不同水生植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體無(wú)機(jī)氮吸收動(dòng)力學(xué)特征*

張貴龍，趙建寧，劉紅梅，秦 偉，吳鈺明，楊殿林

(1:農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191)

(2:蘇州市農(nóng)業(yè)委員會(huì)，蘇州 215128)

(3:蘇州市相城區(qū)虞河蔬菜產(chǎn)銷專業(yè)合作社，蘇州 215155)

水生植物具有發(fā)達(dá)的通氣組織，能夠在水中完成對(duì)氮素的吸收、轉(zhuǎn)化和富集，可有效去除水體中的氮素養(yǎng)分.研究和揭示水生植物的氮素營(yíng)養(yǎng)鹽吸收特性，對(duì)于篩選氮高效吸附植物品種，實(shí)現(xiàn)水體的生態(tài)凈化具有積極意義.水生植物去除氮素的機(jī)理主要包括吸收同化、微生物降解、微環(huán)境的硝化和反硝化作用等，其中，依靠植物體直接吸收利用被認(rèn)為是氮素去除的重要機(jī)制，研究表明單位面積(1 m2)垂花水竹芋(Thalia dealbata)一個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)可吸收60.9 g 氮[1]，水罌粟、黃花水龍和大聚藻等[2]水生植物對(duì)水質(zhì)氮的去除率達(dá)36.3% ～91.8%，氮的吸收貢獻(xiàn)率分別占水質(zhì)氮去除率的46.3% ～77.3%.植株對(duì)氮素的吸收能力與氮素形態(tài)、植物遺傳特性、生長(zhǎng)季節(jié)及水體氮負(fù)荷等有關(guān)，另有研究發(fā)現(xiàn)水蔥(Schoenopl ectus validus)對(duì)NH4+-N最大吸收速率(623 mmol/(g(DW)·h))顯著高于對(duì)NO3--N 的最大吸收速率(338 mmol/(g(DW)·h))[3].鳳眼蓮對(duì)NO3--N、NH4+-N 的吸收速率顯著高于狐尾藻，鳳眼蓮對(duì)NO3--N 有較高的Imax(最大吸收速率)值和親和力，而狐尾藻對(duì)NH4+-N 有較高的 Imax值和親和力[4].雷澤湘等[5]研究發(fā)現(xiàn)荇菜 5月份(Nymphoides peltatum)N 含量為14.363 mg/g，9月份 N 含量為17.245 mg/g，且沉水和浮葉植物 N、P 含量與水體 N、P 濃度顯著相關(guān).

植物離子吸收動(dòng)力學(xué)的發(fā)展為分析和闡明植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收特性提供了量化參數(shù)，普遍認(rèn)為離子主動(dòng)吸收符合米氏(Michaelis-Menten)動(dòng)力學(xué)方程:V=VmaxS/(Km+S)，Vmax為載體飽和時(shí)最大吸收速率，與載體的數(shù)目和載體的運(yùn)轉(zhuǎn)效率有關(guān)，Km是吸收速率為1/2 Vmax時(shí)外界離子濃度，取決于載體的特性與外液離子濃度([S])無(wú)關(guān)，1/Km表征吸收系統(tǒng)的親合力，Km值小，說(shuō)明根系吸收系統(tǒng)對(duì)該離子的親合能力大.當(dāng)[S]＜0.01Km時(shí)，吸收速率與外液離子濃度成正比，反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng).當(dāng)[S]＞100Km時(shí)，吸收速度與外液離子濃度無(wú)關(guān)，反應(yīng)為零級(jí)反應(yīng).當(dāng)0.01Km＜[S]＜100Km時(shí)，反應(yīng)處于零級(jí)反應(yīng)和一級(jí)反應(yīng)之間，為混合級(jí)反應(yīng).目前應(yīng)用米氏方程解釋植物對(duì)介質(zhì)中離子吸收動(dòng)態(tài)過(guò)程的研究見(jiàn)于水稻[6]、小麥[7]、烤煙[8]等作物，針對(duì)水生植物的研究也有所報(bào)道，但在富營(yíng)養(yǎng)化水質(zhì)凈化中對(duì)植物氮素吸收特點(diǎn)要求存在多面性，尤其是水體中氮負(fù)荷和形態(tài)不同時(shí)，需要對(duì)更多植物進(jìn)行氮素吸收特征研究，以便豐富適宜生態(tài)凈化工程的植物品種.本研究以蘇南太湖流域新引進(jìn)的水生植物鳶尾及常見(jiàn)水生植物狐尾藻、茭白和水芹為對(duì)象，監(jiān)測(cè)4 種水生植物的氮素吸收動(dòng)力學(xué)參數(shù)，比較其對(duì)不同態(tài)氮素養(yǎng)分吸收特性，以期進(jìn)一步探索水生植物的氮素吸收利用機(jī)制，為篩選高效水質(zhì)生態(tài)凈化的植物品種提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

2011年6月在蘇州市相城區(qū)望亭鎮(zhèn)新埂村水生植物圃選取植株長(zhǎng)勢(shì)一致(新鮮營(yíng)養(yǎng)體的質(zhì)量數(shù)相等)的鳶尾(Iris louisiana)、狐尾藻(Myriophyllum verticillatum)、茭白(Zizania latifolia)和水芹(Oenanthe clecumbens)健壯幼苗，用去離子水清洗后，將幼苗在Hogland 營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)15 d，人工氣候室條件為:每天光照10 h，光強(qiáng)5000 lx，溫度25℃，相對(duì)濕度70%.每3 d 更換一次營(yíng)養(yǎng)液，間歇通氣20 min/h.每天用pH 計(jì)測(cè)定營(yíng)養(yǎng)液pH 值，用0.1 mol/L NaOH 溶液或0.1 mol/L HCl 溶液調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)液pH 值至7.0.試驗(yàn)前將植物用去離子水沖洗干凈，轉(zhuǎn)入0.1 mmol/L 的硫酸鈣溶液中，預(yù)培養(yǎng)24 h，以排除自由空間中殘留氮素的影響.

1.2 試驗(yàn)方法

吸收動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)采用濃度梯度法[7]，以0.1 mmol/L 的硫酸鈣為支持液，配制銨態(tài)氮(NH4+-N)、硝態(tài)氮(NO3--N)濃度系列分別為 0.05、0.10、0.25、0.50、0.75、1.00、1.25、1.50、2.00 mmol/L 的溶液，重復(fù) 3 次，吸取不同濃度的含氮溶液800 ml，置于1000 ml 的容器中，加入氨芐青霉素鈉(C16H18NaN3O4S)100 mg/L 抑制微生物，然后分別放入吸干表面附著水分的4 種水生植物(鳶尾、茭白和水芹各3 株，狐尾藻需稱取與前3種植物相同質(zhì)量的營(yíng)養(yǎng)體)，調(diào)節(jié)pH 值為7.0.在1.1 所述人工氣候室中進(jìn)行吸收試驗(yàn)，持續(xù)6 h，立即取出植株，分別測(cè)定植株鮮重和干重.用連續(xù)流動(dòng)分析儀(AutoAnalyzer3)測(cè)定營(yíng)養(yǎng)液中的NH4+-N、NO3--N 的含量，根據(jù)吸收前后N 濃度的變化量，計(jì)算單位干質(zhì)量在單位時(shí)間內(nèi)的N 凈吸收速率.

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Michaelis-Menten 動(dòng)力學(xué)方程的作圖法[6]處理數(shù)據(jù)，求出吸收動(dòng)力學(xué)參數(shù)Vmax(最大吸收速率)和Km(表觀米氏常數(shù)).試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和圖表制作均用Excel 軟件.多重比較采用新復(fù)極差法(Duncan 法)[9].

2 結(jié)果與分析

2.1 水生植物對(duì)水體NO3--N吸收動(dòng)力學(xué)特征

4 種水生植物對(duì)不同濃度氮溶液中NO3--N 的吸收曲線符合Michaelis-Menten 酶動(dòng)力學(xué)方程(圖1)，且吸收曲線變化趨勢(shì)類似，隨溶液中NO3--N 濃度增加，植物對(duì)NO3--N 吸收速率升高，當(dāng)溶液中NO3--N 濃度低于1.5 mmol/L 時(shí)，植株吸收速率上升的較快，當(dāng)NO3--N 濃度接近于2.0 mmol/L，吸收速率趨緩.通過(guò)作圖法得到4 種水生植物對(duì)NO3--N 吸收的最大速率(Vmax)和米氏常數(shù)(Km)(表1)，不同植物Vmax值差異顯著(P ＜0.05)，Vmax值大小順序?yàn)樗郏拒祝绝S尾＞狐尾藻，其中水芹的Vmax值分別是茭白、鳶尾和狐尾藻的2.48、9.33、27.91 倍，說(shuō)明水芹對(duì) NO3--N 吸收潛力最大.水芹的Km值分別顯著高于茭白、鳶尾和狐尾藻，茭白、鳶尾和狐尾藻Km值無(wú)顯著差異，說(shuō)明茭白、鳶尾和狐尾藻對(duì)NO3--N 的親和力高于水芹，較適合于低NO3--N 濃度水體.4 種水生植物Km值變化范圍為0.69 ～1.61 mmol/L，經(jīng)計(jì)算溶液NO3--N 濃度處于0.01Km和100Km之間，由此判斷吸收反應(yīng)為既有零級(jí)也有一級(jí)的混合級(jí)反應(yīng).

圖1 水生植物吸收NO 3--N 動(dòng)力學(xué)曲線Fig.1 Kinetics curve of NO 3--N uptake of hydrophytes

2.2 水生植物對(duì)水體NH4+-N的吸收動(dòng)力學(xué)特征

隨溶液NH4+-N 濃度增加，水生植物NH4+-N 吸收速率逐漸增加，總體變化趨勢(shì)與NO3--N 相似，即在溶液NH4+-N 濃度低于1.5 mmol/L 時(shí)，吸收速率顯著增加，當(dāng)NH4+-N 濃度接近于2.0 mmol/L，對(duì)NH4+-N 吸收趨于飽和，當(dāng)NH4+-N 濃度到1.5 mmol/L 時(shí)鳶尾的吸收速率最大(圖2).4 種水生植物對(duì)NH4+-N 吸收曲線均可由Michaelis-Menten 酶動(dòng)力學(xué)方程描述，NH4+-N 吸收動(dòng)力學(xué)參數(shù)如表2，4 種水生植物Vmax值差異顯著，水芹Vmax值最大，其次是茭白，狐尾藻的Vmax值最小，說(shuō)明水芹較其他3 種水生植物對(duì)NH4+-N 吸收潛力大;Km值大小順序?yàn)樗郏竞苍澹拒祝绝S尾，但茭白和鳶尾的Km沒(méi)有達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著差異(P ＞0.05)，說(shuō)明茭白和鳶尾對(duì)水體NH4+-N 親和力較高.根據(jù)4 種水生植物Km與溶液NH4+-N 濃度梯度判斷，系統(tǒng)吸收反應(yīng)處于零級(jí)和一級(jí)之間，為混合級(jí)反應(yīng).

表1 水生植物吸收NO 3--N 動(dòng)力學(xué)參數(shù)Tab.1 Kinetics parameters of NO 3--N uptake of hydrophytes

圖2 水生植物吸收NH +4-N 動(dòng)力學(xué)曲線Fig.2 Kinetics curve of NH +4-N uptake of hydrophytes

表2 水生植物吸收NH +4-N 動(dòng)力學(xué)參數(shù)Tab.2 Kinetics parameters of NH +4-N uptake of hydrophytes

2.3 水生植物對(duì)不同態(tài)氮素的吸收特征分析

通過(guò)比較4 種水生植物的NO3--N和NH4+-N 吸收動(dòng)力學(xué)參數(shù)可以看出(表 3)，鳶尾的 NO3--N Vmax值和 Km值分別是 NH4+-N 的 1.413、1.550 倍，表明鳶尾對(duì) NO3--N 吸收潛力大于對(duì)NH4+-N 的吸收，但植株對(duì)NH4+-N 的親和力要大于NO3--N，說(shuō)明在 NO3--N 濃度較高環(huán)境中鳶尾更偏好于吸收NH4+-N.狐尾藻和水芹對(duì) NO3--N 和NH4+-N 的吸收動(dòng)力學(xué)參數(shù)彼此之間無(wú)顯著差異，暗示對(duì)水體NO3--N 和NH4+-N 均衡吸收，無(wú)明顯偏好.茭白吸收NH4+-N 的Vmax值顯著大于吸收NO3--N 的Vmax值，而Km值恰好相反，表明茭白對(duì)NH4+-N 具有較高吸收潛力，且親和力較強(qiáng)，更利于水體NH4+-N的吸附.

表3 水生植物吸收NO 3--N 和NH 4+-N 動(dòng)力學(xué)參數(shù)的比值Tab.3 The ratio of kinetics parameters of NO 3--N and NH 4+-N uptake of hydrophytes

3 討論

植物體內(nèi)NO3--N 和NH4+-N 運(yùn)輸系統(tǒng)存在高親和、低親和以及雙親和等類型[10]，這些系統(tǒng)與外界的NO3--N 和NH4+-N 濃度有關(guān)[11]，且 NO3--N 和NH4+-N 轉(zhuǎn)運(yùn)體基因家族的表達(dá)顯著受外界NO3--N 和NH4+-N調(diào)控[12]，植株對(duì) NO3--N 和NH4+-N 的吸收受最大吸收閥值限制，即當(dāng)外界NO3--N 和NH4+-N 濃度超出最大吸收時(shí)，吸收趨于飽和[13-14].本文研究結(jié)果顯示當(dāng)溶液NO3--N 和NH4+-N 低于 1.5 mmol/L 時(shí)，4 種水生植物對(duì)NO3--N 和NH4+-N 吸收速率隨溶液NO3--N 和NH4+-N 增加快速升高，當(dāng)溶液NO3--N 和NH4+-N 接近或高于2.0 mmol/L 時(shí)，吸收速率增加幅度減小甚至停止增加，這與常會(huì)慶等[15]的研究結(jié)果相似.

不同水生植物對(duì)無(wú)機(jī)氮吸收的親和力常數(shù)Km和最大吸收速率Vmax存在差異，在4 種參試的植物中，水芹吸收NO3--N 和NH4+-N 的Vmax值和Km最高，研究認(rèn)為這種具有高Vmax和高Km特性的植物適于高濃度的養(yǎng)分條件[16].洪春來(lái)等[17]研究了水葫蘆、菖蒲、空心菜和金魚(yú)藻對(duì)水體無(wú)機(jī)氮的吸收特征，結(jié)果表明4 種植物對(duì)NH4+-N 的最大吸收速率(Vmax)大小順序?yàn)樗J＞空心菜＞菖蒲＞金魚(yú)藻，對(duì)NO3--N 的最大吸收速率表現(xiàn)為水葫蘆＞空心菜＞金魚(yú)藻＞菖蒲，而4 種植物對(duì)水體中氮吸收的Km呈現(xiàn)出與最大吸收速率相反的趨勢(shì)，這種Km的變化趨勢(shì)與本文研究結(jié)果不一致，這可能與植物所處環(huán)境[18]、根系發(fā)育程度[7]以及植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)吸收能力[19-20]不同有關(guān)，另外，Michaelis-Menten 方程數(shù)據(jù)處理方式的不同也可能給動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算帶來(lái)一定偏差[6].

Nishikawa 等[21]認(rèn)為Vmax/ Km值較高的植物對(duì)氮素養(yǎng)分吸收競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)，通常指示植物對(duì)NO3--N 和NH4+-N 吸收的偏好.張亞娟等[22]研究表明蕹菜對(duì)銨態(tài)氮的吸收速率和親和力高于硝酸鹽氮.周曉紅等[23]研究表明空心菜對(duì)銨態(tài)氮的親和力大于對(duì)硝態(tài)氮的親和力(Km銨態(tài)氮＜Km硝態(tài)氮)，有優(yōu)先吸收溶液銨態(tài)氮的趨勢(shì).本文研究認(rèn)為鳶尾和茭白偏好于吸收NH4+-N，狐尾藻和水芹對(duì)NO3--N 和NH4+-N 能夠?qū)崿F(xiàn)均衡吸收.研究認(rèn)為植物吸收NO3--N 存在高親和吸收系統(tǒng)(HATS)和低親和吸收系統(tǒng)(LATS)[24]，對(duì)NH4+-N 吸收存在低親和的非飽和吸收和高親和的飽和吸收[25]，其中吸收NO3--N 的HATS 可再分為誘導(dǎo)型和組成型，當(dāng)環(huán)境中少量存在NO3--N 存在時(shí)，高親和NO3--N 吸收行為主要由組成型來(lái)實(shí)現(xiàn).當(dāng)環(huán)境中大量存在NO3--N時(shí)，誘導(dǎo)型在較短時(shí)間內(nèi)就可實(shí)現(xiàn)誘導(dǎo)吸收[26].Kaiser 等[27]研究表明 NH4+-N 只有一個(gè) HATS，但這一系統(tǒng)是否可以被誘導(dǎo)仍需要深入研究.

吸收動(dòng)力學(xué)研究認(rèn)為，當(dāng)溶液離子與細(xì)胞膜上運(yùn)輸載體的結(jié)合位點(diǎn)飽和或通道的流量達(dá)最大時(shí)，吸收速率接近Vmax.較低的Km值表明運(yùn)輸活性位點(diǎn)和被吸收離子的親和性高，較高的Km值則表明運(yùn)輸活性位點(diǎn)和被吸收離子的親和性低.從理論上講，高Vmax、低Km利于高效率的吸收[28].需要說(shuō)明的是，本文試驗(yàn)中的Vmax和Km值是在較短時(shí)間內(nèi)和相對(duì)均一的溶液中獲得的，與實(shí)際水體環(huán)境有一定差距，試驗(yàn)的結(jié)果只能在一定程度上反映4 種水生植物對(duì)NH4+-N 和NO3--N 的吸收特征.另外，植物對(duì)元素的吸收效率不單受動(dòng)力學(xué)參數(shù)調(diào)控，植物根系形態(tài)、生物量、pH 值、溫度等因素也顯著影響植物對(duì)養(yǎng)分離子的吸收，因此，本研究中植物吸收氮的動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)(Vmax、Km)只能作為篩選目標(biāo)植物的理論依據(jù)，實(shí)際應(yīng)用仍需要系統(tǒng)性驗(yàn)證.

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