葡萄叶片对空气中邻苯二甲酸酯的吸收累积特征

Characterization of the uptake and accumulation of phthalic acid esters in air by grape leaves

摘要

目的 为探索葡萄叶片及其内部组成物质对空气中PAEs的吸收累积特征，阐明葡萄叶片从空气中吸收累积DBP、DEHP、DIBP的能力及规律。 方法 试验采用盆栽葡萄覆盖玻璃罩的方式，在玻璃罩内放置盛有DBP、DEHP、DIBP混合物的甲醇溶液培养皿，让PAEs自然挥发被植株吸收累积，研究叶片及其内部组成物质脂肪、糖、蛋白质对PAEs的吸收累积特征。 结果 3个品种葡萄叶片对DBP、DEHP和DIBP的累积量随着PAEs处理浓度的增高而增大，且不同污染水平各单体含量及总含量差异显著（P<0.05）。葡萄叶片对DEHP的累积量最高，在高污染处理中其累积量占比在92.90%~93.86%，其次为DBP和DIBP。叶片脂肪、糖、蛋白质中均检出DBP、DEHP和DIBP，各污染处理3种化合物的含量与空白差异显著（P<0.05），三者在脂肪中的累积量最多，最高可达87.06 mg/kg，在糖中最高仅为5.818 mg/kg，在蛋白质中最高仅为3.793 mg/kg。通过对葡萄叶片累积PAEs能力与组成物质的相关性进行分析，葡萄叶片PAEs累积量与脂肪中PAEs含量呈显著正相关相关，与糖和蛋白无显著相关性。 结论 葡萄叶片可从空气中吸收累积PAEs，其累积PAEs能力与脂肪密切相关。

Abstract

Objective To investigate the absorption and accumulation properties of PAEs in air by grape leaves and their internal constituents，and to determine the capability and pattern of grape leaves to absorb and accumulate DBP，DEHP，and DIBP from the air. Method An experiment was conducted in which potted grapes were placed under a glass cover and a Petri dish containing a methanol solution containing a mixture of DBP，DEHP，and DIBP was placed inside the glass cover，allowing the PAEs to volatilize naturally and be absorbed and accumulated by the plants.This method was used to study the absorption and accumulation properties of the leaves and their internal constituents，such as fats，sugars，and proteins，on PAEs. Result The accumulation of DBP，DEHP，and DIBP in grape leaves of the three cultivars increased with increasing PAEs treatment concentrations，and the differences in the content of each component and the combined content of the three cultivars were notably different at different contamination levels (P<0.05).The highest accumulation was observed for DEHP in grape leaves，with accumulation percentages ranging from 92.90% to 93.86% in high comtamination treatments，followed by DBP and DIBP.DBP，DEHP，and DIBP were found in leaf lipids，sugars，and proteins.The content of the three compounds in each pollution treatment was significantly different from the control (P<0.05)，with the highest concentration found in fats (up to 87.06 mg/kg).The highest values in sugars and proteins were 5.818 mg/kg and 3.793 mg/kg，respectively.When evaluating the correlation between the accumulation ability of grape leaves for PAEs and their constituents，a significant positive relationship was observed between the accumulation of PAEs in grape leaves and the content of PAEs in fat，while no notable correlation was found with sugar or protein. Conclusion Grape leaves can absorb and accumulate PAEs from the air，and this accumulation ability is strongly linked to their fat content.

Graphical abstract

关键词

葡萄叶片 / 邻苯二甲酸酯 / 空气 / 吸收累积

Key words

grape leaf / phthalic acid esters（PAEs） / air / uptake and accumulation

Author summay

李海峰，硕士，副研究员，研究方向为果蔬栽培与质量安全。E-mail：[e-mail]

邻苯二甲酸酯（phthalic acid esters，PAEs），又名酞酸酯，俗称塑化剂，是一种典型的环境激素，进入人体后能干扰人体自身激素的新陈代谢，有致突变、致癌和致畸性，能长久地持留于环境中，在植物中具有生物累积效应，能通过食物链最终富集在人体中，危及人体的健康安全^［1-3］。

PAEs作为增塑剂被广泛应用于建筑材料、农用塑料薄膜、农药、日常生活中的食品包装材料等，其在成品农膜中的质量比可达60%^［4-5］。PAEs与塑料分子间由氢键或范德华力联接，彼此保持相互独立的化学性质，因此，塑料中PAEs化合物很容易迁移到外界环境中，造成土壤、水、大气的污染^［6］。我国各地农田土壤已经遭受了不同程度的PAEs污染，检出量从μg/kg到mg/kg不等^［7-9］。塑料大棚空气中的PAEs为4.4×10^-3 mg/m³，显著高于室外，以DBP和DEHP为主^［10-11］。PAEs不仅能通过根系进入植物体，还可以通过叶片气孔、茎表皮细胞进入植物体，由于其结构复杂，分子量大，进入植物体内不易代谢，从而表现出强烈的生物富集性^［12］。王绪强等关于冬瓜对空气中DEHP的累积研究发现，冬瓜叶对DEHP有较强的累积能力，且累积DEHP能力与叶片蜡质成分含量呈显著正相关性^［13］。不同种类植物对邻苯二甲酸酯的吸收能力和累积能力不同，植物叶片吸收累积PAEs的行为不仅与其理化性质有关，也可能受植物叶片内部脂肪、碳水化合物、蛋白质等组成物质的影响，而关于葡萄植株吸收累积PAEs的相关研究鲜有报道。

吐鲁番是我国葡萄生产著名产区，葡萄种植面积已达3.8万hm²，其中设施葡萄有1 000余座（133.3 hm²），亩产2 000 kg左右，较露地葡萄提早2个月上市，经济效益显著，是吐鲁番葡萄产业结构中重要的组成部分。在设施葡萄生产中，地膜和棚膜应用广泛，由于温室大棚内高温高湿的环境，棚膜及地膜中的PAEs化合物很可能在大棚土壤和空气中聚集而被葡萄植株吸收累积，影响葡萄树体的正常生长及产品质量安全。因此，研究葡萄植株对空气中邻苯二甲酸酯的吸收累积，对设施葡萄安全生产具有重要意义。本研究通过采用盆栽覆盖玻璃罩的方式，研究葡萄叶片及其内部主要物质对邻苯二甲酸正二丁酯（DBP）、邻苯二甲酸二（2-乙基己基）酯（DEHP）、邻苯二甲酸二异丁酯（DIBP）的吸收累积特征，揭示3种化合物在葡萄叶片中的累积规律，以期为设施葡萄安全生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试葡萄品种：3年生红巴拉多、无核白鸡心、无核白葡萄，均为吐鲁番地区主栽品种。

供试邻苯二甲酸酯污染物：邻苯二甲酸正二丁酯（DBP）、邻苯二甲酸二（2-乙基己基）酯（DEHP）、邻苯二甲酸二异丁酯（DIBP），浓度均为1 mg/mL。

1.2 试验设计

试验采用盆栽+玻璃罩的方式，在玻璃罩内放置盛有DBP、DEHP、DIBP混合物的小培养皿让PAEs自然挥发被植株吸收累积。邻苯二甲酸酯污染物水平分别设置为对照（0 mg/mL）、低浓度（15 mg/mL）、高浓度（50 mg/mL），各记为CK、T₁和T₂处理，每处理重复3次。PAEs污染源是用甲醇配制浓度为15 mg/mL、50 mg/mL的DBP、DEHP、DIBP混合污染物，每个培养皿用移液管移3 mL，置于玻璃罩内让污染物自然挥发，对照处理放置只含有甲醇溶液的培养皿，各处理培养皿7 d换一次，共处理40 d。各处理葡萄的水肥管理均一致。

1.3 盆栽试验

污染物的配制：分别取15 mL DBP、DEHP、DIBP溶于80 mL甲醇溶剂中，定容至100 mL，充分混匀密封，得到15 mg/mL的邻苯二甲酸酯混合污染物，于3 ℃冷藏待用。50 mg/mL的混合污染物配制方法同上。

盆栽试验玻璃罩长、宽、高分别为60、60、120 cm，两立面分别设有3个直径为3 cm的通风口。种植葡萄的花盆材质为陶瓷，直径30 cm，高28 cm。盆栽所用的土壤为地表以下l m、经测得为无PAEs污染的土壤。每盆定植葡萄苗1株，种植期间葡萄管理一致。

1.4 指标测定与方法

叶片采集和处理方法：取葡萄植株上、中、下部叶片各1片，蒸馏水洗净，冷冻干燥粉碎，-20 ℃保存待测。

葡萄叶片PAEs提取及测定方法参照文献^［14］：称取磨碎干叶片2.0 g放入烧杯中，加入10 mL乙腈高速匀浆2 min。用滤纸过到已加入5~6 g氯化钠的具塞量筒内，剧烈振荡1 min，静置15 min后取10 mL到150 mL圆底烧瓶内旋转蒸发至近干，加入正己烷3 mL。上述样品使用玻璃弗罗里硅土柱净化，用丙酮-正己烷（10∶90）混合溶液淋洗液，收集的洗脱液氮吹蒸发近干，再用正己烷定容至5 mL，混匀后移入2 mL至自动进样瓶待测。

叶片粗脂肪及其PAEs的测定：粗脂肪采用索式提取法（GB/T6433-2006）测定，提取后的粗脂肪加入5 mL正己烷提取PAEs。

叶片糖类物质及其PAEs的提取：总糖的提取及含量测定采用蒽酮比色法^［15］；通过将总糖水解溶液水浴蒸干，加入5 mL正己烷提取PAEs。

叶片蛋白质及其PAEs测定：叶片中蛋白质使用植物蛋白提取试剂盒提取，采用考马斯亮蓝法^［16］测定；蛋白提取液水浴蒸干后加入5 mL正己烷提取PAEs。

1.5 仪器工作条件

1） 气相条件 采用HP-5 MS色谱柱（30 m×0.25 mm×0.25 um）；载气为氦气，流量为1.2 mL/min；进样口温度为250 ℃。脉冲不分流，传输线温度为300 ℃，进样量为2 μL。升温程序：初始温度为80 ℃，保持2 min；以20 ℃/min速率升到160 ℃，保持5 min；再以10 ℃/min速率升到280 ℃，保持4 min。

2） 质谱条件 采用电子轰击离子源，传输线温度为280 ℃，离子源温度为230 ℃，串联四级杆一150 ℃、四级杆二150 ℃，碰撞室：氦气为2.25 mL/min，氮气为1.5 mL/min，采用多反应监测方式进行数据采集。

1.6 数据分析

采用Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0软件对数据进行统计分析，单因素相关显著性检验采用LSD法。

2 结果与分析

2.1 葡萄叶片对PAEs的累积特征

图1~2分别为不同品种葡萄叶片中DBP、DEHP和DIBP的含量及其占比。由图1可以看出，各葡萄品种高低污染处理叶片中3种污染物累积量显著大于空白处理（P<0.05），随着PAEs污染浓度的增高，3个品种葡萄叶片对DBP、DEHP和DIBP的累积量逐渐增大，不同污染水平下3种化合物的各单体含量及总含量存在显著差异（P<0.05）。3种化合物中，DEHP在葡萄叶片中的累积量最高，在高浓度处理中，3种葡萄叶片中DEHP的含量分别为495.24、558.30、2 130.93 mg/kg，分别占比达92.90%、93.05%、93.86%（图2）；叶片中DBP含量分别为19.30、25.59、35.17 mg/kg，分别占比3.68%、4.30%、1.55%；叶片中DIBP含量分别为18.20、15.85、104.86 mg/kg，分别占比3.42%、2.65%、4.59%，可见，葡萄叶片对DBP和DIBP累积量远小于DEHP。3个葡萄品种中，无核白葡萄叶片对DBP、DEHP和DIBP的累积量高于红巴拉多和无核白鸡心，且差异显著。高浓度处理下，无核白葡萄叶片中∑PAEs含量高达2 273.92 mg/kg，分别是前两种葡萄叶片累积量的4.27倍和3.85倍，其中无核白葡萄叶片中DIBP和DEHP的累积量也远高于前两种葡萄叶片。

2.2 葡萄叶片内部组成物质中PAEs的累积特征

2.2.1 叶片脂肪中PAEs的含量

由图3可见，各品种葡萄叶片脂肪中均检出了目标污染物，且各污染处理DBP、DIBP、DEHP的含量均高于空白，叶片脂肪中∑PAEs含量随着处理浓度增高而递增，各品种葡萄高浓度处理∑PAEs含量与空白差异显著（P<0.05），表明脂肪具有累积PAEs的能力。理，除DBP外，高浓度处理与空白差异显著。总体而言，叶片脂肪中DEHP的含量最高，就高污染而言，3种葡萄叶片脂肪DEHP的含量分别为17.76、14.09、61 mg/kg，平均30.95 mg/kg，DIBP的含量分别为16.45、3.82、19.88 mg/kg，平均13.38 mg/kg，DBP的含量分别为4.97、3.71、6.81 mg/kg，平均4.95 mg/kg，可见，葡萄叶片脂肪对DBP和DIBP累积量远小于DEHP。3个葡萄品种中，无核白葡萄叶片脂肪对3种化合物的累积量高于红巴拉多和无核白鸡心，高浓度处理下，无核白葡萄叶片脂肪中∑PAEs含量高达87.06 mg/kg，分别是前两种葡萄叶片脂肪累积量的4.0倍和2.22倍，可见，不同品种葡萄叶片脂肪对PAEs的累积能力也有差异。

2.2.2 叶片糖中PAEs的含量

由图4可知，各品种葡萄叶片糖中也检出了目标污染物，各污染处理DBP、DIBP、DEHP的含量均高于空白处理，且高浓度处理与空白差异显著（P<0.05）。3种化合物中，DEHP的含量最高，就高污染而言，3种葡萄叶片糖中DEHP的含量分别为2.394、4.122、1.792 mg/kg，平均2.769 mg/kg，DIBP的含量分别为0.064、0.065、0.019 mg/kg，平均0.049 mg/kg，DBP的含量分别为1.420、1.632、0.444 mg/kg，平均1.165 mg/kg。3个葡萄品种中，无核白鸡心葡萄叶片糖对3种化合物的累积量高于红巴拉多和无核白，高浓度处理下，无核白鸡心葡萄叶片糖中∑PAEs含量为5.818 mg/kg，分别是红巴拉多和无核白葡萄叶片糖累积量的1.5倍和1.7倍。

2.2.3 叶片蛋白质中PAEs的含量

图5为不同品种葡萄叶片蛋白质中DBP、DIBP、DEHP的含量，各污染处理叶片蛋白质中3种化合物的含量均高于空白处理，且高浓度处理与空白差异显著（P<0.05）。3种化合物中，DEHP的含量高于DBP和DIBP，就高污染而言，3种葡萄叶片蛋白质中DEHP的含量分别为1.306、1.521、4.318 mg/kg，平均2.382 mg/kg；DBP的含量分别为0.221、0.264、0.410 mg/kg，平均0.298 mg/kg；DIBP的含量分别为0.054、0.028、0.029 mg/kg，平均0.037 mg/kg。

2.2.4 葡萄叶片各物质组分中PAEs的占比

由图6可知，3种化合物在叶片脂肪中累积量较多，在糖和蛋白质中累积量较少。葡萄叶片脂肪中DBP、DIBP、DEHP的总含量占叶片总含量的3.7%~7.4%，其中红巴拉多葡萄叶片脂肪3种化合物的累积量最大，且与无核白葡萄和无核白鸡心差异显著（P<0.05））。叶片糖中三者的含量占叶片的0.1%~1%，叶片蛋白质中的含量占0.2%~0.3%，可见，PAEs易在脂肪中累积。

2.2.5 葡萄叶片累积PAEs能力与组成物质的相关性

如图7所示，葡萄叶片累积PAEs能力与叶片的脂肪、蛋白质、总糖中PAEs含量呈现一定的相关关系。3种葡萄叶片∑PAEs含量与脂肪中PAEs含量在0.01水平上呈显著正相关相关，Pearson相关系数分别为0.994、0.990、0.999。叶片∑PAEs与蛋白和总糖无显著相关性。表明葡萄叶片累积PAEs能力与脂肪密切相关。

3 讨论

PAEs是一种半挥发性的疏水性有机污染物，有研究表明，植物叶片累积挥发性-半挥发性有机化合物的主要途径是通过从空气中吸收^［17-18］。樊芸等研究表明，叶片是花生和玉米PAEs的重要储存器官，叶片的质量占比大，并且具有较大表面积，在吸收累积空气中的疏水性有机污染物时表现非常活跃^［19］。在本试验中，3个品种葡萄叶片对DBP、DEHP和DIBP的累积量随着PAEs浓度的增高而增大，说明葡萄叶片中PAEs来源于空气，且累积量与空气浓度成正比。研究表明，半挥发性有机污染物在叶片和空气中的分配作用与有机污染物的辛醇-气分配系数（K_OA）有关，当log K_OA < 8.5时，半挥发性有机污染物主要以气态的形式通过气体扩散方式被叶面吸收，并能够在较短时间内达到吸收平衡状态，但它们的累积量比K_OA较高的化学物质要少；当 8.5<log K_OA<11 时，有机污染物虽然以气态为主，吸收过程会因受到大气中污染物浓度、暴露时间及植物性质的限制而难以达到平衡^［20-21］。在本研究中，高浓度处理在葡萄叶片中DEHP的含量在495.24~2 130.93 mg/kg之间，显著高于DBP和DIBP，DBP和DIBP在叶片中的含量接近，二者的log K_OA <8.5，可能是先达到了吸收平衡状态，而DEHP的log K_OA值为10.53，可能因为是吸收过程难以达到平衡而导致累积含量最高的缘故。王绪强等^［13］研究发现，在瓶熏处理组中，冬瓜叶对DEHP的累积量最大，但不同品种之间的累积能力也有差别。Fu等^［22］研究也表明，蔬菜从空气中吸收PAEs的能力与品种有很大关系，不同品种蔬菜对PAEs有不同的吸收量或吸收能力。本试验中，无核白葡萄叶片对3种化合物的累积量高于红巴拉多和无核白鸡心，说明不同品种葡萄叶片对PAEs的累积量有较大差异。

植物脂肪含量对植物吸收累积脂溶性有机污染物能力的密切影响己得到了充分证实，但单纯用脂肪含量预测得到的植物体内有机污染物的含量往往低于实际含量，除脂肪外，其它植物组分的吸收贡献也不应忽视^［23］。脂肪、碳水化合物、蛋白质、纤维素等是植物器官的主要物质构成，它们对有机污染物的亲和性存在明显差异^［24］。张晓蕾等^［25］对冬瓜植株吸收累积DEHP机制研究发现，冬瓜果肉中核蛋白对DEHP累计含量较高，线粒体和叶绿体对DEHP表现出很强的累积效果，主要可能是因为线粒体和叶绿体都是由磷脂双分子层包裹，磷脂双分子层主要由蛋白质、脂类和糖类组成，其中50%为脂类，从而造成叶绿体和线粒体中DEHP含量较高。本研究中，叶片脂肪中∑PAEs含量随着处理浓度增高而递增，高浓度处理∑PAEs含量与空白差异显著（P<0.05），脂肪中DBP、DIBP、DEHP的总含量最高达87.06 mg/kg，占叶片中PAEs总含量的7.4%。叶片糖和蛋白质中也检出了目标污染物，其含量相对较低，仅占叶片中PAEs总含量的0.1%~1%。通过分析葡萄叶片中PAEs累积量与组成物质的相关性，结果显示，葡萄叶片∑PAEs与脂肪含量在呈显著正相关相关，与蛋白和总糖含量无显著相关性，研究结果与Gao等^［26］一致。PAEs作为一类疏水性化合物，对脂类具有较强的亲和性，葡萄叶片脂肪作为脂类的主要类型，对PAEs具有较强的吸附力，而糖类和蛋白质水溶性较强，与PAEs的亲和性弱，因此，PAEs主要累积在葡萄叶片脂肪中。

4 结论

葡萄叶片可以从空气中吸收累积DBP、DEHP和DIBP化合物，3种化合物的累积量随着处理浓度的增高而增大，不同品种葡萄叶片吸收累积PAEs水平和能力有较大差异，且葡萄叶片累积PAEs能力与脂肪密切相关。

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基金资助

新疆维吾尔自治区“天山英才”培养计划项目(2022TSYCJC0053)

农业农村部西北绿洲农业环境重点实验室开放基金课题(XBLZ-20213)

新疆维吾尔自治区基层青年科技人才培养项目(2019Q090)