2种菜心根系分泌物低分子有机酸组成特征及对土壤邻苯二甲酸正二丁酯解吸的影响

黄世聪, 高嘉辉, 周铭基, 陈澄宇, 曾巧云. 2种菜心根系分泌物低分子有机酸组成特征及对土壤邻苯二甲酸正二丁酯解吸的影响[J]. 环境工程学报, 2023, 17(11): 3629-3636. doi: 10.12030/j.cjee.202307066
引用本文: 黄世聪, 高嘉辉, 周铭基, 陈澄宇, 曾巧云. 2种菜心根系分泌物低分子有机酸组成特征及对土壤邻苯二甲酸正二丁酯解吸的影响[J]. 环境工程学报, 2023, 17(11): 3629-3636. doi: 10.12030/j.cjee.202307066
HUANG Shicong, GAO Jiahui, ZHOU Mingji, CHEN Chengyu, ZENG Qiaoyun. Characteristics of low molecular organic acid composition in the root exudates of two cultivars of Brassica parachinensis L. and their impacts on DBP desorption in soil[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2023, 17(11): 3629-3636. doi: 10.12030/j.cjee.202307066
Citation: HUANG Shicong, GAO Jiahui, ZHOU Mingji, CHEN Chengyu, ZENG Qiaoyun. Characteristics of low molecular organic acid composition in the root exudates of two cultivars of Brassica parachinensis L. and their impacts on DBP desorption in soil[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2023, 17(11): 3629-3636. doi: 10.12030/j.cjee.202307066

2种菜心根系分泌物低分子有机酸组成特征及对土壤邻苯二甲酸正二丁酯解吸的影响

    作者简介: 黄世聪 (2001—) ,男,硕士研究生,huangsc@stu.scau.edu.cn
    通讯作者: 曾巧云(1974—),女,博士,副教授,qiaoyunzeng@scau.edu.cn
  • 基金项目:
    广东省自然科学基金资助项目 (2022A1515010703) ;广东省科技计划资助项目 (2021B1212040008-20210301)
  • 中图分类号: X53

Characteristics of low molecular organic acid composition in the root exudates of two cultivars of Brassica parachinensis L. and their impacts on DBP desorption in soil

    Corresponding author: ZENG Qiaoyun, qiaoyunzeng@scau.edu.cn
  • 摘要: 为探究邻苯二甲酸正二丁酯 (DBP) 高/低累积型菜心对DBP吸收累积差异的机理,采用溶液培养和室内批量实验方法,对比研究DBP污染下DBP高/低累积型菜心根系分泌物中低分子有机酸组成特征及其对土壤DBP解吸的影响。研究结果表明,2种菜心根系分泌物中均检测出甲酸、乙酸、草酸和苹果酸,其中草酸和苹果酸为2种菜心根系分泌物中主要的低分子有机酸,其在2种菜心根系分泌物中的质量浓度分别为1.56~9.28和1.06~15.38 mg·L−1。总体来看,特青根系分泌物中低分子有机酸的质量浓度低于油青。添加2种菜心根系分泌物土壤DBP的解吸率分别为45.8%~81.1% (油青) 和34.0%~52.5% (特青) ,显著高于添加蒸馏水处理 (17.0%) ,特青根系分泌物对土壤DBP的解吸率显著低于油青。相关性分析表明,2种菜心根系分泌物对土壤DBP的解吸程度与其草酸或苹果酸质量浓度相关性较弱 (r<0.146,P>0.05) ,这说明低分子有机酸不是2种菜心根系分泌促进土壤DBP解吸作用的主要因素。本研究结果可为DBP低累积作物品种的筛选提供参考。
  • 加载中
  • 图 1  2种菜心不同生长期根系分泌物中草酸和苹果酸的质量浓度

    Figure 1.  Oxalic acid and malic acid concentrations in the root exudates of two cultivars Brassica parachinensis L. at different growth stages

    图 2  2种菜心根系分泌物解吸液中DBP质量浓度

    Figure 2.  DBP concentrations in desorption supernatant by root exudates of the two cultivars of Brassica parachinensis L.

    图 3  低分子有机酸解吸液中DBP质量浓度

    Figure 3.  DBP concentration in desorption supernatant by low molecular organic acid

    表 1  不同生长期2种菜心根系分泌物的pH值

    Table 1.  The pH values of root exudates of two cultivars Brassica parachinensis L. at different growth stages

    菜心品种DBP质量浓度/
    (mg·L−1)
    pH值
    第12 d第32 d第48 d
    油青0 (对照) 5.54±0.05a5.66±0.09a5.99±0.01b*
    205.67±0.10a5.76±0.00a6.10±0.02a
    505.58±0.02a5.68±0.04a6.13±0.09a
    特青0 (对照) 5.60±0.09a5.72±0.06a6.09±0.04b
    205.63±0.05a5.74±0.04a6.17±0.04a
    505.74±0.11a5.80±0.13a6.20±0.02a
      注:表中数据为平均值 (n=3)±标准误。同一品种菜心同一生长阶段数据标有相同字母者表示差异不显著 (P>0.05) 。
    菜心品种DBP质量浓度/
    (mg·L−1)
    pH值
    第12 d第32 d第48 d
    油青0 (对照) 5.54±0.05a5.66±0.09a5.99±0.01b*
    205.67±0.10a5.76±0.00a6.10±0.02a
    505.58±0.02a5.68±0.04a6.13±0.09a
    特青0 (对照) 5.60±0.09a5.72±0.06a6.09±0.04b
    205.63±0.05a5.74±0.04a6.17±0.04a
    505.74±0.11a5.80±0.13a6.20±0.02a
      注:表中数据为平均值 (n=3)±标准误。同一品种菜心同一生长阶段数据标有相同字母者表示差异不显著 (P>0.05) 。
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    表 2  2种菜心根系分泌物对土壤中DBP的解吸率

    Table 2.  Desorption percentages of DBP in soil by the root exudates of two cultivars of Brassica parachinensis L.

    添加溶液 DBP质量浓度/
    (mg·kg−1)
    DBP解吸率/%
    第12 d 第32 d 第48 d
    蒸馏水 17.2±0.5d 17.8±1.0e 17.6±0.3d
    油青根系分泌物 0 54.1±1.4b 51.0±2.3cd 45.8±2.0b
    20 55.8±1.6b 60.9±1.3b 47.3±1.9ab
    50 65.4±1.4a 81.1±2.5a 52.6±2.6a
    特青根系分泌物 0 35.0±1.0c 45.8±2.2d 34.0±2.9c
    20 35.5±1.1c 47.3±0cd 35.4±0.5c
    50 37.0±1.1c 52.5±2.0c 36.0±1.5c
      注:表中数据为平均值(n=3)±标准误。同一列含有相同字母者表示差异不显著 (P>0.05) 。
    添加溶液 DBP质量浓度/
    (mg·kg−1)
    DBP解吸率/%
    第12 d 第32 d 第48 d
    蒸馏水 17.2±0.5d 17.8±1.0e 17.6±0.3d
    油青根系分泌物 0 54.1±1.4b 51.0±2.3cd 45.8±2.0b
    20 55.8±1.6b 60.9±1.3b 47.3±1.9ab
    50 65.4±1.4a 81.1±2.5a 52.6±2.6a
    特青根系分泌物 0 35.0±1.0c 45.8±2.2d 34.0±2.9c
    20 35.5±1.1c 47.3±0cd 35.4±0.5c
    50 37.0±1.1c 52.5±2.0c 36.0±1.5c
      注:表中数据为平均值(n=3)±标准误。同一列含有相同字母者表示差异不显著 (P>0.05) 。
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    表 3  低分子有机酸对土壤DBP的解吸率

    Table 3.  Desorption rate of DBP in soil by low molecular organic acids

    低分子有机酸种类质量浓度/(mg·L−1)解吸率/%
    草酸017.5±0.4e
    126.8±1.2d
    237.0±0.9c
    543.8±0.8b
    1048.5±0.9a
    苹果酸017.5±0.4d
    222.0±0.7c
    425.5±0.9b
    626.2±0.7b
    843.8±0.6a
      注:表中数据为平均值(n=3)±标准误。同一种低分子有机酸数据含有相同字母者表示差异不显著 (P>0.05) 。
    低分子有机酸种类质量浓度/(mg·L−1)解吸率/%
    草酸017.5±0.4e
    126.8±1.2d
    237.0±0.9c
    543.8±0.8b
    1048.5±0.9a
    苹果酸017.5±0.4d
    222.0±0.7c
    425.5±0.9b
    626.2±0.7b
    843.8±0.6a
      注:表中数据为平均值(n=3)±标准误。同一种低分子有机酸数据含有相同字母者表示差异不显著 (P>0.05) 。
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-07-20
  • 录用日期:  2023-11-02
  • 刊出日期:  2023-11-26

2种菜心根系分泌物低分子有机酸组成特征及对土壤邻苯二甲酸正二丁酯解吸的影响

    通讯作者: 曾巧云(1974—),女,博士,副教授,qiaoyunzeng@scau.edu.cn
    作者简介: 黄世聪 (2001—) ,男,硕士研究生,huangsc@stu.scau.edu.cn
  • 1. 华南农业大学资源环境学院,广州 510642
  • 2. 广东省农业农村污染治理与环境安全重点实验室,广州 510642
基金项目:
广东省自然科学基金资助项目 (2022A1515010703) ;广东省科技计划资助项目 (2021B1212040008-20210301)

摘要: 为探究邻苯二甲酸正二丁酯 (DBP) 高/低累积型菜心对DBP吸收累积差异的机理,采用溶液培养和室内批量实验方法,对比研究DBP污染下DBP高/低累积型菜心根系分泌物中低分子有机酸组成特征及其对土壤DBP解吸的影响。研究结果表明,2种菜心根系分泌物中均检测出甲酸、乙酸、草酸和苹果酸,其中草酸和苹果酸为2种菜心根系分泌物中主要的低分子有机酸,其在2种菜心根系分泌物中的质量浓度分别为1.56~9.28和1.06~15.38 mg·L−1。总体来看,特青根系分泌物中低分子有机酸的质量浓度低于油青。添加2种菜心根系分泌物土壤DBP的解吸率分别为45.8%~81.1% (油青) 和34.0%~52.5% (特青) ,显著高于添加蒸馏水处理 (17.0%) ,特青根系分泌物对土壤DBP的解吸率显著低于油青。相关性分析表明,2种菜心根系分泌物对土壤DBP的解吸程度与其草酸或苹果酸质量浓度相关性较弱 (r<0.146,P>0.05) ,这说明低分子有机酸不是2种菜心根系分泌促进土壤DBP解吸作用的主要因素。本研究结果可为DBP低累积作物品种的筛选提供参考。

English Abstract

  • 邻苯二甲酸正二丁酯 (din-butyl phthalate,DBP) 是邻苯二甲酸酯 (phthalic acid esters,PAEs) 的一种,在我国农田土壤中被普遍检出[1-2]。土壤中的DBP能被作物吸收累积,从而对农产品安全和人体健康构成潜在威胁[3-4]。虽然目前国内外广泛开展了对污染土壤修复的研究,提出了许多较为实用的修复方法,但从目前我国实际情况来看,通过选育吸收污染物少和/或在可食部位污染物积累少的作物品种,降低污染物进入食物链的风险,仍是我国中低度污染土壤安全利用的重要途径[5-7]

    研究表明,植物根系分泌物能促进土壤颗粒或土壤-植物界面中的有机污染物的吸附/解吸行为,从而改变其被植物吸收的程度[8-11]。其主要机理是根系分泌物中的低分子有机酸 (含有1~6个碳原子和1~3个羧基的短链碳化合物 (分子量<250) ) 结合土壤阳离子,促进通过阳离子键与矿物连接的有机污染物的解吸;或/和破坏有机污染物与土壤矿物结合的桥键,增加土壤可溶性有机质,促进有机污染物的解吸[12-16]。GAO等[17-18]的研究表明,黑麦草 (Lolium multiflorum) 根系分泌物中的低分子有机酸可以促进土壤吸附态多环芳烃 (polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs) 转变为可提取态PAHs,从而提高对其的吸收累积。向日葵 (Helianthus annuus) 地上部邻苯二甲酸邻苯二甲酸二 (2-乙基己基) 酯 ( (di-(2-ethylhexyl) phthalate,DEHP) ) 的含量随土壤柠檬酸添加浓度的增加而增加[11]。XIANG等[15]基于核磁共振光谱、紫外光谱和对金属离子、铁/铝有机金属络合物和溶解有机碳的分析,证实了生菜根系分泌物中的草酸可以通过增强土壤金属离子、铁铝氧化物和有机物的溶解,形成草酸盐-金属络合物,提高土壤全氟辛烷磺酸 (perfluorooctanoic acid,PFOA) 的解吸,从而导致不同品种生菜对PFOA的吸收累积程度不同。

    根系分泌物中低分子有机酸对土壤有机污染物解吸行为的促进作用不仅是有机污染土壤植物修复的理论依据[17-18],也可作为筛选有机污染物低累积作物品种的科学依据[15,19]。XIANG等[15]和DU等[19]分别对比研究了PFOA高/低吸收累积型生菜和PAEs高/低吸收累积型水稻根系分泌物中低分子有机酸组成特征及其对土壤PFOA和PAEs的解吸差异,以及这种差异与生菜和水稻中PAEs和PFOA含量的相关性,研究结果表明,根系分泌物中低分子有机酸种类和质量浓度的差异是导致不同品种生菜和水稻中PFOA和PAEs含量的重要因素。因此,本研究选取前期筛选出的DBP高/低累积型菜心品种,采用溶液培养方法,对比研究DBP污染下2种菜心根系分泌物中低分子有机酸的组成特性及其对土壤DBP解吸的影响,为DBP低累积作物品种的筛选提供科学依据。

    • 供试菜心品种为课题组前期筛选得到的DBP高/低累积型菜心[20],分别为油青60天菜心和特青60天菜心 (以下分别简称油青和特青) 。其中油青菜心种子购自广东省农业科学研究院;特青菜心种子由国家蔬菜种质资源中期库提供。供试土壤取自华南农业大学试验农场水稻田,其pH为 7.57,有机质含量为22.19 mg·kg−1,阳离子交换量 (CEC) 为17.34 cmol·kg−1,2~0.05 mm土粒占31%,0.05~0.002 mm 土粒占52.0%,<0.002 mm土粒占17.0%。

    • 采用Hoagland配方溶液培养方法培养2种菜心。设置培养液中DBP (分析纯) 质量浓度为20 mg·L−1和50 mg·L−1 (用小于总体积的0.2%甲醇促溶) ,同时设置未添加DBP的处理为对照处理,各处理3个重复。采用移栽方法将育苗板中长到3片真叶的菜心幼苗移至100%营养液中,每盆移植6株幼苗,每盆营养液的体积为1.0 L,随机排列。营养液每天通气以保证植株供氧量,并用0.01 mol·L−1 HCl或0.01 mol·L−1 NaOH调节各处理营养液的pH值,使其保持在6.2~6.5之间。每周更换1~2次营养液。

      根系分泌物的收集采用灭菌蒸馏水收集法。在菜心生长的第12 d (叶片生长期) 、32 d (菜薹形成期) 和48 d (开花期) 上午8:00开始,用灭菌蒸馏水清洗菜心根部3~5次,然后用滤纸吸干根表面水分,将洗净根系的菜心转移至装有1 000 mL灭菌蒸馏水的玻璃罐内培养。玻璃罐的外壁用2层黑色塑料薄膜包住,培养8 h。将玻璃罐内灭菌蒸馏水过0.45 µm的滤膜,滤液为根系分泌物溶液,即刻测定或保存于0~4 ℃的冰箱中不超过24 h。

    • 采用离子色谱法 (ion chromatography, IC) 对根系分泌物中的6种低分子有机酸 (包括甲酸、乙酸、丙酸、苹果酸、草酸和柠檬酸) 进行测定。离子色谱仪为ICS-900 (黛安) ,柱子为AS11,内径4 mm。采用梯度洗脱法,OH初始浓度为1 mmol·L−1,保留10 min;梯度洗脱15 min;最终浓度45 mmol·L−1,保留5 min。将1 mL通过0.45 µm滤膜的根系分泌物直接进样。

      甲酸、乙酸、丙酸和苹果酸 (色谱纯) 的最低检测质量浓度为0.05 mg·L−1,草酸 (色谱纯) 的最低检测质量浓度为0.1 mg·L−1,柠檬酸 (色谱纯) 的最低检测质量浓度为2.0 mg·L−1。采用标准曲线定量。

    • 通过向体系中添加蒸馏水或根系分泌物溶液来研究2种根系分泌物对土壤吸附态DBP的解吸效应。按文献[21]的方法配制20 mg·kg−1 DBP污染土壤,用万分之一天平称取0.5 g污染土壤于70 mL的玻璃离心管中,然后向每管加入含有CaCl2 (质量分数为0.01%) 和NaN3 (质量分数为0.05%,控制微生物的生长) 溶液的根系分泌物溶液25 mL,加入一定的甲醇溶液促溶 (甲醇溶液的体积不超过体系总体积的0.5%) 。然后将离心管放置于25 ℃的摇床振荡,避光,以200 r·min−1的速度振荡24 h (前期研究表明DBP在土壤-根系分泌物溶液两相中达到解吸平衡时间为24 h) 。以2 000 r·min−1离心10 min,采用0.22 µm的滤纸过滤,获得解吸液,测定其DBP的质量浓度。同时,选取根系分泌物中含量较高的2种低分子有机酸 (草酸和苹果酸) ,按照以上程序进行单一低分子有机酸对土壤DBP的解吸效应研究。

    • 采用液液萃取方法提取解吸液中DBP,具体提取方法参考广州市地方技术规范[22]。提取过程中,每批样品选取1~2个样品加入硝基苯-d5作为替代物,设置空白、空白加标和试样加标,用以控制整个提取过程中样品的污染和方法中替代物的回收率。

      DBP的检测采用气相色谱-质谱联用 (GC-MS) ,检测方法参考US EPA 8270C方法。GC参数为:进样口温度250 ℃,初始柱温40 ℃,总压力为49.7 Kpa, 总流量为24 mL·min−1,柱流量为1 mL·min−1,线速率为36.1 cm·s−1。 升温程序为:初始温度40 ℃ (保持2 min) ,以35 ℃·min−1的速度升至110 ℃,然后以15 ℃·min−1的速度升至275 ℃,最后25 ℃·min−1的速度升至280 ℃ (停留10 min) 。MS参数为:离子源温度220 ℃,接口温度250 ℃,溶剂截出时间为5.5 min;采用SIM方法采集特征离子。采用内标法 (菲-d10) 定量。空白中未检测出目标化合物,硝基苯-d5的回收率为82.69%~90.25%。

    • 整个生长周期2种菜心根系分泌物的pH值介于5.54~6.13 (油青) 和5.60~6.20 (特青) 。总体来看,随培养液中DBP污染质量浓度增加,2种菜心根系分泌物在第12 d (叶片生长期) 和第32 d (菜薹形成期) 的pH值先略升高后下降,差异不显著;而在第48 d (开花期) ,2种菜心污染处理根系分泌物的pH值则显著高于对照处理 (表1) 。

      随着培养时间的延长,2种菜心根系分泌物的pH值均呈现升高的趋势,对照处理pH值在第48 d比第12 d提高了0.4~0.5个单位。这可能与2种菜心根系分泌物中低分子有机酸含量随着培养时间的增加而降低有关 (见2.2) 。2种菜心品种相比,特青根系分泌物pH值整体高于油青,但数值较接近,不存在显著差异。

    • 2种菜心根系分泌物中均检出甲酸、乙酸、草酸和苹果酸。其中乙酸只在油青的第12 d与特青的第12 d和32 d根系分泌物中被检出,质量浓度低于0.5 mg·L−1 (数据未列出) ,其他3种低分子有机酸在所有取样阶段均被检出。与草酸和苹果酸相比,2种菜心根系分泌物中甲酸的质量浓度相对较低,绝大部分处理低于1.0 mg·L−1 (数据未列出) 。因此,草酸和苹果酸为2种菜心根系分泌中的2种主要低分子有机酸。

      根系分泌物中草酸的质量浓度为2.07~9.28 mg·L−1 (油青) 和1.56~3.97 mg·L−1 (特青) (图1) 。DBP污染下,油青根系分泌物中草酸质量浓度在第12 d和32 d显著下降,其中第12 d的50 mg·L−1处理是对照处理72.4%;而在第48 d根系分泌物中草酸质量浓度则随DBP污染水平的增加而显著增加,其中50 mg·L−1处理比对照处理增加了152.7%。特青根系分泌物中草酸质量浓度对DBP污染胁迫的响应较弱,第12 d和48 d的污染处理与对照处理之间无显著差异,只在第32 d随DBP污染水平的增加而显著增加,50 mg·L−1处理比对照处理增加了19.4%。

      随着生长时间的延长,油青对照处理根系分泌物中草酸质量浓度显著下降,第32 d和48 d分别是第12 d的37.4%和22.3%;而污染处理根系分泌物中草酸质量浓度先显著下降,后显著增加,其中50 mg·L−1处理第32 d和48 d分别是第12 d的36.5%和2.14倍。特青根系分泌物中草酸质量浓度随培养时间的延长而下降,其中对照处理第32 d和48 d分别是第12 d的56.6%和45.9%;50 mg·L−1处理第32 d和48 d分别是第12 d的68.9%和49.0%。

    • 蒸馏水处理解吸液中DBP的质量浓度约为70 μg·L−1,2种菜心根系分泌物解吸液中DBP的质量浓度分别介于140~262 μg·L−1 (第12 d) 、183~325 μg·L−1 (第32 d) 、136~211 μg·L−1 (第48 d) (图2) ,是蒸馏水处理的2.03~4.58倍,差异显著,说明2种菜心根系分泌物均能显著促进土壤DBP的解吸。其中特青根系分泌物解吸液中DBP的质量浓度是油青的56.6%~89.7%,差异显著,说明特青根系分泌物对土壤DBP的解吸作用显著低于油青。

      添加油青根系分泌物解吸液中DBP的质量浓度与菜心培养液中DBP污染水平和生长阶段密切相关。随着菜心培养液中DBP污染水平的增加,解吸液中DBP质量浓度呈现增加趋势,其中第32 d达到显著水平,20 mg·L−1处理和50 mg·L−1处理解吸液中DBP的质量浓度分别比对照处理增加了19.6%和59.3%。随菜心培养时间的延长,油青根系分泌物解吸液中DBP的质量浓度先增加而后下降, 20 mg·L−1处理和50 mg·L−1处理第32 d解吸液中DBP的质量浓度分别比第12 d增加了9.42%和24.0%,第48 d解吸液中DBP的质量浓度分别是第12 d的84.8%和80.5%。

      添加特青根系分泌物解吸液中DBP的质量浓度随菜心培养液中DBP污染水平的增加而增加,但影响程度较弱,除第32 d 的50 mg·L−1处理根系分泌物解吸液中DBP质量浓度显著高于对照处理以外,第12 d和48 d各处理间无显著差。随菜心生长时间的延长,特青根系分泌物解吸液中DBP质量浓度先增加而后下降,第32 d根系分泌物解吸液中DBP质量浓度比第12 d增加了30.7%~41.9%,差异显著;而第48 d根系分泌物解吸液中DBP质量浓度与第12 d接近,无显著差异。

      特青根系分泌物对土壤DBP的解吸率 (解吸液中DBP的含量占DBP添加量的百分比) 为35.0%~37.0% (第12 d) 、45.8%~52.5% (第32 d) 和34.0%~36.6% (第48 d) ,油青根系分泌物对土壤中DBP的解吸率,分别为54.1%~65.4% (第12 d) 、51.0%~81.1% (第32 d) 和45.8%~52.6% (第48 d) (表2) ,特青显著低于油青。

    • 实验质量浓度范围内,添加草酸解吸液中DBP质量浓度随草酸质量浓度的增加而显著增加,最大质量浓度为194 μg·L−1;添加苹果酸解吸液中DBP质量浓度随苹果酸质量浓度的增加而增加,其中4 mg·L−1处理和6 mg·L−1处理解吸液中DBP质量浓度差异不显著,其他处理间差异均达显著水平,最大质量浓度为175 μg·L−1 (图3) 。草酸和苹果酸对土壤DBP的解吸率为分别为17.5%~48.5%和17.5%~43.8%。同一质量浓度下 (2 mg·L−1) ,草酸对土壤DBP的解吸促进作用显著高于苹果酸,前者解吸液中DBP质量浓度是后者的1.68倍,差异显著 (表3) 。

    • 虽然LIN等[23]的研究表明,含有根系分泌物的白菜根际土壤对DBP的吸附量高于非根际土,认为根系分泌物能促进土壤对DBP的吸附,但更多的研究表明,根系分泌物能促进土壤有机污染物的解吸。如,添加玉米、小麦和黑麦草根系分泌物土壤滴滴涕 (dichloro-diphenyl-trichloroethane,p,p’-DDT) 的解吸率比添加蒸馏水处理分别提高了8.4%~35.8%,9.7%~36.8%和3.1%~23.7%[14];添加水稻根系分泌物土壤中DBP和DEHP的解吸量比添加蒸馏水处理分别增加了117%~432%和107%~389%[19]。黄菖蒲属植物 (Holcus lanatus) 、芦苇 (Scirpus triqueter) 和生菜根系分泌物可以促进土壤六氯环己烷 (hexachlorocyclohexane,HCH) 、芘 (pyrene,PYR) 和PFOA的解吸[9,12,15]。本研究添加2种菜心根系分泌物土壤DBP的解吸率分别为34.0%~52.5% (特青) 和45.8%~81.1% (油青) ,显著高于添加蒸馏水处理 (约为17.0%) ,说明添加2种菜心根系分泌物能显著提高土壤DBP的解吸,与已有研究结论一致。

      根系分泌物中的低分子有机酸是其促进土壤有机污染物解吸的主要活性成分,但根系分泌物中低分子有机酸组成特征与植物种类和污染胁迫条件等密切相关。生菜根系分泌物中检测出草酸、丙二酸、柠檬酸和乙酸,其中草酸是最主要的低分子有机酸,其次是乙酸[15];而一年生早熟禾 (Poa annua) 、南苜蓿 (Medicago polymorpha) 和大叶锦葵 (Malva sylvestris) 3种植物根系分泌物中均检测出草酸、苹果酸和富马酸,其中草酸和苹果酸是主要的低分子有机酸[24]。根系分泌物中低分子有机酸组成差异不仅存在于植物种间,还存在于植物种内。如,PAEs低累积型水稻根系分泌物中低分有机酸以酒石酸、苹果酸、乙酸和丙二酸为主,而PAEs高累积型水稻根系分泌物中低分有机酸以草酸、苹果酸、酒石酸和丙二酸为主,且前者根系分泌物中低分子有机酸质量浓度显著高于后者[19]。污染胁迫下植物根系分泌物中低分子有机酸组成特征会产生相应的变化,且不同植物变化特征不同[25-27]。一年生早熟禾 (Poa annua) 根系分泌物中草酸质量浓度随污染质量浓度的增加而下降,而大叶锦葵 (Malva sylvestris) 根系分泌物中草酸质量浓度随污染质量浓度的增加而增加[24]。裸子甘蓝根分泌物低分子有机酸 (以酒石酸为主) 质量浓度随PAHs污染质量浓度的增加而先增加 (第15 d达到最高水平) 后下降[28]。本研究2种菜心根系分泌物中均检测出甲酸、乙酸、草酸和苹果酸,其中以草酸和苹果酸为主。总体来看,特青根系分泌物中低分子有机酸质量浓度低于油青。DBP污染胁迫下,特青根系分泌物中草酸和苹果酸质量浓度的变化程度较弱,部分处理间差异显著;而油青根系分泌物中草酸和苹果酸的质量浓度的变化较为复杂,与菜心生长阶段和低分子有机酸种类有关。

      低分子有机酸对土壤有机污染物解吸的促进程度与低分子有机酸的质量浓度和种类密切相关。GAO等[18]的研究表明,柠檬酸、苹果酸和草酸均能提高土壤单个PAH和∑PAH (文献中8种PAH之和) 的解吸 (单个PAH提高54%~745%;∑PAH提高58%~605%) ,且实验质量浓度范围内,单个PAH和∑PAH的解吸率随添加低分子有机酸质量浓度的增加而升高。柠檬酸、草酸和苹果酸对红树林沉积物中菲 (phenanthrene,PHE) 和PYR的解吸和迁移影响大小顺序为:柠檬酸>草酸>苹果酸[29]。本研究实验浓度范围内,同一质量浓度下 (2 mg·L−1) 草酸对土壤DBP的解吸促进作用显著高于苹果酸。这主要是因为,一方面,草酸和苹果酸均为二元酸,但草酸 (分子量为90) 的分子量小于苹果酸 (分子量为134) ;另一方面,草酸的解离常数 (Ka1=5.9×10−2) 大于苹果酸 (Ka1=1.4×10−3) ,因此,同等质量浓度下,草酸具有更多羧基可以促进土壤结合态DBP的释放,与GAO等[18]和YUAN等[16]的研究结论一致。草酸和苹果酸对土壤中DBP解吸的促进程度均随其质量浓度的升高而增加,分别高达177.1%和150.0%,与已有研究结论一致。相关性分析表明,单一的草酸或苹果酸对土壤DBP解吸的促进作用与其质量浓度呈显著正相关 (r>0.883,P<0.05) ,但2种菜心根系分泌物对土壤DBP解吸的促进程度与其根系分泌物中草酸或苹果酸质量浓度相关性较弱 (r<0.146,P>0.05) ,说明低分子有机酸不是2种菜心根系分泌促进土壤DBP解吸作用的主要因素,这与已有的研究结论不同。除了低分子有机酸,根系分泌物溶解性有机碳等指标也是促进土壤有机污染物吸附/解吸的主要活性成分[19],后续可以开展相关研究。

    • 1) 2种菜心根系分泌物中检测出甲酸、乙酸、草酸和苹果酸,其中草酸和苹果酸是2种菜心根系分泌物中主要的低分子有机酸。油青根系分泌物中草酸和苹果酸质量浓度分别为2.07~9.28 mg·L−1和1.15~14.33 mg·L−1,特青根系分泌物中草酸和苹果酸质量浓度分别为1.56~3.97 mg·L−1和1.06~15.38 mg·L−1。特青根系分泌物中草酸质量浓度显著低于油青 (第32 d的50 mg·L−1处理之外) ,前者是后者的39.2%~53.1%;特青根系分泌物中苹果酸质量浓度与油青接近,少部分处理差异显著。

      2) 2种菜心根系分泌物均能显著提高土壤中DBP的解吸。与添加蒸馏水处理相比,添加根系分泌物解吸液中DBP的质量浓度提高了161.4%~357.7% (油青) 和94.3%~195.8% (特青) ,2种菜心根系分泌物对土壤DBP的解吸率分别为45.8%~81.1%和34.0%~52.5%,特青根系分泌物显著低于油青。

      3) 相关性分析表明,草酸或苹果酸对土壤DBP解吸的促进作用与其质量浓度呈显著正相关 (r>0.883,P<0.05) ,但2种菜心根系分泌物对土壤DBP解吸的促进程度与其草酸或苹果酸质量浓度相关性较弱 (r<0.146,P>0.05) ,说明低分子有机酸不是2种菜心根系分泌物促进土壤DBP解吸作用的主要因素。

    参考文献 (29)

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