全 文 ：14
C菲在植物火山石营养液空气系统
中的迁移和转化*
姜 霞* * 区自清 应佩峰(中国科学院沈阳应用生态研究所陆地生态过程开放研究实验室,沈阳 110016)
Ayfer Yediler Antonious Kettrup (德国国家环境与健康研究中心生态化学研究所( GSF/ IC) ,德国)
!摘要∀ 利用放射性同位素示踪技术, 研究14C菲在 植物火山石营养液空气封闭系统中的迁移转化. 结果
表明, 菲在该系统中降解较快,实验进行到 23d 时, 营养液中的放射性含量仅为施入时的 25% .实验结束( 46d)
时, 14C 放射性在该系统各部分间的分布顺序为根( 38. 55%) > 挥发性有机代谢产物 ( VOCs, 17. 68% ) > 火山石
( 14. 35% ) > CO2( 11. 42% ) > 茎( 2% ) ; 植物体内的放射性物质主要以结合态 (根 4. 68% ;茎叶 0. 68% )与植物
组织结合和以极性代谢产物(根 23. 14% ; 茎 0. 78% )形式存在.
关键词 14C菲 Juncus ef f usus 封闭培养系统
文章编号 10019332( 2001) 03045104 中图分类号 X171 文献标识码 A
Transportation and transformation of 14Cphenanthrene in closed chamber ( nutrient solutionlavaplantair) system.
JIANG Xia, OU Ziqing, Y ING Peifeng ( L aboratory of T er restr ial Ecological Process , I nstitute of App lied Ecology ,
Chinese A cademy of Sciences , Shenyang 110016) , Ayfer Yediler and Antonious Ketrrup ( GSF/ Institute of Ecologi
cal Chemistry , Germany ) . Chin . J . A pp l . Ecol . , 2001, 12( 3) : 451~ 454.
The tr anspo rtation and transformat ion of 14Cphenanthr ene in a closed #plantlavanutr ient solutionair∃ chamber sys
tem was studied by using radioactivity technology . The results show ed t hat in this closed chamber system, phenan
thr ene was degraded fast . The r adioactivity of 14C left at 23d in the nutr ient solution w as only 25% of applied. A t the
end of experiment ( 46d) , the distribution sequence of 14C activity in the components o f closed chamber system was root
( 38. 55% ) > volat ile organic compounds ( VOCs, 17. 68% ) > lava ( 14. 35% ) > CO 2( 11. 42% ) > stem ( 2% ) .
14C
activities in plant tissue w ere combined with the tissue, and ex isted in the forms of lavabound( root 4. 68% ; stem and
leaves 0. 68% ) and polar metabolites ( root 23. 14% ; stem 0. 78% ) .
Key words 14Cphenanthrene, Juncus ef f usus , Closed chamber system.
* 国家自然科学基金( 29677021)和德国 BMBF 资助项目.
* * 通讯联系人.
2000- 12- 19收稿, 2001- 02- 19接受.
1 引 言
多环芳烃是由有机物的不完全燃烧或高温裂解产
生,其分布极其广泛.由于多环芳烃是脂溶性物质, 可
以在植物体内累积, 而一些多环芳烃又具有致畸、致癌
和致突变作用, 可以通过食物链对人体健康造成极大
的威胁.因此在过去的几十年里,人们对多环芳烃在环
境中的代谢、迁移和转化给予了极大的关注, 并进行了
广泛的探讨[ 1~ 4, 8] . 本实验采用封闭培养箱系统来研
究多环芳烃类有机物菲的迁移转化. 该系统是由德国
GSF/ IC所的 Yediler等人于 1997年设计并建造的,
可以通过调节温度、湿度、光强及光照时间来模拟自然
条件,并且在模拟自然风的同时将菲代谢产生的挥发
性有机代谢产物( Volat ile Organic Chemicals, VOCs)和
最终产物 CO2 带离培养箱,并由一系列吸收设备测定
它们的含量,从而计算出菲在该系统中的代谢平衡,精
确地反映菲在这个系统内的代谢、迁移和转化.该系统
采用一定的负压,确保整个系统的安全.
2 材料与方法
21 材料
211 药品与试剂 实验用 914C菲由德国 GSF 合成, 纯度大
于 99% ,放射性强度为 2. 03% 1012Bq&mol- 1. 非放射性的菲纯
度为 99. 5% ( AldrichChemi Co. ) . 实验所用的试剂都是分析纯
或色谱纯.甲醇、环己烷由 MERCK ( Darmstadt, Germany ) 公司
购得.丙酮和二氯甲烷由 RiedeldeHan ( Seelze, Germany) 购
得.
212 植物 本实验所用植物是从德国 Renatur. 公司购买的
Juncus ef f uses (灯心草属)植物.
213 吸收剂和闪烁剂 用于测量14CVOCs 和水样中放射性
含量的吸收剂和闪烁剂与李滢[ 4]所用相同.
214 封闭培养箱系统 该系统用于研究有机污染物在封闭
培养箱系统内迁移转化规律, 由 4 部分组成: 1) 输入空气的净
化和控制系统; 2)植物的封闭培养箱系统 ; 3) VOCs 和 CO2 的
吸收系统(含 3 个吸收瓶) ; 4)输出空气的净化和排放系统.
应 用 生 态 学 报 2001 年 6 月 第 12 卷 第 3 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Jun. 2001, 12( 3)∋451~ 454
22 实验方法
221 植物预培养 实验采用 40cm % 25cm % 30cm 的玻璃缸,
其中放置 6 簇冲洗过根的植物.加入 10kg 火山石和 5. 5L 营养
液(化学组成为: Ca( NO3 ) 2&4H2O 1. 43g& L- 1 ; MgSO4& 7H2O
0. 25g& L- 1 ; KH2PO4 0. 25g& L- 1; KNO3 0. 25 g&L - 1; FeSO 4,
0. 0001g&L- 1 ) . 每天向玻璃缸中加入 250ml蒸馏水和营养液的
混合液( V∋V= 70∋30) . 植物在一定温度、湿度和光照条件下预
培养 2 周.
222 菲柱的准备[ 5] 5ml 500mg&L - 1菲的二氯甲烷溶液和
406l 14C菲甲醇溶液从按 Ou [ 5]方法制备的玻璃管的顶部缓慢
地加入到玻璃柱中,氮气自玻璃柱的下端向上缓慢吹干有机溶
剂.挥发后的菲柱待用.
223 实验过程 将装有实验植物的玻璃缸放置在培养箱中,
由于植物生长和蒸发作用而损失的水分和营养液以及实验过
程中菲的施入通过图 1 所示装置进行补充和添加. 培养箱内的
实验条件为:温度, 20 ( ;湿度, 55 ) 10% ;风速: 3m&s- 1 ;光照周
期,白天/夜晚= 16∋8. 光照条件模拟自然光, 波长为 350 ~
770nm. 光强 21W&m- 2.
图 1 营养液添加和样品收集装置
Fig. 1 Apparatus for nutrient solut ion addition and sample collect ion.
1控制阀 Controlled valve, 2 样品收集瓶 Glass bott le for sample collec
t ion, 3 药品和营养液添加瓶 Glass bott le for chemicals and nut rient
solout ion addit ion, 4 聚四氟乙烯管 Tef lon pipe.
当实验装置连接完毕后, 向第 1 吸收瓶中加入 100ml的乙
二醇单甲醚( EMME, 用以吸收代谢的中间产物 VOCs) , 第 2、3
吸收瓶中加入 100ml 1mol&L - 1的 NaOH(用以吸收代谢最终产
物 CO2 ) . 将制备好的菲柱与玻璃缸上部的聚四氟乙烯管和蠕
动泵相连.泵先以 90L&min- 1, 60L&min- 1和 30L&min- 1分别运
行 2、4 和 18h. 而后在采集营养液样品前以 90L&min- 1运行
30min. 实验运行 2d后, 将菲柱拆离系统, 用氮气吹干并测量其
放射性含量.实验进行 23d 后, 2. 06mg 放射性和非放射性菲的
混合物通过上述同样的柱方法补充到培养箱内.
224 样品采集 玻璃缸中营养液在加入菲后 24h 内,每 2h 收
集 1次, 而后每 2d 收集 1 次, 并测量营养液中放射性含量. 实
验持续 46d,每隔 48h 收集吸收瓶内样品来测定14CVOCs 和14
CCO 2 的含量, 并在液体闪烁计 数器 [ Liquid Scintillation
Counter ( LSC ) , TRICARB 1600T R, PACKARD Instrument,
Meriden, USA]上测量其放射性含量. 从第 2、3吸收瓶中收集的
CO2 吸收液经过图 2 装置转换成 CO2 后,测定其放射性含量.
向图 2 各吸收瓶中加入 15ml的吸收剂兼闪烁剂 ( CARBO
SORB E+ 和 PERMAFLUOR E+ 的混合液, v∋v/ 2∋3) , 打开
真空泵. 20ml 32%的 HCl吸收溶液从图 2 的注射针头孔滴入
到样品瓶中的 NaOH 吸收溶液中 ,在真空泵的充分曝气作用下
使HCl和 NaOH 吸收液充分反应,逸出的 CO2 被充分吸收. 收
集 CO2 吸收液和 5ml的冲洗液, 测定其放射性含量.
图 2 CO 2 的转换装置
Fig. 2 Equipment for CO2 t ransfer.
1 空气和盐酸的入口 Air and HCl inlet , 2 样品瓶Glass bot t le for sam pi
ing, 3NaOH 吸收液 Adsorption solution, 4 内衬聚四氟乙烯薄膜的玻璃
塞 Glass stopper w ith tef lon member, 5 装有活性碳的玻璃管 Glass tube
w ith act ive charcoal, 6 控制阀 Control valve.
23 样品提取和分析
火山石和植物样品经冷冻干燥后分别被粉碎和剪碎并在
燃烧器( Model 307, PACKARD Instrument, Meriden, USA)上燃
烧,测量其放射性含量. 营养液、火山石及植物样品的提取和分
析方法同李滢[ 6]所述.
3 结果与讨论
31 14C放射性在封闭培养箱系统各组份间的分配
实验结束后,测定各样品的总放射性量, 得出14C
在该系统各组分间的分布(图 3) . 由图 3可以看出,植
物中放射性含量最多,占总放射性含量的 40. 63% .其
中根部的放射性含量( 38. 55%)远高于茎叶中的放射
性含量( 2. 08% ) ,这与 Edwards[ 1]研究结果相似.在以
往的同位素示踪方法中, 没有避免有机代谢产物的重
新利用, 使其经由植物的气孔进入到植物的茎叶
中[ 2, 3] ,从而使植物的茎叶中放射性含量远高于植物
根[ 4~ 6] . 本实验得到的茎叶中放射性含量全部是由植
物根部吸收并迁移到茎叶中. 菲的中间代谢产物
VOCs 占 17. 68% ; 菲 的代 谢最终 产物 CO2 占
1142%; 由于火山石的质量和比表面积大, 其放射性
含量也很高, 占 14. 35% ;营养液中占 0. 91% ;吸附在
系统内壁上的放射性物质占 0. 55%; 植物茎冲洗液中
452 应 用 生 态 学 报 12卷
放射性物质占 0. 02% ,这部分主要是吸附在根上的菲
及菲的代谢产物. 整个实验的14C 放射性物质回收率
为 86% .
图 3 14C在封闭培养箱系统中的分布
Fig. 3 Dist ribution of 14C activity in the components of the clossed chamber
system.∗ 营养液 Nutrient solut ion, +CO2, , 挥发性有机物 VOCs, − 火山石 Lava, .根 Root, / 茎叶 Shoot , 0 系统装置 Sytem apparatus,1 冲洗液 Rinsing solut ion.
32 营养液、VOCs和 CO2中放射性含量的变化
在封闭培养箱系统中,营养液、VOCs和 CO2中的
放射性含量变化如图 4所示. 由图 4可见,营养液中放
射性含量在加入菲 22h 后, 迅速下降到初始含量的
50% .这段时间里, 植物很难吸收代谢这么多的菲, 而
微生物对菲的降解也需要一个适应的过程.因此, 可以
认为,菲投加后大部分迅速被植物的根吸附, 少部分吸
附在玻璃缸壁以及火山石上.随后营养液中放射性含
量在一段时间内趋于平衡[ 4, 7] , 这一方面是因为植物
与营养液中的微生物首先利用吸附的菲, 另一方面是
因为植物和营养液中的微生物对吸收和降解菲有个适
应过程.实验第 23 天, 营养液中的放射性含量仅为施
入时的 25% ,补充加入菲后, 营养液中放射性含量激
增.由于植物根和火山石中已含有一定量吸附的菲,营
养液中放射性含量在加入菲后下降的较第一次要慢.
但由于系统中植物和营养液中的微生物对吸收和降解
菲已经有了适应过程,因此在吸附达到平衡后,代谢降
解的较快.实验结束时,放射性含量不到实验开始时施
入的 10%,说明菲在这个系统中代谢降解得很快.
VOCs和 CO2 累计产量一直呈上升趋势.菲经由
植物和营养液中微生物吸收以后, 首先代谢或降解为
中间产物.中间产物中一些为 VOCs, 经由封闭培养箱
内的风的带动进入吸收瓶中, 因此 VOCs的产量在开
始时就明显高于 CO2. CO2产生途径主要是植物和营
养液中的微生物在吸收菲及其代谢产物后通过呼吸作
用释放出来.在本实验研究中, VOCs 完全被风带离培
养箱而不能被植物和微生物重新利用进而完全代谢成
CO2, 因此 CO2 的释放量比其它类似实验低[ 6] . 实验过
程中,火山石和植物根吸附的菲及其代谢产物不断地
被释放并为植物和微生物吸收利用. 实验中 CO2 的释
放量一直低于 VOCs.
图 4 封闭的#植物营养液火山石空气∃ 系统中,营养液 ( NS)、挥发性
有机物( VOCs)和CO 2 中的放射性随时间变化的规律( VOCs和 CO2 曲线是累积产量曲线)
Fig. 4 Kinet ics of radioact ivity changes of nut rient solution, VOCs and CO 2
in the closed #plantnutrient solut ionlavaair∃ system( VOCs and CO 2: accu
mulat ive product ion) .
33 菲及其降解产物在植物体内的分布
将营养液, 火山石,植物根和茎中所含放射性物质
按存在形态表示为占施入放射性总量的百分数(图
5) .由图 5可见,在封闭培养箱系统中各组分中含有的
14C总量的分配顺序为根> 火山石> 茎> 营养液. 而
且无论在营养液、火山石还是植物根茎中,极性代谢产
物所占的百分比都大于非极性代谢产物. 植物中存在
的不可提取部分的放射性可以认为是由于植物吸收外
源化合物后,通过氧化还原反应将其代谢成极性形式,
而后同自身合成的高极性物质共轭成新的大分子, 以
结合态形式存在. 由于 VOCs被风带离封闭培养箱系
统,因此植物茎中所含的放射性是由植物根吸收并迁
移产生.这说明植物可以吸收、代谢并向上转移菲及其
代谢产物.
34 菲及其降解产物在植物体内的含量
图 6反映的是 1g 组分(包括营养液、火山石、植物
根、茎)所含放射性总量以及所含菲的各种形态代谢产
物的量.以 1g 组分所含放射性量来研究, 可以比较真
实地反映出植物、火山石和营养液中菲的代谢迁移规
律.由图 6可见,通过该系统的植物根、茎、火山石和营
养液中单位质量的放射性含量分析表明, 不管是菲还
是菲的各种形态的代谢产物, 均以植物根最高,其次是
茎,而火山石和营养液中远低于植物各部位, 从而说明
菲及其代谢物能够通过植物根向茎转移.即 1g 组分所
含放射性物质的顺序为根> 茎> 火山石> 营养液; 结
合态的代谢产物(不可提取部分)为根> 茎> 火山石;
4533 期 姜 霞等: 14C菲在 植物火山石营养液空气系统中的迁移和转化
极性代谢产物为根> 茎> 营养液> 火山石; 非极性代
谢产物为茎> 根> 营养液> 火山石; 菲为根> 茎> 火
山石> 营养液.
图 5 植物组织和生长介质中放射性占施入总量的百分比
Fig. 5 Percentage of 14Cactivity applied in plant t issue and culture media.
A.总含量 T otal 14Cactivity, B. 不可提取部分 Un ext ractable, C. 非极性
代谢产物 Nonpolar metabolit es, D. 菲 Phenanthren e, E.极性代谢产物
Polar metabolit es.下同 The same below . ∗ .营养液 Nutrient solut ion, + .
茎 Shoot, , .火山石 Lava, −.根 Root.
图 6 植物组织和生长介质中放射性的浓度
Fig. 6 Concent rat ion of 14Cact ivity in the plant t issue and cluture media.
∗ .营养液 Nutrient solut ion, + .火山石 Lava, , .茎 Shoot , −.根 Root .
4 结 论
研究表明, 采用放射性同位素示踪的方法,利用封
闭培养箱系统来研究菲的吸收代谢是很有效的.实验
结果表明, 1) 14C 放射性在该系统各部分间的分配顺
序为根> VOCs> 火山石> CO2> 茎> 营养液> 系统
装置> 冲洗液; 2)菲在该系统中吸收、代谢和降解得很
快; 3)菲的中间代谢产物 VOCs的释放量高于代谢最
终产物 CO2 的释放量; 4)植物能够由根吸收菲及其代
谢产物并将其输送到植物的茎中, 吸收的菲及其代谢
产物以极性代谢物为主; 5)菲及其降解产物在植物根
内的含量高于植物的茎.
参考文献
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作者简介 姜 霞,女, 1974 年生, 在读博士生, 从事污染生态
方面的研究,已发表论文数篇. Email: jiangx ia@ iae. syb. ac. cn
454 应 用 生 态 学 报 12卷