氮素對香根草吸收和去除撲草凈的影響

劉書楷 王 銘 鄭 毅

(1. 西南林業(yè)大學(xué)國家高原濕地研究中心，云南 昆明 650224；2. 西南林業(yè)大學(xué)環(huán)境與工程學(xué)院，云南 昆明 650224)

農(nóng)藥在控制農(nóng)業(yè)害蟲、雜草、疾病以及提高作物產(chǎn)量方面發(fā)揮著巨大作用，但大量且不合理使用不僅會對生態(tài)環(huán)境造成破壞，而且通過食物鏈會對人體健康產(chǎn)生一定程度的危害[1-4]。如撲草凈 (4, 6-雙異丙胺基-2-甲硫基-1, 3, 5-三嗪)，在水中溶解度較低 (25 ℃時，48 mg/L)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，難降解[5]，可經(jīng)過各種途徑進(jìn)入環(huán)境中，如經(jīng)地表徑流和滲透作用造成地表水和地下水的污染，通過食物鏈傳遞對水生生態(tài)環(huán)境中各級生物造成各種急性、慢性或遺傳性毒性，引發(fā)水生態(tài)系統(tǒng)中生物種群結(jié)構(gòu)和數(shù)量的變化[6]。撲草凈對人類健康和生態(tài)環(huán)境造成的嚴(yán)重危害已引起世界各國的重視[7-10]，歐盟等國已禁止銷售和使用撲草凈，但我國在水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)作物的雜草去除中仍廣泛使用[11-12]。目前，國外對去除農(nóng)業(yè)徑流中農(nóng)藥的研究已經(jīng)十分活躍[13-14]。

植物作為農(nóng)業(yè)徑流中農(nóng)藥去除效果較好的方法之一，已經(jīng)成為治理環(huán)境污染研究的一個熱點[15-17]。近年的研究發(fā)現(xiàn)，香根草 (Vetiveriazizanioides) 已被廣泛證明是一種抗性強的植物，它對貧瘠地、有機(jī)物、污水等都表現(xiàn)出了較強的抗性[18-22]。香根草根系擴(kuò)展能力強于一般的人工濕地植物，對污水中的總氮、總磷的降解率顯著高于黃菖蒲 (Irispseudacorus) 和其他挺水植物[23-24]。而氮作為植物生存的必要養(yǎng)分之一[25]，環(huán)境中的氮含量可直接影響植物的生長和生態(tài)功能。

目前氮素水平對植物吸收和去除農(nóng)藥的影響研究較少。本試驗以香根草為研究對象，用盆栽種植的方式，在人工控制氮營養(yǎng)水平的條件下，研究香根草對撲草凈的吸收、去除的動態(tài)變化規(guī)律，及撲草凈在香根草的根、莖葉中的轉(zhuǎn)移，探討不同氮水平下香根草對撲草凈的吸收特點，以期為日后植物的生態(tài)環(huán)境治理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗所用香根草采自在澄江窯泥溝濕地公園 (東經(jīng)102°49′～102°57′，北緯24°17′～24°37′，海拔1 720 m)，試驗植物體選擇高為0.8～1.2 m，長勢良好的均勻株。于溫室內(nèi)統(tǒng)一進(jìn)行管理，所處外部環(huán)境條件一致：氣溫25～35 ℃，相對濕度50%～60%，自然通風(fēng)，自然光照。

1.2 實驗設(shè)計

實驗容器為口徑10 cm的棕色玻璃瓶。統(tǒng)一使用常規(guī)單子葉營養(yǎng)液為培養(yǎng)液，培養(yǎng)液配置方法見表1。處理過程中用少量1 mol/L NaOH或者1 mol/L HCl將營養(yǎng)液的pH值控制在7.00 ± 0.02間。本次實驗的主要研究目的是了解不同氮濃度 (低濃度氮：0.16 mg/L，中濃度氮：0.33 mg/L，高濃度氮：0.49 mg/L) 條件下香根草對撲草凈的吸收效果。將成熟均勻的香根草直接植入裝有常規(guī)單子葉植物營養(yǎng)液的棕色廣口瓶內(nèi)，每瓶營養(yǎng)液為2 L，將香根草根部均浸泡在營養(yǎng)液液面下，并按照設(shè)定濃度 (撲草凈初始濃度均為0.5 mg/L) 添加撲草凈所需量。樣品的采樣時間為植入植株第0天、第5天、第10天、第15天、第20天、第25天、第30天、第40天。每瓶種植4株香根草，植株總質(zhì)量約為200 g，每種含氮濃度以未含氮體系的處理作為空白對照，所有處理和對照均重復(fù)3次。

表1 常規(guī)單子葉植物營養(yǎng)液配方Table 1 Nutrient solution formula of conventional monocotyledon

1.3 樣品采集與處理

每瓶香根草根和莖葉各采集2 g，剪取成熟且長勢良好的植物根系和莖葉，取不同部位，使樣品具有代表性。將采集的樣品剪成2～3 mm的碎片，轉(zhuǎn)移到具塞錐形瓶中，加入40 mL乙腈，蓋上瓶蓋,超聲提取40 min，濾入平底燒瓶中，再用20 mL乙腈重復(fù)提取1次，超聲提取20 min，合并提取液于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)瓶中，于60 ℃水浴中旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至干，用3.0 mL正己烷溶解，過0.45 μm有機(jī)相濾膜，待測。

1.4 測定分析方法

植物體體內(nèi)撲草凈濃度用Agilent 7890B-5977MSD氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀測定。

1.4.1儀器工作條件

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀采用 HP-5 MS毛細(xì)管色譜柱 (30 m × 0.32 mm i. d × 0.25 μm)；進(jìn)樣口溫度260 ℃；不分流進(jìn)樣，進(jìn)樣量為1 μL；載氣為氦氣 (純度不小于99.999%)，流量為 0.8 mL/min；柱程序升溫：初始溫度70 ℃，保持1 min；以 25 ℃/min速率升溫至180 ℃；再以5 ℃/min速率升溫至220 ℃；最后以20 ℃/min速率升至280 ℃，保持3 min。

質(zhì)譜條件電子轟擊離子源 (EI)，電子能量70 eV，離子源溫度230 ℃ ；接口溫度280 ℃，四極桿溫度150 ℃ ；溶劑延遲時間為3.75 min；掃描方式為全掃描模式與選擇離子監(jiān)測模式同時進(jìn)行，SCAN 掃描范圍 (m/z) 50～350，SIM監(jiān)測離子為m/z 241、184、226、199；定量離子為氣相色譜條件，柱溫：230 ℃，進(jìn)樣口：280 ℃，加熱器：200 ℃，電位計電壓勾，進(jìn)樣量2 μL，分流進(jìn)樣，分流比2∶1。

1.4.2標(biāo)準(zhǔn)曲線

用正己烷逐級稀釋撲草凈的母液，配制質(zhì)量濃度為0.01～10.0 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)系列，然后按1.3.1中色譜條件進(jìn)行測定。以樣品質(zhì)量濃度 (mg/L) 為橫坐標(biāo) (x)，相應(yīng)的峰面積為縱坐標(biāo) (y) 繪制工作曲線 (見圖1)。工作曲線回歸方程為y=35 180x-23.112，相關(guān)系數(shù)R2=0.999 8，表明0.01～10.0 mg/L的范圍里線性關(guān)系良好。

圖1撲草凈工作曲線
Fig.1 The working curve of prometryn

1.4.3加標(biāo)回收率

通過GC-MS儀器對香根草根、莖葉中撲草凈的加標(biāo)回收試驗檢測分析可知 (見表2)，撲草凈在香根草的根、莖葉加標(biāo)回收率均為93.47%～101.56%，撲草凈在樣品中的平均回收率大于99.13%，說明香根草對撲草凈的提取具有可操作性，其相對誤差較小，能達(dá)到撲草凈測定的要求。

表2 撲草凈在香根草莖葉及根中的加標(biāo)回收率Fig.2 Recovery rate of prometryn in stems, leaves and roots of V.zizanioides

2 結(jié)果與分析

2.1 香根草根系中撲草凈的動態(tài)變化

不同氮濃度條件下，香根草根系對撲草凈的吸收動態(tài)及轉(zhuǎn)移規(guī)律如圖2所示。

圖2香根草根中撲草凈的濃度動態(tài)
Fig.2 The concentration dynamics of prometryn in the roots ofV.zizanioides

由圖2可知，在氮濃度不同的條件下，隨著時間的變化，香根草根系對撲草凈的吸收呈先增大后減小并趨于平緩的趨勢。其中高濃度、中濃度、低濃度氮素水平條件下，香根草根系對撲草凈的吸收在第5天達(dá)到最大值，分別為5.787、4.449、1.572 mg/kg，高濃度氮條件下吸收效果最為顯著；空白條件下，香根草根系對撲草凈的吸收在第10天達(dá)到最大值，為2.220 mg/kg。添加氮素明顯加快了香根草根系對撲草凈的吸收速率，較對照相比，提前5 d達(dá)到了吸收峰值。但從第15～40天撲草凈在植株根系內(nèi)的濃度含量呈現(xiàn)不斷下降并趨于平緩的趨勢。分析其原因可能為氮素的存在促進(jìn)了香根草的成長，從而促進(jìn)了香根草對撲草凈的吸收；同時由于植株自身的吸收、代謝、降解及轉(zhuǎn)移等作用，使得植株根系內(nèi)撲草凈的濃度含量呈先增大后減小趨勢。

2.2 香根草莖葉中撲草凈的動態(tài)變化

不同氮濃度條件下，香根草莖葉對撲草凈的動態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)律如圖3所示。

圖3香根草莖葉中撲草凈含量的動態(tài)變化
Fig.3 The concentration dynamics of prometryn in the shoots ofV.zizanioides

由圖3可知，在氮濃度不同的條件下，隨著時間的變化，香根草莖葉對撲草凈的吸收呈先增大后減小隨后又有所增大的趨勢。其中高濃度、中濃度、低濃度氮素水平條件下，香根草莖葉對撲草凈的吸收在第10天達(dá)到最大值，分別為1.104、3.156、3.326 mg/kg，低濃度氮條件下吸收效果最為顯著；空白條件下，香根草莖葉對撲草凈的吸收在第15天達(dá)到最大值，為0.192 mg/kg。添加氮素明顯加快了香根草莖葉對撲草凈的吸收速率，較對照相比，提前5 d達(dá)到了吸收峰值。中、低氮濃度條件下與高濃度氮條件相比呈現(xiàn)顯著差異，究其原因，可能為氮素的存在在一定程度上促進(jìn)了香根草對撲草凈的吸收，高濃度氮濃度條件下反而抑制了撲草凈由根到莖葉的轉(zhuǎn)移。由于香根草體內(nèi)可能發(fā)生生物富集等作用，所以自第30天以后撲草凈在莖葉中的濃度有抬升現(xiàn)象。

2.3 撲草凈由香根草根系到莖葉的轉(zhuǎn)移規(guī)律

撲草凈由香根草根系到莖葉的轉(zhuǎn)移規(guī)律見表3。撲草凈在香根草體內(nèi)的轉(zhuǎn)移系數(shù) (TF) 等于莖葉中撲草凈濃度與根系中撲草凈濃度的比值。由表3可知，高濃度氮時轉(zhuǎn)移系數(shù)最大為1.23，中濃度氮時轉(zhuǎn)移系數(shù)最大為1.74，低濃度氮時轉(zhuǎn)移系數(shù)最大為3.46。而低濃度氮時，撲草凈的轉(zhuǎn)移系數(shù)在第10天、第15天、第20天、第40天均大于高、中濃度氮轉(zhuǎn)移系數(shù)的最大值。由此可知，低濃度氮不僅能促進(jìn)香根草對撲草凈的吸收，同時能促進(jìn)溶液中撲草凈由根系向莖葉的轉(zhuǎn)移?？赡茉驗榈丶仁窍愀萆L所需要的營養(yǎng)物質(zhì)，同時也是抑制植物生長的污染物質(zhì)，低濃度氮條件下可能更有利于香根草自身的生長，從而促進(jìn)香根草體內(nèi)撲草凈的吸收與轉(zhuǎn)移。

表3 撲草凈由香根草根系到莖葉的轉(zhuǎn)移系數(shù)Table 3 Transfer coefficient of prometryn in root and shoot of V.zizanioides

2.4 不同氮素水平下香根草對撲草凈的去除效率

第40天時，不同氮素水平下香根草對撲草凈的吸收、殘留、去除率見表4。

表4 第40天不同氮水平下香根草對撲草凈的吸收去除效率Table 4 Absorption and removal rate of prometryn under different nitrogen levels at the 40th day

由表4可知，在氮濃度不同的條件下香根草培養(yǎng)至第40天時，撲草凈在溶液中的殘留率最低值為中濃度氮條件下的1.80%，最高值為高濃度氮條件下的1.90%；香根草對撲草凈的吸收率最高為高濃度氮素條件下的7.54%，吸收率最低值為中濃度氮條件下的4.78%；香根草對撲草凈的去除效率表現(xiàn)為中濃度氮條件下的18.07% > 低濃度條件下的16.51% > 高濃度氮條件下的13.11%。由此可知，香根草在中、低濃度氮素水平下修復(fù)撲草凈的最終效果更好。

3 結(jié)論與討論

通過此次試驗表明，氮素的存在能出促進(jìn)香根草根部對單子葉溶液中撲草凈的吸收，高濃度氮素含量下吸收撲草凈效果作為顯著。低濃度氮條件下，撲草凈由根系向莖葉轉(zhuǎn)移效果較好；高濃度條件下對撲草凈從根部向莖葉的轉(zhuǎn)化具有抑制作用；中濃度氮素水平條件下，香根草對撲草凈的去除效率更高；添加氮素能促進(jìn)香根草對溶液中撲草凈的吸收，在低濃度氮含量的情況下，香根草較中、高氮濃度的生長長勢好。且在pH為7.00 ± 0.02的條件下，通過改變氮的添加濃度對香根草在單子葉營養(yǎng)液中撲草凈的吸收效果分析，培養(yǎng)液pH值在香根草正常生長值內(nèi)，王青青等[26]研究表明：香根草在pH 4.0～9.0條件下，香根草基本可以正常生長。Truong[27]研究表明，在可交換性鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)33%時香根草仍表現(xiàn)正常，在pH值3.8的酸性土壤中，Al3+質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)68%情況下仍能生長 (一般作物Al3+質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%就相當(dāng)高了[28])，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量高的砷、鉛、鎘、鋁等狀況下也能生長正常。香根草對重金屬有較強的耐受能力，其耐受性遵循Zn > Pb > Cu規(guī)律[29]。徐世謙等[30]研究表明，撲草凈作用機(jī)制是抑制植物的光合作用，妨礙糖分的形成和淀粉的積累是植物因缺乏養(yǎng)分而死亡。本實驗水溶液中，撲草凈初始濃度為0.5 mg/L，前期隨著香根草中撲草凈的濃度升高，香根草葉中葉綠素值也在減少；反之，香根草中撲草凈濃度降低，其葉中葉綠素的值開始緩慢回升。后期，香根草中撲草凈殘留濃度降低時，即使香根草中撲草凈殘留有微小回升，香根草葉中葉綠素也在增大，但增大幅度較小。說明撲草凈濃度在低于香根草致死濃度下，能抑制香根草光合作用，影響其正常生長。Marcacci等[31]等研究表明，香根草能吸收和轉(zhuǎn)移阿特拉津的極性化合物，產(chǎn)物多數(shù)集中在葉片的頂端，阿特拉津在香根草中與谷胱甘肽結(jié)合失去其自身具有的毒性。阿特拉津和撲草凈均屬于三氮苯類除草劑，化學(xué)結(jié)構(gòu)也類似，但二者在香根草中的吸收和代謝機(jī)制是否一致還有待進(jìn)一步的研究證實。廖新弟等[32]研究發(fā)現(xiàn)，香根草對養(yǎng)豬場廢水中N，P元素吸收效果明顯，其對富營養(yǎng)化水體凈化有很好的效果。若不同濃度的N，P素水平對香根草吸收和去除撲草凈無明顯影響，那香根草將是受撲草凈污染和富營養(yǎng)化水體治理的優(yōu)良植物選擇。

綜合分析可知，氮素的存在對香根草自身的生長、對溶液中撲草凈的吸收均有較明顯的影響，但低濃度氮素條件下不僅植株自身的生長長勢好，而且對溶液中撲草凈的吸收和降解效果較好。香根草在耐鹽堿、重金屬修復(fù)、農(nóng)藥的吸收與降解方面有待更深層次的研究，氮濃度對撲草凈的影響機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

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