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C菲在营养液火山石小麦有控系
统中的迁移和转化*
李 滢 区自清 孙铁珩 (中国科学院沈阳应用生态研究所, 沈阳 110015)
Ayfer Yediler Ines Conrad Antonious Kettrup
( GSF/ Ins titute of Ecological Chemistr y , Germany)
摘要 利用放射性同位素示踪技术研究了14C 标记菲在有控系统中的迁移转化.结果表
明, 14C菲在有控系统中降解较快, 施入药品 24d 后仅有 0. 32% 的14C- 菲存留在植物、营
养液和火山石中.植物吸收的14C 放射性大部分被结合到植物组织中,其它14C 主要以菲的
极性代谢物形态存在.
关键词 菲 小麦 14C 标记 有控系统
Transportation and transformation of 14Cphenanthrene in a controlled nutrient solutionlava
wheat system. L i Ying, Ou Ziqing, Sun T ieheng ( I nstitute of Applied Ecology , A cademia
Sinica, S henyang 110015) , Ayfer Yediler , I nes Conrad and Antonious Kettrup( GSF / Insti
tute of Ecological Chemistry , Germany ) . Chin . J . A pp l. Ecol . , 1998, 9( 3) : 318~ 322.
With isotopic techniques, the transportation and transformation of 14Cphenanthrene in a con
tro lled nutrient solution( NS)lav aw heat system w as conducted. The results suggest t hat after
applied for 24 days, 14Cphenanthrene in the controlled system deg raded fast , and only 0. 32%
of it remained in the plant, NS and lava. Most of 14Cactivity abso rbed by plant w as inco rporat
ed in plant tissues, and the remains ex isted prominant ly as polar metabolites of phenanthrene.
Key words Phenanthrene, Wheat, 14Clabelled, Contr olled system.
* 国家自然科学基金 ( 29677021) 和中国科学院陆
地生态系统痕量物质生态过程开放实验室基金资助项
目.
1997- 08- 14收稿, 1997- 11- 18接受.
1 引 言
多环芳烃( PAHs)因其许多成员具有
致畸、致癌或致突变作用,近些年来引起了
越来越多的关注. 研究较多的 PAHs 为苯
并( a)芘. 多数研究结果表明, 一些植物可
通过根和叶片吸收苯并( a)芘并向不同植
物部位迁移,还可将苯并( a)芘代谢成有机
酸、氨基酸、糖和 CO2 等低分子量物质, 但
也有报导发现许多高等植物并不吸收或迁
移PAHs[ 2, 3, 5, 6] . PAHs可能通过在食物链
中累积而影响人类身体健康. 所以,了解多
环芳烃的生态行为, 对于保护环境和进行
污染治理均有十分重要的意义. 用放射性
同位素示踪法可以更灵敏、准确地研究
PAHs的行为规律.
2 材料与方法
2. 1 材料
实验中采用14C标记的菲作为示踪物. 14C标
记菲来自 BIOTREND化学公司 (科隆, 德国) , 比
强为 50mCi/ mmol,纯度大于 97% . 菲浓度用高效
液相色谱 ( HPLC)测定, 放射性用液体闪烁计数
器( LSC)来计数.小麦为铁春 1号.
2. 2 实验装置
应 用 生 态 学 报 1998 年 6 月 第 9 卷 第 3 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Jun. 1998, 9( 3)!318~ 322
实验装置见图 1. 3 个管子装有闪烁吸收液,
用来吸收培养瓶内产生的挥发性有机物 ( VOC)
(包括所施加菲及其挥发性代谢产物 )和 CO2. 管
1 装有 10ml乙二醇单甲醚 ( EMME)用于吸收
VOC,管 2 和管 3 装有 15ml CO 2 闪烁液 ( Carbo
sorb和 Permafluor的混合液, v: v / 2!3)用来吸收
CO2 .共有 5 个同样的装置作为重复, 并联于同一
泵上.实验前在泵前装一流量计 (测定范围 0. 04
~ 20L∀min- 1 , Brooks Instrument B. V. , 荷兰)调
节好气流量.整个实验在 20~ 24 # 下进行. 菲溶
液由14C标记和非标记菲两部分组成, 设计菲总
浓度为 0. 5mg∀L- 1 ,每个培养瓶中菲放射性量约
为 330000dpm.
图 1 实验系统装置
Fig. 1 Experimental system apparatus.
1.培养瓶 Culture bott le; 2.小麦苗 Wheat seedlings; 3.营
养液和火山石 Nutrient solut ion( NS ) ; 4.注射器针管 Sy
ringe; 5.玻璃塞 Glass cap; 6.玻璃管 Glass tube; 7.控制阀
Cont rol valve.
实验前, 先将小麦放在玻璃器皿中发芽, 长
到 0. 5cm 左右, 按每瓶 12 株将麦苗移到培养瓶
中,适应 3d 后,开始施入配制好的实验药品溶液.
每个培养瓶中盛装营养液 60ml, 营养液组成为
Ca( NO3) 2∀4H2O 1. 43g∀L - 1, MgSO 4∀7H2O 0. 25g
∀L- 1, KH2PO4 0. 25g∀L- 1 , KNO3 0. 25g∀L- 1 , Fe
SO4 0. 0001g∀L - 1. 泵除了在采样时关掉外在实验
运行期一直开动. 空气流量由泵前的控制阀控
制.
在加入试验药品后, 定期采集营养液、VOC
和 CO2 样品. 采集营养液样品时, 从瓶中吸取
0. 5ml与 15ml U ltima Gold 混合,在 LSC 上测定放
射性.采集 VOC 和 CO2 样品时,用 LSC 小瓶分别
收集管 1、2 和 3 内的吸收液. 向管 1 中加入 10ml
混合闪烁液(将 11g Permablend 溶于 1L 甲苯) , 向
管 2 和管 3 中分别加入 5ml CO2 混合闪烁液冲洗
管壁, 并收集到相应的 LSC 小瓶中, 测定其放射
性.
营养液的蒸腾损失和根系所需 O2 均靠加入
新的营养液来补充. 运行 24d 后, 实验结束,收集
最终的营养液、植物和火山石样品. 培养液立即
用环己烷提取. 其他存于冰箱- 80 # 下待测.
2. 3 样品提取和分析
2. 3. 1 营养液 将 40ml营养液分别用 40、30 和
20ml环己烷进行萃取. 有机相被收集到同一瓶
内.留在水相中的视为菲的极性代谢产物部分.
收集的有机相在旋转蒸发仪 ( LABO ROTA S
300,瑞士 )上蒸发至干, 重新溶解于 1ml 甲醇中
待测.
根据样品放射性量向 TLC 硅胶板上点加定
量上述甲醇提取液,同时用非标记标准菲溶液作
对照, 然后用氯仿: 醋酸: 甲醇( 90!5!5, v / v)作展
开剂,使含菲的非极性部分充分展开, 风干后在
紫外光下鉴定菲点, 标出位置. 将菲点 ( Rf 值约为
0. 9)刮入 LSC 小瓶, 与闪烁液充分摇匀混合静
置, 使固体物沉淀, 然后在 LSC 上测定放射性, 其
它有关条带也刮入 LSC 小瓶测定放射性.
2. 3. 3 火山石 取火山石样品风干后粉碎, 在燃
烧器上充分燃烧后得出火山石上总放射性. 将
20g 未风干火山石样品用 20ml二氯甲烷( DCM )
提取, 超声振荡 1h 后静置过夜, 定量上清液收集
在梨形小瓶内旋转蒸发浓缩, 用 N2 吹干后重溶
于 1ml甲醇, 同样用 TLC硅胶板分离菲及其代谢
物. 由于该提取液中既含有极性物质也含有非极
性物质, 所以展开剂用环己烷, 菲 Rf 值约为0. 5,
Rf 值小于0. 5的视为菲的极性代谢产物, 大于0. 5
的视为菲的非极性代谢产物.
2. 3. 4 植物 植物分成根和茎叶两部分, 用丙酮/
水( 1!1, v / v)洗掉吸在表面的放射性后, 称取一定
量植物根和茎叶鲜样, 在燃烧器上燃烧, 并在
LSC 上测定其放射性 , 其余的根、茎样品用于提
取用.
植物提取剂为甲醇. 首先称取一定量( 0. 3~
0. 5g )的样品, 然后把样品剪碎、称重, 连同 20ml
甲醇一起加入匀浆玻璃瓶, 在高速匀浆机下匀浆
3193 期 李 滢等: 14C菲在营养液火山石小麦有控系统中的迁移和转化
5min 后, 超声振荡 1h, 再用玻璃滤膜抽滤, 收集
滤液并用无水 Na2SO4 干燥其中的水分, 记下滤
液体积. 然后在旋转蒸发仪上蒸发至很小体积
后,用 N 2 吹干,重新溶于 1ml甲醇中, 用 TLC 法
分离测定菲及其代谢物, 方法同火山石. 玻璃滤
膜上的植物残渣风干后, 在燃烧器上燃烧, 在
LSC 上测其放射性. 同时, 分别取少量样品提取
液测定放射性含量.
3 结果与讨论
3. 1 14C放射性在系统各组分间的分配
24d实验结束时, 从测定的各样品总
放射性量可得到14C 在此系统中各个成分
间的分布(图 2) .可以看出, 植物中所含放
射性比例较大, 约占总放射性量的 70%,
其中茎叶放射性含量高于植物根. 其次为
CO2, 占 12%左右. 挥发性有机物、火山石
和营养液中的放射性比例相对较小, 分别
占施入放射性总量的 5%、3. 2%和 2. 9%.
而吸附在系统内壁上(包括培养瓶壁、瓶
盖、吸收管壁及碳管 )的14C 量仅占小部
分, 14C放射性回收率达到 90%以上.
图 2 14C放射性在系统各组分间的分配
Fig. 2 Dist ribution of 14Cact ivity in dif ferent components
of the system.
∃ .营养液 Nutrient solut ion ( NS) , %. 火山石 Lava, & .
挥发性有机物 Volatile organic compounds ( VOC ) , ∋.
CO 2, ( . 茎叶 Shoot , ) . 根 Root, ∗ . 系统装置 System
apparatus, n= 5.
3. 2 挥发性有机物、CO2和营养液中的放
射性动态曲线
图3显示了挥发性有机物 ( VOC) 、
图 3 营养液( NS )、挥发性有机物( VOC) 和 CO2 中14C放射性随时间变化的规律(A 为累积产量, 5个重复的平
均值)
Fig. 3 Time course of changes of 14C act ivity in NS , VOC
and CO2( A : Accumulative production, the data are the av
erage of 5 replicates) .
CO2 和营养液中放射性的动态变化.
VOC和 CO2 累积产量(产生量之和)
呈上升趋势(图 3a) . VOC 产生量在第 6天
达到最高, CO2在第 11天达最高(图 3b) .
在实验结束时 VOC产生量趋于稳定; CO2
产生量仍未达到平衡, 累积曲线依然呈上
升趋势. CO2的产生有两种可能途径: 1)由
于微生物降解释放出来; 2)植物在吸收菲
及其代谢产物后通过呼吸作用释放出来.
从图 3b可见, CO2 量一直小于 VOC产生
量,到第 7天时才高于 VOC, 而且 VOC产
量高峰出现在 CO2 产量高峰之前. 这一现
象在一定程度上说明, 随着营养液中14C
菲的降解和植物的吸收, 14C 菲首先在营
养液中经微生物降解为菲的初级代谢物
(其中含有 VOC) . 这时植物对 VOC 的贡
献可能还不大.
320 应 用 生 态 学 报 9 卷
VOC产生量达最高后,一方面菲的初
级代谢产物在营养液中进一步被降解, 另
一方面植物将菲及其代谢物吸收进行代谢
并释放出 CO2, 因而 CO2 产生量迅速增
长,在第 11天左右产量达最大.之后,由于
营养液中可利用的菲及其代谢物降低,
VOC和 CO2 产生量均逐渐下降.
图 3a中营养液的放射性含量在 2h 内
迅速下降到总放射性量的 20%左右, 实验
结束时约为 3% .因为在加入药品后的 2h
内植物不可能大量吸收14 C 菲, VOC 和
CO2 产生量也较低, 所以认为加入营养液
中的大部分放射性菲被吸附到植物根上,
少部分吸附在培养瓶壁和火山石上. 随着
挥发、植物吸收和微生物降解的进行,营养
液中14C 菲趋于降低, 引起吸附物上所吸
附的14C 不断释放到营养液中, 因而营养
液中14C在大部分时间里都比较稳定.
3. 3 系统组分中不同形态14C 放射性的
分布
如前所述, 一方面,未灭菌的营养液中
含有相当数量的微生物, 这些微生物可能
利用菲作为底物,将其降解成一系列代谢
产物;另一方面,植物可以从营养液中吸收
菲及其代谢物,而植物自身又可将吸收的
菲转化成其他物质.
将营养液、火山石、植物根和茎叶中放
射性各种形态表示成施入放射性总量的百
分数(图 4)可以看出, 14C 在营养液和火山
石中的分配顺序均为极性代谢物> 非极性
代谢物> 菲.
茎叶中菲的极性代谢物和结合态14C
量均显著高于根, 而各形态14C 在茎叶和
根中的量从高到低均为结合态> 极性代谢
物> 非极性代谢物> 菲. 植物吸收外源化
合物后,一般趋势是通过氧化还原反应将
其代谢为极性形式, 使其同自身生成的高
极性物质共轭成新的大分子[ 1] ,所以植物
图 4 各组分中的14C放射性量
Fig. 4 14C act ivity in diff erent components of the system.
A.不可提取部分 Not ext ractable( N- EXT ) ; B.菲的极
性代谢产物 Polar metabolit es of phenanth rene ( P -
MET) ; C.菲的非极性代谢产物 Nom polar metabolites of
phenanthrene( NP- M ET) ; D.菲 Phenanthrene( PH EN) .∃ .营养液 Nutrient solut ion( NS ) ; % . 火山石 Lava; & .
小麦根 Wheat root ; ∋.小麦茎叶 Wheat shoot .
中吸收的大部分14C以结合态存在.
从图4可见, 14C菲在以上 4个组分中
的含量之和仅为所施加放射性总量的
0. 32% ,说明绝大部分施加的放射性菲均
被代谢. Edwards[ 4]用14C研究菜豆对蒽从
营养液中的吸收、迁移和代谢时发现, 在
30d的暴露时间里, 90%以上的蒽被代谢,
且大部分代谢发生在植物组织中.这与本
实验结果类似, 说明菲和蒽作为同分异构
体在植物体内的代谢行为比较接近.
3. 4 系统组分中不同形态14C 放射性的
浓度
3. 4. 1 总放射性浓度 从表 1 可见, 在各
组分中,火山石上的总放射性浓度最低,这
表 1 系统各组分中14C放射性浓度( dpm∀g- 1)
Table 1 14C concentration in the components of the system
14C形态
14C form
营养液
NS
火山石
Lava
茎叶
Shoot
根
Root
14C总放射性 205 103 122380 81159
Total 14Cactivity
极性代谢物 115 9. 29 36665 5113
PMET
菲 Phen. 12. 61 0. 97 9. 79 422
非极性代谢物 77. 45 2. 3 1970 455
NPMET
14C结合态 - 90. 44 83735 75169
14Cbound
3213 期 李 滢等: 14C菲在营养液火山石小麦有控系统中的迁移和转化
与火山石较低的有机质含量有关. 茎叶中
总放射性最高, 且明显高于植物根,这可能
源于植物通过叶片从空气中吸收了更多的
CO2 和 VOC, 但却很少向根部输送14C 的
结果.
3. 4. 2 菲及其代谢物的放射性浓度 茎叶
中菲的代谢产物浓度均显著高于根, 而菲
浓度则大大低于根, 菲在各组分中的浓度
顺序为根> 营养液> 茎叶> 火山石. 可能
是以下几种作用的共同结果: 1) 根从营养
液中吸收了较多的菲, 并发生了富集; 2)
根很少将菲传送到茎叶; 或者 3) 菲在小麦
茎叶中的代谢高于根或根将大量菲的代谢
物输送到茎叶; 4) 茎叶很少将菲的代谢物
向下输送到根.
4 结 论
4. 1 系统中约 70%的放射性被小麦幼苗
吸收. 14C在系统各组分间分配量顺序为:
茎叶> 根> CO2> VOC> 火山石> 营养
液.
4. 2 系统中投加的14C菲降解较快, 在
24d内绝大部分被转化成其他物质. 植物、
营养液和火山石中仅存留占施入量0. 32%
的14C菲.菲降解是靠微生物分解和植物
代谢完成的.
4. 3 植物体吸收的14C 放射性多以结合
态存在,而非结合态的菲代谢物以极性代
谢物为主.
4. 4 14C菲浓度在植物茎叶中小于植物
根,菲代谢物浓度在植物茎叶中大于植物
根.
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322 应 用 生 态 学 报 9 卷