为挺水植物-合果芋、挺水植物-白鹤芋、挺水植物-豆瓣绿、浮水植物-满江红和沉水植物-莫丝，所有植物均购自衡阳花卉市场。

实验采用的水培液由改进的Hoagland’s营养液(去除KH2PO4)添加铀标准溶液配制而成，采用10 g/L Na2CO3和5 g/L NaHCO3将缓冲液控制pH=6.0。

所购植物先在清水中培养3 d，选取长势相似的植物，合果芋、白鹤芋、豆瓣绿选取单株25～30 g、个体差异不大的植株；满江红、莫丝分别选取20 g、25 g，随后用质量分数1%的KMnO4溶液消毒10 min，并用去离子水清洗3次，用滤纸擦去植物表面附着的水分，称取鲜重并记录，将处理好的植物置于含铀Hoagland’s水培液中，铀质量浓度为1.0 mg/L(由UO2(NO3)2·6H2O配制)。玻璃缸30 cm×25 cm×15 cm，每个注入4 L含铀Hoagland’s水培液，单一植物修复体系放置4株同种植物，植物共植修复体系中放入两种植物，每种植物2株。在南华大学植物修复实验室进行培养，温度控制在20 ℃～25 ℃，设置每天光照12 h(7:00～19:00)，周期32 d。

1.2 不同共植体系对低浓度含铀废水修复的影响

植物生长至设定周期后取出，将其表面冲洗干净，用滤纸吸干残余水分，测量植物鲜重以表征植物的生长率，植物生长率的计算依据公式(1)。从植物置于水培营养液时开始，每6 d检测一次水体中铀质量浓度。计算吸附后水体中铀质量浓度以表征植物对含铀废水的去除率。铀去除率的计算依据公式(2)。将植物烧成灰烬后，取0.2 g用水润湿，与4 mL HNO3和1 mL HClO4混合，放入石墨消解仪中进行消解，过滤后用ICP-MS(7700X，Agilent(USA))测定溶液中的铀含量。用生物富集量、生物富集系数和转移系数来表征植物对铀的富集特性。生物富集量A(bioaccumulation)是指单位质量的植物所富集的铀含量，它能反映出单位质量的植物所能积累的最大铀质量。生物富集系数B(bioaccumulation factor)为植物中铀含量与水培液中铀含量的比值，它可以反映出植物对铀的吸收能力，生物富集系数计算依据公式(3)。转运系数T(translocation factor)是指植物地上部分的金属含量与地下部分中的金属含量的比值。它是用来评价植物将重金属从地下部分向地上部分的运输和转运能力的一种指标，其计算依据公式(4)。

(1)

式中，G为生长率；m0为吸附后植株质量(g)；m1为吸附前植株质量(g)。

(2)

式中，C0为水中初始的铀质量浓度(mg/L)；C1为吸附后水中的铀质量浓度(mg/L)。

(3)

式中，C为水培液中铀的浓度(mg/L)；A为生物富集量(mg/kg)。

(4)

式中，C地上为地上部分铀含量(mg/kg)；C地下为地下部分铀含量(mg/kg)。

1.3 植物共植对不同浓度含铀废水修复的影响

为了进一步研究植物共植对不同浓度含铀废水修复的影响，选取合果芋-豆瓣绿共植体系进行不同铀质量浓度的水培实验，铀质量浓度设置为0.5 mg/L、1.0 mg/L、2.0 mg/L，由1 g/L铀标准溶液稀释配置。每隔一天将水培营养液补至初始量并混合均匀。水样采用定量滤纸和微孔滤膜依次过滤悬浮物后，置于离心管中使用电感耦合等离子体质谱仪(inductively coupled plasma mass spectromet-ry,ICP-MS)检测铀质量浓度。

1.4 数据处理与分析

本实验数据采用Microsoft Excel 2016对三个平行样的平均值和标准差进行计算，采用统计产品与服务解决方案(statistical product and ser-vice solutions,SPSS)22.0进行单因素方差分析和最小显著性差异法(Least Significant Difference,LSD)多重比较，显著性P<0.05，最后采用OriginPro 9.0绘图。

2 结果与讨论

2.1 不同共植体系对低浓度含铀废水修复的影响

比较15种植物修复体系总生长率的变化(即植物共植体系中两种植物分别与其单独修复相比提高的生长率总和)如图1，可以看出，不同植物共植体系中的总生长率差异明显，总提高幅度在1.38%～12.25%，按从大到小排序为豆瓣绿-满江红>合果芋-豆瓣绿>白鹤芋-豆瓣绿>满江红-莫丝>豆瓣绿-莫丝>白鹤芋-满江红>合果芋-白鹤芋>合果芋-满江红>合果芋-莫丝>白鹤芋-莫丝。生物量的增长主要是因为植物共植体系可以提高植物地上部分的养分生物有效性，促进了植物根系对磷、钾等养分吸收，有助于减少氧化损伤，提高抗氧化酶活性。这些变化影响了植物根系形态和生理，从而导致植物共植体系中植物生物量的变化[14-15]。在植物共植体系中，植物间的主要影响为促进和竞争关系，本实验的10种植物共植体系中植物的生长几乎没有观察到负面影响，表明这些植物具有良好的适应性，可进行联合种植。

图1 植物共植体系中植物的总生物量变化Fig.1 Variation in the total biomass of plants in plants co-planting

在不同的植物共植体系和不同的时间作用下，水体中的铀质量浓度如图2。可以看出，植物共植修复体系与单一植物修复体系修复铀污染水体的过程相似，均可分为三个阶段：快速富集阶段(前12 d)，平稳富集阶段(12～24 d)，平衡阶段(24～32 d)。

图2 不同植物共植体系作用下水体中铀质量浓度的变化Fig.2 Variation of uranium in water under different plants co-planting

在快速富集阶段(前12 d)，在植物共植体系的修复作用下铀的去除率达到59.33%～80.03%，这一时期水中铀质量浓度的快速降低可能是在吸附初期植物中存在大量的与铀结合的位点，植物在吸收营养物质的同时也可吸收水体中的铀。在15种植物修复体系中合果芋-满江红、白鹤芋-满江红、豆瓣绿-满江红、满江红-莫丝、满江红植物修复体系呈现出明显优势，对铀的去除率分别为71.27%、72.5%、74.83%、75.83%、80.03%，其中满江红修复体系去除效率最高，这可能得益于满江红的高生长率和高修复率。

在平稳富集阶段(12～24 d)，植物共植体系对水体中铀的去除率达到了85.57%～97.03%，水体中铀质量浓度仍然表现为整体下降趋势，这是因为在此时期植物体内仍存在较多的可与铀结合的位点，同时植物生物量也在增加。在15种植物修复体系中豆瓣绿-满江红、满江红-莫丝、满江红修复体系的铀去除效率分别为96.73%、97.20%、97.03%，使水体中的铀率先降至国家排放标准(50 μg/L)。同时，合果芋-豆瓣绿、合果芋-满江红、合果芋-莫丝、豆瓣绿-莫丝、白鹤芋-豆瓣绿、白鹤芋-满江红6种植物共植体系的去除效率均达到90%以上。

在平衡阶段(24～32 d)，铀的富集增长缓慢逐步稳定。这可能是由于植物对铀的富集逐步达到平衡，植物与铀的结合位点被占据从而导致植物富集铀的能力不再增长。同时，在15种植物修复体系中水中铀的浓度均未出现升高的趋势，说明在铀胁迫作用下植物的根茎叶部位保持完整未出现腐烂解体现象，植物可以有效地将铀富集在体内，使得铀酰离子不随时间的延长而重新释放回水体。此外，除去合果芋植物修复体系、白鹤芋植物修复体系、豆瓣绿植物修复体系、白鹤芋-莫丝共植修复体系，其它11种植物修复体系的铀去除效率均达到95%以上，将水中铀降至国家排放标准(50 μg/L)。

水培实验结束后(32 d)，不同植物修复体系对铀的去除率由高到低排序为满江红>满江红-莫丝>豆瓣绿-满江红>合果芋-满江红>合果芋-豆瓣绿>白鹤芋-满江红>白鹤芋-豆瓣绿>豆瓣绿-莫丝>合果芋-莫丝>白合芋-莫丝>合果芋-白鹤芋>莫丝>合果芋>白鹤芋。可以看出，虽然与满江红搭配的植物共植体系(合果芋-满江红、白鹤芋-满江红、豆瓣绿-满江红、满江红-莫丝)均表现出高修复率(97%～99%)，但与满江红单独修复体系相比，去除效率均未提高，不满足本实验的筛选要求，这可能是由于满江红自身的高生长率和高修复率导致满江红在植物共植体系中占据了主导地位。满江红是一种生长在稻田、内湖、池塘水池中的小型浮水植物，植株略呈三角形，叶片直径0.5 cm，生长迅速，多分布于我国东部和南部。胡南[16]等对五种水生植物进行了水培实验，结果证明，满江红是一种富铀能力强，且在低浓度铀胁迫下生长繁殖速度快的植物。合果芋-白鹤芋、合果芋-豆瓣绿、合果芋-莫丝、白鹤芋-豆瓣绿、豆瓣绿-莫丝共植体系与单一体系相比，修复效率均提高，其中合果芋-豆瓣绿、白鹤芋-豆瓣绿共植体系铀去除率分别提高了4.7%，6%；4.5%，5.7%，差异显著(P<0.05)，符合本实验的筛选条件。

对筛选出的优势植物共植体系(合果芋-豆瓣绿、白鹤芋-豆瓣绿)进行铀的富集特性分析，见表1。在合果芋-豆瓣绿中，合果芋地上部分铀含量为20.202 mg/kg，地上部分干重4.273 g，地下部分铀含量283.311 mg/kg，地下部分干重0.760 g，与合果芋单一植物修复相比，转运系数提高了6%，生物富集系数、生物富集量提高了37.27%，具有显著性差异(P<0.05)；豆瓣绿地上部分铀含量为130.306 mg/kg，地上部分干重1.916 g，地下部分铀含量949.492 mg/kg，地下部分干重0.296 g，与豆瓣绿单一植物修复相比，转运系数提高了132.20%，生物富集系数、生物富集量提高了63.89%，具有显著性差异(P<0.05)。在白鹤芋-豆瓣绿中，白鹤芋地上部分铀含量为40.012 mg/kg，地上部分干重3.457 g，地下部分铀含量270.890 mg/kg，地下部分干重0.889 g，与白鹤芋单一植物修复相比，转运系数提高了127.69%，生物富集系数、生物富集量提高了108.24%，具有显著性差异(P<0.05)；豆瓣绿地上部分铀含量为69.887 mg/kg，地上部分干重1.957 g，地下部分铀含量1 145.976 mg/kg，地下部分干重0.274 g，与豆瓣绿单一植物修复相比，转运系数提高了3.39%，生物富集系数、生物富集量提高了39.20%，具有显著性差异(P<0.05)。孟楠等[17]研究了空心菜与10种植物共植种植后吸收Pb的性能，结果显示，组合种植显著提高了空心菜的生物量(15.79%～84.75%)，并提高了整个修复体系对Pb的富集量。刘晨等[18]通过了毛竹幼苗与伴矿景天种植发现组合种植模式下显著促进了毛竹幼苗与伴矿景天体内重金属由地下向地上的运输，并提高了伴矿景天对重金属的积累。这与本研究结果相似，可能是由于植物间相互作用改变了植物体内重金属的化学形态，进而影响了植物对重金属的吸收。

表1 植物对铀的富集特性Table 1 Enrichment characteritics of uranium in plants

2.2 植物共植体系对不同浓度含铀废水修复的影响

选取合果芋-豆瓣绿植物共植体系对不同铀质量浓度废水中进行铀的去除率分析。如表2所示，当废水中铀质量浓度为1 mg/L时，合果芋-豆瓣绿共植修复体系修复效果最佳，铀去除率可达98.7%。与单一植物修复体系相比，合果芋-豆瓣绿共植修复体系对铀的去除率均有提高，合果芋提高了1.9%～4.7%，豆瓣绿提高了2.8%～7%，这表明优势植物共植对低浓度含铀废水的修复均有促进作用。

表2 植物对低浓度含铀废水中铀的去除率Table 2 Removal rate of uranium in low concentration uranium-containing wastewater by plants %

3 结 论

本水培实验通对植物对废水中铀去除率、优势植物共植体系中铀的富集和转运进行计算后分析比对。从铀去除率来看，15种植物修复体系均对含铀废水表现出良好的修复效果，在修复32 d铀去除率均达到90%以上，其中合果芋-豆瓣绿、白鹤芋-豆瓣绿共植体系分别提高了4.7%、6%和4.5%、5.7%，差异显著(P<0.05)，符合本实验的筛选条件。从对铀的富集和转运来看，在优势植物共植体系合果芋-豆瓣绿中，分别与单一植物修复相比，豆瓣绿的转运系数、生物富集系数、生物富集量分别提高132.20%、63.89%、63.89%，合果芋为6%、37.27%、37.27%；在白鹤芋-豆瓣绿中，白鹤芋转运系数、生物富集系数、生物富集量分别提高127.69%、108.24%、108.24%，豆瓣绿为3.39%、39.20%、39.20%。从植物对不同铀质量浓度废水修复效率来看，植物共植均可提高植物对铀的去除效率。与单一植物修复体系相比，合果芋-豆瓣绿共植修复体系对铀的去除率均有提高，合果芋和豆瓣绿去除率分别提高了1.9%～4.7%和2.8%～7%，表明合理的植物共植可以促进植物生长，提高其生物量。植物间相互作用可能改变了铀的化学形态而有利于植物根部的铀向上转移，因此提高了植物对铀的富集特性。