五種水生植物對生活污水的生理響應(yīng)

摘要：試驗研究高、中、低濃度（其TN含量分別為26.560、18.150和10.760 mg/L，TP含量分別為2.566、1.710、0.855 mg/L，NH4+-N含量分別為23.880、16.190、7.970 mg/L，NO3-N含量分別為0.100、0.068、0.032 mg/L）生活污水脅迫對挺水植物茭草、水蔥和沉水植物眼子菜、金魚藻、苦草5種水生植物相對生長速率及丙二醛、相對電導(dǎo)率、脯氨酸、可溶性還原糖等生理指標的影響，探討供試植物抗逆能力及在不同濃度生活污水中的生理響應(yīng)。結(jié)果表明，挺水植物抗逆能力明顯強于沉水植物，挺水植物中，水蔥的抗逆能力強于茭草；沉水植物中，抗逆能力為苦草>眼子菜>金魚藻。比較分析同一植物對不同濃度污水的反應(yīng)得出，茭草在高濃度污水中生長較好，水蔥及眼子菜能適應(yīng)中濃度污水，苦草能適應(yīng)低濃度污水，金魚藻不適宜在污水中生長。

關(guān)鍵詞：水生植物；生活污水；相對生長速率；生理指標；抗逆能力

中圖分類號：X173；Q948.8 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）17-4058-04

Physiological Responses of 5 Kinds of Hydrophytes to Domestic Sewage

QIN Xiao-yan，LIN Ping，MA Jia，ZHAO Song-yi，LI Dong-hai

（Faculty of Landscape Architecture， Southwest Forestry University， Kunming 650224， China）

Abstract： Experiment was carried out to study the effects of domestic sewage with different concentration， （of which total nitrogen content was 26.560， 18.150， 10.760 mg/L， total phosphorus content was 2.566， 1.710， 0.855 mg/L， NH4+-N content was 23.880， 16.190， 7.970 mg/L， NO3-N content was 0.100， 0.068， 0.032 mg/L respectively） on relative growth rate and physiological indices （relative conductivity， content of MDA， proline and soluble sugars） on 5 kinds of hydrophytes （Zizania caduciflora， Schoenoplectus tabernaemontani， Potamogeton distinctus， Ceratophyllum demersum， Vallisneria natans）， aiming at exploring the physiological response and resistance to domestic sewage of the plants. The results showed that resistance of emergent plant was stronger than submerged plant. Resistance of emergent plant S. tabernaemontani was stronger than Z. caduciflora. The rank of resistance of the submerged plant from strong to weak was V. natans > P. distinctus > C. demersum. Comparative analysis on the response of same plants to different concentration of sewage revealed that Z. caduciflor grew well in sewage with high concentration， S. bulrush and P. distinctus could adapt to the sewage with middle concentration， V. natans could adapt to the sewage with low concentration， and C. demersum was not suitable for growing in the sewage.

Key words： hydrophyte； domestic sewage； relative growth； physiological index； resistance

收稿日期：2012-11-05

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（40971285）；園林植物與觀賞園藝省級重點學(xué)科項目；園林植物與觀賞園藝省高校重點實驗室和西南林業(yè)

大學(xué)大學(xué)儀器共享平臺基金項目

作者簡介：覃曉艷（1988-），女，湖北荊州人，碩士，主要從事植物生理方面的研究，（電話）15987145515（電子信箱）qxyan03@163.com；

通訊作者，林 萍，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事園林植物方面的研究，（電子信箱）a123456758@126.com。

由于工農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，人口不斷增長，需水量與日俱增，水體環(huán)境的污染及淡水資源的短缺已經(jīng)成為世界共同的話題。據(jù)調(diào)查，中國現(xiàn)今廢水排放量與20世紀80年代初期相比增加了1倍以上，90%以上的城市水域受到嚴重污染，但污水處理率僅為15.8%[1，2]。據(jù)世界衛(wèi)生組織報道，全世界80%的疾病與水有著密切關(guān)系，污水治理迫在眉睫[3]。國內(nèi)外研究者針對污染水體的修復(fù)提出了一系列行之有效的方法，其中生物修復(fù)技術(shù)因其高效、生態(tài)、低成本及其景觀效益的特點成為了污水凈化的一個研究熱點。

植物利用生物代謝功能擔(dān)負著分解、富集和穩(wěn)定污染物的作用[4]。不同水生植物的去污抗逆能力不同[5]。目前，國內(nèi)外已有一些關(guān)于水生植物去污抗逆能力的研究報道[6]。但涉及茭草（Zizania caduciflora）、水蔥（Schoenoplectus tabernaemontani）、眼子菜（Potamogeton distinctus）、金魚藻（Ceratophyllum demersum）、苦草（Vallisneria natans）在不同濃度生活污水脅迫中的生理響應(yīng)，評定水生植物耐污水脅迫能力強弱及植物適應(yīng)生長的污水濃度的研究鮮有報道。試驗通過研究茭草、水蔥、眼子菜、金魚藻、苦草5種水生植物在不同濃度生活污水中的生長狀況，旨在了解水生植物對污水的生理響應(yīng)及其與污水濃度之間的關(guān)系，并篩選出抗逆境能力較強的水生植物，為污水凈化實踐及人工濕地的建設(shè)提供一定的理論依據(jù)與實踐參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試植物材料采自云南劍湖，選擇劍湖優(yōu)勢種群且凈化效果良好的5種水生植物作為研究對象，分別是挺水植物茭草、水蔥和沉水植物眼子菜、金魚藻及苦草。將采集的植物培養(yǎng)于1.00 m×1.20 m×0.85 m的培養(yǎng)槽中，以30 cm厚的細沙作為栽培基質(zhì)凈水栽植一段時間，以使植物生長穩(wěn)定且生長狀況基本一致。

1.2 試驗設(shè)計與取樣

植物生長穩(wěn)定后第一次測定其鮮重及生理指標，后改為污水培養(yǎng)，污水來源于西南林業(yè)大學(xué)生活污水。模擬自然污水設(shè)定高、中、低3種不同濃度污水，其成分詳見表1。在污水中培養(yǎng)60 d，每隔20 d更換1次污水，然后測定植物鮮重，并取植物葉片進行指標測定，取樣時采取多點隨機采樣法。

1.3 測定項目及方法

1）相對生長速率。RGR=（lnW1-lnW0）/t[7]，其中，RGR為植物相對生長速率；W0為試驗開始時植物干重；W1為試驗結(jié)束時植物干重；t為試驗時間。

2）生理指標。游離脯氨酸含量采用酸性茚三酮比色法測定；電導(dǎo)率利用電導(dǎo)儀測定，取相對電導(dǎo)率；丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法測定；可溶性還原糖含量采用蒽酮硫酸法測定[8]。各生理指標含量比指各指標試驗終值與初值的比值。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Microsoft Excel 2007和SPSS 11.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度污水對植物相對生長速率的影響

供試植物在培養(yǎng)槽中長勢良好，從外觀觀察無明顯差異。但從相對生長速率（表2）來看，供試植物相對生長速率均受到污水的影響，挺水植物茭草和水蔥的相對生長速率明顯高于沉水植物眼子菜、金魚藻及苦草。茭草在高濃度污水中的相對生長速率為中濃度以及低濃度中的1.14和1.74倍。水蔥、眼子菜在污水中的相對生長速率為中濃度>高濃度>低濃度。金魚藻對污水較為敏感，高、中、低濃度污水中相對生長速率均為負值，分別為-0.001 8、

-0.001 3、-0.001 4 g/（g·d）?？嗖菰诘蜐舛任鬯邢鄬ιL速率分別為高、中濃度中的3.56、1.39倍，差異較明顯。

2.2 不同濃度污水對植物生理指標的影響

2.2.1 不同濃度污水對植物MDA含量的影響 為了抵御損害，植物細胞具有細胞質(zhì)膜保護系統(tǒng)[9]。植物在逆境脅迫或衰老過程中，細胞原生質(zhì)膜中的不飽和脂肪酸發(fā)生過氧化作用產(chǎn)生MDA，使質(zhì)膜系統(tǒng)受到傷害，其選擇透性降低，細胞內(nèi)電解質(zhì)外滲量增加，因而MDA含量可以反映膜脂過氧化水平和質(zhì)膜破壞程度[10]。

如圖1所示，挺水植物中，茭草在高、中、低不同濃度污水中MDA含量比分別為2.33、2.54、2.80，與污水濃度呈負相關(guān)，其平均比值為水蔥平均比值的2.50倍；水蔥在3種濃度污水中含量比相近，均在1左右，中濃度與高、低濃度中的比值相比分別低0.10、0.09，說明試驗期間，水蔥細胞膜脂過氧化現(xiàn)象較輕，幾乎不受影響或在此期間植物通過自身調(diào)節(jié)逐漸適應(yīng)了污水環(huán)境[11]。沉水植物中，不同濃度污水中各植物MDA含量比存在差異。眼子菜在高、中、低濃度污水中MDA含量比分別為1.38、1.00、1.48，中濃度污水中眼子菜MDA含量在試驗前后基本無變化；金魚藻及苦草MDA含量比與污水濃度呈正相關(guān)；低濃度污水中苦草MDA含量比最小，為0.79，說明低濃度污水中氮、磷可能對苦草生長有利，能緩解污水對苦草的脅迫。

2.2.2 不同濃度污水對植物相對電導(dǎo)率的影響 細胞膜系統(tǒng)在逆境下會膨脹或破損，選擇透性發(fā)生改變，細胞可溶性內(nèi)含物外滲。膜損傷是導(dǎo)致相對電導(dǎo)率發(fā)生變化的一個原因，細胞內(nèi)其他調(diào)節(jié)物質(zhì)的產(chǎn)生也導(dǎo)致了相對電導(dǎo)率的變化[12]。因此細胞膜透性的變化反映了外部不良環(huán)境對細胞的傷害程度，同時細胞膜在逆境下的穩(wěn)定性也反映了植物抗逆性的高低。

如圖2所示，5種植物的相對電導(dǎo)率比值均小于1.00。原因可能是植物在由外界移栽的過程中根系受到一定程度損傷，馴養(yǎng)期未得到完全修復(fù)，因而試驗開始時相對電導(dǎo)率偏高，后期植物根系及自身逐漸得到修復(fù)，相對電導(dǎo)率下降。挺水植物中，茭草相對電導(dǎo)率比明顯大于水蔥，且中濃度茭草相對電導(dǎo)率比值較高，為0.60，其次為高濃度的0.55，再次為低濃度的0.47。水蔥在3種不同濃度污水中比值基本一致，中濃度污水中的比值與高、低濃度污水中比值相比分別低0.01、0.03。沉水植物中，眼子菜在中濃度污水中比值稍低于高、低濃度中比值，為0.43；金魚藻及苦草相對電導(dǎo)率比值與污水濃度呈正相關(guān)，且高濃度污水中苦草相對電導(dǎo)率增長較為明顯，為0.78，分別是中、低濃度污水中比值的2.44、3.07倍，說明細胞質(zhì)膜受損較為嚴重。

2.2.3 不同濃度污水對植物脯氨酸含量的影響 脯氨酸是一種抗逆調(diào)節(jié)物質(zhì)[13]。植物在逆境中，脯氨酸的積累量發(fā)生變化，脯氨酸的特性使得它成為植物體內(nèi)一種理想的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，對來自環(huán)境的各種脅迫具有保護作用，植物體內(nèi)脯氨酸的含量在一定程度上反映了植物的抗逆性[14]。

如圖3所示，5種植物在不同濃度污水中脯氨酸含量比均大于1.00，說明在培養(yǎng)的60 d中，植物體內(nèi)均積累了一定量的脯氨酸。挺水植物中，水蔥的脯氨酸含量增長明顯，高、中、低濃度中的植物脯氨酸含量比分別為23.95、27.28、40.86，與污水濃度呈負相關(guān)，說明水蔥產(chǎn)生了大量的脯氨酸來緩解逆境脅迫；茭草在污水中脯氨酸含量比由大到小依次為中濃度、高濃度、低濃度，其中高、中濃度中的比值相差0.65，中、低濃度中的比值相差2.90。在沉水植物中，眼子菜與金魚藻在各濃度污水中的脯氨酸含量比均較低，在高、中、低3種濃度污水中含量比分別為2.96、3.92、2.44和1.40、3.37、2.04，兩者在中濃度污水中的比值均大于高、低濃度污水中的比值；苦草在污水中脯氨酸含量比明顯高于眼子菜及金魚藻，說明苦草中積累了一定量的脯氨酸以緩解污水脅迫，其比值與污水濃度呈負相關(guān)。

2.2.4 不同濃度污水對植物可溶性還原糖含量的影響 植物細胞中可溶性糖含量反映植物細胞碳同化作用積累的情況。在逆境條件下，植物的生長和代謝產(chǎn)生相應(yīng)的變化，可溶性還原糖含量也隨之發(fā)生變化[9]。植物體內(nèi)的碳素營養(yǎng)狀況等常以糖含量來作為標示，植物為了適應(yīng)逆境條件，如干旱、低溫等，會主動積累一些可溶性還原糖，降低滲透勢，以適應(yīng)外界環(huán)境的變化[10]。

如圖4所示，挺水植物中，茭草可溶性還原糖含量比與污水濃度呈正相關(guān)，水蔥可溶性還原糖含量比與污水濃度呈負相關(guān)，且比值均大于1.00，分別為1.49、1.31、1.06和1.95、2.19、2.46，前者小于后者，兩種植物均產(chǎn)生了較多的可溶性還原糖來調(diào)節(jié)細胞滲透勢，維持細胞正常狀態(tài)。沉水植物中，苦草在高濃度污水中可溶性還原糖含量比最低，為0.51，而中、低濃度污水中比值相近，分別為0.91、0.86；眼子菜在低濃度污水中的比值接近于1，說明細胞中可溶性還原糖含量變化幅度不大，滲透勢維持穩(wěn)定，但在中、高濃度污水中可溶性還原糖含量比迅速下降，說明可溶性還原糖含量迅速減少；金魚藻在污水的脅迫下可溶性還原糖含量比較低，中濃度污水中比值最大，為0.17，其次為低濃度的0.13，再次為高濃度的0.12，均小于1.00，說明在60 d的培養(yǎng)中，金魚藻中可溶性還原糖含量下降。

3 小結(jié)與討論

由于植物生長在一個復(fù)雜的環(huán)境中，受到不同因素的影響，包括生物因素和非生物因素，因此植物所呈現(xiàn)出的生理反應(yīng)也存在著差異。植物自身的生理過程對各環(huán)境要素的響應(yīng)也是一個敏感而復(fù)雜的過程，不同植物由于自身生長特性的不同，對環(huán)境脅迫的響應(yīng)程度也不同，因此對植物生理指標的抗逆性指示效果不能達到完全一致，只能通過綜合評價來分析比較植物對脅迫的抗逆能力及對不同濃度污水的適應(yīng)能力[15]。植物在一定污水濃度范圍內(nèi)具有一定的抵抗脅迫的能力，根據(jù)植物生長對氮、磷需求的不同，在不同濃度污水中植物會呈現(xiàn)出不同的長勢及響應(yīng)，當污水濃度適當時，植物生長非但不受抑制，反而可能出現(xiàn)促進生長的現(xiàn)象，當污水濃度超過植物所能耐受的范圍時，植物生長就會受到抑制，抗逆能力也受到影響[16]。

供試的5種水生植物在相同濃度的生活污水中發(fā)生了不同程度的響應(yīng)，其抗逆能力存在差異。研究結(jié)果表明，挺水植物的相對生長速率明顯大于沉水植物。挺水植物中，茭草的相對生長速率小于水蔥；水蔥的丙二醛含量及相對電導(dǎo)率變化明顯小于茭草，細胞受損情況較輕，水蔥體內(nèi)脯氨酸及可溶性還原糖含量的增長速度要遠遠大于茭草，適應(yīng)性反應(yīng)更為明顯。沉水植物中，苦草相對生長速率最大，其次為眼子菜，再次為金魚藻，金魚藻相對生長速率為負值，在污水中呈現(xiàn)出衰亡現(xiàn)象；在MDA測定中，金魚藻MDA含量比與同濃度下其他兩種沉水植物相比要高；脯氨酸含量比為苦草>眼子菜>金魚藻。綜上分析，挺水植物抗逆能力強于沉水植物，在挺水植物中，水蔥的抗逆能力強于茭草；在沉水植物中抗逆能力為苦草>眼子菜>金魚藻。

由于植物對氮、磷具有一定的耐受范圍，同種植物在不同濃度污水中適應(yīng)性也不相同，生長狀態(tài)呈現(xiàn)差異。茭草在3種濃度污水中，相對生長速率以及MDA含量比與污水濃度呈負相關(guān)，與脯氨酸及可溶性還原糖含量比總體上呈正相關(guān)，說明茭草在高濃度污水中生長速度快，細胞受損情況較輕，自身調(diào)節(jié)作用更大?？赡芨邼舛任鬯械牡?、磷等元素能夠更好地提供茭草生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)，維持植物細胞滲透勢。水蔥及眼子菜在中濃度污水中相對生長速率較大，MDA含量比、相對電導(dǎo)率比小于高、低濃度污水中比值，說明水蔥及眼子菜在中濃度污水中生長較好，細胞膜脂過氧化程度輕，表現(xiàn)出較好的適應(yīng)性。金魚藻的相對生長速率為負值，說明金魚藻不適合在污水中生長?？嗖菹鄬ιL速率與污水濃度呈負相關(guān)，其MDA含量比和相對電導(dǎo)率比均與污水濃度呈正相關(guān)，脯氨酸與可溶性還原糖含量比在中、低濃度污水中相差不大，均高于高濃度污水中的比值，說明苦草對低濃度污水所產(chǎn)生的脅迫有一定的抵抗能力，能更好地適應(yīng)低濃度污水環(huán)境。

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（責(zé)任編輯 呂海霞）