不同空心菜對氮素吸附特征的初步研究

賀南南,焦瑞鋒,張力浩,劉永卓,郭彥玲,王丙麗

（河南科技學院,河南新鄉(xiāng)453003）

不同空心菜對氮素吸附特征的初步研究

賀南南,焦瑞鋒,張力浩,劉永卓,郭彥玲,王丙麗

（河南科技學院,河南新鄉(xiāng)453003）

以大葉、小葉2種不同的空心菜為試驗材料,研究了不同空心菜品種對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的吸收動力學特征.各處理都可以用米氏方程描述,通過L-B轉(zhuǎn)換,計算出主要的動力學參數(shù).結(jié)果表明：2種空心菜對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的最大吸收速率（Vmax）沒有顯著差異,而小葉空心菜對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的親和力（Km）均小于大葉空心菜,差異達極顯著水平（P＜0.01）；2種空心菜對銨態(tài)氮的Vmax均大于其對硝態(tài)氮的Vmax,對銨態(tài)氮的Km均小于其對硝態(tài)氮的Km,差異達極顯著水平（P＜0.01）.用小葉空心菜凈化富營養(yǎng)化水體的氮素效果更好,而且對銨態(tài)氮的凈化效果比對硝態(tài)氮的凈化效果好.

空心菜；氮；米氏方程；吸附動力學

隨著養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展,人們享受到越來越豐富的畜禽產(chǎn)品,但是不少養(yǎng)殖生產(chǎn)過程會給周邊水體帶來大量污染,造成水體富營養(yǎng)化[1].近年來用適宜水生的植物作為研究主體,通過其在生長過程中對污染物的吸附來降低或者去除水體養(yǎng)分的研究很多[2].水葫蘆、水花生、浮萍等植物都對水體中的營養(yǎng)物質(zhì)或重金屬等有害物質(zhì)具有一定的去除效果,但是水葫蘆等水生植物缺少后續(xù)開發(fā)利用價值,如果在使用后不能及時清除,其在水中的殘體還有可能造成二次污染[3].因此,在處理養(yǎng)殖業(yè)富營養(yǎng)化廢水的過程中,選取既可以去除水體污染,又可以直接產(chǎn)生經(jīng)濟價值的植物,成為該領域亟待解決的問題.空心菜由于生長速度快且容易栽培和管理,并且在其生育期內(nèi)可多次收割,能創(chuàng)造出一定的經(jīng)濟價值,所以使用空心菜處理水污染會降低二次污染的風險,這就使得空心菜近些年來被廣泛應用于去除水體富營養(yǎng)化污染[4].

Michaelis-Menten方程（米氏方程）可以用于植物吸收養(yǎng)分的動力學特征,通過米氏方程可以計算出植物對于該養(yǎng)分離子的親和力以及最大吸收速率[5].張亞娟、周曉紅等研究了空心菜對水體氮素營養(yǎng)的去除效果和吸附動力學特性,指出空心菜對不同形態(tài)氮的吸收動力特征有一定差異,但是并沒有分析不同品種空心菜對氮素吸收的差異[4,6].而蔡樹美等通過對浮萍吸收動力學特征進行研究,指出同種植物不同品種的養(yǎng)分吸收動力學特征也可能會有明顯差異[7].為了解不同品種空心菜對氮素吸收動力學的差異,本研究選取大、小葉2種不同品種的空心菜為研究對象,利用米氏方程的L-B轉(zhuǎn)換式計算所得米氏常數(shù)（Km）和最大吸收速率（Vmax）,考查大、小葉空心菜對于水體中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的吸附動力學特性以及差異性,可以為優(yōu)化大、小葉空心菜處理污水中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的方案提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 材料制備

試驗于2014年3月份在河南科技學院生態(tài)學實驗室進行.選用大葉空心菜和小葉空心菜2個不同的品種進行試驗.選擇大小一致、顆粒飽滿的大、小葉空心菜種子各250粒,置于人工氣候培養(yǎng)箱中催芽.待芽長到3 cm左右,轉(zhuǎn)移到霍格蘭營養(yǎng)液中繼續(xù)在人工氣候箱中培養(yǎng).操作方法如下：用海綿將芽定植于打孔擠塑板上,放置于盛有霍格蘭營養(yǎng)液的中轉(zhuǎn)箱內(nèi),每3 d換一次培養(yǎng)液.人工氣候培養(yǎng)箱參數(shù)設置為：溫度28℃,相對濕度70%,光照條件L∶D=12 h∶12 h,光照強度10 000 lx.在空心菜長至8～11 cm時,選擇長勢良好、株高相近的幼苗,放置于以0.02 mmol/L硫酸鈣溶液為支持電解質(zhì)的溶液中饑餓培養(yǎng)24 h,用于養(yǎng)分吸附動力學試驗.用于吸附動力學試驗幼苗的概況如表1所示.

表1 空心菜幼苗概況Tab.1 The general situation of Ipomoea aquatic seeding

1.2 吸附動力學試驗設計

以0.02 mmol/L硫酸鈣溶液作為支持電解質(zhì)溶液,用分析純的（NH4）2SO4和KNO3分別配置濃度梯度為0.03、0.06、0.24、0.41、0.59、1.18、2.35、3.53 mmol/L和0.004、0.01、0.02、0.04、0.08、0.10、0.20、0.40 mmol/L的銨態(tài)氮溶液和硝態(tài)氮溶液,調(diào)節(jié)pH至6.0.各取幼苗3株,分別放置在裝有100 mL含以上所配置的各個濃度氮溶液的燒杯中,在人工培養(yǎng)箱中全光照培育8 h,光照強度為10 000 lx,相對濕度和溫度分別為70%、28℃,每組處理設置3個重復.8 h后,統(tǒng)一取出幼苗,將根系用吸水紙吸干,對整株以及根系稱質(zhì)量,同時測定吸附試驗后溶液濃度,用于計算空心菜對氮素的吸收速率V.

1.3 結(jié)果測定與數(shù)據(jù)處理

水中銨態(tài)氮采用靛酚藍比色法測定,硝態(tài)氮采用過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定,pH值使用雷磁便攜式酸度計測定,植株質(zhì)量和根質(zhì)量使用千分之一天平測量[8].

用米氏方程表示植物對離子的吸附動力學時,如果外液濃度為C,米氏方程可表達為：

通過L-B轉(zhuǎn)換,采用雙倒數(shù)法可將（1）式轉(zhuǎn)化為：

mmax文中圖表制作使用Microsoft Excel 2010,回歸分析和方差分析等統(tǒng)計分析使用PASW Statistics 18.

2 結(jié)果與分析

2.1 2種空心菜對銨態(tài)氮的吸收差異

計算大、小葉空心菜對于銨態(tài)氮的吸附動力學參數(shù),結(jié)果如表2所示.

表2 空心菜對銨態(tài)氮吸收的動力學特征Tab.2 Kinetic parameters of ammonium uptakes by Ipomoea aquatica

由表2可知,方程擬合的決定系數(shù)分別為R大葉2=0.995 4,R小葉2=0.998 7.大葉空心菜Vmax為0.001 71 mmol/（g·h）,小葉空心菜Vmax為0.002 13 mmol/（g·h）,二者并無顯著差異,說明這2種空心菜吸收水體銨態(tài)氮Vmax相當.大葉空心菜Km為0.125 70 mmol/L,小葉空心菜Km為0.117 47 mmol/L,二者差異達到0.01極顯著水平,說明小葉空心菜比大葉空心菜對銨態(tài)氮的親和力更強,更能適應較小濃度銨態(tài)氮廢水的處理.

2.2 2種空心菜對硝態(tài)氮的吸收差異

大、小葉空心菜對于硝態(tài)氮的吸附動力學參數(shù)如表3所示.

表3 空心菜對硝態(tài)氮吸收的動力學特征Tab.3 Kinetic parameters of nitrate uptakes by Ipomoea aquatica

由表3可知,方程擬合的決定系數(shù)分別為R大葉2=0.990 6,R小葉2=0.996 3.大葉空心菜Vmax為0.000 33 mmol/（g·h）,小葉空心菜Vmax為0.000 35 mmol/（g·h）,二者并沒有表現(xiàn)出顯著差異,說明這2種空心菜吸收硝態(tài)氮的Vmax相近.大葉空心菜Km為0.162 57 mmol/L,小葉空心菜Km為0.132 77 mmol/L,二者差異達到0.01極顯著水平.說明小葉空心菜比大葉空心菜對硝態(tài)氮的親和力更強,在硝態(tài)氮濃度較低的富營養(yǎng)化廢水中,使用小葉空心菜效果會更好.

2.3 空心菜對2種不同形態(tài)氮吸收的差異

空心菜對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮2種不同形態(tài)的氮,吸附動力學特性也有明顯差異.2種空心菜對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的吸收速率見圖1,對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的親和力見圖2.

圖1 銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的吸收速率Fig.1 Vmaxof NO3-N and NH4-N

圖2 銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的親和力Fig.2 Kmof NO3-N and NH4-N

由圖1可知,對于2種不同的空心菜,銨態(tài)氮的Vmax均顯著大于硝態(tài)氮,且達到0.01極顯著水平.由圖2可知,銨態(tài)氮的Km均小于硝態(tài)氮,差異也達到0.01極顯著水平.說明空心菜在富營養(yǎng)化水體中,會優(yōu)先吸收銨態(tài)氮,而且吸收銨態(tài)氮的速率大于硝態(tài)氮.

3 結(jié)論與討論

根系吸收養(yǎng)分離子在植物吸收礦質(zhì)營養(yǎng)中占有重要地位[5].因此,植物根系對于污染物的吸收有重要作用,根系的大小和吸收功能對植物吸收養(yǎng)分的速率和親和力有直接影響.本研究中,2種空心菜的生物量和根質(zhì)量均沒有顯著差異,但是小葉空心菜的根質(zhì)量比顯著大于大葉空心菜的根質(zhì)量比,說明小葉空心菜可能有比大葉空心菜相對更加發(fā)達的根系,這是小葉空心菜對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的最大吸收速率以及親和力均顯著大于大葉空心菜的重要原因之一.

植物在水生環(huán)境中,有優(yōu)先吸收銨態(tài)氮的趨勢.張亞娟[4]、周曉紅[6]等以及本試驗對空心菜的研究結(jié)果均證明了這種趨勢的存在,楊肖娥[9]、胡綿好[10]等對其他水生植物的相關研究也證實了該觀點,這可能與NR、GS、GOGAT等植物體內(nèi)參與氮素代謝關鍵酶有關.與純粹的水生植物不同,空心菜既可以在水中生長,也可以在陸地上正常生長,這可能會影響空心菜對營養(yǎng)元素的吸收動力學特性,相關問題還有待進一步研究.

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（責任編輯：鄧天福）

Preliminary study of N uptake by different Ipomoea aquatica

He Nannan,Jiao Ruifeng,Zhang Lihao,Liu Yongzhuo,Guo Yanling,Wang Bingli
（Henan Institute of Science Technology,Xinxiang 453003,China）

The uptake kinetic characteristics of ammonium and nitrate by different Ipomoea aquatica was studied in this paper.The nitrogen uptake kinetics of I.aquatica could be expressed with the Michaelis-Menten equation.The results showed that,there was no significant difference between the Vmaxvalue of ammonium and nitrate；but the Km小葉＜Km大葉（P＜0.01）；significant difference of uptake kinetic by both I.aquatica between ammonium and nitrate was found,Vmax銨態(tài)氮＞Vmax硝態(tài)氮and Km銨態(tài)氮＜Km硝態(tài)氮（P＜0.01）.The results indicated that the cleaning degree of nitrogen by small leaf I.aquatica would be better than big leaf I.aquatica.

Ipomoea aquatic；nitrogen；Michaelis-Menten equation；uptake kinetic

X52,S636.9

A

1008-7516（2014）06-0012-04

10.3969/j.issn.1008-7516.2014.06.003

2014-10-03

國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目（201210467041）

賀南南（1991―）,女,河南安陽人.主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)學研究.

焦瑞鋒（1982―）,男,河南安陽人,博士,講師.主要從事生態(tài)農(nóng)業(yè)和環(huán)境生態(tài)方面的研究.