蒼耳在PAHs脅迫下的根系響應

張佩華　韋穎　李鵬善等

摘要：利用植物修復多環(huán)芳烴污染的土壤環(huán)境是一種新型經濟環(huán)境友好的修復方式。蒼耳作為一種適應性和抗逆性強的物種，其在修復受多環(huán)芳烴污染的土壤中的應用研究較少。通過盆栽試驗研究蒼耳根系在三類多環(huán)芳烴污染土壤中對污染物PAHs的響應，從不同濃度及類別PAHs下蒼耳植株的生物量，根系形態(tài)結構總根長（RL）、根表面積（RS）、根體積（RV）、根尖數（RT），以及土壤多酚氧化酶（PPO）分析其對于多環(huán)芳烴耐受性的強弱，以期確定蒼耳能否作為生態(tài)修復種。結果表明，在高濃度PAHs處理下的蒼耳根系生長增大，在高環(huán)數多環(huán)芳烴PYE處理下，受抑制程度隨濃度變化顯著，表現在根長變短、表面積降低、體積減小以及根尖數減少。在不同PAHs處理下蒼耳根際土壤PPO酶活性視具體的PAHs種類變化，二環(huán) NAP處理以及四環(huán)PYE處理下，PPO酶活性數較三環(huán)PHN處理低，根際土中比非根際土中PPO酶活性高。因此，蒼耳在三類多環(huán)芳烴（NAP、PHN、PYE）脅迫下，根系生長及根際微生物活動雖然會隨著PAHs濃度升高受抑制，但對其無致命影響，并在低中濃度下表現出較好的抗逆性?？梢詫⑸n耳作為潛力植物種對PAHs污染土壤進行植物修復，并對其抗逆性開展進一步深入研究。

關鍵詞：蒼耳根系；多環(huán)芳烴；植物修復

中圖分類號： Q945.78文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）11-0458-04

收稿日期：2014-11-02

基金項目：國家科技重大專項（編號：2012ZX07204-004）。

作者簡介：張佩華（1989—），男，江蘇常州人，碩士研究生，主要從事濕地生態(tài)學研究。E-mail： peihua.hi@163.com。

通信作者：安樹青，教授，主要從事濕地生態(tài)學研究。E-mail： anshq@nju.edu.cn。多環(huán)芳烴類化合物（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）是由2個或者2個以上的苯環(huán)以稠環(huán)形式連接的化合物，屬于持久性有機污染物（POPs）的大類?；剂先紵?、污水灌溉、油田開采等，造成中國土壤中PAHs等有機污染嚴重，影響農產品的安全并造成地下水次生污染，對人群健康也有危害[1-2]。由于其具有慢性毒性，對生物具有致畸、致癌、致突變的“三致”作用，是環(huán)境污染研究中優(yōu)先重點研究的對象[3-4]。PAHs也是我國土壤環(huán)境中多見的一類重要有機污染物，其污染呈加劇之勢，污染濃度從μg/kg量級升至 mg/kg量級，檢出率從不到20%增至80%以上，導致我國主要農產品中PAHs檢出率達20%左右[5]。因此，修復土壤PAHs等持久性有機物污染已成為國內外保護土壤環(huán)境安全關注的熱點問題之一。利用植物對PAHs污染的土壤進行修復是一種經濟有效的修復技術。植物修復是指利用植物在生長過程中吸收、降解、鈍化有機污染物的一種原位處理污染土壤的方法[6]。植物修復有機物污染土壤包括以下5種基本類型，包括植物固定、根際降解（植物促進根際微生物修復）、根際過濾（污染物攝取）、植物降解（植物轉化）、植物揮發(fā)[7]。其中根際降解和根際過濾是植物根系直接接觸有機污染物時涉及的植物生理過程。在用草本植物對PAHs多年污染土壤進行修復的研究中發(fā)現，PAHs主要集中在根部，而莖和葉組織中未檢測到PAHs[8]。在土壤非生物逆境脅迫條件下，植物最先感受逆境脅迫的器官是根系，而植物可以通過改變根系的形態(tài)和分布，以適應環(huán)境脅迫[9-10]。因此，根系作為直接接觸污染物的植物器官，在降解吸收利用PAHs方面起著十分重要的作用。

蒼耳（Xanthium sibiricum Patr），別稱羊帶歸、疔瘡草、野茄子、粘粘葵等，屬于菊科植物蒼耳屬[11]，蒼耳廣泛分布在全國各地，適應性強、易于散布、適應各種環(huán)境，全國資源豐富[12]。目前，對蒼耳的研究大都局限在其藥用價值和飼料應用等方面。在治理環(huán)境、發(fā)揮生態(tài)效應上報道較少，現有研究主要集中在其對鹽分和重金屬脅迫方面[13-15]。

本試驗采用蒼耳作為研究對象，觀察多種濃度下PAHs（萘、菲、芘）對蒼耳根系的形態(tài)結構、生物量以及土壤酶多酚氧化酶（PPO）的變化，分析蒼耳根系如何響應PAHs的脅迫，以期為蒼耳能否作為受PAHs污染土壤的修復種提供科學依據。

1材料與方法

1.1試劑

高純度（高于99%）的多環(huán)芳烴（萘NAP，菲PHN，芘PYE）購自東京化成工業(yè)公司?；拘再|見表1。

表1多環(huán)芳烴的理化性質

化合物縮寫簡稱分子量WSHclogKowNaphthaleneNAP萘128.231.743.03.36PhenanthrenePHN菲178.21.294.04.46PyrenePYE芘202.30.1351.14.88注： WS為水溶度（water solubility），是指在25 ℃下的溶解度（μg/mL） ；Hc為亨利系數（Henrys constant，Pa·m3/mol）；logKow 為辛醇-水分配系數[16]。

1.2材料

供試土壤采自河南省鄭州市索須河河岸，位于34°53′02.50″N、113°36′21.42″E，取表層土（0～20 cm），土壤基本理化性質為TN =0.04%、TOC =1.08%、pH值為7.8，PAHs背景值為0。室溫風干48 h后，去除大顆粒雜物，過 2 mm 直徑土篩。

蒼耳種子采于河南省鄭州市索須河沿岸位于 34°53′00.84″N、113°36′15.11″E至34°53′02.50″N、113°36′21.42″E 成熟植株上。

1.3試驗設計

將所需要添加的萘、菲、芘溶解于丙酮中，混合到風干土中，在通風櫥中進行通風處理直到樣品土壤中不再含有丙酮，得到NAP含量72 mg/kg、PHN含量24 mg/kg、PYE含量64 mg/kg 的母土。然后將這些母土與風干土混合，按照如下設置梯度進行混合，得到以下濃度的試驗土壤：NAP含量9、18、36 mg/kg；PHN含量3、6、12 mg/kg；PYE含量8、16、32 mg/kg。本試驗濃度梯度參照付杰對淮河流域表層沉積物中PAHs的研究[17]而設定，其中L表示低濃度、M 表示中濃度、H 表示高濃度。每種濃度處理，設置3類生物因素無菌組NM（定期進行甲醛滅菌）、有菌組NP（不種植植物）以及種植植物組MP。每類生物因素組都有NAP、PHN、PYE 3種污染物的3個梯度處理。每個處理3個重復。試驗設計見表2。

1.4取樣與測定

栽種植物的花盆高度18 cm，寬度14 cm，每培養(yǎng)盆放入1 kg的受試土壤（混合均勻的風干土），每隔2 d澆1次水，每次300 mL去離子水調節(jié)土壤含水量至最大持水量的60%。放置在室外進行培養(yǎng)，1月培養(yǎng)期結束后，對蒼耳土壤進行取樣。其中植株根系取樣中，先對土壤進行充分的潤濕，之后小心地將蒼耳整株拔出，在遇到較多根系時，要輕輕抖落，將黏著在根系上的土壤抖掉，然后將整株蒼耳以去離子水洗凈后，從胚芽著生點用剪刀將植株分為地上和地下2部分，分別裝入塑封袋中。將地下部分放入低溫保溫箱中進行保存，運送至實驗室進行根系分析。地上部分帶入實驗室，擦拭干凈后進行鮮質量稱量，烘干后進行干質量稱量。地下部分在根系分析之后也進行鮮質量、干質量的稱量。

采用RHIZO 2004b Operator根系分析儀測量蒼耳根系結構，測量后分別計算總根長（RL），根表面積（RS），根體積（RV）、根尖數（RT）指標。

土壤多酚氧化酶（ polyphenol oxidase，PPO） 是一種復合性酶，主要來源于土壤微生物、植物根系分泌物及動植物殘體分解釋放的酶。多酚氧化酶是土壤中重要的氧化還原酶，參與催化PAHs 化合物降解的中間產物兒茶酚轉化為苯醌的過程，減少降解過程中兒茶酚的積累，從而使降解過程順利進行[18]。土壤PPO酶采用比色法測定[19]。

1.5統(tǒng)計與分析

用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進行數據統(tǒng)計分析。數據類型包括植株地上地下生物量、根長、根體積、根表面積、根尖數以及土壤多酚氧化酶活性。各組數據以污染物濃度為因子進行平均值及標準差計算、方差齊性檢驗以及二維方差分析。

2結果與分析

2.1不同濃度下3種污染物對蒼耳生物量的影響

2.1.1生物量由圖1可知，在NAP處理下，3個濃度梯度中蒼耳總生物量之間差異不顯著；在PHN處理下，低濃度處理下的生物量要顯著高于中濃度下的生物量，高濃度下的生物量則與低中濃度處理差異不顯著；在PYE處理下，低濃度處理下的生物量要顯著高于中、高濃度下的生物量，中、高濃度處理之間生物量差異不顯著。

2.1.2地上部分、地下部分生物量NAP組地上部分、地下部分生物量在3個濃度處理下差異不顯著。PHN組、PYE組，低濃度下地上和地下生物量都要極顯著高于中濃度處理，而高濃度處理與低中濃度處理下生物量差異不顯著。不同處理條件下地上部分、地下部分生物量的變化差異與總生物量的變化差異表現一致（圖2）。

2.1.3地上部分、地下部分生物量比例地上地下生物量占總生物量比例見表3。從地上、地下生物量占總生物量比例變化上看，不同處理下地上部分所占比例隨PAHs濃度升高有上升趨勢，地下根系在接觸高濃度PAHs時生長受到抑制從而影響根系生物量的積累，試驗結果表明，蒼耳在受PAHs脅迫下會選擇性地增加地上部分的養(yǎng)分分配，提高地上部分對PAHs的耐受性。試驗結果表明，二環(huán)的NAP相比三環(huán)PHN和四環(huán)PYE結構簡單，容易被根際微生物降解作為碳源吸收利用，在高濃度時作為大量碳源促進了根際微生物的生長。而根際微生物能夠改善根系生長環(huán)境，促進蒼耳的生長。

對于根系而言NAP濃度升高，直接接觸抑制了根系的生長。但通過根與根際微生物的共同作用，改善了根際環(huán)境，促進地上生物量的積累，因此地下生物量的虧損可以通過地上部分的增加得到補償。

而對于環(huán)數較多的PHN（三環(huán)）、PYE（四環(huán)），更難被植物及微生物降解吸收。因而在低濃度時，少量的PHN和PYE易于被根際微生物分解利用，促進植物生長；中高濃度時，生物可利用性低，毒性高，對植物的生長產生明顯的抑制作用。本研究結果與相關研究結果[20-22]一致。

本試驗中，PHN和PYE處理的蒼耳總生物量在高濃度下都要比中濃度下的高。是否因為在高濃度下，植物根際土壤中某一類微生物（高效降解PHN、PYE菌株）成為了優(yōu)勢種，與植物的共同作用下，提高了對PHN和PYE的生物可利用性，降解成低環(huán)數低毒有機物，作為碳源吸收，促進了植物生長，還需要進一步研究證實。

2.2不同濃度下3種污染物對蒼耳根系形態(tài)的影響

2.2.1總根長由圖3可知，隨著NAP或PHN濃度升高，蒼耳的總根長有降低的趨勢，但不同濃度處理的總根長之間差異不顯著；在PYE處理下，中、高濃度處理下的蒼耳總根長顯著低于低濃度處理組。高濃度組蒼耳總根長雖然低于中濃度組，但差異不顯著。3類污染物的對比下，PYE處理下的蒼耳根系在3類處理物中是最短。因為PYE作為四環(huán)的PAHs，是毒性較高的一個表現。研究結果表明，無論是環(huán)數低的NAP還是環(huán)數較高的PHN和PYE，在濃度高的情況下，植物根系的生長都會受到伸長抑制。

2.2.2根表面積由圖4可知，隨著NAP或PHN濃度升高，蒼耳的根表面積有降低趨勢，但不同處理根表面積間差異不顯著；PYE中、高濃度處理下蒼耳的根表面積要顯著低于低濃度處理組，中、高濃度處理間差異不顯著。從3組不同污染物的對比可以看出，PYE組處理下蒼耳根系根表面積，最低。

根系表面積是根系和土壤進行營養(yǎng)交換的界面，也與水分吸收密切相關[23]。低濃度的PAHs在被植物和微生物共同作用降解后可以促進根表面積的增加，從而有利于植物從土壤中吸收更多的水分及礦質元素來維持自身的生長與代謝。試驗結果表明，NAP、PHN、PYE在高濃度情況下都會抑制植物根系的擴展，降低其根系表面積。

2.2.3根體積不同處理組根體積的變化見圖5。隨著NAP或PHN濃度的升高，蒼耳的根體積有先降再升的趨勢，但各濃度處理的根體積之間差異不顯著；在PYE處理下，隨著濃度升高，蒼耳根體積顯著降低，中、高濃度處理間根體積差異不顯著。在低濃度下，植物向根系輸送的碳同化產物增加，促進根系生長，用以維持根系對礦質元素及水分的吸收；在高濃度下，則是因為四環(huán)的PYE毒性相對較高，對植物生長主要起抑制作用。在3類污染物處理下，蒼耳根體積變化具有相似的趨勢，即在低濃度下，其根體積相對增大。根系處于生長和營養(yǎng)物質儲存狀態(tài)下，根體積增大。結合上述蒼耳根長、根表面積的變化趨勢，在高濃度PAHs的處理下，蒼耳根系雖然從伸長、擴展都受到了抑制，但是在逆境條件下，植物通過在根系積累營養(yǎng)物質，相對增大根體積，加強根系在逆境下的生活力，從而使植物更好地適應高濃度污染的環(huán)境。

2.2.4根尖數由圖6可知；隨著NAP、PHN濃度升高，蒼耳根系根尖數不斷下降，其中高濃度下的植物根尖數要顯著低于低、中濃度。在PYE處理下，蒼耳根系的根尖數在低濃度和高濃度下均顯著低于中濃度。根尖是根系生長最活躍的區(qū)域，也是根系接觸土壤PAHs的前哨。在植物直接吸收土壤PAHs的過程中，根尖受到的PAHs的抑制，隨其濃度升高而顯著增加。這也是PAHs濃度過高時毒性增大的體現。由于植物對礦質離子的吸收主要是通過根尖進行離子交換和主動吸收[24]，因此根尖數的減少也降低了根系活力，對植物的生物量的積累也產生抑制。

2.3不同類污染物濃度下蒼耳根際土土壤酶活性的變化

從圖7可以看出，無菌，有菌，以及菌和植物3類的土壤PPO值差異不顯著，但在有生物因素即植物和微生物都存在的情況下，根際土壤中PPO活性增加，這從側面證明在根際環(huán)境中，植物根系與微生物共同作用下對PAHs分解是活躍的。這在其他2類PAHs的處理結果上有同樣的趨勢。不同PAHs處理下，根際土中的PPO活性變化見圖8。

隨著NAP濃度升高，根際土中的PPO活性有降低的趨勢，但各濃度下的PPO活性差異不顯著。而隨著PHN和PYE濃度升高， 根際土壤中的PPO活性有增加的趨勢， 但各

濃度下的PPO活性也沒有顯著差異。PHN處理下蒼耳根際土PPO活性比NAP、PYE處理高有以下原因：NAP組由于環(huán)數低，易于降解，加之在物理化學作用下耗散的多，使得土壤中殘余的NAP少，在試驗后期，土壤微生物降解活動減少，分泌的酶減少。PYE組根際土中PPO含量低與PYE化學性質有關，環(huán)數高，毒性大，抑制了根際微生物的活動，導致PPO含量較低。

3結論與討論

在試驗周期內，蒼耳（包括在PYE組高濃度下長勢不好）完成了整個的生活史（發(fā)芽-開花-結果）。蒼耳作為抗逆性強的物種，在逆境環(huán)境下，能夠充分利用環(huán)境資源，增加地上生物量，完成生活史，可繁育下一代。本試驗結果，NAP、PHN處理組蒼耳長勢較好，其根系、根長、根表面積、根體積受NAP、PHN抑制較小。PYE組蒼耳根系形態(tài)隨著濃度升高變化明顯，表現在根長降低、根直徑降低、體積減小、根尖數減小等。PYE多環(huán)高毒，限制了蒼耳的地下部分的生長，從而導致其地上部分矮小，總生物量低。在低環(huán)數，低毒的PAHs土壤的植物修復中，植物能夠較好地吸收、降解這類PAHs，在高環(huán)PAHs下較易受到抑制。在根際環(huán)境下，通過對根際土的PPO活性進行研究，結果顯示PYE處理下根際土壤中PPO值較低于PHN處理組，NAP組最低。原因是PYE組根際微生物受PYE高濃度限制，而NAP組PPO活性低有可能是因為殘留較少，降解過程停緩。在PHN 組和PYE組，表現出了比較強的微生物活動。蒼耳只在高濃度、高毒性的PAHs脅迫下才表現出生長受限制，表明在PAHs脅迫下其根際環(huán)境適應力強，微生物活動強烈，能夠作為有潛力的生態(tài)修復種，對PAHs污染的土壤進行修復。

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