低压电场作用下植物对铀胁迫的响应与富集

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核工业的快速发展会导致铀污染生态风险的加剧,植物修复对面源铀污染的治理表现出了巨大的应用潜力,但修复效率较低一直是植物修复的瓶颈问题。因此,本文主要通过研究外源施加低压交流(AC)电场和直流(DC)电场对水培苋菜(Amaranthus tricolor L.)和向日葵(Helianthus annuus L.)在铀胁迫下的生长和生理生化响应、铀富集能力和特征的影响,来探讨低压电场-植物联合修复铀污染水体的可行性及其作用机制。研究结果表明:(1)在0.5、5.0 mg·L-1铀浓度胁迫处理21 d后,苋菜的丙二醛(MDA)含量、相对电导率和过氧化物酶(POD)活性显著提高(P<0.05),而叶绿素a、b和类胡萝卜素含量、净光合速率(A)、胞间二氧化碳浓度(Ci)、水分利用率(WUE)、过氧化氢酶(CAT)和超氧化物岐化酶(SOD)活性、可溶性蛋白和脯氨酸(Pro)含量、根长则显著下降(P<0.05),这表明铀对苋菜有比较明显的氧化胁迫作用,在一定程度上造成了苋菜光合能力及渗透调节能力的下降,且与铀浓度呈正相关;苋菜对铀的富集主要集中在根部,铀富集量与铀胁迫浓度成正相关,最大为5.72 mg·g-11 DW,仅少量的铀会转运到地上部分,不超过根富集量的2%。在以上铀浓度处理下,外加0.25V·cm-11 DC电场后,会导致苋菜叶绿素a含量及根长的进一步显著下降,最大光化学效率(Fv/Fm)和POD活性也显著低于同浓度的铀处理组(P<0.05),这表明施加DC电场可能进一步加剧了铀对苋菜的胁迫作用;但是MDA含量和相对电导率也降低了,同时显著提高了WUE、SOD活性,以及高铀浓度下的A、蒸腾速率(E)、CAT活性和可溶性蛋白含量(P<0.05),表明铀胁迫下苋菜对DC的生理生化响应比较复杂,还有待进一步研究;此外,DC显著降低了苋菜根部对铀的富集,促进了其向叶部转运和富集铀的能力,但没有改变苋菜主要是根部富集铀的特征。在上述同样的铀处理条件下,分别外加0.25、0.50 V·cm-11 AC电场后,苋菜MDA含量显著下降,而A、气孔导度(Gs)、E、根长和鲜重则显著提高(P<0.05),这表明AC在一定程度上缓解了铀对苋菜的胁迫作用;此外,AC同样没有改变苋菜主要是根部富集铀的特征,但显著增加了根对铀的富集量(P<0.05),其中0.25 V·cm-1的AC对铀富集作用效果更显著,在5.0 mg·L-1铀浓度下,苋菜根、茎、叶的铀含量分别为铀处理组的1.35、4.19、3.62倍,根-茎转运系数为铀处理组的3.11倍。(2)在5.0 mg·L-1铀浓度胁迫处理21 d后,向日葵的MDA含量和相对电导率也显著提高(P<0.05),这表明铀对向日葵有一定的氧化胁迫作用,但是通过提高抗氧化酶活性,增加光合色素、可溶性糖含量,最终表现为对向日葵根长、株高和生物量增长的促进作用;向日葵对铀的富集也主要集中在根部,达到3.31 mg·g-11 DW,富集量低于同浓度下的苋菜。在上述铀浓度处理下,外加0.25 V·cm-11 DC电场后,会显著降低向日葵的MDA含量和相对电导率,但光合色素含量、A、根长、株高和生物量也显著下降(P<0.05),这表明施加DC电场可能导致向日葵光合能力下降,并抑制其生长;此外,与DC对苋菜的作用相似,DC显著降低了向日葵根部对铀的富集,但促进了其向叶部转运铀的能力(P<0.05),向日葵主要是根部富集铀的特征没有改变。在上述铀浓度处理下,分别外加0.25、0.50 V·cm-11 AC电场后,向日葵MDA含量显著下降,而相对电导率则显著升高,仅高电压组显著促进了向日葵生物量的积累(P<0.05),这表明AC在一定程度上缓解了铀对向日葵的氧化胁迫;此外,AC同样没有改变向日葵主要是根部富集铀的特征,但显著提高了根、茎、叶对铀的富集和转运(P<0.05),和苋菜一样,0.25 V·cm-1的AC对向日葵铀富集作用效果更显著,向日葵根、茎、叶的铀含量分别为铀处理组的1.30、4.76、8.05倍,根-茎、茎-叶转运系数分别为铀处理组的3.66、1.70倍。由此可见,水体中的铀会对植株造成氧化胁迫,进而损伤其光合能力及渗透调节能力,相同浓度下向日葵较苋菜对铀的耐受性更强,它们都以根部铀富集为主,相同浓度下苋菜对铀的富集量更大。施加AC电场不仅能够在一定程度上缓解植株受到的铀胁迫,还能显著促进植株根部对铀的富集能力,其中0.25 V·cm-1的作用效果更显著。
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