热带砖红壤生长的小白菜吸收和累积PAHs的特征

曹启民，王 华，张永北，刘志崴，张广宇，赵春梅

1. 海南省农垦科学院，海南 海口 570206；2. 中国热带农业科学院兴隆香料饮料研究所，海南 万宁 571737

热带砖红壤生长的小白菜吸收和累积PAHs的特征

曹启民1*，王 华2，张永北1，刘志崴1，张广宇1，赵春梅1

1. 海南省农垦科学院，海南 海口 570206；2. 中国热带农业科学院兴隆香料饮料研究所，海南 万宁 571737

为了了解和掌握热带土壤栽培的小白菜（Brassica rapa L. Chinensis Group.）对多环芳烃（PAHs）污染物的吸收和累积规律，为热带土壤的安全利用及农产品安全生产提供科学依据，于2013年5—9月在海南省农垦科学院海口试验站网室内进行了小白菜盆栽试验。各处理土壤分别施加3种单体 PAHs 的质量分数梯度为0、0.4、0.8、1.6、3.2 mg·kg-1，撒播小白菜种子出苗后，每盆留苗6株，自然条件，常规管理，各处理小白菜培养30 d后收获。小白菜和土壤样品，用超声水浴萃取，层析小柱净化后，利用气相色谱-质谱法测定样品中的3种PAHs。结果表明，小白菜根和叶中3种PAHs累积量随土壤施加质量分数的升高而增加，根部和叶对Phe最大累积量分别为86.25 ng·g-1和37.18 ng·g-1，而对 BaP的最大累积量分别为20.78 ng·g-1和3.56 ng·g-1；小白菜根对Phe与Fla的生物富集系数较大，且二者无明显差异，但对 BaP 的生物富集系数较小，且差异显著（P=0.006）；3种PAHs单体在各种处理土壤中的残留在 84.49% ～ 94.03%之间，各单体之间无明显差异，各处理之间也无明显差异。说明热带土壤生长的小白菜根和叶中3种单体 PAHs 浓度显著低于其土壤中的浓度，且根部积累3种单体PAHs的浓度显著高于其叶中的浓度；小白菜叶对BaP的吸收和累积量极少；小白菜根更易吸收和累积Phe和Fla；小白菜生长30 d后，绝大部分PAHs仍残留在土壤中。

多环芳烃；小白菜；累积；生物富集系数；砖红壤

多环芳烃（Polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs）是世界各国优先控制的“三致”有机污染物，是我国土壤中来源较广，污染程度较重的持久性有毒污染物（赵其国，2004）。它们极易被植物吸收累积，不仅影响植物的生长发育，而且还会通过食物链威胁人类的健康（宋玉芳等，1995）。PAHs进入土壤环境慢慢累积而形成污染（Hunk等, 2000; Maliszewska-Kordybach and Srnreczak, 2003; Mielke等, 2001; Shen等, 2005）。蔬菜是人们生活中必不可少的食物。近年来，人们对蔬菜的品质提出了更高的要求，蔬菜的质量安全受到了高度的关注。已有研究表明，世界许多地区土壤PAHs已导致蔬菜污染并威胁人类健康（Khan等, 2008; Samsøe–Petersen等, 2002; 宋波等，2006）。土壤中的PAHs可抑制陆生植物的早期生长发育（Sverdrup等, 2003），使植物表观出现根毛减少，叶片黄化等症状，还会造成组织和细胞坏死等（Alkia等, 2005），直接影响植株高（宋雪英等，2006）和根外部形态等（陆志强等，2005），导致叶绿素含量（宋雪英等，2006）和酶活性（刘宛等，2003）等生理生化指标的改变。

海南是“全国冬季菜蓝子基地”，小白菜（Brassica rapa L. Chinensis Group.）是人们日常生活中食用较多绿叶蔬菜，因此本研究以最常见的小白菜为研究对象，开展典型的盆栽实验，系统地研究菲（Phenanthrene, Phe）、荧蒽（Fluoranthene, Fla）和苯并a芘（Benzo (a) Pyrene, BaP）污染的砖红壤中小白菜吸收、积累PAHs的规律，以期为染热带土壤的安全利用及农产品安全生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 土壤和种子

供试土壤为海南典型土壤类型砖红壤（未检测到PAHs），其基本理化性质见表1，供试小白菜种子购买于市售，生产厂家为合肥合丰种业。

1.1.2 主要试剂和仪器

供试试剂菲(Phe)、荧蒽(Fla)和苯并a芘(BaP) (Supelco, USA)，二氯甲烷、正己烷和丙酮(均为农残级，Sigma-aldrich, Germany)；100～200目硅胶(超纯, Silicycle, Canada)。

气相色谱－质谱联用仪 (Thermo-Ultra Trace GC-DSQ, GC/MS)，配备自动进样器、TR-5ms毛细管色谱柱 (30 m×0.25 mm×0.25 µm)和Thermo化学工作站(X-calibur)。冻干机(LABCONCO4.5L, LABCONCO公司)。

1.2 试验设计

盆栽试验于2013年7—9月海南省农垦科学院海口试验站网室内进行，将预先制成的有机污染物丙酮溶液倒入2 kg土壤中，试验各处理质量分数为0、0.4、0.8、1.6、3.2 mg·kg-1，重复3次，搅拌均匀，置于黑暗条件下，待丙酮挥发干净，将含各质量分数有机物的土壤装于瓦盆 (内径12 cm×高15 cm)中，加等量去离子水调节土壤含水量为最大持水量的60%，捣碎土壤以防止结块，整平后往盆内撒播小白菜种子，出苗后，每盆留苗6株。各处理置于自然条件下避雨培养，常规管理。各处理培养30天后收获。

1.3 提取与净化

1.3.1 小白菜样品

小白菜样品提取与净化：超声萃取，层析柱净化法（曹启民，2009a）。

1.3.2 土壤样品

土壤样品提取与净化：超声萃取，层析柱净化法（曹启民，2009b；Cao等，2011）。

1.4 色谱条件

GC-MS检测条件：GC-MS初温设定为35 ℃，保持1 min，以30 ℃·min-1的速率升到150 ℃，再以10 ℃·min-1的速率升到290 ℃，保持15 min。离子源、气-质传输线温度、进样口和检测器温度分别设定为230、280、250、300 ℃。高纯氦载气流速为1 mL·min-1，无分流自动进样1 μl。

1.5 数据的统计分析

数据统计分析及绘图软件采用SPSS 19.0 for windows、Origin 8.0和Excel 2010等。

表1 供试土壤理化性质Table 1 Physicochemical properties of the tested soils

图1 小白菜根和叶中累积3种单体PAHs的质量分数Fig. 1 Three individual PAHs concentration in roots and leaves of pakchoi cabbage

2 结果与分析

2.1 3种PAHs在小白菜根和叶中的累积

3种PAHs在小白菜根部和地上部质量分数见图1。由图1可知，小白菜根和叶中3种PAHs累积量随土壤施加质量分数的升高而增加，且不同处理间差异显著（P=0.047）。3种PAHs在根中的质量分数显著大于叶中的质量分数（P=0.009），表明小白菜吸收PAHs主要累积于根部。Simonich等（1995）指出部分PAHs到达根表皮后很难到达内部的木质部，就很难从根部向上茎叶运输。Phe和Fla在小白菜体内的累积相似，根部累积Phe和Fla的量在相同处理间无明显差异，叶中Phe和Fla的质量分数在相同处理间也无明显差异。但BaP与前二者不同，无论根部和叶对BaP累积量都明显减少，相同处理间与Phe和Fla累积量差异显著（P=0.035），根部和叶对Phe最大累积量分别为86.25 ng·g-1和37.18 ng·g-1，而对BaP的最大累积量分别为20.78 ng·g-1和3.56 ng·g-1，小白菜根和叶中Phe的质量分数分别是BaP质量分数的4.15倍和10.44倍，表明相对于BaP，小白菜更容易吸收Phe。Phe和Fla不具致癌性，而BaP是16种PAHs中致癌性最强的化合物（段小丽等，2002），这就意味着，本试验中在PAHs污染土壤中生长的小白菜对于强致癌物BaP吸收较少。我国食品污染限量标准（GB 2726—2012）规定食品中BaP的含量不得超过50 μg·kg-1，而对Phe和Fla没有做出规定。从试验结果可以看出，小白菜叶对BaP的累积量没有超过我国食品质量标准，进一步表明小白菜对土壤PAHs污染具有一定食品安全性。

Pearson相关性分析结果表明（表2）小白菜根和叶中3种单体PAHs的累积量与土壤中施加的3种单体PAHs污染物的量有极显著的相关性，表明在一定的质量分数范围内，土壤中污染物量越多，生长在其中的植物累积的污染物就越多。说明控制环境中污染物的量在治理环境污染问题中具有重要的意义。

表2 土壤施加PAHs质量分数与小白菜根和叶累积PAHs质量分数Pearson相关分析Table 2 Pearson correlation analysis between PAHs concentrations in soils and those in roots and leaves of pakchoi cabbage

2.2 PAHs生物有效性

根是污染物进入植物体的关键部位。研究者发现用植物根富集系数（Root concentration factor, RCF）可以很好地反映植物根对有机污染物的吸收积累能力（Khana等, 2008）。RCF计算表达式为：

式中：Croot为根中PAHs的质量分数，Csoil为土壤中PAHs的质量分数。依据公式（1）和实测的各项指标数据，计算得出小白菜根对各单体 PAH 化合物的富集系数，见表3。由表3可以看出，同一PAHs单体在不同质量分数处理下，小白菜根的生物富集系数无明显差异。小白菜根对Phe与Fla的生物富集系数也无明显差异。但与Phe和Fla相比，小白菜根对BaP的生物富集系数较小，且差异显著（P=0.006）。表明Phe和Fla更易被小白菜根部吸收累积。Phe和Fla是低环PAHs，BaP是高环PAHs。Kipopoulou等（1999）研究表明，低环PAHs在土壤中的移动性较强，更容易吸附在根表面而被吸收。Wild等（1994）试验显示，低环PAHs较高环PAHs有更大水溶性所以植物对低环PAHs的吸收较高。本试验低环PAHs的RCF值要显著高于高环PAHs的对应值，也进一步说明低环PAHs更易被蔬菜根部吸收和积累。

2.3 PAHs在土壤中的残留

将每处理土壤作为一个比较单位，计算每处理土壤种植小白菜后PAHs的残留量，结果见表4，从表4中可以看出，三种PAHs单体在各种处理中的残留在84.49% ～ 94.03%之间，各单体之间无明显差异，各处理之间也无明显差异，表明大部分PAHs仍残留在土壤中。从上节分析可知，小白菜吸收累积的3种PAHs远小于其土壤。另外，除去土壤残留PAHs及小白菜吸收而带走PAHs，即得出约有5.4%～10.17%的PAHs损失，PAHs的挥发、光降解、化学分解及微生物代谢及实验室分析误差等途径可能是导致这些PAHs消失的原因。

表3 不同处理下小白菜根对各PAHs单体的生物富集因子（均值±标准偏差）Table 3 Root PAHs concentration factors (±SD) of pakchoi roots in different treatment soils

表4 土壤中残留PAHs与其相应土壤中PAHs初始施加量的比Table 4 Percentage of PAHs residues in soils and initial applied amount of PAHs in soils %

3 结论

1）热带土壤生长的小白菜根和叶中3种单体PAHs浓度显著低于其土壤中的浓度，且根部积累3种单体PAHs的浓度显著高于其叶中的浓度；小白菜叶对BaP的吸收和累积量极少，低于国家食品质量安全标准。

2）热带土壤生长的小白菜根更易吸收累积Phe和Fla，且二者无明显差异。

3）热带土壤生长小白菜后，3种单体PAHs绝大部分仍残留在土壤中。

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Characters of Uptake and Accumulation of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) in Pakchoi Cabbage in Tropical Latosol

CAO Qimin1*, WANG Hua2, ZHANG Yongbei1, LIU Zhiwei1, ZHANG Guangyu1, ZHAO Chunmei1
1. Hainan State Farms Academy of Science, 13 Haixiu Road, Haikou 570206, China; 2. Institute of Spice and Beverage Research, CATAS, Wanning, Hainan 571737, China

To investigate the absorption and accumulation of pakchoi cabbage to polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in tropical soils, and to provide the scientific basis for Chinese people's food safety, the pot experiment of pakchoi cabbage was tested in greenhouse from July to September in 2013. The concentration gradient of PAHs (including Phenanthrene (Phe), Fluoranthene (Fla) and Benzo(a)Pyrene(BaP)) was 0, 0.4, 0.8, 1.6, 3.2 mg·kg-1, and 6 seedlings were cultivated in each pot in natural conditions and routine management, the samples of pakchoi cabbage were harvested after 30 days. The samples of soil and pakchoi cabbage were extracted and purified using ultrasonic water bath and column chromatography in lab, and then 3 individual PAH were determined by gas chromatography-mass spectrometry. The results showed that the concentrations of 3 individual PAH accumulated in roots and leaves were increased with the increasing of the concentrations of the PAHs applied in soils, the maximum accumulation of Phe in roots and leaves was of 86.25 ng·g-1and 37.18 ng·g-1respectively, but the maximum accumulation of BaP was 20.78 ng·g-1and 3.56 ng·g-1; the root concentration factors of Phe and Fla were larger, and the differences were not significant, whereas the root concentration factor of BaP was small, and there were significant difference between Phe and BaP; The residues of the 3 PAHs in soils were from percentage 84.49 to percentage 94.03, and there were no significant difference among 3 individual PAH, as well as among different treatments, suggesting that after 30 days cultivation, the concentrations of the 3 individual PAH in roots and leaves were significantly lower than their concentrations in soils, and their concentrations in roots were significantly higher than those of in leaves; the Phe and Fla were more easily accumulated in pakchoi roots than BaP; the most of the 3 individual PAH were still residual in the soils.

polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs); pakchoi cabbage; accumulation; root concentration factor; latosol

X173；S131.3

A

1674-5906（2014）09-1478-04

曹启民，王华，张永北，刘志崴，张广宇，赵春梅. 热带砖红壤生长的小白菜吸收和累积PAHs的特征[J]. 生态环境学报, 2014, 23(9): 1478-1481.

CAO Qimin, WANG Hua, ZHANG Yongbei, LIU Zhiwei, ZHANG Guangyu, ZHAO Chunmei. Characters of Uptake and Accumulation of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) in Pakchoi Cabbage in Tropical Latosol [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(9): 1478-1481.

海南省自然科学基金项目（313106）；海南省引进集成创新项目（YJJC20130008）；海南省产学研一体化专项资金（CXY20130052）

曹启民（1974年生），男，副研究员，博士，主要研究方向土壤和环境。E-mail：271093491@qq.com

*通信作者，E-mail：271093491@qq.com

2014-05-28