短鏈全氟羧酸對小麥生長的生態毒理效應*

游 奎 鐘 喆 趙淑艷

(大連理工大學海洋科學與技術學院，工業生態與環境工程教育部重點實驗室，遼寧 盤錦 124221)

全氟化合物(PFASs)是化合物分子中與碳連接的氫原子被氟原子取代的一類人工合成的有機化合物[1]，因其具有優良的穩定性、疏水疏油性和高表面活性而被廣泛應用于消防、造紙與電鍍等工業和商業領域[2]。其中，全氟辛酸(PFOA)和全氟辛烷磺酸(PFOS)是PFASs的典型代表，在環境中檢出頻率較高[3]，在我國PFASs污染的土壤中，PFOA(0.03～2.32 ng/g)和PFOS(0.01～1.88 ng/g)污染水平也較嚴重[4]。PFOS具有極強的環境持久性、生物蓄積性和生物毒性[5]。

近年來，由于對以PFOA和PFOS為代表的中長鏈PFASs的管控，短鏈PFASs作為長鏈PFASs的替代物而被廣泛應用[6]。上海城市污水中短鏈PFASs含量普遍高于長鏈PFASs[7]。研究發現，上海市農業區表層土壤樣品中全氟丙酸(PFPrA)、全氟丁酸(PFBA)、全氟戊酸(PFPeA)、全氟己酸(PFHxA)、全氟庚酸(PFHpA)分別為0～1.25、0.21～1.15、0～1.37、0～0.44、0.15～0.42 ng/g[8]。且與長鏈PFASs相比，短鏈PFASs在植物體內具有更高的富集和遷移能力[9]。然而，短鏈全氟羧酸(PFCAs)對植物的生態毒理效應目前尚未明確。

小麥作為全球最主要的糧食作物之一，常被用來研究化學品生態毒性效應[10]。本研究以小麥為模式生物，為避免土壤中微生物等諸多可能影響PFCAs性質的因素，選用水培方式，探究5種短鏈PFCAs(PFPrA、PFBA、PFPeA、PFHxA和PFHpA)對小麥種子萌發和幼苗生長的毒性效應。

1 材料與方法

1.1 主要實驗材料

甲醇(色譜純)；PFPrA、PFPeA(純度97%)；PFBA、PFHpA和PFHxA(純度98%)。

1.2 實驗設計

挑選籽粒飽滿、無蟲害的小麥種子，在3%(質量分數)H2O2中表面滅菌5 min，再用1%(質量分數)硝酸鈣浸泡2 h，去離子水淋洗2～3次，待用。

分別配制5種短鏈PFCAs的甲醇儲備液，加入Hoagland營養液中，根據預實驗結果及相關文獻，設置PFCAs質量濃度分別為0.1、0.5、1.0、2.0、5.0 mg/L[11]216，設置6個平行(3個平行用于發芽測定，3個平行用于生長指標、葉綠素和酶活性測定)，并設置空白對照。在每個培養皿(9 cm)中加15粒種子，10 mL相應溶液，保證溶液浸透濾紙并完全浸潤小麥種子，每天定期添加去離子水，放置于恒溫光照培養箱中(25.0±0.5) ℃黑暗條件下培養，待發芽階段結束后，培養條件改變為(25.0±0.5) ℃白天光照14 h，(22.0±0.5) ℃夜間黑暗10 h，定期更換培養皿的位置以保證光照均勻。

1.3 測量指標和方法

小麥種子發芽勢、發芽率分別在第3、7天測定[12]。第14天收集小麥，測定小麥的生物量。采用直尺測定根長及株高。利用朗伯-比爾定律[13]1086測定葉綠素a和葉綠素b含量。

取小麥根組織0.5 g于研磨器中，加入2 mL磷酸緩沖液，4 ℃下進行冰浴研磨，勻漿，離心，取上清液置于-80 ℃下保存待測。根據超氧化物歧化酶(SOD)能抑制氮藍四唑還原的原理[14]測定SOD活性。利用過氧化物酶(POD)酶促H2O2氧化愈創木酚原理，在470 nm處測定吸光度的方法測定POD活性；通過催化分解H2O2，在240 nm處測定吸光度的方法測定過氧化氫酶(CAT)活性[15]。依據硫代巴比妥酸法[13]1087測定丙二醛(MDA)含量。

1.4 數據處理

數據描述性分析采用平均值±標準差，利用SPSS 17.0軟件進行單因素方差分析，Tukey法進行差異顯著性檢驗(P<0.05)，Origin 2018軟件進行作圖。

2 結果與討論

2.1 短鏈PFCAs對小麥種子萌發的影響

短鏈PFCAs質量濃度對小麥種子發芽勢、發芽率的影響見圖1。相對于空白對照，5種短鏈PFCAs對小麥種子發芽勢影響較小，但0.1、0.5 mg/L短鏈PFCAs對小麥種子發芽率總體具有促進作用。研究認為，由于PFCAs具有良好的表面活性，能改變細胞膜通透性，影響植物細胞代謝[16]557。較低PFCAs可導致細胞產生興奮效應，在一定程度上刺激小麥種子的萌發。同時，小麥萌發早期，發芽所需的能量供應主要來源于胚內物質，只有當暴露濃度達到閾值時，PFCAs毒性能抑制小麥種子發芽[17]。當質量濃度為2.0、5.0 mg/L時，短鏈PFCAs能抑制小麥種子發芽率，且在5.0 mg/L時抑制率為6.75%～39.19%。在PFHxA(2.0、5.0 mg/L)和PFHpA(5.0mg/L)處理組中，PFCAs對發芽率抑制顯著，這可能是由于隨著碳鏈長度的增長，PFCAs毒性作用也會逐漸增強。總體上，短鏈PFCAs對小麥種子發芽勢和發芽率影響不顯著，短鏈PFCAs對小麥種子萌發影響較小。

注：*表示處理組與空白對照之間的差異顯著(P<0.05)，圖2至圖5同。圖1 短鏈PFCAs質量濃度對小麥種子發芽勢、發芽率的影響Fig.1 Effects of short-chain PFCAs mass concentrations on seed germination potential and germination rate of wheat

2.2 短鏈PFCAs對小麥幼苗生長的影響

短鏈PFCAs質量濃度對小麥幼苗根長、株高、生物量的影響見圖2。與空白對照相比，1.0 mg/L短鏈PFCAs均能誘導小麥根長顯著增加16.62%～50.35%；在PFPrA(1.0 mg/L)、PFBA(1.0 mg/L)和PFHxA(0.5 mg/L)處理組中，小麥株高顯著增加27.45%～47.14%；在PFBA(0.5、1.0 mg/L)、PFPeA(0.5 mg/L)和PFHpA(0.5、1.0 mg/L)處理組中，小麥幼苗生物量顯著增加10.84%～27.84%。小麥幼苗根長、株高及生物量對短鏈PFCAs的響應呈現先升后降的Hormesis趨勢[18]。可能原因是：(1)低濃度短鏈PFCAs能導致小麥植物細胞產生興奮效應，刺激小麥幼苗的生長。(2)表面活性劑能誘導植物細胞膜通透性增加[19]，因PFCAs具有良好的表面活性，可對小麥吸收營養成分具有一定促進作用。這與LAN等[20]30910研究PFBA和PFHxA對小麥植株生態毒理效應影響結果相似，即在低暴露質量濃度(<0.20 mg/kg)條件下，PFBA和PFHxA能誘導小麥幼苗的生物量增加。研究發現，PFOA在高暴露質量濃度(>0.20 mg/kg)條件下，能引起小麥幼苗的根和莖葉的細胞損傷，抑制小麥生長[21]。在相同處理條件下，相對于株高，小麥根長受影響更大。有研究指出，有機污染物的生態毒性效應不僅與暴露濃度有關，還與直接作用的植物化學特性及毒性機制有關[22]。本實驗中，小麥幼苗的根直接暴露于含PFCAs的營養液中，因此小麥根對污染物毒性的響應更直接、敏感[23]。

圖2 短鏈PFCAs質量濃度對小麥幼苗根長、株高、生物量的影響Fig.2 Effects of short-chain PFCAs mass concentrations on the root length，plant height and biomass of wheat

2.3 短鏈PFCAs對小麥幼苗葉綠素的影響

植物體內葉綠素是衡量植物體氧化損傷和生長抑制的重要指標。短鏈PFCAs質量濃度對小麥幼苗葉綠素的影響見圖3。受短鏈PFCAs影響，小麥幼苗葉綠素均比空白對照低，表明PFCAs對小麥具有生態毒理效應。其中，0.5～2.0 mg/L PFPrA能顯著抑制葉綠素，抑制率為23.65%～27.52%。QIAN等[11]218研究PFOS對蘆葦(Phragmitescommunis)的毒理效應影響時發現，隨PFOS暴露濃度的升高，蘆葦植株內葉綠素含量呈現下降趨勢。本研究結果與此相似，即暴露于PFCAs條件下，小麥莖葉內葉綠素合成會受到抑制。這可能是由于PFCAs毒性作用，小麥莖葉內光吸收復合物的合成受到抑制[20]30911；PFCAs可能會作用于葉綠體的電子傳輸過程，導致葉綠素下降[24]。同時發現，相同暴露濃度條件下，相比于PFHpA，PFPrA對小麥莖葉內葉綠素抑制更強，可能由于鏈長較短的PFCAs在植物莖葉具有更高的遷移、富集能力[25]，對葉綠素合成的抑制作用更明顯。

圖3 短鏈PFCAs質量濃度對小麥幼苗葉綠素的影響Fig.3 Effects of short-chain PFCAs mass concentrations on the chlorophyll of wheat

2.4 短鏈PFCAs對小麥根抗氧化酶活性的影響

植物體內的抗氧化酶水平可靈敏反映植物受到污染后的響應程度[26]。短鏈PFCAs質量濃度對小麥根抗氧化酶活性的影響見圖4。小麥根SOD和POD活性均顯著高于空白對照，且變化趨勢相似。當PFCAs為1.0、2.0 mg/L時，CAT活性顯著增大至峰值，增加率為66.40%～111.55%。小麥根中抗氧化酶活性對短鏈PFCAs的響應表現出先升后降的“倒U”型趨勢。QU等[16]558通過研究PFOS對小麥生態毒理效應的影響時發現，低質量濃度(0.1～10.0 mg/L)PFOS能誘導小麥植株SOD和POD活性增強，高濃度則能抑制抗氧化酶活性。本研究結果與上述現象類似，當植物受到外源有機污染物脅迫時，通常會產生較多活性氧(ROS)，主要包括H2O2、羥基自由基和超氧陰離子。SOD可將超氧陰離子轉化為H2O2，然后POD和CAT能經過催化氧化消除H2O2[27]。較低濃度PFCAs時,短鏈PFCAs影響小麥根細胞通透性，進而影響小麥根細胞代謝活動，刺激抗氧化酶活性增強[16]557。高濃度PFCAs脅迫時，ROS累積過多，細胞發生氧化損傷，抗氧化酶活力下降[28]。

圖4 短鏈PFCAs質量濃度對小麥根抗氧化酶活性的影響Fig.4 Effects of short-chain PFCAs mass concentrations on antioxidant enzymes activities in root

2.5 短鏈PFCAs對小麥根MDA的影響

短鏈PFCAs質量濃度對小麥根MDA的影響見圖5。0.5、1.0 mg/L的PFCAs對小麥根MDA抑制作用總體最大，抑制率為4.72%～26.38%，且小麥根MDA在5.0 mg/L的PFCAs時達到峰值。小麥根MDA對短鏈PFCAs的響應呈現“U”型趨勢。有研究指出，脂質過氧化常作為植物受脅迫時產生氧化應激反應的標志物[29]。而MDA是脂質過氧化的最終分解產物，其含量可間接表明ROS水平[30]。低暴露濃度短鏈PFCAs能抑制小麥根MDA，可說明此時ROS含量較低，細胞氧化損傷較小。MDA下降原因可能是低濃度PFCAs能刺激抗氧化酶活性增強，ROS能及時被清除，細胞未出現明顯的脂質過氧化反應[31]。但當PFCAs暴露濃度較高時，小麥根細胞中MDA逐漸增加，脂質過氧化反應加劇，細胞受到氧化損傷。

圖5 短鏈PFCAs質量濃度對小麥根MDA的影響Fig.5 Effects of short-chain PFCAs mass concentrations on MDA in root

3 結 論

(1) 短鏈PFCAs對小麥種子發芽勢和發芽率影響總體不顯著，短鏈PFCAs對小麥種子萌發影響較小。

(2) 小麥幼苗根長、株高及生物量對短鏈PFCAs的響應呈現先升后降的Hormesis趨勢。

(3) 受短鏈PFCAs影響，小麥幼苗葉綠素均比空白對照低，表明PFCAs對小麥具有生態毒理效應。

(4) 小麥根SOD和POD活性均顯著高于空白對照，且變化趨勢相似。當PFCAs為1.0、2.0 mg/L時，CAT活性顯著增大至峰值，增加率為66.40%～111.55%。

(5) 小麥根MDA對短鏈PFCAs的響應呈現“U”型趨勢，高濃度PFCAs能導致小麥根脂質過氧化反應加劇。