3種作物幼苗對空氣中苯的吸收和下行傳輸作用研究

劉凱艷　蘇玉紅　畢麗君　曹海艷　趙媛媛

摘要[目的]研究玉米、番茄、空心菜幼苗對空氣中苯的吸收和下行傳輸作用。[方法]采用營養(yǎng)液水培方式，利用玻璃密封箱進行苯污染處理，采用氣相色譜法測定不同吸收時間植物根際溶液和玻璃箱中苯濃度變化情況。[結(jié)果]玻璃密封箱中空氣中苯的濃度為5.90 mg/L，吸收時間為1 h時即可從玉米、番茄、空心菜根際溶液中檢測出苯；24 h后玉米、番茄、空心菜幼苗的Cr/Cp值分別為0.46±0.05、0.14±0.02、0.22±0.02；玉米、番茄、空心菜幼苗對空氣中苯的傳輸效率隨吸收時間的延長迅速降低，吸收時間為1 h時傳輸效率分別為（169.52±22.12）、（13.20±0.80）、（1.14±0.52） μg/（h·g ）FW。[結(jié)論]3種作物幼苗地上部分均可快速吸收空氣中的苯，并通過體內(nèi)下行傳輸及根釋放作用將其轉(zhuǎn)移至根際溶液中，且對空氣中的苯均具有較強的傳輸能力。

關鍵詞 番茄；玉米；空心菜；幼苗；苯；下行傳輸

中圖分類號 S181 文獻標識碼 A 文章編號 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

苯是一種常見的揮發(fā)性有機污染物，被國際癌癥研究機構(gòu)（International Agency for Research on Cancer，IARC）認定為第一類致癌物[1]。室內(nèi)空氣苯污染在我國普遍存在，且超標率高，尤其是新裝修居室污染嚴重，最大超過國家標準倍數(shù)的70倍以上[2-4]。現(xiàn)代人每天有80%左右的時間在室內(nèi)度過，室內(nèi)空氣質(zhì)量直接關系到人類健康水平[5]，因此研究室內(nèi)空氣凈化技術對改善室內(nèi)空氣質(zhì)量和保障居民健康具有重要意義。目前，室內(nèi)空氣凈化技術主要有機械過濾技術、吸附過濾技術、離子凈化技術、光催化氧化技術和植物凈化技術等[6-7]，其中植物凈化技術以經(jīng)濟、高效、低能耗、良好的美學價值，以及更適用于普通家庭居室、辦公場所等室內(nèi)空間等特點備受關注[8-10]。

據(jù)報道，綠色植物對空氣中污染物的凈化機制包括吸收[11]、儲存[12]、降解[13]、轉(zhuǎn)移到其他組織或釋放到外界環(huán)境[14]等。目前，植物對空氣中苯的凈化機制方面，通過植物葉片吸收、儲存、降解方面的研究較多，如Sriprapat等[15]研究金錢樹對苯、甲苯、乙苯和二甲苯的吸收主要是通過表皮蠟質(zhì)層吸附；Collins等[12]研究發(fā)現(xiàn)，苯能夠積累在蘋果和黑莓葉片以及蘋果、黑莓和黃瓜的果實中；Ugrekhelidze等[16]采用同位素標記法證明菠菜葉綠體可以氧化苯，苯的碳鏈參與體內(nèi)有機酸的代謝。但是關于苯在植物體內(nèi)的傳輸及根釋放作用仍是推論，缺乏直接證據(jù)；此外，學者對植物的選擇大多集中于對生長條件要求高的觀賞性花卉，對養(yǎng)植成本低且生長周期短的植物品種研究較少。為此，筆者選用3種常見的作物玉米、番茄、空心菜作為研究對象，采用營養(yǎng)液通氣水培方式，通過檢測密封環(huán)境苯污染處理后3種作物根際溶液中的苯濃度，研究3種作物幼苗對空氣中苯的傳輸及根釋放作用，旨在為玉米、番茄、空心菜在室內(nèi)空氣凈化中的可行性提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

玉米、番茄、空心菜種子出芽后用1/2強度的Hoagland營養(yǎng)液進行通氣水培，選擇8～9 d苗齡的玉米苗，14～15 d的空心菜苗，20～25 d的番茄苗作為供試植物。苯試劑為色譜純。

1.2 試驗設計

營養(yǎng)液通氣1 h后，定量加入外包鋁箔紙的玻璃瓶中，迅速移入適當苗齡的植物，用海綿及鋁箔紙封住瓶口與莖間空隙。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，然后迅速放入裝有苗的玻璃瓶，并密封。每處理設3個平行，以不放植物的玻璃瓶為空白對照。各處理光照處理14 h，溫度25 ℃，黑暗處理10 h，溫度20 ℃。進入光照條件1 h后開始取玻璃箱中苯溶液和植物根際溶液待測，并稱量植物鮮重。

1.3 項目測定與方法

溶液中的苯含量用氣相色譜SP3420（北京北分瑞利分析儀器有限責任公司）頂空進樣法進行測定，色譜柱選擇HP5型寬口徑毛細管柱（0.25 μm×0.32 mm×30.00 mm）。氣相色譜儀工作參數(shù)：檢測器為氫火焰離子檢測器（FID），柱箱溫度80 ℃，進樣口溫度150 ℃，檢測器溫度180 ℃；玻璃箱空氣中苯的濃度采用Antoine equation計算。下行傳輸系數(shù)（Cr/Cp）=根際溶液中苯的濃度/玻璃箱中苯溶液濃度，用于表征苯在空氣-植物-溶液體系中的分布與傳輸狀況；傳輸效率=根際溶液中苯濃度×根際溶液液體積/吸收時間/植物鮮重，用于評價植物對空氣中苯的傳輸能力。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米、番茄、空心菜幼苗對空氣中苯的下行傳輸及根釋放作用

當玻璃箱中苯溶液的初始濃度為100.00 mg/L時，玻璃密封箱中苯的濃度為5.90 mg/L。試驗結(jié)果表明，玉米、番茄、空心菜幼苗暴露于苯污染的空氣中1 h后即可從根際溶液中檢測出苯，表明3種植物地上部可以快速吸收空氣中的苯，并通過體內(nèi)下行傳輸作用和根釋放作用將苯釋放到根際溶液中。在24 h吸收時間內(nèi)，玉米根際溶液中苯的濃度隨著吸收時間的延長先迅速降低，隨后略有增加；番茄幼苗根際溶液中苯的濃度在1～5 h的吸收時間內(nèi)迅速降低，隨后趨于平緩，而空心菜幼苗根際溶液中苯的濃度則隨著吸收時間的延長緩慢增加（圖 1）。

2.2 苯在空氣-植物-溶液體系中的傳輸過程

據(jù)報道，植物根可以從其他介質(zhì)中吸收污染物[17]。從圖2可以看出，玉米幼苗的Cr/Cp值在12 h內(nèi)迅速降低，在12～24 h顯著增加；番茄幼苗的Cr/Cp值在1～5 h內(nèi)迅速降低，隨后迅速增加；空心菜幼苗的Cr/Cp值隨著吸收時間的延長而增加。3種作物幼苗的Cr/Cp值隨吸收時間變化趨勢表明，苯在根際溶液和外部溶液的分布需要很長時間才能達到平衡。24 h后玉米、番茄和空心菜幼苗的Cr/Cp值分別為0.46±0.05、0.14±0.02、0.22±0.02，說明空氣中的苯通過植物葉面吸收、體內(nèi)傳輸以及根釋放到根際溶液中的比率為玉米幼苗>空心菜幼苗>番茄幼苗。

2.3 玉米、番茄、空氣菜幼苗對空氣中苯的傳輸效率

由表1可知，玉米幼苗對苯的傳輸效率在1～5 h內(nèi)快速降低，隨后趨于平緩，吸收時間為1 h時傳輸效率值為（169.52±22.12） μg/（h·g） FW；番茄和空心菜幼苗的傳輸效率均隨著吸收時間的延長而減小，吸收時間為1 h時的傳輸效率分別為（13.20±0.80）、（1.14 ±0.52） μg/（h·g）FW。

3 結(jié)論與討論

（1）該研究表明，玉米、番茄、空心菜幼苗地上部分均能夠吸收空氣中的苯，并通過下行傳輸作用及根釋放作用將苯轉(zhuǎn)移至根際溶液中，3種作物幼苗對空氣中苯的傳輸效率均隨著吸收時間的延長而降低，且玉米幼苗>番茄幼苗>空心菜幼苗，空氣中的苯在外部溶液與根際溶液中需要一段時間才能達到分布平衡。該試驗結(jié)果直接證明了空氣中苯在植物體內(nèi)傳輸及根釋放作用，有利于進一步驗證植物對空氣中苯的凈化機制及開發(fā)高效植物凈化技術。

（2）空心菜、番茄、玉米幼苗根際溶液中苯的檢測結(jié)果表明，3種作物幼苗對空氣中苯存在葉面吸收、體內(nèi)傳輸及根釋放作用，根際溶液中苯濃度隨時間變化的原因可能表現(xiàn)在以下兩方面：①隨著吸收時間的延長，植物為了避免自身受到傷害，啟動自身應急機制，關閉氣孔等減少葉面吸收[18]；②根際溶液中的苯被植物根吸收或者釋放到根際溶液中的苯刺激植物產(chǎn)生可以去除苯的根際分泌物[17，19]。3種作物幼苗的Cr/Cp值隨時間的變化情況進一步說明了通過葉面吸收、下行傳輸及根釋放作用快速進入根際液中的苯又可快速通過根的吸收作用、上行傳輸作用及葉釋放作用進入空氣中，進而通過氣-液平衡進入溶液中，這些可逆過程使得苯在外部溶液與根際液中的濃度不斷變化，苯在外部溶液和根際溶液中的分布需要很長時間才可能達到平衡。該試驗結(jié)果直接證明了空氣-植物-水溶液系統(tǒng)中植物對空氣中苯的傳輸與根釋放作用，這與Su等[14]研究得出的植物對空氣中污染物的吸收傳輸作用一致。今后需要進一步研究空氣中苯濃度、溫度、光照等因素對植物傳輸空氣中苯的影響，為植物對空氣中苯的凈化機理研究提供一定的理論基礎。

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