不同種類蔬菜幼苗對多環(huán)芳烴脅迫的生理反應(yīng)

唐璇 龍明華 喬雙雨

摘要：為了探索多環(huán)芳烴對蔬菜幼苗生長和生理特性的影響。分別以0.3、0.6、0.9 mg/L等不同濃度的16種多環(huán)芳烴對黃瓜、菜心、蘿卜進(jìn)行脅迫培養(yǎng)，以不加多環(huán)芳烴的幼苗為對照，研究多環(huán)芳烴脅迫下各蔬菜幼苗的生長和生理響應(yīng)。結(jié)果表明，黃瓜的葉寬、鮮質(zhì)量、CAT活性、POD活性以及蘿卜的葉綠素b含量、CAT活性在0.3 mg/L PAHs處理時達(dá)到最小值。處理濃度為0.6 mg/L時，黃瓜的POD活性、菜心的維生素C含量和蘿卜的MDA含量最小。黃瓜的干質(zhì)量、菜心的鮮質(zhì)量以及蘿卜的鮮質(zhì)量、POD活性在0.9 mg/L PAHs處理下達(dá)到最小值。不同濃度的PAHs處理對黃瓜和菜心葉片葉綠素的合成和光合作用以及蘿卜的維生素C含量均有促進(jìn)作用。隨著PAHs處理濃度的升高，黃瓜和菜心的MDA含量呈上升趨勢，在0.9 mg/L PAHs處理下達(dá)到最大值。不同種類蔬菜幼苗對PAHs具有不同生理反應(yīng)的原因之一，可能與它們?nèi)~片結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致吸收PAHs量的差異有關(guān)。

關(guān)鍵詞：多環(huán)芳烴;蔬菜幼苗;生長;生理生化

中圖分類號： Q945.78 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）07-0166-04

多環(huán)芳烴（polycyclic aromatic hydrocarbons，簡稱PAHs）是一類由2個或2個以上經(jīng)過高溫裂解得到的苯環(huán)以直鏈狀、角狀或者簇狀排列組成的稠環(huán)化合物，具有疏水性及低水溶性，易吸附于固體顆粒表面，能長期存在于環(huán)境中，是一種持久性有機(jī)污染物[1-3]。1976年美國環(huán)保局（USEPA）提出的129種“優(yōu)先污染物”（priority pollutants）的黑名單中，有16種是PAHs類化合物[4-5];1990年，我國國家環(huán)境保護(hù)總局將7種致癌性較強(qiáng)的多環(huán)芳烴列入了我國環(huán)境優(yōu)先污染物的黑名單[6]。PAHs在環(huán)境中難以降解，由于其具有半揮發(fā)性和脂溶性的特點，因而可以通過大氣沉降作用經(jīng)植物葉片進(jìn)入植物體內(nèi)或進(jìn)入土壤中由植物根系吸收，并在植物體內(nèi)遷移、代謝和積累，進(jìn)而通過食物鏈危害到人類身體健康[7]。PAHs進(jìn)入植物體的途徑主要有2種：土壤-植物途徑和空氣-植物途徑[8-9]。有報道認(rèn)為，這種空氣-植物體的吸收途徑是植物吸收PAHs的主要途徑[10-11]，影響這種吸收途徑的因素包括空氣中PAHs的濃度、PAHs的性質(zhì)、PAHs在空氣中的存在形態(tài)、葉表面的特征及溫度等。此外，植物葉表面的形態(tài)、表皮蠟質(zhì)化學(xué)成分、氣孔數(shù)量和分布以及絨毛生長的情況不同，對應(yīng)植物與空氣的相互作用過程也不同[12]，且植物吸收PAHs的速率與植物本身的適應(yīng)性及PAHs的生物有效性成正比[13]。

PAHs污染是全球面臨的一個緊迫的環(huán)境問題，由于其具有致癌、致畸、致突變的作用，嚴(yán)重影響人類健康，從而引起人們的高度重視。環(huán)境中的PAHs可以在植物體內(nèi)遷移、代謝、累積，從而影響植物的正常生長，并可在食物鏈中被逐級放大，影響人類健康。目前，關(guān)于PAHs的研究主要集中在PAHs對環(huán)境的污染和PAHs污染土壤的治理（生物修復(fù)）方面，而關(guān)于PAHs脅迫對蔬菜幼苗影響的研究相對較少，本試驗研究不同種類蔬菜幼苗對PAHs脅迫的生理反應(yīng)，旨在為進(jìn)一步探索不同種類蔬菜吸收及富集PAHs的特性打下基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 供試品種 F508油青甜菜心王，由廣州市圣吉亞農(nóng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)。白沙短葉13號早蘿卜，由汕頭市白沙蔬菜原種研究所生產(chǎn)。秀川701黃瓜，由廣州市偉興利種子有限公司生產(chǎn)。

1.1.2 供試土壤 采用基質(zhì)和黃壤土（體積比1 ∶ 8）混合作為試驗用土壤。

1.1.3 多環(huán)芳烴混合液的配制 16種PAHs混合標(biāo)準(zhǔn)品（10 mg/mL）購于美國Sigma-Alorich公司。16種多環(huán)芳烴分別為萘（NAP）、苊烯（ANY）、芴（FLU）、菲（PHE）、蒽（ANT）、熒蒽（FLT）、芘（PYR）、苯并（a）蒽（BaA）、（CHR）、苯并（b）熒蒽（BbF）、苯并（k）熒蒽（BkF）、苯并（a）芘（BaP）、茚并（1，2，3-c，d）芘（IPY）、二苯并（a，h）蒽（DBA）、苯并（g，h，i）二萘嵌苯（BPE）、苯并（e）芘（BeP）。

分別吸取一定體積的多環(huán)芳烴混合液于500 mL的丙酮溶液中，配成0.3、0.6、0.9 mg/L濃度的多環(huán)芳烴混合液，并放入4 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)計 試驗于2017年7月11日至10月20日于廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院蔬菜基地溫室大棚內(nèi)進(jìn)行。本試驗采用穴盤育苗，待幼苗長至2葉1心時，移栽于長60 cm、寬45 cm、高30 cm的泡沫箱中，每箱種9株。移栽3 d后，用不同濃度的PAHs混合液對幼苗葉片進(jìn)行涂抹處理，以未作處理的蔬菜幼苗為對照。每隔3 d處理1次，共處理3次。每個處理設(shè)3個重復(fù)。

1.2.2 指標(biāo)測定 生長指標(biāo)的測定：第3次處理后的第3天進(jìn)行株高、葉長和葉寬、鮮質(zhì)量和干質(zhì)量的測定。每處理設(shè)3個重復(fù)。之后采取幼苗的地上部分帶回實驗室，用水清洗葉片表面并用濾紙吸干表面水分，進(jìn)行稱量。稱好質(zhì)量后，用錫箔紙包好，并用液氮迅速冷卻后，放入-40 ℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

生理指標(biāo)的測定：葉綠素含量采用丙酮提取法[14]測定;維生素C含量采用2，6-二氯靛酚滴定法[15]測定;丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸（TBA）法測定;過氧化物酶（POD）活性采用氧化愈創(chuàng)木酚法測定;過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外分光光度法[16]測定。每個處理設(shè)3個重復(fù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2013進(jìn)行計算并制圖，采用SPSS 17.0進(jìn)行單因素方差分析，采用最小顯著差數(shù)法（P<0.05，Duncans）進(jìn)行不同處理間均值的差異顯著性比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 PAHs脅迫對蔬菜幼苗生長的影響

從表1、表2和表3可以看出，各PAHs處理之間以及各PAHs處理與對照之間的蔬菜幼苗株高差異不顯著。對照處理的黃瓜幼苗葉長、鮮質(zhì)量和干質(zhì)量顯著高于各PAHs處理，但各PAHs處理之間無顯著差異。黃瓜的葉寬與鮮質(zhì)量在低濃度PAHs處理下達(dá)到最小值，隨著PAHs處理濃度的增高呈現(xiàn)上升的趨勢，0.6、0.9 mg/L PAHs處理較0.3 mg/L PAHs處理分別上升了13.36%、18.19%和9.98%、19.57%;干質(zhì)量隨著PAHs濃度的增加逐漸減小，0.3、0.6、0.9 mg/L PAHs處理分別較對照處理下降了34.25%、36.46%、38.12%。菜心與蘿卜的葉寬和干質(zhì)量各處理間均無顯著差異。菜心和蘿卜在高濃度處理下鮮質(zhì)量最小，但菜心在對照處理時鮮質(zhì)量最大，而蘿卜在中濃度PAHs處理下鮮質(zhì)量最大。

2.2 PAHs脅迫對蔬菜幼苗葉綠素含量的影響

從圖1、圖2和圖3可以看出，在0.6 mg/L PAHs處理下，黃瓜和菜心的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量最大。黃瓜的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量在0.3、0.9 mg/L PAHs處理和對照處理之間無顯著差異。菜心的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素在對照處理下含量最小。蘿卜的葉綠素a、總?cè)~綠素在0.9 mg/L PAHs處理下含量最高，其他處理和對照處理無顯著性差異。蘿卜的葉綠素b含量在對照處理下最大，其他處理之間無顯著性差異。表明0.6 mg/L PAHs處理對黃瓜和菜心的葉綠素含量有促進(jìn)作用，0.9 mg/L PAHs處理對蘿卜的葉綠素含量有促進(jìn)作用。

2.3 PAHs脅迫對蔬菜幼苗丙二醛含量的影響

從圖4可以看出，黃瓜和菜心的丙二醛含量隨著PAHs處理濃度的增加呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，0.3、0.6、0.9 mg/L PAHs處理分別較對照處理上升了51.85%、96.86%、120.24%和0.38%、6.98%、20.17%。蘿卜的丙二醛含量在0.6 mg/L PAHs處理下最小，其他處理之間均無顯著差異。結(jié)果表明，PAHs中低濃度脅迫下，黃瓜和菜心的膜系統(tǒng)能正常工作，高濃度PAHs脅迫下其膜脂過氧化作用加強(qiáng)，膜透性增加。

2.4 PAHs脅迫對蔬菜幼苗維生素C含量的影響

從圖5可以看出，在對照和各濃度PAHs處理下，黃瓜的

維生素C含量均無顯著性差異。在0.9 mg/L PAHs處理下，菜心的維生素C含量達(dá)到最大值，在0.6 mg/L PAHs處理下，維生素C的含量最小。在0.6 mg/L PAHs處理下，蘿卜的維生素C含量達(dá)到最大值，對照處理的維生素C含量最小。結(jié)果表明，高濃度的PAHs處理對菜心的維生素C含量有明顯的促進(jìn)作用，中濃度的PAHs處理對菜心的維生素C含量有明顯的抑制作用。各濃度的PAHs處理對蘿卜的維生素C含量均有明顯的促進(jìn)作用，其中中濃度PAHs處理對蘿卜的促進(jìn)作用最顯著。

2.5 PAHs脅迫對蔬菜幼苗CAT活性的影響

從圖6可以看出，0.3、0.6 mg/L PAHs處理對黃瓜的CAT活性有顯著的抑制作用，對菜心的CAT活性有顯著的促進(jìn)作用。0.3 mg/L PAHs處理對蘿卜的CAT活性有抑制作用，0.6、0.9 mg/L PAHs處理對蘿卜的CAT活性有促進(jìn)作用，但作用不顯著。結(jié)果表明，黃瓜的CAT活性對中低濃度的PAHs較為敏感，蘿卜在PAHs脅迫處理下還可以維持較好的清除自由基能力。

2.6 PAHs脅迫對蔬菜幼苗POD活性的影響

從圖7可以看出，0.9 mg/L PAHs處理對黃瓜的POD活性有顯著的促進(jìn)作用，0.6 mg/L PAHs處理對黃瓜的POD活性有顯著的抑制作用。0.3、0.9 mg/L PAHs處理對菜心的POD活性有顯著的抑制作用，0.6 mg/L PAHs處理對菜心的POD活性有顯著的促進(jìn)作用。0.6 mg/L PAHs處理對蘿卜的POD活性有顯著促進(jìn)作用，其他處理之間無顯著差別。結(jié)果表明，不同蔬菜幼苗的POD活性對于PAHs脅迫有不同的響應(yīng)。

3 結(jié)論與討論

3.1 PAHs脅迫對蔬菜幼苗生長的影響

在不同濃度PAHs處理下，供試蔬菜幼苗的生長受到不同程度的影響。黃瓜的葉寬和鮮質(zhì)量在0.3 mg/L PAHs處理時達(dá)到最小值，分別比對照處理減少了21.97%和38.84%;隨著PAHs處理濃度的增大數(shù)值略微增加，但都比對照處理小。黃瓜的干質(zhì)量隨著PAHs處理濃度的增加逐漸減小，在0.9 mg/L PAHs處理下達(dá)到最小值，比對照處理減少了38.12%。菜心的鮮質(zhì)量隨著PAHs處理濃度的處理增加先增后減，在0.9 mg/L PAHs處理下達(dá)到最小值，比對照處理減少了27.88%。與對照相比，蘿卜的鮮質(zhì)量隨著PAHs處理濃度的增加先減后增再減，在0.9 mg/L PAHs處理下達(dá)到最小值，對比照處理減少了17.97%。由結(jié)果可知，供試的3種蔬菜幼苗生長發(fā)育受PAHs危害大小的順序為黃 瓜> 菜心>蘿卜。

3.2 PAHs脅迫對蔬菜幼苗生理生化指標(biāo)的影響

不同濃度的PAHs處理對黃瓜和菜心葉片葉綠素的合成和光合作用均有刺激作用。在0.3 mg/L PAHs處理下，蘿卜的葉綠素b含量達(dá)到最小值，比對照處理減少了31.80%。隨著PAHs處理濃度的增加蘿卜的葉綠素b含量逐漸增加，但都比對照小。結(jié)果表明，PAHs處理對蘿卜的葉綠素b含量有抑制作用。不同濃度的PAHs處理對蘿卜的維生素C含量有促進(jìn)作用;在0.6 mg/L PAHs處理下，菜心的維生素C的含量達(dá)到最小值，比對照減少了31.14%;隨著處理濃度的增加維生素C的含量先減少再增加，在0.9 mg/L處理下高于對照。結(jié)果表明，中低濃度的PAHs處理對蘿卜的維生素C的含量有抑制作用。丙二醛（MDA）是生物膜系統(tǒng)膜脂過氧化的產(chǎn)物之一，其在植物體內(nèi)的含量可反映機(jī)體內(nèi)脂質(zhì)過氧化的程度并間接反映細(xì)胞受損的程度，植物在受到外界因素的脅迫時，MDA的含量會增加，膜受到的損傷會隨之增大[17]。隨著PAHs處理濃度的升高，黃瓜和菜心的MDA含量呈上升趨勢，在0.9 mg/L PAHs處理下達(dá)到最大值，分別比對照處理增加了120.24%和20.17%。PAHs處理濃度為0.6 mg/L時，蘿卜的MDA含量低于對照，這可能是由于中濃度的PAHs對蘿卜的正常應(yīng)激性機(jī)制有一定傷害，導(dǎo)致MDA含量降低。結(jié)果表明，PAHs的高濃度處理脅迫會引起黃瓜和菜心的脂質(zhì)過氧化。

酶活性是植物在PAHs脅迫下較為敏感的生理指標(biāo)，黃瓜和蘿卜的CAT活性對低濃度的PAHs處理有一定的應(yīng)激性反應(yīng)，均在0.3 mg/L PAHs處理下達(dá)到最小值，分別比對照處理降低了57.68%和54.06%。在0.3 mg/L PAHs處理下菜心的POD活性達(dá)到最小值，比對照處理降低了30.13%。在0.6 mg/L PAHs處理下黃瓜的POD活性達(dá)到最小，比對照處理降低了 38.27%。在0.9 mg/L PAHs處理下，蘿卜的POD活性達(dá)到最小值，比對照處理降低了13.13%。結(jié)果表明，黃瓜和蘿卜CAT活性以及菜心的POD活性對低濃度的PAHs處理較為敏感，黃瓜的POD活性對中濃度的PAHs處理較為敏感，蘿卜的POD活性對高濃度的PAHs處理較為敏感。

葉片吸收PAHs的速率受葉片比表面積的影響很大。Schrelber等對5種針葉植物吸收PAHs速率的研究表明，不同植物的吸收速率與比表面積具較好的相關(guān)性，同一環(huán)境下葉片的比表面積差異導(dǎo)致其吸收速率可能相差一個數(shù)量級[18]。葉片吸收積累PAHs的能力與葉片表面粗糙程度或絨毛疏密程度有較好的相關(guān)性。一方面有茸毛的植物葉片更能吸附空氣中的顆粒污染物，密集的茸毛可以阻止小水滴接觸葉片的蠟質(zhì)表層，從而防止它們帶走葉片表面附著的顆粒物[19]。Howsam等對同一環(huán)境中榛樹、梣樹和橡樹進(jìn)行對比研究，發(fā)現(xiàn)絨毛細(xì)密的榛樹葉片中的PAHs濃度比絨毛稀疏的梣樹、橡樹葉片高1倍[20]。另一方面，葉片有排水的生理現(xiàn)象，這樣會消除一部分葉片上滯留的顆粒物。黃勇發(fā)現(xiàn)，樟樹、桂花、廣玉蘭、紅檵木4個樹種葉片解剖結(jié)構(gòu)與富集PAHs能力的相關(guān)關(guān)系均達(dá)到顯著水平，其中柵欄組織厚度、海綿組織厚度和葉片總厚度與葉片PAHs含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，葉片柵欄組織厚度、海綿組織厚度、葉片總厚度越薄，越方便氣態(tài)和顆粒態(tài)進(jìn)入，吸附量也越多，對氣態(tài)和顆粒態(tài)PAHs產(chǎn)生較強(qiáng)的富集作用;而種間其他葉片結(jié)構(gòu)與葉片PAHs含量間相關(guān)關(guān)系不顯著，可能是因為生理特性的差異，表現(xiàn)為某些結(jié)構(gòu)上的差異對吸附不敏感，如有的角質(zhì)層可能較難穿透、不同植物間氣孔能力不一致、不同樹種葉片氣孔對粒徑的選擇不一致等[21]。Barber等研究發(fā)現(xiàn)，角質(zhì)層較難穿透且氣孔密度較高時，氣孔吸收途徑相對重要，而當(dāng)角質(zhì)層極易穿透時，氣孔的作用幾乎為零[22]。由此可知，不同種類蔬菜幼苗對PAHs具有不同的生理反應(yīng)的原因之一，可能與它們?nèi)~片結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致吸收PAHs量的差異有關(guān)。

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