淮南市6种典型行道树叶片富集多环芳烃（PAHs）的差异研究

2018-12-05刘玲汪承润方炎明

生态环境学报 2018年11期

刘玲，汪承润，方炎明

1. 淮南师范学院生物工程学院，安徽淮南 232038；2. 南京林业大学生物与环境学院，江苏南京 210037

多环芳烃（PAHs）是由2个或者2个以上苯环组成的一类复杂烃类，具有毒性，人体长期吸收会致癌、致畸和致突变（Menzie et al.，2002；Armstrong et al.，2004；Chen et al.，2015）。近十几年来，关于PAHs来源及环境PAHs的监测已成为国内外环境科学领域的研究热点之一，利用植物消减环境中PAHs尤其为环境植物学科研工作者青睐。PAHs是由含C和H的化合物不完全燃烧形成（Han et al.，2011）。环境中多环芳烃主要源于化石燃料燃烧，汽车尾气排放，进而被细小的空气悬浮颗粒吸附（Deng et al.，2006），最后随着降尘和悬浮颗粒降落（Huang et al.，2013；Yin et al.，2008）。

由于植物叶片伸展在空气中，具有较大的表面积，表皮常有腺毛或蜡质，可吸附降尘和悬浮颗粒，PAHs随进入气孔进入叶内或粘附在表皮上的颗粒物富集在叶蜡上（An et al.，2017），故前人常利用植物体叶片对PAHs的富集量研究大气中多环芳烃的污染状况（Lehndorff et al.，2004；Murakami et al.，2012）。裸子植物松科的松针已被广泛应用（Amigo et al.，2011；Navarro-ortega et al.，2012；Metrak et al.，2016）；常绿和落叶被子植物叶片富集PAHs的研究亦有报道（Anapaula et al.，2016；Desalme et al.，2013）。但是，不同地区乡土树种和外来树种不尽相同，对环境中有机污染物的移除能力有一定差异（Liang et al.，2017）。

淮南是中国的能源基地，近年来灰霾天气增多，大气细颗粒物超标（刘玲等，2014），PM2.5中PAHs污染严重（胡煜等，2016；孙瑛等，2009），通过增加绿化面积和植被种类修复环境已成为城市建设的规划之一。但是，有关淮河流域本土树种和引种的树木对PAHs的富集差异研究鲜有报道，栽植清除污染效果良好的树种的理论依据欠缺。本研究选择淮南市3条交通流量不同的主干道旁6种行道树木（落叶和常绿）叶片作为试材，对其叶片PAHs累积进行测定和分析，以期进一步了解不同树木叶片累积PAHs的差异及其与叶片微形态的关系，进而筛选出具有强细颗粒吸附性、高PAHs累积性的木本植物，为江淮地区主要绿化树种选择提供参考，对城市合理布局森林群落结构，减少环境污染有一定的现实意义。

1 材料与方法

1.1 采样点选择

在淮南市（116°21′21″E～117°11′59″，32°32′45″～33°01′14″N）选择有代表性的国庆中路（GQ）、洞山西路（DS）、淮河大道（HH）作为样品采集地，国庆中路位于市中心，附近有淮南市的燃煤发电厂，每分钟车流量为60～65辆；洞山西路地处郊区，采样点位于两所高校中间，每分钟车流量为40～45辆；淮河大道为山南新区主干道，为近年开发的新路，车流量辆（每分钟10～25辆）相对较少，绿化较好。

1.2 供试树种及样品采集

供试树种包括女贞（Ligustrum lucidum）、广玉兰（Magnolia grandiflora）、石楠（Photinia fraseri）、香樟（Cinnamomum camphora）、红叶李（Prunus cerasifera）和银杏（Ginkgo biloba）。6种树木现已广布淮南，是主要的行道树种，在3个样区，树木皆距离公路中心10 m，且生长良好。2016年10月下旬，每隔100 m左右于3个样区道路两边各标记树样1株，每种树木共10株。一周后，在每株树木东、西、南、北4个方向距地面约3 m高的地方各摘取当年生枝条上叶3片，每种树木共采集叶120片，叶片完整，无病虫害，同种树木胸径大小、株高、叶面积相近（表1）。叶片采集完毕装于自封袋中带回实验室，备用。

1.3 样品处理

1.3.1 叶片下表皮临时装片制作及气孔密度的测定

临时装片制作：利用50%次氯酸钠将清洗干净的叶片离析，体视镜下刷去上表皮和叶肉，用番红染色后即可放置于双目光学显微镜载物台上进行观察（张立荣等，2009）。

气孔密度测定：利用物镜测微尺标定光学显微镜（Olympus CX21；Olympus公司）目镜视野面积，物镜40×、目镜10×下观察每种行道树叶片下表皮，计数气孔，计算气孔密度。下表皮气孔密度见表1。

1.3.2 叶蜡提取及其中PAHs含量的测定

叶蜡提取：参考王雅琴等（2004）提取方法，对叶蜡提取剂略作改进（由单一有机物改为混合有机物，以提高叶片中叶蜡提取效果）。具体过程如下：将每组叶片用清水冲洗，去离子水（微量分析型超纯水机制取：Unique-S30，Research scientific instruments Co. LTD）浸泡10 min，洗去叶面尘，自然晾干后置于烧杯中，加正己烷-二氯甲烷混合液（体积比1∶1）200 mL为提取剂，烧杯封口后旋转振荡 2 min（100 r·min-1）。提取液减压抽滤（0.45 μm玻璃纤维滤膜：上海兴亚净化材料厂，SHD-Ⅲ型水循环真空泵：保定阳光科教仪器厂）后定容至200 mL。准确转移100 mL提取液至恒重后的100 mL烧杯中，吹干称重计算叶蜡质量（具体见表1）。其余100 mL提取液用旋转蒸发仪（RE-3000：上海亚荣生化仪器厂）在40 ℃浓缩到约1 mL，然后硅胶柱净化。用20 mL正己烷-二氯甲烷（体积比9∶1）洗脱，收集洗脱液用旋转蒸发仪在40 ℃浓缩到约1 mL，加入1 mL乙腈再次过0.45 μm滤膜，高效液相色谱仪（HPLC：美国Waters公司）测定（崔艳红，2003）。具体的色谱分析条件详见文献（汪福旺等，2010）。

1.3.3 叶肉组织中PAHs的提取和测定

将提过叶蜡的叶片粉碎后，取1 g置于10 mL离心管中，分别加入4 mL丙酮和4 mL二氯甲烷，于40 ℃下提取1 h，然后2000 r·min-1离心15 min（TGL-18R：上海安亭）。取上清液经硅胶柱萃取，用29 mL正己烷洗脱，再加入25 mL正己烷和二氯甲烷的混合液（体积比 3∶2）淋洗后收集洗脱液，旋转蒸发、过柱（同1.3.2），用5 mL二氯甲烷将其转移并密封于样品瓶中，待HPLC分析（彭钢等，2010）。

表1 供试树种生物学特征Table 1 Biological characteristics of test tree species

1.4 单标峰值确定

本实验主要测定叶肉组织和叶蜡中8种小于6环的PAHs（萘：NAP，2环；芴：FLU，3环；菲：PHE，3环；荧蒽：FLT，4环；芘：PYR，4环；苯并(a)蒽：BaA，4环；苯并(b)荧蒽：BbF，5环；苯并(a)芘：BaP，5环）。8种PAHs单标（购自美国AccuStandard公司）标准峰值测定条件：乙腈和三蒸水（6/4）为流动相，温度为35 ℃。

1.5 数据处理

运用SPSS 13.0软件进行数据处理，采用单因素方差分析对树种间和区域间叶片叶蜡及叶肉组织富集PAHs进行多重比较，一元线性回归分析对数据间的相关性进行分析。图形制作运用 Origin 7.5。

2 结果与分析

2.1 不同行道树木叶蜡中PAHs含量

结果（表2）表明，6种树木叶蜡对8种PAHs的富集量介于50～2027 ng·g-1之间，在3种交通环境中，4种常绿树木女贞、石楠、广玉兰、香樟叶蜡中8种多环芳烃的含量绝大部分高于落叶树木红叶李、银杏，表明落叶树木对环境中PAHs的消减能力低于常绿树木。表2显示，环境不同，树木叶片叶蜡 PAHs含量有所差异，6种树木叶蜡富集PAHs的结果基本表现为国庆中路＞洞山西路＞淮河大道，出现这种情况的原因可能是特殊的地理环境和交通影响，国庆中路附近有淮南市的燃煤发电厂，煤炭的大量燃烧使得附近的空气污染严重，表现在植物叶蜡PAHs富集量高。其次，国庆中路的交通车流量大，较洞山西路和淮河大道繁忙，重型卡车的运行频率更高。淮河大道所在山南新区是近年开发的新路，绿化较好，运行的车辆相对较少，加之近山，环境较好，故叶蜡对PAHs的富集较少。洞山西路交通流量介于前述二者之间，地处郊区，但由于行驶的车辆较淮河大道多，故叶蜡中 PAHs的含量高于山南新区淮河大道。此外，在交通污染严重的国庆中路，6种树木叶蜡富集8种PAHs量存在差异，香樟和广玉兰对萘的富集量高于其他4种树木，均为女贞、石楠、银杏的3.0倍、1.7倍、2.2倍，红叶李的7.8倍左右；除萘外，香樟叶蜡对菲、荧蒽、苯并(a)蒽的富集及广玉兰对芴、芘、苯并(a)芘的吸附显著高于其他 4种 PAHs；4种常绿树木中，女贞叶蜡富集芴、荧蒽、苯并(a)蒽、苯并(b)荧蒽的能力优于其他3种树木；就2个5环PAHs而言，6种树木叶蜡对苯并(a)芘的富集量明显高于苯并(b)荧蒽，同时苯并(a)芘也是所有检出物中测定值最高的，平均值为1000 ng·g-1左右。

表2 6种树木叶蜡中PAHs含量Table 2 Contents of PAHs in leaf wax of six tree species ng·g-1

2.2 不同行道树木叶肉组织PAHs含量

由表3可知，6种树木叶肉组织PAHs的含量在30～600 ng·g-1之间，叶肉富集的PAHs明显小于叶蜡，2、3环PAHs含量一般高于4～6环PAHs。比较不同取样点之间6种树木叶肉组织PAHs含量的差异可知，叶肉PAHs含量从高至低依次是国庆中路、洞山西路、淮河大道，与叶蜡中PAHs含量随环境变化具有一致性。同种树木在交通污染严重的采样点其叶肉组织富集 PAHs多于相对清洁样点。由表3可知，在交通繁忙的样点，石楠、广玉兰和香樟叶肉组织富集2环PAHs量较高，平均约为550 ng·g-1；3环化合物芴检出量较高的是香樟、女贞，平均约为200 ng·g-1；广玉兰、红叶李和香樟叶肉对菲的富集较多；女贞、香樟、银杏对4环PAHs荧蒽、芘和苯并(a)蒽的富集量高于其他3种树木；广玉兰、石楠和香樟叶肉富集5环PAHs苯并(b)荧蒽和苯并(a)芘能力较强。综合6种树木叶肉对8种PAHs的富集量可知，常绿树木效果较好，尤其是香樟和女贞。

2.3 叶蜡含量与其富集PAHs的相关性

本研究在测定树木叶片叶蜡含量及叶蜡中PAHs的基础上分析了二者的关系。由图1可知，3种交通流量不同的主干道上被测树种叶蜡含量与8种PAHs总量均呈显著正相关，国庆中路、洞山西路及淮河大道树种叶蜡含量与叶蜡中 PAHs总量的相关系数分别为0.92、0.91、0.81，表明在一定范围内，环境污染越严重，叶片叶蜡富集PAHs量越多。

2.4 气孔密度与叶肉组织富集PAHs的相关性

本研究测定了6种树木叶片下表皮气孔密度及叶肉组织中8种PAHs含量，同时分析了气孔密度与8种PAHs总量之间的相关性，结果如图2所示。3种环境下6种植物叶片的气孔密度与8种PAHs总量均呈显著正相关，国庆中路、洞山西路及淮河大道树种叶片气孔密度与叶肉组织中PAHs总量的相关系数分别为 0.85、0.72、0.52，相关性随交通环境的变化与叶蜡、叶蜡富集PAHs关系一致。

表3 6种树木叶肉组织PAHs含量Table 3 Contents of PAHs in mesophyllous tissues of six tree species ng·g-1

图1 叶蜡含量与其中8种PAHs总量的相关性Fig. 1 Correlation between content of leaf wax and total quantity of 8 PAHs enriched in leaf wax上图从左至右依次为国庆东路、洞山西路、淮河大道样区二者的相关性，*表示显著相关（P＜0.05），n =3。下同The above pictures from left to right denote correlation of two variables successively in GQ, DS, HH. *mean significant correlation. and so does in the following figures (P＜0.05), n =3. The same below

图2 气孔密度与叶肉组织富集8种PAHs总量的相关性Fig. 2 Correlation of stomatal density with total quantity of 8 PAHs in mesophyllous tissue

3 讨论与结论

3.1 讨论

目前，利用植物进行土壤和大气中PAHs富集的研究较多，大多数观点认为，PAHs的水溶性很低，吸附于根部的PAHs很难沿着以水为基础的木质部运输通道向地上部分发生迁移（罗颖丽等，2010），植物（尤其是木本植物）主要从大气中富集 PAHs（王晓丽等，2007；De Nicola et al.，2011）。森林具有接纳空气中PAHs的能力，因为叶面蜡质可吸附亲脂性化合物且表现出较高的PAHs富集效率（Simonich et al.，1994）。本研究结果表明，常绿树木叶片叶蜡富集8种PAHs的效果优于落叶树木，香樟、广玉兰、石楠叶蜡吸附的萘量分别是银杏的2.5倍、2.5倍、1.3倍，是红叶李的6倍、6倍、4.5倍；香樟叶蜡吸附菲、荧蒽、苯并(a)蒽及广玉兰叶蜡吸附芴、芘、苯并(a)芘的效果高于其他5种树木；女贞叶蜡吸附芴、荧蒽、苯并(a)蒽、苯并(b)荧蒽的效果也较佳，这种结果不仅与常绿树木叶片表皮细胞壁蜡质化有关（冷平生，2011），也与树木叶片的叶面积大小有关（Huang et al.，2018）。本研究6种树木（4种常绿、2种落叶）叶蜡质量与叶蜡吸附8种PAHs总量呈正相关，且随着环境污染加重，相关性越显著，该研究结果与常绿树木叶片表皮的叶蜡质量高于落叶树木一致（Kardel et al.，2011）。此外，6种树木叶蜡、叶肉富集PAHs量存在差异，叶蜡吸附PAHs最高的是苯并（a）芘，在重污染环境中平均值达1000 ng·g-1左右，这与刘玉等（2011）研究结果较为接近。叶肉主要富集 2～3环 PAHs，常绿树木香樟、女贞、广玉兰叶肉组织富集PAHs的能力高于银杏和红叶李。

气孔不仅是环境二氧化碳和水分进入植物体内的通道，同时外界污染物也可通过气孔富集于叶片内部组织（俞学如，2008）。本研究得出，气孔密度与叶肉组织富集8种PAHs总量呈显著正相关，这一结论与彭钢等（2010）、刘营等（2014）得出的气孔对气态PAHs的吸收起着重要作用的研究结果一致，与王雅琴等（2004）叶片PAHs含量随气孔密度增加而减少的研究结果截然相反。可能的原因是气温因素的影响，植物叶肉组织中PAHs富集量随季节变化，春、秋季PAHs以从大气向叶片迁移为主，夏季则因气温上升而通过气孔挥发，以由叶片向大气迁移为主，王雅琴等（2004）采集叶片的时间在夏季，而本研究采集时间是在秋季，故二者呈现正相关性；其次，本研究所测定的8种PAHs多是2～4环的，其状态多以气态形式存在，易进入气孔。因此，树木叶片积累 PAH有一定的季节或年际变化特征。刘维立等（1999）研究表明，汽车排放的PAHs是城市大气中PAHs的主要来源，本研究结果显示同种树木在交通污染严重的样点其叶肉组织富集PAHs多于相对清洁样点，该结果进一步验证了叶片富集的PAHs主要来自大气。同种环境不同树种叶蜡、叶肉组织PAHs含量存在差异，与解莹然等（2017）研究结果相同，可以为行道树种选择提供理论依据。