冬小麥葉角質(zhì)層組分對(duì)菲和芘的吸附及影響

王晉峰，包環(huán)宇 ，蔡軍 ，李嘉，吳福勇*

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院/土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030031；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100）

多環(huán)芳烴（PAHs）是一類典型的持久性有機(jī)污染物，由于其在自然環(huán)境中普遍存在而備受關(guān)注。煤炭燃燒是我國(guó)PAHs 排放的主要來(lái)源。最近研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)大氣PAHs 濃度（115 ng·m）明顯高于日本（5.76 ng·m）、韓國(guó)（19.9 ng·m）、越南（42.8 ng·m）和印度（62.3 ng·m），大氣中的PAHs污染不可小覷。小麥?zhǔn)俏覈?guó)主要的糧食作物，其中冬小麥種植面積約占70%。由于冬小麥主要生長(zhǎng)期與我國(guó)北方地區(qū)冬季采暖期高度重合，冬小麥生產(chǎn)面臨大氣PAHs 污染的威脅。小麥吸收和積累的PAHs 可以通過(guò)飲食攝入進(jìn)入人體，導(dǎo)致潛在的健康風(fēng)險(xiǎn)。因此，探討冬小麥葉片對(duì)大氣PAHs 的吸收和富集機(jī)制對(duì)糧食安全和人體健康具有重要意義。

植物吸收PAHs 通常主要通過(guò)根系和葉面兩種途徑，前者主要通過(guò)根系對(duì)土壤中PAHs 進(jìn)行吸收，進(jìn)而轉(zhuǎn)移到植物體內(nèi)，后者主要通過(guò)植物地上部組織表皮對(duì)大氣以及大氣和土壤中沉降到植物表面PAHs進(jìn)行吸收。有研究認(rèn)為，在未污染土壤中，葉面吸收途徑是PAHs 進(jìn)入植物體的主要方式。TAO 等認(rèn)為在PAHs 污染的土壤中，較高脂溶性PAHs 易與根系的有機(jī)組分結(jié)合，不易轉(zhuǎn)移到地上部組織，因此冬小麥的葉面吸收是PAHs 富集的重要途徑。過(guò)去的研究發(fā)現(xiàn)，品種、比葉面積、葉蠟含量、葉毛長(zhǎng)度、葉孔面積及角質(zhì)層結(jié)構(gòu)均為影響冬小麥葉面吸收PAHs的重要因素。此外，PAHs 的理化性質(zhì)也影響植物體內(nèi)PAHs 的吸收、轉(zhuǎn)移和積累。植物吸收的預(yù)測(cè)模型大多假設(shè)植物通過(guò)角質(zhì)層攝取有機(jī)污染物。葉片角質(zhì)層吸附有機(jī)物是葉面對(duì)有機(jī)物吸收的前提，只有角質(zhì)層吸附足夠的有機(jī)物，達(dá)到較高濃度，才能進(jìn)一步被植物吸收，因此探討PAHs 在植物角質(zhì)層的吸附過(guò)程及其機(jī)理對(duì)于深入認(rèn)識(shí)葉面吸收途徑尤為重要。

植物角質(zhì)層是由蠟質(zhì)、角質(zhì)、角碳和多糖等組成的膜狀結(jié)構(gòu)，是大氣有機(jī)污染物在植物體富集的主要吸收途徑，極大地影響著環(huán)境污染物的遷移轉(zhuǎn)化。植物角質(zhì)層蠟質(zhì)組分通常被認(rèn)為是有機(jī)污染物的主要儲(chǔ)存介質(zhì)。WANG 等的研究發(fā)現(xiàn)，PAHs 在冬小麥葉中的分布并不均勻，表皮蠟質(zhì)中PAHs 含量遠(yuǎn)高于葉肉組織，蠟質(zhì)含量是影響PAHs 在葉中吸收和分布的關(guān)鍵因素。早期的一些研究主要通過(guò)葉蠟質(zhì)來(lái)預(yù)測(cè)有機(jī)污染物的含量，然而可提取脂類（蠟質(zhì)）并不足以指示植物體內(nèi)有機(jī)污染物的含量，角質(zhì)層中較高含量的聚合脂質(zhì)——角質(zhì)和角碳組分也是有機(jī)污染物的高富集部位。LI 等發(fā)現(xiàn)，與可提取脂質(zhì)（蠟質(zhì)）相比，松針角質(zhì)層組分中聚合脂質(zhì)（角質(zhì)和角碳）組分對(duì)菲和芘表現(xiàn)出較高的吸附能力，而纖維素則表現(xiàn)出較差的親和力。LI 等報(bào)道了馬鈴薯、蘋果、西紅柿、葡萄果皮角質(zhì)層組分中，蠟質(zhì)和角質(zhì)是吸附有機(jī)污染物的主要組分，而具有較低吸附能力的糖類組分抑制了角質(zhì)層中角碳組分對(duì)有機(jī)污染物的吸附能力。過(guò)去的研究也表明，相比于其他PAHs，冬小麥葉對(duì)菲（PHenan threne，PHE）和芘（Pyrene，PYE）這兩種典型PAHs 具有較強(qiáng)的吸收能力。目前關(guān)于角質(zhì)層組分對(duì)PAHs 的吸附的研究主要集中在部分水果表皮角質(zhì)層和樹木葉角質(zhì)層，而禾本科農(nóng)作物葉角質(zhì)層組分對(duì)PAHs 的吸附效應(yīng)及機(jī)理尚不清楚。因此，本研究通過(guò)冬小麥葉角質(zhì)層分離組分對(duì)PHE 和PYR的吸附試驗(yàn)，綜合分析了角質(zhì)層各組分的結(jié)構(gòu)和元素組成對(duì)PAHs 吸附的影響機(jī)制，并比較了各組分對(duì)PHE 和PYR 的相對(duì)吸附系數(shù)。本研究將為深入了解冬小麥葉片對(duì)PAHs 沉降、吸附及其轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程提供理論基礎(chǔ)，對(duì)污染區(qū)冬小麥的安全生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義，同時(shí)也對(duì)準(zhǔn)確評(píng)估大氣PAHs 污染水平具有重要的參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 冬小麥幼苗的培養(yǎng)

冬小麥（L.）種子（品種為小偃22）購(gòu)自于陜西省隆豐種子有限公司。小麥種子經(jīng)3%HO表面滅菌30 min、去離子水沖洗后，放入潮濕濾紙，避光（25 ℃，24 h）催芽。在裝有2.5 kg 沙子（<2 mm）的塑料盆中種植12 粒催芽后種子，種子發(fā)芽后間苗至8 株。冬小麥每日澆水，保持田間持水量的60%~80%，每周施用全量的霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液。幼苗培養(yǎng)于恒溫溫室（28 ℃/23 ℃），生長(zhǎng)至四葉期時(shí)采集葉片，蒸餾水沖洗3次后，置于-80 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 冬小麥葉角質(zhì)層分離與提取

冬小麥葉角質(zhì)層采用草酸-草酸銨化學(xué)分離法分離。新鮮冬小麥葉浸入4 g·L的草酸和16 g·L的草酸銨溶液中，在40 ℃下磁力攪拌至葉肉完全脫落。用去離子水徹底清洗葉表皮，除去殘余葉肉及草酸銨和草酸，即獲得冬小麥葉角質(zhì)層。角質(zhì)層60 ℃烘干粉碎后過(guò)100 目篩，不同組分提取參考KOGELKNABNER等的方法，具體流程為：將備用的原始角質(zhì)層（WC1）用體積比為1∶1 的三氯甲烷和甲醇在70 ℃下索氏提取6 h，蠟質(zhì)組分被去除后，得到脫蠟角質(zhì)層組分（WC2），提取液用氮吹儀吹干至恒質(zhì)量，得到蠟質(zhì)組分（WW），60 ℃烘干后保存；脫蠟角質(zhì)層于70 ℃下在含有1% KOH 的甲醇溶液中回流攪拌3 h，皂化去除角質(zhì)層中聚合脂質(zhì)（角質(zhì)），剩余殘余物使用體積比為1∶1 的甲醇和水的混合液清洗并調(diào)節(jié)pH 至中性，烘干后得到脫蠟-皂化角質(zhì)層（WC3）。WC1、WC2、WC3 組 分 用 6 mol·L的 HCl 酸 解 回 流 6 h（100 ℃），去除角質(zhì)層糖類組分，殘留物用蒸餾水清洗至中性，烘干后分別得到脫糖角質(zhì)層（WC6）、脫蠟-脫糖角質(zhì)層（WC5）、脫蠟-皂化-脫糖角質(zhì)層（WC4）。分離得到的7 個(gè)角質(zhì)層組分（WC1~WC6，WW），樣品編號(hào)及組成見表1。由于蠟質(zhì)含量較少，本研究未對(duì)蠟質(zhì)組分進(jìn)行表征。

表1 冬小麥葉角質(zhì)層各分離組分的組成及縮寫Table 1 Composition and abbreviation of components isolated from cuticle of winter wheat leaf

1.3 冬小麥葉面角質(zhì)層組分表征

本研究用掃描電子顯微鏡（S-3400N）表征了冬小麥葉角質(zhì)層和分離角質(zhì)層各組分的表面結(jié)構(gòu)。用元素分析儀（EA3000）分析了7 種角質(zhì)層分離組分中C、H、N 元素含量的百分占比。由于角質(zhì)層灰分含量較低，O 元素含量根據(jù)質(zhì)量守恒用差減法計(jì)算得到?；? 種元素百分含量，經(jīng)計(jì)算得到角質(zhì)層組分的極性指數(shù)（N+O）/C 和 H/C 原子比，其中 H/C 原子比越大，脂肪性越大，芳香性越小。

1.4 冬小麥角質(zhì)層組分吸附試驗(yàn)

PAHs 污染區(qū)冬小麥地上器官中 3、4 環(huán) PAHs 占主導(dǎo)地位，且更易被吸收或轉(zhuǎn)運(yùn)，因此本研究選取PHE 和PYR 作為研究對(duì)象，其理化性質(zhì)見表2。吸附劑為冬小麥葉片中7 種角質(zhì)層組分（WC1~WC6，WW）。

表2 菲和芘的理化性質(zhì)Table 2 The basic physicochemical properties of phenanthrene and pyrene

吸附試驗(yàn)具體步驟如下：為控制離子濃度和抑制微生物生長(zhǎng)，用 0.01 mol·L的 CaCl和 200 mg·L的NaN的背景液配制系列PHE 和PYR 吸附質(zhì)使用液。PHE 和 PYR 分別設(shè)置 9 個(gè)水平，PHE 濃度分別為 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9 mg·L，PYR 濃度分別為0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.50 mg·L。稱取定量的葉角質(zhì)層組分于8 mL 的透明樣品瓶中，添加不同濃度的PAHs 使用液至樣品瓶中。為確保吸附去除率在30%~90%之間，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)確定固液比（表3）。吸附質(zhì)使用液體積為8 mL，試驗(yàn)設(shè)置溶質(zhì)空白和溶劑空白，所有濃度處理設(shè)置2 次平行。室溫（25 ℃）、避光條件下恒溫振蕩（100 r·min）3 d（預(yù)試驗(yàn)表明本研究吸附劑2 d 基本達(dá)到平衡）。然后在25 ℃下4 000 r·min離心15 min，取上清液用二氯甲烷萃取后旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀旋干，通過(guò)0.22μm 的有機(jī)濾膜并用甲醇交換定容至2 mL，避光儲(chǔ)存于棕色色譜進(jìn)樣瓶，用于測(cè)定PAHs。PHE 和PYR 的吸附量根據(jù)溶質(zhì)的起始濃度和吸附平衡濃度的差值計(jì)算，并通過(guò)平衡濃度（，mg·L）和吸附量（，mg·kg）繪制角質(zhì)層組分對(duì)PAHs的等溫吸附曲線。

表3 冬小麥葉角質(zhì)層各組分的吸附固液比Table 3 The specific solid-to-solution ratios of sorption in cuticle of winter wheat leaf

1.5 PAHs測(cè)定

樣品中的 PAHs 濃度 采 用HPLC（Shimadzu，LC-20A）聯(lián)合紫外檢測(cè)器（SPD-20A）和熒光檢測(cè)器（PF-20A）進(jìn)行分析。質(zhì)量控制方法參考本課題組前期研究。

1.6 數(shù)據(jù)分析

有機(jī)污染在角質(zhì)層上的吸附等溫線分為線性和非線性吸附兩種類型，本研究選擇Linear 吸附模型和Freundlich模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

Linear吸附模型方程：

式中：為單位吸附劑的吸附量，mg·kg；為水溶液吸附質(zhì)的平衡濃度，mg·L；線性等溫曲線的斜率為吸附系數(shù)，L·kg。

Freundlich 吸附模型方程：

式中：為單位吸附劑的吸附量，mg·kg；為水溶液吸附質(zhì)的平衡濃度，mg·L；為 Freundlich 吸附系數(shù)，為無(wú)量綱的等溫吸附曲率。

用有機(jī)碳含量標(biāo)化計(jì)算有機(jī)碳標(biāo)化的吸附系數(shù)：

式中：為冬小麥葉片角質(zhì)層各組分C 含量的百分占比。并計(jì)算了/的值，為有機(jī)碳標(biāo)化辛醇-水分配系數(shù)：

式中：為辛醇-水分配系數(shù)；為辛醇的C 含量，為73.8%。

通過(guò)各組分的產(chǎn)率及吸附系數(shù)間接計(jì)算了角質(zhì)組分的吸附系數(shù)，公式如下：

式 中 ：、、分 別 表 示 脫 蠟 角 質(zhì) 層 組 分（WC2）、脫蠟-皂化角質(zhì)層組分（WC3）和角質(zhì)的吸附系數(shù)，、、表示相應(yīng)各組分的產(chǎn)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 冬小麥葉角質(zhì)層不同組分表面結(jié)構(gòu)特征

冬小麥葉角質(zhì)層不同分離組分表面微構(gòu)型如圖1 所示。原始角質(zhì)層（WC1）表面為較為光滑的平面，這是角質(zhì)層表面蠟質(zhì)分布的體現(xiàn)。脫蠟處理后角質(zhì)層表面蠟質(zhì)大部分被去除，因此脫蠟角質(zhì)層（WC2）表面呈現(xiàn)明顯的凹陷結(jié)構(gòu)。皂化去除角質(zhì)組分后，角質(zhì)層組分變薄并裸露出大量的角質(zhì)釘（WC3）。去蠟-皂化角質(zhì)層（WC3）經(jīng)酸解去除多糖后，部分角質(zhì)骨架結(jié)構(gòu)消失，角碳組分（WC4）部分破碎為零碎的顆粒狀。這說(shuō)明角質(zhì)層中角碳組分分布并不連續(xù)，其間隙被多糖類物質(zhì)包裹，使其與外部環(huán)境隔離。然而WC1和WC2 酸解去多糖后，角質(zhì)層組分（WC5 和WC6）骨架并未被明顯破壞，且WC5 表現(xiàn)出較為完整的結(jié)構(gòu)，意味著角質(zhì)層中角質(zhì)組分的分布較為連續(xù)。從圖1也可看出，WC1 和WC6 結(jié)構(gòu)的蠟質(zhì)組分較為豐富，而WC5與WC2的表面結(jié)構(gòu)較為相似，這表明角質(zhì)層內(nèi)角質(zhì)和蠟質(zhì)相對(duì)獨(dú)立，酸解脫糖過(guò)程對(duì)角質(zhì)和蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)均無(wú)顯著破壞作用。

圖1 冬小麥葉角質(zhì)層各組分的電鏡掃描圖Figure 1 SEM images of cuticle composition in winter wheat leaf

2.2 冬小麥葉角質(zhì)層化學(xué)和元素組成特征

冬小麥葉角質(zhì)層各組分含量存在明顯差異，單一組分百分含量按糖類、角碳、角質(zhì)、蠟質(zhì)的順序依次降低（表4）。通常認(rèn)為，角質(zhì)層豐富的脂質(zhì)是植物富集有機(jī)污染物的主要原因。然而傳統(tǒng)的脂肪測(cè)定方法為有機(jī)溶劑提取，即本研究中的“可提取脂質(zhì)”，冬小麥葉角質(zhì)層中“可提取脂質(zhì)”（蠟質(zhì)）的百分含量為9.60%，高于松針（5.3%）和番茄（6.3%）角質(zhì)層蠟質(zhì)含量，而遠(yuǎn)低于馬鈴薯（13.4%）、葡萄（25.1%）和蘋果（44.7%）。除“可提取脂質(zhì)”外，植物角質(zhì)層組分中還存在一類不溶于有機(jī)試劑但可通過(guò)皂化解聚的“聚合脂質(zhì)”，即角質(zhì)。冬小麥葉角質(zhì)層中角質(zhì)含量的百分占比為12.53%，其含量是蠟質(zhì)的1.3 倍（表4），這與松針角質(zhì)層角質(zhì)含量（11.5%）相當(dāng)，但遠(yuǎn)低于柑橘葉（47%）和龍舌蘭葉（46%）角質(zhì)層角質(zhì)含量。過(guò)去的研究表明，在使用經(jīng)典脂肪模型預(yù)測(cè)黑麥草和大麥根系吸收有機(jī)污染物時(shí)，預(yù)測(cè)值遠(yuǎn)低于實(shí)測(cè)值，這可能是由于聚合脂質(zhì)不能被提取。除豐富的脂質(zhì)組分外，植物角質(zhì)層中還含有一類不能被皂化提取的高聚物，即角碳。冬小麥葉角質(zhì)層中角碳含量為26.03%，遠(yuǎn)高于馬鈴薯（21.2%）、葡萄（16.0%）和蘋果（7.5%）角質(zhì)層角碳含量，但低于松針（35.2%）角質(zhì)層角碳含量。這可能與葉、水果周皮以及松針角質(zhì)層碳骨架的豐富程度有關(guān)。這類聚合物具有較強(qiáng)的生物和化學(xué)穩(wěn)定性，是土壤穩(wěn)定的碳源，也是土壤有機(jī)質(zhì)的重要組成。此外，糖類是冬小麥葉角質(zhì)層的主要組分，其含量為51.44%，低于木屑、竹葉和根系（60%~99%），與松針（47.9%）、馬鈴薯（43.8%）和柑橘葉（40%）角質(zhì)層糖類含量相當(dāng)，且分別是龍舌葉（19.0%）和蘋果（13.2%）角質(zhì)層糖類含量的2.7倍和3.9倍。

冬小麥原始角質(zhì)層（WC1）的C 含量為42.55%（表 4），明顯低于松針（50.23%）、馬鈴薯周皮（47.44%）、葡萄（60.07%）、番茄（63.45%）和龍舌蘭葉（67.00%）角質(zhì)層C 含量。這種差異可能是由于植物種類不同，導(dǎo)致角質(zhì)層組成差異。冬小麥角質(zhì)層各組分（WC1~WC6、蠟質(zhì)和角質(zhì)）的H/C 在1.41~2.30之間，均表現(xiàn)出較強(qiáng)的脂肪性，且冬小麥葉原始角質(zhì)層的 H/C 為1.81，高于水果角質(zhì)層的比值。葉各角質(zhì)層組分極性大小次序依次為：角質(zhì)（0.58）<角碳（0.79）<蠟質(zhì)（1.04）<糖類（1.06）。除角質(zhì)外，其余組分的（N+O）/C 原子比在0.71~1.06 之間。此外，隨著角質(zhì)層蠟質(zhì)和聚合脂質(zhì)的逐步去除（WC1~WC3），C 含量逐漸降低，而O 含量逐漸增加，極性指數(shù)逐漸增加，芳香性逐漸增強(qiáng)。酸解脫糖后（WC3~WC4），C含量急劇增加，而O 含量急劇下降，芳香性增加。在各角質(zhì)層組分中，糖類的C 含量最低，為39.18%，O 含量較高，為51.22%，極性指數(shù)最大[（N+O）/C 為1.06]，而角碳（WC4）的芳香性較強(qiáng)（H/C 為1.41）。隨著冬小麥葉角質(zhì)層脂質(zhì)的逐步去除，糖含量逐漸增加，極性指數(shù)逐漸增加，這也說(shuō)明C含量影響著角質(zhì)層組分的極性大小，LI等也發(fā)現(xiàn)角質(zhì)層的極性指數(shù)差異與其糖含量呈正相關(guān)關(guān)系。

表4 冬小麥葉角質(zhì)層組分的C、H、N、O元素組成及原子比Table 4 The elemental analysis and atomic ratios in cuticle composition of wheat leaf

2.3 冬小麥葉角質(zhì)層對(duì)PHE和PYR的吸附

圖2 為冬小麥葉7 種角質(zhì)層組分對(duì)PHE 和PYR的等溫吸附曲線，其兩種吸附模型的回歸參數(shù)見表5。冬小麥各角質(zhì)層組分對(duì)PHE（=0.593~0.978）和PYR（=0.899~1.286）的吸附曲線均展示了良好的線性關(guān)系，表明PHE 和PYR 在角質(zhì)層各組分間的吸附以分配作用為主。冬小麥葉原始角質(zhì)層（WC1）對(duì)PHE 和 PYR 的分 別 為 5.194×10L·kg和 6.134×10L·kg，其對(duì)PHE 的與松針角質(zhì)層的（6.660×10L·kg）相當(dāng)，但遠(yuǎn)低于果實(shí)角質(zhì)層和馬鈴薯周皮的（1.623×10~5.395×10L·kg），略高于柳枝稷根部組織（3.974×10L·kg）。有研究表明，果實(shí)角質(zhì)層的吸附性能比松針葉角質(zhì)層要高出4~6 倍。RIE?DERER 等發(fā)現(xiàn)，果實(shí)角質(zhì)層對(duì)2，4-二氯苯氧乙酸的平均分配系數(shù)比葉角質(zhì)層高50%。冬小麥葉角質(zhì)層組分對(duì)PHE 和PYR 較低的可能與其相對(duì)較高的糖類含量（51.44%）有關(guān)（表3）。有研究顯示，松針各角質(zhì)層組分對(duì)PHE 的與多糖含量之間存在顯著的負(fù)線性關(guān)系（=-1 351+73 965，=0.99）。此外，冬小麥葉原始角質(zhì)層對(duì)PYR 的高于PHE，這可能是由于PYR 的辛醇水分分配系數(shù)（）大于PHE。有研究發(fā)現(xiàn)松針角質(zhì)層對(duì)PAHs 的與呈正相關(guān)關(guān)系，且其值表現(xiàn)為 NAP（6.86×10L·kg）

圖2 冬小麥葉角質(zhì)層組分對(duì)PHE和PYR的等溫吸附曲線Figure 2 Sorption isotherms of PHE and PYR by cuticle composition of winter wheat leaf

2.4 冬小麥葉角質(zhì)層分離組分對(duì)PHE和PYR的吸附

如表5 所示，冬小麥葉角質(zhì)層組分WC1~WC3 對(duì)PHE 和PYR 的等溫吸附曲線均呈線性，酸解后等溫曲線的非線性增強(qiáng)，這可能是由于酸解后糖類被去除，而被糖類包裹的角碳暴露出來(lái)影響PAHs 的吸附。角碳（WC4）對(duì)PHE 和PYR 的等溫吸附曲線的非線性最強(qiáng)（=0.593和0.899），這主要是由于角碳中芳香碳較為豐富，且更易與PHE 和PYR 發(fā)生特殊的ππ 吸附作用。冬小麥葉角質(zhì)層脫蠟后吸附性能有所增加，PHE 和PYR 的分別增加了13.7%和172.2%。其中蠟質(zhì)對(duì) PHE 和 PYR 的分別為 2.315×10L·kg和2.828×10L·kg，可能是由于角質(zhì)層中除“可提取脂質(zhì)”外還存在一類高吸附組分。因此，僅僅利用可提取脂質(zhì)對(duì)有機(jī)污染物的吸附進(jìn)行預(yù)測(cè)可能會(huì)低估有機(jī)污染物在植物體內(nèi)的富集能力及風(fēng)險(xiǎn)。冬小麥葉角質(zhì)層皂化后對(duì)PHE 和PYR 的吸附性能急劇降低（下降了45.1%和77.9%），這主要是由于皂化去除的聚合脂質(zhì)角質(zhì)是脫蠟角質(zhì)層中的主要吸附介質(zhì)。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，冬小麥葉角質(zhì)對(duì)PHE 和PYR 的分別為 2.71×10L·kg和 1.104×10L·kg，且顯著高于蠟質(zhì)的吸附性能，是其的1.2 倍和3.9 倍。SHECH?TER 等也發(fā)現(xiàn)番茄表皮中角質(zhì)組分對(duì)PHE 具有較高的親和性，可能是由于這類生物聚合物中有較高水平的無(wú)定形石蠟，為PHE 與角質(zhì)中的柔性長(zhǎng)烷基鏈基團(tuán)之間的疏水作用提供了分配介質(zhì)。冬小麥葉角質(zhì)層中角質(zhì)組分對(duì)PHE 的吸附性能相比于蘋果（9.004×10L·kg）和松針（3.6×10L·kg）角質(zhì)層較弱，可能與植物角質(zhì)層中角質(zhì)的化學(xué)組成有關(guān)，這也導(dǎo)致在皂化去角質(zhì)后吸附性能急劇下降。酸解去糖后各角質(zhì)層組分的吸附性能呈現(xiàn)顯著增強(qiáng)趨勢(shì)，其中脫蠟-皂化-脫糖組分（WC4）對(duì)PHE和PYR的增加幅度最高，較WC3 分別增加了4.2 倍和7.8 倍；脫蠟-脫糖組分（WC5）較WC2 增加了3.8 倍和1.0 倍；脫糖角質(zhì)層（WC6）較WC1增加了4.7倍和4.8倍（表5）。此外，脫蠟-皂化組分的吸附性能最差，可能是由于其主要由糖類和角碳組成。過(guò)去研究表明，糖類比脂肪對(duì)疏水性有機(jī)物的吸附能力弱。然而，冬小麥角質(zhì)層中角碳（WC4）對(duì)PHE 和PYR 表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸附性能（=1.688×10L·kg和3.238×10L·kg，表5）。其中角碳對(duì)PHE 的略低于蘋果（2.04×10L·kg）、葡萄（1.857×10L·kg）和松針（3.314 ×10L·kg），這可能是由于角碳被角質(zhì)層糖類包裹，阻擋其與PAHs 的接觸，掩蓋了角碳的吸附潛力，從而抑制了脫蠟-皂化后的組分（WC3）中角碳的吸附性能。酸解后各角質(zhì)層組分的吸附能力均有所增強(qiáng)，其原因可能是酸解去除糖類后，吸附性能較弱的多糖被去除，吸附性能較強(qiáng)的角碳暴露出來(lái)，同時(shí)，SEM顯示在酸解后暴露出裸露的角質(zhì)釘也證實(shí)了這一點(diǎn)。綜上所述，冬小麥葉角質(zhì)層中可提取脂質(zhì)蠟質(zhì)和聚合脂質(zhì)角質(zhì)是PAHs的主要儲(chǔ)存部位，且PHE 和PYR 在角質(zhì)的分布遠(yuǎn)大于在蠟質(zhì)的分布。角質(zhì)層多糖組分的吸附性能最差，被它們包裹著的角碳組分的吸附潛力受到抑制。

表5 冬小麥葉角質(zhì)層組分對(duì)PAHs等溫吸附曲線的回歸參數(shù)Table 5 Sorption regression parameters of PAHs by cuticular fractions of wheat leaf

如圖3 所示，蠟質(zhì)、角質(zhì)和角碳-糖類復(fù)合體對(duì)PHE 和 PYR 的相對(duì)吸附系數(shù)（r，r=fK，式中：f為各組分產(chǎn)率，為各組分的吸附系數(shù)）之和（8.12×10L·kg和 1.938×10L·kg）遠(yuǎn)高于原始角質(zhì)層（WC1）的相對(duì)吸附系數(shù)（5.194×10L·kg和 6.134×10L·kg），這是由于這些組分間穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)組成使各組分的吸附性能未能表現(xiàn)出來(lái)。其中4 種組分對(duì)PHE 的相對(duì)吸附系數(shù)大小順序?yàn)榻翘?角質(zhì)>角碳-糖類復(fù)合體>蠟質(zhì)，而對(duì)PYR 的相對(duì)吸附系數(shù)大小順序?yàn)榻琴|(zhì)>角碳>角碳-糖類復(fù)合體>蠟質(zhì)，這也說(shuō)明角質(zhì)和角碳具有較高的吸附PAHs 的能力。角碳對(duì)PHE 和PYR 的相對(duì)吸附系數(shù)是角碳-糖類復(fù)合體的1.7 倍和2.9 倍。此外，蠟質(zhì)在4 種組分中對(duì)PHE 和PYR吸收貢獻(xiàn)較低，這主要是由于角質(zhì)層蠟質(zhì)含量較低。因此，在冬小麥葉角質(zhì)層中角質(zhì)和角碳是PAHs的主要儲(chǔ)存介質(zhì)，而蠟質(zhì)的吸附貢獻(xiàn)最低，用蠟質(zhì)中含量指示有機(jī)污染物含量會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低估其在植物體內(nèi)的分布水平及暴露風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 冬小麥葉角質(zhì)層組分對(duì)菲和芘的相對(duì)吸附系數(shù)Figure 3 The relative sorption coefficient of phenanthrene and pyrene to the cuticle composition of winter wheat leaf

2.5 冬小麥葉角質(zhì)層組分性質(zhì)對(duì)PAHs吸附的影響

冬小麥葉角質(zhì)層組分中O含量與其對(duì)PAHs的值呈現(xiàn)顯著負(fù)線性關(guān)系（PHE：=0.845，<0.01；PYR：=0.664，<0.05），然而C 含量與呈現(xiàn)顯著正線性關(guān)系（PHE：=0.875，<0.01；PYR：=0.876，<0.01）（圖4）。這表明隨著角質(zhì)層組分C 含量的增加，其對(duì)PAHs 的吸附性能也隨之增加，而較高的O 含量可能抑制了其對(duì)PAHs 的吸附。角質(zhì)層組分的極性指數(shù)（N+O）/C 與其對(duì) PHE 和PYR 的也呈顯著的負(fù)線性關(guān)系（=0.911，<0.01；=0.883，<0.01）（圖4），這也說(shuō)明極性越大，角質(zhì)層對(duì)PAHs 的吸附性能越弱。李懷江等也發(fā)現(xiàn)天然沸石負(fù)載的基團(tuán)非極性越強(qiáng)，對(duì)甲醛的吸附量越大，反之，沸石負(fù)載的基團(tuán)極性越強(qiáng)，對(duì)甲醛的吸附量越小。此外，周丹丹的研究顯示秸稈碳質(zhì)對(duì)水中硝基苯的Freundlich 擬合指數(shù)與其芳香性（H/C）也呈良好的線性正相關(guān)，而回歸參數(shù)（）與H/C 呈良好的線性負(fù)相關(guān)。然而，本研究并未發(fā)現(xiàn)類似的相關(guān)性，這可能是PHE 和PYR與硝基苯的極性和芳香性/脂肪性差異導(dǎo)致的。

圖4 冬小麥角質(zhì)層吸附系數(shù)與N、C、O含量及（N+O）/N的線性關(guān)系Figure 4 Linear relationship between adsorption coefficient of cuticle in wheat leaf and N，C，O content and（N+O）/C

3 結(jié)論

（1）冬小麥葉角質(zhì)層中除可提取脂質(zhì)蠟質(zhì)外，還含有豐富的聚合脂質(zhì)角質(zhì)，其含量是蠟質(zhì)的1.3 倍。角質(zhì)層中角碳并非連續(xù)分布，而角質(zhì)的分布較為連續(xù)。其非極性組分主要是角質(zhì)，極性組分主要是糖類。隨著脂質(zhì)的去除，多糖含量增加，極性增加，芳香性增強(qiáng)，角碳組分的芳香性最強(qiáng)。

（2）冬小麥葉角質(zhì)層對(duì)芘和菲均表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸附性能，且主要為分配作用，由于菲具有較高的疏水性，角質(zhì)層組分對(duì)菲的吸附系數(shù)高于芘。角質(zhì)層中角質(zhì)和角碳組分是多環(huán)芳烴（PAHs）的主要存儲(chǔ)介質(zhì)，糖類組分與PAHs 的親和力最差。由于冬小麥葉角質(zhì)層中的蠟質(zhì)含量較低，蠟質(zhì)對(duì)PAHs 的吸附貢獻(xiàn)也較低。

（3）角質(zhì)層組分的元素組成是影響吸附性能的關(guān)鍵因素，隨著碳含量增加，吸附性逐漸增強(qiáng)，隨著氧含量和極性指數(shù)的增加，吸附性能減弱。這對(duì)污染區(qū)冬小麥生產(chǎn)過(guò)程中冬小麥品種的選擇提供了理論依據(jù)。