（环境工程专业论文）锶对黑麦草生理生化特性及矿质元素吸收的影响.pdf

浙江人学硕l j 学位论文 摘要 1 9 8 6 年前苏联切尔诺贝利核电站发生严重事故后，放射生态学研究引起了 世人的重视，放射性锶是具有生物学意义的关键核素，主要来源于核事故、核 试验过程、核电站产生的核废料以及核燃料的再利用过程。沉降在土壤中或漂 浮在空气中的放射性微尘可以通过植物根系的吸收、植物叶片的吸附以及植物 茎叶上悬浮污染物的表面粘附力作用进入植物体内，并通过食物链最终进入人 体造成潜在的内照射危害。此外，放射性锶还可在骨组织内达到相 - 3 高的浓 度，最终导致骨骼和骨髓的损伤。但由于放射性锶在土壤一植物体系内迁移、转 化、积累和毒害机制的复杂性，人们对有关问题的认识尚存在很大的欠缺。本 文以金属离子s r2 + 为材料，以黑麦草为研究对象，采用红泥土和青紫泥做土培试 验，对锶对黑麦草生理生化特性以及矿质营养吸收的影响进行研究。结果表 明： 1 在不同s r 2 + 处理条件下，s r2 + 对黑麦草的生长发育有一定的影- 向，低浓 度下呈现出株高、地上部分鲜重、根长、根重、c h l a ，c h l b 、c h l ( a + b ) 含量 增加的趋势，高浓度下呈现出株高矮化、鲜重下降、根长变短、c h l a 、c h l b 、 c h l ( a + b ) 含量减少的趋势。影响程度随测定指标及土壤类型的不同而有很大 差异。加s r2 + 处理时，两种土壤中的黑麦草均以地上部鲜重变化幅度最大，但 变化幅度不同，说明黑麦草的生长发育对不同土壤s r p 污染的耐性存在显著差 异。 2 随s r2 + 浓度的增加，黑麦草叶片的s o d 、c a t 、p o d 活性均呈现先上升后 下降的趋势，变化幅度随测定指标及土壤类型的不同而略有差异。红泥土中的 黑麦草叶片中的m d a 含量均随着锶处理水平的升高呈先降低后增加的趋势，青紫 泥中的黑麦草叶片中的m d a 含量随锶处理水平升高而显著增加。表明s r2 + 可在低 浓度范围内激活黑麦草叶片酶活性，催化猝灭自由基从而保护膜系统，而高浓 度的s r2 + 则对其损伤较大，破坏了叶片酶防御体系，植株遭受到的氧化胁迫随锶 水平的提高而加重。 4 浙江人学硕l ：学位论文 3 锶的处理浓度和黑麦草植株矿质元素积累量之间存在较好的相关性， s r2 + 的浓度与黑麦草对k 、c a 、m g 、f e 的吸收呈负相关。s r 2 + 对黑麦草的毒害作 用很可能是通过限制对其他矿质元素的吸收，造成体内养分平衡失调引起的。 关键词：锶；黑麦草；生理生化；酶活性；养分吸收 浙江人学硕士学位论文 a b s t r a c t a f t e rt h ec h e m o b y la c c i d e n to fr u s s i ai n19 8 6 ，t h er e s e a r c ho nr a d i oe c o l o g y h a v eb e e na t t r a c t e dm u c hm o r ea t t e n t i o n s r a d i o s t r o n t i u mi sak i n do fc r i t i c a l n u c l i d e sf o ri t sb i o l o g i c a ls i g n i f i c a n c e r a d i o s t r o n t i u mc o n t a m i n a t i o ni st h er e s u l to f n u c l e a rp o w e rt e s t i n g ，n u c l e a rw a s t e d i s p o s a l ，w e a p o n sp r o d u c t i o na n da c c i d e n t s r e s u l t i n gf r o mn u c l e a rp o w e rg e n e r a t i o n t h er a d i o a c t i v ed u s ts u b s i d i n gi nt h es o i lo r f l o a t i n gi nt h ea i rc a ne n t e ri n t ot h ep l a n t sv i at h r e ep a t h w a y s ：r o o tu p t a k e ，f o l i a r a b s o r p t i o na n ds u r f a c ea d h e s i o no fr e s u s p e n d e dc o n t a m i n a t i o no nl e a v e sa n ds t e m s ， a n df i n a l l yd oi n t e r n a li r r a d i a t i o nh a r mt oh u m a nb o d yv i af o o dc h a i n f u r t h e r m o r e ， r a d i o s t r o n t i u mc a nr e a c hq u i t eh i g hc o n c e n t r a t i o ni nt h eb o n et i s s u ea n df i n a l l yr e s u l t i nd a m a g e st ob o n ea n db o n em a r r o w h o w e v e r ，t h ec u r r e n ti n f o r m a t i o na b o u tt h es r u p t a k e ，i t sa c c u m u l a t i o ni np l a n t sa n dt h et o l e r a n c et op l a n t sg r o w t hf r o ms o i lt o p l a n t si sv e r yl i m i t e d t h es t r o n t i u m ，w h o s eb i o c h e m i c a lb e h a v i o ra r eq u i t es i m i l a rt o r a d i o s t r o n t i u mi nt h ee n v i r o n m e n t ，w e r eu s e da st h es u b s t i t u t eo fr a d i o s t r o n t i u mt o s t u d yi t sg e o c h e m i c a lp r o c e s s e sw i d e l y i nt h i sp a p e r ，t h ec h a n g eo fp h y s i o l o g i c a la n d b i o c h e m i c a lp r o p e r t i e so fr y e g r a s s ，a n dt h ee f f e c t so fs ro nt h en u t r i e n tu p t a k eo f r y e g r a s sw e r ei n v e s t i g a t e du n d e rt h ed i f f e r e n ts r 2 + c o n c e n t r a t i o n si nt w ot e s t e ds o i l s ， w h i c ha r er e dp a d d ys o i la n ds t r a g n o g l e y e dp a d d ys o i l t h er e s u l t so b t a i n e da r ea s f o l l o w s ： 1 t h eg r o w t ho fr y e g r a s sw a si n f l u e n c e db ys r + g r e a t l y ，t h ep l a n th e i g h t ，t h e f r e s hw e i g h ta n dt h ec o n t e n to fc h l a ，c h l b ，c h l ( a + b ) w e r ef o u n dt ob ei n c r e a s dw i t h t h el o wc o n c e n t r a t i o no fs t r o n t i u mw h i l ec o m p a r e dt ot h ec k t r e a t m e n t ，a n dt h ep l a n t h e i g h t ，t h ef l e s hw e i g h ta n dt h ec o n t e n to fc h l a ，c h l b ，c h l ( a + b ) w e r ef o u n dt ob e d e c r e a s dw i t ht h eh i g hc o n c e n t r a t i o no fs t r o n t i u mw h i l ec o m p a r e dt ot h ec k t r e a t m e n t t h e r ea r eo b v i o u sd i f f e r e n c e sw i t h i nt h et e s t e dr y e g r a s si nt h ed i f f e r e n t t e s t e ds o i l s 。t h es h o o tf r e s hw e i g h to fr y e g r a s sh a dt h eg r e a t e s tv a r i a t i o ni nt h et w o t e s t e ds o i l ，w h e r ea st h ee x t e n to f c h a n g ew e r ed i f f e r e n t i ts h o w e ds i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e so nt h et o l e r a n c eo fr y e g r a s st od i f f e r e n ts r 2 十t r e a t m e n tl e v e l si nd i f f e r e n t t e s t e ds o i l s 2 。a l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo fs t r o n t i u mt r e a t m e n tl e v e l s ，t h es o da c t i v i t y ，c a t a c t i v i t ya n dp o da c t i v i t yi nt h el e a v e so fr y e g r a s si n c r e a s e da tt h eb e g i n n i n go ft h e g r o w t hs t a g ea n dd e c r e a s e dt h e r e a f t e r t h e r ea r eal i t t l ed i f f e r e n c e sw i t h i nt h et e s t e d 6 浙江入学硕j ：学位论文 r y e g r a s si nt h ed i f f e r e n tt e s t e ds o i l s m d ac o n t e n to fr y e g r a s si nt h e r e dp a d d ys o i l w a si n c r e a s e df i r s t l ya n dt h e nd e c l i n e d ，b u tw h i c ho fr y e g r a s si nt h es t r a g n o g l e y e d p a d d ys o i lw a sc o n t i n u e ds i g n i f i c a n t l yi n c r e a s i n g t h e s er e s u l t si n d i c a t e dt h a tl o w c o n c e n t r a t i o no fs r 2 + c a ns t i m u l a t el e a v e se n z y m ea c t i v i t y ，c a t a l y s er e a c t i o na n d d e c r e a s eo h ，a n dt h u sc a np r o t e c tt h em e m b r a n es y s t e m h o w e v e r ，h i g h c o n c e n t r a t i o n so fs r z + s t r e s sg a v er i s et oi n j u r ya n dd e s t r o y e dt h el e a f - d e f e n s es y s t e m r y e g r a s ss u b j e c t e dt oo x i d a t i v es t r e s sa ss t r o n t i u ml e v e l si n c r e a s i n g 3 t h ec o n t e n to fm i n e r a le l e m e n t so ft h er y e g r a s sh a v eab e t t e rc o r r e l a t i o n w i t ht h ea d d e d s r 2 + s r z + a c c u m u l a t i o ni ns h o o td e c r e a s e dk ，c a ，m g f eu p t a k e t h e t o x i ce f f e c t so fs r 2 十o nr y e g r a s sc a nb ea t t r i b u t e dt ot h ei n t e r a c t i o no fe s s e n t i a l m i n e r a lu p t a k e ，w h i c hd i s t u r b e dt h ee l e m e n t se q u i l i b r i u mi np l a n t s k e y w o r d s ：s t r o n t i u m ；r y e g r a s s ；p h y s i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a lp r o p e r t i e s ；e n z y m e a c t i v i t y ；n u t r i e n tu p t a k e 7 浙江人学颁，l 学位论文 第一章文献综述 锶是第五周期i la 族元素，在溶液中主要以二价阳离子形式存在( s r 2 + ) ， 在自然界中锶主要有四种同位素，它们的含量如下：s r ，0 5 6 ；粕s r ， 9 8 7 ；8 7s r ，7 0 4 ；昭s r ，8 2 53 ，它们都以稳定态形式存在( r o s e m a r y c c a p o ，e ta 1 1 9 9 8 ) 。锶具有放射性的同位素主要有三种：”s r 、 s r 、9 0 s r ， 都来源于其他元素的裂变过程。其中9 0 s r 是核动力装置污染物中的关键核素， 其毒性较大，半衰期长( t 1 2 = 2 8 8 y r ) ，沉积物含量相对较大，在放射生态学 研究中历来是重要的关注对象。而”s r 由于其半衰期较短，在试验过程中对环 境影响较小，也常常被用作研究的对象。 19 8 6 年4 月2 6 日，切尔诺贝利核电站4 号反应堆发生爆炸，核泄漏过程 持续1o 天，核反应堆泄漏出的大量锶、铯、钚等放射性物质，其中锶是分布最 广的放射性核素之一。除核事故外，放射性锶还来源于核试验过程、核电站产 生的核废料以及核燃料的再利用过程。典型的核废物中如s r 的浓度高达3 0 0 0 - 4 8 0 0uc i l ( j y h - p i n gc h e n 19 9 7 ) 。沉降在土壤中或漂浮在空气中的放射性 微尘可以通过植物根系的吸收或植物叶面的吸附、吸收进入植物体内，并通过 食物链最终进入人体造成潜在的内照射危害。此外，9 0 s r ( 8 9 s r ) 是环境中存在 的主要长寿命人工放射性核素，且属于高毒组放射性核素，在骨组织内可以达 到相当高的浓度，最终导致骨骼和骨髓的损伤( g r z e g o r zi d a li n a 2 0 0 4 ) 。 锶是自然界中广泛存在的微量元素，我国土壤锶的背景值为6 5 9 5 7 m g k g ，平均含量为1 6 7 m g k g 。陆生植物的平均含量为2 6 m g k g ( 翟建平， 等1 9 9 8 ) 。目前尚不了解锶对植物生长所起的生理作用，但许多科学家认为锶 可能是动物和人体的必须元素。锶可参与钙的代谢，主要沉积在人体和动物的 骨骼中。根据最新研究资料表明：人体一旦锶缺乏，将会引起体内代谢紊乱， 同时会出现肢体乏力、出虚汗、骨骼发育迟缓，还会引起骨质疏松等严重后 果。但当其含量过高时，会引起大骨节病、锶佝偻病和铍佝偻病。随着电子工 业的飞速发展，碳酸锶的广泛应用，其生产废水的直接排放造成了农田的锶污 染，并导致水稻、小麦减产、品质下降( 李龙淮，等2 0 0 2 ) 。 国内外对放射性锶和普通态锶作了大量研究，对放射性锶的研究主要集中 于锶在土壤一植物系统中的迁移分布( 朱永懿，等1 9 9 1 ；m i c h a e l 浙江人学坝j ：学位论文 c a s t b e r g e r ，e ta 1 2 0 0 0 ；t 1 【r o u t ，e ta 1 2 0 0 6 ；r o c a ，m c ，v a l1 e j o ，e t a 1 1 9 9 5 ；r i n af r e e d a ，e ta 1 2 0 0 4 ；j 。r t w i n i n g ，e ta 1 2 0 0 4 ；王寿祥， 等1 9 9 2 ；p h e n n e r ，e ta 1 2 0 0 5 ；y o n g h oc h o i ，e ta 1 2 0 0 7 ； y v o n f ir c k s ，e ta 1 2 0 0 2 ；张永熙，等1 9 9 6 ；史建君，等2 0 0 3 a 、2 0 0 3 b ；史建君， 等2 0 0 2 ) ，探讨了影响放射性锶从土壤向植物迁移的因素、放射性锶在植物体 内的分配和积累以及如何降低植物中放射性锶的生物有效性及锶对植物生长、 生理生化方面的影响。下面就国内外近几年来在这几方面的进展情况做简要介 绍。 1 1 影响放射性锶从土壤向植物转移的因素 1 1 1 土壤理化性质 土壤类型是影响放射性锶在土壤一植物系统中转移的最主要因素之一。用 我国6 种土壤进行试验的结果表明( 朱永懿，等1 9 9 1 ) ，土壤农化性质对春小 麦吸收蜘s r 具有明显的影响，伽s r 从土壤转移到植株的量依次为红壤 水稻土 褐土 紫色土 黄棕土 黑土。而且在6 种土壤上生长的春小麦其吸收的伽s r 在各 部位的分配比一致。 土壤p h 值的大小对植物吸收放射性锶具有重要影响，两者存在显著负相 关。随着土壤p h 值的增加，植物对放射性锶的吸收逐渐减少，因为锶在碱性条 件下容易形成氢氧化锶或碳酸锶沉淀，使土壤中可溶性9 0 s r 含量较少，从而使 植株中如s r 的积累降低( v a nb e r g e ij k ，e ta 1 1 9 9 2 ) 。另外，随着土壤p h 值 的减小，植物根部可吸收的有效态锶增加，因为在酸性条件下，植物根部吸附 位点上的氢离子更能置换其他阳离子( t il l ，j e ，e ta 1 1 9 8 3 ) 从而使植物根 部吸附点位上的有效态锶增加。 植物对放射性锶的吸收与土壤中可交换态钙的含量存在负相关，很多研究 表明，由于锶和钙的化学性质相似，钙对作物吸收s r 存在竞争作用，土壤中可 交换钙的源越大，s r c a 比率越低，植物对锶的吸收越少( v a nb e r g e i j k ，e t a 1 1 9 9 2 ；t i l l ，j e ，e ta 1 19 8 3 ；a n d e r s e l l ，a j 1 9 6 3 ；n is b e t ，a f ，e t a 1 19 9 4 ) 。朱永懿等( 19 9 1 ) 通过研究锶在土壤一植物系统中的行为表明，春 小麦植株中s r 的积累量与土壤代换性钙的含量存在明显的负相关，可信限为 9 5 9 浙江人学颂r l 学位论文 1 1 2 土壤形态与植物生育期 锶在土壤一植物系统中的转移跟土壤中放射性锶的形态及植物生育期有 关。周充阳等( 2 0 0 1 ) 对放射性废物泥浆中如s r 的化学形态进行分析，结果表 明，锶在土壤中的化学形态有可交换的自由键合态、与碳酸盐键合态、与 f e m n 氧化物键合态、有机物键合态及残渣态五种形态，而”s r 主要以碳酸盐 键合态及有机物键合态形式存在。朱永懿等( 1 9 9 1 ) 将”s r 在土壤中的形态分 为可交换态、非交换态和水溶性，9 0 s r 在土壤中主要以可交换态形式存在，它 占土壤中 s r 总量的5 4 - 5 7 ，这部分的如s r 易被植物根系吸收；另有2 2 - 2 4 是非交换态，植物不能利用；其余部分为水溶性。朱永懿等( 1 9 9 1 ) 研究邬s r 在春小麦各个生育期的化学形态表明：在春小麦的拔节期，可交换态9 0 s r 占 5 6 8 7 ，非交换态如s r 占2 8 2 5 ，水溶性如s r 占1 4 8 8 ；在春小麦的开花期， 可交换态9 0 s r 占5 3 8 1 ，非交换态9 0 s r 占3 4 2 1 ，水溶性如s r 占1 1 9 8 ；在 春小麦的成熟期，可交换态s r 占5 7 1 0 ，非交换态9 0 s r 占2 1 7 8 ，水溶性 如s r 占2 1 1 1 。这表明土壤中的帅s r 很容易从吸附态被中性盐解吸下来，参与 离子吸收过程，因此较易被植物吸收。 1 1 3 土壤有机质 有机质是土壤最重要的组成部分分之一，分布于土壤表层( 0 - 1 5 或0 2 0 c m ) ，以腐殖质为主，具有大量的功能团，对土壤中污染物的迁移转化具有 重要影响。放射性锶与粘土颗粒的相互作用较弱而与土壤有机质中的腐殖酸和 金属建有机矿质复合体的相互作用较强，因此，当土壤有机质含量增加时，植 物对放射性锶的吸收通常减少( v a nb e r g e i j k ，e ta 1 1 9 9 2 ) 。r o c a 等 ( 1 9 9 5 ) 研究莴苣在两种不同土壤中对锶吸收的情况表明，在有机质含量较高 的肥土和有机质含量较低的沙土中，莴苣对放射性锶的吸收分别为1 3 3 和 5 1 7 。但也有研究表明( m a r s c h n e r ，h 1 9 8 6 ) ，在淹水环境下，土壤有机质 含量与铀s f 的生物有效性存在正相关。土壤淹水后，微生物活动消耗大量氧气 导致土壤处于还原条件，在还原条件下，9 0 s r 能从各种复合物中释放出来转变 成可溶态( f o r s b e r g ，s ，e tal ，2 0 0 1 ) 。 l o 浙江人学坝l 学位论文 1 1 4 土壤微生物 土壤微生物能通过各种机制影响土壤溶液的成分，在放射性核素锶的生物 地球化学循环中起着重要的作用( g a d d ，g m 2 0 0 5 ；l l o y d ，j r ，e t a i 2 0 0 5 ；m o r r i s ，k ，e ta 1 2 0 0 2 ；t a m p o n n e t ，c ，e ta 1 2 0 0 1 ) 。微生物能 通过产生有机酸、多糖等物质改变土壤的p h 值，通过呼吸作用改变p e 环境， 这两者都能影响放射性锶从土壤到植物的转移；微生物通过自身新陈代谢过程 分泌的低分子有机化合物是放射性锶潜在的向心配合体；微生物还可以通过形 成矿物质改变土壤结构，最终影响放射性锶在土壤中的结合位点；此外，放射 性锶还可以与微生物的细胞壁结合或与细菌细胞外的多糖结合。钟伟良等 ( 2 0 0 6 ) 用3 0 和2 5 0k g y 剂量的c ov 射线分别对供试土壤进行了辐照处 理，以区分土壤中的内生菌根菌和其他土壤微生物，并以未经辐照处理的土壤 为对照研究土壤微生物对黑麦草和百喜草吸收 s r 的影响，结果表明：黑麦草 和百喜草都易与内生菌根菌形成内生菌根，内生菌根和其他土壤微生物都不同 程度地降低了黑麦草和百喜草对8 9 s r 的吸收。土壤的根际微生物包括细菌和真 菌都能吸收和贮存土壤中的痕量金属离子( e h l k e ns ，e ta 1 2 0 0 2 ) ，这种作 用会降低植物根际8 9 s r 的浓度，使黑麦草根部对。9 s r 的吸收减少，从而降低了 植物地上部分8 9 s r 的积累。但也有人得出了完全不同的结果，用内生菌根菌 g l o m u sm o s s e a e 和g l o m u si n t r a r a d i c e s 分别接种百喜草，结果发现两种内 生菌根菌都促进了百喜草对8 9 s r 吸收( e n t r yj a ，e ta 1 1 9 9 9 ) 。得出不同的 结果，其可能的原因是不同土壤中存在着不同种类的内生菌根菌，而其在吸 收、贮存以及向植物转运神s r 方面存在差异。 1 1 5 气候因素 气候条件也是影响陆地环境中放射性元素行为的重要因素。植物根部吸收 放射性锶的过程取决于土壤性质，而土壤参数的变化又受到气候条件的影响， 比如：干旱、空气湿度、气态环境、温度以及营养元素状态等。许多学者研究 了植物被锶污染后受气候条件的影响程度，其中降雨是影响植物吸收放射性锶 的最重要因素，大雨情况下植物根部对锶的吸收会减少，另外，当植物被放射 性锶污染后，降雨可消除或重新分配植物吸收的放射性元素( m i1 b o u r n ， g m ，e ta 1 19 6 5 ；j o s h i ，s r 19 8 2 ) 。c m a d o z - e s c a n d e 等( 2 0 0 5 ) 模拟人 浙江人学坝i ：学位论文 工降雨研究降雨对植物小麦、大豆等去除锶、铯等放射性污染的影响，结果表 明，第一次降雨后，小麦中的锶可减少5 0 - 7 0 ，大豆中的锶可减少4 0 - 6 0 。 对于同一种植物来说，第一次降雨后小麦幼苗中的锶减少了6 2 ，第二次降雨 后小麦幼苗中的放射性锶损失了1 2 。放射性锶损失量的不同主要与植物种 类、结构( 包括空间伸展情况和叶片结构、质量等) 有关( 6 ai1l a r d o n ，p ，e t a 1 1 9 8 6 ) 。值得注意的是，经降雨而减少的放射性锶进入了土壤或田表水中， 一部分被土壤吸附，另一部分又会被植物重新吸收。王寿祥等( 1 9 9 2 ) 模拟了 聃s r 在水稻田中的动力学行为，表明田表水中外s r 的含量先增加后减少，这是 因为田表水中8 9 s r 迅速为土壤吸附，使得其含量降低，但由于存在着解吸，经 过一段时间后含量又增加，最后趋于恒值。8 9 s r 在水相中主要于s r 2 + 状态存 在，在系统中便有较大的迁移性，可通过植物根表铁膜吸收或粘附于根系表面 或粘附于浸入田表水的作物茎杆的表面，然后转移到作物其他部位。 1 1 6 时间因素 土壤被放射性核素污染后，随着时间的推进，放射性锶的衰减，土壤基质 对锶的固定，土壤中的放射性锶的生物有效性降低，从而使得植物从土壤吸收 迁移的锶也减少( n is b e t ，a f ，e ta 1 1 9 9 4 ；l q o o r d i j k ，h ，e ta l ，1 9 9 2 ； i a e a 19 9 4 ) 。根据j u z n ic 的研究结果( j u z n i c ，k e ta 1 19 8 9 ) ，切尔诺贝 利事故发生后的两年( 1 9 8 7 年- 1 9 8 8 年) 间， - 3 地土壤中的”s r 迁移到苹果、 梨和黑醋栗等农作物果实中的量减少了一半甚至更多。 1 2 植物对放射性锶的吸收、分配和积累动态研究 1 2 1 放射性锶在植物中迁移分布的描述因子 锶在土壤中的迁移和积累是非常复杂的，包括了淋溶、径流、吸附、根部 吸收和重新向大气释放等的过程，而锶对植物的污染主要通过三种途径：根部 吸收、叶面吸附、茎叶对悬浮微粒的粘附，其中，根部吸收是最重要的途径 ( m a m al e k ，e ta1 20 0 2 ) 。对于锶在土壤一植物系统中迁移的难易程度一般 用转移系数( tr a n s f e rf a c t o r ) 来描述( f v e r at o m e ，e ta1 20 0 3 ) 。 转移系数主要有两种，一种是转移因子( t f m ) ，也称为转换系数或集中 度，它是一个无量纲的参数，其表示的意义为锶在单位植物干物质中的比活度 1 2 浙江人学坝1 ：学位论文 与单位质量土壤的活度之比值，它描述了土壤中放射性核素向植物迁移的比 率，被用于定义放射性核素的常规释放。如果在栽种作物之前将放射性核素均 匀的混入特定深度的土层中，等作物收获时就可以用t f m 来描述s r 向植物中迁 移的多少( y h c h o i ，e ta 1 2 0 0 5 ) 。而当牵涉到放射性核素的沉积时就要用 到迁移因子( t a g ) ，其单位是m 2 k g ，它是以一个地区的放射性沉积物为基 础，由作物中的活度和单位区域沉积物的放射性所共同决定。由于随着植物的 生长代谢过程，植物体内的放射性活度也会发生变化，所以植物的生长阶段不 同，t a g 的值也会不同( r o m a n o v ，g n 19 9 5 ) 。 1 2 2 不同植物对放射性锶的吸收、分配和积累的研究 大量研究表明，由于不同植物遗传上的差异，植物对放射性锶的吸收、分 配和积累都存在较大的差异( m a 1 一o u d a t ，e ta 1 2 0 0 6 ；j r t w i n i n g ，e t a 1 2 0 0 4 ；n e i1w ill e y 2 0 0 6 ) 。m a l - o u d a t ( 2 0 0 6 ) 等通过研究橄榄树、杏 树和葡萄树在如s r 污染土壤上对锶的转移情况，结果发现，橄榄树、杏树、葡 萄树对9 0 s r 的平均转移系数分别为0 0 9 3 、0 13 、o 0 8 。在农作物中9 0 s r 的转 移系数的差异也较大。j r t w i n i n g ( 2 0 0 4 ) 等研究了高梁和绿豆对8 5 s r 的转 移系数，结果s r 在高梁中的转移系数为o 4 4 ，而在绿豆中的转移系数为 1 8 ，绿豆中的转移系数比高粱中高了一个数量级。n e i1 w ill e y ( 2 0 0 6 ) 等根 据前人研究综述了15 5 种被子植物对锶的富集情况，其中南瓜、葫芦、毛莨等 植物中放射性锶的平均浓度较高，而豆科植物、百合等植物中锶的平均浓度较 低，浓度差异高达2 个数量级。对被子植物富集放射性锶能力的分析有助于模 拟锶在食物链中的行为、预测锶对植物的放射性毒害剂量、选择监测和修复放 射性锶的植物种类。 1 2 3 植物不同生育期对放射性锶的吸收、分配和积累的研究 植物不同生育期对放射性锶吸收、分配和积累也不同。为了解放射性物质 对农产品不同生长时期的影响，c m a d o z - e s c a n d e 等( 2 0 0 4 ) 研究了豆类植物 在四个生长期( 幼苗期、开花前期、开花后期及成熟期) 受s r 的污染情况。 结果表明植物对锶吸收最多的时期是开花前期和开花后期，这两个时期是植物 生长最快，对营养物质吸收最多的时期。此外，豆类植物四个时期对锶迁移系 数也不同，由幼苗期的6 1 0 。增加到成熟期的1 1 0 一。根据m u n a k a t a 浙江人学硕 j 学位论文 ( 1 9 9 5 ) 的报道，水稻的地上部分生长符合s 型曲线，而水稻对9 0 s r 的吸收、 积累也符合水稻的生长曲线，即水稻生长旺盛的时期，植物对”s r 的吸收、积 累也越多。 1 2 4 植物不同器官对锶的吸收、分配和积累的差异 根从土壤或溶液中吸收放射性锶后，大部分的锶分布在植物的绿色部分 ( 6 3 ) 。锶被西红柿吸收后，果实中”s r 的含量仅为o 1 5 ，根部含量也仅为 4 8 4 ( m b r a m b il l a ，e ta 1 2 0 0 3 ) 。m b r a m b i1l a ( 2 0 0 2 ) 等的研究表明，果 树从根部吸收的“s r 主要分配到植物叶部，占总量的6 5 ，其次是根部，只占 总量的13 ，而在果实中的量很少，红色果实占3 ，绿色果实占1 。h i r o f u m i t s u k a d a ( 2 0 0 5 ) 等研究了 s r 在水稻中的吸收和分布情况，结果发现，如s r 在 水稻精米中的含量不到1 ，在非食用部分，水稻植株中放射性锶总量的8 7 分 布在稻草中，6 分布在水稻根部，4 分布在稻谷外壳中，剩余2 分布在米糠 中。l e u n g 等( 2 0 0 3 ) 的研究也得到了类似的结果，即只有少量的9 0 s r 分布在 水稻种子中。这些研究结果表明，大部分被水稻植株吸收的9 0 s r 积累在人类的 非食用部分，这些部分经常被用来堆肥或用来喂养家禽后重新进入土壤一植物 系统中。因此，研究放射性元素重要的是，不仅要评价可食用部分中摄入的放 射性元素含量，还要回收利用好非食用部分。锶和钙、锂等元素一样，被认为 是一种移动性很小的元素，通常植物从外界吸收的锶只有很少一部分转移到植 物的韧皮部( m a r s c h n e r 19 8 6 ) 。 1 3 锶对植物毒性效应研究进展 植物积累过量的锶后往往表现出受害症状，形态上主要表现为幼苗苗长、 根长受抑制，叶片失绿、植物干重下降；在生理生化方面表现为叶绿素含量降 低、光合作用减弱、细胞膜受损伤等。 1 3 1 锶对植物生长的影响 目前，国内外关于锶对植物生长发育方面的影响的研究还较少，主要集中 在对植物生长参数方面的研究。李梅等( 2 0 0 4 ) 以亚心形扁藻为材料，研究锶 胁迫对其生长的影响。结果，在实验设计的s r2 + 胁迫下亚心形扁藻均能生长， 但s r2 + 浓度较高( 5 7 6 m m o l l 和23 0 4 m m 0 1 l ) 时，生长受到不同程度的抑 1 4 浙江人学顾，l j 学位论文 制，细胞密度分别减少10 1 和2 1 。李梅等( 2 0 0 4 ) 又采用不同的锶胁迫研 究叉鞭金藻( d i e r a t e r i ai n o r n a t a ) 生长的变化时也得到了类似的结果。法国 学者p h e n n e r 等( 2 0 0 5 ) 研究了 s r 对豆科植物干重的影响，结果表明，受 锶污染的叶片干重比未受污染的减少了6 7 。这主要是因为大量积累的锶对植 物产生毒害作用，导致了生物量的下降( b u r s t t o m ，h g ，1 9 8 3 ) 。 1 3 2 锶对植物生理生化的影响 1 3 2 1 影响叶绿素的积累 光合作用是植物生长的重要能量来源和物质基础，叶绿素作为植物进行光 合作用的主要色素，其含量多少与光合速率有直接影响。锶污染后，植物叶绿 体受到严重影响。叶绿素含量随着锶浓度的升高而降低，呈负相关关系( 李梅 等，2 0 0 4 ；c s i k k e l - s z o l n o k i ，a ，e ta 1 1 9 9 6 ) 。李梅等( 2 0 0 4 ) 以亚心形扁 藻为材料，研究锶胁迫对其叶绿素含量的影响。结果表明，随着s r2 + 浓度的升 高，叶绿素a 、叶绿素b 和叶绿素a + b 的含量均逐渐下降，在11 5 2 m m o l l 时 的s r 2 + 下，叶绿素含量达到最低值，明显小于前4 组。高浓度下光合色素的急 剧减少可能是由于高浓度s r2 + 使亚心形扁藻的膜透性发生了变化，大量的s r 2 + 进入了细胞，从而使叶绿体膜遭到了破坏所至。 1 3 2 2 影响酶活性 植物在进行旺盛的有氧呼吸和叶绿体进行光合电子传递过程中会产生活性 氧自由基( a c ti v eo x y g e ns p e ci e s ，a o s ) ，a o s 有超氧负离子( 0 卜) 、单线 态氧( 1 0 ，) 、过氧化氢( h ：o ：) 、羟自由基( o h ) 、烷氧自由基( r 0 0 ) 及过氧化物自由 基( r o ) 等。它们的存在会是蛋白质和生物大分子变性，导致膜的损伤和破 坏，严重时会导致细胞死亡。同时植物在长期的进化中形成了清除活性氧自由 基、抑制膜脂过氧化的抗氧化酶系统，主要包括超氧化物岐化酶( s o d ) 、过氧 化物酶( p o d ) 和过氧化氢酶( c a t ) 。s o d 能将0 2 歧化为h 2 0 ：，抑制h a b e r w e is s 反应，再有p o d 将1 t2 0 ：分解为i - 1 2 0 ，将有毒的超氧阴离子转变成无毒的 1 t 2 0 ，而c a t 可直接将h ：o ：分解为h 2 0 和o ：使细胞内自由基维持在一个较低的水 平，防止细胞受自由基的毒害( r i j e t e n b i1j w ，e ta 1 1 9 9 4 ；o k a m o t oo k ，e t a 1 1 9 9 6 ；o k a m o t oo k ，e ta 1 19 9 8 ) 。正常情况下植物体内活性氧的产生和清 除处于相对动态平衡，锶胁迫破坏了这种平衡，使自由基大量产生，自由基的 浙江人学颁i j 学位论文 积累会对植物的细胞造成伤害。根据李梅( 2 0 0 4 a 、2 0 0 4 b ) 等对锶胁迫下叉鞭 金藻抗氧化酶活性的研究，又鞭金藻中抗氧化酶s o d 在低s r2 + 时分别降低1 2 5 、 7 5 和9 5 ，高s r2 + 时显著升高，为对照组8 5 7 。又鞭金藻细胞 中的c a t 活性先下降后升高，当s r 2 + 浓度为23 0 4 r e t o o l l 时，其活性为对照组 的1 9 。8 。这些变化说明金藻细胞内始终具有较高的清除活性氧的能力，从而 减少了活性氧对细胞的伤害，使金藻细胞保持较完好的结构与功能，表现出对 s r 较强的耐受力。 1 3 2 3 影响蛋白质和脂肪酸含量 锶胁迫会引起植物蛋白质含量和脂肪酸种类的变化。随着锶处理浓度的不 同，亚心形扁藻的蛋白质含量先下降后上升。而李梅等( 20 0 4 ) 对叉鞭金藻的 研究得到了不同的结果，锶浓度增加可使蛋白质含量稍微升高，但当s r 2 + 浓度 超过5 7 6 m m o l l 时则引起蛋白质含量开始下降。当s r2 + 浓度为5 7 6 m m o l l 和 2 3 0 4 m m o l l 时，蛋白质分别下降了3 8 和4 9 7 。不同s r2 + 浓度下亚心形 扁藻脂肪酸组成的变化也较大，随着s r2 + 浓度的升高，脂肪酸种类减少。当s r 2 + 浓度高于0 3 6 m m o l l 时脂肪酸种类急剧减少，这说明高浓度s r 2 + 胁迫对藻细 胞膜的伤害已经引起细胞膜中大量不饱和脂肪酸( p u f a s ) 过氧化，导致细胞膜 特性发生了一系列的变化，最终引起了膜的裂解，细胞死亡( 李梅等， 2 0 0 4 ) 。 1 3 2 4 对丙二醛( m d a ) 含量和细胞膜结构的影响 植物体内活性氧自由基的积累可导致膜脂过氧化，使植物生长异常。膜脂 过氧化的产物丙二醛( i d a ) 含量是反映膜脂过氧化作用强弱的一个重要指标。 m d a 能与蛋白质结合、引起蛋白质分子内和分子问的交联及生物膜中结构蛋白 和酶的聚合和交联( 严密，等2 0 0 6 ) ，使它们的结构功能和催化功能发生变化 而受到破坏。又鞭金藻经不同的锶处理后，在低浓度s r2 + 胁迫下，m d a 含量较对 照组降低，但当s r2 + 浓度为2 3 0 4 m m o l l 时，m d a 高出对照组1 2 3 o ( 李梅 等，2 0 0 4 ) ，说明高浓度的s r2 + 胁迫造成了叉鞭金藻膜脂过氧化作用加剧，导 致细胞受到严重伤害。 1 6 浙江人学硕1 ：学位论文 1 4 锶污染的防治途径 基于以上土壤一植物系统中锶的吸收、分配及积累规律和植物受锶毒害后 生理生化反应的分析研究，通常认为要减轻锶进入食物链的可能途径之一是严 格控制污染源，二是改变锶在土壤中的存在形态，降低其生物有效性，三是筛 选或培育对锶的转移系数大、积累多的植物品种对锶污染土壤进行生物修复。 ( 1 ) 严格控制污染源 要减轻锶对植物的毒害，减少锶对人类健康造成的威胁，首先应严格控制 污染源。如禁用含锶量高的废水灌溉农田，建立清水灌溉系统，改善灌溉水 质；做好核电站的安全防护措施和事故应急措施，加强核电站的安全管理，减 少核事故的发生。 ( 2 ) 使用改良剂提高土壤放射性锶的临界含量 在土壤中添加同位素载体或化