不同濃度養(yǎng)殖廢水對狐尾藻生長性狀及生理指標的影響

唐紅琴，何鐵光，李忠義，韋彩會，胡鈞銘，俞月鳳，王 瑾，張 野，李婷婷，蒙炎成

(廣西農業(yè)科學院農業(yè)資源與環(huán)境研究所，廣西 南寧 530007)

1 材料與方法

1.1 試驗材料

挑選廣西柯新源原種豬有限責任公司養(yǎng)殖場內長勢相近的幼嫩狐尾藻為試驗材料，將其洗凈后放入塑料杯中培養(yǎng)。同時采集該公司1、2、3、4、5級簡易濾池中的養(yǎng)殖廢水作為不同濃度的試驗用水，各級養(yǎng)殖廢水的污染物指標詳見表1。

1.2 試驗設計

試驗于2016年9月14日將1～5級等量的養(yǎng)殖廢水分別倒入相同規(guī)格的PVC桶中(桶高50 cm、直徑60 cm)，每級廢水各倒入3桶，以做3次重復試驗(分別用I、II、III表示)。扦插預培養(yǎng)的狐尾藻頂枝部位(約20 cm)入桶中，每桶20株。試驗期間觀察、記錄狐尾藻株高、葉片數及新芽萌發(fā)等情況，分別于9月19日、10月10日、10月24日、11月6日、11月15日和12月6日將狐尾藻撈出瀝干，稱其生物量；并于10月10日、10月24日、11月6日、11月15日和12月6日測量各桶狐尾藻的株高，同時采集各處理葉樣，測葉綠素、丙二醛(MDA)含量及其超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)的活性。

1.3 測定項目與方法

采用乙醇丙酮混合法測定狐尾藻葉綠素含量[12]，用硫代巴比妥酸法測丙二醛含量[13]，狐尾藻超氧化物歧化酶和過氧化氫酶的活性參考李合生的方法進行測量[14-15]。

1.4 數據處理

用Microsoft Excel 2003辦公軟件進行試驗數據分析匯總和圖表制作，用DPS6.55分析軟件進行數據統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 對狐尾藻生長性狀的影響

2.1.1 對株高的影響 圖1結果顯示，不同濃度養(yǎng)殖廢水及對照組狐尾藻株高均呈現出試驗前期迅速增加、后期增長逐漸停止的變化趨勢。從10月10日起到11月6日，各處理狐尾藻植株飆長。其中4級廢水狐尾藻株高從9.73 cm增加至46.67 cm，日均增長量達到1.32 cm，增幅最大；3級廢水株高從10.40 cm增至44.93 cm，日均增長1.23 cm，增幅也非常大；1、2級廢水株高日均增長分別為1.20、1.19 cm，二者增幅相當；5級廢水株高增長幅度相對較差，日均增長為1.08 cm；與不同濃度養(yǎng)殖廢水培養(yǎng)的狐尾藻植株長勢相比，對照組株高增長較為緩慢，其日均增長量僅為0.54 cm。11月6日之后，1～5級廢水狐尾藻植株增長逐漸趨于停滯，對照組株高雖有所增加，但日增長量低于0.40 cm，增幅相當有限。在12月6日試驗結束時，1～5級廢水狐尾藻株高分別為46.03、51.13、49.33、48.50、45.47 cm，彼此之間差異不顯著(P>0.05)；對照組株高為30.13 cm，與各級廢水處理的相比差異非常大(P<0.05)。上述分析表明，狐尾藻能適應各級養(yǎng)殖廢水的富營養(yǎng)化環(huán)境，并從中吸收氮、磷等物質，促進自身的生長。

表1 各級養(yǎng)殖廢水污染物指標

圖1 不同處理狐尾藻株高變化分析Fig.1 The change analysis of plant height of Myriophyllum spicatum under different treatments

圖2 不同處理狐尾藻生物量變化分析Fig.2 The change analysis of biomass of Myriophyllum spicatum under different treatments

2.1.2 對植株生物量的影響 圖2可見不同濃度養(yǎng)殖廢水及對照組狐尾藻生物量在試驗期間的動態(tài)變化情況。9月19日至10月10日，各處理狐尾藻生物量增加較為緩慢，可能與剛扦插培養(yǎng)有關，莖節(jié)部生根及根系對新環(huán)境有個適應過程，因而試驗前期狐尾藻長勢較弱。從10月10日起，各試驗組狐尾藻均進入快速生長的階段，植株分蘗速度快，生物量迅速增加，并于11月6日達到峰值。其中2級廢水狐尾藻生物量最高，達到1451.00 g，日均增加38.72 g，增幅最大；3級廢水生物量為1336.33 g，其日均增加幅度略低于2級廢水；5級廢水生物量相對較低，為1116.00 g，日均增加32.26 g，也達到較高的增長水平；1、4級廢水的生物量日均增幅分別為29.55、29.14 g，彼此差異不顯著(P>0.05)。相比之下，同時期對照組狐尾藻生物量增長明顯滯后，到11月6日，其生物量為542.00 g，日均增加量僅12.27 g，顯著低于其他處理(P<0.05)。11月6日之后，狐尾藻葉片逐漸衰老凋零，各處理生物量均出現不同程度的下降。至12月6日，1～5級廢水狐尾藻生物量分別為1003.00、1112.00、999.33、891.33、955.67 g，2級廢水的生物量最高，4級廢水相對較低，1、3、5級廢水之間相差不大；對照組生物量為377.67 g，顯著低于其他處理(P<0.05)。由此可見，狐尾藻在不同濃度養(yǎng)殖廢水中均能正常生長，其根系耐污能力強，同時養(yǎng)殖廢水能提供大量營養(yǎng)物質，有利于狐尾藻快速生長和生物量的迅速積累。

圖3 不同處理狐尾藻葉綠素含量變化分析Fig.3 The change analysis of chlorophyll content of Myriophyllum spicatum under different treatments

2.2 對狐尾藻生理指標的影響

2.2.1 對葉綠素的影響 試驗期間不同處理對狐尾藻葉綠素含量的影響見圖3，從中可以看到，各級養(yǎng)殖廢水及對照組狐尾藻葉綠素含量在試驗前期不斷增加，達到最大值后便逐漸下降，整體上呈開口向下的拋物線趨勢變化。從10月10日起，各試驗組狐尾藻均進入旺長階段，根莖增粗、葉片增大，葉綠素含量持續(xù)上升，并在11月6日達到峰值。其中3級廢水葉綠素含量最高，為2.06 mg/g·FW，1、2、4、5級廢水分別為1.95、1.89、1.93、1.81 mg/g·FW，對照組葉綠素含量相對較低，為1.70 mg/g·FW。11月6日之后，各處理狐尾藻長勢由盛轉衰，其葉片逐漸退綠甚至枯黃，因而葉綠素含量不斷下降。到12月6日，3級養(yǎng)殖廢水葉綠素含量仍然最高，達到1.73 mg/g·FW，2級廢水次之，為1.68 mg/g·FW，1、4、5級廢水葉綠素含量相當，都在1.63 mg/g·FW左右，對照組葉綠素含量僅為1.47 mg/g·FW?？梢娫谡麄€試驗期間，不同濃度養(yǎng)殖廢水狐尾藻葉綠素含量均顯著高于對照(P<0.05)，原因在于養(yǎng)殖廢水中含有大量氮、磷等營養(yǎng)物質，為葉片生長和葉綠素含量的增加提供充足的養(yǎng)分。

2.2.2 對丙二醛的影響 試驗于10月10日、10月24日、11月6日、11月15日及12月6日分別測量各處理狐尾藻葉片丙二醛含量，結果(圖4)發(fā)現，從10月10日起，不同處理狐尾藻丙二醛含量均呈現出波動上升的趨勢。到11月6日，各試驗組狐尾藻丙二醛含量表現為：1>2>3>4>5>CK，1級廢水的丙二醛含量高達6.87 nmol/g·FW，2、3、4、5級廢水分別為6.30、5.97、5.43、5.10 nmol/g·FW，對照組丙二醛含量最低，為4.43 nmol/g·FW，顯著低于其他處理(P<0.05)。說明養(yǎng)殖廢水對狐尾藻產生脅迫效應，且隨著濃度的升高其脅迫程度不斷增加。結合圖1～2狐尾藻株高和生物量在10月10日至11月6日的增長趨勢可以看出，狐尾藻耐污能力較強，養(yǎng)殖廢水對其脅迫較輕，基本不影響其生長發(fā)育。11月6日之后，僅有2級養(yǎng)殖廢水狐尾藻丙二醛含量仍有所升高然后再降低，其他處理均先下降后逐漸趨穩(wěn)。說明狐尾藻已適應各級養(yǎng)殖廢水的環(huán)境，其受到的脅迫基本解除。

圖4 不同處理狐尾藻丙二醛含量變化分析Fig.4 The change analysis of MDA content of Myriophyllum spicatum under different treatments

圖5 不同處理狐尾藻超氧化物歧化酶、過氧化氫酶活性變化分析Fig.5 The change analysis of SOD and CAT activity of Myriophyllum spicatum under different treatments

2.2.3 對酶活性的影響 不同處理狐尾藻SOD和CAT活性在試驗期間的動態(tài)變化如圖5所示。從中可以發(fā)現，各級養(yǎng)殖廢水及對照組狐尾藻SOD和CAT活性均呈現出先波動上升而后下降的變化趨勢。具體來看，1級廢水狐尾藻SOD活性從10月10日起先降低然后持續(xù)升高，在11月15日達到最高值，之后出現較明顯的下降，其變幅非常顯著(P<0.05)；3、4、5級廢水SOD活性先升后降，在11月6日后開始反彈上升，并于11月15日達到峰值，其變化幅度也相當大；2級廢水SOD活性在10月24日達到峰值后便呈波動下降的態(tài)勢；對照組SOD活性也表現出先升高后降低的變化過程，但其波動幅度相對較為平緩。與SOD相比，各處理狐尾藻CAT活性也有相似的變化規(guī)律。從10月10日開始，3、5級廢水狐尾藻CAT活性先不斷升高，在11月6日達到峰值后便逐漸下降，整體上呈開口向下的拋物線變化；2、4級廢水及對照組CAT活性在10月24日至11月6日間變化相對平穩(wěn)，之后也呈現出先升后降的變化趨勢；1級廢水CAT活性先略有下降，然后大幅上升，并在11月15日達到峰值，隨后出現較大幅度的下跌。以上分析表明，與對照相比，狐尾藻在不同濃度養(yǎng)殖廢水下均能保持較高的酶活性，有助于其維持酶促防御系統(tǒng)的穩(wěn)定，減輕逆境的脅迫。

3 討 論

養(yǎng)殖廢水中含有豐富的總磷、總氮、氨氮等物質，對水生植物產生直接或間接的影響。當水體營養(yǎng)條件較低時易導致供給不足，而營養(yǎng)濃度過高則會對植物形成逆境脅迫，進而抑制其自身的生長[16]。黑藻在TN濃度≤8 mg·L-1時植株分枝較快，新根增長多，當TN高于16 mg·L-1，其根的生長和凈生物量的增加均受到較明顯的抑制[17]。水體基質高濃度的TP影響苦草正常生理活動，導致其葉綠素含量和根系活力降低，從而產生毒害作用[18]。此外，水生植物吸收過多的氨氮還會產生氨害[19]，其中水培菜隨著培養(yǎng)液中氨氮比例的增加，葉片含水率和根長均顯著下降[20]?？梢姡w高營養(yǎng)條件是水生植物遭受鹽基脅迫甚至退化消亡的重要因素。水生植物對水體環(huán)境的適應還與其本身對富營養(yǎng)化物質的耐受力有關，Van等[21]研究表明，相同條件下輪葉黑藻比苦草更能忍耐水體中較高的營養(yǎng)鹽。郭俊秀等[8]、金相燦等[9]的研究也都發(fā)現，與輪葉黑藻相比，狐尾藻在忍受氮、磷脅迫方面更有競爭優(yōu)勢，在高氮、高磷濃度下狐尾藻能正常生長，但相同的營養(yǎng)水平則對輪葉黑藻產生較大的毒害。本試驗發(fā)現，狐尾藻在各級養(yǎng)殖廢水中均保持良好的長勢，其株高、生物量及葉綠素含量顯著高于對照?？梢姾苍迥臀勰芰姡苓m應不同濃度的養(yǎng)殖廢水環(huán)境，并從中吸收養(yǎng)分促進自身的生長。已有研究表明，水生植物通過根系的氣腔系統(tǒng)不斷釋放氧氣，在根際周圍形成微氧化帶，使植物能夠正常呼吸和生長[22]。在本試驗過程中，狐尾藻繁殖速度快，水下假狀莖密布叢生，與莖節(jié)上的須根組成縱橫交錯的網狀根群。因此可推斷正是根莖上發(fā)達的通氣組織有效改善水體的厭氧環(huán)境，從而使狐尾藻對各級養(yǎng)殖廢水具有良好的適應性。

水生植物依賴水體生存，對水質環(huán)境變化較為敏感，會產生不同程度的生理響應，特別是在逆境條件下，水生植物細胞內固有的自由基代謝平衡遭到破壞從而引發(fā)膜脂過氧化作用，產生大量的丙二醛[23]。因此，可通過丙二醛含量的高低來表示水體環(huán)境對植物的脅迫情況。當丙二醛含量變化平緩時，說明水生植物沒有受到脅迫或脅迫較輕；隨著丙二醛含量的迅速上升，可判斷此時的水體條件對植物產生明顯的脅迫，并造成細胞膜系統(tǒng)的損傷，嚴重的甚至干擾細胞的呼吸、光合及其他代謝過程，導致植物根活力和葉綠素含量下降[24]。本研究發(fā)現，在試驗過程中各級養(yǎng)殖廢水狐尾藻丙二醛含量總體上表現出先波動上升然后下降的變化趨勢，且與對照相比均有所增加。說明試驗前中期養(yǎng)殖廢水對狐尾藻產生脅迫作用，而在后期脅迫基本消失。結合同時期各處理狐尾藻葉綠素含量的增長態(tài)勢可以看出，養(yǎng)殖廢水對狐尾藻的脅迫并沒有嚴重損害細胞質膜系統(tǒng)，細胞體內光合等生理活動仍能正常進行?？梢姾苍鍖︷B(yǎng)殖水體的脅迫具有較強的忍耐和抵抗機制，能充分調動自身防御系統(tǒng)保護細胞膜的正常結構和功能。SOD 和 CAT是酶促防御系統(tǒng)的重要保護酶，當植物面臨逆境脅迫時，體內酶促防御系統(tǒng)啟動，SOD 和 CAT活性上升，有效消除不斷產生的自由基，維持植株組織和細胞體內的代謝平衡[25]。本試驗同時發(fā)現，與對照相比，不同濃度養(yǎng)殖廢水SOD 和 CAT活性均有不同程度的增加，且變化趨勢與丙二醛大體吻合。說明試驗期間各養(yǎng)殖廢水處理的狐尾藻SOD 和 CAT活性始終處于較高水平，有利于維持細胞結構的穩(wěn)定，減輕膜脂過氧化的傷害，從而提高狐尾藻對養(yǎng)殖廢水環(huán)境的適應性。

4 結 論

本研究結果表明，狐尾藻耐污能力強，適應性好，在不同濃度的養(yǎng)殖廢水中均能茁壯成長，是非常理想的去污材料，在禽畜養(yǎng)殖廢水的治理和修復方面具有良好的推廣和應用價值。

[1]劉 盼，宋 超，朱 華，等.3種水生植物對富營養(yǎng)化水體的凈化作用研究[J].水生態(tài)學雜志，2011,32(2):69-74.

[2]陳金發(fā)，楊 平，聶琦珊，等.大薸對不同質量濃度畜禽廢水的凈化作用及生物學效應[J].重慶大學學報，2014,37(3):87-94.

[3]楊曉玲，郭金耀.水蕹菜對富營養(yǎng)化養(yǎng)殖水的凈化作用研究[J].作物雜志，2012(1):49-52.

[4]厲金炳，徐小燕，袁金錢，等.利用狐尾藻綜合治理規(guī)模養(yǎng)殖場污水的原理及效果分析[J].浙江畜牧獸醫(yī)，2014(5):72-73.

[5]陳 鴻，黃世洋，黎庶凱，等.綠狐尾藻人工濕地治理水污染模式及其在廣西的應用[J].亞熱帶植物科學，2016,45(4):386-390.

[6]羅開武，鄒愛華，鄒昀華，等.綠狐尾藻治理豬場廢水效果觀察[J].湖南畜牧獸醫(yī)，2016(1):22-24.

[7]李紅麗，王永陽，李 玉，等.水體氮濃度對狐尾藻和金魚藻片段萌發(fā)及生長的影響[J].植物營養(yǎng)與肥料學報，2014,20(1):213-220.

[8]郭俊秀，許秋瑾，金相燦，等.不同磷質量濃度對穗花狐尾藻和輪葉黑藻生長的影響[J].環(huán)境科學學報，2009,29(1):118-123.

[9]金相燦，郭俊秀，許秋瑾，等.不同質量濃度氨氮對輪葉黑藻和穗花狐尾藻抗氧化酶系統(tǒng)的影響[J].生態(tài)環(huán)境，2008,17(1):1-5.

[10]焦立新，王圣瑞，金相燦.穗花狐尾藻對銨態(tài)氮的生理響應[J].應用生態(tài)學報，2009,20(9):2283-2288.

[11]金相燦，楚建周，王圣瑞.水體氮濃度、形態(tài)對黑藻和狐尾藻光合特征的影響[J].應用與環(huán)境生物學報，2007,13(2):200-204.

[12]張憲政.作物生理研究法[M].北京:農業(yè)出版社，1992:145-150.

[13]高俊鳳.植物生理學實驗指導[M].北京:高等教育出版社，2006:210-211.

[14]李合生.植物生理生化實驗原理和技術[M].北京:高等教育出版社，2000:165-167.

[15]李合生.植物生理生化實驗原理和技術[M].北京:高等教育出版社，2000:258-261.

[16]劉 燕，王圣瑞，金相燦，等.水體營養(yǎng)水平對3 種沉水植物生長及抗氧化酶活性的影響[J].生態(tài)環(huán)境學報，2009,18(1):57-63.

[17]葉 春,鄒國燕,付子軾,等.總氮濃度對3種沉水植物生長的影響[J].環(huán)境科學學報,2007,27(5):739-746.

[18]黃玉源,雷澤湘,何柳靜,等.不同磷濃度對水生植物苦草的影響研究[J].環(huán)境科學與技術,2011,34(2):12-16.

[19]Cao T, Xie P, Ni L, et al. The role of NH4+toxicity in the decline of the submersed macrophyteVallisnerianatansin lakes of the Yangtze River basin, China[J].Marine and Freshwater Research, 2007,58(6):581-587.

[20]張富倉,康紹忠,李志軍.氮素形態(tài)對白菜硝酸鹽累積和養(yǎng)分吸收的影響[J].園藝學報,2003,30(1):93-94.

[21]Van T K, Wheeler G S, Center T D. Competition between hydrilla verticillata and vallisneria americana as influenced by soil fertility[J]. Aquatic Botany,1999, 62(4):225-233.

[22]Jaynes M L, Carpenter S R. Effects of vascular and nonvascular macrophytes on sediment redox and solute dynamics[J].Ecology,1986,67:875-882.

[23]王 珺,顧宇飛,朱增銀,等.不同營養(yǎng)狀態(tài)下金魚藻的生理響應[J].應用生態(tài)學報,2005,16(2):337-340.

[24]Chen S Y. Injury of membrane lipid peroxidation to plant cell[J].Plant Physiology Communication, 1991,27(2):84-90.

[25]王 斌,李 偉.不同N、P濃度條件下竹葉眼子菜的生理反應[J].生態(tài)學報,2002,22(10):1616-1621.