張翠萍， 魯廣秋， 劉淑娟， 李淑英， 周元清

(玉溪師范學院 污染控制與生態(tài)修復研究中心， 云南 玉溪 653100)

0 引言

【研究意義】根系分泌物是植物根系在生長過程中釋放到根際環(huán)境的各種有機化合物總稱。根系分泌物既是植物與外界環(huán)境進行物質交流的重要媒介，也是根際微生物可直接利用的重要碳源[1]，與根際微生物對污染物的生物降解密切相關[2]?！厩叭搜芯窟M展】近年來，隨著根際生態(tài)學的建立和發(fā)展，對于根系分泌物的收集、檢測方法及分泌機制等方面的研究不斷深入。常用方法是將植物在實驗室組培、水培或砂培[3-4]，收集分泌物后采用高效液相色譜法(HPLC)、離子色譜法(IC)及色譜-質譜聯(lián)用法(GC-MS，LC-MS)等[5]分離鑒定其種類和數(shù)量。根系分泌物的組成及含量變化是植物響應環(huán)境脅迫最直接和最明顯的反應[6-7]，研究聚焦于植物單因素環(huán)境脅迫[8]、營養(yǎng)脅迫[9-10]、污染物脅迫[11-12]條件下植物根系分泌效應及機理。持久性有機污染物(Persistent Organic Pollutants，POPs)是一類具有環(huán)境持久性、長距離遷移能力、生物累積性和高生物毒性的特殊污染物。我國不同環(huán)境介質及生物體中POPs污染不容樂觀，如何高效去除環(huán)境介質中的POPs污染已成為研究者普遍關注的熱點問題。濕地作為POPs在生物圈遷移轉化過程中一個重要的“匯”，近年來，濕地生態(tài)系統(tǒng)的POPs污染問題備受關注。濕地植物的根際效應是解決POPs污染的主要切入點[13-14]，植物作為濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[15]，通過根系泌氧和根系分泌物，影響根際微生物的群落結構組成及多樣性[16-17]，強化濕地根際效應對污染物的生物降解與凈化能力[18-19]。植物根系分泌一定量的轉化酶、磷酸酶、蛋白酶和過氧化氫酶等外酶類物質可直接降解有關的有機污染物。香蒲是全球廣布的多年生宿根性濕地草本植物之一，在水體氮磷吸收、重金屬累積、有機污染物去除等生態(tài)環(huán)保上的價值日益凸顯。據(jù)報道，香蒲生物降解持久性有機污染物六氯苯(Hexachlorobenzene，HCB)的能力較蘆葦強[20]。【研究切入點】根系分泌物介導的根際效應在水體生態(tài)修復中有極大的應用潛力[21]，基于根系分泌物對POPs生物降解的影響開展了大量研究[7，22-23]，但關于POPs脅迫對濕地植物根系分泌物組分變化特征影響的報道較少?！緮M解決的關鍵問題】深入探討香蒲根系分泌物對POPs降解的作用，以狹葉香蒲(Typhaangustifolia)植株為材料，以《斯德哥爾摩公約》中首批受控的HCB作為研究對象，水培法收集HCB脅迫下香蒲的根系分泌物，GC-MS技術檢測分泌物的組分種類和數(shù)量，分析HCB降解率與香蒲根系分泌物間的相關性，旨在為人工濕地去除水體氯苯類有機污染物的應用及發(fā)展水生植物凈化污水提供基礎數(shù)據(jù)和理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 植物材料 狹葉香蒲，云南省玉溪師范學院百草園種植，植株高20～40 cm，主根長5～8 cm。

1.1.2 試劑 有機污染物六氯苯(HCB)標準品(99.1%)，AccuStandard Inc.；正己烷(分析純)，廣州西隴化工；5% Hogland營養(yǎng)液，自制；純水，采用Milli-Q制備；XAD-4大孔樹脂層析柱，Sigma-Aldrich(上海)貿易有限公司；二氯甲烷(分析純)，天津風船化學試劑科技有限公司；無水硫酸鈉(分析純)，廣州西隴化工；氫氧化鈉(分析純)，廣州西隴化工；濃鹽酸(分析純)，中國醫(yī)藥集團。

1.1.3 主要設備 Multi-3430 SET便攜式多參數(shù)分析儀，德國WTW公司；UPR-II超純水機，西安優(yōu)普儀器設備有限公司；CP214分析天平，美國奧豪斯公司；R-200旋轉蒸發(fā)儀，瑞士布奇公司；KDB-12氮氣吹掃儀，青島科迪博公司；SQ8T/ Clarus 680氣相色譜質譜儀，美國PerkinElmer公司。

1.2 方法

1.2.1 材料預處理

1) 處理液制備。采用HCB標準品溶于正己烷中配制1.0 mg/L HCB的污染儲備液。5% Hogland營養(yǎng)液采用WANG等[23]的方法配制。配制質量濃度分別為0.1 mg/L、0.2 mg/L、0.5 mg/L、1.0 mg/L、2.0 mg/L、5.0 mg/L、10.0 mg/L的HCB標準溶液。

2) 植物材料培養(yǎng)。將香蒲均一苗用自來水洗凈根部，再經純水沖洗3次后放入裝有一定量純水的錐形瓶中預培養(yǎng)3 d備用。

1.2.2 試驗設計 試驗設營養(yǎng)液空白對照(CK)、香蒲植株空白對照(CK1)和試驗組(HCB)3個處理：添加1.0 mg/L HCB無香蒲的營養(yǎng)液作為營養(yǎng)液空白對照，用于測HCB的含量變化；未添加HCB有香蒲植株作為根系分泌物變化的香蒲植株空白對照；添加1.0 mg/LHCB有香蒲作為試驗組。3個處理的每個培養(yǎng)時段設3次重復，3株香蒲苗為1組，種植于200 mL 5% Hogland營養(yǎng)液中，分別于水培1 d、5 d、10 d、15 d、20 d、25 d和30 d取出植株。先用純水沖洗根系3次，沖洗液并入營養(yǎng)液中便于HCB剩余量的測定。再將植株放入裝有200 mL超純水的錐形瓶內，錐形瓶外用黑色紙包裹避光處理，在光照良好的條件下開始水培收集香蒲根系分泌物6 h(即13:30～19:30)。培養(yǎng)過程中注意補充營養(yǎng)液至初始量。

1.2.3 香蒲根系分泌物的測定 采用便攜式Multi-3430 SET現(xiàn)場測定根系分泌物收集液的pH、溶解氧DO(mg/L)、電導率EC(μs/cm)和氧化還原電位Eh(mV)4個指標。將收集液通過活化好的XAD-4大孔樹脂層析柱，每個樣品過層析柱3次富集分泌物后，用洗耳球吹凈水溶液，每次用30 mL二氯甲烷分3次洗脫層析柱。為了減少水分，層析柱下面用裝有無水硫酸鈉的小燒杯盛洗脫液。最后洗脫液裝入分液漏斗，用二氯甲烷30 mL分2次萃取。萃取后取有機相，用烘干的無水硫酸鈉干燥處理后進行旋轉蒸發(fā)濃縮至近干。用約6 mL二氯甲烷分3次洗滌旋轉蒸發(fā)瓶，洗滌液倒入10 mL的離心管中，將其進行氮吹。氮吹至溶液少于1 mL時加入內標物正十七烷，然后用二氯甲烷定容到2 mL，振蕩混勻后裝入進樣瓶待氣相色譜-質譜聯(lián)用儀測定。各試驗組香蒲根系分泌物的圖譜數(shù)據(jù)結合NIST 2011 Mass Spectral Library質譜譜庫進行匹配度分析，再采用面積歸一化法半定量計算香蒲根系分泌物的相對百分含量。

1.2.4 指標測定

1) 香蒲根系分泌物。參考KUMAR等[24-25]的方法，建立香蒲根系分泌物GC-MS測定條件。其中，GC分析條件：PE Elite-5MS毛細管柱(規(guī)格：30 m×0.25 mm×0.25 μm)；載氣：高純度氦氣(99.999%)；進樣口溫度：250℃；進樣量：2.0 μL；載氣流量1 mL/ min；分流進樣，分流比為40∶1；升溫程序：從50℃開始，先保持0 min，以50℃/min升至150℃，保持1 min；再以4℃/min升至250℃，維持1 min，最后以2℃/min升至270℃，維持3 min。MS分析條件：EI+源，離子源溫度 250℃；傳輸線溫度250℃；電子電壓70 eV；全掃描，TIC掃描，范圍為33～550 m/z。

2) HCB濃度。測定香蒲培養(yǎng)液中的HCB濃度，樣品倒入分液漏斗中，再加入200 mL分析純正己烷，分3次進行液-液萃取，萃取液旋轉蒸發(fā)濃縮后，加約15 mL色譜純正己烷轉移至離心管中進行氮吹濃縮，氮吹至溶液體積少于5 mL，再加入色譜純正己烷定容至5 mL，混勻后過0.45 μm濾膜裝瓶進行GC-MS測定，測定條件同上。測定HCB標準溶液，外標法定量，以HCB質量濃度為橫坐標，峰面積為縱坐標，繪制標準曲線。

1.3 統(tǒng)計分析

采用Excel 2013對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，采用SPSS 16.0進行Pearson相關性分析和顯著性檢驗，采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)進行多重比較，檢驗各指標的差異顯著性(P<0.05)。Origin 8.0作圖。

2 結果與分析

2.1 根系分泌物收集液的pH、溶解氧、電導率和氧化還原電位

根系分泌物的種類繁多，質子和無機離子(如H+、NH4+、Na+、K+、Cl-、SO42-和HPO42-等)對根際pH及氧化還原電位(Eh)有一定的調節(jié)作用。從表1看出，水培不同時間后，香蒲根系分泌物收集液的pH和溶解氧(DO)總體呈先降后升再降趨勢，而電導率(EC)和Eh則相反。

2.1.1 pH HCB脅迫處理根系分泌物收集液的pH為5.53～6.06，隨培養(yǎng)時間增加呈先降后升再降趨勢，處理1 d和15 d時的pH顯著高于其余時段，處理5 d時的pH顯著低于其余時段；對照(CK1)pH為5.47～6.20，呈先降后升趨勢，處理30 d和1 d時的pH分別顯著高于和低于其余時段。HCB脅迫處理各時段pH較CK1的變化為-0.38～0.15，其中以處理30 d時HCB脅迫處理的pH較CK的變幅最大，二者間相差0.38；處理1 d和15 d時其次，二者均相差0.15；處理10 d時最小，二者間相差0.01。

2.1.2 DO HCB脅迫處理與對照中，根系分泌物收集液的DO均隨培養(yǎng)時間增加呈先降后升再降趨勢，處理15 d時的DO顯著高于其余時段，處理5 d時的DO顯著低于其余時段；HCB脅迫DO為3.26～6.64，而對照DO為3.58～6.54，表明HCB脅迫對香蒲根系分泌物收集液的DO影響不大。

2.1.3 EC HCB脅迫下，根系分泌物收集液的EC隨培養(yǎng)時間增加而明顯升高，且試驗組(HCB)與對照組(CK1)相比較，變化范圍為5.2～33.9 μs/cm，表明HCB脅迫下，香蒲根系分泌物收集液的導電性增強。HCB處理與CK1均在30 d時達峰值。

2.1.4 Eh 培養(yǎng)1～5 d、20～25 d時間段，HCB脅迫誘導根系分泌物收集液的Eh升高，可能由于HCB脅迫促進香蒲根系參與氧化還原反應的氧化性物質分泌。HCB脅迫下，濕地植物具有特殊的根系泌氧功能，環(huán)境脅迫下，香蒲水培收集液中Eh和DO水平升高，且受到植物類型、生長發(fā)育期以及營養(yǎng)狀況的影響。

表1 HCB脅迫處理不同培養(yǎng)時間根系分泌物收集液的pH、溶解氧、電導率和氧化還原電位

2.2 HCB濃度的動態(tài)變化

擬合得到線性回歸方程y=8 226.04x+28.536 6(r=0.999 9)，方法最低檢測限為0.001 2 mg/L(圖1)。HCB在GC-MS處理26.33 min時出現(xiàn)最高峰，說明GC-MS可用于HCB檢測。從表2看出，隨水培時間增加，培養(yǎng)香蒲的水體HCB的降解率呈先升后降趨勢，水培20 d時達最大值68.2%，然后呈下降趨勢。各培養(yǎng)時段，對照營養(yǎng)液中HCB濃度為0.928～0.957 mg/L，而香蒲水培液中HCB濃度為0.318～0.651 mg/L。表明，培養(yǎng)香蒲促進水體HCB濃度較CK下降31.98%～66.53%。

表2 HCB脅迫處理不同培養(yǎng)時間后HCB的濃度

圖1 GC-MS測定HCB標樣的色譜圖譜(a)及標準曲線(b)

2.3 HCB脅迫處理香蒲根系分泌次生代謝物的組分變化特征

2.3.1 香蒲根系分泌次生代謝物的組分及其變化 從圖2看出，培養(yǎng)30 d后，各處理香蒲根系分泌物的GC-MS總離子流色譜的變化。HCB脅迫改變香蒲根系分泌次生代謝物的組分含量(圖3)，其中，1-十二烯、α-細辛腦和苯甲酸乙酯含量變化較大。從表3看出，收集到的10種香蒲根系分泌次生代謝物包括1-十二烯、正十二烷、1-十三烯、正十四烷和α-細辛腦5種烴類，苯甲酸乙酯和鄰苯二甲酸二甲酯2種酯類，及α-畢橙茄醇、1H-3A，6-氫呋喃-2-酮-3-羧酸和油酸酰胺。HCB脅迫下香蒲根系分泌次生代謝物組分隨培養(yǎng)時間而動態(tài)變化，培養(yǎng)1～5 d時，HCB脅迫香蒲根系分泌1-十二烯、α-細辛腦和苯甲酸乙酯含量明顯低于對照(CK1)。培養(yǎng)10 d后，1-十二烯未檢出，苯甲酸乙酯含量也相應減少。培養(yǎng)至15 d后，α-細辛腦含量達峰值，隨后急劇下降，且HCB脅迫下α-細辛腦含量下降速度較對照明顯加快。

圖2 30 d后香蒲根系分泌物的GC-MS總離子流色譜

圖3 HCB脅迫處理30 d后香蒲根系分泌物的GC-MS總離子流色譜

表3 HCB脅迫處理不同培養(yǎng)時間香蒲根系分泌次生代謝物組分含量的動態(tài)變化

2.3.2 次生代謝物的組分含量與HCB降解率的相關性 由表4可知，α-畢橙茄醇、正十四烷和α-細辛腦含量均降低，分別下降25.7%、68.2%和96.5%。正十二烷、1H-3A，6-氫呋喃-2-酮-3-羧酸和油酸酰胺含量則顯著增加，分別增加27.2%、87.4%和112.6%。說明，環(huán)境脅迫直接影響香蒲根系分泌次生代謝物組分進而影響HCB的生物降解。對HCB降解率與香蒲根系分泌物進行Pearson相關分析可知，相關系數(shù)r為-0.887～0.509，其中，HCB降解率與苯甲酸乙酯呈極顯著負相關(r=-0.887，P<0.01)，表明，HCB脅迫下香蒲根系分泌物苯甲酸乙酯可抑制HCB降解。

表4 水培30 d時香蒲根系分泌次生代謝物組分含量及其與HCB降解率的相關性

3 討論

根系分泌作用是適應脅迫環(huán)境的一種重要方式，是根際生命共同體中連接水體-植物-微生物及其環(huán)境條件的重要樞紐。環(huán)境脅迫下，研究根系分泌物的組成和分泌規(guī)律，有助于了解根際效應與脅迫環(huán)境的響應關系[26]。一方面，根系分泌的某些胞外酶能夠直接參與污染物的降解過程；另一方面，根系分泌物通過塑造根際微生物組以驅動植物逆境防御的反饋，調控微生物群落結構及多樣性，進而加速污染物降解[27]。此外，根系分泌的低分子有機酸、氨基酸等可改變根際代謝微域環(huán)境的pH，直接影響污染物的遷移轉化過程，影響污染物的去除[20，28]。TOYAMA等[7，21]已研究多環(huán)芳香烴與根系分泌物的共代謝作用，表明根系分泌物能夠選擇馴化形成特定的根際微生物群，促進多環(huán)芳香烴的降解。鄭師章等[29]報道鳳眼蓮根系分泌物對根際細菌的降酚酶活性有積極影響，促進了根際細菌的降酚效率。植物種類、生長階段、根系分泌物和微生物可利用的碳源等影響根際微生物種類及活性，目前，根際污染生態(tài)過程及調控方向，核心根際微生物與根系分泌物組分間的關系還有待深入研究。

HCB脅迫改變香蒲根系分泌物組分，抑制1-十二烯和1-十三烯2種烴類，苯甲酸乙酯和鄰苯二甲酸二甲酯2種酯類的分泌，水培30 d后未檢測到，根系調整烯烴類和酯類的分泌可能是適應HCB脅迫的一種響應機制。與張建聰?shù)萚30]水培沉水植物對面源污染物磷的響應機制相一致。HCB降解率與苯甲酸乙酯呈極顯著負相關(r=-0.887，P<0.01)，表明，HCB脅迫下香蒲根系分泌物苯甲酸乙酯抑制HCB降解率，可能是HCB生物降解過程中，香蒲根系分泌的苯甲酸乙酯被根際微生物消耗過快導致[31]。后期將進一步試驗證明。

4 結論

研究結果表明，HCB脅迫初期，香蒲根系分泌物收集液的導電性增強，氧化還原電位在37.3～88.2 mV變化。香蒲根系分泌次生代謝物經GC-MS分析得到10種主要化合物，包含1-十二烯、正十二烷、1-十三烯、正十四烷和α-細辛腦共5種烴類，苯甲酸乙酯和鄰苯二甲酸二甲酯共2種酯類，及α-畢橙茄醇、1H-3A，6-氫呋喃-2-酮-3-羧酸和油酸酰胺。

HCB脅迫水培30 d后，香蒲根系分泌次生代謝物組分發(fā)生改變，抑制1-十二烯、1-十三烯、苯甲酸乙酯和鄰苯二甲酸二甲酯的分泌，促進正十二烷、1H-3A，6-氫呋喃-2-酮-3-羧酸和油酸酰胺顯著增加，分別較未受脅迫的對照(CK1)增加27.2%、87.4%和112.6%。α-畢橙茄醇、正十四烷和α-細辛腦含量均明顯降低，分別下降25.7%、68.2%和96.5%。

HCB降解率與香蒲根系分泌物苯甲酸乙酯之間呈極顯著負相關(r=-0.887，P<0.01)，表明，HCB脅迫影響香蒲根系分泌酯類含量，分泌次生代謝組分發(fā)生改變，進而影響HCB的生物降解。