对于暴露在大气沉降下的莴苣叶片铅的研究外文翻译资料

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对于暴露在大气沉降下的莴苣叶片铅的研究

Gaelle Uzu，Sophie Sobanska，Geraldine Sarret，Manuel Muntilde;oz，Camille Dumat

摘要：植物对金属的吸收是通过土壤-根系的转移，也可以通过大气直接将污染物转移到枝叶上。后者在工厂附近的厨房花园中可能特别重要。本文研究了暴露在铅回收工厂附近大气沉降环境中的莴苣叶片对铅的吸收机理。暴露43天后，彻底洗净的叶子含有335plusmn;50mgPb.kg^-1DW。微X射线荧光（mu;XRF）映射证明直径为几百微米的富含Pb的斑点位于坏死区。这些斑点在中央叶脉基部更丰富。环境扫描电子显微镜结合能量色散X射线微量分析（ESEM-EDX）显示，叶子的其他区域也存在较小的颗粒（直径为几微米），通常位于叶子表面下方。此外，在气孔开口内观察到亚微米级颗粒。叶片的拉曼显微光谱（RMS）分析确定了冶炼厂产生的Pb矿物，但也发现了原始颗粒风化可能产生的第二相。基于这些观察，讨论了叶面吸收的几种途径。更好地了解这些机制可能有助于评估暴露于大气金属污染的人群的风险。

概要：研究了大气富铅沉降下莴苣叶片对铅的吸收机理。

介绍

在大气中排放的颗粒具有多种尺寸^[1]，并且在过去十年中，细颗粒物质（PM）的比例随着工业中使用更有效的过滤器而增加^[2]。PM₁₀（空气动力学直径小于10微米的颗粒物）是世界卫生组织的目标物种^[3]和欧盟环境空气质量评估标准指示物^[4]，因为它们对环境和人类健康产生不利影响。虽然PM_2.5，PM₁和纳米粒子是总悬浮粒子的微量组分，但它们在环境影响方面可能是最重要的。实际上，它们可以在对流层中长距离运输^[5-6]，由于它们的高比表面积，它们可以强烈地影响生物圈^[7-8]。

在全球范围内，大气颗粒物的沉降是土壤中铅污染的主要来源^[9]。尽管近几十年来工业和车辆铅排放量大幅下降^[10]，但仍然在环境中排放低浓度的富铅颗粒物，尤其是铅回收设施^[11~13]。在先前关于这种设施排放的颗粒的研究中，观察到大部分亚微米尺寸的颗粒^[7]。甚至在低浓度下对生物有毒^[14]，铅污染的土壤和尘埃颗粒也可被儿童摄入 ^[15]。对成年人更重要的其他接触途径包括饮用水污染和食用菜地中种植和当地生产的蔬菜 ^[16]。

众所周知，铅在土壤中流动性较差^[17-18]，停留时间估计为数百年^[19]。受大气颗粒物污染的菜园蔬菜中的铅浓度与土壤含量无关^[20]。主要原因是植物吸收与铅的植物可利用部分相关，而不是与总金属负荷相关。然而，这种相关性的缺失可能是由于通过茎叶的直接金属污染。在先前的研究中证明了铅和其他金属^[21~23]和放射性核素^[24]对植物的空气污染。然而，负责叶片吸收的机制仍不清楚，与土壤-根系转移相比，关于该主题的文献非常有限。大多数关于叶片转移的研究都是在叶片施肥^[25~28]的背景下进行的，据我们所知，目前还没有关于叶片吸收铅的机理的研究。

陆生植物从其水生祖先那里获得了通过叶子吸收营养的能力^[25]，并且污染物可能遵循相同的途径。在进入表皮细胞的胞质溶胶之前，营养物和污染物必须穿过几个物理屏障。这种渗透强烈依赖于天气条件，植物种类，生理状态和元素的形态^[26]。穿过角质层，亲脂和亲水途径有两条平行的路线^[29-30]。在本研究中不考虑亲脂性途径，因为它涉及非极性和非带电分子，其通过在角质和蜡中的扩散穿过角质层。离子和亲水性溶质通过水孔沿着亲水路径运动 ^[29]。该途径需要化合物的溶解，这主要取决于湿度，以及颗粒的吸湿性和溶解性^[26]。当湿度高于潮解点时，化合物部分溶解并从该饱和溶液中渗透。水孔位于背斜壁和气孔保护细胞的表皮壁架上^[30-31]。一旦污染物穿过角质层，它就可能留在细胞质中或在细胞内运输^[32]。除了溶质的这种亲水途径之外，还存在固态途径。气孔使悬浮的纳米颗粒能够被吸收，并在细胞质中扩散。气孔通路被认为是高度电容性的，因为它具有10nm-1mu;m的大尺寸排阻极限和高的传输速度^[33]。

本研究的第一个目标是评估莴苣中大气污染的铅转移，莴苣是一种广泛种植的蔬菜，已经在金属转移研究中用作模型植物^[16,34-35]。其次，本研究旨在通过在43天的暴露时间内监测叶铅含量，并确定叶铅在叶片中的定位和形态，来研究叶铅吸收的机制。这些知识对风险评估很有意义。莴苣首先暴露于工厂回收的电池中，这些电池发出的富含铅的颗粒（333,000mgPb.kg^-1颗粒）已被预先表征过^[7]。仔细洗涤后测定叶中铅的总含量。微X射线荧光（mu;XRF）用于研究叶片厘米区域的铅和其他元素的分布，横向分辨率为50mu;m。环境扫描电子显微镜结合能量色散X射线微量分析（ESEM-EDX）用于以更高的分辨率确定铅沉积物的形态和元素组成，拉曼显微光谱法（RMS）提供富含铅的区域的分子组成。然后对所得结果进行了讨论，并提出了铅叶吸收的可能场景。据我们所知，这是首次对蔬菜样品中金属的叶转移进行研究，该研究来源于使用物理和化学技术相结合的实地研究。

实验部分

莴苣暴露于大气铅尘埃。将商业莴苣种子Batavia blonde doreacute;e品种用0.9％CaClO表面灭菌15分钟并用去离子水冲洗。在将莴苣移栽到温室中15天以获得约15克（新鲜生物量）的植物之前，首先对其进行水培10天。在此期间后，将40棵莴苣放入含有4kg未污染的钙质土壤的罐中（总铅浓度：25plusmn;2mg.kg^-1）。每个盆包含一株植物。将土工织物膜置于土壤表面以保护其免受大气污染。将植物在二级铅冶炼厂的庭院中暴露43天，该冶炼厂回收电池^[7]。每十天，收获五个副本。此外，在43天后收获了位于距离冶炼厂15公里的市区的五个对照植物。回收厂庭院中的铅浓度为1mu;gPb.m^-3空气和颗粒排放物中的铅浓度为330000mgPb.kg^-1。据法国当局称^[36]，2007年该工厂排放了328千克总悬浮颗粒（TSP），包括31千克铅。该冶炼厂排放的颗粒在之前的X射线衍射和拉曼研究中得到了表征 ^[7]。铅的形态按丰度递减依次为，PbS，PbSO₄，PbSO₄·PbO，alpha;-PbO和Pb⁰。

土壤和蔬菜的化学分析。收获并除去根后，测量茎叶生物量。将每个莴苣切成四分之三，随机挑取一个用于分析。在它们的基部切割叶子，并且每个都洗涤，首先在流动的自来水中洗涤30秒，然后在两个去离子水浴中洗涤一分钟，以便消除叶子表面上存在但不紧密结合的颗粒。用沙拉旋转排出叶子并在50℃下干燥48小时后，将叶子和土壤样品分别在HNO₃和H₂O₂的1：1混合物中在80℃下和热王水中消化4小时。过滤后，通过电感耦合等离子体-原子发射光谱法（ICP-AES）和IRIS Intrepid II XDL测量铅浓度。使用参考材料弗吉尼亚烟叶、CTA-VTL-2和ICHTJ检查酸性消化和分析程序的准确度。烟草叶中铅的认证值为22.1plusmn;1.2mgPb.kg^-1干重。三次重复的测量值为22.0plusmn;0.9，22.4plusmn;0.8和21.9plusmn;0.8mgPb.kg^-1干重。然后通过mu;XRF，ESEM-EDX和RMS研究暴露43天后莴苣的叶子。

微X射线荧光（mu;XRF）。通过mu;XRF确定叶子的各个区域中的元素分布。将新鲜洗过的叶子冷冻干燥，在样品架上展平并置于真空下。用EDAX Eagle III XRF光谱仪收集mu;XRF光谱，该光谱仪配备有Rh阳极和聚毛细管，其将X射线束聚焦至30mu;m全宽半高（FWHM）。使用具有140eV分辨率的EDX检测器来测量X射线荧光。光谱仪在15或20kV和300至450mu;A下操作。以256times;200像素收集厘米大小的X射线图，步长为30至50mu;m。计数时间为每像素600至2000毫秒。对于Pb和其他重元素，这种装置的检测限约为100ppm。由于SK-和PbM-线在EDX检测器的140eV分辨率内重叠，因此需要对mu;XRF光谱进行反卷积（图1b）。它是使用EDAX集成软件Vision32进行的。尽管峰值重叠，但在较高电压（40kV）下，使用Pb M-线的Pb荧光信号的统计数据优于PbL线。使用Matlab^TM将元素图组合为RGB三色图。此外，比较了通过对感兴趣点中的单像素光谱求和而获得的富Pb颗粒的XRF光谱。

环境扫描电子显微镜（ESEM-EDX）。使用配备有EDX检测器Quantax（Rontec）的ESEM（Quanta 200 FEI）研究形态学和元素分布。它在低真空模式下以25kV运行。使用ZAF校正和使用真实标准获得半定量测量。将叶子风干并在分析前固定在碳基质上。对于mu;XRF分析，通过去卷积分离PbM-和SK-峰。

拉曼显微光谱（RMS）。使用RMS进行存在于莴苣叶的叶表面上或下方的颗粒的分子鉴定。将暴露43天后收集的叶样品固定在玻璃板上并安装在显微镜载物台上，无需进一步制备。在大多数情况下，在仔细重新定位后，通过ESEM-EDX和RMS分析颗粒（或离开区域），因此可以比较电子和光学图像以及元素和分子组成。使用Labram共聚焦光谱仪和Labram HR UV 800（Jobin Yvon，Horiba Gr，France）进行RMS测量。用He-Ne和固体MBD266系统（相干激光组）提供的632.8nm或266nm激发波长激发拉曼后向散射。通过光学物镜（可见Olympus物镜，X100，0.9NA和UV Mitutoyo物镜X80，0.55NA）将光束聚焦在样品表面上，在两种情况下横向分辨率（XY）小于1mu;m。使用UV激光（266nm）的激发对于探测叶子的表面是必要的，因为许多生物学上重要的分子如叶绿素在可见光范围（400nmlt;lambda;lt;800nm）内激发时具有强烈的荧光发射。荧光横截面通常比拉曼散射截面大几个数量级，并掩盖任何潜在的拉曼光谱。基于拉曼峰值的偏移，拉曼谱带的半峰全宽（FWHM）比和标准化强度变化来分析拉曼光谱。为了鉴定化学物质，使用Spectral Library Search ID 301软件（Thermo Galactic）将具有平坦基线的测量的拉曼光谱（带波数和相对强度）与建立的文库中的光谱进行比较。命中质量指数（HQI）表示未知和特定库条目之间匹配的接近程度。使用的拉曼光谱库列于支持信息中。除了这些数据库之外，还记录了相关Pb化合物（包括固态相和水溶液）的拉曼光谱，以检查由于仪器功能可能产生的差异。关于使用RMS鉴定铅矿物的更多信息可以在其他地方找到^[12,37]。

统计数据处理。使用软件Statistica，Edition98（StatSoft Inc.，Tulsa，OK，USA），将获得的植物中铅的量用一个因子进行方差分析（ANOVA）。通过LSD Fisher测试测量显着差异[plt;0.05]。

结果和讨论

叶面积吸收量。大气沉降暴露0,13,23,34和43天后洗涤叶片中Pb的平均浓度分别为0.22plusmn;0.09,69plusmn;15,139plusmn;40,217plusmn;40,335plusmn;50mg.kg^-1干重（DW）。这些值都是显着不同的，铅浓缩作为时间的函数遵循线性定律，在暴露43天时没有平台：

在对照和暴露的植物之间没有观察到叶生物量的显着差异（43天后40plusmn;5gDW），并且尽管有一些坏死斑点，植物保持绿色和健康（见下文）。暴露和对照植物在43天后(分别为335plusmn;50和5plusmn;3mg.kg^-1，DW)叶片中总铅浓度的比较表明暴露的植物具有强烈的叶片铅摄取。在冶炼厂250和400米处种植的其他莴苣(本研究未调查)分别含有30和15mg.kg^-1，DW。因此，铅含量随着到冶炼厂的距离而变化很大。对可能受污染地点蔬菜中金属含量的报告进行的调查^[38]显示，随着取样地点和环境条件的变化，变异性很大。根据欧盟的消费要求^[4]，铅浓度不应超过0.3mgPb.kg^-1新鲜生物量，相当于我们研究中的3.26mgPb.kg^-1,DW(外露莴苣中DW达到10.85％)。因此，在植物庭院中暴露0.5天后达到该阈值。在对照植物中测量的相对高的铅含量可能来自土壤根系吸收。然而，后一种假设不太可能，因为控制土壤的选择是因为其相对较高的pH值(8.4)和碳酸盐含量(98g.kg^-1)，以尽量减少Pb的可用性^[17,39]和低铅含量。控制工厂中存在的铅更可能是由城市环境中的Pb污染引起的。

暴露后，未观察到盆中土壤中铅含量的变化(lt;30mgPb.kg^-1)。然而，这并不能证明Pb根吸收不会发生。假设对照植物中含有的铅仅来自底物(可能高估了土壤-根系转移)，根系吸收的铅量仅占叶片中43天暴露后测得的铅总量的1.5％。植物庭院。因此，相对于叶面吸收，Pb的土壤根系吸收可以忽略不计。总之，暴露植物

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