蒽在黑麦草体内的代谢作用

张 翼,凌婉婷,陈冬升,龚帅帅,高彦征(南京农业大学资源与环境科学学院,江苏,南京 210095)

蒽在黑麦草体内的代谢作用

张 翼,凌婉婷,陈冬升,龚帅帅,高彦征*(南京农业大学资源与环境科学学院,江苏,南京 210095)

以黑麦草(Lolium multiflorum Lam.)为供试植物,采用水培试验方法,研究了植物对蒽的代谢作用,并分析了其代谢产物.结果表明,经蒽培养液处理96h并转入无蒽培养液培养后0～16d,黑麦草体内蒽的含量由0.760mg/kg降为0.147mg/kg,减少80.6%,主要为植物所代谢;根部是代谢蒽的主要部位;蒽的一级代谢产物为蒽醌和蒽酮,0～16d,蒽酮在黑麦草体内总体上呈积累态势,而蒽醌则会被进一步代谢,蒽醌和蒽酮可以由根系向培养液中释放,也可由根向茎叶传输;黑麦草对蒽酮和蒽醌的传输系数(TF)分别为0.796～1.285和0.239～0.653,蒽酮更易在黑麦草体内传输.

蒽；黑麦草；植物代谢；传输

Abstract：Metabolism of anthracene by ryegrass (Lolium multiflorum Lam.) was studied using a greenhouse experiment. Anthraqinone and anthrone as the first-grade metabolic products of anthracene was analysed. Concentrations of anthracene in ryegrass decreased from 0.760mg/kg to 0.147mg/kg, and 80.6% of anthracene was degrdaded in 0～16d. Anthracene was proven to be metabolized by ryegrass, and root was the main position where the metabolism performed. And anthrone was found to accumulate in the plant, while anthraqinone was further metabolized in plant bodies. The release of anthraqinone and anthrone from plant root to cultivation solution was detected. Translocation of anthraqinone and anthrone from plant root to shoot was observed, and translocation factor (TF) values of anthrone and anthraqinone were 0.796～1.285 and 0.239～0.653, indicating the more easier translocation of anthrone than anthraqinone in ryegrass.

Key words：anthracene；ryegrass；plant metabolism；translocation

多环芳烃(PAHs)是环境中常见的一类持久性有机污染物,由有机物的不完全燃烧或高温裂解等产生.具有慢性毒性和“三致”作用[1-3].环境中PAHs性质稳定,难以降解[4].由于脂溶性较强, PAHs易被植物吸收和积累,并可通过食物链危害农产品安全和人体健康.

有关植物对PAHs的吸收作用,国内外已有较多报道[5-9].一般认为,PAHs从土壤进入植物主要有2种途径:根系从土壤中吸收、并随蒸腾流沿木质部向茎叶传输;植物地上部分吸收挥发到空气中的PAHs.根系吸收与PAHs的辛醇-水分配系数(Kow)[10]、根脂肪含量正相关[16],与土壤有机质含量负相关[11].茎叶吸收则主要取决于PAHs的辛醇-气分配系数(Koa)、亨利系数(H)、茎叶比表面积和脂肪含量[12].然而,有关吸收后PAHs在植物体内的代谢,国内外相关研究仍很少[13-14],其代谢规律及机理还远不清楚.

本研究以蒽为PAHs代表物,利用水培体系研究黑麦草对蒽的代谢作用,旨在为评价污染地区作物污染的风险、保障农产品安全等提供依据.

1 材料与方法

1.1材料

蒽购自Aldrich Chemical Co.,纯度97%,分子量178.22,lgKow为4.45.二氯甲烷、丙酮、正己烷、层析用硅胶(200～300目)为分析纯;甲醇为色谱纯.培养液选用Hoagland营养液[15].供试植物为黑麦草(Lolium multiflorum Lam.).

主要仪器:KQ-300DE医用数控超声波清洗器,RM-3旋转浓缩蒸发器,JouanVXE38Q超低温冰箱,LABCONCO7670530冷冻干燥机,岛津LC-20AT高效液相色谱仪(HPLC).

1.2实验方法

向一系列含有0.9L培养液的玻璃烧杯中加入蒽的甲醇储备液(蒽为过饱和处理,控制甲醇浓度＜1‰)[16],定容至1.00L后,分别制得含蒽培养液;同时制备无蒽培养液,用作对照处理.黑麦草经催芽、育苗后,于温室中以水培方式预培养至株高约15cm;选择生长态势较为一致的植株洗净根部,4株一撮移入含蒽培养液的烧杯中,每杯12撮,处理96h[17].

将植物取出,用蒸馏水清洗根部后,转入无蒽营养液的500mL烧杯中,每杯3撮植物,所有烧杯外壁用黑塑料袋包裹、保持根系和溶液避光;培养0～16d,并于0,1,2,4,8,16d采集植物样和水样.植物样品采集后,用蒸馏水充分淋洗,并用滤纸浸干表面水分,于-65℃下保存待分析.每个处理4次重复.培养期间适当添加水和营养液,维持液面高度,温室中白天温度25～35℃,夜间15～25℃.

1.3分析方法

植物样品分析[17]植物样品在-54℃冷冻干燥,粉碎并混匀,取一定量样品于25mL玻璃离心管中,用30mL1:1的丙酮和正己烷溶液分3次、每次10mL超声萃取30min.将萃取液收集,转移到旋转蒸发瓶中,40℃恒温浓缩至干,用正己烷定容到2mL.然后取1mL过硅胶柱净化,先用一定量的二氯甲烷和正己烷溶液洗脱,再加入一定量的丙酮溶液洗脱.洗脱液收集至旋转蒸发瓶中,40℃恒温下浓缩至干,用甲醇定容到2mL,过0.22μm孔径滤膜后,高效液相色谱(HPLC)分析.蒽的方法回收率为87.84%,相对标准偏差(RSD)为3.87%(n=5),检测限为20.0pg.

水样分析利用凌婉婷等[17]的方法,并略做改进.准确移取一定量水样于10mL比色管中,用甲醇稀释(甲醇与水体积比为7:3),过0.22μm滤膜后用HPLC分析.

1.4统计方法

利用Excel和Origin软件进行试验结果的数据整理和作图;利用SPSS软件对不同处理间的差异进行单因素方差分析, LSD法检验显著性.

2 结果与讨论

2.1植物的蒽含量

经预先污染处理后,黑麦草在无蒽培养液中培养0～16d,其体内蒽的含量由0.760mg/kg降为0.147mg/kg,减少80.6%(图1).植物蒽含量与时间符合一级动力学方程:C=0.5747e-0.0842t(P=0.007, r=0.933),蒽降解的半衰期为4.9d.

图1 蒽在植物体内的含量-时间关系曲线Fig.1 Concentrations of anthracene in ryegrass as a function of time

0～16d植物体内蒽的减少主要是以下原因:蒽在植物体内被代谢;根中蒽向培养液中释放;植物的生长稀释作用[16].本试验中,0～16d植物生物量变化很小,植物生长稀释作用应不为主导[16-17].避光条件下,培养液中蒽的含量受光解等因素影响极小[17],且培养液中并未检出蒽,表明蒽由植物向培养液的释放甚微.因此,黑麦草体内蒽含量下降的主要原因是植物代谢作用.

2.2代谢产物

有研究认为[14],蒽的一级代谢有2个途径,蒽分别被氧化为蒽酮和蒽醌.本试验发现,蒽处理的黑麦草体内均有蒽醌和蒽酮的检出,而在对照组植物中则未检出蒽、蒽醌和蒽酮.表明黑麦草体内蒽醌和蒽酮是蒽代谢的产物.由表1可见.0～16d,黑麦草根中蒽醌的含量为 0.058～0.260mg/kg,蒽酮的含量为0.307～0.789mg/kg;茎叶中蒽醌的含量为0.044～ 0.075mg/kg,蒽酮的含量为0.368～0.595 mg/kg.总体来看,植物体内蒽酮的含量呈积累的趋势,蒽醌则呈减少的趋势.而0～16d黑麦草体内蒽的含量不断降低(图1).最近,有研究指出,蒽醌在植物体内可继续被代谢成羟基蒽醌,蒽酮则难于再次代谢[11].试验期间,植物体蒽酮含量增加、而蒽含量降低,表明植物对蒽的代谢作用;植物蒽醌含量的降低,则说明植物在代谢蒽的同时,也代谢蒽醌,即蒽在黑麦草体内被多级代谢.

表1 不同时间植物体内蒽及其代谢产物的含量(mg/kg)Table 1 Concentrations of anthracene, anthrone, and anthraqinone in ryegrass at different time(mg/kg)

据报道,PAHs上的氧化活性位同其苯环上各个碳位的前线电子密度有直接的关系,前线电子密度越高的位置,越容易被氧化,蒽的9、10碳位是易发生氧化反应的位置[18].由图2可见,蒽醌和蒽酮就是由于蒽的9、10碳位被氧化所得.可以推测,蒽在黑麦草体内在植物酶的作用下被代谢;蒽醌的代谢产物羟基蒽醌,则为其1号碳位上继续发生羟基化反应所得[19].由此也说明,氧化是植物代谢蒽的主要反应过程,这与有关萘和苯并[a]芘在植物体内被氧化的反应机理相似[19].

另外,1～2d,植物体蒽的含量变化不大(表1),茎叶部蒽酮的含量变化不大,根部蒽酮显著减少,而蒽醌在茎叶部和根部的含量则显著增加.

图2 蒽及其一级代谢产物分子式Fig.2 The structural formula of anthracene, anthrone, and anthraqinone

2.3蒽代谢物的传输

2.3.1由根向培养液的传输 由图3可见,将污染处理的植物转入无蒽的培养液后,培养液中蒽酮的浓度在0～1d迅速上升至最高点,1～2d开始下降,2～16d则基本稳定在0.13mg/L;而0～16d,培养液中蒽醌的浓度则呈增大的趋势.供试时间内培养液中蒽未检出,即未检测到植物向培养液中释放蒽.有文献指出,在避光条件下,培养液中多环芳烃的光解影响极小[17].显然,培养液中蒽醌和蒽酮应该是蒽在植物体内被代谢后,由根系通过分泌作用释放到培养液中所致.

图3 培养液中蒽酮、蒽醌浓度-时间关系曲线Fig.3 Concentrations of anthrone and anthraqinone in nutrient solution as a function of time

2.3.2在植物体内传输 一般认为,lgKow为1～2的有机污染物最有可能在植物体内迁移,而lgKow＞4的有机污染物则易被根吸收积累,难以向地上部传输[16].蒽的lgKow为4.45.本试验中蒽仅在污染组黑麦草的根部检出,而茎叶中未检出.这表明供试时间内,蒽主要存在于植物根部,难以从黑麦草根部传输到茎叶;同时也揭示,蒽主要在植物根部被代谢.蒽醌和蒽酮在污染组植物根和茎叶中均有检出(表1),而对照组植物中则均未检测到蒽、蒽醌和蒽酮.这证明污染组茎叶中的蒽醌和蒽酮来自根部代谢后向茎叶的传输.

植物传输系数(TF)可用来反映污染物在植物体内由根向茎叶的传输能力.TF 值为污染物茎叶富集系数(SCF)与根系富集系数(RCF)的比值,TF=SCF/RCF[20].TF值越大,表明污染物越容易由根系传输到茎叶[20].由表2可以看出,0～16d,黑麦草对蒽酮和蒽醌的TF值分别为0.796～1.285和0.239～0.653.蒽酮的TF值要显著大于蒽醌,表明蒽酮在黑麦草体内更易传输.

表2 不同时间植物体内代谢产物的传输系数Table 2 Translocation frctor values of anthraqinone and anthrone in ryegrass at different time

3 结论

3.1蒽培养液处理96h并转入无蒽培养液后0～16d,黑麦草体内蒽的含量由 0.760mg/kg降为 0.147mg/kg,减少了80.6%,主要为植物所代谢.

3.2蒽的一级代谢产物为蒽醌和蒽酮.0～16d,植物体内蒽酮的含量呈积累的趋势,蒽醌则呈减少的趋势.蒽醌可被植物进一步代谢.蒽醌和蒽酮可由根系向培养液中释放,也可在植物体内由根向茎叶传输;蒽酮更易在黑麦草体内传输.

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X173

A

1000-6923(2010)04-0544-04

2009-08-31

国家自然科学基金资助项目(20777036,40701073);江苏省青年科技创新人才基金(BK2007580);教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-06-0491)

* 责任作者, 副教授, gaoyanzheng@njau.edu.cn

张 翼(1984-)男,安徽铜陵人,硕士,主要从事环境污染控制与生物修复研究.