淮南市6種典型行道樹葉片富集多環(huán)芳烴（PAHs）的差異研究

劉玲 ，汪承潤，方炎明

1. 淮南師范學(xué)院生物工程學(xué)院，安徽 淮南 232038；2. 南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210037

多環(huán)芳烴（PAHs）是由2個或者2個以上苯環(huán)組成的一類復(fù)雜烴類，具有毒性，人體長期吸收會致癌、致畸和致突變（Menzie et al.，2002；Armstrong et al.，2004；Chen et al.，2015）。近十幾年來，關(guān)于PAHs來源及環(huán)境PAHs的監(jiān)測已成為國內(nèi)外環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，利用植物消減環(huán)境中PAHs尤其為環(huán)境植物學(xué)科研工作者青睞。PAHs是由含C和H的化合物不完全燃燒形成（Han et al.，2011）。環(huán)境中多環(huán)芳烴主要源于化石燃料燃燒，汽車尾氣排放，進(jìn)而被細(xì)小的空氣懸浮顆粒吸附（Deng et al.，2006），最后隨著降塵和懸浮顆粒降落（Huang et al.，2013；Yin et al.，2008）。

由于植物葉片伸展在空氣中，具有較大的表面積，表皮常有腺毛或蠟質(zhì)，可吸附降塵和懸浮顆粒，PAHs隨進(jìn)入氣孔進(jìn)入葉內(nèi)或粘附在表皮上的顆粒物富集在葉蠟上（An et al.，2017），故前人常利用植物體葉片對PAHs的富集量研究大氣中多環(huán)芳烴的污染狀況（Lehndorff et al.，2004；Murakami et al.，2012）。裸子植物松科的松針已被廣泛應(yīng)用（Amigo et al.，2011；Navarro-ortega et al.，2012；Metrak et al.，2016）；常綠和落葉被子植物葉片富集PAHs的研究亦有報(bào)道（Anapaula et al.，2016；Desalme et al.，2013）。但是，不同地區(qū)鄉(xiāng)土樹種和外來樹種不盡相同，對環(huán)境中有機(jī)污染物的移除能力有一定差異（Liang et al.，2017）。

淮南是中國的能源基地，近年來灰霾天氣增多，大氣細(xì)顆粒物超標(biāo)（劉玲等，2014），PM2.5中PAHs污染嚴(yán)重（胡煜等，2016；孫瑛等，2009），通過增加綠化面積和植被種類修復(fù)環(huán)境已成為城市建設(shè)的規(guī)劃之一。但是，有關(guān)淮河流域本土樹種和引種的樹木對PAHs的富集差異研究鮮有報(bào)道，栽植清除污染效果良好的樹種的理論依據(jù)欠缺。本研究選擇淮南市3條交通流量不同的主干道旁6種行道樹木（落葉和常綠）葉片作為試材，對其葉片PAHs累積進(jìn)行測定和分析，以期進(jìn)一步了解不同樹木葉片累積PAHs的差異及其與葉片微形態(tài)的關(guān)系，進(jìn)而篩選出具有強(qiáng)細(xì)顆粒吸附性、高PAHs累積性的木本植物，為江淮地區(qū)主要綠化樹種選擇提供參考，對城市合理布局森林群落結(jié)構(gòu)，減少環(huán)境污染有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)選擇

在淮南市（116°21′21″E～117°11′59″，32°32′45″～33°01′14″N）選擇有代表性的國慶中路（GQ）、洞山西路（DS）、淮河大道（HH）作為樣品采集地，國慶中路位于市中心，附近有淮南市的燃煤發(fā)電廠，每分鐘車流量為60～65輛；洞山西路地處郊區(qū)，采樣點(diǎn)位于兩所高校中間，每分鐘車流量為40～45輛；淮河大道為山南新區(qū)主干道，為近年開發(fā)的新路，車流量輛（每分鐘10～25輛）相對較少，綠化較好。

1.2 供試樹種及樣品采集

供試樹種包括女貞（Ligustrum lucidum）、廣玉蘭（Magnolia grandiflora）、石楠（Photinia fraseri）、香樟（Cinnamomum camphora）、紅葉李（Prunus cerasifera）和銀杏（Ginkgo biloba）。6種樹木現(xiàn)已廣布淮南，是主要的行道樹種，在3個樣區(qū)，樹木皆距離公路中心10 m，且生長良好。2016年10月下旬，每隔100 m左右于3個樣區(qū)道路兩邊各標(biāo)記樹樣1株，每種樹木共10株。一周后，在每株樹木東、西、南、北4個方向距地面約3 m高的地方各摘取當(dāng)年生枝條上葉3片，每種樹木共采集葉120片，葉片完整，無病蟲害，同種樹木胸徑大小、株高、葉面積相近（表1）。葉片采集完畢裝于自封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，備用。

1.3 樣品處理

1.3.1 葉片下表皮臨時裝片制作及氣孔密度的測定

臨時裝片制作：利用50%次氯酸鈉將清洗干凈的葉片離析，體視鏡下刷去上表皮和葉肉，用番紅染色后即可放置于雙目光學(xué)顯微鏡載物臺上進(jìn)行觀察（張立榮等，2009）。

氣孔密度測定：利用物鏡測微尺標(biāo)定光學(xué)顯微鏡（Olympus CX21；Olympus公司）目鏡視野面積，物鏡40×、目鏡10×下觀察每種行道樹葉片下表皮，計(jì)數(shù)氣孔，計(jì)算氣孔密度。下表皮氣孔密度見表1。

1.3.2 葉蠟提取及其中PAHs含量的測定

葉蠟提?。簠⒖纪跹徘俚龋?004）提取方法，對葉蠟提取劑略作改進(jìn)（由單一有機(jī)物改為混合有機(jī)物，以提高葉片中葉蠟提取效果）。具體過程如下：將每組葉片用清水沖洗，去離子水（微量分析型超純水機(jī)制取：Unique-S30，Research scientific instruments Co. LTD）浸泡10 min，洗去葉面塵，自然晾干后置于燒杯中，加正己烷-二氯甲烷混合液（體積比1∶1）200 mL為提取劑，燒杯封口后旋轉(zhuǎn)振蕩 2 min（100 r·min-1）。提取液減壓抽濾（0.45 μm玻璃纖維濾膜：上海興亞凈化材料廠，SHD-Ⅲ型水循環(huán)真空泵：保定陽光科教儀器廠）后定容至200 mL。準(zhǔn)確轉(zhuǎn)移100 mL提取液至恒重后的100 mL燒杯中，吹干稱重計(jì)算葉蠟質(zhì)量（具體見表1）。其余100 mL提取液用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（RE-3000：上海亞榮生化儀器廠）在40 ℃濃縮到約1 mL，然后硅膠柱凈化。用20 mL正己烷-二氯甲烷（體積比9∶1）洗脫，收集洗脫液用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀在40 ℃濃縮到約1 mL，加入1 mL乙腈再次過0.45 μm濾膜，高效液相色譜儀（HPLC：美國Waters公司）測定（崔艷紅，2003）。具體的色譜分析條件詳見文獻(xiàn)（汪福旺等，2010）。

1.3.3 葉肉組織中PAHs的提取和測定

將提過葉蠟的葉片粉碎后，取1 g置于10 mL離心管中，分別加入4 mL丙酮和4 mL二氯甲烷，于40 ℃下提取1 h，然后2000 r·min-1離心15 min（TGL-18R：上海安亭）。取上清液經(jīng)硅膠柱萃取，用29 mL正己烷洗脫，再加入25 mL正己烷和二氯甲烷的混合液（體積比 3∶2）淋洗后收集洗脫液，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)、過柱（同1.3.2），用5 mL二氯甲烷將其轉(zhuǎn)移并密封于樣品瓶中，待HPLC分析（彭鋼等，2010）。

表1 供試樹種生物學(xué)特征Table 1 Biological characteristics of test tree species

1.4 單標(biāo)峰值確定

本實(shí)驗(yàn)主要測定葉肉組織和葉蠟中8種小于6環(huán)的PAHs（萘：NAP，2環(huán)；芴：FLU，3環(huán)；菲：PHE，3環(huán)；熒蒽：FLT，4環(huán)；芘：PYR，4環(huán)；苯并(a)蒽：BaA，4環(huán)；苯并(b)熒蒽：BbF，5環(huán)；苯并(a)芘：BaP，5環(huán)）。8種PAHs單標(biāo)（購自美國AccuStandard公司）標(biāo)準(zhǔn)峰值測定條件：乙腈和三蒸水（6/4）為流動相，溫度為35 ℃。

1.5 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用SPSS 13.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用單因素方差分析對樹種間和區(qū)域間葉片葉蠟及葉肉組織富集PAHs進(jìn)行多重比較，一元線性回歸分析對數(shù)據(jù)間的相關(guān)性進(jìn)行分析。圖形制作運(yùn)用 Origin 7.5。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同行道樹木葉蠟中PAHs含量

結(jié)果（表2）表明，6種樹木葉蠟對8種PAHs的富集量介于50～2027 ng·g-1之間，在3種交通環(huán)境中，4種常綠樹木女貞、石楠、廣玉蘭、香樟葉蠟中8種多環(huán)芳烴的含量絕大部分高于落葉樹木紅葉李、銀杏，表明落葉樹木對環(huán)境中PAHs的消減能力低于常綠樹木。表2顯示，環(huán)境不同，樹木葉片葉蠟 PAHs含量有所差異，6種樹木葉蠟富集PAHs的結(jié)果基本表現(xiàn)為國慶中路＞洞山西路＞淮河大道，出現(xiàn)這種情況的原因可能是特殊的地理環(huán)境和交通影響，國慶中路附近有淮南市的燃煤發(fā)電廠，煤炭的大量燃燒使得附近的空氣污染嚴(yán)重，表現(xiàn)在植物葉蠟PAHs富集量高。其次，國慶中路的交通車流量大，較洞山西路和淮河大道繁忙，重型卡車的運(yùn)行頻率更高?；春哟蟮浪谏侥闲聟^(qū)是近年開發(fā)的新路，綠化較好，運(yùn)行的車輛相對較少，加之近山，環(huán)境較好，故葉蠟對PAHs的富集較少。洞山西路交通流量介于前述二者之間，地處郊區(qū)，但由于行駛的車輛較淮河大道多，故葉蠟中 PAHs的含量高于山南新區(qū)淮河大道。此外，在交通污染嚴(yán)重的國慶中路，6種樹木葉蠟富集8種PAHs量存在差異，香樟和廣玉蘭對萘的富集量高于其他4種樹木，均為女貞、石楠、銀杏的3.0倍、1.7倍、2.2倍，紅葉李的7.8倍左右；除萘外，香樟葉蠟對菲、熒蒽、苯并(a)蒽的富集及廣玉蘭對芴、芘、苯并(a)芘的吸附顯著高于其他 4種 PAHs；4種常綠樹木中，女貞葉蠟富集芴、熒蒽、苯并(a)蒽、苯并(b)熒蒽的能力優(yōu)于其他3種樹木；就2個5環(huán)PAHs而言，6種樹木葉蠟對苯并(a)芘的富集量明顯高于苯并(b)熒蒽，同時苯并(a)芘也是所有檢出物中測定值最高的，平均值為1000 ng·g-1左右。

表2 6種樹木葉蠟中PAHs含量Table 2 Contents of PAHs in leaf wax of six tree species ng·g-1

2.2 不同行道樹木葉肉組織PAHs含量

由表3可知，6種樹木葉肉組織PAHs的含量在30～600 ng·g-1之間，葉肉富集的PAHs明顯小于葉蠟，2、3環(huán)PAHs含量一般高于4～6環(huán)PAHs。比較不同取樣點(diǎn)之間6種樹木葉肉組織PAHs含量的差異可知，葉肉PAHs含量從高至低依次是國慶中路、洞山西路、淮河大道，與葉蠟中PAHs含量隨環(huán)境變化具有一致性。同種樹木在交通污染嚴(yán)重的采樣點(diǎn)其葉肉組織富集 PAHs多于相對清潔樣點(diǎn)。由表3可知，在交通繁忙的樣點(diǎn)，石楠、廣玉蘭和香樟葉肉組織富集2環(huán)PAHs量較高，平均約為550 ng·g-1；3環(huán)化合物芴檢出量較高的是香樟、女貞，平均約為200 ng·g-1；廣玉蘭、紅葉李和香樟葉肉對菲的富集較多；女貞、香樟、銀杏對4環(huán)PAHs熒蒽、芘和苯并(a)蒽的富集量高于其他3種樹木；廣玉蘭、石楠和香樟葉肉富集5環(huán)PAHs苯并(b)熒蒽和苯并(a)芘能力較強(qiáng)。綜合6種樹木葉肉對8種PAHs的富集量可知，常綠樹木效果較好，尤其是香樟和女貞。

2.3 葉蠟含量與其富集PAHs的相關(guān)性

本研究在測定樹木葉片葉蠟含量及葉蠟中PAHs的基礎(chǔ)上分析了二者的關(guān)系。由圖1可知，3種交通流量不同的主干道上被測樹種葉蠟含量與8種PAHs總量均呈顯著正相關(guān)，國慶中路、洞山西路及淮河大道樹種葉蠟含量與葉蠟中 PAHs總量的相關(guān)系數(shù)分別為0.92、0.91、0.81，表明在一定范圍內(nèi)，環(huán)境污染越嚴(yán)重，葉片葉蠟富集PAHs量越多。

2.4 氣孔密度與葉肉組織富集PAHs的相關(guān)性

本研究測定了6種樹木葉片下表皮氣孔密度及葉肉組織中8種PAHs含量，同時分析了氣孔密度與8種PAHs總量之間的相關(guān)性，結(jié)果如圖2所示。3種環(huán)境下6種植物葉片的氣孔密度與8種PAHs總量均呈顯著正相關(guān)，國慶中路、洞山西路及淮河大道樹種葉片氣孔密度與葉肉組織中PAHs總量的相關(guān)系數(shù)分別為 0.85、0.72、0.52，相關(guān)性隨交通環(huán)境的變化與葉蠟、葉蠟富集PAHs關(guān)系一致。

表3 6種樹木葉肉組織PAHs含量Table 3 Contents of PAHs in mesophyllous tissues of six tree species ng·g-1

圖1 葉蠟含量與其中8種PAHs總量的相關(guān)性Fig. 1 Correlation between content of leaf wax and total quantity of 8 PAHs enriched in leaf wax上圖從左至右依次為國慶東路、洞山西路、淮河大道樣區(qū)二者的相關(guān)性，*表示顯著相關(guān)（P＜0.05），n =3。下同The above pictures from left to right denote correlation of two variables successively in GQ, DS, HH. *mean significant correlation. and so does in the following figures (P＜0.05), n =3. The same below

圖2 氣孔密度與葉肉組織富集8種PAHs總量的相關(guān)性Fig. 2 Correlation of stomatal density with total quantity of 8 PAHs in mesophyllous tissue

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

目前，利用植物進(jìn)行土壤和大氣中PAHs富集的研究較多，大多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為，PAHs的水溶性很低，吸附于根部的PAHs很難沿著以水為基礎(chǔ)的木質(zhì)部運(yùn)輸通道向地上部分發(fā)生遷移（羅穎麗等，2010），植物（尤其是木本植物）主要從大氣中富集 PAHs（王曉麗等，2007；De Nicola et al.，2011）。森林具有接納空氣中PAHs的能力，因?yàn)槿~面蠟質(zhì)可吸附親脂性化合物且表現(xiàn)出較高的PAHs富集效率（Simonich et al.，1994）。本研究結(jié)果表明，常綠樹木葉片葉蠟富集8種PAHs的效果優(yōu)于落葉樹木，香樟、廣玉蘭、石楠葉蠟吸附的萘量分別是銀杏的2.5倍、2.5倍、1.3倍，是紅葉李的6倍、6倍、4.5倍；香樟葉蠟吸附菲、熒蒽、苯并(a)蒽及廣玉蘭葉蠟吸附芴、芘、苯并(a)芘的效果高于其他5種樹木；女貞葉蠟吸附芴、熒蒽、苯并(a)蒽、苯并(b)熒蒽的效果也較佳，這種結(jié)果不僅與常綠樹木葉片表皮細(xì)胞壁蠟質(zhì)化有關(guān)（冷平生，2011），也與樹木葉片的葉面積大小有關(guān)（Huang et al.，2018）。本研究6種樹木（4種常綠、2種落葉）葉蠟質(zhì)量與葉蠟吸附8種PAHs總量呈正相關(guān)，且隨著環(huán)境污染加重，相關(guān)性越顯著，該研究結(jié)果與常綠樹木葉片表皮的葉蠟質(zhì)量高于落葉樹木一致（Kardel et al.，2011）。此外，6種樹木葉蠟、葉肉富集PAHs量存在差異，葉蠟吸附PAHs最高的是苯并（a）芘，在重污染環(huán)境中平均值達(dá)1000 ng·g-1左右，這與劉玉等（2011）研究結(jié)果較為接近。葉肉主要富集 2～3環(huán) PAHs，常綠樹木香樟、女貞、廣玉蘭葉肉組織富集PAHs的能力高于銀杏和紅葉李。

氣孔不僅是環(huán)境二氧化碳和水分進(jìn)入植物體內(nèi)的通道，同時外界污染物也可通過氣孔富集于葉片內(nèi)部組織（俞學(xué)如，2008）。本研究得出，氣孔密度與葉肉組織富集8種PAHs總量呈顯著正相關(guān)，這一結(jié)論與彭鋼等（2010）、劉營等（2014）得出的氣孔對氣態(tài)PAHs的吸收起著重要作用的研究結(jié)果一致，與王雅琴等（2004）葉片PAHs含量隨氣孔密度增加而減少的研究結(jié)果截然相反?？赡艿脑蚴菤鉁匾蛩氐挠绊懀参锶~肉組織中PAHs富集量隨季節(jié)變化，春、秋季PAHs以從大氣向葉片遷移為主，夏季則因氣溫上升而通過氣孔揮發(fā)，以由葉片向大氣遷移為主，王雅琴等（2004）采集葉片的時間在夏季，而本研究采集時間是在秋季，故二者呈現(xiàn)正相關(guān)性；其次，本研究所測定的8種PAHs多是2～4環(huán)的，其狀態(tài)多以氣態(tài)形式存在，易進(jìn)入氣孔。因此，樹木葉片積累 PAH有一定的季節(jié)或年際變化特征。劉維立等（1999）研究表明，汽車排放的PAHs是城市大氣中PAHs的主要來源，本研究結(jié)果顯示同種樹木在交通污染嚴(yán)重的樣點(diǎn)其葉肉組織富集PAHs多于相對清潔樣點(diǎn)，該結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了葉片富集的PAHs主要來自大氣。同種環(huán)境不同樹種葉蠟、葉肉組織PAHs含量存在差異，與解瑩然等（2017）研究結(jié)果相同，可以為行道樹種選擇提供理論依據(jù)。

3.2 結(jié)論

樹木葉片對PAHs的富集狀況與樹木生長環(huán)境及樹種有關(guān)，同種樹木葉蠟和葉肉組織中PAHs含量呈現(xiàn)隨環(huán)境污染加劇而提高的現(xiàn)象，氣孔密度較大的樹種葉蠟和葉肉組織PAHs含量較高，常綠樹木葉片富集PAHs效果優(yōu)于落葉樹木?；茨鲜性灾蚕阏?、女貞、廣玉蘭有利于消減空氣中的PAHs。