梁勇生 龙明华 巫桂芬 张会敏 乔双雨

摘要：采用萘（Nap）、菲（Phe）、荧蒽（Flt）、苯并（a）芘（BaP）和茚并（1，2，3-cd）芘（InP）5种不同苯环数的多环芳烃（PAHs）混合溶液施入土壤，制成不同浓度PAHs污染土壤盆栽种植菜心，研究菜心对土壤中不同种类PAHs的吸收和积累规律。结果表明，菜心根部、茎部、叶片中的PAHs含量随着PAHs处理浓度的增加而升高;菜心植株内不同部位的PAHs含量表现为：根部>叶片>茎部;菜心叶片中的PAHs含量在定植后17 d内快速上升，17～24 d上升速度明显减慢，定植后24 d低浓度处理和CK叶片中的PAHs含量出现下降趋势。菜心植株中低环类PAHs（2～3个苯环）的含量占PAHs总量的77.61%～90.3%，高环类PAHs（4～6个苯环）的含量占PAHs总量的9.70%～22.39%。菜心植株对土壤中5种PAHs的富集能力大小为Phe>Nap>Flt>BaP>InP，菜心根部对BaP和InP的富集能力远大于茎部和叶片。

关键词：菜心;多环芳烃;吸收;积累;规律

中图分类号：X171.5

文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）15-0162-04

多环芳烃（PAHs）是环境中普遍存在的一类持久性有机污染物，土壤是PAHs的主要载体之一。植物吸收环境中的PAHs途径一是通过植物根系的吸附作用吸收土壤溶液中的PAHs;二是PAHs以气态和颗粒态通过大气沉降作用附着在植物叶片上，通过叶片角质层和气孔等途径进入植物体内。土壤中的有机污染物可被根部吸收，在蒸腾作用下，随蒸腾流沿木质部向茎部和叶片传输[1]。土壤的污染程度、肥料施用方式和肥料的品种都会影响菜心中的PAHs含量[2]。但也有研究表明，蔬菜植株中PAHs的含量与土壤的PAHs浓度不相关，菜心植株中积累的PAHs总量大多不是由根系吸收和运输的，空气中PAHs也会影响菜心植株中PAHs的含量[3]。PAHs很难从植物根部向茎部和叶片运输[4]。此外，PAHs的种类众多，化学性质也各不相同，低苯环的PAHs具有不稳定性和挥发性，而高苯环的PAHs容易被土壤中的胶体和有机质吸附。为了弄清楚菜心等蔬菜作物对土壤中不同种类的PAHs吸收和积累的规律，本研究以菜心为材料进行对比盆栽试验，采用不同浓度的5种苯环数的PAHs混合溶液处理土壤，分析PAHs在菜心根部、茎部、叶片内的积累情况，研究结果可为解释菜心吸收和积累土壤PAHs的机理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试菜心（Brassica rapa syn. campestris L. ssp. chinensis var. utilis Tsen et Lee）品种为四九甜脆菜心，生长周期为35～40 d，由柳州市兴旺蔬菜良种经营部提供。供试土壤为菜园土，取样地点为广西大学农学院蔬菜试验基地，采用五点取样法，取0～20 cm耕作层土壤，去除土壤中的碎石和植物残根，在蔬菜大棚内摊平晾干，敲碎后过5 mm筛集中备用。土壤的主要理化性状为：pH值6.2，有机质含量10.3 g/kg，速效氮含量65.5 mg/kg，速效磷含量15.8 mg/kg，速效钾含量 70.2 mg/kg。土壤中的16种优控PAHs总含量为 103.46 μg/kg。

1.2 试验方法

试验采用完全随机设计，设4个处理浓度，从16种优控PAHs中选择Nap（苯环数2）、Phe（苯环数3）、Flt（苯环数4）、BaP（苯环数5）、InP（苯环数6）等5种PAHs等量溶于丙酮配制成PAHs混合溶液，添加入土壤的PAHs总量分别为：0（CK未添加外源PAHs，其PAHs含量为土壤本身所含有的量）、1 000（T1）、2 000（T2）、5 000 μg/kg（T3），用长×宽×高规格为46 cm×21 cm×15 cm的泡沫箱种植，每箱装土 10 kg，种植菜心6株，每个处理重复3次。

1.3 栽培管理和采样方法

试验于2016年9—10月在广西大学农学院蔬菜基地蔬菜大棚内进行。将菜心种子播种于育苗盘，用基质培养至3叶龄时，选取长势较一致菜心幼苗定植到各处理土壤中，定植后10 d开始采样，测定菜心叶片中PAHs的含量，以后每7 d采样1次，共采样3次，每次叶片采样于09：00—10：00进行，各处理随机选取2株菜心采集第1张至第4张真叶，第3次采样分别采集所有处理的根、茎样品，用大塑料封口袋装取，冰盒保温，防止菜心叶片、根和茎样品失水萎蔫，带回实验室，用去离子水冲洗，用滤纸轻轻地吸干上边的水分，然后冷冻干燥，装入牛皮纸信封，放进-20 ℃冰箱中避光保存备用，测定菜心植株样品中的PAHs含量。待测土壤则用四分法取样，实验室内冷冻干燥，先放在-80 ℃冰箱1 h，之后样品取出放在冷冻干燥机中，抽真空低温干燥48～72 h，最后过60目筛，装入塑料袋放入-20 ℃冰箱避光保存备用。

1.4 试验测定的项目及方法

土壤中的PAHs总量和菜心植株中的PAHs含量的提取和测定，参照高彦征等的方法[5]稍作修改。高效液相色谱仪（美国Waters2695）的色谱条件如下：专用液相色谱柱（美国SUPELCOSILTM LC-PAH，250 mm×4.6 mm，5 μm）温度 30 ℃，进样量30 μL，PDA檢测器（美国Waters2998）波长 254 nm，流动相为乙腈和水，每个样品运行时间35 min，采用梯度洗脱、流速变化的方式，依据物质的保留时间定性，定量方法用标准曲线法。

1.5 数据处理和分析

菜心根、茎、叶片对土壤中PAHs的生物富集系数用BCF来计算：BCFr=Croot/Csoil;BCFs=Cstem/Csoil;BCFl=Cleaf/Csoil。式中：BCFr为根的生物富集系数;BCFs为茎的生物富集系数，BCFl为叶片的生物富集系数;Croot为根中PAHs的浓度，Cstem为茎中PAHs的浓度;Cleaf为叶片中PAHs的浓度;Csoil为土壤中PAHs的残留浓度。采用Microsoft Office 2016以及SPSS 19.0软件进行数据处理与分析，用Duncans法进行显著性检验（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 菜心植株不同部位吸收积累土壤PAHs的差异

菜心植株内不同部位的PAHs总含量可以反映一段时间内菜心对污染土壤中PAHs的吸收积累情况。由图1可见，在同一个处理浓度下，菜心植株内不同部位的PAHs含量均为根部>叶片>茎部。CK中根部、茎部、叶片之间的PAHs含量差异不显著，随着处理浓度的增加，根部的PAHs含量显著高于茎部和叶片，处理T1和T2的茎部、叶片PAHs含量差异不显著，当土壤的PAHs处理浓度为5 000 μg/kg时，菜心根部的PAHs含量达792.80 μg/kg，叶片中的PAHs含量为379.68 μg/kg，均显著高于茎部的189.46 μg/kg;此外，菜心根部、茎部、叶片中的PAHs含量随着处理浓度的增加而升高。

叶片是菜心的主要食用部分，菜心叶片中不同时期的PAHs含量可以反映叶片对土壤中PAHs的吸收速度。 图2

表明，处理17、24 d菜心叶片中的PAHs含量显著高于10 d，各处理间17、24 d菜心叶片中的PAHs含量差异不显著。CK和T1处理24 d的菜心叶片PAHs含量低于处理17 d的，差异不显著;T2和T3处理中24 d菜心叶片PAHs含量高于 17 d，差异也不显著。这说明菜心叶片中的PAHs含量在定植后17 d内快速上升，17～24 d上升速度明显减慢，CK和处理T1叶片中的PAHs含量出现下降趋势。

2.2 不同浓度PAHs污染土壤菜心叶片5种PAHs的含量

不同种类PAHs的物理化学性质各不相同，因而有必要了解它们各自在叶片中的吸收、积累情况。如表1所示，菜心叶片中的Nap、Phe、Flt、BaP和InP含量随着处理浓度的增加而增加。定植后24 d，CK和T1处理叶片中Nap和Phe的含量差异不显著，T1和T2处理叶片中Nap的含量差异不显著。T2和T3处理叶片中InP的含量差异不显著，说明在这2个处理间增加处理浓度，不能显著增加菜心叶片中InP的含量。此外，T3处理叶片中Nap和Phe的含量远大于Flt、BaP和InP，CK叶片中未检测到BaP和InP。

2.3 不同浓度PAHs污染土壤菜心茎部5种PAHs的含量

由表2可知，菜心茎部Nap、Phe和Flt的含量随着处理浓度的增加而增加，且各处理间差异显著。处理T1与处理T2之间BaP和InP的含量差异不显著，高浓度处理T3中BaP和InP的含量显著高于其他处理，CK中未检测到BaP和InP，各处理茎部Nap、Phe和Flt的含量远大于BaP和InP的含量，说明随着处理浓度的增加，BaP和InP在茎部的积累量增加不大。

2.4 不同浓度PAHs污染土壤菜心根部5种PAHs的含量

由表3可知，菜心根部Nap和Phe的含量随着处理浓度的增加而增加，且各处理间差异显著。CK与T1处理中Flt的含量差异不显著，高浓度处理T3中Flt和InP的含量都显著高于其他处理，T1与T2处理之间BaP和InP的含量差异不显著，说明在这2个处理间增加处理浓度，并不能显著增加菜心根部对BaP和InP的吸收。处理T2与处理T3之间BaP的含量差异不显著，说明随着处理浓度的增加，根部对BaP吸收积累量增加很少。T3处理根部的BaP和InP的含量远高于同一处理下茎部和叶片中的含量，说明根部对不同类型的PAHs吸收量各不相同，BaP和InP在根部的积累量远大于其在茎部和叶片中的积累量。

2.5 菜心植株中不同种类PAHs的含量及其在各部位中的占比

由表4和表5可知，不同浓度处理下，菜心植株中低环类PAHs（2～3个苯环）的含量占PAHs总量的77.61%～90.3%（表4），高环类PAHs（4～6个苯环）的含量占PAHs总量的9.70%～22.39%（表5）。除CK外，同一处理浓度下，低环类PAHs和高环类PAHs在根部中的含量都要大于其在茎部和叶片中的含量。说明菜心吸收和积累的PAHs主要是土壤中的低环类PAHs，而根部是菜心吸收和积累土壤中PAHs的主要器官。

和吸附，并在植物体内积累，尤其是在污染水源和土壤附近种植的作物，很可能通过食物链在生物体内积累[8]。所以，植物吸收积累的PAHs含量同时受PAHs在土壤和大气中的浓度影响。

本研究在蔬菜大棚中进行，降低外部大气环境中的PAHs对试验的影响。结果表明，在不同浓度PAHs处理土壤后，菜心根、茎、叶中的PAHs含量随着处理浓度的增加而升高，这与Gao等的研究结果[9-10]相吻合;菜心植株内不同部位的PAHs含量为根部>叶片>茎部，与Wang等的研究结果[11-12]类似。这可能是因为PAHs作为脂溶性物质，能在植物体内积累，植物吸收积累脂溶性物质PAHs的程度与植物脂肪含量密切相关[13]。植物根部菲和芘含量与其脂含量呈正相关关系[14]。有研究表明，PAHs从根部运输进入叶片主要存储在叶片的维管束和海绵组织中，而很少分配在其他组织中[15]。且菜心是須根系植物，接触土壤的表面积更大，吸收富集的能力更强。而叶片接触空气的面积较大，PAHs可以通过叶片的角质层进入植物体，因而叶片富集PAHs的能力也较强[16]。

本研究中菜心叶片中不同时期的PAHs含量出现动态变化，表现为菜心叶片中的PAHs含量在定植后17 d内快速上升，17～24 d上升速度明显减慢，定植后24 d低浓度处理和CK叶片中的PAHs含量出现下降趋势。Brady等研究结果表明，车前草能够吸收苯并（a）芘，且吸收过程主要在最初 24 h 内，24 h后会达到平衡[17]，这与本研究结果相似。而叶片中的PAHs含量在定植后24 d出现下降趋势，可能是由于菜心地上部分生物量不断增大，但叶片中的PAHs含量在达到一定浓度后增加的量很少，所以PAHs的含量总体出现下降趋势。

3.2 不同苯环数的PAHs在菜心根部、茎部和叶片中的积累

低环类的PAHs在水中的溶解度较大，且具有易挥发性;高环类的PAHs水溶性较小，也不容易挥发。这就导致了不同苯环数的PAHs在植物的根部、茎部和叶片中的含量也各不相同。蒽主要积累在高羊茅根系细胞壁、细胞器和细胞液中[18]。Kang等研究了黑麦草根系对菲和芘的吸收和积累，表明菲和芘刚开始吸附在细胞壁上，然后通过细胞膜，最后达到细胞器和细胞液中[19]。PAHs在油麦菜、菜心、四季青和花红苋菜4种蔬菜的土壤-蔬菜界面上的迁移中，低环类PAHs较高环类PAHs更具有生物有效性，蔬菜对土壤中低环类PAHs生物富集系数较大，4种蔬菜样品中，低环类PAHs的比重较大[20]。

本试验结果表明，不同PAHs浓度处理下，菜心植株中低环类PAHs（2～3个苯环）的含量占PAHs总量的77.61%～90.30%，高环类PAHs（4～6个苯环）的含量占PAHs总量的9.70%～22.39%。熊冠男等研究指出，卷心菜中低环类PAHs占有优势地位，比重都在60%以上[21]，这与本试验结果一致。另外，菜心吸收和积累的PAHs主要是土壤中的低环类PAHs，而根部是吸收和积累土壤中PAHs的主要器官，高环类的BaP和InP在根部的含量要远大于其在茎部和叶片中的含量，BaP和InP在茎部和菜心叶片中的含量很小。Wild等研究表明，低环类PAHs的挥发性和溶解性比高环类PAHs更强，因此在植物根部和叶片中分布占有优势，低环类PAHs的水溶性大于高环类PAHs，所以更容易被植物体吸收[22]，这与本研究结果相似。

本研究结果中，PAHs在菜心根部、茎部和叶片的生物富集系数大小表明，菜心植株对土壤中5种PAHs的富集能力大小为Phe>Nap>Flt>BaP>InP，BaP和InP在根部的生物富集系数比茎部和叶片的要大1个数量级，菜心根部对BaP和InP的富集能力要远大于茎部和叶片。这可能是因为高环类PAHs容易与土壤中的有机质结合成较为稳定的胶体[23-24]，且高环类PAHs的水溶性很小，很难从土壤中通过植物根系运输富集到茎部和叶片中。

参考文献：

[1]Collins C，Fryer M，Grosso A. Plant uptake of non-ionic organic chemicals[J]. Environmental Science & Technology，2006，40（1）：45-52.

[2]李云辉，莫测辉. 不同施肥条件对菜心中PAHs含量的影响[J]. 广东农业科学，2008（2）：47-49.

[3]张天彬，万洪富，杨国义，等. 珠江三角洲典型城市农业土壤及蔬菜中的多环芳烃分布[J]. 环境科学学报，2008，28（11）：2375-2384.

[4]尹春芹，蒋 新，杨兴伦，等. 多环芳烃在土壤-蔬菜界面上的遷移与积累特征[J]. 环境科学，2008，29（11）：3240-3245.

[5]高彦征，朱利中，凌婉婷，等. 土壤和植物样品的多环芳烃分析方法研究[J]. 农业环境科学学报，2005，24（5）：173-176.

[6]Moon H S，Kahng H Y，Kim J Y，et al. Determination of biodegradation potential by two culture-independent methods in PAH-contaminated soils[J]. Environmental Pollution，2006，140（3）：536-545.

[7]万 开，江 明，杨国义，等. 珠江三角洲典型城市蔬菜中多环芳烃分布特征[J]. 土壤，2009，41（4）：583-587.

[8]Boll E S，Christensen J H，Holm P E. Quantification and source identification of polycyclic aromatic hydrocarbons in sediment，soil，and water spinach from Hanoi，Vietnam[J]. Journal of Environmental Monitoring，2008，10（2）：261-269.

[9]Gao Y Z，Zhu L Z. Plant uptake，accumulation and translocation of phenanthrene and pyrene in soils[J]. Chemosphere，2004，55（9）：1169-1178.

[10]Fismes J，Perrin-Ganier C，Empereur-Bissonnet P，et al. Soil-to-root transfer and translocation of polycyclic aromatic hydrocarbons by vegetables grown on industrial contaminated soils[J]. Journal of Environmental Quality，2002，31（5）：1649-1656.

[11]Wang Y C，Qiao M，Liu Y X，et al. Comparison of polycyclic aromatic hydrocarbon uptake pathways and risk assessment of vegetables from waste-water irrigated areas in northern China[J]. Journal of Environmental Monitoring，2011，13（2）：433-439.

[12]Lu H X，Cai Q Y，Jones K C，et al. Levels of organic pollutants in vegetables and human exposure through diet：a review[J]. Critical Reviews in Environmental Science and Technology，2014，44（1）：1-33.

[13]杨海燕，郭金鹏，卢少勇，等. 水葫芦多环芳烃含量及其与脂肪含量的关系[J]. 环境工程学报，2016，10（1）：467-472.

[14]凌婉婷，朱利中，高彦征，等. 植物根对土壤中PAHs的吸收及预测[J]. 生态学报，2005，25（9）：2320-2325.

[15]谢 峰，严重玲，卢豪良，等. 菲与芘在砂基培养的红树植物秋茄中的分布与可视化定位[J]. 台湾海峡，2012，31（4）：489-494.

[16]沈 菲，朱利中. 钢铁工业区附近农田蔬菜PAHs的浓度水平及分布[J]. 环境科学，2007，28（3）：669-672.

[17]Brady C A，Gill R A，Lynch P T. Preliminary evidence for the metabolism of benzo（a） pyrene by Plantago lanceolata[J]. Environmental Geochemistry and Health，2003，25（1）：131-137.

[18]Gao Y Z，Zhang Y，Liu J，et al. Metabolism and subcellular distribution of anthracene in tall fescue （Festuca arundinacea Schreb.）[J]. Plant and Soil，2013，365（1/2）：171-182.

[19]Kang F，Chen D，Gao Y，et al. Distribution of polycyclic aromatic hydrocarbons in subcellular root tissues of ryegrass（Lolium multiflorum Lam.）[J]. BMC Plant Biology，2010，10（1）：210-216.

[20]尹春芹，蔣 新，杨兴伦，等. 多环芳烃在土壤-蔬菜界面上的迁移与积累特征[J]. 环境科学，2008，29（11）：3240-3245.

[21]熊冠男，张云惠，段永红，等. 山西晋中焦化基地多环芳烃排放对周边大田卷心菜的影响[J]. 生态毒理学报，2016，11（2）：473-483.

[22]Wild E，Dent J，Thomas G O，et al. Visualizing the air-to-leaf transfer and within-leaf movement and distribution of phenanthrene：further studies utilizing two-photon excitation microscopy[J]. Environmental Science & Technology，2006，40（3）：907-916.

[23]陈 静，王学军，陶 澍，等. 天津地区土壤多环芳烃在剖面中的纵向分布特征[J]. 环境科学学报，2004，24（2）：286-290.

[24]丁爱芳，潘根兴，李恋卿. 南京和宜兴市土壤中多环芳烃（PAHs）的纵向分布[J]. 环境科学与技术，2010，33（6）：115-118. 李 奥，张京伟，宫子惠，等. 玉簪组培苗对发光二极管光源的生理响应[J]. 江苏农业科学，2019，47（15）：166-169.