水生植物對冬季富營養(yǎng)化水體的生態(tài)效應

水生植物對冬季富營養(yǎng)化水體的生態(tài)效應

在中國的許多地區(qū)，水系污染非常嚴重，尤其是氮和磷等養(yǎng)分污染。豐富、豐富、營養(yǎng)豐富是中國湖泊、河流等主要環(huán)境和生態(tài)問題之一。如何改善水質(zhì)，建立穩(wěn)定的水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)是研究的重點。國內(nèi)外對利用水生植物治理水體污染和凈化水質(zhì)的研究較多,如澤瀉等5種植物對富營養(yǎng)化水體具有良好的凈化效果,植物在不同程度的富營養(yǎng)化水體中其凈化能力不同等。大量研究已證明,植物修復去除N、P具有明顯的效果,可以用于富營養(yǎng)化湖泊、河道生活污水等方面的處理。目前植物對富營養(yǎng)化水體凈化的機理研究包括植物的直接吸收、物理化學作用、微生物的新陳代謝和吞噬降解作用以及酶的作用等,這些報道研究的時間一般在植物的生長旺期。雖然在較高的溫度條件下,植物對富營養(yǎng)化水體中的養(yǎng)分吸收量大,改善環(huán)境的效果明顯,但如果低溫季節(jié)水體中的營養(yǎng)元素積累過量,對富營養(yǎng)化水體的后期處理將帶來困難。另外,目前大部分地區(qū)應用的水生植物多為一年生,這些植物冬季枯萎,容易造成水體的二次污染。因此,選擇周年能生長的水生植物對富營養(yǎng)化水體的修復十分必要,但目前這方面的研究報道甚少。作者根據(jù)浙江省的氣候環(huán)境條件,選擇了部分在本地低溫季節(jié)常綠的植物,對它們進行生態(tài)和生理適應性等方面的試驗,以篩選在水域中能周年生長的植物種類。本文選擇其中的4種水生植物,利用人工模擬自然條件的方法,研究它們在富營養(yǎng)化水體中有關生理生化指標的變化及其生態(tài)效應,為冬季富營養(yǎng)化水體的植物修復提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1實驗室天胡哌等供試材料采自浙江萬里學院生物與環(huán)境學院水(濕)生植物試驗基地,采集生長健壯的4種水生植物:穗花狐尾藻(MyriophyllumspicatumLinn.)、盾葉天胡荽(HydrocotylevulgarisLinn.)、水龍(JussiaearepensLinn.)和荇菜(Nymphoidespeltatum(Gmel.)O.Kuntze.)。采集后立即帶回實驗室。供試水樣采于寧波市鄞州區(qū)下應村周邊河道,為增加水樣中的N、P含量,水樣中加入0.018mg·mL-1的NH4HCO3和0.113mg·mL-1的KH2PO3,處理后的富營養(yǎng)化水樣中總氮為12.228mg·mL-1,總磷為0.880mg·mL-1,pH為7.23。1.2樣品的采集和測定試驗在浙江萬里學院生物與環(huán)境學院中心實驗室進行,試驗時間為2006年12月25日至2007年1月25日。采集的植物用自來水充分沖洗,去除泥土和枯黃葉等。選取健壯、大小一致的植物100~300株,在自來水中先養(yǎng)植5d,然后移植于12.5L的半透明水桶中。桶的高度為75cm,用洗凈的鵝卵石將植物固定,每桶加富營養(yǎng)化水7.5L。研究水生植物的生態(tài)效應時以未種植植物水桶中的水為對照,其余每個桶種植的植物平均重量為500g。以1個水桶為1個處理,重復3次。從2007年1月1日開始,每隔5d進行植物和水的采樣。每種植物采25~30g,在每個水桶的東、南、西和北4個方向不同部位取樣,采植物中部的葉片,取后裝入塑料袋并扎口,立即置于-20℃的冰箱中備用。參照中國科學院植物生理所和上海市植物生理學會的方法測定葉綠素和可溶性蛋白質(zhì)含量,參照湯章城的方法測定丙二醛(MDA)含量,參照郝再彬和蒼晶的方法測定過氧化氫酶(CAT)活性、過氧化物酶(POD)活性和超氧化物岐化酶(SOD)活性。以上所有步驟均在4℃下操作。SOD以酶液抑制50%腎上腺素還原為一個活力單位/U,POD、CAT活性均以每min0.01吸光度的變化為一個活力單位/U,所有植物在未種植至富營養(yǎng)化水體前測定1次葉綠素、可溶性蛋白質(zhì)、MDA含量、CAT、POD和SOD活性作為對照。水樣采集時在每個水桶的東、南、西和北4個方向0、15、30cm不同深度取得,每次采集的水樣為200mL,取樣后立即測定5日生化需氧量(BOD5)、化學需氧量(COD)和濁度。BOD5采用稀釋接種法測定,COD采用改良堿性高錳酸鉀法(GB11914-89)測定,濁度采用濁度儀測定,用過硫酸鉀分光光度法測定總氮以及鉬銻抗分光光度法測定總磷,以未種植植物的富營養(yǎng)化水中的BOD5、COD、濁度、總氮和總磷為對照。所獲得的數(shù)據(jù)用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行統(tǒng)計分析。試驗期間觀察植株的形態(tài)特征變化。試驗期間日平均溫度:0~15d為9~11℃;16~25d為5~7℃;試驗植株置于室外,遇下雨天移入室內(nèi)。每天上午定時添加蒸餾水以補充由于蒸發(fā)和植物蒸騰作用所散失的水分。2結果與分析2.1不同植物對富營養(yǎng)化水體的處理2.1.1急劇下降至20d水回用試驗前期穗花狐尾藻、盾葉天胡荽、水龍和荇菜對COD的去除比較緩慢,試驗5d后COD急劇下降,至20d水中的COD去除率分別為79.86%、77.50%、75.58%和72.56%;但至試驗結束,種植盾葉天胡荽、水龍和荇菜的水COD值又略升高,而種植穗花狐尾藻的水COD繼續(xù)下降,4種植物至試驗結束時水中COD都顯著低于對照(圖1)。2.1.2水中bod5的去除與COD的變化相似,試驗前期,穗花狐尾藻、盾葉天胡荽、水龍和荇菜對BOD5去除比較緩慢,但5d以后BOD5逐漸下降,其中5~10d下降最為顯著,至10d時水中的BOD5去除率已經(jīng)達到64.94%、47.81%、54.39%和46.57%,以后BOD5下降比較緩慢,至20d時達到77.40%、76.41%、78.23%和73.45%;但至試驗結束時種植盾葉天胡荽、水龍和荇菜的水其BOD5也略升高,而種植穗花狐尾藻的水其BOD5繼續(xù)下降,4種植物至試驗結束時水中BOD5都顯著低于對照(圖2)。2.1.3水濁度的改善試驗前中期種植4種植物的富營養(yǎng)化水的濁度下降梯度比較均勻,其中穗花狐尾藻對水濁度的改善比較明顯,至試驗結束時水的濁度為試驗前的40.55%;而盾葉天胡荽、水龍和荇菜至試驗20d時水濁度分別為試驗前的54.21%、64.09%和61.18%,但至試驗結束時水中濁度升高,與對照差異不明顯(圖3)。2.1.4總磷、總氮的去除與對照比較,試驗期間4種植物對氮和磷的吸收比較明顯,其中以穗花狐尾藻吸收量最大,至試驗結束時水中總氮的去除率為80.39%,總磷去除率為69.80%;而種植盾葉天胡荽、水龍和荇菜至試驗結束時水中總氮去除率分別為46.45%、48.01%和45.59%,總磷去除率分別為52.12%、50.85%和34.29%;試驗后期種植3種植物后水中總氮和總磷略有上升,可能由于3種植物后期部分葉片枯萎釋放了部分氮和磷(圖4,圖5)。2.2富營養(yǎng)化水體對植物生長和葉色的影響2.2.1植物黃現(xiàn)象試驗0~15d,日平均溫度9~11℃,植物生長良好,未發(fā)現(xiàn)葉片變黃現(xiàn)象,4種植物都有部分新葉萌發(fā);試驗16~25d,日平均溫度5~7℃,穗花狐尾藻仍然生長健壯,葉色濃綠,而盾葉天胡荽、水龍和荇菜基部葉片少數(shù)變黃,甚至有葉片枯死現(xiàn)象,表明這3種植物有不同程度的凍害。2.2.2菜、瞳葉天胡哌試驗穗花狐尾藻、盾葉天胡荽、荇菜和水龍試驗前期葉綠素a迅速提高,都顯著或極顯著高于對照;但荇菜、水龍和盾葉天胡荽試驗5d后逐漸下降,其中荇菜和水龍15d時葉綠素a已至試驗前水平,以后變化不顯著;盾葉天胡荽試驗20d時恢復至試驗前水平;穗花狐尾藻試驗15d后葉綠素a下降,試驗結束時恢復至試驗前水平(表1)。2.2.3水和菜下降的原因穗花狐尾藻、盾葉天胡荽、荇菜和水龍試驗前期葉綠素b含量顯著或極顯著上升,水龍和荇菜在試驗5d后逐漸下降,至試驗15d時與試驗前相比無顯著差異,以后變化不明顯;盾葉天胡荽和穗花狐尾藻試驗期間葉綠素b都顯著或極顯著高于試驗前水平(表2)。2.2.4葉綠素a/b的變化穗花狐尾藻和水龍在試驗5~15d、荇菜在試驗5d、盾葉天胡荽在試驗10d時葉綠素a/b顯著或極顯著高于試驗前水平,其他時期差異不顯著(表3)。2.3富營養(yǎng)化水體對各種植物的可溶性蛋白和mda含量的影響2.3.1水直播后2周內(nèi)菜試驗試驗期間4種植物葉片的MDA含量都有不同程度的下降,其中穗花狐尾藻和盾葉天胡荽下降最為顯著,至試驗結束時分別比試驗前低68.02%和38.09%;荇菜試驗前期開始下降,至第10d下降至最低值,以后逐漸上升,至試驗結束時與試驗前差異不明顯;水龍試驗后5d下降至最低值,以后變化不明顯,至試驗結束比對照下降39.50%(圖6)。表明富營養(yǎng)化水體能增強細胞膜系統(tǒng)的抵抗能力。2.3.2可溶性蛋白質(zhì)含量4種植物葉片的可溶性蛋白質(zhì)含量變化趨勢十分相似,試驗后都逐漸上升,至10~15d時到達各自的最高峰值,以后逐漸下降,至試驗結束時與對照差異不顯著;但植物之間差異較大,其中荇菜的可溶性蛋白質(zhì)含量的變化最為顯著,最高峰值比對照高411.61%,其次為盾葉天胡荽,最高峰值高于對照98.45%,變化較小的為水龍,最高峰值高于對照27.36%(圖7)。表明富營養(yǎng)化水體有利于植物葉片蛋白質(zhì)的合成。2.4富營養(yǎng)化水體對不同植物如cat、pod和sod的酶活性的影響2.4.1穗花合作尾藻活性試驗期間4種植物葉片CAT活性的變化十分顯著。未處理前4種植物的葉片CAT活性極低,分別只有0.52~1.34U·mg-1protein,試驗后在較短的時間內(nèi)都迅速提高,其中穗花狐尾藻試驗期間其活性一直上升,至試驗結束CAT活性比對照高120.54U·mg-1protein;荇菜、盾葉天胡荽和水龍試驗后開始上升,但試驗后期有所下降,最高值分別比對照高115.95、91.68和117.91U·mg-1protein,試驗結束時比對照高85.82、17.88和3.31U·mg-1protein(圖8),表明植物在富營養(yǎng)化水體中CAT對提高抗性起著極其重要的作用。2.4.2植物過氧化物酶活性與CAT變化相似,試驗前4種植物葉片中POD活性較低,分別只有0.66~2.33U·mg-1protein,試驗期間4種植物過氧化物酶活性在5~10d內(nèi)上升至最高峰值,水龍、穗花狐尾藻、荇菜和盾葉天胡荽最高峰值分別比對照高534.93%、369.76%、319.92%和240.33%,以后4種植物葉片中的POD都分別有所下降,試驗結束時與試驗前差異不顯著(圖9)。2.4.3rote試驗結果4種植物葉片內(nèi)SOD活性很低,分別只有0.001~0.030U·mg-1protein,試驗后顯著提高,在第5~15d達到最高峰值,以后逐漸下降,穗花狐尾藻、水龍、盾葉天胡荽和荇菜最高峰值分別比對照高929.94%、447.37%、194.19%和129.31%,試驗結束時與試驗前差異不顯著(圖10)。3植物體對自身活性的影響試驗前中期雖然平均氣溫只有10℃左右,但穗花狐尾藻、水龍、盾葉天胡荽和荇菜生長良好,植物葉片中的葉綠素a和葉綠素b含量顯著提高。由于葉綠素在光合作用中起到吸收光能、傳遞光能等作用,因此葉綠素的含量與植物的光合速率密切相關,在一定范圍內(nèi),光合速率隨葉綠素含量的增加而升高。另外,在一定時期內(nèi),4種植物的葉綠素a/b有所上升,可能提高了冬季植株對較弱光環(huán)境的適應能力。由此可見,雖然植物生理機能在低溫季節(jié)處于相對不活躍狀態(tài),對營養(yǎng)的吸收和光合作用等較弱,但在豐富的營養(yǎng)環(huán)境中,植物的光合作用能力增強。試驗表明,4種植物在富營養(yǎng)化水體中都具有較好的生態(tài)效應,尤其在試驗的前20d,4種植物對富營養(yǎng)化水體中的COD和BOD5去除率分別達到70%以上,去氮和去磷的效果明顯,濁度下降,生態(tài)效應良好。但在試驗后期,日平均溫度降至5℃左右時,水龍、盾葉天胡荽和荇菜下部少數(shù)葉片由于凍害變黃,對水體造成了二次污染,濁度、COD和BOD5有上升趨勢。植物體內(nèi)的可溶性蛋白質(zhì)大多數(shù)是參與各種代謝的酶類,測其含量是了解植物體總代謝的一個重要指標。因此,可用植物體內(nèi)的可溶性蛋白質(zhì)的含量判定污水對植物生理的影響狀況。本研究表明,盡管為低溫季節(jié),但在一定時期內(nèi),4種植物的可溶性蛋白質(zhì)含量顯著上升,表明富營養(yǎng)化水體加強了新陳代謝,有利于植物蛋白質(zhì)合成。另外,常綠植物在低溫季節(jié),往往由于凍害造成細胞膜的傷害而發(fā)生膜脂過氧化作用,MDA是膜脂過氧化最終分解產(chǎn)物之一,其含量可以反映植物遭受傷害的程度。在本試驗前中期,由于水體中的N、P含量很高,4種植物蛋白質(zhì)合成增強,MDA減少,膜脂過氧化減弱,提高了植物的耐性;后期由于水中N、P含量降低,植物的光合作用、有機物合成水平下降,因此葉片中蛋白質(zhì)含量逐漸下降,而葉片中的MDA含量增加,表明植物的抗性下降。CAT可以清除H2O2,是植物體內(nèi)重要的酶促防御系統(tǒng)之一,因此,植物組織中CAT活性與植物的抗逆性密切相關;POD是植物體內(nèi)普通存在的、活性較高的一種酶,它與呼吸作用、光和作用及生長速度的氧化等都有密切關系,在植物生長發(fā)育過程中,它的活性不斷發(fā)生變化,因此測量這種酶,可以反應某一時期植物體內(nèi)代謝的變化;SOD是機體細胞抵御氧化損傷最重要的酶類之一,植物正常代謝過程和在各種環(huán)境脅迫下均能產(chǎn)生活性氧和自由基,活性氧和自由基的積累引起細胞結構的破壞,SOD的主要功能是清除體內(nèi)有氧代謝所產(chǎn)生的超氧自由基(O2?ˉ)(Ο2?ˉ),是活性氧清除系統(tǒng)中第一個發(fā)揮作用的抗氧化酶。本試驗表明,4種植物原來體內(nèi)的3種酶的活性都極低,但在富營養(yǎng)化水體中短期內(nèi)顯著增強,尤其CAT的活性上升最為顯著