3种作物幼苗对空气中苯的吸收和下行传输作用研究

刘凯艳　苏玉红　毕丽君　曹海艳　赵媛媛

摘要[目的]研究玉米、番茄、空心菜幼苗对空气中苯的吸收和下行传输作用。[方法]采用营养液水培方式，利用玻璃密封箱进行苯污染处理，采用气相色谱法测定不同吸收时间植物根际溶液和玻璃箱中苯浓度变化情况。[结果]玻璃密封箱中空气中苯的浓度为5.90 mg/L，吸收时间为1 h时即可从玉米、番茄、空心菜根际溶液中检测出苯；24 h后玉米、番茄、空心菜幼苗的Cr/Cp值分别为0.46±0.05、0.14±0.02、0.22±0.02；玉米、番茄、空心菜幼苗对空气中苯的传输效率随吸收时间的延长迅速降低，吸收时间为1 h时传输效率分别为（169.52±22.12）、（13.20±0.80）、（1.14±0.52） μg/（h·g ）FW。[结论]3种作物幼苗地上部分均可快速吸收空气中的苯，并通过体内下行传输及根释放作用将其转移至根际溶液中，且对空气中的苯均具有较强的传输能力。

关键词 番茄；玉米；空心菜；幼苗；苯；下行传输

中图分类号 S181 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2016）05-080-03

Abstract[Objective]To research the benzene absorption and downlink transmission function from air of corn， tomato and water convolvulus.[Method]Nutrient solution hydroponics mode was adopted. Benzene pollution treatment was carried out by using the glass sealing box. Changes of benzene concentration in plant rhizosphere solution and glass box were detected in different absorption times by gas chromatographic fmethod.[Result]Benzene concentration in air was 5.90 mg/L in glass sealing box. When the absorption time was 1 h， benzene was detected from the rhizosphere solutions of corn， tomato and water convolvulus. Cr/Cp values of corn， tomato and water convolvulus were 0.46±0.05， 0.14±0.02， 0.22±0.02， respectively， after 24 h. Transmission efficiencies of air benzene in corn， tomato and water convolvulus reduced rapidly as the absorption time prolonged. When the absorption time was 1 h， transport efficiencies of corn， tomatoes and water convolvulus were （169.52±22.12）， （13.20±0.80） and （1.14±0.52） μg/（h·g ） FW， respectively.[Conclusion]The aboveground parts of corn， tomato and water convolvulus seedlings can rapidly absorb benzene from the air， and transfer benzene to the plant rhizosphere solutions through downlink transmission and root release functions. The three crop seedlings have relatively strong transmittability to benzene from the air.

Key words Tomato； Corn； Water convolvulus； Seedling； Benzene； Downlink transmission

苯是一种常见的挥发性有机污染物，被国际癌症研究机构（International Agency for Research on Cancer，IARC）认定为第一类致癌物[1]。室内空气苯污染在我国普遍存在，且超标率高，尤其是新装修居室污染严重，最大超过国家标准倍数的70倍以上[2-4]。现代人每天有80%左右的时间在室内度过，室内空气质量直接关系到人类健康水平[5]，因此研究室内空气净化技术对改善室内空气质量和保障居民健康具有重要意义。目前，室内空气净化技术主要有机械过滤技术、吸附过滤技术、离子净化技术、光催化氧化技术和植物净化技术等[6-7]，其中植物净化技术以经济、高效、低能耗、良好的美学价值，以及更适用于普通家庭居室、办公场所等室内空间等特点备受关注[8-10]。

据报道，绿色植物对空气中污染物的净化机制包括吸收[11]、储存[12]、降解[13]、转移到其他组织或释放到外界环境[14]等。目前，植物对空气中苯的净化机制方面，通过植物叶片吸收、储存、降解方面的研究较多，如Sriprapat等[15]研究金钱树对苯、甲苯、乙苯和二甲苯的吸收主要是通过表皮蜡质层吸附；Collins等[12]研究发现，苯能够积累在苹果和黑莓叶片以及苹果、黑莓和黄瓜的果实中；Ugrekhelidze等[16]采用同位素标记法证明菠菜叶绿体可以氧化苯，苯的碳链参与体内有机酸的代谢。但是关于苯在植物体内的传输及根释放作用仍是推论，缺乏直接证据；此外，学者对植物的选择大多集中于对生长条件要求高的观赏性花卉，对养植成本低且生长周期短的植物品种研究较少。为此，笔者选用3种常见的作物玉米、番茄、空心菜作为研究对象，采用营养液通气水培方式，通过检测密封环境苯污染处理后3种作物根际溶液中的苯浓度，研究3种作物幼苗对空气中苯的传输及根释放作用，旨在为玉米、番茄、空心菜在室内空气净化中的可行性提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

玉米、番茄、空心菜种子出芽后用1/2强度的Hoagland营养液进行通气水培，选择8～9 d苗龄的玉米苗，14～15 d的空心菜苗，20～25 d的番茄苗作为供试植物。苯试剂为色谱纯。

1.2 试验设计

营养液通气1 h后，定量加入外包铝箔纸的玻璃瓶中，迅速移入适当苗龄的植物，用海绵及铝箔纸封住瓶口与茎间空隙。在透明玻璃箱（13.6 cm×8.3 cm×26.8 cm）中加入配制好的100.00 mg/L苯溶液200 mL，然后迅速放入装有苗的玻璃瓶，并密封。每处理设3个平行，以不放植物的玻璃瓶为空白对照。各处理光照处理14 h，温度25 ℃，黑暗处理10 h，温度20 ℃。进入光照条件1 h后开始取玻璃箱中苯溶液和植物根际溶液待测，并称量植物鲜重。

1.3 项目测定与方法

溶液中的苯含量用气相色谱SP3420（北京北分瑞利分析仪器有限责任公司）顶空进样法进行测定，色谱柱选择HP5型宽口径毛细管柱（0.25 μm×0.32 mm×30.00 mm）。气相色谱仪工作参数：检测器为氢火焰离子检测器（FID），柱箱温度80 ℃，进样口温度150 ℃，检测器温度180 ℃；玻璃箱空气中苯的浓度采用Antoine equation计算。下行传输系数（Cr/Cp）=根际溶液中苯的浓度/玻璃箱中苯溶液浓度，用于表征苯在空气-植物-溶液体系中的分布与传输状况；传输效率=根际溶液中苯浓度×根际溶液液体积/吸收时间/植物鲜重，用于评价植物对空气中苯的传输能力。

2 结果与分析

2.1 玉米、番茄、空心菜幼苗对空气中苯的下行传输及根释放作用

当玻璃箱中苯溶液的初始浓度为100.00 mg/L时，玻璃密封箱中苯的浓度为5.90 mg/L。试验结果表明，玉米、番茄、空心菜幼苗暴露于苯污染的空气中1 h后即可从根际溶液中检测出苯，表明3种植物地上部可以快速吸收空气中的苯，并通过体内下行传输作用和根释放作用将苯释放到根际溶液中。在24 h吸收时间内，玉米根际溶液中苯的浓度随着吸收时间的延长先迅速降低，随后略有增加；番茄幼苗根际溶液中苯的浓度在1～5 h的吸收时间内迅速降低，随后趋于平缓，而空心菜幼苗根际溶液中苯的浓度则随着吸收时间的延长缓慢增加（图 1）。

2.2 苯在空气-植物-溶液体系中的传输过程

据报道，植物根可以从其他介质中吸收污染物[17]。从图2可以看出，玉米幼苗的Cr/Cp值在12 h内迅速降低，在12～24 h显著增加；番茄幼苗的Cr/Cp值在1～5 h内迅速降低，随后迅速增加；空心菜幼苗的Cr/Cp值随着吸收时间的延长而增加。3种作物幼苗的Cr/Cp值随吸收时间变化趋势表明，苯在根际溶液和外部溶液的分布需要很长时间才能达到平衡。24 h后玉米、番茄和空心菜幼苗的Cr/Cp值分别为0.46±0.05、0.14±0.02、0.22±0.02，说明空气中的苯通过植物叶面吸收、体内传输以及根释放到根际溶液中的比率为玉米幼苗>空心菜幼苗>番茄幼苗。

2.3 玉米、番茄、空气菜幼苗对空气中苯的传输效率

由表1可知，玉米幼苗对苯的传输效率在1～5 h内快速降低，随后趋于平缓，吸收时间为1 h时传输效率值为（169.52±22.12） μg/（h·g） FW；番茄和空心菜幼苗的传输效率均随着吸收时间的延长而减小，吸收时间为1 h时的传输效率分别为（13.20±0.80）、（1.14 ±0.52） μg/（h·g）FW。

3 结论与讨论

（1）该研究表明，玉米、番茄、空心菜幼苗地上部分均能够吸收空气中的苯，并通过下行传输作用及根释放作用将苯转移至根际溶液中，3种作物幼苗对空气中苯的传输效率均随着吸收时间的延长而降低，且玉米幼苗>番茄幼苗>空心菜幼苗，空气中的苯在外部溶液与根际溶液中需要一段时间才能达到分布平衡。该试验结果直接证明了空气中苯在植物体内传输及根释放作用，有利于进一步验证植物对空气中苯的净化机制及开发高效植物净化技术。

（2）空心菜、番茄、玉米幼苗根际溶液中苯的检测结果表明，3种作物幼苗对空气中苯存在叶面吸收、体内传输及根释放作用，根际溶液中苯浓度随时间变化的原因可能表现在以下两方面：①随着吸收时间的延长，植物为了避免自身受到伤害，启动自身应急机制，关闭气孔等减少叶面吸收[18]；②根际溶液中的苯被植物根吸收或者释放到根际溶液中的苯刺激植物产生可以去除苯的根际分泌物[17，19]。3种作物幼苗的Cr/Cp值随时间的变化情况进一步说明了通过叶面吸收、下行传输及根释放作用快速进入根际液中的苯又可快速通过根的吸收作用、上行传输作用及叶释放作用进入空气中，进而通过气-液平衡进入溶液中，这些可逆过程使得苯在外部溶液与根际液中的浓度不断变化，苯在外部溶液和根际溶液中的分布需要很长时间才可能达到平衡。该试验结果直接证明了空气-植物-水溶液系统中植物对空气中苯的传输与根释放作用，这与Su等[14]研究得出的植物对空气中污染物的吸收传输作用一致。今后需要进一步研究空气中苯浓度、温度、光照等因素对植物传输空气中苯的影响，为植物对空气中苯的净化机理研究提供一定的理论基础。

参考文献

[1]来伊楠，陈波，卢山.天南星科室内观赏植物对苯的净化研究[J].浙江理工大学学报（自然科学版），2015，33（2）：280-284.

[2]李学峰，周启星.BTEX的环境质量标准研究进展[J].生态学杂志，2011，30（ 2）：369-375.

[3]杨辛，胡正生，万志勇，等.江西省室内空气中苯系物调查研究[J].江西科学，2007，25（6）：737-740.

[4]俞苏蒙，冯莉，魏爱民，等.194间装修后室内环境状况的调查研究[J].中国预防医学杂志，2006，7（6）：544-546.

[5]ORWELL R L，WOOD R L，TARRAN，et al.Removal of benzene by the indoor plants/substrate microcosm and implications for air quality[J].Water，air，& soil pollution，2004，157（1）：193-207.

[6]郎爽，周晓晶，张经华.室内空气污染的危害及净化技术的比较分析[J].现代科学仪器，2009（5）：119-123.

[7]徐庆芳，刘海清.室内空气净化技术及应用研究[J].当代化工，2013，42（12）：1694-1696.

[8]陶雪琴，周康群，刘晖，等.大气化学污染的植物净化研究进展[J].生态环境，2007，16（5）：1546-1550.

[9]YANG D S，PENNISI S V，SON K C，et al.Screening indoor plants for volatile organic pollutant removal efficiency[J].Hortscience，2009，44（5）：1377-1381.

[10]THOMSEN J D，SONDERSTRUPANDERSEN H K H，MULLER R.People-plant relationships in an office workplace：Perceived benefits for the workplace and employees[J].Hortscience，2011，46（5）：744-752.

[11]TREESUBSUNTRON C，THIRAVETYAN P.Removal of benzene from indoor air by Dracaena sanderiana：Effect of wax and stomata[J].Atmos Environ，2012，57：317-321.

[12]COLLINS C D，BELL J N B，CREWS C.Benzene accumulation in horticultural crops[J].Chemosphere，2000，40（1）：109-114.

[13]SCHMITZ H，HILGERS U，WEIDNER M.Assimilation and metabolism of formaldehyde by leaves appear unlikely to be of value for indoor air purification[J].New Phytol，2000，147（2）：307-315.

[14]SU Y H，LIANG Y C.The foliar uptake and downward translocation of trichloroethylene and 1，2，3-trichlorobenzene in air-plant-water systems[J].J Hazard Mater，2013，252-253，300-305.

[15]SRIPRAPAT W，THIRAVETYAN P.Phytoremediation of BTEX from indoor air by Zamioculcas zamiifolia[J].Water air soil pollut，2013，224（3）：1482-1485.

[16]UGREKHELIDZE D，KORTE F，KVESITADZE G.Uptake and transformation of benzene and toluene by plant leaves[J].Ecotoxicol Environ Saf，1997，37（1）：24-29.

[17]SU Y H，LIANG Y C.Transport via xylem of trichloroethylene in wheat，corn，and tomato seedlings[J].J Hazard Mater，2010，182：472-477.

[18]于海秋，武志海，沈秀瑛，等.水分胁迫下玉米叶片气孔密度、 大小及显微结构的变化[J].吉林农业大学学报，2003，25（3）：239-242.

[19]GLICK B R.Phytoremediation：Synergistic use of plants and bacteria to clean up the environment[J].Biotechnology advances，2003，21（5）：383-393.