劍湖濕地微齒眼子菜對(duì)環(huán)境氮素變化的響應(yīng)

李雪梅　馬長(zhǎng)樂(lè)　敖新宇等

摘要：為了了解劍湖濕地沉水植物微齒眼子菜（Potamogeton maackianus A. Benn）對(duì)環(huán)境氮素的利用情況，測(cè)定了不同銨態(tài)氮和硝態(tài)氮脅迫下微齒眼子菜對(duì)環(huán)境氮素的響應(yīng)。結(jié)果表明，微齒眼子菜在0～80 mg/L NH4Cl和0～320 mg/L的KNO3環(huán)境中均能正常生長(zhǎng)，且外觀(guān)無(wú)明顯變化；對(duì)銨態(tài)氮、硝態(tài)氮具有較強(qiáng)的吸收能力，且對(duì)銨態(tài)氮的吸收能力優(yōu)于硝態(tài)氮；根據(jù)微齒眼子菜對(duì)環(huán)境氮素的響應(yīng)可以看出，微齒眼子菜是一種較好的耐受氮、吸收氮和轉(zhuǎn)化氮的水體生態(tài)修復(fù)植物。

關(guān)鍵詞：微齒眼子菜（Potamogeton maackianus A. Benn）；總氮；銨態(tài)氮；硝態(tài)氮

中圖分類(lèi)號(hào)：S682.32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）07-1522-03

水體中天然存在的各類(lèi)水生植物不但可以消耗大量造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的N、P等物質(zhì)，而且還會(huì)干擾藻類(lèi)物質(zhì)的生長(zhǎng)，因而水生植物可作為水體恢復(fù)與重建的重要手段[1，2]。微齒眼子菜（Potamogeton maackianus A. Benn）是一種廣泛存在的沉水植物，由于其沉水生長(zhǎng)，對(duì)水質(zhì)變化的感應(yīng)敏銳，且極易成活，因而受到人們的關(guān)注[3，4]。

劍湖位于云南省大理州劍川縣城東南3 km處，海拔2 186 m，屬云南省重要的高原濕地[5]。本研究選擇劍湖優(yōu)勢(shì)沉水植物微齒眼子菜作為受試植物進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)，研究不同銨態(tài)氮和硝態(tài)氮脅迫下微齒眼子菜對(duì)環(huán)境氮素的利用能力，為將沉水植物應(yīng)用于水體的恢復(fù)與重建提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試水生植物：微齒眼子菜，于2011年6月采自云南大理劍川劍湖，為生長(zhǎng)較好的整體株。

供試試劑：50%的酒石酸鉀鈉溶液、納氏試劑、pH 1的H2SO4溶液、5%水楊酸、8%氫氧化鈉溶液、0.1 mmol/L pH 7.5的磷酸緩沖溶液、1%對(duì)氨基苯磺胺溶液、濃硫酸、0.02%萘基乙烯胺溶液、NaNO2、Na2HPO4·12H2O、NaH2PO4·12H2O、KNO3、HCl、K2SO4、三氯乙酸、石英砂均為分析純。

供試儀器：0408-1型臺(tái)式低速離心機(jī)，上海醫(yī)療器械（集團(tuán)）有限公司手術(shù)器械廠(chǎng)；Kjeltec 2300型全自動(dòng)凱氏定氮儀，瑞典FOSS TECATOR公司；WFJ 7200型可見(jiàn)分光光度計(jì)，尤尼柯（上海）儀器有限公司。

1.2 微齒眼子菜的耐受處理

先用自來(lái)水將植株表面洗凈，種入底層為沙土的桶中，加水約35 cm深，分別加入不同量的銨態(tài)氮（NH4Cl）、硝態(tài)氮（KNO3）進(jìn)行耐受處理。設(shè)置NH4Cl的濃度分別為0、5、10、20、40、80 mg/L， KNO3的濃度分別為0、20、40、60、80、100、160、320 mg/L對(duì)植株進(jìn)行耐受試驗(yàn)，每個(gè)試驗(yàn)桶裝有大小一致的微齒眼子菜30株左右，耐受15 d后收集植株，經(jīng)冼凈、剪碎、混勻制得樣品。對(duì)該樣品進(jìn)行硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、總氮含量測(cè)定。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 硝態(tài)氮含量測(cè)定 稱(chēng)取2.0 g樣品置于試管中，加入10 mL的去離子水，置于沸水浴中提取30 min，將提取液轉(zhuǎn)入25 mL容量瓶中，然后繼續(xù)用適量去離子水沖洗殘?jiān)瑵?rùn)洗液一并轉(zhuǎn)入容量瓶，定容，搖勻。取樣品提取液1 mL，按鄒琦[6]的方法進(jìn)行硝態(tài)氮測(cè)定，平行測(cè)定3次。樣品中硝態(tài)氮含量（μg/g）=D1×樣品提取液總量（mL）/[樣品鮮重（g）×測(cè)定時(shí)樣品液用量（mL）]，D1為從標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)查得的硝態(tài)氮的含量（μg）。

1.3.2 亞硝態(tài)氮含量測(cè)定 稱(chēng)取2.0 g樣品置于研缽中，加入9 mL PBS、1 mL三氯乙酸和少量石英砂研成勻漿，轉(zhuǎn)移至離心管中4 000 r/min離心10 min，吸取上清液2 mL于干凈的試管中。取上清液1 mL，按鄒琦[6]的方法進(jìn)行亞硝態(tài)氮測(cè)定，平行測(cè)定3次。樣品中亞硝態(tài)氮含量（μg/g）=D2×樣品提取液總量（mL）/[樣品鮮重（g）×測(cè)定時(shí)樣品液用量（mL）]，D2為從標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)查得的亞硝態(tài)氮的含量（μg）。

1.3.3 銨態(tài)氮含量測(cè)定 稱(chēng)取2.0 g樣品置于研缽中，加入pH 1的H2SO4研細(xì)，3 500 r/min離心20 min，取上清液定容至100 mL，然后按納氏試劑比色法進(jìn)行測(cè)定[7]，平行測(cè)定3次。樣品中銨態(tài)氮含量（μg/g）=D3×提取液總量（mL）/[樣品鮮重（g）×測(cè)定時(shí)樣品液用量（mL）]，D3為從標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)查得的銨態(tài)氮的含量（μg）。

1.3.4 植物中總氮含量測(cè)定 稱(chēng)取0.1 g樣品放入消化管中，加入5.0 g的K2SO4和8 mL濃硫酸后進(jìn)行消化。消化好的樣品按凱氏定氮法[8]測(cè)定總氮含量，平行測(cè)定3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度下微齒眼子菜總氮含量的變化

在不同銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度下微齒眼子菜總氮含量的變化如圖1所示。從圖1可以看出，與對(duì)照組相比，隨著環(huán)境銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度的升高，微齒眼子菜總氮含量整體呈升高趨勢(shì)，但變化不明顯。由此可見(jiàn)，在不同濃度的環(huán)境銨態(tài)氮和硝態(tài)氮脅迫下，微齒眼子菜的總氮含量差異不明顯。

2.2 不同銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度下微齒眼子菜硝態(tài)氮含量的變化

在不同銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度下微齒眼子菜硝態(tài)氮含量的變化如圖2所示。隨著環(huán)境銨態(tài)氮含量的升高，微齒眼子菜的硝態(tài)氮含量先升高后有所下降。在無(wú)硝態(tài)氮存在的環(huán)境中，植物硝態(tài)氮含量的高低在一定程度上反映了植物對(duì)硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化能力的強(qiáng)弱，植物中硝態(tài)氮含量越低，則說(shuō)明該植物轉(zhuǎn)化硝態(tài)氮的能力越強(qiáng)。由圖2可以看出，當(dāng)環(huán)境中NH4Cl濃度在0～20 mg/L時(shí)，植物體內(nèi)硝態(tài)氮含量較高，說(shuō)明此范圍內(nèi)環(huán)境銨態(tài)氮對(duì)植物轉(zhuǎn)化硝態(tài)氮的能力有一定抑制作用，但環(huán)境中銨態(tài)氮含量繼續(xù)升高時(shí)，植株對(duì)硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化能力有一定恢復(fù)。

硝態(tài)氮為植物體可直接吸收的氮源，當(dāng)植物吸收環(huán)境中的硝態(tài)氮后，其一部分會(huì)在硝酸還原酶和亞硝酸還原酶催化下轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮[9]，另一部分則貯存于植物體內(nèi)。從圖2可以看出，當(dāng)環(huán)境KNO3濃度為40 mg/L時(shí)，植物體會(huì)將吸收的硝態(tài)氮迅速轉(zhuǎn)化，所以植物體內(nèi)硝態(tài)氮含量呈下降趨勢(shì)，但當(dāng)環(huán)境硝態(tài)氮濃度進(jìn)一步升高時(shí)，植物貯存的硝態(tài)氮量大于其轉(zhuǎn)化量，導(dǎo)致植物體中硝態(tài)氮含量迅速升高，但環(huán)境硝態(tài)氮濃度過(guò)高時(shí)，其會(huì)造成環(huán)境滲透壓增大，植株反而難以吸收硝態(tài)氮，由此可見(jiàn)，當(dāng)環(huán)境中KNO3濃度為80～160 mg/L時(shí)，微齒眼子菜的硝態(tài)氮含量較高，說(shuō)明此濃度范圍內(nèi)微齒眼子菜對(duì)硝態(tài)氮的吸收能力較強(qiáng)。

2.3 不同銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度下微齒眼子菜亞硝態(tài)氮含量的變化

圖3為不同銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度下微齒眼子菜亞硝態(tài)氮含量變化。銨態(tài)氮為植物可直接利用制備氨基酸的氮源，而硝態(tài)氮不能被植物直接利用，亞硝態(tài)氮是植物體利用硝態(tài)氮時(shí)代謝的中間產(chǎn)物[10]。由圖3可以看出，在環(huán)境銨態(tài)氮脅迫下，隨著環(huán)境銨態(tài)氮濃度的升高，植物中亞硝基氮含量明顯減少；而在硝態(tài)氮脅迫下，植株中亞硝態(tài)氮含量隨環(huán)境硝態(tài)氮濃度的升高而增加，這也說(shuō)明微齒眼子菜在銨態(tài)氮脅迫下會(huì)優(yōu)先吸收環(huán)境中銨態(tài)氮；而在硝態(tài)氮脅迫下，由于只能利用環(huán)境中的硝態(tài)氮，造成植物體內(nèi)亞硝態(tài)氮含量升高。而且從圖3中還可以看出，微齒眼子菜對(duì)環(huán)境中的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮都有較強(qiáng)的吸收能力。

2.4 不同銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度下微齒眼子菜銨態(tài)氮含量的變化

在不同銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度下微齒眼子菜中銨態(tài)氮含量的變化如圖4。從圖4可以看出，隨著環(huán)境銨態(tài)氮濃度的升高，微齒眼子菜銨態(tài)氮含量迅速升高，當(dāng)環(huán)境NH4Cl濃度為80 mg/L時(shí)，植物體銨態(tài)氮含量達(dá)到750 μg/g，是對(duì)照組銨態(tài)氮含量的7倍。由此可見(jiàn)，微齒眼子菜對(duì)環(huán)境銨態(tài)氮的吸收和保存能力較強(qiáng)。

隨著環(huán)境硝態(tài)氮濃度的升高，微齒眼子菜銨態(tài)氮含量先降低后升高，當(dāng)環(huán)境KNO3含量在20～100 mg/L時(shí)，植物體內(nèi)銨態(tài)氮含量比未加硝態(tài)氮脅迫的對(duì)照組還低。理論上，植物體對(duì)硝態(tài)氮能夠直接吸收，在硝酸還原酶及亞硝酸還原酶的作用下，其會(huì)轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，所以硝態(tài)氮脅迫下，植物體內(nèi)銨態(tài)氮含量應(yīng)高于對(duì)照組，但從銨態(tài)氮的利用角度看，其會(huì)在谷氨酰胺合成酶作用下進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)，在活的植物體內(nèi)，這一系列的轉(zhuǎn)化是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，當(dāng)植物體吸收大量硝態(tài)氮時(shí)，這一平衡會(huì)打破，促使植物體大量利用銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)。結(jié)合圖3可知，在20～100 mg/L KNO3脅迫下，微齒眼子菜對(duì)硝態(tài)氮有較強(qiáng)的轉(zhuǎn)化能力。

3 小結(jié)與討論

微齒眼子菜在0～80 mg/L NH4Cl和0～320 mg/L KNO3環(huán)境中均能正常生長(zhǎng)，且外觀(guān)無(wú)明顯變化。從試驗(yàn)結(jié)果看，在不同濃度的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮脅迫下，微齒眼子菜體內(nèi)總氮含量均無(wú)明顯差異，但在銨態(tài)氮脅迫下，隨銨態(tài)氮濃度的升高，其體內(nèi)的硝態(tài)氮含量略有升高，銨態(tài)氮含量迅速升高，而亞硝態(tài)氮含量明顯下降，這說(shuō)明微齒眼子菜對(duì)銨態(tài)氮有較強(qiáng)的吸收能力，且其會(huì)對(duì)銨態(tài)氮優(yōu)先吸收；在不同濃度的硝態(tài)氮脅迫下，微齒眼子菜體內(nèi)亞硝態(tài)氮含量有所升高，銨態(tài)氮含量有所下降，而當(dāng)環(huán)境KNO3濃度為0～40 mg/L時(shí)，微齒眼子菜體內(nèi)硝態(tài)氮含量隨硝態(tài)氮濃度升高而降低，大于40 mg/L后，植物體內(nèi)硝態(tài)氮含量較對(duì)照略有升高，這說(shuō)明微齒眼子菜對(duì)硝態(tài)氮有一定的貯藏和轉(zhuǎn)化能力，適當(dāng)調(diào)節(jié)環(huán)境硝態(tài)氮含量可提高微齒眼子菜對(duì)硝態(tài)氮的吸收和轉(zhuǎn)化能力。綜合考慮微齒眼子菜對(duì)環(huán)境氮素的響應(yīng)可以看出，微齒眼子菜是一種較好的耐受氮、吸收和轉(zhuǎn)化氮的水體生態(tài)修復(fù)植物。

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