北京市常用常绿树种冬季叶片多环芳烃含量及其富集特征
【类型】期刊
【作者】解莹然，张娟，李乐，刘燕（国家花卉工程技术研究中心花卉种植创新与分子育种北京市重点实验室城乡生态北京实验室北京林业大学园林学院）
【作者单位】国家花卉工程技术研究中心花卉种植创新与分子育种北京市重点实验室城乡生态北京实验室北京林业大学园林学院
【刊名】北京林业大学学报
【关键词】 常用常绿树种；多环芳烃；富集特征
【资助项】北京市教委北京实验室“功能性植物生态效益评价、筛选与繁育”项目(2015bluree04)
【ISSN号】1000-1522
【页码】P95-100
【年份】2019
【期号】第10期
【期刊卷】1;|7;|8;|4;|5;|2
【摘要】为了解北京市常用常绿植物对大气污染物多环芳烃的富集能力,以陶然亭公园和马甸公园为样地,运用液相色谱法测定了9种健康生长的常绿植物冬季叶片中多环芳烃的含量,并对比分析了其中4种植物在不同样地的富集能力差异。结果显示:同一样地叶片多环芳烃富集特征存在种间差异。陶然亭公园9种植物叶片中,白皮松叶片中多环芳烃的总含量最高,叶片多环芳烃总含量排序为白皮松>雪松>华山松>侧柏>油松>粗榧>沙地柏>圆柏>白扦,其中白皮松叶片内轻环多环芳烃含量最高,白扦的含量最低;粗榧叶片内中环多环芳烃含量最高,沙地柏的含量最低;油松叶片内重环多环芳烃含量最高,圆柏的含量最低。马甸公园与陶然亭公园相同的4种植物,其叶片中多环芳烃的总含量排序相同,即:白皮松>侧柏>油松>圆柏,但同一树种在不同样地表现出叶片内多环芳烃组成不同。结果表明,常绿植物对多环芳烃有一定吸收能力,不同树种的富集量和富集组成有显著差异,从吸收有害污染物角度考虑,在城市绿化建设中进行相关树种筛选很有必要性。
【全文】 文献传递
北京市常用常绿树种冬季叶片多环芳烃含量及其富集特征
摘要:为了解北京市常用常绿植物对大气污染物多环芳烃的富集能力,以陶然亭公园和马甸公园为样地,运用液相色谱法测定了9种健康生长的常绿植物冬季叶片中多环芳烃的含量,并对比分析了其中4种植物在不同样地的富集能力差异。结果显示:同一样地叶片多环芳烃富集特征存在种间差异。陶然亭公园9种植物叶片中,白皮松叶片中多环芳烃的总含量最高,叶片多环芳烃总含量排序为白皮松＞雪松＞华山松＞侧柏＞油松＞粗榧＞沙地柏＞圆柏＞白扦,其中白皮松叶片内轻环多环芳烃含量最高,白扦的含量最低;粗榧叶片内中环多环芳烃含量最高,沙地柏的含量最低;油松叶片内重环多环芳烃含量最高,圆柏的含量最低。马甸公园与陶然亭公园相同的4种植物,其叶片中多环芳烃的总含量排序相同,即:白皮松＞侧柏＞油松＞圆柏,但同一树种在不同样地表现出叶片内多环芳烃组成不同。结果表明,常绿植物对多环芳烃有一定吸收能力,不同树种的富集量和富集组成有显著差异,从吸收有害污染物角度考虑,在城市绿化建设中进行相关树种筛选很有必要性。
关键词:常用常绿树种;多环芳烃;富集特征
Key words frequently-used evergreen tree;polycyclic aromatic hydrocarbons;absorption feature
目前北京空气污染严重,已成为城市重要生态问题,其中空气污染物中的多环芳烃尤其值得我们关注。多环芳烃(Polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)是一大类分子中含有两个或两个以上苯环的挥发性碳氢化合物。其化学性质稳定,毒性大,其中有相当部分具有长期残留性、生物蓄积性、高毒性和很强的三致效应(致癌、致畸、致基因突变)。PAHs是重要的持久性有机污染物,对人类社会的生产、生活和健康具有极大危害[1]。
PAHs在大气中以气态、颗粒态两种形式存在,PM2.5是其重要载体。环境中的PAHs主要来自于人类活动,对于城市而言,大量的燃煤、机动车燃油以及尾气释放,是城市大气中PAHs的主要来源[2]。
研究发现,植物是大气的天然过滤器,能滞留、吸附和积累大气中多种污染物[3]。叶片吸收是植物富集大气PAHs的主要途径[4]。不同植物叶片富集PAHs的能力不同[5]。国内有少量的常绿植物相关研究,王晓丽等[6]研究了广州地区17种常绿阔叶植物叶片PAHs的含量,刘营等[7]研究了上海地区4种常绿阔叶植物叶片PAHs的含量。然而关于北方地区常绿树种叶片PAHs的研究报道较少,目前只涉及到了6种常绿树[8--11],如安海龙等[8]研究了北京地区夏季油松(Pinus tabuliformis)、圆柏(Sabina chinensis)叶片PAHs的含量,结果显示圆柏叶片PAHs含量高于油松;汤莉莉等[11]研究了北京地区秋季辽东冷杉(Abies holophylla)、红果冬青(Ilex purpurea)叶片PAHs的含量,结果显示辽东冷杉叶片PAHs含量高于红果冬青。这些研究以不同地区、不同时间,针对单一植物或两两对比PAHs吸附能力的研究为主,但由于其地理环境、气象条件、树种、株龄等存在较大差异,无法通过文献比较获得不同树种叶片吸附PAHs的能力。
北京地区冬季空气中PAHs的含量高于其他三季[12]。本研究的目的是比较分析常用常绿植物的叶片对PAHs的冬季富集特征,了解常绿植物叶片吸收PAHs的能力及差异性,筛选净化大气能力强的吸污树种,为城市绿化建设提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 样品采集
研究样地为陶然亭公园和马甸公园。马甸公园和陶然亭公园位置不同,空气质量有较大不同。陶然亭公园位于北京市南二环,全园总面积56.56 hm2,公园南面是二环路,其余三面均为居住区,园内几乎无机动车行驶。马甸公园位于北京市北三环马甸桥西北角,占地面积8.6 hm2,为带状公园,南北长700 m,东西宽80～160 m,东临八达岭高速,西临马甸东路,南接北三环中路,北望北土城西路,附近机动车流量较大。
2016年1月,在陶然亭公园采集白皮松(Pinus bungeana)、油松、华山松(Pinus armandii)、雪松(Cedrus deodara)、圆柏、侧柏 (Platycladus orientalis)、沙地柏(Sabina vulgaris)、白扦(Picea meyeri)、粗榧(Cephalotaxus sinensis)等9种植物的叶片,同期在马甸公园采集白皮松、油松、圆柏、侧柏等4种植物的叶片。每个树种均选择树龄在5年以上且树高、胸径、树龄、生长情况等基本一致的成年健康植物作为研究对象进行叶片采集。从每株植物树冠的东、西、南、北4个方向采集1～2年生的叶片。采集后立即用聚乙烯塑料袋封装,带回实验室后,用去离子水冲洗叶片3次,洗去叶片表面灰尘后将叶片装于信封,在40℃烘干至恒质量。将干燥后的植物叶片粉碎,过40目筛,放入自封袋中存于4℃至分析。试验重复3次。
1.2 PAHs的提取、净化及测定
准确称取1 g经干燥后粉碎的叶片样品于50 mL玻璃离心管中,用60 mL V(正己烷)∶V(二氯甲烷)=1∶1的混合溶液分3次萃取60 min,每次20 min;将萃取液收集转移至100 mL旋转蒸发瓶中;40℃恒温下将萃取液浓缩至近干,用5 mL正己烷转移至玻璃层析柱中(柱内径为20 mm)。层析柱由上至下分别装有10 mm厚的无水硫酸钠、15 g氧化铝、10 g硅胶。提取液经氧化铝--硅胶层析柱净化后,用70 mL V(二氯甲烷)∶V(正己烷)=3∶7的混合溶液洗脱;洗脱液转移至旋转蒸发瓶中,40℃恒温浓缩至近干;用5 mL乙腈转移至氮吹管中吹至1 mL,过0.22 μm孔径滤膜后密封于进样瓶中待测。
采用安捷伦LC1100液相色谱仪测定叶片中PAHs的含量。色谱柱为ZORBAX Eclipse PAH色谱柱(4.6 mm ×250 mm,5 μm);柱温为25℃;流动相为水/乙腈,梯度洗脱条件具体见表1。流动相流速为2 mL/min,进样量为10 μL。检测器为可变波长紫外检测器,检测波长为220 nm。
1.4 数据处理
在Microsoft Excel 2010中进行相关数据处理和图表制作,用SPSS 20.0进行方差分析、多重比较等。
表1 梯度洗脱条件
Tab.1 Gradient flow of mobile phase with composition and time
时间Time/min 水Water/% 乙腈Acetonitrile/%60 40 0.66 60 40 20 0 100 25 0 100 27 60 40 0 30 60 40
2 结果与分析
1.3 质量控制
采用样品空白、平行样品、加标回收率的方法进行质量控制。本试验检测的目标化合物为16种常见PAHs,分别为萘(Napthalene,Nap)、苊烯(Acenaphthylene,Acy)、苊(Acenaphthene,Ace)、芴(Fluorene, Flu)、菲 (Phenanthrene, Phe)、蒽(Anthracene,Ant)、荧蒽(Fluoranthene,Flt)、芘(Pyrene,Pyr)、苯并(a)蒽[Benzo(a)anthracene,BaA]、屈(Chrysene,Chr)、苯并(b) 荧蒽[Benzo(b)fluoranthene,BbF]、苯并(k)荧蒽[Benzo(k)fluoranthene,BkF]、苯并(a)芘[Benzo(a)pyrene,BaP]、二苯并(a,h)蒽[Dibenz(a,h)anthracene,DBA]、苯并(g,h,i)苝[Benzo(g,h,i)perylene,BghiP]、茚并(1,2,3-cd)芘[Indeno(1,2,3-cd)pyrene,InP]。这16种PAHs属于美国环保局提出的129种“优先控制污染物”(Priority Pollutant)。空白样中均未检出目标物。16种PAHs的回收率在73.8% ～104.1%,相对标准偏差＜20%,最终结果经回收率校正。
2.1 9种常绿植物叶片PAHs总含量
陶然亭公园中9种植物叶片PAHs总含量如图1所示。这9种植物叶片PAHs总含量在1 789.98～3 591.71 ng/g(干质量)之间不等,有明显的种间差异。其中白皮松叶片PAHs总含量最高,白扦的含量最低,9种植物叶片中PAHs总含量从高到低排序依次为:白皮松＞雪松＞华山松＞侧柏＞油松＞粗榧＞沙地柏＞圆柏＞白扦。依据吸收总量的差异显著性,9种植物可分为3类:白皮松、雪松、华山松、侧柏、油松为一类,此类植物叶片中PAHs总含量较高;粗榧、沙地柏为一类,此类植物叶片中PAHs总含量中等;圆柏、白扦为一类,此类植物叶片中PAHs总含量相对较低。
检测的16种PAHs中,有7种PAHs具有直接致癌性[13--15],分别为 BaA、Chr、BbF、BkF、BaP、DBA、InP。陶然亭公园样地9种植物叶片中这些直接致癌的PAHs含量见图1。依据叶片中相关物质含量的大小,可将9种植物分为3类:白皮松、华山松、侧柏、油松、沙地柏为第1类;雪松为第2类;粗榧、白扦、圆柏为第3类。9种植物叶片中直接致癌性PAHs含量变化趋势与其富集PAHs的总含量变化趋势不完全一致,比较明显的如沙地柏,叶片中PAHs总含量相对较低,但是其直接致癌PAHs含量相对较高;雪松叶片中PAHs总含量相对较高,但叶片中直接致癌PAHs含量相对较低。
图1 陶然亭公园叶片多环芳烃(PAHs)含量
Fig.1 Content of(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)PAHs in leaves in Taoranting Park
2.2 9种常绿植物叶片中PAHs组分分布特征
PAHs是一类混合物,根据PAHs中含有的苯环数,可将16种PAHs分为5组,即2环(Nap)、3环(Ace、Acy、Flu、Phe、Ant)、4 环(Flt、Pyr、BaA、Chr)、5环(BbF、BkF、BaP、DBA)、6 环(BghiP、InP)。 轻环PAHs(2～3环PAHs)在大气中为气态,中环PAHs(4环PAHs)同时以气态和颗粒态存在,重环PAHs(苯环数超过4环的PAHs)在大气中主要存在于颗粒物上。不同地区大气中PAHs的组成不同,不同树种叶片内PAHs的分布特征也不同。研究叶片中PAHs的分布特征,可以针对不同地区选择适宜的吸附PAHs的树种。
9种植物中,除沙地柏叶片中没有检测出Ant和Flt外,其余树种叶片中均检测出16种PAHs。通过计算获得陶然亭样地各植物叶片内PAHs的组成(图2)。除沙地柏外,其余8种植物叶片PAHs均以轻环PAHs含量最高,中环PAHs含量次之,重环PAHs含量最低;沙地柏叶片中,轻环PAHs含量最高,重环PAHs含量高于中环PAHs含量。
无论是轻环、中环,还是重环PAHs,其含量排序均与叶片 PAHs总含量排序不一致。对于轻环PAHs,白皮松、雪松等叶片内的含量最高,白扦叶片内的轻环PAHs含量最低。对于中环PAHs,粗榧、油松等叶片内的含量较高,沙地柏叶片内的含量较低。对于重环PAHs,油松等叶片内的含量较高,圆柏叶片内的含量较低。
图2 陶然亭公园叶片PAHs组成
Fig.2 PAHs component in leaves in Taoranting Park
2.3 同种植物不同样地叶片PAHs富集特征
以白皮松、油松、侧柏、圆柏为研究对象,对比这4种植物在不同样地的PAHs富集特征。
2个样地内白皮松、油松、圆柏、侧柏等4种植物叶片PAHs的含量以及组成见表2和表3。由表2可知,马甸公园样地各树种叶片中PAHs的总含量以及直接致癌PAHs含量均高于相同树种在陶然亭公园的含量。在空气质量不同的2个样地中,这4种植物叶片PAHs的总含量排序是一致的,均为白皮松＞侧柏＞油松＞圆柏,但直接致癌PAHs含量的排序不一致,陶然亭公园样地表现为白皮松＞侧柏＞油松＞圆柏,马甸公园样地为侧柏＞白皮松＞油松＞圆柏。
由表3可知:在叶片内PAHs组成方面,陶然亭样地的4种植物叶片内PAHs组成均表现为轻环PAHs含量＞中环PAHs含量＞重环PAHs含量;在空气质量较差的马甸公园样地,除油松、圆柏外,其余2个树种叶片PAHs组成均表现为:轻环PAHs含量＞中环PAHs含量＞重环PAHs含量,而油松、圆柏则表现为:中环PAHs含量＞轻环PAHs含量＞重环PAHs含量。在2个样地内,各树种叶片内重环PAHs含量同其他2种PAHs含量相比,均为最低。
对于轻环PAHs,陶然亭公园样地和马甸公园样地中,叶片内含量最高的均为白皮松;对于中环PAHs,2个样地内含量最高的均为油松;对于重环PAHs,陶然亭公园样地内,油松叶片的含量最高,马甸公园样地内,白皮松的含量最高。
3 讨论与结论
本文对9种植物叶片PAHs的含量进行了研究。通过含量分析法,确定9种常绿植物中富集PAHs能力较强的是白皮松、雪松、华山松、侧柏,富集能力较弱的是圆柏、白扦。不同树种表现出的富集PAHs的能力差异,可能与其叶片表面特征、叶片脂肪含量、叶片角质层含量等有关[16--18],如白皮松叶片表面上的突起和条状组织分布较密,气孔密度大,上表面沟槽的间隙距离也较大[19];雪松表面有黏性的油脂和汁液[20]。同时,叶片富集PAHs也受季节的影响。安海龙等[8]研究了2014年夏季北京地区油松、圆柏叶片中16种PAHs的总含量(油松:613.06～847.84 ng/g,圆柏:524.34～1 000.44 ng/g),其结果低于相同树种在本研究中叶片PAHs总含量,且安海龙等的研究显示,圆柏叶片PAHs含量大于油松的含量,而本次研究显示油松叶片PAHs总含量大于圆柏叶片内的含量。安海龙等[8]在北京地区夏季的研究结果同本研究在北京地区冬季的相同树种的研究结果存在差异,季节因素有可能是造成这种差异的因素之一。因此,在进行叶片PAHs富集能力研究时,可能需要考虑季节因素对于叶片富集PAHs的影响。
表2 马甸公园、陶然亭公园叶片PAHs含量对比
Tab.2 Comparison in content of PAHs in leaves in Madian Park and Taoranting Park ng·g-1
注:表中数据均为平均值±标准偏差。*表示两个公园该树种的该指标在0.05水平上差异显著,**表示在0.01水平上差异显著,没有标注的则表示差异性不显著。同行不同小写字母表示该公园各树种的该指标在0.05水平上差异显著,下同。Notes:Data in the figure are average±standard deviation.*indicates significant differences in this index of the same tree species in two parks at P＜0.05 level,**indicates significant differences at P ＜ 0.01 level,and the values don’t have labels mean there aren’t any significant differences between them.Different small letters in the same row indicate significant differences(P＜0.05)in this index among different species in the same plot,same as below.
PAHs 地点Plot树种Tree species白皮松Pinus bungeana侧柏Platycladus orientalis油松Pinus tabuliformis圆柏Sabina chinensis总量Total陶然亭公园Taoranting Park 3 590.71±332.48a 3 209.36±146.71ab 3 011.26±103.08b 2 394.55±71.24c马甸公园Madian Park 4 800.74±267.75**a 4 231.08±423.96*a 4 189.83±530.42a 2 777.47±173.91b直接致癌PAHs Direct carcinogenic陶然亭公园Taoranting Park 1 001.88±54.79a 956.04±128.76a 932.68±52.88a 555.32±23.00b PAHs 马甸公园Madian Park 1 603.10±56.76**a 1 604.79±190.54**a 1 247.14±104.54**b 883.75±45.10**c
表3 马甸公园、陶然亭公园叶片PAHs组成对比
Tab.3 Comparison in PAHs component in Madian Park and Taoranting Park ng·g-1
注:陶然亭公园4个树种叶片内中环PAHs含量在0.05水平上差异不显著。Notes:There are no significant differences in the contents of intermediate PAHs in leaves of 4 tree species in Taoranting Park.
PAHs 地点Plot树种Tree species白皮松Pinus bungeana侧柏Platycladus orientalis油松Pinus tabuliformis圆柏Sabina chinensis轻环马甸公园Madian Park 2 327.00±84.54a 1 912.98±256.70b 1 322.88±150.47c 803.01±76.80d Light ring 陶然亭公园Taoranting Park 2 024.16±199.56a 1 851.06±213.77a 1 169.71±49.42b 1 185.11±110.18**b中环Intermediate ring马甸公园Madian Park 1 395.85±189.59*b 1 287.33±159.12**b 1 947.82±322.81**a 1 157.65±93.98b陶然亭公园Taoranting Park 844.30±98.86a 736.76±100.32a 1 007.16±95.35a 878.96±96.65a重环马甸公园Madian Park 1 077.90±79.11**a 1 030.77±87.95**ab 919.12±66.99**bc 816.81±73.39**c Heavy ring 陶然亭公园Taoranting Park 722.26±40.64b 621.53±63.58c 834.39±63.89a 330.48±11.09d
9种植物叶片中,轻环PAHs的含量均高于重环PAHs含量,这个结果与Hwang等[21]的研究一致。轻环PAHs主要存在于气相中,可通过叶片角质层脂溶性通道以及气孔吸收的途径富集在叶片中。重环PAHs多存在于颗粒物中,主要通过叶片表面的角质层富集在叶片中。以气态形式存在的轻环PAHs易被叶片吸收,以颗粒态形式存在的重环PAHs不易被叶片吸收[22--23]。同时,有研究表明不同植物叶片富集的PAHs的组成存在种间差异[5,24]。本研究也发现了类似的现象,如白皮松、雪松叶片富集的轻环PAHs较多,而粗榧富集的中环PAHs最多。在进行筛选富集PAHs能力强的树种时,以叶片中PAHs总量来进行衡量可能不够全面,针对不同地区的PAHs污染情况,应以相应环数PAHs为依据,选择适宜的树种,这样会对树种配置、城市绿化具有重要意义。
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中图分类号:S718.43
文献标志码：A
文章编号：1000--1522(2017)10--0095--06
DOI:10.13332/j.1000--1522.20170023XIE Ying-ran;ZHANG Juan;LI Le;LIU Yan.Content and absorption features of polycyclic aromatic hydrocarbons in the leaves of frequently-used evergreen trees in Beijing.Journal of Beijing Forestry University(2017)39(10)95--100[Ch,24 ref.]National Engineering Research Center for Floriculture,Beijing Key Laboratory of Ornamental Plant Germplasm Innovation& Molecular Breeding,Beijing Laboratory of Urban and Rural Ecological Environment,College of Landscape Architecture,Beijing,100083,P.R.China.
To understand the absorption capacity of polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs,a kind of air pollutant)from evergreen trees in Beijing,the contents of PAHs in the leaves from 9 kinds of evergreen trees in normal growth at Taoranting Park and Madian Park of Beijing in winter were measured by liquid chromatography,and a comparative analysis of 4 kinds of plants’absorption capacity in different sampling area was made.The results showed that:the absorption characteristics for PAHs from tested trees in the same sampling area was species dependent.The highest total content of PAHs was Pinus bungeana.The order of total PAHs content in different leaves at Taoranting Park from high to low was:Pinus bungeana＞Cedrus deodara＞Pinus armandii＞Platycladus orientalis＞Pinus tabuliformis＞Cephalotaxus sinensis＞Sabina vulgaris＞Sabina chinensis＞Picea meyeri,among which,the highest content of light PAHs was Pinus bungeana,while the minimum was Picea meyeri;Cephalotaxus sinensis had the most intermediate PAHs,while Sabina vulgaris had the least;the content of heavy PAHs in Pinus tabuliformis was the maximum,and Sabina chinensis had the minimum content of heavy PAHs in leaves;The order of total PAHs content from four plants at Madian Park was the same as the content in leaves at Taoranting Park,which was Pinus bungeana＞Platycladus orientalis＞Pinus tabuliformis＞Sabina chinensis;However,the four trees had different absorption features.The results indicate that evergreen trees can absorb PAHs from air,different trees have significantly different absorption content of PAHs and characteristics.In terms of absorption of harmful pollutants,the relevant tree species selection is necessary.
收稿日期:2017--01--23
修回日期：2017--09--08
基金项目:北京市教委北京实验室“功能性植物生态效益评价、筛选与繁育”项目(2015BLUREE04)。