一种计算生态风险的新方法-北京大学教务部

环境学院00级 王雅琴

摘 要

采集了北京大学校园内及周边交通干线附近六种植物叶片样品，分别测定了叶腊和叶组织中的多环芳烃含量，同步测定了叶腊、叶脂、气孔密度等参数，藉以探讨机动车尾气排放对植物叶腊和叶组织中多环芳烃含量的影响。结果证实：交通干线附近样品叶腊和叶组织中多环芳烃含量显著高于校园对照。叶腊中多环芳烃含量较叶组织高1－2个量级。叶腊和叶组织中16种多环芳烃化合物分布谱相似，但高环化合物更多在叶腊中聚集，而低环多环芳烃在叶组织中占优。叶腊多环芳烃含量与单位叶面积中的叶腊含量成反比，叶组织多环芳烃含量与气孔密度成反比，但其关系确定需要进一步实验证实。

关键词：多环芳烃；大气；叶；叶面吸收

Polycyclic aromatic hydrocarbons in plant leaves from Peking

University campus and nearby in summer season

College of Environmental Sciences Grade2000 Wang Yaqing

Abstract

Leaves of 6 plants were colleted from two sites on and around Peking University campus in summer season of 2003. PAHs in the leaf-wax and tissues were determined together with leaf-was content, tissue lipid, specific surface, and stomata density. The results were compared to investigate the possible sources of PAHs in the leaves. For both leaf-wax and tissue samples, levels of PAHs were plant species dependent and were higher in the samples from campus than those from outside of campus in short distance to busy traffic, suggesting a significant influence of vehicle emission. The concentrations of PAHs in leaf-wax were 1-2 orders of magnitude higher than those in leaf tissues. While the PAH profiles in the leaf-wax and leaf tissues were similar in general, the relative contents of volatile compounds were higher in the tissues than in the wax. Negative correlations were identified between PAHs concentration in the leaf-wax and the wax content and between the tissue PAH content and stomata density.

Keyword: PAHs, foliar uptake, leaf, ambient air

多环芳烃 (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs)，是广泛分布于全球环境中的微量有毒有机污染物。其毒性主要体现在对生物体的强烈致癌致畸变作用[1]，是近年来国际国内环

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境科学研究领域中的持续热点之一。PAHs有自然和人为两种来源，其中人为源包括钢铁和石油工业生产中的排放以及化石燃料的不完全燃烧。就城市非工业区室外环境而言，供暖燃煤和机动车燃油中释放构成了大气PAHs的最重要来源。例如，朱利中等分析了杭州市空气中PAHs污染与城市交通的相关性，认为该城市空气中的PAHs主要源于汽车尾气的排放[2]。Miguel等以Caldecott公路隧道为例，研究了10种PAHs的浓度与车型和流量的定量关系[3]。

由于不同多环芳烃化合物的挥发性不同，PAHs在大气中的赋存形态和相互转化特征有很大差别。一般条件下，2-3环化合物以气态为主要存在形式，4环化合物气-颗粒间分配相对均衡，而5环以上化合物主要存在于颗粒物上[4]。虽然大气中多环芳烃的最重要迁移途径是随干、湿沉降进入土壤[5]，但其中部分可能被植物吸收。在严重污染地区，植物的吸收作用可能超过代谢和降解，导致PAHs在其组织中的富集[6]。由于巨大的表面积，叶面吸收通常是亲脂性化合物在植物体内富集的主要途径。董瑞斌等发现大叶植物比小叶植物含更多的PAHs，因此推断植物叶内的PAHs主要来自大气[7]。Nakajima注意到，在温度较低的秋冬两季，PAHs由大气向植物迁移，而在温度较高的夏季，部分PAHs又通过挥发返回到大气中[8]。此外，在相同暴露条件下，表面积大、蜡脂含量高的叶片表现出较高的富集效率[9]。

本研究选择北京大学校园（远离交通干线）及其周边路侧（交通干线边），采集了6种植物叶片，分别测定了叶腊和叶组织的16种（美国环保局优先控制污染物）PAHs含量（萘、苊、苊烯、芴、菲、蒽、荧蒽、芘、苯并蒽、屈、苯并(b)荧蒽、苯并(k)荧蒽、苯并(e)芘、茚并(1,2,3-cd)芘、二苯并(a,h)蒽、苯并(ghi))及相关参数（叶面积、气孔密度、叶腊和叶脂含量等），除了解植物叶片中各种PAHs化合物富集量和在叶腊和叶组织中的分配外，试图通过对测定数据的分析进一步认识不同种类植物间富集差异、叶腊和叶脂含量与PAHs富集的关系以及道路交通的可能影响。

1研究方法

1.1样品采集

于2003年7月，在北京大学校内（未名湖周边）和校外交通干线路侧（东门外，万柳公寓外）分别采集了银杏 (Ginkgo biloba L.)、碧桃 (Amygdalus persica var. duplex)、国槐(Sophora japonica li)、紫叶李(Pranus cerasifera Ehrh. f )、丁香(Syringa oblata Lindl.)和大叶黄杨(Euonymus japonicus T. )等植物叶片。每样点每种植物采集4组重复（50片一组），封装于封口袋中于4C保存。另取样测定叶脂含量、叶面积和气孔密度等参数。 1.2 样品提取、净化与PAHs测定

将每组叶片用蒸馏水浸泡10 min洗去叶面尘后，分别置于400 ml烧杯中，加入CH2Cl2 (150 ml) 使淹没叶片。烧杯封口后旋转震荡2 min (HZQ-C，100rpm)。提取液减压抽滤( Sartorius AG 0.45m玻璃纤维滤膜，SHB-Ⅲ型水循环真空泵) 后定容至150ml。准确转移50ml提取液至恒重后的100 ml烧杯中，氮吹至干后称重计算叶蜡重量。其余100 ml提取液过硅胶柱净化、浓缩后，用于叶蜡中多环芳烃浓度测定。净化条件详见有关文献[10]。

将提过叶蜡的叶片冷冻干燥48h（Rikakikai, FDU-830），粉碎（东诚JLL350-B）后，称取1-2g叶片粉碎样在ASE（戴安ASE-300）中用体积比1:1的丙酮和二氯甲烷混合溶剂提取PAHs。提取条件见有关文献[10]。提取液经硅胶净化和浓缩后用GC-MS（Agilent

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6890/5973/7683）测定PAHs浓度。GC-MS条件溶剂来源与预处理、方法质量控制等参见相关文献[10]。

1.3 其他项目测定

另取样测定叶脂含量，提取过程同叶组织PAHs测定。ASE提取液（1:1丙酮与二氯甲烷, v:v）直接干燥称重并计算叶脂含量。叶面积用叶面积仪（LI-3100, Li-COR）测定。利用光学显微镜（Motic B5）平行观察并计数每种植物在显微镜视野中气孔器的个数，取均值后除以视野面积，得到植物叶片气孔器密度。

2结果与讨论

2.1叶腊中的PAHs含量

图1为采自校内和校外路边植物叶片蜡质层中 PAHs浓度。PAHs按照环数统计。叶蜡中16种多环芳烃浓度 (PAH16) 在8.6103 - 1.8105 ng/g范围内。均值6.57104 ng/g，变异系数94.6%。从图1可以看出，叶腊中PAHs以2－4环化合物为主，2、3、4、5-6环化合物分别占总量的53.6%、23.7%、22.9%和7.16%。多数样品中萘为含量最高的化合物，但波动较大。对多数样品而言，校外路边植物叶腊中3环以上PAHs高于相应的校内样（除3环PAHs在国槐中外），显然与机动车尾气污染有关。虽然路边采集的多数样品叶腊中萘的含量高于校园样，但银杏和大叶黄杨相反，该现象需要进一步证实和探讨。

PAH/ ng·mg-1 20 15 丁香 150 银杏 40 30 校内 路边 20 10 0 60 碧桃 的概率 10 5 0 校内 路边 75 2环 3环 4环 5-6环 PAH16 0 30 校内 路边 5-6环 PAH16 2环 3环 4环 5-6环 PAH16 2环 3环 4环 200 PAH/ ng·mg-1 紫叶李 150 国槐 校内 路边 大叶黄杨 45 30 校内 15 0 路边 的概率 100 50 0 校内 路边 15 2环 3环 4环 5-6环 PAH16 0 2环 3环 4环 5-6环 PAH16 2环 3环 4环 5-6环 PAH16 图1 取自校内外不同植物叶蜡中各环数PAHs浓度

Fig. 1 Concentrations of PAHs of various rings in leaf wax of different species from the two sites

不同植物叶表面腊中多环芳烃含量和叶腊含量差别都很大，紫叶李叶腊中PAH16含量大约丁香叶腊的十倍，国槐叶腊含量是大叶黄杨的三倍以上。6种植物叶腊PAHs含量从小到大

顺次为丁香 < 国槐  碧桃 < 大叶黄杨 < 银杏 < 紫叶李，该次序与不同植物单位面积叶腊含量顺序大体相反，后者从小到大依次为大叶黄杨 < 银杏 紫叶李 < 碧桃 < 丁香  国槐。如果用叶腊PAH16含量对叶腊含量作图，除大叶黄杨外，其余5种作物表现出两者间非线性（指数）负相关关系（图2）。叶腊含量多的植物叶片的腊中PAHs浓度偏低可能与事实上的稀释效应有关。大叶黄杨叶腊含量最低，而PAHs含量居中，从而偏离了图2中的趋势曲线。

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PAH16/ng·mg-1 160 紫叶李 的概率 120 80 40 0 10 银杏 r2 = 0.88 国槐 碧桃 14 18 叶腊 (mg/g) 丁香 22

图2 不同植物叶腊中PAHs含量与叶腊含量的关系

Fig. 2 The relationship between the concentrations of PAHs and leaf-wax content of the six species

2.2叶片中的PAHs含量

叶片中PAHs含量测定结果如图3所示。与图1相似，PAHs分为2－6环化合物组，分别考察其含量水平和不同植物和不同样点间关系。

PAH/ ng·mg -11.28 的概率 丁香 0.96 0.64 0.32 0 校内 路边 10 银杏 路边 0.64 碧桃 0.48 校内 0.32 0.16 0 1.00 校内 路边 5 0 1.4 2环 3环 4环 5-6环 PAH16 2环 3环 2环 3环 4环 5-6环 PAH16 4环 5-6环 PAH16 1.80 -1PAH/ ng·mg 的概率 紫叶李 1.35 0.90 0.45校内 路边 国槐 大叶黄杨 0.75 0.50 校内 路边 0.7 2环 3环 4环 5-6环 PAH16 4环 5-6环 PAH16 0.25 0 校内 路边 2环 3环 0 0 2环 3环 4环 5-6环 PAH16 图3 取自校内外不同植物叶片中各环数PAHs浓度

Fig. 3 Concentrations of PAHs of various rings in leaves of different species from the two sites

所研究的6种植物叶片中PAH16含量在4.7102 - 1.6103 ng/g之间。均值和变异系数分

别为9.01102 ng/g和56.6 %。董瑞斌等根据对文献归纳结果，发现植物中PAHs浓度多在20－1000 ng/g范围内。显然，本研究测得的含量处较高水平。事实上，由于大量燃煤与交通等多种因素，研究地区各介质都遭受PAHs严重污染[10~12]，植物中相对较高富集量在情理之中。有关结果与崔艳红2002年分析的天津邓店地区8种蔬菜叶样PAH16含量（7102 - 1.4103 ng/g之间，均值9.9102ng/g）结果相当接近[10]。

本研究测定的多数植物叶片中萘为优势化合物，PAHs含量从低环向高环递降（银杏除外）。叶片中2、3、4、5~6环化合物分别占总量的57.9%、26.4%、13.6%和2.1%。与叶腊（上节）相比，叶片中4-6环PAHs所占的比例明显小于其在叶蜡中的比例。导致这种差异的原因至少有两种可能：1）叶腊中低环PAHs容易进入叶片，2）叶腊中测得的PAHs可能包括部分牢固粘连在其表面的颗粒物。为证实相关机理，有必要进行进一步研究。

比较校内和路边样品，前者一般低于后者。校内和校外路边所有植物PAH16平均浓度分别为6.5104和8.9102 ng/g，其差别比叶腊中PAHs更为明显（国槐是唯一例外）。图4是采

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自校内和路边的6种植物中不同环数PAHs平均含量对比，它们都符合路边高于校内的一般规律。机动车排放污染应当是导致这种差异的主要原因。刘维立也曾报道：汽车排放的PAHs是城市大气中PAHs的主要来源[13]。可见，无论叶腊或叶片中PAHs浓度与采样点位的关系都说明有可能以植物叶PAHs含量为大气污染的指示参数。与直接采样测定空气样相比，植物叶PAHs含量反映了长期暴露的平均结果，而气样测定代表瞬时的局部水平。

40.0 -1PAH/ ng·mg 20.0 10.0 0 路边 的概率 30.0 蜡质层 0.64 0.48 0.32 叶组织 2环 3环 校内 路边 0.16 0 4环 5-6环 2环 校内 3环 4环 5-6环 图4 取自校内和路边不同植物叶腊（左）和叶片（右）中各环数PAHs浓度对比

Fig. 4 Comparison of concentrations of PAHs of various rings in leaf-was (left) and leaf tissue (right) of the

six species from the two sites

本研究同时测定了叶片PAHs和叶脂含量，两者关系如图5所示。从图中看不到他们之间的任何确定关系。有关文献报道，植物组织中PAHs含量与脂含量呈某种程度正相关关系。例如，Simonich等用相似的方法比较了采自美国印第安纳枫（Acer saccarum）和白松（Pinus strbus）叶、皮和种子中的PAHs含量，发现PAHs含量与脂含量显著正相关(Simonich 1994b)。由于他们采集的植物组织不同，脂含量变化幅度远远大于本研究样品（从枫树种子的6 mg/g 到白松树皮的170 mg/g），这可能是本研究中不能观察到PAHs与叶脂含量定量关系的主要原因。

PAH16/ ng·mg-1 3.0 的概率 2.0 1.0 0 0 20 40 60 叶脂 (mg/g)

图5 不同植物叶片PAHs含量与叶脂含量关系

Fig. 5 The relationship between PAH concentration and leaf-lipid content of the six species

叶片PAHs可能直接来自气孔对气态化合物的吸收[14]。然而，本研究测得的叶片PAHs含量与叶片气孔密度间看不到正相关关系。图6即为不同气孔密度叶片PAHs含量的均值和一倍标准差。恰恰相反，从图中可以看到叶片PAHs含量随气孔密度增加而减少。有关研究发现，由于气温因素的影响，植物叶组织中PAHs富集量随季节变化，春、秋季PAHs从大气向叶片迁移为主，表现为叶片含量增高，夏季则因气温上升而通过气孔挥发，以由叶片向大气迁移为主[15]。本研究于夏季采样，气孔多的叶片中PAHs向外迁移的速率可能快于气孔少的植物。如果春季和夏初富集过程大体达到平衡，则气孔密度与含量有可能呈负相关关系。本研究发现的现象似乎支持这一假设，但在没有获得重复监测资料和季节性变化数据之前，还不能下此结论。

5

PAH16/ ng·mg-1 3.0 的概率 银黄碧杏杨桃 丁香国槐 2.0 1.0 0 0 150 300 2450 气孔密度 个/mm

图6 不同植物叶片PAHs含量与气孔密度关系

Fig. 6 The relationship between the PAH concentration and stomata density of five species

2.3叶蜡PAHs和叶片PAHs关系

仅就质量浓度而言，叶片中PAHs较叶腊低1－2个数量级。但两者间具有很好的相关关系。由于多数微量污染物浓度呈对数正态分布，分别对叶片和叶腊浓度作对数变化，变换后两浓度的关系如图7所示。计算相关系数为0.843，在0.01显著性水平相关。

叶组织（ng/g）对数 1000 r2= 0.843 的概率 100 10 0 100 100010000 对数 叶腊 (ng/g)

图7 不同植物叶片与叶腊PAHs含量关系（经对数变化）

Fig. 7 The relationship between PAH concentrations in leaf-wax and leaf tissue of the six species

(log-transformed)

图8给出了叶腊和叶片PAHs化合物分布。为集中比较两种介质中的分布异同，取校内外全部重复样品的均值。就总体而言，两者分布大体相似，即：萘、菲、荧蒽、屈、芴等低

环化合物占总量的主要部分，其中萘分别占叶腊和叶片PAHs总量的一半以上，分别为53和58 %，而5-6环低挥发性化合物仅占总量的7.2和2.1%。另一方面，叶片和叶腊PAHs分布的主要差别在于：前者中的低环化合物（图8左侧）一般高于后者，而后者高环化合物含量（图8右侧）大多高于前者。两者的相似性说明了一定程度的同源特性，即叶腊和叶组织中的PAHs主要来自大气，而两者的差别可能反映大气颗粒物对叶腊PAHs来源的贡献相对高于对叶组织的贡献，而气态PAHs情况恰好相反。

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53 58 20 15 的概率 PAH /% 叶腊 叶片 10 5 0 NAP ACPYACP FLU PHE ANT FLUA PY BaA CHR BbF BkF BaP 图8 不同植物叶片与叶腊PAHs分布比较

Fig. 8 Comparison of individual PAH compounds between leaf-wax and leaf tissue

IncdP DBA BghiP

3结论

叶蜡中PAHs浓度在8.6103 - 1.8105 ng/g范围内，均值为6.57104 ng/g，叶片中PAHs含量在4.7102 - 1.6103 ng/g之间，均值为901 ng/g，显著低于前者。叶腊PAHs浓度随单位面积叶腊量增加而减少，叶片PAHs含量与叶脂浓度没有确切关系，但随气孔密度增加而减少。交通干线附件样品叶腊和叶组织中PAHs含量显著高于校园对照样。

致 谢

一年前，我有幸申请到了首届北京大学校长基金，进入地表过程分析与模拟教育部重点实验室，从事有关多环芳烃在植物叶片中的富集、迁移方面的研究。在已获得初步研究成果，第一篇论文已投出之际，我要将我诚挚的感谢送给以下各位师友。

首先，我发自内心的感谢我的指导老师陶澍教授。在陶老师的悉心指导下，我比较顺利得实现了从对科研的单纯向往到可以独立得从科学研究的角度思考问题、设计可行并尽量完善的实验方案并利用先进的仪器设备求证解决问题的过渡。在这一年里，陶老师的勤勉、睿智与诙谐深深感染了我；他对科学研究的一贯的大胆创想、严谨慎微求证的学术作风鼓舞激励着我。目前我已保送就读陶老师的硕士研究生，我对未来几年的研究生阶段充满信心。

同时，我要特别感谢实验室的所有其他老师和各位师兄师姐在实验和数据分析方面给予的大力支持，正是由于你们的无私帮助，我才得以顺利完成论文所需实验以及数据分析。在此谨致最衷心的感谢！

此外，我还要感谢我的家人。是他们，在我的研究工作最艰难的时候，给予了我心灵上的抚慰和鼓励，使我能初步完成这项工作。在这里，我要发自内心的说一声谢谢。

最后，我要衷心感谢主持北京大学校长基金项目的各位老师。正是你们的支持，使我们本科生有机会积极参与科研；正是你们的努力，使我们平凡的人生道路上写下了不平凡的一笔。谢谢！

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15 Simonich, S.L. and Hites, R.A. Organic Pollutant Accumulation in Vegetation. Environmental

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作者简介：

王雅琴，女，1981年11月出生于山西省太原市。2000年从太原五中考入北京大学环境学院，主修环境科学专业。在校期间，学习态度认真，成绩优异， GPA连续三年在本专业排名第一，并获得北京大学学习单项奖、北京大学三好学生、北京大学三好学生标兵称号；获得“杨芙清-王阳元院士”奖励基金（两次）、光华奖学金。同时，在思想上积极要求进步，于2002年9月加入中国共产党，并已于2003年9月转为正式党员。积极响应学校号召，于2002年暑假赴湖南湘西参加暑期实践活动，与其他六名同学共同努力，获得“优秀团队”荣誉称号。在2003年环境学院“洪宝杯”乒乓球赛上获女子单打第三名。

感悟与寄语：

难忘的一年 匆匆流过。 人生的驿站

少了一个， 命运的筹码 多了一重。

兴奋与好奇 早已逝去，

责任与艰辛 俯拾即是。

脑力与体力

完全透支。 浩繁的数据 令人头痛， 分析的艰难 令人难忘。 初现的成果 令人兴奋。 科学的研究 好似登梯， 辛苦但快乐 重在过程，

更上一层楼

指日可待。

指导教师简介：

陶澍，男，长江特聘教授，1950年8月出生于上海市。1981年获得北京大学自然地理学士学位后，赴美国堪萨斯大学攻读硕士、博士学位，于1984年回国，在北京大学任教至今。兼任地表过程分析与模拟教育部重点实验室主任和2种国际学术期刊编委。主要研究方向为微量污染物环境地球化学，侧重微量金属和持久性有机污染物的形态与生物有效性、持久性有机污染物的区域过程、持久性有机污染物多介质归趋模拟和生态风险评价等。

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