生物炭对多溴联苯醚在水稻中累积和生理耐性的影响

李燕华 于学茹 王翠苹

1.聊城大学地理与环境学院，山东 聊城 252000；2.南开大学环境科学与工程学院，环境污染过程及基准教育部重点实验室天津市环境修复和控制实验室，天津 300350

0 引言

多溴联苯醚（PBDEs）是具有良好热稳定性的溴代阻燃剂，因具有持久性、生物蓄积性和毒性而备受关注［1］。目前，多种介质中已经检测到PBDEs的存在，如水体［2］、土壤［3］、植物［4］，甚至人体。PBDEs能够对许多作物产生毒害作用，具体表现为降低作物叶绿素含量，抑制作物的光合作用［5］。植物组织中的PBDEs极有可能通过食物链进入人体。陆敏等［6］发现，胡萝卜和菠菜中的PBDEs 对人体的生物有效性平均为33.5%和2.6%。因此，选用合适的修复材料吸附PBDEs等污染物，对保障作物质量安全和人体健康尤为重要。

向土壤或水体中添加生物炭可以不同程度地去除多种重金属和有机污染物，达到减少污染物在植物中累积的效果［7］。但施用生物炭会影响植物的生理生化反应。Bashir 等［8］研究了施用生物炭的铬污染土壤中玉米的生理生化反应，发现施用生物炭增加了玉米的生物量、叶绿素含量和光合速率。此次研究的前期试验证实，施用不同剂量生物炭均能显著降低水稻根系和茎叶的BDE-153 含量及水稻根系过氧化氢酶活性，但是不同剂量生物炭与BDE-153 共同暴露下水稻叶绿素含量、净光合速率和蒸腾速率的变化还不清楚，高剂量生物炭对BDE-153 在水稻不同部位积累转运的影响研究还不完善。

因此，笔者在前期研究的基础上，设定0、1.3、6.5、26.6 g/L 为生物炭添加量，以水稻为试验植物，以BDE-153 为目标污染物，研究不同剂量生物炭影响下，水稻组织中BDE-153 的积累和转运规律，以及水稻叶绿素、净光合速率和蒸腾速率的变化，为合理确定农田生物炭施用量提供科学依据。

1 试验材料与方法

1.1 供试材料与试验设计

供试水稻品种为津育粳22。所用的700 ℃椰壳生物炭购买自商丘三利新能源有限公司。

采用水培试验，先用30%的H2O2对种子进行消毒，再将种子置于湿润滤纸上催芽，将发芽后的种子移入1/2 霍格兰（Hoagland）营养液中培养20 d，选取长势一致的幼苗移入全营养液适应4～5 d，然后进行后续试验。根据前期预试验的结果，设定BDE-153 浓度为10 μg/L，生物炭（BC）添加剂量分别为0、1.3、6.5、26.6 g/L。以不添加BDE-153 和生物炭的处理作为对照，试验总计5个处理，每个处理3个重复。将预培养4～5 d的水稻幼苗移入装有营养液的培养瓶中，每瓶3 株，在温室中（白天22 ℃/夜晚18 ℃）培养，向营养液中每天持续曝气（14 h/d）以保证生物炭与污染物充分接触，同时为植物根系呼吸供氧。在培养瓶180 mL处划线，每天补充营养液至划线处。水稻在培养15 d 后收获，处理后测定相关指标。

1.2 研究指标与方法

1.2.1 生物富集系数和转运系数。生物富集系数（BCF）可反映植物从环境中吸收重金属的能力，转运系数（TF）为植物地上部污染物含量与根部污染物含量的比值，计算公式为

1.2.2 植物鲜质量。培养结束后，每个处理选取长势均匀的3 株植株，用超纯水清洗全株3 次，吸干水分，使用电子天平称量植株鲜质量，计算平均值。

1.2.3 植物光合参数。培养的第7 天，各处理分别选取6 片完全展开、长势均匀的水稻叶片，用Li6800光合速率仪测定其净光合速率（Pn）和蒸腾速率（Tr）。

1.2.4 叶绿素含量。叶绿素含量测定采用80%丙酮浸提法。每个处理取新鲜水稻叶片0.1 g 左右，每个处理选取3 次，剪成细长条混匀倒入50 mL 棕色样品瓶中，加入25 mL的80%丙酮，常温下避光浸泡24 h，在叶片全部变白后对浸提液进行比色。使用分光光度计分别测定浸提液在663 nm、645 nm 波段的吸光度，通过Arnon公式进行计算［9］。

式（3）中：V为样品总体积，W为样品鲜质量。

1.2.5 植物组织BDE-153 含量。参考Jia 等［10］提出的方法进行植物组织中BDE-153 的提取、净化和测定。

1.2.5 .1 BDE-153 的提取。称取0.10 g 冻干的植物样品于8 mL样品瓶，向冻干的植物样品粉末中添加30 μL 浓度为100 μg/L 的BDE-154 作为内标，每次加入2 mL二氯甲烷超声萃取样品1 h，重复3次，合并3次的萃取溶液，用柔和氮气吹干，再加1 mL 正己烷溶解定容。

1.2.5 .2 制备酸性硅胶。用正己烷、二氯甲烷（1∶1，V/V）超声清洗硅胶，在通风橱内晾干后置于130 ℃烘箱中烘16 h。冷却后，按照硅胶、浓硫酸质量比6∶4，将浓硫酸逐滴加入活化硅胶中，并不停搅拌，最后加入正己烷浸泡备用。

1.2.5 .3 柱分离。首先用20 mL 正己烷活化2 g硅胶小柱，再将2 g 酸性硅胶填充到硅胶柱上层，以充分去除样品中的脂质和色素。上述定容的样品过硅胶柱净化分离，使用15 mL的正己烷、二氯甲烷（1∶1，V/V）洗脱液冲洗，收集柱下洗脱液，然后用氮气吹干，用正己烷定容到300 μL，转移至样瓶中，放置于-20 ℃冰箱，等待进行GC-MS分析。

1.3 质量控制和质量保证

测定过程中，每个样品中都要加入回收率指示物BDE-154。样品分析中通过空白加标、样品加标和样品重复来进行质量控制。回收率指示物BDE-154 的回收率为88.8%～98.8%，空白加标回收率为86.0%～92.0%，样品加标回收率为83.6%～91.7%。此外，为保证仪器状态的稳定，每隔15 个样品测定一个已知浓度的标样，并与实际浓度进行对比，若所测偏差＜5%，说明仪器稳定，可以继续进样测定，否则对仪器进行调试。

1.4 数据处理

使用Excel 2019 进行所有数据的整理和计算，利用Origin 2018 进行制图，利用SPSS 25.0 进行显著性分析，不同字母代表数据在P＜0.05 水平（LSD’s 检验）上有显著性差异。

2 试验结果与分析

2.1 生物炭对水稻组织BDE-153积累的影响

由图1可知，在单独添加BDE-153的处理中，水稻根部和地上部BDE-153含量最高，分别为1 008.2 ng/g（DW）和20.2 ng/g（DW），根部的BDE-153 含量为地上部的50倍左右；添加1.3～26.6 g/L生物炭，能显著降低水稻根部的BDE-153 含量，降幅在43.9%～83.8%；添加不同剂量的生物炭对水稻地上部的BDE-153 含量没有显著影响。

图1 不同剂量生物炭下水稻根部和地上部BDE‐153含量

由表1 可知，单独添加BDE-153 的处理生物富集系数最高，为0.10；添加生物炭后，生物富集系数显著降低；添加不同剂量的生物炭对转运系数没有产生显著影响；转运系数都在0.5 以下，说明水稻以根部富集BDE-153为主。

表1 不同剂量生物炭作用下BDE‐153在水稻中的生物富集系数与转运系数

2.2 不同剂量生物炭对水稻生理特征的影响

由图2 可知，与对照相比，在添加26.6 g/L 生物炭处理下，水稻鲜质量显著降低，其余处理均没有对水稻鲜质量产生显著影响。与对照组相比，在添加26.6 g/L生物炭处理下，水稻叶绿素含量降低43%；添加不同剂量的生物炭对水稻Pn没有显著影响；在添加1.3 g/L 和6.5 g/L 生物炭处理下，水稻Tr与对照相比分别降低了21%和17%；与BDE-153 单独作用相比，添加26.6 g/L生物炭处理下水稻的Tr提高。

图2 不同剂量生物炭作用下暴露于BDE‐153水稻幼苗的鲜质量、叶绿素含量、Pn、Tr的变化

3 结论与讨论

试验发现，与对照相比，添加不同剂量的生物炭均可使水稻根部BDE-153 含量显著降低，而对水稻地上部的BDE-153 含量没有显著影响。添加生物炭可降低水稻根部BDE-153 含量，主要是因为生物炭对有机污染物的吸附作用。而生物炭对水稻地上部BDE-153 含量没有显著影响，可能与BDE-153 在植物体内的代谢脱溴有关［11］，这有待进一步研究证实。

水稻中BDE-153 的BCF随生物炭添加量的增加而整体呈降低趋势，说明生物炭能够吸附培养液中的BDE-153，减小污染物对水稻的损伤。所有处理的TF都在0.5 以下，说明水稻根部的BDE-153 含量大于地上部，这与刘阿梅等［12］的研究结果一致。

生物炭含量过高会对植物生长发育产生负面影响。此次试验中，高剂量（26.6 g/L）生物炭复合BED-153 处理下，水稻鲜质量和叶绿素含量显著降低。Jia等［13］研究发现，高剂量的生物炭能够破坏叶绿体结构。也有研究表明，植物叶绿素含量低，光合作用受到抑制，进而导致植物生物量降低［14］。Sun 等［15］研究也表明，施加过量的生物炭会导致小麦的生物量降低。添加不同剂量的生物炭对水稻Pn没有显著影响，而在添加1.3 g/L 和6.5 g/L 生物炭处理下，水稻的Tr受到抑制，这与Zhu 等［16］的研究结果不一致。与BDE-153 单独作用相比，添加26.6 g/L 生物炭处理下水稻的Tr提高，这可能是因为生物炭吸附和代谢水稻培养液中的BDE-153，减小了污染物对植物产生的胁迫。生物炭具有比表面积大、官能团丰富等特性，能够吸附和降解有机污染物［17］。此次试验使用高温制备生物炭，其比表面积大于低温制备生物炭，提升了对有机污染物的吸附能力［18］。

综上所述，生物炭可以显著抑制水稻对BDE-153的吸收，但是过高的生物炭添加量会抑制水稻生长。因此，相关人员在BDE-153 污染修复控制中，需要谨慎考虑生物炭的施用剂量。