多环芳烃在不同环境介质中对翅碱蓬发芽率影响研究

李 香，刘 帅，魏海峰1,*，赵雨朦，赵肖依，张明亮，何 洁，夏 宁，霍玉洁，牛禹霁，于 婷，魏文玥

(1.大连海洋大学 农业农村部北方海水增养殖重点实验室，辽宁 大连 116023；2.大连海洋大学 海洋科技与环境学院，辽宁 大连 116023；3.辽宁省近岸海洋环境科学与技术重点实验室，辽宁 大连 116023)

近年来，随着我国沿海经济的迅速发展，大量石油烃类污染物通过降雨、降尘或地表径流等方式进入河流或海洋。石油烃类在海洋中受到物理、化学和生物作用分解产生多种多环芳烃(PAHs)，如菲、三甲基菲、蒽、二甲基蒽和苯并[a]芘等。多环芳烃不仅具有较强的致癌、致畸和致突变性，还具有免疫毒性，会扰乱生物体抗氧防御系统的正常功能[1], 对河口环境中的生物及人类健康造成严重威胁，进而导致河口及滨岸带生态系统发生衰变和退化[2-3]。翅碱蓬(Suaedasalsa)是中国北方沿海滩涂的优势种，属一年生耐盐性湿生草本植物。研究表明，翅碱蓬在污染环境中有较强的抗逆性[4-5]。许崇彦等[6]指出翅碱蓬能使盐碱土壤中的石油烃质量比下降，对石油烃污染的盐碱土壤具有一定修复作用。在不同环境介质下，石油烃对翅碱蓬生长的影响已有多篇报道，如高乃媛等[7]通过水培试验研究石油烃对翅碱蓬生理特性和抗氧化酶系统的影响；赵大传等[8]通过土培试验研究盐渍化条件下土壤石油污染对翅碱蓬生长的影响；何洁等[9]通过土培试验研究翅碱蓬栽培对石油污染土壤理化性质的影响。然而在水和土壤两种环境介质中石油烃污染对翅碱蓬生长影响的比较研究较少。陈忠林等[10]指出土壤环境和水环境不同会影响离子液体对植物的胁迫效果，且水和土壤环境介质不同，在不同环境介质中生长的同种植物也会出现离子液体吸收和生理生化等方面的差异。蒽和菲是最具代表性的三环多环芳烃，在石油中含量较高，关于其毒性的研究报道较多[11-12]。3-甲基菲和2-甲基蒽是菲和蒽的烷基化衍生物，国内外关于这种衍生物毒性的报道较少，这可能导致由多环芳烃衍生物造成的生态风险被低估。因此，本文采用水培和土培两种试验方法，通过研究不同浓度蒽和3-甲基菲两种多环芳烃对翅碱种子萌发的影响，以期为海洋石油烃类对翅碱蓬的生态风险评价提供基础数据和科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

翅碱蓬种子采自盘锦红海滩景区，风干后在实验室保存；土壤取自辽宁省盘锦市红海滩湿地风景区；水为实验室纯水，蒽和3-甲基菲均购自Sigema公司，纯度大于96%。

1.2 试验方法

水培试验：挑选大小一致、形态饱满的翅碱蓬种子，播种于直径为12.5 cm的玻璃培养皿中，每个培养皿均匀播种经过用0.25%的高锰酸钾溶液浸种30分钟并进行消毒后的翅碱蓬种子20颗，分别加入不同浓度(1、50、100、500和1000 μg/L)蒽和3-甲基菲溶液各15 mL，盖上封口膜防止水分流失，另外设置纯水对照组和助溶剂丙酮对照组，每处理3组平行。

土培试验：于直径为12.5 cm的玻璃培养皿中加入经过200目筛分后的土壤30 g，均匀平铺于培养皿底部，分别加入不同浓度(1、50、100、500和1000 μg/L)蒽和3-甲基菲溶液各12 mL，挑选大小一致、形态饱满的翅碱蓬种子，均匀播种于培养皿中，每个培养皿播种翅碱蓬种子20颗，于翅碱蓬种子表层覆盖厚度约为0.1～0.2 mm的土壤，盖上封口膜防止水分流失，同时设置纯水和丙酮对照组，每处理3组平行。

种子萌发过程中采用避光处理，水培及土培幼苗实验均在光照培养箱中进行，光源为LED白光，光照强度为(6200±200) lx，光暗比为12∶12，温度控制在(20±1)℃。

1.3 分析方法

1.3.1 发芽率测定

每天记录发芽数量。以黑色种子皮破裂为标准，计算发芽率。发芽率=(供试种子的发芽数/供试种子数)×100%。

1.3.2 半数抑制浓度(IC50)计算

建立种子发芽率与对应的多环芳烃污染物浓度的线性回归方程。当种子发芽率为50%时，对应的多环芳烃污染物浓度即为该种多环芳烃对翅碱蓬种子发芽率的IC50值。

1.4 数据处理

试验结果以平均值±标准差来表示。采用Microsoft Excel 2010进行数据初步整理及图表绘制，应用SPSS 22.0软件进行分析，采用单因素方差分析和Duncan新复极差法进行各处理翅碱蓬种子发芽率的多重比较。显著性水平设为0.05。

2 结果与分析

2.1 蒽对翅碱蓬发芽率的影响

2.1.1 水培条件下蒽对翅碱蓬发芽率的影响

水培条件下蒽对翅碱蓬发芽率的影响结果如图1所示。随着时间推移，各处理组的翅碱蓬发芽率逐渐升高。第2～7天，1～100 μg/L蒽处理组发芽率与纯水对照组和丙酮对照组相比无显著性差异(p>0.05)，说明1～100 μg/L的蒽对翅碱蓬发芽率没有影响。当蒽浓度为500～1000 μg/L时，随着浓度增大，翅碱蓬发芽率降低，蒽对翅碱蓬种子发芽的抑制作用增加，说明蒽对翅碱蓬的发芽影响的阈值为500 μg/L。当蒽浓度为1000 μg/L时翅碱蓬发芽率最低，且与水和丙酮对照组均出现显著性差异(p<0.05)。

图1 水培条件下不同蒽浓度翅碱蓬的发芽率

2.1.2 土培条件下蒽对翅碱蓬发芽率的影响

土培条件下蒽对翅碱蓬发芽率的影响结果如图2所示。随着时间推移，各处理组翅碱蓬发芽率逐渐升高。第1～3天，1 μg/L蒽处理组发芽率与纯水对照组和丙酮对照组相比无显著性差异(p>0.05)，说明1 μg/L蒽在短时间内对翅碱蓬发芽率没有影响。第6～7天，随着蒽浓度增大，翅碱蓬发芽率逐渐降低，受抑制作用逐渐增大，且在浓度为1～50 μg/L之间的抑制作用较小，50 μg/L之后抑制作用增大，说明蒽对翅碱蓬的发芽影响的阈值为50 μg/L。在蒽浓度为1000 μg/L时翅碱蓬发芽率最低，且与纯水和丙酮对照组均出现显著性差异(p<0.05)。

图2 土培条件下不同蒽浓度翅碱蓬的发芽率

2.1.3 水培与土培第7天蒽对翅碱蓬发芽率的影响比较

以第7天发芽率为例，如图3所示。水培条件下，1 μg/L蒽处理组，翅碱蓬发芽率为63.33%，与纯水和丙酮对照组相比降低1.67%。蒽大于1 μg/L处理组的翅碱蓬发芽率随着蒽浓度增大而降低。 7天后，1000 μg/L处理组的发芽率仅为16.95%。土培条件下，1 μg/L蒽处理组，翅碱蓬发芽率为53.33%，与纯水和丙酮对照组相比降低5%。说明蒽在低浓度时土培条件对翅碱蓬发芽率的影响大于水培条件。蒽大于1 μg/L处理组的翅碱蓬发芽率随着蒽浓度增大而降低，二者之间存在显著剂量-效应关系。7天后，1000 μg/L处理组翅碱蓬发芽率为33.33%。相关分析表明，蒽在水培条件下对翅碱蓬发芽率的IC50值为3.68 μg/L，R2为0.69，土培条件下对翅碱蓬发芽率的IC50值为2.88 μg/L，R2为0.91。说明土培条件下翅碱蓬种子发芽率的IC50值低于水培条件，且土培条件下可靠性更高。

图3 水培与土培条件下第7天不同蒽浓度翅碱蓬的发芽率

2.2 3-甲基菲对翅碱蓬发芽率的影响

2.2.1 水培条件下3-甲基菲对翅碱蓬发芽率的影响

水培条件下3-甲基菲对翅碱蓬发芽率的影响结果如图4所示。随着时间推移，各处理组的翅碱蓬发芽率逐渐升高。随着3-甲基菲浓度增大，翅碱蓬发芽率逐渐降低，受抑制作用逐渐增大，且在1 μg/L时抑制作用较小，与纯水和丙酮对照组均无显著性差异(p>0.05)。第3～7天, 50 μg/L之后抑制作用逐渐增大，在3-甲基菲浓度为1000 μg/L时发芽率最低，且与纯水和丙酮对照组均出现显著性差异(p<0.05)。

图4 水培条件下不同3-甲基菲浓度翅碱蓬的发芽率

2.2.2 土培条件下3-甲基菲对翅碱蓬发芽率的影响

土培条件下3-甲基菲对翅碱蓬发芽率的影响结果如图5所示。随着时间推移，各处理组翅碱蓬发芽率逐渐升高。随着3-甲基菲浓度增大，翅碱蓬发芽率逐渐降低，受抑制作用逐渐增大。在1 μg/L时抑制作用较小，与纯水和丙酮对照组均无显著性差异(p>0.05)。第4～7天, 50 μg/L之后抑制作用逐渐增大，在3-甲基菲浓度为1000 μg/L时发芽率最低，且与纯水和丙酮对照组均出现显著性差异(p<0.05)。

2.2.3 水培与土培第7天3-甲基菲对翅碱蓬发芽率的影响比较

以第7天发芽率为例，如图6所示。水培条件下，1 μg/L 3-甲基菲处理组，翅碱蓬发芽率为70%，与纯水和丙酮对照组相比降低8%。3-甲基菲大于1 μg/L的处理组，翅碱蓬发芽率随着3-甲基菲浓度增大而降低，二者之间存在显著剂量-效应关系。7天后，1000 μg/L处理组的发芽率仅为45%。土培条件下，1 μg/L 3-甲基菲处理组，翅碱蓬发芽率为51.67%，与纯水和丙酮对照组相比降低6.66%。说明3-甲基菲在低浓度时水培条件对翅碱蓬发芽率的影响大于土培条件。3-甲基菲大于1 μg/L的处理组，翅碱蓬发芽率随着3-甲基菲浓度增大而降低，二者之间存在显著剂量-效应关系。在土培条件下，1000 μg/L 3-甲基菲处理组比1～500 μg/L 3-甲基菲处理组翅碱蓬发芽率显著降低。7天后，1000 μg/L处理组的发芽率仅为8.57%。相关分析表明，3-甲基菲在水培条件下对翅碱蓬发芽率的IC50值为4.85 μg/L，R2为0.97，土培条件下对翅碱蓬发芽率的IC50值为2.30 μg/L，R2为0.88。说明土培条件下翅碱蓬发芽率的IC50值低于水培条件，且水培条件下可靠性更高。

图5 土培条件下不同3-甲基菲浓度翅碱蓬的发芽率

图6 水培与土培条件下第7天不同3-甲基菲浓度翅碱蓬的发芽率

3 讨论

3.1 不同浓度多环芳烃对翅碱蓬发芽率的影响

在水培和土培试验中，蒽和3-甲基菲对翅碱蓬发芽率均表现出显著抑制作用，但临界值浓度范围存在差异。蒽在低浓度时(≤500 μg/L)对翅碱蓬发芽率抑制作用不显著，当浓度为1000 μg/L时，表现出显著抑制作用。这可能是因为通常植物对于多环芳烃污染具有一定的耐受阈值，在阈值范围内，植物生长受到的影响较小，甚至表现为刺激生长，而超过此阈值，植物正常生长就会受到抑制[13]。Maliszewska和Smreczak[14]用蒽和芘分别对土培燕麦和玉米等6种作物进行胁迫试验，结果发现，培养初期土壤中的PAHs质量浓度低于10 mg/L时，对作物生长有刺激作用，最低的植物毒害阈值可达100 mg/L。洪有为和袁东星[15]研究发现随着菲浓度升高，秋茄(Kandeliacandel)幼苗根系和地上部分的生长呈现先升高后降低的趋势，低浓度处理刺激了植株根系和地上部分生长量的增加，高浓度处理不利于植株生长。在PAHs胁迫下，植物发芽、株高、根长、根表面积和叶面积等生长指标均受到抑制[16]。

3.2 不同环境介质对翅碱蓬发芽率的影响

试验结果表明，土培和水培试验中多环芳烃类污染物对翅碱蓬的生长发育状况影响不同。刘萍等[17]报道，离子液体胁迫会使植物的发芽率降低，影响植物的生长，这与本试验结果相同。但其研究结果还表明，离子液体各浓度处理均造成植物发芽率降低。在本试验中，水培条件下蒽和3-甲基菲低浓度(c≤50 μg/L)处理对翅碱蓬发芽率影响较小，原因是离子液体种类和浓度梯度不同，对植物的毒害影响也不同[18]。在蒽和3-甲基菲胁迫下，与水培试验相比，土培试验中翅碱蓬发芽率的增长速度明显变低。这可能是因为土壤具有一定的结构性，且其中运移的污染物等溶质一般具有化学反应特征，势必造成结构土壤中化学反应性溶质运移行为十分复杂。研究表明，土壤对石油类污染物的吸附截留及迁移转化能力强弱与土壤粒径大小、pH、环境温度、有机质含量等因素有关[19]。

蒽浓度为1000 μg/L胁迫7d后，水培条件下抑制率高于土培；3-甲基菲浓度为1000 μg/L胁迫7d后，水培条件下抑制率低于土培。水培条件下提供的营养液是由水和营养元素构成的，营养成分大都以水溶性离子态存在，水溶性离子态养分是植物根系吸收养分的主要形态，矿物质养分和氮素几乎都是以离子形态被吸收。而在土培条件下直接被吸收的有效离子态养分不多，大多有机物都需经过微生物分解，转变成离子态养分后，才能大量被植物吸收利用[20]。蒽不溶于水，而3-甲基菲溶于水，水培条件下各处理组溶液是由水和不同浓度的多环芳烃构成的，不同浓度蒽处理组溶液中蒽可直接作用于翅碱蓬种子，导致水培条件下抑制率高于土培。

4 结论

两种培养方式下，蒽和3-甲基菲两种多环芳烃类污染物在低浓度时对翅碱蓬种子萌发无显著影响，在高浓度时对翅碱蓬种子萌发产生显著的抑制作用(P<0.05)，且抑制作用具有典型的剂量-效应关系。不同种多环芳烃类污染物在不同环境介质中对翅碱蓬种子萌发的抑制作用影响不同，水培条件下蒽在高浓度胁迫7 d后对翅碱蓬发芽率的影响比土培条件显著，而3-甲基菲在高浓度胁迫7 d后土培条件下翅碱蓬发芽率的影响比水培条件显著。