蒽在黑麥草體內的代謝作用

張 翼,凌婉婷,陳冬升,龔帥帥,高彥征(南京農業大學資源與環境科學學院,江蘇,南京 210095)

蒽在黑麥草體內的代謝作用

張 翼,凌婉婷,陳冬升,龔帥帥,高彥征*(南京農業大學資源與環境科學學院,江蘇,南京 210095)

以黑麥草(Lolium multiflorum Lam.)為供試植物,采用水培試驗方法,研究了植物對蒽的代謝作用,并分析了其代謝產物.結果表明,經蒽培養液處理96h并轉入無蒽培養液培養后0～16d,黑麥草體內蒽的含量由0.760mg/kg降為0.147mg/kg,減少80.6%,主要為植物所代謝;根部是代謝蒽的主要部位;蒽的一級代謝產物為蒽醌和蒽酮,0～16d,蒽酮在黑麥草體內總體上呈積累態勢,而蒽醌則會被進一步代謝,蒽醌和蒽酮可以由根系向培養液中釋放,也可由根向莖葉傳輸;黑麥草對蒽酮和蒽醌的傳輸系數(TF)分別為0.796～1.285和0.239～0.653,蒽酮更易在黑麥草體內傳輸.

蒽；黑麥草；植物代謝；傳輸

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

多環芳烴(PAHs)是環境中常見的一類持久性有機污染物,由有機物的不完全燃燒或高溫裂解等產生.具有慢性毒性和“三致”作用[1-3].環境中PAHs性質穩定,難以降解[4].由于脂溶性較強, PAHs易被植物吸收和積累,并可通過食物鏈危害農產品安全和人體健康.

有關植物對PAHs的吸收作用,國內外已有較多報道[5-9].一般認為,PAHs從土壤進入植物主要有2種途徑:根系從土壤中吸收、并隨蒸騰流沿木質部向莖葉傳輸;植物地上部分吸收揮發到空氣中的PAHs.根系吸收與PAHs的辛醇-水分配系數(Kow)[10]、根脂肪含量正相關[16],與土壤有機質含量負相關[11].莖葉吸收則主要取決于PAHs的辛醇-氣分配系數(Koa)、亨利系數(H)、莖葉比表面積和脂肪含量[12].然而,有關吸收后PAHs在植物體內的代謝,國內外相關研究仍很少[13-14],其代謝規律及機理還遠不清楚.

本研究以蒽為PAHs代表物,利用水培體系研究黑麥草對蒽的代謝作用,旨在為評價污染地區作物污染的風險、保障農產品安全等提供依據.

1 材料與方法

1.1材料

蒽購自Aldrich Chemical Co.,純度97%,分子量178.22,lgKow為4.45.二氯甲烷、丙酮、正己烷、層析用硅膠(200～300目)為分析純;甲醇為色譜純.培養液選用Hoagland營養液[15].供試植物為黑麥草(Lolium multiflorum Lam.).

主要儀器:KQ-300DE醫用數控超聲波清洗器,RM-3旋轉濃縮蒸發器,JouanVXE38Q超低溫冰箱,LABCONCO7670530冷凍干燥機,島津LC-20AT高效液相色譜儀(HPLC).

1.2實驗方法

向一系列含有0.9L培養液的玻璃燒杯中加入蒽的甲醇儲備液(蒽為過飽和處理,控制甲醇濃度＜1‰)[16],定容至1.00L后,分別制得含蒽培養液;同時制備無蒽培養液,用作對照處理.黑麥草經催芽、育苗后,于溫室中以水培方式預培養至株高約15cm;選擇生長態勢較為一致的植株洗凈根部,4株一撮移入含蒽培養液的燒杯中,每杯12撮,處理96h[17].

將植物取出,用蒸餾水清洗根部后,轉入無蒽營養液的500mL燒杯中,每杯3撮植物,所有燒杯外壁用黑塑料袋包裹、保持根系和溶液避光;培養0～16d,并于0,1,2,4,8,16d采集植物樣和水樣.植物樣品采集后,用蒸餾水充分淋洗,并用濾紙浸干表面水分,于-65℃下保存待分析.每個處理4次重復.培養期間適當添加水和營養液,維持液面高度,溫室中白天溫度25～35℃,夜間15～25℃.

1.3分析方法

植物樣品分析[17]植物樣品在-54℃冷凍干燥,粉碎并混勻,取一定量樣品于25mL玻璃離心管中,用30mL1:1的丙酮和正己烷溶液分3次、每次10mL超聲萃取30min.將萃取液收集,轉移到旋轉蒸發瓶中,40℃恒溫濃縮至干,用正己烷定容到2mL.然后取1mL過硅膠柱凈化,先用一定量的二氯甲烷和正己烷溶液洗脫,再加入一定量的丙酮溶液洗脫.洗脫液收集至旋轉蒸發瓶中,40℃恒溫下濃縮至干,用甲醇定容到2mL,過0.22μm孔徑濾膜后,高效液相色譜(HPLC)分析.蒽的方法回收率為87.84%,相對標準偏差(RSD)為3.87%(n=5),檢測限為20.0pg.

水樣分析利用凌婉婷等[17]的方法,并略做改進.準確移取一定量水樣于10mL比色管中,用甲醇稀釋(甲醇與水體積比為7:3),過0.22μm濾膜后用HPLC分析.

1.4統計方法

利用Excel和Origin軟件進行試驗結果的數據整理和作圖;利用SPSS軟件對不同處理間的差異進行單因素方差分析, LSD法檢驗顯著性.

2 結果與討論

2.1植物的蒽含量

經預先污染處理后,黑麥草在無蒽培養液中培養0～16d,其體內蒽的含量由0.760mg/kg降為0.147mg/kg,減少80.6%(圖1).植物蒽含量與時間符合一級動力學方程:C=0.5747e-0.0842t(P=0.007, r=0.933),蒽降解的半衰期為4.9d.

圖1 蒽在植物體內的含量-時間關系曲線Fig.1 Concentrations of anthracene in ryegrass as a function of time

0～16d植物體內蒽的減少主要是以下原因:蒽在植物體內被代謝;根中蒽向培養液中釋放;植物的生長稀釋作用[16].本試驗中,0～16d植物生物量變化很小,植物生長稀釋作用應不為主導[16-17].避光條件下,培養液中蒽的含量受光解等因素影響極小[17],且培養液中并未檢出蒽,表明蒽由植物向培養液的釋放甚微.因此,黑麥草體內蒽含量下降的主要原因是植物代謝作用.

2.2代謝產物

有研究認為[14],蒽的一級代謝有2個途徑,蒽分別被氧化為蒽酮和蒽醌.本試驗發現,蒽處理的黑麥草體內均有蒽醌和蒽酮的檢出,而在對照組植物中則未檢出蒽、蒽醌和蒽酮.表明黑麥草體內蒽醌和蒽酮是蒽代謝的產物.由表1可見.0～16d,黑麥草根中蒽醌的含量為 0.058～0.260mg/kg,蒽酮的含量為0.307～0.789mg/kg;莖葉中蒽醌的含量為0.044～ 0.075mg/kg,蒽酮的含量為0.368～0.595 mg/kg.總體來看,植物體內蒽酮的含量呈積累的趨勢,蒽醌則呈減少的趨勢.而0～16d黑麥草體內蒽的含量不斷降低(圖1).最近,有研究指出,蒽醌在植物體內可繼續被代謝成羥基蒽醌,蒽酮則難于再次代謝[11].試驗期間,植物體蒽酮含量增加、而蒽含量降低,表明植物對蒽的代謝作用;植物蒽醌含量的降低,則說明植物在代謝蒽的同時,也代謝蒽醌,即蒽在黑麥草體內被多級代謝.

表1 不同時間植物體內蒽及其代謝產物的含量(mg/kg)Table 1 Concentrations of anthracene, anthrone, and anthraqinone in ryegrass at different time(mg/kg)

據報道,PAHs上的氧化活性位同其苯環上各個碳位的前線電子密度有直接的關系,前線電子密度越高的位置,越容易被氧化,蒽的9、10碳位是易發生氧化反應的位置[18].由圖2可見,蒽醌和蒽酮就是由于蒽的9、10碳位被氧化所得.可以推測,蒽在黑麥草體內在植物酶的作用下被代謝;蒽醌的代謝產物羥基蒽醌,則為其1號碳位上繼續發生羥基化反應所得[19].由此也說明,氧化是植物代謝蒽的主要反應過程,這與有關萘和苯并[a]芘在植物體內被氧化的反應機理相似[19].

另外,1～2d,植物體蒽的含量變化不大(表1),莖葉部蒽酮的含量變化不大,根部蒽酮顯著減少,而蒽醌在莖葉部和根部的含量則顯著增加.

圖2 蒽及其一級代謝產物分子式Fig.2 The structural formula of anthracene, anthrone, and anthraqinone

2.3蒽代謝物的傳輸

2.3.1由根向培養液的傳輸 由圖3可見,將污染處理的植物轉入無蒽的培養液后,培養液中蒽酮的濃度在0～1d迅速上升至最高點,1～2d開始下降,2～16d則基本穩定在0.13mg/L;而0～16d,培養液中蒽醌的濃度則呈增大的趨勢.供試時間內培養液中蒽未檢出,即未檢測到植物向培養液中釋放蒽.有文獻指出,在避光條件下,培養液中多環芳烴的光解影響極小[17].顯然,培養液中蒽醌和蒽酮應該是蒽在植物體內被代謝后,由根系通過分泌作用釋放到培養液中所致.

圖3 培養液中蒽酮、蒽醌濃度-時間關系曲線Fig.3 Concentrations of anthrone and anthraqinone in nutrient solution as a function of time

2.3.2在植物體內傳輸 一般認為,lgKow為1～2的有機污染物最有可能在植物體內遷移,而lgKow＞4的有機污染物則易被根吸收積累,難以向地上部傳輸[16].蒽的lgKow為4.45.本試驗中蒽僅在污染組黑麥草的根部檢出,而莖葉中未檢出.這表明供試時間內,蒽主要存在于植物根部,難以從黑麥草根部傳輸到莖葉;同時也揭示,蒽主要在植物根部被代謝.蒽醌和蒽酮在污染組植物根和莖葉中均有檢出(表1),而對照組植物中則均未檢測到蒽、蒽醌和蒽酮.這證明污染組莖葉中的蒽醌和蒽酮來自根部代謝后向莖葉的傳輸.

植物傳輸系數(TF)可用來反映污染物在植物體內由根向莖葉的傳輸能力.TF 值為污染物莖葉富集系數(SCF)與根系富集系數(RCF)的比值,TF=SCF/RCF[20].TF值越大,表明污染物越容易由根系傳輸到莖葉[20].由表2可以看出,0～16d,黑麥草對蒽酮和蒽醌的TF值分別為0.796～1.285和0.239～0.653.蒽酮的TF值要顯著大于蒽醌,表明蒽酮在黑麥草體內更易傳輸.

表2 不同時間植物體內代謝產物的傳輸系數Table 2 Translocation frctor values of anthraqinone and anthrone in ryegrass at different time

3 結論

3.1蒽培養液處理96h并轉入無蒽培養液后0～16d,黑麥草體內蒽的含量由 0.760mg/kg降為 0.147mg/kg,減少了80.6%,主要為植物所代謝.

3.2蒽的一級代謝產物為蒽醌和蒽酮.0～16d,植物體內蒽酮的含量呈積累的趨勢,蒽醌則呈減少的趨勢.蒽醌可被植物進一步代謝.蒽醌和蒽酮可由根系向培養液中釋放,也可在植物體內由根向莖葉傳輸;蒽酮更易在黑麥草體內傳輸.

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X173

A

1000-6923(2010)04-0544-04

2009-08-31

國家自然科學基金資助項目(20777036,40701073);江蘇省青年科技創新人才基金(BK2007580);教育部新世紀優秀人才支持計劃項目(NCET-06-0491)

* 責任作者, 副教授, gaoyanzheng@njau.edu.cn

張 翼(1984-)男,安徽銅陵人,碩士,主要從事環境污染控制與生物修復研究.