菜心吸收和積累土壤中5種多環(huán)芳烴規(guī)律

梁勇生 龍明華 巫桂芬 張會敏 喬雙雨

摘要：采用萘（Nap）、菲（Phe）、熒蒽（Flt）、苯并（a）芘（BaP）和茚并（1，2，3-cd）芘（InP）5種不同苯環(huán)數(shù)的多環(huán)芳烴（PAHs）混合溶液施入土壤，制成不同濃度PAHs污染土壤盆栽種植菜心，研究菜心對土壤中不同種類PAHs的吸收和積累規(guī)律。結(jié)果表明，菜心根部、莖部、葉片中的PAHs含量隨著PAHs處理濃度的增加而升高;菜心植株內(nèi)不同部位的PAHs含量表現(xiàn)為：根部>葉片>莖部;菜心葉片中的PAHs含量在定植后17 d內(nèi)快速上升，17～24 d上升速度明顯減慢，定植后24 d低濃度處理和CK葉片中的PAHs含量出現(xiàn)下降趨勢。菜心植株中低環(huán)類PAHs（2～3個苯環(huán)）的含量占PAHs總量的77.61%～90.3%，高環(huán)類PAHs（4～6個苯環(huán)）的含量占PAHs總量的9.70%～22.39%。菜心植株對土壤中5種PAHs的富集能力大小為Phe>Nap>Flt>BaP>InP，菜心根部對BaP和InP的富集能力遠大于莖部和葉片。

關(guān)鍵詞：菜心;多環(huán)芳烴;吸收;積累;規(guī)律

中圖分類號：X171.5

文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）15-0162-04

多環(huán)芳烴（PAHs）是環(huán)境中普遍存在的一類持久性有機污染物，土壤是PAHs的主要載體之一。植物吸收環(huán)境中的PAHs途徑一是通過植物根系的吸附作用吸收土壤溶液中的PAHs;二是PAHs以氣態(tài)和顆粒態(tài)通過大氣沉降作用附著在植物葉片上，通過葉片角質(zhì)層和氣孔等途徑進入植物體內(nèi)。土壤中的有機污染物可被根部吸收，在蒸騰作用下，隨蒸騰流沿木質(zhì)部向莖部和葉片傳輸[1]。土壤的污染程度、肥料施用方式和肥料的品種都會影響菜心中的PAHs含量[2]。但也有研究表明，蔬菜植株中PAHs的含量與土壤的PAHs濃度不相關(guān)，菜心植株中積累的PAHs總量大多不是由根系吸收和運輸?shù)?，空氣中PAHs也會影響菜心植株中PAHs的含量[3]。PAHs很難從植物根部向莖部和葉片運輸[4]。此外，PAHs的種類眾多，化學(xué)性質(zhì)也各不相同，低苯環(huán)的PAHs具有不穩(wěn)定性和揮發(fā)性，而高苯環(huán)的PAHs容易被土壤中的膠體和有機質(zhì)吸附。為了弄清楚菜心等蔬菜作物對土壤中不同種類的PAHs吸收和積累的規(guī)律，本研究以菜心為材料進行對比盆栽試驗，采用不同濃度的5種苯環(huán)數(shù)的PAHs混合溶液處理土壤，分析PAHs在菜心根部、莖部、葉片內(nèi)的積累情況，研究結(jié)果可為解釋菜心吸收和積累土壤PAHs的機理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試菜心（Brassica rapa syn. campestris L. ssp. chinensis var. utilis Tsen et Lee）品種為四九甜脆菜心，生長周期為35～40 d，由柳州市興旺蔬菜良種經(jīng)營部提供。供試土壤為菜園土，取樣地點為廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院蔬菜試驗基地，采用五點取樣法，取0～20 cm耕作層土壤，去除土壤中的碎石和植物殘根，在蔬菜大棚內(nèi)攤平晾干，敲碎后過5 mm篩集中備用。土壤的主要理化性狀為：pH值6.2，有機質(zhì)含量10.3 g/kg，速效氮含量65.5 mg/kg，速效磷含量15.8 mg/kg，速效鉀含量 70.2 mg/kg。土壤中的16種優(yōu)控PAHs總含量為 103.46 μg/kg。

1.2 試驗方法

試驗采用完全隨機設(shè)計，設(shè)4個處理濃度，從16種優(yōu)控PAHs中選擇Nap（苯環(huán)數(shù)2）、Phe（苯環(huán)數(shù)3）、Flt（苯環(huán)數(shù)4）、BaP（苯環(huán)數(shù)5）、InP（苯環(huán)數(shù)6）等5種PAHs等量溶于丙酮配制成PAHs混合溶液，添加入土壤的PAHs總量分別為：0（CK未添加外源PAHs，其PAHs含量為土壤本身所含有的量）、1 000（T1）、2 000（T2）、5 000 μg/kg（T3），用長×寬×高規(guī)格為46 cm×21 cm×15 cm的泡沫箱種植，每箱裝土 10 kg，種植菜心6株，每個處理重復(fù)3次。

1.3 栽培管理和采樣方法

試驗于2016年9—10月在廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院蔬菜基地蔬菜大棚內(nèi)進行。將菜心種子播種于育苗盤，用基質(zhì)培養(yǎng)至3葉齡時，選取長勢較一致菜心幼苗定植到各處理土壤中，定植后10 d開始采樣，測定菜心葉片中PAHs的含量，以后每7 d采樣1次，共采樣3次，每次葉片采樣于09：00—10：00進行，各處理隨機選取2株菜心采集第1張至第4張真葉，第3次采樣分別采集所有處理的根、莖樣品，用大塑料封口袋裝取，冰盒保溫，防止菜心葉片、根和莖樣品失水萎蔫，帶回實驗室，用去離子水沖洗，用濾紙輕輕地吸干上邊的水分，然后冷凍干燥，裝入牛皮紙信封，放進-20 ℃冰箱中避光保存?zhèn)溆?，測定菜心植株樣品中的PAHs含量。待測土壤則用四分法取樣，實驗室內(nèi)冷凍干燥，先放在-80 ℃冰箱1 h，之后樣品取出放在冷凍干燥機中，抽真空低溫干燥48～72 h，最后過60目篩，裝入塑料袋放入-20 ℃冰箱避光保存?zhèn)溆谩?/p>

1.4 試驗測定的項目及方法

土壤中的PAHs總量和菜心植株中的PAHs含量的提取和測定，參照高彥征等的方法[5]稍作修改。高效液相色譜儀（美國Waters2695）的色譜條件如下：專用液相色譜柱（美國SUPELCOSILTM LC-PAH，250 mm×4.6 mm，5 μm）溫度 30 ℃，進樣量30 μL，PDA檢測器（美國Waters2998）波長 254 nm，流動相為乙腈和水，每個樣品運行時間35 min，采用梯度洗脫、流速變化的方式，依據(jù)物質(zhì)的保留時間定性，定量方法用標準曲線法。

1.5 數(shù)據(jù)處理和分析

菜心根、莖、葉片對土壤中PAHs的生物富集系數(shù)用BCF來計算：BCFr=Croot/Csoil;BCFs=Cstem/Csoil;BCFl=Cleaf/Csoil。式中：BCFr為根的生物富集系數(shù);BCFs為莖的生物富集系數(shù)，BCFl為葉片的生物富集系數(shù);Croot為根中PAHs的濃度，Cstem為莖中PAHs的濃度;Cleaf為葉片中PAHs的濃度;Csoil為土壤中PAHs的殘留濃度。采用Microsoft Office 2016以及SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)處理與分析，用Duncans法進行顯著性檢驗（P<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 菜心植株不同部位吸收積累土壤PAHs的差異

菜心植株內(nèi)不同部位的PAHs總含量可以反映一段時間內(nèi)菜心對污染土壤中PAHs的吸收積累情況。由圖1可見，在同一個處理濃度下，菜心植株內(nèi)不同部位的PAHs含量均為根部>葉片>莖部。CK中根部、莖部、葉片之間的PAHs含量差異不顯著，隨著處理濃度的增加，根部的PAHs含量顯著高于莖部和葉片，處理T1和T2的莖部、葉片PAHs含量差異不顯著，當(dāng)土壤的PAHs處理濃度為5 000 μg/kg時，菜心根部的PAHs含量達792.80 μg/kg，葉片中的PAHs含量為379.68 μg/kg，均顯著高于莖部的189.46 μg/kg;此外，菜心根部、莖部、葉片中的PAHs含量隨著處理濃度的增加而升高。

葉片是菜心的主要食用部分，菜心葉片中不同時期的PAHs含量可以反映葉片對土壤中PAHs的吸收速度。 圖2

表明，處理17、24 d菜心葉片中的PAHs含量顯著高于10 d，各處理間17、24 d菜心葉片中的PAHs含量差異不顯著。CK和T1處理24 d的菜心葉片PAHs含量低于處理17 d的，差異不顯著;T2和T3處理中24 d菜心葉片PAHs含量高于 17 d，差異也不顯著。這說明菜心葉片中的PAHs含量在定植后17 d內(nèi)快速上升，17～24 d上升速度明顯減慢，CK和處理T1葉片中的PAHs含量出現(xiàn)下降趨勢。

2.2 不同濃度PAHs污染土壤菜心葉片5種PAHs的含量

不同種類PAHs的物理化學(xué)性質(zhì)各不相同，因而有必要了解它們各自在葉片中的吸收、積累情況。如表1所示，菜心葉片中的Nap、Phe、Flt、BaP和InP含量隨著處理濃度的增加而增加。定植后24 d，CK和T1處理葉片中Nap和Phe的含量差異不顯著，T1和T2處理葉片中Nap的含量差異不顯著。T2和T3處理葉片中InP的含量差異不顯著，說明在這2個處理間增加處理濃度，不能顯著增加菜心葉片中InP的含量。此外，T3處理葉片中Nap和Phe的含量遠大于Flt、BaP和InP，CK葉片中未檢測到BaP和InP。

2.3 不同濃度PAHs污染土壤菜心莖部5種PAHs的含量

由表2可知，菜心莖部Nap、Phe和Flt的含量隨著處理濃度的增加而增加，且各處理間差異顯著。處理T1與處理T2之間BaP和InP的含量差異不顯著，高濃度處理T3中BaP和InP的含量顯著高于其他處理，CK中未檢測到BaP和InP，各處理莖部Nap、Phe和Flt的含量遠大于BaP和InP的含量，說明隨著處理濃度的增加，BaP和InP在莖部的積累量增加不大。

2.4 不同濃度PAHs污染土壤菜心根部5種PAHs的含量

由表3可知，菜心根部Nap和Phe的含量隨著處理濃度的增加而增加，且各處理間差異顯著。CK與T1處理中Flt的含量差異不顯著，高濃度處理T3中Flt和InP的含量都顯著高于其他處理，T1與T2處理之間BaP和InP的含量差異不顯著，說明在這2個處理間增加處理濃度，并不能顯著增加菜心根部對BaP和InP的吸收。處理T2與處理T3之間BaP的含量差異不顯著，說明隨著處理濃度的增加，根部對BaP吸收積累量增加很少。T3處理根部的BaP和InP的含量遠高于同一處理下莖部和葉片中的含量，說明根部對不同類型的PAHs吸收量各不相同，BaP和InP在根部的積累量遠大于其在莖部和葉片中的積累量。

2.5 菜心植株中不同種類PAHs的含量及其在各部位中的占比

由表4和表5可知，不同濃度處理下，菜心植株中低環(huán)類PAHs（2～3個苯環(huán)）的含量占PAHs總量的77.61%～90.3%（表4），高環(huán)類PAHs（4～6個苯環(huán)）的含量占PAHs總量的9.70%～22.39%（表5）。除CK外，同一處理濃度下，低環(huán)類PAHs和高環(huán)類PAHs在根部中的含量都要大于其在莖部和葉片中的含量。說明菜心吸收和積累的PAHs主要是土壤中的低環(huán)類PAHs，而根部是菜心吸收和積累土壤中PAHs的主要器官。

和吸附，并在植物體內(nèi)積累，尤其是在污染水源和土壤附近種植的作物，很可能通過食物鏈在生物體內(nèi)積累[8]。所以，植物吸收積累的PAHs含量同時受PAHs在土壤和大氣中的濃度影響。

本研究在蔬菜大棚中進行，降低外部大氣環(huán)境中的PAHs對試驗的影響。結(jié)果表明，在不同濃度PAHs處理土壤后，菜心根、莖、葉中的PAHs含量隨著處理濃度的增加而升高，這與Gao等的研究結(jié)果[9-10]相吻合;菜心植株內(nèi)不同部位的PAHs含量為根部>葉片>莖部，與Wang等的研究結(jié)果[11-12]類似。這可能是因為PAHs作為脂溶性物質(zhì)，能在植物體內(nèi)積累，植物吸收積累脂溶性物質(zhì)PAHs的程度與植物脂肪含量密切相關(guān)[13]。植物根部菲和芘含量與其脂含量呈正相關(guān)關(guān)系[14]。有研究表明，PAHs從根部運輸進入葉片主要存儲在葉片的維管束和海綿組織中，而很少分配在其他組織中[15]。且菜心是須根系植物，接觸土壤的表面積更大，吸收富集的能力更強。而葉片接觸空氣的面積較大，PAHs可以通過葉片的角質(zhì)層進入植物體，因而葉片富集PAHs的能力也較強[16]。

本研究中菜心葉片中不同時期的PAHs含量出現(xiàn)動態(tài)變化，表現(xiàn)為菜心葉片中的PAHs含量在定植后17 d內(nèi)快速上升，17～24 d上升速度明顯減慢，定植后24 d低濃度處理和CK葉片中的PAHs含量出現(xiàn)下降趨勢。Brady等研究結(jié)果表明，車前草能夠吸收苯并（a）芘，且吸收過程主要在最初 24 h 內(nèi)，24 h后會達到平衡[17]，這與本研究結(jié)果相似。而葉片中的PAHs含量在定植后24 d出現(xiàn)下降趨勢，可能是由于菜心地上部分生物量不斷增大，但葉片中的PAHs含量在達到一定濃度后增加的量很少，所以PAHs的含量總體出現(xiàn)下降趨勢。

3.2 不同苯環(huán)數(shù)的PAHs在菜心根部、莖部和葉片中的積累

低環(huán)類的PAHs在水中的溶解度較大，且具有易揮發(fā)性;高環(huán)類的PAHs水溶性較小，也不容易揮發(fā)。這就導(dǎo)致了不同苯環(huán)數(shù)的PAHs在植物的根部、莖部和葉片中的含量也各不相同。蒽主要積累在高羊茅根系細胞壁、細胞器和細胞液中[18]。Kang等研究了黑麥草根系對菲和芘的吸收和積累，表明菲和芘剛開始吸附在細胞壁上，然后通過細胞膜，最后達到細胞器和細胞液中[19]。PAHs在油麥菜、菜心、四季青和花紅莧菜4種蔬菜的土壤-蔬菜界面上的遷移中，低環(huán)類PAHs較高環(huán)類PAHs更具有生物有效性，蔬菜對土壤中低環(huán)類PAHs生物富集系數(shù)較大，4種蔬菜樣品中，低環(huán)類PAHs的比重較大[20]。

本試驗結(jié)果表明，不同PAHs濃度處理下，菜心植株中低環(huán)類PAHs（2～3個苯環(huán)）的含量占PAHs總量的77.61%～90.30%，高環(huán)類PAHs（4～6個苯環(huán)）的含量占PAHs總量的9.70%～22.39%。熊冠男等研究指出，卷心菜中低環(huán)類PAHs占有優(yōu)勢地位，比重都在60%以上[21]，這與本試驗結(jié)果一致。另外，菜心吸收和積累的PAHs主要是土壤中的低環(huán)類PAHs，而根部是吸收和積累土壤中PAHs的主要器官，高環(huán)類的BaP和InP在根部的含量要遠大于其在莖部和葉片中的含量，BaP和InP在莖部和菜心葉片中的含量很小。Wild等研究表明，低環(huán)類PAHs的揮發(fā)性和溶解性比高環(huán)類PAHs更強，因此在植物根部和葉片中分布占有優(yōu)勢，低環(huán)類PAHs的水溶性大于高環(huán)類PAHs，所以更容易被植物體吸收[22]，這與本研究結(jié)果相似。

本研究結(jié)果中，PAHs在菜心根部、莖部和葉片的生物富集系數(shù)大小表明，菜心植株對土壤中5種PAHs的富集能力大小為Phe>Nap>Flt>BaP>InP，BaP和InP在根部的生物富集系數(shù)比莖部和葉片的要大1個數(shù)量級，菜心根部對BaP和InP的富集能力要遠大于莖部和葉片。這可能是因為高環(huán)類PAHs容易與土壤中的有機質(zhì)結(jié)合成較為穩(wěn)定的膠體[23-24]，且高環(huán)類PAHs的水溶性很小，很難從土壤中通過植物根系運輸富集到莖部和葉片中。

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