富營養化水體中鹽度對香蒲去除氮磷作用的影響

楊　潔,劉　波,劉小川,張　凱

(天津市水利科學研究院,天津　300061)

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富營養化水體中鹽度對香蒲去除氮磷作用的影響

楊潔,劉波,劉小川,張凱

(天津市水利科學研究院,天津300061)

富營養化;鹽度;氮;磷;生理指標;香蒲

水體富營養化是全球性的重大水環境問題。富營養化水體中富集大量的氮、磷等營養物質,可引起藻類及其他浮游生物迅速繁殖,水體溶解氧含量下降,水質惡化,魚類及其他生物大量死亡,導致水體生態環境急劇退化。隨著對富營養化水體生態系統研究的深入,人們逐漸認識到富營養化控制是一個典型的生態問題。按照生態效率原理(又稱1/10規律),食物鏈網越長,轉換損耗越多,因此取出原初生產物,對減少水體中營養鹽的效率就高,其中直接去除藻類和水生高等植物,對削減水體中營養物質的效率遠高于取出魚類等資源[1]。

水生高等植物是生態系統中重要的初級生產者,對富營養化水體中的營養物質具有吸附沉淀、吸收代謝、富集濃縮等多種功能。此外,水生植物還具有創造環境多樣性、保護生物多樣性的生態功能。水生植物的存在,有利于形成一個良好的水生態系統,并能在較長時間內保持水質的穩定性。因此,恢復和重建水生高等植物是富營養化水體治理和生態恢復的關鍵。

已有大量研究表明,水生植物對水中氮磷等營養物質的去除受植物種類[2]、光照、溫度、水體pH值、水位變化、水中營養鹽含量、底質條件等因素的影響。但在含鹽量高的富營養化水體中,除上述影響因素外,鹽度是植物生長最主要的限制因子。植物在鹽脅迫環境下,其生長發育及生理生化都會受到一定的影響,從而影響植物對水中營養物質的吸收和轉化。目前關于這方面的研究較少,因此,本研究針對含鹽量高的富營養化水體,選取淡水中常用的大型挺水植物香蒲(TyphaangustifoliaL.),評價香蒲對鹽的耐受性以及鹽脅迫對香蒲生理生態影響,探討富營養化水體中鹽度對香蒲去除水中氮磷的影響,為在濱海鹽堿地區富營養化水體的防治提供技術支撐。

1　材料與方法

1.1材料

試驗植物選用天津市北大港水庫的土著植物香蒲,選取高矮和粗壯程度相近的植株,種植在7 L并裝有2 kg石英砂的塑料桶中,每種植物栽植3～4桶,每桶4～5株,首先用1.5 L 1/2 Hoagland溶液[3]緩苗2周。

1.2試驗設計

1.2.1香蒲耐鹽性試驗

緩苗完成后,選擇生長基本一致、帶根的植株(平均高度為61 cm±3.2 cm),修剪整齊后種植在7 L并裝有2 kg石英砂的塑料桶進行鹽脅迫試驗。不同濃度的NaCl溶液采用NaCl與Hoagland溶液配制得到,設置4個鹽度梯度,分別為0.50%、1.00%、1.50%和2.00%。對照組(CK)不含有NaCl。上述每個處理組均設3個重復。脅迫期間每隔3 d換水1次,保持鹽溶液濃度的穩定。每天觀察和記錄植物的生長狀況,試驗周期為25 d?？紤]到挺水植物的景觀效果,因此在香蒲耐鹽性評價中根據植物的存活閾值[4](植物存活閾值是指植株生長在一定鹽濃度的土壤或水體中,植株死亡數超過50%時的土壤或水體的鹽濃度)來確定植物的耐鹽程度。

1.2.2鹽脅迫對植物去除水中氮磷影響試驗

1.2.3鹽脅迫對植物生理生化指標影響試驗

植物的鹽脅迫處理方法與1.2.1相同,設置4個鹽度,分別為0、0.30%、0.50%和1.00%,每個處理組設置3個重復。在植株受鹽脅迫的第2天、5天、8天、14天和第19天的上午8:00—9:00取植株3～5片成熟葉片的中上部,采樣后迅速帶回試驗室,用蒸餾水洗凈、擦干、稱重,然后測定葉綠素、丙二醛、脯氨酸和過氧化氫酶4種生理指標。

1.3分析方法

植物生理指標測定方法是,葉綠素:無水乙醇法(Amon法)提取并測定,由Lambert-Beer定律計算不同色素成分的含量[5];丙二醛(MDA):硫代巴比妥酸氧化法[6];脯氨酸(Pro):酸性印酸酮法[6]。

數據分析與處理采用Excel和SPSS13.0進行數據統計和分析。采用單因素方差分析法對不同配置處理組的水體處理效果進行顯著性差異分析,對不滿足方差齊性檢驗數據進行Dunnett’C檢驗。

2　結果與討論

2.1香蒲耐鹽能力評價

經觀察記錄,在0和0.50%鹽度下香蒲生長良好,無明顯脅迫癥狀。在1.00%的鹽度水平下,植株葉尖或葉緣有枯黃癥狀,但很快又長出新葉,且新葉生長良好。但在1.50%和2.00%的鹽度水平下,在脅迫的第一周植株葉片即表現出明顯的受害癥狀,大量葉片變黃、卷曲甚至死亡。所有植株在2.00%的鹽度水平下,在第一周內即全部死亡。經統計,在0.05%、0.50%和1.00%的鹽度下,香蒲存活率分別為98%、95%和68%。結合存活率的大小,香蒲的耐鹽存活閾值可達到1.00%。

2.2不同鹽度下香蒲對水中氮磷的去除效果

圖1　不同鹽度下香蒲對水中TN和-N的去除

富營養化水體中,水生植物系統對氮的去除主要通過植物的吸收和根際微生物的硝化和反硝化過程實現。從前述研究可以看到鹽度的增加影響了香蒲的正常生長。有研究[7-8]指出,鹽度作為一種非生物抑制劑,會影響植物根系正常生長以及根系分泌物的產生,而這些均會對根系微生物生長和新陳代謝產生顯著抑制作用。此外,大量Na+的存在對植物組織氨氮吸收也會產生顯著的抑制作用[9],從而導致高鹽度下香蒲對水中氮吸收效率下降。Brown 等[10]在研究中指出,逐漸增加的鹽度會顯著地抑制植物-土壤系統對總氮和無機氮的去除。Klomjek等[11]在其研究中也提出高鹽濃度是引起植物對水中氮去除效果較差的主要原因。

表1　不同鹽度下香蒲對水體中氮磷的去除率 　%

注:每列上的值表示在不同鹽度下對營養鹽的平均去除率,其中同一列上平均值后是相同的字母,則表示不同鹽度下植物對營養鹽去除率差異不顯著(p≥ 0.05),反之,差異顯著(p<0.05)。

與無植物空白組相比,香蒲在設定鹽度范圍內對水中TP具有顯著去除效果。19 d后,水體中TP質量濃度可由初始時的3.67 mg/L降到0.01 ～1.35 mg/L(圖2)。鹽度對香蒲去除TP的影響顯著(p<0.05)。0、0.30%、0.50%和1.00%鹽度下,TP的平均去除率分別為99.75%、97.38%、97.07%和63.34%(表1)。

圖2　不同鹽度下香蒲對水中TP的去除

種有水生植物的系統中,水體中磷的去除主要通過基質吸附和固化、植物吸收、微生物吸收和同化3種方式。本項研究表明香蒲對總磷具有較高的去除效率,可作為去除水中磷的先鋒物種。隨著水體中鹽度的增加,特別是當鹽度為1.00%時,水體中TP去除率顯著下降,分析原因,一方面是鹽度的增加影響了植物的正常生長,另一方面是對植物根際周圍的嗜磷菌對磷的吸收產生了抑制作用。

2.3不同鹽度下香蒲葉片中主要生理指標變化

2.3.1葉綠素含量的變化

葉綠體是植物進行光合作用的重要器官,其中葉綠素是葉綠體的重要組成部分,也是重要的光合作用物質。葉綠素含量的多少在一定程度上反映了植物光合作用的高低,從而影響植物的生長[12]。

由圖3可以看出,鹽脅迫對香蒲的葉綠體結構造成了一定程度的傷害,鹽脅迫下香蒲葉片組織中葉綠素含量較對照顯著下降。此外,在NaCl脅迫條件下,香蒲葉片組織中葉綠素含量隨時間呈先上升后下降的趨勢,脅迫第19天時, 0.30%、0.50%和1.00%鹽度水平下,葉片組織中葉綠素含量分別較對照下降了42.3%、49.4%和59.6%。這說明香蒲葉片組織中葉綠體對NaCl脅迫反應是非常敏感,葉綠素含量可作為香蒲在鹽脅迫下的一個重要的檢測指標。

注:指植物濕重情況下的ρ(Chl-a)。圖3　不同鹽度下香蒲葉片中葉綠素含量變化

2.3.2脯氨酸含量的變化

圖4為不同鹽度下香蒲葉片組織中脯氨酸含量隨脅迫時間的變化情況。從圖4可知,當鹽度小于0.50%時,植物組織內脯氨酸含量隨鹽度增加和脅迫時間的延長變化不大,但當鹽度增加到1.00% 時,葉片組織內的脯氨酸含量激增,脅迫至第8天時最高,含量較對照增加了58.8%,再延長脅迫時間葉片組織中脯氨酸含量呈緩慢下降趨勢,至第19天仍較對照增加了24%。植物對鹽害的響應機制之一就是迅速產生小分子相溶性有機物來調節滲透脅迫[13-14]。其中脯氨酸是許多植物在鹽脅迫下產生比較廣泛的相溶性小分子有機物質。脯氨酸的積累是植物抵抗滲透脅迫的一種有效的保護性措施,保護酶和膜系統免受毒害。在較高鹽度(1.00%)脅迫下,脯氨酸含量明顯升高,說明香蒲會通過積累脯氨酸來調節體內細胞的滲透勢,從而緩解鹽脅迫對其造成的傷害。有研究[15]指出,在通常情況下,僅當培養液中鹽濃度達到一定閾值時,植物體內才開始積累脯氨酸。對于香蒲而言,其NaCl脅迫下的閾值為1.00%,這與前述2.1中通過香蒲外部形態特征得到的耐鹽存活閾值相吻合。

注:指植物濕重情況下的脯氨酸含量。圖4　不同鹽度下香蒲葉片中脯氨酸含量變化

2.3.3丙二醛(MDA)含量的變化

在鹽脅迫下,植物在葉綠體和線粒體內會產生大量的氧自由基,如過氧化氫和氫氧基等,過剩自由基的毒害之一是引發或加劇膜質過氧化作用,造成細胞膜系統損傷,嚴重時會導致植物細胞的死亡。丙二醛(MDA)是一種膜脂過氧化的產物。有研究[16-17]表明,其含量與細胞膜系統的傷害程度有密切關系,植物在逆境脅迫或衰老過程中,隨著脅迫強度的加大,MDA含量會逐漸升高。

圖5為不同鹽度下香蒲葉片組織中丙二醛含量隨脅迫時間的變化情況。在低鹽條件(0.30%)下,香蒲葉片中丙二醛含量與對照相比沒有明顯差異。當鹽度為0.50%時,丙二醛含量隨脅迫時間呈先上升后下降并趨于穩定的趨勢,第5天時丙二醛達到2.54 μmol/g(植物濕重情況下),較對照增加了106%,隨后急劇下降并趨于穩定,至脅迫第11天,與對照相比差別不大。說明香蒲在該鹽度下存在應激反應和適應過程,可以通過自我修復來抵抗鹽害。但當鹽度增加到1.00%時,香蒲葉片組織中的丙二醛含量在脅迫初始的第2天就急劇上升,為3.25 μmol/g(植物濕重情況下),較對照增加了175%。隨著脅迫時間的增加,丙二醛含量有所下降,但下降幅度不大,一直保持在2.15～2.64 μmol/g(植物濕重情況下),比對照增加了59.3%～95.6%。說明在該鹽度下,香蒲的細胞膜系統受到傷害。這也解釋了為什么在1.00% NaCl脅迫下香蒲生長情況和對水中氮磷的去除效果顯著下降。

注:指植物濕重情況下的丙二醛含量。圖5　不同鹽度下香蒲葉片中丙二醛MDA含量變化

3　結　論

a. 香蒲能耐受一定的鹽度,當鹽度不大于1.00%時,香蒲可正常生長、繁殖。香蒲的耐鹽存活閾值為1.00%。在0、0.50%和1.00%的鹽度下,香蒲存活率分別為98%、95%和68%。

c. 香蒲葉片組織中葉綠體對NaCl脅迫反應最敏感,鹽脅迫下香蒲葉片組織中葉綠素含量均較對照顯著下降。當鹽度小于0.50%時,香蒲可以通過自我修復來抵抗鹽害,植物組織內脯氨酸和丙二醛含量隨鹽度增加和脅迫時間的延長變化不大。

d. 在較高鹽度(1.00%)脅迫下,香蒲會通過積累脯氨酸來調節體內細胞的滲透勢。但葉片組織中丙二醛含量顯著增加,植物葉片組織的細胞膜系統受到傷害,解釋了在1.00%NaCl脅迫下香蒲生長情況和對水中氮磷的去除效果顯著下降的原因。

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10.3880/j.issn.1004-6933.2016.05.012

國家“十二五”水專項(2012ZX07203-002);天津市水務局科技項目(KY2015-03)

楊潔(1979—),女,高級工程師,博士,主要從事水環境治理及生態修復研究。E-mail:yj@tjhri.com

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1004-6933(2016)05-0058-05

2015-11-30編輯：彭桃英)