多种水生植物对铀的富集特性对比研究

第32卷第3期2018年6月南华大学学报(自然科学版)
JournalofUniversityofSouthChina(ScienceandTechnology)
Vol 32No 3Jun 2018
收稿日期:2018-03-28
基金项目:湖南省教育厅科学研究资助一般项目(15C1179)
作者简介:孙㊀静(1987-)ꎬ女ꎬ实验师ꎬ硕士ꎬ主要从事放射性环境污染的生物修复方面的研究.E ̄mail:
370001052236@usc.edu.cn.∗通信作者:李㊀乾(1984-)ꎬ男ꎬ副教授ꎬ博士ꎬ主要从事浸矿微生物学与溶浸采铀方面的研究.E ̄mail:liqianusc@126.com
DOI:10 19431/j cnki 1673-0062 20180619 001
多种水生植物对铀的富集特性对比研究
MES质量管理系统
孙㊀静1ꎬ何家东2ꎬ李㊀乾1∗
(1.南华大学铀矿冶生物技术国防重点学科实验室ꎬ湖南衡阳421001ꎻ
2.贵州健康职业学院药学系ꎬ贵州铜仁554300)
摘㊀要:本研究采集水生或者喜水植物12种ꎬ进行铀富集特性对比研究.对含铀废水的净化结果表明:满江红鱼腥藻对铀的富集能力最强ꎬ在修复25d时ꎬ体系中铀的去除率达到97.7%ꎬ达到国家允许排放的标准ꎻ香蒲草在修复进行20d以后ꎬ铀的去除率也超过92%.对铀富集特性的principalco ̄ordinatesamalysis(PCoA)分析表明ꎬ满江红鱼腥藻和香蒲草㊁碎米沙草和白鹤芋㊁合果芋和水莎草㊁大薸和水葫芦对铀的富集特性是相似的.植物对铀毒害的耐受性监测表明ꎬ满江红鱼腥藻㊁合果芋和香蒲草等对铀的耐受性比较强.
关键词:水生植物ꎻ铀ꎻ富集特性ꎻ对比分析中图分类号:X524
文献标志码:B
文章编号:1673-0062(2018)03-0027-05
ComparativeAnalysisaboutUraniumAccumulationCharacteristics
ofVariousAquaticPlants
SUNJing1ꎬHEJiadong2ꎬLIQian1∗
(1.KeyDisciplineLaboratoryforNationalDefenseofBiotechnologyinUraniumMiningandHydrometallurgyꎬUniversityofSouthChinaꎬHengyangꎬHunan421001ꎬChinaꎻ
2.DepartmentofPharmacyꎬGuizhouCollegeofHealthProfessionsꎬTongrenꎬGuizhou554300ꎬChina)
Abstract:Inthisstudyꎬtwelvekindsofaquaticplantswerecollectedandtheiruranium ̄ac ̄cumulativeperformancewerecompared.TheresultsofremediationforuraniumwastewatershowedꎬtheAzoilaimbricatefromtheuraniumtailingspondexertedthestrongestaccumu ̄lativecapacityandtheuraniumremovalhadreached97.7%ꎬandthecleanedwaterhadreached
belowthenationalpermissionstandardofuraniumemissionin25days.AlsoꎬtheTyphaorientalisshowedagoodaccumulativecapacityandtoleranceꎬtheuraniumremoval
㊀㊀㊀南华大学学报(自然科学版)2018年6月achieved92.0%in25days.ThePCoAanalysisoftheuraniumadsorptioncharacteristics
showedthatꎬCyperusiriaandSpathiphyllumkochiiꎬAzoilaimbricateandTypha
orientalisꎬSyngoniumpodophyllumandCyperusserotinusꎬPistiastratiotesandWaterhya ̄
cinthꎬshowedthesimilarperformanceontheuraniumenrichmentrespectively.Theplant
toleranceresultsshowedꎬtheAzoilaimbricateꎬSyngoniumpodophyllumandTypha
orientalishadabetteruraniumtolerance.
keywords:aquaticplantsꎻuraniumꎻaccumulativecharacteristicsꎻcomparativeanalysis
0㊀引㊀言
铀是天然的放射性元素ꎬ具有较高的化学毒性和辐射危害ꎬ公众摄入铀后会引起内污染ꎬ对机体造成危害[1].在铀矿开采和冶炼加工过程中会产生大量的铀废渣和铀尾矿ꎬ残留的铀会通过地表径流和地下渗流进入周边水体ꎬ并存在长久的潜在危害[2 ̄3].传统的铀污染水体处理方法ꎬ存在工艺流程冗长㊁易造成二次污染等特点ꎬ难以胜任低浓度铀污染水体的大面积处理[1ꎬ4].生物修复方法是一种高效节能㊁安全环保的修复放射性污染环境的新方法ꎬ在大面积㊁低浓度的铀污染水域处理研究领域ꎬ受到了国内外学者的广泛关注[5 ̄10].
刘韬[7]对香蒲的铀胁迫伤害以及对铀的富集能力进行研究ꎬ结果表明铀浓度越高ꎬ对香蒲中叶绿素和抗氧化系统的影响越明显ꎬ香蒲对铀的富集多集中在根部.聂小琴等[8]通过室内水培实验的研究ꎬ发现大薸和凤眼莲对铀污染水体的修复能力跟植物生长期㊁生物量和覆盖水体面积等因素呈正相关ꎬ且对不同pH的铀废水的修复机理不同.胡南等[9]对五种水生植物对水中铀的去除作用进行研究ꎬ发现满江红对铀的抗性比较大ꎬ富集能力比较强.胡南等[10]对满江红和满江红鱼腥藻修复铀污染水体时ꎬ铀在
植物 微生物共生体系内的分布进行研究ꎬ证明了其对铀具有富集特性.可见ꎬ国内外对铀污染水体的植物修复开展的研究众多ꎬ但植物物种繁多ꎬ修复效果参差不齐ꎬ很难将其作用进行直观的对比.基于R语言的PCoA(principalco ̄ordinatesanalysis)多样性分析的数据处理方法ꎬ常被用于多样性研究[11 ̄13].闫彩霞等[12]对黄曲霉侵染后花生胚的所有种质进行PCoA分析ꎬ结果表明分组结果均与种质的抗性特点有明显的相关性.张翠琴[13]采用PCoA对五角枫种遗传多样性进行研究ꎬ结果表明其种分类结果与UPGMA聚类分析相一致.
为了筛选更具潜力的铀富集植物ꎬ本研究实地调查并采集了12种水生或喜水植物ꎬ进行铀污染水体修复的对比研究.采用模拟铀污染水体开展室内水培实验ꎬ对比分析了各植物对铀的富集能力ꎬ及其植物在铀污染水体中的机体变化ꎬ揭示其对铀的富集能力和耐受性.并通过PCoA多样性分析的数据处理方法ꎬ将各植物对铀的富集特性进行比对ꎬ以研究各植物对铀的富集特性的相似性.通过上述对比研究ꎬ筛选在铀污染水体中具有最佳富集能力与耐受能力的水生植物ꎬ为植物修复铀污染水体提供更有价值的参考.
1㊀材料与方法
1.1㊀铀富集植物的采集
香蒲草采集自衡阳某铀尾矿库周边铀污染水域ꎬ大薸采集自韶关某铀矿山周边铀污染水域ꎬ水葫芦㊁满桁架桥
江红鱼腥藻㊁碎米莎草㊁空心莲子草㊁水莎草5种水生或喜水植物ꎬ取自衡阳某铀尾矿库周边池塘和土壤ꎬ合果芋㊁彩叶草㊁白鹤芋㊁绿萝㊁滴水观音5种喜水植物购自衡阳市花卉市场.1.2㊀培养液的配制
植物水培采用改性的Hoagland s营养液ꎬ将其除去磷酸盐ꎬ防止其和水体中UO2+2生成磷酸铀酰沉淀ꎬ再与铀标准溶液按比例混合ꎬ所有试剂均为分析纯.
1.3㊀铀富集植物水培实验
将所有植物用清水培养3d后ꎬ再选择个体差异不大的植株ꎬ冲洗干净后ꎬ浸入质量的浓度为1%的高锰酸钾溶液中消毒10~15minꎬ再用去离子水清洗5次后备用.选用大小均匀的12种水生或喜水植物(因水葫芦和滴水观音个体较大ꎬ选择单株重量50~60g的植株ꎻ满江红鱼腥藻重量25gꎻ其他植株选择大小均匀㊁总重量35~40g的2 ̄4株相应植株)ꎬ进行铀污染水体植物修复的室内水培模拟实验研究ꎬ初始铀质量浓度为2.015mg/Lꎬ采用缓冲溶液调节pH为6ʃ0.1.
实验设置:3000mL的烧杯ꎬ上架花托ꎬ加入2000mL模拟铀污染水体ꎬ栽入植物ꎬ植物根部没入水体ꎬ隔天加入5mL改进的Hoagland s营养
82
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液ꎬ并补足蒸发水分.修复时间为25dꎬ定时测定水体中铀的含量ꎬ并观察铀污染水体对植物的抑制作用.
1.4㊀铀污染水体的浓度测定
参照GB6768 ̄68的规定ꎬ采用2 ̄(5 ̄溴 ̄2 ̄吡啶偶氮) ̄5 ̄乙氨基苯酚分光光度法测定水溶液中的铀浓度.低于分光光度法测量下限的样品ꎬ可消解后加入Rh内标液ꎬ采用电感耦合等离子体质谱技术测定铀的浓度.所用试剂均为分析纯.1.5㊀植物修复的相关性分析
PCoA(principalco ̄ordinatesanalysis)是基于R语言的一种研究数据相似性或差异性的可视化方法ꎬ它通过距离矩阵中最主要的坐标ꎬ对数据矩阵进行旋转ꎬ观察其差异性[11].利用PCoA来进行植物修复的相关性分析ꎬ以直观显示不同植物修复中的相似性及差异性.
1.6㊀植物对铀的耐受性和富集能力的监测在铀的胁迫下ꎬ水生植物的生长抑制率(G)和对水中铀的去除率(η)通过式(1)(2)来计算.
G=(m0-m1)/m0ˑ100%(1)
η=(C0-C1)/C0ˑ100%(2)式中ꎬm0为空白对照组植株的质量(g)ꎬm1为实验组植株的质量(g)ꎬC0为铀污染水体的初始铀质量浓度(mg/L)ꎬC1为测试时水中残留的铀质量浓度(mg/L).
2㊀结果与讨论
2.1㊀不同植物对铀污染水体的净化效果
不同修复时间的条件下ꎬ不同植物对铀污染水体进行修复后的水体中残留铀浓度的检测结果ꎬ如图1~6所示ꎬ其结果表明:经过相同的作用时间ꎬ不同植物对铀的富集效果的差异很大ꎬ满江红鱼腥藻㊁香蒲草等富集能力强的植物ꎬ净化后水体中残留的铀质量浓度低于0.125mg/Lꎬ即植物可以净化水体中90%以上的轴ꎬ而绿萝净化后水体中残留的轴浓度高于1.300mg/Lꎬ即绿萝仅能富集水体中的35%左右的铀ꎻ同一植物在不同时间对铀的富集效果也是不一样的ꎬ大部分植物在前五天的富集量ꎬ基本可以超过植物总富集量的一半ꎬ并在15~20d左右达到平衡ꎬ继续培养残留的铀质量浓度下降不明显ꎬ植物的富集效果没有明显提高ꎬ大薸和水葫芦的培养液中铀的残留浓度甚至呈现上升趋势.
植物修复铀污染水体的进程ꎬ大致分为三个阶段:快速富集期(前5d)㊁平稳增长期(5~20d)㊁稳定期(20~25d).短时间来看ꎬ满江红鱼腥草和香蒲草对铀的富集能力最强ꎬ修复五天后ꎬ水体中铀的残留浓度低于0.8mg/Lꎬ对铀的去除率达到60%以上ꎬ其次是水葫芦㊁合果芋㊁水莎草和大薸
ꎬ铀的残留浓度低于0.9mg/Lꎬ五天对铀的去除率达到50%以上ꎬ如图2所示.长时间来看ꎬ在20~25d的修复稳定期ꎬ如图5~6所示:满江红鱼腥藻对铀的富集能力最强ꎬ在修复25d后ꎬ体系中残留的铀浓度低于0.05mg/Lꎬ已达到国家规定的安全排放标准ꎬ铀的去除率高达97.7%ꎻ香蒲草在修复进行20d以后ꎬ对水体中残留的铀浓度约为0.15mg/Lꎬ对水体中铀的去除率达到90%以上ꎬ但尚未达到安全排放标准ꎬ虽是一种本土生长的铀富集植物ꎬ但净化作用仍需加强ꎻ合果芋和空心莲子草也可以富集污染水体中的铀ꎬ对铀的去除率超过80%ꎬ但平衡体系中的铀浓度仍高于0.3mg/Lꎬ远高于国家允许的排放标准ꎬ可以通过其他方式提高其对铀的富集能力ꎬ具体方法待研究ꎻ绿萝和滴水观音对铀的富集能力比较差㊁修复效率比较低ꎬ平衡体系中的铀浓度仍维持在1mg/L左右ꎬ仅能净化铀污染水体中50%的铀ꎬ很难用于铀污染水体的修复ꎻ大薸和水葫芦也可以富集水体中的铀ꎬ但受培养条件限制ꎬ在培养15d以后ꎬ对铀的去除率反而降低ꎬ可能跟其不适应室内培养条件ꎬ植物腐烂有关ꎬ原本富集的铀重新释放到水体中.由此可见ꎬ满江红鱼腥草与香蒲草对铀的富集能力最强ꎬ对铀污染水体的净化最彻底ꎬ可以用于铀污染水体的修复
.
图1㊀不同植物修复2d后残留的铀浓度
Fig.1㊀Theresidualconcentrationuraniumrepairedbydifferentplantsrepairedafter2days
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㊀㊀㊀南华大学学报(自然科学版)
2018年6
图2㊀不同植物修复5d后残留的铀浓度
Fig.2㊀Theresidualconcentrationofuraniumrepaired
bydifferentplantsrepairedafter5
days
图3㊀不同植物修复10d后残留的铀浓度Fig.3㊀Theresidualconcentrationofuraniumrepaired
bydifferentplantsrepairedafter10
days
图4㊀不同植物修复15d后残留的铀浓度Fig.4㊀Theresidualconcentrationofuraniumrepaired
bydifferentplantsrepairedafter15
days
图5㊀不同植物修复20d后残留的铀浓度Fig.5㊀Theresidualconcentrationofuraniumrepaired
bydifferentplantsrepairedafter20
days
图6㊀不同植物修复25d后残留的铀浓度Fig.6㊀Theresidualconcentrationofuraniumrepaired
bydifferentplantsrepairedafter25days
2.2㊀植物吸附特性的比对分析
重烷基苯
不同植物对铀污染水体的富集特性的PCoA
分析中ꎬ前几个主成分所含信息百分比反映的是顺序效果优劣的重要指标之一.对12种植物的铀富集性能的PCoA分析表明:第一坐标轴可以表示总富集特性的95.11%ꎬ即95.11%的植物的富集特性集中在第一坐标轴附近ꎬ符合第二坐标轴的植物富集特性仅占植物总数的4.35%(图7).
PCoA分析将不同植物对铀的富集性能进行
贝塔斯曼集团大体分类:碎米沙草和白鹤芋对铀的富集性能是相似的ꎻ水葫芦和大薸对铀的富集性能是相似的ꎻ香蒲草和满江红鱼腥藻在对污染水体中铀的富集
性能上ꎬ也有一定的相似性ꎻ合果芋和水莎草对铀的富集性能也是相似的ꎬ其他植物对铀的富集性
第32卷第3期孙㊀静等:多种水生植物对铀的富集特性对比研究
能的相似度则比较低
.
图7㊀12种植物对铀的富集性能对比的PCoA分析Fig.7㊀ThePCoAanalysisoftheenrichmentperformanceforuraniumionsbyplants
2.3㊀不同植物对铀毒害的耐受性监测结果
对香蒲草等12种水生或喜水植物在铀胁迫下的生长情况进行观察ꎬ不同植物的生长状态差别很大.修复25d后ꎬ满江红鱼腥藻㊁合果芋㊁绿萝㊁滴水观音㊁彩叶草等植物在铀污染水体基本能保持良好的生长状态ꎬ相对于对照组无毒害的植物ꎬ其生长抑制率低于5%ꎬ反映其对铀具有较强的耐受性ꎻ但是购自市场的绿萝㊁滴水观音㊁彩叶草ꎬ虽然对铀的耐受性比较强ꎬ但对铀的去除率也比较低ꎬ不适用于铀污染水体的修复.香蒲草㊁碎米莎草㊁空心莲子草㊁白鹤芋和水莎草ꎬ在修复25d后发现有少量黄叶ꎬ铀对植物的生长抑制率低于10%ꎬ基本能适应铀污染环境.而采集自野外的水葫芦和大薸ꎬ在铀污染水体中生15~20d左右开始出现了茎叶的腐烂ꎬ其空白组同样存在植株焉黄的症状ꎬ可能室内菌和水体成分同野外水体差距较大ꎬ植物不适用于室内水培的生长环境ꎬ虽然其对铀具有较强的吸附能力ꎬ暂时无法用于铀污染水体修复的室内模拟研究.
综述所述ꎬ从铀尾矿库旁池塘中取得的满江红鱼腥藻㊁香蒲草对铀的耐受性和富集能力都比较强ꎬ可以用于铀污染水体的修复ꎬ其中满江红鱼腥藻最佳.
3㊀结㊀论
将铀污染水体取得的香蒲草和大薸ꎬ铀尾矿库旁池塘中取得的5种水生或喜水植物ꎬ与市场购买的5种水生或喜水植物进行其对铀污染水体的净化效果及耐受性的对比研究ꎬ得到以下结论:
1)从铀尾矿库旁池塘中取得的满江红鱼腥藻对铀的富集能力最强ꎬ在修复25d时ꎬ体系中铀的去除率达到97.7%ꎬ体系中残留的铀质量浓度低于0.05mg/Lꎬ达到国家允许排放的标准.香蒲草在修复进行20d以后ꎬ铀的去除率超过92%ꎬ也是一种较强的铀富集植物.
2)不同植物对铀的富集性能的PCoA分析表明:碎米沙草和白鹤芋㊁满江红鱼腥藻和香蒲草㊁水葫芦和大薸㊁合果芋和水莎草在对污染水体中铀的富集特性上有一定的相似性ꎬ其他植物对铀的富集特性的相似度则比较低.
3)植物对铀毒害的耐受性监测ꎬ结合其富集性能的结果表明:满江红鱼腥藻㊁合果芋和香蒲草等对铀的耐受性比较强ꎬ同时对铀的富集效率非常高ꎬ可用于铀污染水体的植物修复研究ꎬ但对合果芋和香蒲草体系残留铀浓度仍高于国家排放标准的情况ꎬ可以采取其他措施提高植物的富集能力ꎬ具体措施待研究.参考文献:
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(责任编辑:龙威)

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