灌溉臭氧水對生菜抗性生理的影響

劉超，宋衛(wèi)堂，楊琪，紀(jì)文鵬，李晨曦

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院/農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)(綜合)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

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灌溉臭氧水對生菜抗性生理的影響

劉超，宋衛(wèi)堂*，楊琪，紀(jì)文鵬，李晨曦

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院/農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)(綜合)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

摘要：臭氧水對營養(yǎng)液殺菌消毒作用的研究已取得了很多成果，然而營養(yǎng)液中殘留的臭氧對作物的生長及生理影響還缺乏研究。為此，本試驗(yàn)分別采用2.0 mg·L-1和4.0 mg·L-1臭氧水澆灌基質(zhì)栽培的生菜，分別在處理后的第10、20、30天取生菜根系樣品檢測其超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)等抗氧化酶活性及丙二醛(MDA)含量，并與對照組(CK，臭氧濃度為0 mg·L-1)進(jìn)行比較，研究生菜受不同濃度臭氧脅迫的反應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果表明：2.0 mg·L-1濃度臭氧水對生菜根系的抗氧化酶活性和MDA含量均沒有產(chǎn)生顯著影響，而4.0 mg·L-1濃度臭氧水會提高SOD和POD活性，且在處理10天后的MDA含量顯著上升，但并沒有影響生菜的產(chǎn)量。因此，采用含有4.0 mg·L-1以及更低濃度的臭氧營養(yǎng)液灌溉生菜是安全可行的。

關(guān)鍵詞：臭氧水；抗氧化酶；丙二醛(MDA)；生菜

設(shè)施作物栽培中，營養(yǎng)液的循環(huán)利用是無土栽培節(jié)約水、肥的重要措施和技術(shù)，但營養(yǎng)液循環(huán)過程中容易受到一些土傳病害的侵染，一旦這些病原菌進(jìn)入營養(yǎng)液，就會在整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)中傳播，嚴(yán)重者還會導(dǎo)致整個(gè)栽培系統(tǒng)的癱瘓。所以，營養(yǎng)液在循環(huán)使用前必須進(jìn)行有效的殺菌消毒處理。

臭氧作為一種強(qiáng)氧化劑，具有快速、廣譜的殺菌效果，能有效殺滅多種病原菌，是一種理想的無污染消毒劑[1～3]。臭氧溶于水后形成的臭氧水具有更強(qiáng)的殺菌消毒效果和分解催化作用，可以將水中的污染物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，可以迅速殺滅細(xì)菌繁殖體、芽孢、病毒、真菌等，并且在殺菌消毒過程中，不會使病原菌產(chǎn)生抗藥性[4]。徐燕等[5]發(fā)現(xiàn)臭氧連續(xù)處理營養(yǎng)液20 min，可殺滅90%以上的細(xì)菌、真菌和藻類；臭氧間歇曝氣對營養(yǎng)液進(jìn)行消毒，可以有效控制微生物的繁殖生長，且對萵苣根系沒有不良影響。Igura等[6]研究臭氧水對枯萎病病原菌——尖孢鐮刀菌(Fusariumoxysporumf.sp.)的體外殺滅效果，發(fā)現(xiàn)濃度為1.0 mg·L-1的臭氧水可以降低病原菌約4個(gè)log值。宋衛(wèi)堂等[7]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)營養(yǎng)液中殘余臭氧濃度為0.6 mg·L-1，接觸時(shí)間5 min時(shí)，臭氧對濃度為103cfu·mL-1的黃瓜枯萎病、番茄枯萎病和濃度為106cfu·mL-1的十字花科軟腐病3種土傳病害病原菌的殺滅率均接近100%。周勝軍等[8]用氣流量為10 L·min-1的臭氧向5 kg營養(yǎng)液中進(jìn)行曝氣，接觸45 min時(shí)，營養(yǎng)液中的番茄青枯病原菌從107～108cfu·mL-1降至0。Kobayashi等[9]發(fā)現(xiàn)在體外殺菌試驗(yàn)中，微氣泡臭氧水可以有效殺滅尖孢鐮刀菌(Fusariumoxysporumf.sp.)和胡蘿卜軟腐果膠桿菌胡蘿卜亞種(Pectobacteriumcarotovorumsubsp.carotovorum)。

目前已通過實(shí)驗(yàn)證明了臭氧對營養(yǎng)液具有很好的殺菌效果，但是殺菌后殘留有一定濃度的臭氧水澆灌對作物的生長發(fā)育是否有影響，以及會有什么樣的影響，這方面的研究比較匱乏。高濃度的氣態(tài)臭氧對植物的傷害作用已經(jīng)被大量的研究證實(shí)，氣態(tài)臭氧脅迫會導(dǎo)致植物光合作用降低，生長發(fā)育受到抑制[10,11]。另有試驗(yàn)表明，低濃度的臭氧氣體可以提高植物體內(nèi)抗氧化酶的活性，進(jìn)而提高植物對氧化脅迫的適應(yīng)能力，而不會對植物造成可視性傷害，甚至還會激發(fā)植物的系統(tǒng)抗性，提高植物對病原菌的抵抗力[12,13]。如果臭氧要安全可靠地運(yùn)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，就要求必須在對作物生長、產(chǎn)量及品質(zhì)等方面不造成負(fù)面影響的條件下進(jìn)行營養(yǎng)液的殺菌處理。

本研究的目的，期望通過在生菜的生長過程中澆灌不同濃度的臭氧水，檢測不同濃度臭氧水處理下生菜的生長、生理指標(biāo)，研究臭氧水對生菜生長、生理的影響規(guī)律，從而為臭氧進(jìn)行營養(yǎng)液消毒提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)時(shí)間和地點(diǎn)

試驗(yàn)時(shí)間從2015年4月至2015年9月。

試驗(yàn)地點(diǎn)：生菜的基質(zhì)栽培、臭氧水澆灌處理在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊試驗(yàn)站的連棟溫室中進(jìn)行；生菜根部樣品的3種酶活性及MDA含量的測定在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)試驗(yàn)室進(jìn)行。

1.2供試作物

生菜(葉用萵苣)為中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所提供的嫩綠奶油生菜。

1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

試驗(yàn)在裝有自動(dòng)化環(huán)境調(diào)控和自動(dòng)化滴灌系統(tǒng)的連棟溫室進(jìn)行，栽培基質(zhì)配比為草炭∶蛭石∶珍珠巖=1∶1∶1。營養(yǎng)液采用日本山崎生菜營養(yǎng)液配方配制(表1)。

表1　日本山崎生菜營養(yǎng)液配方

臭氧水的制備：如圖1(試驗(yàn)儀器表2)，主要由氧氣罐、臭氧發(fā)生器、自吸式氣液混合泵、臭氧濃度檢測儀和儲液桶組成，各設(shè)備型號見表2。氧氣罐為臭氧發(fā)生器提供氧氣氣源，氧氣進(jìn)入臭氧發(fā)生器后經(jīng)過高壓放電反應(yīng)產(chǎn)生臭氧，從臭氧發(fā)生器的輸出管通過氣液混合泵混入制備好的營養(yǎng)液中制成臭氧水。由臭氧濃度檢測儀檢測臭氧水的濃度，分別制出2.0 mg·L-1和4.0 mg·L-1的臭氧水。

1.氧氣罐; 2.壓力閥; 3.氣體流量計(jì); 4.臭氧發(fā)生器; 5.自吸式氣液混合泵; 6.儲液桶; 7.臭氧水濃度檢測儀圖1　臭氧水發(fā)生裝置示意圖Fig.1　Ozone water generator diagram

表2　試驗(yàn)儀器

1.3.1生菜種植管理

將催芽后的生菜種子播種到72孔穴盤中育苗，至長出4片真葉后定植到栽培槽中，行距80 cm，株距25 cm。共種植3行，分別標(biāo)記為對照組(CK)、2.0 mg·L-1濃度組、4.0 mg·L-1濃度組。緩苗3 d后，每天6:00、18:00自動(dòng)打開滴灌系統(tǒng)澆灌10 min營養(yǎng)液。

1.3.2臭氧水制備

打開臭氧發(fā)生器預(yù)熱5 min；向儲液桶中加入10 L營養(yǎng)液并調(diào)節(jié)其pH=6.0；打開氧氣罐并調(diào)節(jié)壓力閥以控制氣體流量進(jìn)行臭氧水的制備；當(dāng)營養(yǎng)液中臭氧的濃度達(dá)到所需濃度時(shí)關(guān)閉氧氣罐閥門和氣液混合泵。

1.3.3臭氧水澆灌

每隔3 d進(jìn)行一次臭氧水澆灌處理。對照組澆灌10 L營養(yǎng)液，處理組一澆灌10 L 2.0 mg·L-1的臭氧水，處理組二澆灌10 L 4.0 mg·L-1的臭氧水。

1.3.4干重和鮮重的測量

用分析天平稱量新鮮植株的鮮重，再將植株裝入信封放進(jìn)烘箱中，先在105 ℃殺青30 min，然后在80 ℃下烘48 h，取出測其干重。

1.3.5抗氧化酶活性和丙二醛含量測定

抗氧化酶主要包括超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)。SOD活性測定采用氮藍(lán)四唑法[14]，POD活性測定采用愈創(chuàng)木酚法[15]，CAT活性測定采用紫外吸收法[15]，丙二醛(MDA)測定采用硫代巴比妥酸法[14]。

圖表用Excel繪制，方差分析采用SPSS 18.0的ANOVA過程，顯著性檢驗(yàn)采用LSD法。

2結(jié)果與分析

2.1澆灌不同濃度的臭氧水對生菜干鮮重及抗性生理的影響

生菜在整個(gè)生長過程中都沒有發(fā)生任何嚴(yán)重的病蟲害，2.0 mg·L-1或4.0 mg·L-1濃度臭氧水處理后的生菜葉片都沒有出現(xiàn)明顯的萎蔫、干枯或病斑等癥狀，只有4.0 mg·L-1濃度臭氧水處理組下部有一兩片老葉出現(xiàn)輕微失綠癥狀。對照組、2.0 mg·L-1濃度組和4.0 mg·L-1組的生菜收獲時(shí)單株干重和鮮重差異并不顯著(表3)。

表3各組生菜單株鮮重和干重(mean±SD，n=3)

Table 3Dry and Fresh weight of each lettuce groups(mean±SD，n=3)

組別Group鮮重/gFreshweight干重/gDryweight對照組105.88±9.49a7.62±1.83a2.0mg·L-1組105.68±5.66a6.74±0.33a4.0mg·L-1組104.97±8.57a7.22±1.65a

注：同列數(shù)字后不同字母表示差異顯著(p<0.05)

Note: The different letters in the same row indicated significance at level(p<0.05)

相同處理時(shí)間情況下，不同濃度的臭氧水澆灌對生菜根系抗氧化酶活性以及MDA含量的影響，見圖2～圖5。從圖中可以看出：

(1)在臭氧水處理10 d后，2.0 mg·L-1濃度組的各項(xiàng)指標(biāo)相比于對照組均無顯著變化，而4.0 mg·L-1濃度組的生菜根系SOD、POD活性及MDA含量顯著上升，CAT活性上升不顯著。

(2)在臭氧水處理20 d后，2.0 mg·L-1濃度組的各項(xiàng)指標(biāo)相比于對照組均無顯著變化，而4.0 mg·L-1濃度組除了POD活性顯著上升外，其他指標(biāo)也無顯著變化。

(3)在臭氧水處理30 d后，2.0 mg·L-1濃度組的各項(xiàng)指標(biāo)相比于對照組仍均無顯著變化，而4.0 mg·L-1濃度組的SOD、POD活性相比于對照組顯著上升，CAT活性和MDA含量變化不顯著。

圖2　處理10 d后各組生菜根系抗氧化酶活性Fig.2　Root antioxidase activity of each lettuce groups after experiment for 10 days

圖3　處理20 d后各組生菜根系抗氧化酶活性Fig.3　Root antioxidase activity of each lettuce groups after experiment for 20 days

圖4　處理30 d后各組生菜根系抗氧化酶活性Fig.4　Root antioxidase activity of each lettuce groups after experiment for 30 days

圖5　各組生菜根系MDA含量Fig.5　Root MDA content of each lettuce groups

由此判斷，2.0 mg·L-1濃度的臭氧水灌溉處理對生菜抗氧化酶活性沒有影響，反應(yīng)植物遭受逆境程度的丙二醛含量也顯示：2.0 mg·L-1濃度的臭氧水對生菜并不產(chǎn)生逆境傷害。而4.0 mg·L-1濃度的臭氧水灌溉處理初期MDA含量顯著上升，說明對生菜產(chǎn)生了逆境傷害，不同的抗氧化酶受4.0 mg·L-1臭氧水的影響情況也不同：無論處理多少天數(shù)，POD活性相比于對照組顯著上升；CAT活性不受影響；SOD活性在處理10 d后和30 d后有顯著上升?？傮w來說，生菜根系中抗氧活酶活性的總體水平是受4.0 mg·L-1濃度的臭氧水的影響而上升的，說明生菜在生理上進(jìn)行著抵抗遭受氧化逆境的自我保護(hù)反應(yīng)。

2.2相同濃度的臭氧水處理不同天數(shù)對生菜抗性生理的影響

由于生菜在不同的生長階段，其植株內(nèi)抗氧化酶活性和丙二醛含量本身就存在差異。為了消除采用絕對值進(jìn)行比較的缺點(diǎn)，定義了一個(gè)相對值τ，并通過τ來判斷臭氧水對生菜生長的影響。

處理組指標(biāo)的相對值τ=(處理組對應(yīng)指標(biāo)-對照組對應(yīng)指標(biāo))/對照組對應(yīng)指標(biāo)

相對值τ為正值說明處理組的酶活性或MDA含量高于同期對照組，相對值τ為負(fù)值說明處理組的酶活性或MDA含量低于同期對照組。τ的絕對值越大，說明處理組與對照組的差異越大，即處理產(chǎn)生的影響越大。

圖6　2.0 mg·L-1濃度組不同處理天數(shù)抗氧化酶活性和MDA含量的相對值比較Fig.6　Relative values of antioxidase activity and MDA content of 2.0 mg·L-1 concentration group for different days

圖7　4.0 mg·L-1濃度組不同處理天數(shù)抗氧化酶活性和MDA含量的相對值比較Fig.7　Relative values of antioxidase activity and MDA content of 4.0 mg·L-1 concentration group for different days

由圖6和圖7可知，2.0 mg·L-1濃度的臭氧水與4.0 mg·L-1濃度的臭氧水灌溉處理對抗氧化酶活性的影響均不隨處理天數(shù)的改變而發(fā)生顯著變化。但4.0 mg·L-1濃度的臭氧水灌溉處理下的生菜MDA在處理10 d后含量顯著上升，而20 d和30 d后的MDA的含量相比于之前又顯著下降。

3討論與結(jié)論

當(dāng)植物體內(nèi)活性氧的累積量超過正常狀態(tài)下CAT、SOD等抗氧化酶能有效控制的范圍時(shí)，細(xì)胞

會增加對這些酶的合成，酶活性增強(qiáng)，機(jī)體內(nèi)膜保護(hù)系統(tǒng)被激發(fā)而加強(qiáng)生理活動(dòng)，是對臭氧等逆境的脅迫響應(yīng)，抗氧化酶的活力增高將有助于植物抵抗臭氧脅迫的危害[2]。本試驗(yàn)研究結(jié)果顯示，2.0 mg·L-1臭氧水澆灌處理對各個(gè)時(shí)期的生菜的抗氧化酶活性及丙二醛含量無顯著影響，說明2.0 mg·L-1的臭氧水對生菜生長并不產(chǎn)生臭氧脅迫影響；4.0 mg·L-1臭氧水澆灌處理提高了生菜POD和SOD酶活性，且在處理前期生菜MDA含量顯著上升，說明生菜受到臭氧脅迫后自身通過抗氧化酶的催化反應(yīng)來抵抗臭氧脅迫帶來的影響。但生菜的干重和鮮重變化不顯著說明，4.0 mg·L-1臭氧水并沒有造成植株器官上的可視性傷害，所以4.0 mg·L-1以及更低濃度的臭氧水澆灌生菜是安全的。

本試驗(yàn)未檢測生菜的葉面積、葉綠素含量、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、凈光合速率等光合指標(biāo)，對于臭氧水對生菜生長的影響判定還不全面，因此在這些方面還需進(jìn)一步探索。

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(編輯：馬榮博)

The effects of ozone water irrigation on the resistant physiology of lettuce

Liu Chao, Song Weitang*, Yang Qi, Ji Wenpeng, Li Chenxi

(CollegeofWaterResources&CivilEngineering/KeyLaboratoryofAgriculturalEngineeringinStructureandEnvironment,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China)

Abstract:At present a lot of research are exploring using ozone water to sterilization of nutrient solution, and achieved positive results. However the research is lack that what effect on crop growth and physiological by using residual ozone nutrient solution. Therefore the experimental design used 2.0 mg·L-1and 4.0 mg·L-1ozone water to irrigate lettuce, tested its root antioxidant enzyme activity and MDA content after 10, 20 and 30 days，then compared with the control group (CK, Ozone concentration is 0 mg·L-1) and analysis of stress reaction by different concentration of ozone. Experimental results showed: The 2.0 mg·L-1ozone water did not produce stress on lettuce; 4.0 mg·L-1ozone water could improve the lettuce SOD and POD activity, MDA content was significantly increased after ten days, but had no effect on the yield of lettuce. Therefore, using the nutrient solution contains 4.0 mg·L-1and lower concentration of ozone water to irrigation lettuce is safe and feasible.

Key words:Ozone water; Antioxidase activity; Malondialdehyde(MDA); Lettuce

中圖分類號：S311；S477.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-8151(2016)05-0327-05

基金項(xiàng)目：“十二五”國家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA103004)；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)項(xiàng)目(CARS-25-D-04)

作者簡介：劉超(1991-)，女(漢)，山東壽光人，碩士，研究方向：設(shè)施園藝*通訊作者：宋衛(wèi)堂，教授，博士生導(dǎo)師。Tel:13651249496; E-mail:songchali@cau.edu.cn

收稿日期：2016-01-06 修回日期：2016-02-18