蘿卜對土壤中全氟辛酸賦存形態(tài)影響及吸收特征

呂雪艷，李政宇，杜文超，郭紅巖，于志國，吳吉春，孫媛媛*

（1.南京信息工程大學水文與水資源工程學院，南京 210044；2.南京大學環(huán)境規(guī)劃設計研究院集團股份公司，南京 210000；3.南京師范大學環(huán)境學院，南京 210023；4.南京大學環(huán)境學院，南京 210023；5.南京大學地球科學與工程學院，南京 210023）

全氟及多氟化合物（Per-and polyfluoroalkyl substances，PFAS）具備疏水疏油、熱/化學穩(wěn)定性和高表面活性等特點，被廣泛應用在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活等多個領域。長達60 a的生產(chǎn)和使用導致大量PFAS進入多種環(huán)境介質，如土壤、地下水和沉積物等，成為近年來備受關注的一類新污染物。土壤是PFAS最重要的環(huán)境儲蓄庫之一，施用污泥、農(nóng)藥下滲和大氣干濕沉降等是其進入土壤的主要途徑，污染場地土壤中PFAS濃度甚至高達mg·kg數(shù)量等級。作為持久性有機污染物（POPs），PFAS具有環(huán)境持久性、生物累積性和高毒性等特征，土壤PFAS污染對人類健康的潛在風險已成為目前全球關注的熱點。

土壤有機污染物可劃分為3種賦存形態(tài)：可脫附態(tài)、有機結合態(tài)和殘渣態(tài)，可脫附態(tài)、有機結合態(tài)污染物分別具有較高和中等的生物可利用性，而殘渣態(tài)污染物很難或幾乎不能被植物根系吸收，生物可利用性極低。因此，土壤中有機污染物的賦存形態(tài)決定其生物可利用性，進而影響其對周圍環(huán)境和生物的環(huán)境風險。已有研究指出，植物根際顯著改變土壤中有機污染物的形態(tài)分布，改變其生物有效性。部分學者雖然已對土壤PFAS污染的環(huán)境風險開展研究，但多數(shù)研究僅關注PFAS的植物毒性，發(fā)現(xiàn)PFAS可以顯著抑制植物生物量、降低凈光合速率、改變根和葉的代謝通路。但是，關于植物能否改變土壤-植物系統(tǒng)中PFAS的賦存形態(tài)并影響PFAS的生物可利用性還未見報道。而國內(nèi)外多項研究指出，有機污染物環(huán)境風險的精準評估必須基于土壤中有機污染物的生物可利用性而非總濃度。因此，考慮植物對土壤中PFAS生物可利用性的影響，對于準確評估PFAS在土壤-植物系統(tǒng)中的環(huán)境風險具有重要意義。

基于此，本研究以土壤中檢出頻率和濃度較高的全氟辛酸（PFOA）作為代表性PFAS，選擇根系較發(fā)達的蘿卜為代表性植物，探究蘿卜對土壤中PFOA賦存形態(tài)影響及吸收特征。采用連續(xù)提取法分析土壤中PFOA賦存形態(tài)，揭示蘿卜對土壤中PFOA賦存形態(tài)的改變，通過測定蘿卜的生物量和光合指標，評估PFOA對蘿卜的毒性作用。

1 材料與方法

1.1 PFOA

放射性標記PFOA-[1-14C]（C-PFOA）購自美國放射性化學公司，放射性為2.035 GBq·mmol，放射化學純度99%。未標記PFOA（CAS 335-67-1，96%分析純）購自德國克曼公司。

1.2 植物培養(yǎng)

供試土壤采自江蘇省南京市六合試驗基地（0～20 cm），土壤風干、敲碎、過2 mm篩后密封保存?zhèn)溆?。本課題組前期發(fā)表文章已對土壤理化性質進行表征，土壤pH為6.43，有機碳含量為10.3 g·kg，總氮、總磷和總鉀分別為1.1、0.29 g·kg和9.17 g·kg。

參考實際工業(yè)污染土壤PFOA污染水平，將土壤PFOA濃度設為0.2 mg·kg和5 mg·kg（以干質量計）。用50μCiC-PFOA和未標記PFOA儲備溶液（10 mg·L）配制PFOA原液，水浴超聲混勻。將風干土壤和一定量PFOA原液充分混合并老化10個月，分析老化后土壤放射性C-化合物濃度為0.20 mg·kg和4.67 mg·kg。實驗共設置5個處理：包括3個種植蘿卜組（土壤中PFOA濃度分別為0、0.2 mg·kg和5 mg·kg，分別記為空白、PFOA 0.2-有種植和PFOA 5-有種植），和2個無種植組（土壤中PFOA濃度分別0.2和5 mg·kg，分別記為PFOA 0.2-無種植和PFOA 5-無種植），每個處理設4個重復。

供試蘿卜（L.）品種為揚花蘿卜，購自綠領種業(yè)有限公司（江蘇南京）。將種子播種于上述不同處理組土壤中并溫室培養(yǎng)，培養(yǎng)盆尺寸為10.5 cm×15 cm×11.5 cm，培養(yǎng)期間不添加任何肥料?？刂茰厥視?夜溫度為28℃/20℃，相對濕度為60%，光照為200μmol·m·s。土壤濕度保持在60%～70%之間，實驗期間無滲濾液產(chǎn)生。

1.3 光合參數(shù)

收獲前一周測定植物的光合參數(shù)。測定蘿卜頂部第三片葉片的葉綠素含量，取0.1 g葉片置于研缽內(nèi)，加入少量石英砂充分研磨變白，無水乙醇沖洗研缽、研棒及殘渣至離心管中，搖勻后置于4℃冰箱，避光條件下待乙醇將葉綠素提取完全后，4 000 r·min離心10 min后取上清液，采用分光光度計（Shimadzu，日本）在663 nm和645 nm波長下測定并計算葉綠素a和葉綠素b含量。

通過Li-6800便攜式光合儀（Li-COR，美國）測定同一葉片的暗反應參數(shù)（/）和氣體交換參數(shù)，包括凈光合速率（Photosynthetic rate，Pn）、氣孔導度（Transpiration rate，Gs）、胞間CO濃度（Intercellular COconcentration，Ci）和蒸騰速率（Transpiration rate，Tr）。測定條件為光強200μmol·m·s，氣體流動速率700μmol·s，CO濃度400μmol·mol，相對濕度60%。

1.4 生物量和14C放射性活度測定

種子發(fā)芽60 d后收獲蘿卜，依次用自來水和超純水沖洗植株，每盆植株目數(shù)為6株，生長狀態(tài)無明顯差別，將植株分為地上部（莖和葉）和地下部，冷凍干燥至恒質量，稱其生物量（地上部+地下部）。收獲后的土壤充分混勻后取樣并冷凍干燥以備分析。根據(jù)C-化合物的放射量計算土壤和植物中PFOA濃度，分別取一定量研磨后植物（分為地上部和地下部）和土壤樣品置于生物氧化儀（Sample Oxidizer，Model 307，PerkinElmer，美國）中，高溫燃燒生成CO（800～900℃），經(jīng)堿性閃爍液（xysolve C-400，Zinsser Analytic，德國）吸收后用液體閃爍計數(shù)儀（LS6500，Beckman Coulter，Brea，加拿大）測定其C放射量，PFOA回收率為79.0%～82.0%。

1.5 土壤中PFOA賦存形態(tài)測定

根據(jù)SABATE等和XIANG等的方法，分析土壤中PFOA賦存形態(tài)。準確稱取1 g凍干土壤于50 mL聚丙烯離心管，加入10 mL含有75 mmol·L2-羥丙基-β-環(huán)糊精（HPCD）和0.04 g·mL疊氮化鈉（NaN）的提取劑混合物。25℃條件下避光振蕩，搖床轉速設置為150 r·min，依次在20、60、120、180 h和240 h時取出，3 000 r·min離心20 min后取上清液，將所有上清液混勻，通過LSC測量其放射性，即土壤中可脫附態(tài)PFOA，回收率為78.3%～80.3%。將上述提取后土壤風干，準確稱取0.5 g干燥土壤于50 mL聚丙烯離心管，加入7.5 mL甲醇并超聲10 min，25℃、4 000 r·min條件下離心10 min后取上清液，重復提取3次后，測定所有上清液的放射性，即土壤中有機結合態(tài)PFOA，回收率為93.7%～95.2%。土壤中PFOA總量測定同1.4燃燒法，殘渣態(tài)PFOA為總量與可脫附態(tài)、有機結合態(tài)PFOA濃度間的差值，即殘渣態(tài)=總量-可脫附態(tài)-有機結合態(tài)。

1.6 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)結果以平均值±標準偏差表示。采用Excel 2019和SPSS25.0對數(shù)據(jù)進行計算、統(tǒng)計與處理。通過Duncan多重比較法進行單因素方差分析（顯著水平＜0.05）。

2 結果與討論

2.1 種植蘿卜對土壤中PFOA賦存形態(tài)的影響

無種植和種植蘿卜土壤中PFOA的賦存形態(tài)分布如圖1所示。低濃度PFOA脅迫下（0.2 mg·kg），種植組土壤中可脫附態(tài)、有機結合態(tài)和殘渣態(tài)PFOA的百分含量分別為54.0%、29.3%和16.7%，與無種植組相比（可脫附態(tài)：55.5%，有機結合態(tài)：17.3%，殘渣態(tài)：27.2%），有機結合態(tài)PFOA增加12個百分點，殘渣態(tài)PFOA下降10.5個百分點，可脫附態(tài)PFOA則無顯著變化?？擅摳綉B(tài)和有機結合態(tài)的有機污染物分別具有較高和中等的生物可利用性，而殘渣態(tài)生物可利用性極低。因此，種植蘿卜可能提高低濃度PFOA污染土壤中PFOA的生物可利用性。前期研究證實植物根系分泌物是影響土壤中有機污染物[包括PFOA、PFOS（Perfluorooctanesulfonate）等]賦存形態(tài)的重要因素。因此，種植蘿卜使土壤中殘渣態(tài)PFOA含量下降可能是由于蘿卜根系分泌物導致殘渣態(tài)PFOA發(fā)生解吸，相關機制如下：（1）根系分泌物通過競爭PFOA所占據(jù)的有效吸附位點或區(qū)域，減弱PFOA與土壤間吸附作用，促使PFOA溶解至土壤溶液；（2）根系分泌物，尤其是低分子量有機酸（Low-molecular-weight organic acid，LMWOA），能夠溶解土壤中金屬離子、Fe/Al氧化物和有機質，提高土壤中多價陽離子、Fe、Al和溶解性有機質的含量。其中，LMWOA能夠阻斷金屬離子橋鍵的形成，抑制“土壤-多價陽離子-PFOA”三相絡合物的形成，并通過對Fe/Al氧化物的溶解作用以降低土壤與PFOA間靜電引力，進而促進PFOA發(fā)生解吸。另外，疏水作用是控制PFOA吸附行為的重要機制，由于LMWOA促使土壤釋放有機質，導致土壤與PFOA間疏水作用減弱，同樣有利于PFOA解吸。

高濃度（5 mg·kg）PFOA脅迫下，種植組土壤中可脫附態(tài)、有機結合態(tài)和殘渣態(tài)PFOA的百分含量分別為50.3%、27.5%和22.2%，與無種植組相比（可脫附態(tài)：55.2%，有機結合態(tài)：28.0%，殘渣態(tài)：16.8%），土壤可脫附態(tài)PFOA下降4.9個百分點，有機結合態(tài)和殘渣態(tài)PFOA無顯著變化（圖1）。與低濃度（0.2 mg·kg）PFOA相比，高濃度PFOA脅迫下種植蘿卜對PFOA形態(tài)分布影響較小，說明蘿卜對PFOA形態(tài)分布的影響具有很強的濃度效應。研究表明，有機污染物脅迫濃度能夠影響植物根系分泌物的成分組成及含量，如王姣龍等發(fā)現(xiàn)高濃度芘使紫玉蘭根系分泌物中檢測的物質種類減少；萬大娟等發(fā)現(xiàn)較低濃度多氯代有機污染物（PCOPs）脅迫促進植物可溶性總糖、有機酸和氨基酸的分泌，而較高濃度PCOPs脅迫抑制植物根系分泌可溶性總糖、有機酸和氨基酸。因此，推測不同濃度PFOA脅迫下蘿卜根系分泌物可能在數(shù)量和成分上存在差異。土壤-植物體系中PFOA形態(tài)分布變化可能是土壤性質、PFOA濃度和植物根系耦合作用影響的結果，鑒于土壤性質和根系分泌物種類的復雜性，其中的生化和分子機制還需進一步研究和證明。

圖1 不同PFOA濃度土壤中PFOA的形態(tài)分布Figure 1 Fraction distribution of PFOA in soil under different concentrations of PFOA exposure

2.2 蘿卜對土壤中PFOA的吸收作用

采用放射性示蹤劑（即測定C-化合物的放射性活度）檢測PFOA在蘿卜植株中的吸收和轉運特征。蘿卜對土壤中PFOA的吸收作用如圖2所示，蘿卜地上部和地下部均檢出C-化合物，0.2 mg·kg和5 mg·kgPFOA脅迫下，地上部C-化合物濃度分別為0.29 mg·kg和26.56 mg·kg，顯著高于地下部濃度（0.08 mg·kg和2.29 mg·kg），表明蘿卜可從土壤中富集PFOA。0.2 mg·kgPFOA污染土壤中蘿卜地下部富集系數(shù)（，根放射量/土壤放射量）、地上部富集系數(shù)（，莖葉放射量/土壤放射量）和地上部的轉運系數(shù)（，莖葉放射量/根放射量）分別為0.41、1.45和3.56；5 mg·kgPFOA污染土壤中蘿卜的、和分別為0.49、5.69和11.59。由于蘿卜地下部同時具有根和莖的特征，缺乏可食用莖和地上莖之間的典型屏障（凱氏帶），因此，蘿卜地下部的結果更加趨近莖的趨勢，而非根的趨勢；另外，蒸騰作用是植物吸收、轉運PFAS的主要動力，多數(shù)PFAS（除大于9的長碳鏈外）可被植物根系吸收后隨蒸騰流轉運至地上部發(fā)生累積，這可能是蘿卜地上部PFOA濃度遠高于地下根部的重要原因。與此類似，BLAINE等在探究不同類型植物對土壤中PFAS的吸收轉運作用時，發(fā)現(xiàn)蘿卜地上部PFOA濃度高出地下部5～10倍，其和值分別為0.85±0.17和7.60±1.52。另外，5 mg·kgPFOA脅迫下蘿卜地上部和地下部的PFOA濃度（26.56 mg·kg和2.29 mg·kg）均遠高于0.2 mg·kgPFOA脅迫下相應蘿卜部位的濃度（0.29 mg·kg和0.08 mg·kg），表明高濃度PFOA土壤中蘿卜對PFOA的累積作用更強，這與PFAS在生菜、黃瓜和小麥等植物中的累積規(guī)律一致，但是目前關于不同劑量PFAS下植物富集能力差異的相關機制尚不清楚。與已有文獻對比發(fā)現(xiàn)植物對PFOA的富集能力在種屬間顯著差異，如XIANG等研究了20個品種生菜對PFOA的吸收和轉運作用，發(fā)現(xiàn)在兩種PFOA濃度脅迫下（0.2 mg·kg和1 mg·kg），生菜的和高達17.7±1.54和6.5±0.05；DU等發(fā)現(xiàn)黃瓜中PFOA的值高達11.3～17.4。BLAINE等報道了芹菜對PFOA的和值為1.42±0.37和0.71±0.21，西紅柿為0.96±0.10和2.42±0.50，豌豆為0.79±0.22和0.52±0.04，ZHANG等發(fā)現(xiàn)小麥對PFOA的值較小，僅為0.021。這可能與植物根系生理及比表面積、生長期間的總水分蒸騰有關。

圖2 不同PFOA濃度處理土壤栽培蘿卜地上部（莖、葉）和地下部中14C-化合物濃度Figure 2 Concentration of 14C-chemical in below（stem and leaf）and above ground of radish plantsgrown in soil treated with different concentrationsof PFOA

2.3 土壤中PFOA對蘿卜生長的影響

不同濃度PFOA（0.2 mg·kg和5 mg·kg）脅迫下蘿卜生物量（干質量）如圖3A所示。與空白組相比，低濃度PFOA脅迫使蘿卜生物量顯著降低，高濃度PFOA脅迫下無顯著差異。實驗PFOA濃度范圍內(nèi)，蘿卜生長未表現(xiàn)出明顯的受害癥狀，表明蘿卜對PFOA污染具有較強的耐受能力。XIANG等研究了多個品種生菜對土壤中PFOA污染的吸收和轉運規(guī)律，發(fā)現(xiàn)PFOA對生菜生物量的影響因生菜品種而異，如部分品種的生物量呈現(xiàn)低濃度PFOA促進而高濃度無顯著影響的規(guī)律，部分品種的生物量幾乎不受PFOA脅迫影響，還有少部分長葉生菜品種的生物量變化與本實驗結果相似，即隨PFOA濃度的升高呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，0.2 mg·kgPFOA脅迫下生菜生物量最小，1 mg·kgPFOA脅迫下生菜生物量與對照組無顯著差異，但相應的機制還尚不清楚。PFOA在植物地上部的積累會影響葉片的葉綠素含量和光合作用，進而影響植物生長。本研究通過分析不同實驗條件下葉綠素及光合參數(shù)的變化發(fā)現(xiàn)，與空白組相比，低濃度PFOA脅迫對葉綠素含量（圖3B）、凈光合速率（圖4A）、細胞間CO濃度（圖4B）、葉片蒸騰速率（圖4C）和氣孔導度（圖4D）均無顯著影響，但顯著抑制了暗反應參數(shù)（圖4E）；高濃度PFOA脅迫對所有測定的光合參數(shù)均無顯著性影響（圖4），這與高濃度脅迫下蘿卜生物量與空白組無顯著差異一致。具體的微觀機制還有待進一步探索和研究。

圖3 不同PFOA濃度處理土壤栽培蘿卜的生物量及葉片中葉綠素含量Figure 3 Biomass of radish plants and chlorophyll in radish leaves under different concentrations of PFOA exposure

圖4 不同PFOA濃度處理土壤栽培的蘿卜葉片凈光合速率、細胞間CO2濃度、蒸騰速率、氣孔導度、暗反應參數(shù)Figure 4 Photosynthetic rate，intercellular CO2 concentration，transpiration rate，stomatal conductance，dark reaction in radish leaves exposed to different concentrations of PFOA

在PFOA污染土壤上種植作物或進行植物修復時，需同時考慮植物對PFOA的富集能力及其對PFOA的耐受能力。PFOA污染土壤更適合種植耐受能力強且可食用部分對PFOA富集能力差的作物，本研究中蘿卜地下部為可食用部分，對PFOA的富集能力較差（為0.41～0.49），且對PFOA具有一定耐受能力，較適合種植于PFOA污染土壤。

3 結論

（1）低濃度全氟辛酸（PFOA）脅迫下，蘿卜使土壤中有機結合態(tài)PFOA顯著增加、殘渣態(tài)PFOA顯著下降，而高濃度PFOA脅迫下蘿卜使土壤中可脫附態(tài)PFOA顯著降低。

（2）蘿卜可從土壤中富集PFOA，且地上部的富集能力遠大于地下部，其地下部和地上部富集系數(shù)分別為0.41～0.49和1.45～5.69。

（3）低濃度PFOA（0.2 mg·kg）脅迫降低了蘿卜生物量，高濃度PFOA（5 mg·kg）脅迫未影響蘿卜生物量。