生物炭對多溴聯苯醚在水稻中累積和生理耐性的影響

李燕華 于學茹 王翠蘋

1.聊城大學地理與環境學院，山東 聊城 252000；2.南開大學環境科學與工程學院，環境污染過程及基準教育部重點實驗室天津市環境修復和控制實驗室，天津 300350

0 引言

多溴聯苯醚（PBDEs）是具有良好熱穩定性的溴代阻燃劑，因具有持久性、生物蓄積性和毒性而備受關注［1］。目前，多種介質中已經檢測到PBDEs的存在，如水體［2］、土壤［3］、植物［4］，甚至人體。PBDEs能夠對許多作物產生毒害作用，具體表現為降低作物葉綠素含量，抑制作物的光合作用［5］。植物組織中的PBDEs極有可能通過食物鏈進入人體。陸敏等［6］發現，胡蘿卜和菠菜中的PBDEs 對人體的生物有效性平均為33.5%和2.6%。因此，選用合適的修復材料吸附PBDEs等污染物，對保障作物質量安全和人體健康尤為重要。

向土壤或水體中添加生物炭可以不同程度地去除多種重金屬和有機污染物，達到減少污染物在植物中累積的效果［7］。但施用生物炭會影響植物的生理生化反應。Bashir 等［8］研究了施用生物炭的鉻污染土壤中玉米的生理生化反應，發現施用生物炭增加了玉米的生物量、葉綠素含量和光合速率。此次研究的前期試驗證實，施用不同劑量生物炭均能顯著降低水稻根系和莖葉的BDE-153 含量及水稻根系過氧化氫酶活性，但是不同劑量生物炭與BDE-153 共同暴露下水稻葉綠素含量、凈光合速率和蒸騰速率的變化還不清楚，高劑量生物炭對BDE-153 在水稻不同部位積累轉運的影響研究還不完善。

因此，筆者在前期研究的基礎上，設定0、1.3、6.5、26.6 g/L 為生物炭添加量，以水稻為試驗植物，以BDE-153 為目標污染物，研究不同劑量生物炭影響下，水稻組織中BDE-153 的積累和轉運規律，以及水稻葉綠素、凈光合速率和蒸騰速率的變化，為合理確定農田生物炭施用量提供科學依據。

1 試驗材料與方法

1.1 供試材料與試驗設計

供試水稻品種為津育粳22。所用的700 ℃椰殼生物炭購買自商丘三利新能源有限公司。

采用水培試驗，先用30%的H2O2對種子進行消毒，再將種子置于濕潤濾紙上催芽，將發芽后的種子移入1/2 霍格蘭（Hoagland）營養液中培養20 d，選取長勢一致的幼苗移入全營養液適應4～5 d，然后進行后續試驗。根據前期預試驗的結果，設定BDE-153 濃度為10 μg/L，生物炭（BC）添加劑量分別為0、1.3、6.5、26.6 g/L。以不添加BDE-153 和生物炭的處理作為對照，試驗總計5個處理，每個處理3個重復。將預培養4～5 d的水稻幼苗移入裝有營養液的培養瓶中，每瓶3 株，在溫室中（白天22 ℃/夜晚18 ℃）培養，向營養液中每天持續曝氣（14 h/d）以保證生物炭與污染物充分接觸，同時為植物根系呼吸供氧。在培養瓶180 mL處劃線，每天補充營養液至劃線處。水稻在培養15 d 后收獲，處理后測定相關指標。

1.2 研究指標與方法

1.2.1 生物富集系數和轉運系數。生物富集系數（BCF）可反映植物從環境中吸收重金屬的能力，轉運系數（TF）為植物地上部污染物含量與根部污染物含量的比值，計算公式為

1.2.2 植物鮮質量。培養結束后，每個處理選取長勢均勻的3 株植株，用超純水清洗全株3 次，吸干水分，使用電子天平稱量植株鮮質量，計算平均值。

1.2.3 植物光合參數。培養的第7 天，各處理分別選取6 片完全展開、長勢均勻的水稻葉片，用Li6800光合速率儀測定其凈光合速率（Pn）和蒸騰速率（Tr）。

1.2.4 葉綠素含量。葉綠素含量測定采用80%丙酮浸提法。每個處理取新鮮水稻葉片0.1 g 左右，每個處理選取3 次，剪成細長條混勻倒入50 mL 棕色樣品瓶中，加入25 mL的80%丙酮，常溫下避光浸泡24 h，在葉片全部變白后對浸提液進行比色。使用分光光度計分別測定浸提液在663 nm、645 nm 波段的吸光度，通過Arnon公式進行計算［9］。

式（3）中：V為樣品總體積，W為樣品鮮質量。

1.2.5 植物組織BDE-153 含量。參考Jia 等［10］提出的方法進行植物組織中BDE-153 的提取、凈化和測定。

1.2.5 .1 BDE-153 的提取。稱取0.10 g 凍干的植物樣品于8 mL樣品瓶，向凍干的植物樣品粉末中添加30 μL 濃度為100 μg/L 的BDE-154 作為內標，每次加入2 mL二氯甲烷超聲萃取樣品1 h，重復3次，合并3次的萃取溶液，用柔和氮氣吹干，再加1 mL 正己烷溶解定容。

1.2.5 .2 制備酸性硅膠。用正己烷、二氯甲烷（1∶1，V/V）超聲清洗硅膠，在通風櫥內晾干后置于130 ℃烘箱中烘16 h。冷卻后，按照硅膠、濃硫酸質量比6∶4，將濃硫酸逐滴加入活化硅膠中，并不停攪拌，最后加入正己烷浸泡備用。

1.2.5 .3 柱分離。首先用20 mL 正己烷活化2 g硅膠小柱，再將2 g 酸性硅膠填充到硅膠柱上層，以充分去除樣品中的脂質和色素。上述定容的樣品過硅膠柱凈化分離，使用15 mL的正己烷、二氯甲烷（1∶1，V/V）洗脫液沖洗，收集柱下洗脫液，然后用氮氣吹干，用正己烷定容到300 μL，轉移至樣瓶中，放置于-20 ℃冰箱，等待進行GC-MS分析。

1.3 質量控制和質量保證

測定過程中，每個樣品中都要加入回收率指示物BDE-154。樣品分析中通過空白加標、樣品加標和樣品重復來進行質量控制。回收率指示物BDE-154 的回收率為88.8%～98.8%，空白加標回收率為86.0%～92.0%，樣品加標回收率為83.6%～91.7%。此外，為保證儀器狀態的穩定，每隔15 個樣品測定一個已知濃度的標樣，并與實際濃度進行對比，若所測偏差＜5%，說明儀器穩定，可以繼續進樣測定，否則對儀器進行調試。

1.4 數據處理

使用Excel 2019 進行所有數據的整理和計算，利用Origin 2018 進行制圖，利用SPSS 25.0 進行顯著性分析，不同字母代表數據在P＜0.05 水平（LSD’s 檢驗）上有顯著性差異。

2 試驗結果與分析

2.1 生物炭對水稻組織BDE-153積累的影響

由圖1可知，在單獨添加BDE-153的處理中，水稻根部和地上部BDE-153含量最高，分別為1 008.2 ng/g（DW）和20.2 ng/g（DW），根部的BDE-153 含量為地上部的50倍左右；添加1.3～26.6 g/L生物炭，能顯著降低水稻根部的BDE-153 含量，降幅在43.9%～83.8%；添加不同劑量的生物炭對水稻地上部的BDE-153 含量沒有顯著影響。

圖1 不同劑量生物炭下水稻根部和地上部BDE‐153含量

由表1 可知，單獨添加BDE-153 的處理生物富集系數最高，為0.10；添加生物炭后，生物富集系數顯著降低；添加不同劑量的生物炭對轉運系數沒有產生顯著影響；轉運系數都在0.5 以下，說明水稻以根部富集BDE-153為主。

表1 不同劑量生物炭作用下BDE‐153在水稻中的生物富集系數與轉運系數

2.2 不同劑量生物炭對水稻生理特征的影響

由圖2 可知，與對照相比，在添加26.6 g/L 生物炭處理下，水稻鮮質量顯著降低，其余處理均沒有對水稻鮮質量產生顯著影響。與對照組相比，在添加26.6 g/L生物炭處理下，水稻葉綠素含量降低43%；添加不同劑量的生物炭對水稻Pn沒有顯著影響；在添加1.3 g/L 和6.5 g/L 生物炭處理下，水稻Tr與對照相比分別降低了21%和17%；與BDE-153 單獨作用相比，添加26.6 g/L生物炭處理下水稻的Tr提高。

圖2 不同劑量生物炭作用下暴露于BDE‐153水稻幼苗的鮮質量、葉綠素含量、Pn、Tr的變化

3 結論與討論

試驗發現，與對照相比，添加不同劑量的生物炭均可使水稻根部BDE-153 含量顯著降低，而對水稻地上部的BDE-153 含量沒有顯著影響。添加生物炭可降低水稻根部BDE-153 含量，主要是因為生物炭對有機污染物的吸附作用。而生物炭對水稻地上部BDE-153 含量沒有顯著影響，可能與BDE-153 在植物體內的代謝脫溴有關［11］，這有待進一步研究證實。

水稻中BDE-153 的BCF隨生物炭添加量的增加而整體呈降低趨勢，說明生物炭能夠吸附培養液中的BDE-153，減小污染物對水稻的損傷。所有處理的TF都在0.5 以下，說明水稻根部的BDE-153 含量大于地上部，這與劉阿梅等［12］的研究結果一致。

生物炭含量過高會對植物生長發育產生負面影響。此次試驗中，高劑量（26.6 g/L）生物炭復合BED-153 處理下，水稻鮮質量和葉綠素含量顯著降低。Jia等［13］研究發現，高劑量的生物炭能夠破壞葉綠體結構。也有研究表明，植物葉綠素含量低，光合作用受到抑制，進而導致植物生物量降低［14］。Sun 等［15］研究也表明，施加過量的生物炭會導致小麥的生物量降低。添加不同劑量的生物炭對水稻Pn沒有顯著影響，而在添加1.3 g/L 和6.5 g/L 生物炭處理下，水稻的Tr受到抑制，這與Zhu 等［16］的研究結果不一致。與BDE-153 單獨作用相比，添加26.6 g/L 生物炭處理下水稻的Tr提高，這可能是因為生物炭吸附和代謝水稻培養液中的BDE-153，減小了污染物對植物產生的脅迫。生物炭具有比表面積大、官能團豐富等特性，能夠吸附和降解有機污染物［17］。此次試驗使用高溫制備生物炭，其比表面積大于低溫制備生物炭，提升了對有機污染物的吸附能力［18］。

綜上所述，生物炭可以顯著抑制水稻對BDE-153的吸收，但是過高的生物炭添加量會抑制水稻生長。因此，相關人員在BDE-153 污染修復控制中，需要謹慎考慮生物炭的施用劑量。