1、菲對黑麥草根系幾種低分子量分泌物的影響謝明吉，嚴重玲*，葉菁廈門大學生命科學學院污染生態學實驗室，福建 廈門 361005摘要：有機污染的植物修復過程與植物根系分泌密切相關，近年來，對于持久性有機污染多環芳烴的植物修復研究得到了很大發展，但對于多環芳烴污染下植物根系分泌物的研究很少。該實驗以多年生黑麥草（Lolium perenne L.）為供試材料，以營養液栽培方式研究了在多環芳烴菲處理下，黑麥草根系對幾種低分子量有機物的分泌情況。研究結果顯示，黑麥草根系分泌有機酸、總糖以及氨基酸的量都隨菲質量濃度的上升而變化。黑麥草根系分泌的低分子有機酸主要為草酸，在菲處理下，低分子有機酸的組成無明顯變化

2、，但含量隨菲質量濃度上升而提高（由對照時的2.33 mg·g-1 FW升高至8 mg·L-1時的4.75 mg·g-1 FW）；總糖和氨基酸含量均隨菲質量濃度上升出現先升高后下降的趨勢，但是最高值出現的菲質量濃度不同，從含量上來看，有機酸是黑麥草根系低分子量分泌物的主要部分。結合其它研究結果分析，植物分泌的有機酸可能在加速多環芳烴清除中發揮了重要作用。關鍵詞：菲；根系分泌物；有機酸；糖類；氨基酸中圖分類號：X171.5 文獻標識碼：A 文章編號：1672-2175（2008）02-0576-04多環芳烴是一類受到廣泛關注的持久性有機污染物，由于其顯著的致癌致畸變效

3、應，16種多環芳烴被美國環保署列為首要的污染物。同時，有關多環芳烴在環境中的遷移規律、多環芳烴污染的修復治理等課題吸引了眾多研究者。近幾十年來，多環芳烴的植物修復研究得到了很大的發展，很多研究者開展了相關的工作1-5。已有的研究結果顯示：植物的存在能夠加快土壤中多環芳烴的去除6,7，但是由于多環芳烴的高疏水性，植物直接吸收和積累作用在多環芳烴的修復中作用并不大4,8,9，而根系分泌物可能在加速多環芳烴的清除中發揮了很大的作用。然而，目前對于多環芳烴污染下植物根系分泌物的研究很少。低分子量分泌物是植物根系分泌物的重要組成部分，其與重金屬脅迫以及營養缺乏等因素的關系已經得到了深入的研究，但多環芳烴

4、對根系低分子量分泌物的影響仍未見報道。因此，本實驗選取環境中廣泛存在的菲作為多環芳烴的代表，以多環芳烴修復研究中常用的黑麥草為材料研究了多環芳烴脅迫下植物根系低分子量分泌物的變化情況。1 材料和方法1.1 供試材料供試植物為多年生黑麥草（Lolium perenne L.），品種商品名為鳳凰（polim）1.2 試驗設計1.2.1 黑麥草的水培試驗黑麥草種子經3過氧化氫溶液消毒20 min，用蒸餾水沖洗干凈后浸泡于燒杯中吸脹16 h，然后轉入培養皿中催芽，經過催芽的種子放入溫室中進行育苗，預培養15 d左右，選擇長勢一致的植株轉入燒杯中。移苗后的植株先用蒸餾水緩苗2 d后，更換為半量Hogla

5、nds營養液，再培養3 d后進行染毒處理。1.2.2 水培染毒菲（PHE）（>97%，購于Aldrich Co.）先用甲醇溶解為母液，使用時將母液按比例加入配置好的半量Hoglands營養液中，使培養液中菲的質量濃度分別為1、2、4、8 mg·L-1，同時調節培養液中甲醇的質量分數均為0.1%，為排除助溶劑甲醇對植物的影響，另設只含有0.1%甲醇的培養液對照。配置好的培養液調節pH至5.5，并在超聲波清洗儀中處理2 h，使液體得到充分的混勻，處理時注意保持水浴溫度低于40 。每只燒杯內盛裝300 mL培養液，燒杯用錫紙包裹避光以防止菲的光降解。每天補充營養液維持液面高度。1.2

6、.3 根系分泌物的收集幼苗染毒處理6 d后，將幼苗由處理液中移出，用超純水洗去根表面吸附的物質，同時小心去除胚乳，注意不要傷根，小心吸去根表面的水份，將根浸入裝有5 mL超純水的小管中，每管均放入10株苗，根部避光，置于光照培養室中收集根系分泌物，2 h后，取出植株，定容至5 mL，保存于冷凍室內，盡早測定。收集完分泌物的植株在超純水中洗凈，小心分割根部，吸干根表的水份，稱質量，鮮質量用于統一根系分泌物的單位。1.2.4 生物量測定幼苗分為根部和地上部分，105 殺青2 h后在60 下烘至恒質量然后稱量。1.2.5 有機酸分析采用HPLC進行分析，儀器為Agilent 1100色譜儀，配備紫外

7、檢測器，檢測波長為210 nm,色譜柱為XB-18（5 m，4.6×250 mm），流動相為25×103 mol·L-1的H3PO4-KH2PO4緩沖液，pH為2.3，流速為0.7 mL·min-1，進樣量為20 L，柱溫30 ，有機酸的確定采用外標法，含量的計算采用峰面積法。1.2.6 總糖分析根系分泌物中總糖含量采用蒽酮比色法101.2.7 氨基酸分析根系分泌物氨基酸含量采用酸性茚三酮法11。1.2.8 數據處理每組處理設三個重復，數據用SPSS軟件進行分析，處理組間的差異顯著性采用LSD法進行分析。2 結果與分析2.1 菲對黑麥草生物量的影響 圖3

8、 菲處理下黑麥草根系分泌草酸量Fig. 3 the oxalic acid excreted by ryegrass root under PHE stress 注：相同字母標注表示組間差異不顯著（p>0.05），不同字母標注表示組間存在顯著差異（p<0.05），以下皆同黑麥草在經過6 d的菲脅迫處理后，除了生物量略有變化，無其他表觀受害癥狀，顯示出較強的耐受能力。根和地上部分生物量隨菲質量濃度升高而變化的趨勢相同，均表現為先升高后降低的趨勢（圖1）：在1 mg·L-1菲處理下，黑麥草根和地上部分的干質量均達到最大，而后隨著菲質量濃度升高而降低，但即使在最高質量濃度（8

9、mg·L-1）下，黑麥草的生物量與對照組也無顯著差異（p>0.05）。圖1 菲對黑麥草生物量的影響Fig. 1 the biomass of ryegrass by PHE treatments2.2 菲對黑麥草根系分泌有機酸的影響2.2 1HPLC法分離測定根系分泌物中的有機酸HPLC法用于測定根系分泌物中有機酸的方法已多有報道，但使用不同方法及儀器對實驗結果的影響較大。實驗結果表明，本實驗中所采用的條件能很好的對根系分泌物中的有機酸進行定型定量分析。2.2.2 黑麥草根系分泌的有機酸圖2 有機酸混合標樣的HPLC圖譜Fig. 2 the mixed organic acid

10、s analyzed by HPLC（1：草酸 oxalic acid；2：酒石酸 tartaric acid；3：蘋果酸 malic acid；4：乳酸 lactic acid；5：乙酸 acetic acid；6：順丁烯二酸 maleic acid；7：檸檬酸 citric acid；8：反丁烯二酸 fumaric acid；9：丁二酸 succinic acid）在黑麥草的根系分泌物中發現了草酸、乳酸、蘋果酸和乙酸（圖2）；其中，草酸的質量分數最高，超過了總酸的98%，是黑麥草根系分泌的低分子量有機酸的主要成分，這個結果與徐衛紅等12的研究結果一致。并且在各質量濃度菲處理下，根分泌有機酸

11、的組成基本不變，因此在本實驗中，以草酸作為根系分泌有機酸的代表。如圖3所示，在各個質量濃度菲處理下，黑麥草根系分泌的草酸量都比對照有顯著增加（p<0.05），而且，隨著菲質量濃度的升高，分泌草酸的量呈現上升的趨勢，從1 mg·L-1菲處理時的3.00 mg·g-1（鮮質量）升高至4.75 mg·g-1（鮮質量），差異顯著（p<0.05）2.3 黑麥草根系分泌的總糖如圖4中所示，黑麥草根系分泌物中總糖含量呈現與有機酸不同的變化趨勢：總糖在1 mg·L-1菲處理下達到最大，而后開始下降。在1 mg·L-1菲處理下，總糖分泌顯著高于對照（

12、p<0.05），菲質量濃度升至2 mg·L-1時，總糖質量分數雖有下降，仍高于對照，但其與對照間差異不顯著（p>0.05）；當菲質量濃度4 mg·L-1時，根系分泌物中總糖質量分數比對照略低，但差異不顯著（p>0.05）圖4 菲處理下黑麥草根系分泌物中的總糖Fig. 4 the carbohydrate in root exudates under PHE stress2.4 黑麥草根系分泌的氨基酸由圖5可以發現，在不同質量濃度菲處理下，黑麥草根系分泌的氨基酸質量分數變化與總糖的變化趨勢類似，均表現為先升高后下降；不同在于，氨基酸分泌的最高值出現在4 mg

13、·L-1菲處理下。在2、4 mg·L-1菲質量濃度下，氨基酸的分泌顯著高于對照組（p<0.05），菲質量濃度升高至8 mg·L-1，氨基酸分泌雖較對照有所下降，但差異不顯著（p>0.05）3 討論低分子量分泌物（包括有機酸、糖類以及氨基酸）是植物根系分泌物中的重要部分，它為根際微生物提供了大量容易被利用的有機碳。本實驗中，在一定濃度范圍內，多環芳烴可以促進黑麥草根系低分子量分泌物（有機酸、糖類及氨基酸）的分泌，這與萬大娟等人13關于多氯代有機污染物的研究一致。傳統觀點認為，根系分泌物可以通過兩種途徑來加速有機污染物的清除：（1）根系分泌的酶直接降解有機

14、污染物；（2）根系分泌物能增加根際微生物的數量、提高微生物降解活性從而加速有機污染物的降解。這兩種途徑都已經為研究者所證實14。近幾年的研究表明，植物根系分泌物還可以改變土壤特性、提高有機污染物的生物有效性，從而加快有機污染物的清除15。有機污染物特殊的物理化學特性決定了在土壤中，有機污染物主要結合在土壤有機質上，有機物的轉移和生物有效性很大程度上受土壤有機質含量和形態的影響16，Nardi等人17的研究結果表明，植物根系分泌的有機酸能夠活化土壤中的有機質；White18通過外加有機酸證明：低分子量有機酸能夠通過螯合無機離子來部分瓦解土壤結構，從而提高有機污染物的生物有效性；LUO 等人19也

15、證實植物根系分泌物以及草酸鹽都可以促進DDT從土壤的解吸附。從本實驗的數據看來，有機酸是黑麥草低分子量分泌物的主要部分，由此可以推測，黑麥草根系分泌物的變化不但對根際微生物產生影響，而且對土壤中有機污染物的吸附解吸附平衡也具有重要意義。4 結論圖5 菲處理下黑麥草根系分泌物中的氨基酸Fig. 5 the amino acids in root exudates under PHE stress（1）溶液培養黑麥草發現，黑麥草對菲具有一定的耐受能力，在8 mg·L-1濃度處理下仍生長良好（2）有機酸是黑麥草分泌的主要低分子量有機物。菲處理下，黑麥草根系有機酸的分泌總量隨處理濃度升高而顯

16、著上升，但有機酸組成無明顯變化（3）菲處理下，黑麥草根系總糖分泌量呈現先上升后下降的趨勢，氨基酸分泌變化趨勢與之類似參考文獻：1 WILSON S C, JONES K C. Bioremediation of soil contaminated with polynuclear aromatic hydrocarbons (PAHs): A reviewJ. Environmental Pollution, 1993, 81(3): 229-249.2 APRIL W S, SIMS R C. Evaluation of the use of prairie grasses for stim

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