硅酸鹽礦物麥飯石對(duì)沉水植物苦草(Vallisneria spiralis)生長(zhǎng)的促進(jìn)效應(yīng)*

駱 鳳,張 義,韓 帆,劉云利,3,王 堅(jiān),孫 堅(jiān), 劉子森,鄒羿凌云,3,吳振斌

(1:武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 武漢430070)

(2:中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所淡水生態(tài)和生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢430072)

(3:中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京100049)

(4:浙江省杭州市西湖水域管理處, 杭州 310002)

湖泊富營(yíng)養(yǎng)化是備受關(guān)注的全球性環(huán)境問(wèn)題之一[1]，而沉積物中的內(nèi)源磷在湖泊中磷的動(dòng)態(tài)變化中發(fā)揮著重要作用，減少沉積物磷的負(fù)荷已經(jīng)被認(rèn)為是控制水體富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]. 減少沉積物磷的釋放可分為原位技術(shù)和異位技術(shù). 底泥疏浚是目前一種可較為徹底去除磷的方法，然而，疏?？赡軙?huì)破壞湖泊生態(tài)系統(tǒng)，增加污染物再懸浮的風(fēng)險(xiǎn)，而且也不具有成本效益[3]. 近年來(lái)，減少沉積物內(nèi)磷負(fù)荷的原位技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視.

水生植被修復(fù)是原位生態(tài)修復(fù)的一種方法，具有良好的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益. 沉水植物是湖泊生態(tài)系統(tǒng)中重要的生產(chǎn)者[4]，在維持水生態(tài)系統(tǒng)的平衡、控制藻類、凈化水質(zhì)的方面起著舉足輕重的作用，因此將富營(yíng)養(yǎng)化湖泊恢復(fù)為健康的草型湖泊通常需要重建以沉水植物為主的水生植被[5]. 而湖泊沉積物同時(shí)也是影響水下生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建的重要因素，它是水生植物生根和穩(wěn)定生長(zhǎng)的基本條件，同時(shí)也為植物提供了大量的生長(zhǎng)所必需的養(yǎng)分[5-6]. 沉積物不同的理化性質(zhì)常常影響沉水植物的生長(zhǎng)與繁殖，而我國(guó)許多富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的沉積物并不適合水生植物的生長(zhǎng)[7-11]. 改良湖泊沉積物，促進(jìn)沉水植物生長(zhǎng)，是富營(yíng)養(yǎng)化湖泊生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中的關(guān)鍵，因此應(yīng)當(dāng)選擇環(huán)境友好、地理上可用且經(jīng)濟(jì)上可行的有效的原位材料對(duì)底質(zhì)進(jìn)行改良. 一些天然或改性的礦物是常見(jiàn)的選擇，如甘磊等研究了鑭改性膨潤(rùn)土對(duì)沉積物磷釋放的影響，結(jié)果表明鑭改性膨潤(rùn)土能改變沉積物磷形態(tài)，使活性磷轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的磷形態(tài)，從而提高沉積物對(duì)磷的滯留能力、降低湖水磷濃度，改善水質(zhì)[12].

麥飯石是一種天然硅酸鹽礦物，具有生態(tài)友好的特點(diǎn)，在中國(guó)有著豐富的資源[13-15]. 麥飯石具有較大的比表面積和較強(qiáng)的吸附能力，主要是由它的微泡孔和海綿狀的形態(tài)結(jié)構(gòu)所決定的，且麥飯石中含有鋁(Al)、鐵(Fe)等元素可通過(guò)化學(xué)吸附吸附磷[16-18]. 麥飯石原石的市場(chǎng)價(jià)格約為300～400元/t，由于其成本低、性能好，含有氨基酸和微量元素，已被廣泛應(yīng)用于土壤改良中，可作為土壤調(diào)理劑，改善土壤理化性能[19]. 而本研究團(tuán)隊(duì)前期已將麥飯石作為沉積物磷修復(fù)劑和底質(zhì)改良劑應(yīng)用于杭州西湖生態(tài)修復(fù)工程，取得了較好的效果[20]，研究結(jié)果表明，通過(guò)改性處理的麥飯石可進(jìn)一步提高其對(duì)沉積物磷的吸附性能，降低富營(yíng)養(yǎng)化湖泊磷的負(fù)荷. 因此，本文將麥飯石與沉水植物相結(jié)合，探討其對(duì)沉水植物生理生態(tài)的影響，為麥飯石在原位生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用提供技術(shù)參考.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

沉水植物苦草(Vallisneriaspiralis)采自杭州西湖. 沖洗干凈后去除無(wú)脊椎食草動(dòng)物，選擇長(zhǎng)度為15 cm，根長(zhǎng)為3 cm的植株，實(shí)驗(yàn)前在實(shí)驗(yàn)室中先馴化7 d. 麥飯石購(gòu)自中國(guó)山東省孟陰縣康源麥飯石礦廠，粒度為2～4 cm. 將麥飯石在超純水中洗滌浸泡24 h，采用復(fù)合改性方法制備改性麥飯石，改性麥飯石的制備方法如下: 將麥飯石原石浸泡在2.5 mol/L的硫酸溶液中6 h后以超純水洗至中性，而后在400℃高溫下煅燒4 h后放至室溫待用.

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)在直徑60 cm、高度80 cm的聚乙烯桶中進(jìn)行. 先在桶底鋪上6 cm厚的西湖底泥，然后將不同厚度的原始麥飯石(1、3、5、7 cm)覆蓋在沉積物表面，設(shè)置為M1、M3、M5、M7組，將不同厚度的改性麥飯石(1、3、5、7 cm)覆蓋在沉積物表面，設(shè)置為MM1、MM3、MM5、MM7組，將沒(méi)有覆蓋麥飯石組的設(shè)為對(duì)照組M0. 實(shí)驗(yàn)期間，水位保持在60 cm. 實(shí)驗(yàn)中使用的底泥和水均來(lái)自中國(guó)杭州西湖. 每個(gè)處理組設(shè)3個(gè)平行，所有數(shù)據(jù)均表示為平均值.

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)周期為180 d. 每30 d測(cè)定1次沉水植物的生長(zhǎng)、生理生化指標(biāo). 實(shí)驗(yàn)時(shí)，每個(gè)處理組從3個(gè)平行桶中各拔取1株植物，即1個(gè)處理組共獲取3株植物. 其中植物葉片葉綠素采用Lichtenthaler-Arnon法[21]適當(dāng)改進(jìn)；根系活力采用TTC法[21]；葉片丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法測(cè)定[22]，葉片過(guò)氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定[23].

1.4 數(shù)據(jù)分析及處理

實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用Excel 2007軟件整理，采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行顯著性分析，采用Origin 9.5軟件作圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 麥飯石對(duì)苦草生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

苦草的生長(zhǎng)指標(biāo)可以直觀地反映植物的生長(zhǎng)情況. 試驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)定了苦草的株高、葉片數(shù)、生物量、根長(zhǎng)，并繪制統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)圖.

從圖1可以看出，苦草的生長(zhǎng)隨季節(jié)而變化. 夏季光照強(qiáng)度較大，溫度較高，整體條件適宜苦草生長(zhǎng)，故7-8月，苦草生長(zhǎng)旺盛. 到8月15日，苦草生長(zhǎng)指數(shù)達(dá)到最大值. 9月，苦草的生長(zhǎng)速度逐漸變慢. 在10月和11月，苦草經(jīng)歷了一個(gè)衰退期，這與西湖四季水生植物統(tǒng)計(jì)調(diào)查結(jié)果相一致.

從圖1a可以看出，原石組鋪設(shè)厚度為1 cm和3 cm的M1、M3在整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)株高始終高于對(duì)照組M0，且M1組在7、8、9、10月顯著高于M0組(P<0.05)，而鋪設(shè)厚度超過(guò)3 cm后，則對(duì)照組基本高于原石組，M0組除了在植物剛種下和實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)外，在剩下的月內(nèi)均顯著高于M7組(P<0.05)，同時(shí)M1在整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)顯著高于M5、M7組(P<0.05). 改性組與對(duì)照組相比，MM1組在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中始終顯著高于M0、MM5和MM7組(P<0.05)，而M0組則高于MM7組但差異并不顯著. 當(dāng)鋪設(shè)厚度分別為1 cm和3 cm時(shí)，改性組始終高于原石組. 從圖1b可以看出，除7 cm組外，麥飯石組的葉片數(shù)均高于對(duì)照組，MM1組和M1組葉片數(shù)均高于其他組(P<0.05). 從圖1c可以看出，與對(duì)照組相比，M1、MM1與MM3組生物量始終顯著高于對(duì)照組M0(P<0.05)，且MM1組顯著高于M1組(P<0.05)；而M0基本是高于MM7組，顯著高于M7組(P<0.05)，且MM7組高于M7組，9月除外. 此外無(wú)論是改性組還是原石組，1 cm和3 cm顯著高于5 cm和7 cm(P<0.05)；而在鋪設(shè)厚度相同時(shí)，改性組高于原石組. 2018年8月15日，MM1組生物量最高達(dá)30.73 g，為對(duì)照組的156.8%. 從圖1d以看出，MM1組苦草的根長(zhǎng)高于其他組，1 cm組和3 cm組均顯著高于對(duì)照組(P<0.05)，且MM1顯著高于M1(P<0.05)，MM3高于M3. 在7月15日后，對(duì)照組均高于7 cm組；根長(zhǎng)與株高顯示出同樣的規(guī)律，即當(dāng)鋪設(shè)厚度分別為1 cm和3 cm時(shí)，改性組始終高于原石組.

2.2 麥飯石對(duì)苦草生理生化指標(biāo)的影響

2.2.1 麥飯石對(duì)苦草光合色素含量的影響 葉綠素水平可以反映植物光合速率和衰老過(guò)程[24-25]. 從圖2中可以看出，苦草葉綠素含量在7月15日、8月15日和9月15日三個(gè)采樣日較高，與旺盛生長(zhǎng)期有關(guān)，其中MM1組葉綠素a(Chl.a)、葉綠素b(Chl.b)和葉綠素總量(Chl.a+ Chl.b)含量均高于對(duì)照組，其余組與對(duì)照組并沒(méi)有明顯差異. 植物葉綠素含量可以反映植物的光合作用水平，而麥飯石組植物的光合作用明顯較強(qiáng)，在一定程度上可以反映麥飯石組的生長(zhǎng)和代謝速度.

圖2 麥飯石對(duì)苦草葉綠素含量的影響

2.2.2 麥飯石對(duì)苦草可溶性蛋白含量的影響 蛋白質(zhì)是生物體結(jié)構(gòu)和功能中最重要的基本物質(zhì)之一，也是植物細(xì)胞中最豐富的生物大分子[26]. 在受到脅迫條件下，植物細(xì)胞可能會(huì)產(chǎn)生一系列的物質(zhì)(如可溶性蛋白)，通過(guò)自我調(diào)節(jié)來(lái)減少外界環(huán)境的破壞.

苦草葉片可溶性蛋白含量與植物抗逆性表達(dá)一致. 圖3a為麥飯石對(duì)苦草葉片蛋白質(zhì)含量的影響. 當(dāng)剛種下時(shí)，為了適應(yīng)外界環(huán)境的變化，各組均產(chǎn)生大量的可溶性蛋白，經(jīng)過(guò)適應(yīng)期后，可溶性蛋白含量下降至正常水平. 到10月份時(shí)，外界環(huán)境中的光照強(qiáng)度、水體溫度都有所下降，因此可溶性蛋白含量有所提高，其中M1組和MM1組苦草可溶性蛋白含量均高于其他組，且MM1組葉片的蛋白質(zhì)含量顯著高于對(duì)照組M0和5 cm、7 cm的處理組(P<0.05)，說(shuō)明MM1組對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境變化的抵抗能力最強(qiáng). 初步得出一定量的麥飯石可以提高苦草的抗性.

2.2.3 麥飯石對(duì)苦草丙二醛含量和過(guò)氧化物酶活的影響 丙二醛(MDA)是膜脂過(guò)氧化最重要的產(chǎn)物之一，它的產(chǎn)生會(huì)增加膜的損傷，因此通過(guò)測(cè)定它在植物體內(nèi)的含量可以反映在植物的膜系統(tǒng)受損程度以及植物的抗逆性[27-28]. 而過(guò)氧化物酶(POD)是植物葉片衰老過(guò)程中產(chǎn)生的一種抗氧化酶，是植物抗衰老過(guò)程中產(chǎn)生的重要物質(zhì)，能清除植物體內(nèi)過(guò)量的氧自由基[29-30]，從而可以減輕植物所受到的傷害. 植物剛種下去時(shí)，各組間的MDA含量與POD酶活并沒(méi)有顯著的差異(圖3b,c). 植物體內(nèi)MDA含量在植物衰敗期9月15日至11月15日上升，表明植物細(xì)胞膜質(zhì)過(guò)氧化水平加深，這符合苦草的生長(zhǎng)規(guī)律(圖3b). 衰敗過(guò)程中，在9、11月鋪設(shè)厚度為1 cm和3 cm組MDA含量顯著低于對(duì)照組M0(P<0.05)，雖然10月各處理組MDA含量均高于M0組，但1 cm和3 cm組的POD酶活顯著高于M0(P<0.05) (圖3c)，由此可以推斷，與其他組相比，麥飯石鋪設(shè)厚度為1 cm和3 cm時(shí)可以提高植物的抗性，且改性組優(yōu)于原石組.

圖3 麥飯石對(duì)苦草葉片可溶性蛋白含量(a)、丙二醛含量(MDA)(b)、過(guò)氧化物酶(POD)活性(c)和根系活力(d)的影響

2.2.4 麥飯石對(duì)苦草根系活力的影響 根系活力可以反映植物根系的生長(zhǎng)[31]. 從圖3d可以看出，麥飯石組苦草根活力基本高于對(duì)照組. 在實(shí)驗(yàn)前期6月15日至7月15日期間，M5組苦草根系活力顯著高于其他組，這是因?yàn)樵诔跗诜N下去時(shí)，M5組根系活力就顯著高于其他組(P<0.05)，而其他各組之間并沒(méi)有顯著性差異. 到了中期植物生長(zhǎng)旺盛時(shí)，MM1組在8月15日至9月15日期間，根系活力顯著高于對(duì)照組M0以及鋪設(shè)厚度為5 cm和7 cm的處理組(P<0.05)，同時(shí)優(yōu)于M1組. 在實(shí)驗(yàn)后期植物衰敗，各組根系活力均有明顯下降，1 cm、3 cm組優(yōu)于5 cm、7 cm組，但差異并不顯著. 結(jié)合生物量、葉長(zhǎng)等指標(biāo)，推斷適當(dāng)?shù)柠滐埵穸瓤梢源龠M(jìn)根的伸長(zhǎng). 結(jié)合氧化酶活性可以看出，MM1組苦草的衰敗明顯延遲.

3 討論

3.1 麥飯石性狀分析

圖4 麥飯石原石(a)和改性麥飯石(b)XRD圖

植物在生長(zhǎng)過(guò)程中，需要從外部吸收許多元素來(lái)合成所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，其中鈣、鎂、磷和其他主要元素，以及鐵、錳、鋅等微量元素是植物合成酶、維生素和生長(zhǎng)激素的重要組成部分[32]. 這些常量和微量元素主要來(lái)自土壤，通過(guò)根系吸收和運(yùn)輸?shù)街参矬w內(nèi). 本研究團(tuán)隊(duì)對(duì)實(shí)驗(yàn)所用麥飯石原石和改性麥飯石的成分檢測(cè)結(jié)果如表1，麥飯石原石和改性麥飯石的主要成分都是無(wú)機(jī)的硅鋁酸鹽[33-34]，而且麥飯石中還含有Mg、Zn、Ti、Mn、Fe等沉水植物生長(zhǎng)所需常量和微量元素，這些元素主要以無(wú)機(jī)鹽的形式存在. 由表1還可以看出通過(guò)改性處理使麥飯石中SiO2含量明顯增加，MgO和P2O5含量顯著降低(P<0.05). 通過(guò)X射線衍射(XRD)分析，可以看出麥飯石原石和改性麥飯石的晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì). XRD分析(圖4)表明，經(jīng)過(guò)改性處理后，與原石相比，改性麥飯石的主要峰強(qiáng)度無(wú)明顯變化. 經(jīng)改性處理后，也無(wú)明顯的金屬氧化物峰出現(xiàn)，表明改性處理后的麥飯石結(jié)構(gòu)保持完整，金屬氧化物在麥飯石表面分布良好. 另一方面，改性處理后一些峰消失或減弱，這可能是由于改性處理后雜質(zhì)的減少所導(dǎo)致的. 為了比較麥飯石原石與改性麥飯石形態(tài)的不同，進(jìn)行了SEM分析如圖5. 可以看出，改性麥飯石的形態(tài)由于改性處理而發(fā)生明顯改變. 麥飯石原石表面光滑，觀察到很少的孔. 而與原石相比，改性麥飯石則表面較為粗糙，得到了更多的孔，表面形成了具有不規(guī)則形狀的孔道的多孔結(jié)構(gòu). 此外，在改性麥飯石中出現(xiàn)更多的薄片，這些變化提高了麥飯石的反應(yīng)活性，使其具有更高的吸附能力，上述信息揭示了改性處理可以提高麥飯石的沉積物磷吸附能力[35]. 因此利用麥飯石對(duì)沉積物進(jìn)行改良以及探討其對(duì)沉水植物生理生態(tài)的影響具有重要的意義.

表1 麥飯石原石和改性麥飯石的主要化學(xué)成分(%)

圖5 麥飯石原石(a)和改性麥飯石(b)SEM圖

3.2 麥飯石對(duì)沉水植物生長(zhǎng)的影響分析

基質(zhì)對(duì)沉水植物的生長(zhǎng)影響較大，麥飯石的固定作用可能促進(jìn)沉水植物在有機(jī)質(zhì)含量較高的基質(zhì)中生根生長(zhǎng)，這在本研究中得到驗(yàn)證，鋪設(shè)厚度為1 cm和3 cm處理組的苦草其株高、根長(zhǎng)、葉片數(shù)和生物量等生長(zhǎng)指標(biāo)均顯著高于只有底泥的對(duì)照組(P<0.05)，且改性組優(yōu)于原石組. 此外，通過(guò)對(duì)麥飯石的性狀分析可知其富含常量和微量元素，可以為植物生長(zhǎng)提供必要的營(yíng)養(yǎng). Mg是多種酶的輔因子，是植物葉綠素和維生素的重要組成部分；Zn是電子傳遞的重要輔酶因子，與植物葉綠體和線粒體的形成密切相關(guān)；Zn可以促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成，促進(jìn)植物生殖器官的發(fā)育，提高植物對(duì)高溫、高鹽、霜凍和干旱的抵抗力；Fe直接參與電子傳遞、氧化應(yīng)激、固氮和激素合成[36-37]；從葉綠素指標(biāo)可以看出，在植物生長(zhǎng)旺盛期，1 cm組的光合作用較強(qiáng). 且改性麥飯石較原石具有更多的孔結(jié)構(gòu)，可為根際微生物提供更好的繁殖條件. 研究表明，某些根際微生物可以促進(jìn)植物根系的生長(zhǎng)發(fā)育[38]，這在本實(shí)驗(yàn)中也得到了驗(yàn)證，在植物生長(zhǎng)旺盛期，MM1組根系活力顯著高于M0組(P<0.05)，同時(shí)優(yōu)于M1組. 通過(guò)分析可知當(dāng)麥飯石鋪設(shè)厚度超過(guò)3 cm時(shí)，無(wú)論是原石組還是改性組各項(xiàng)指標(biāo)較對(duì)照組均無(wú)優(yōu)勢(shì). 由于麥飯石層較厚，會(huì)影響其溶出量，增加了植物莖底生長(zhǎng)壓力，在一定程度上抑制了植物根系的氧氣分泌和苦草的生長(zhǎng). 且較厚的覆蓋層可能造成氧化還原電位降低，厭氧環(huán)境和硫化物的積累. 鋪設(shè)厚度越深，氧化還原電位的降低越大，對(duì)植物的危害也越大[39]. 從可溶性蛋白、POD、MDA等生理生態(tài)指標(biāo)也可以得出該結(jié)果. 但麥飯石促進(jìn)沉水植物苦草生長(zhǎng)的具體機(jī)理還有待進(jìn)一步研究和探討.

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明，改性MM1組的生物量、高度、葉片數(shù)和根長(zhǎng)等生長(zhǎng)指標(biāo)明顯優(yōu)于其他組(P<0.05)，改性麥飯石組優(yōu)于麥飯石原石組(P<0.05). 且在植物生長(zhǎng)旺盛期，1 cm、3 cm麥飯石處理組的光和色素、根系活力和POD酶活等生理生態(tài)指標(biāo)的活力均較對(duì)照組有一定程度的提高，而MDA含量有所降低. 前期通過(guò)對(duì)麥飯石原石和改性麥飯石的性狀分析可知，改性后麥飯石表面更加粗糙，孔徑增大，層間距增大，比表面積明顯增加，具有更多的孔結(jié)構(gòu)，對(duì)沉積物磷具有更優(yōu)的吸附效果. 其中麥飯石的覆蓋厚度是影響苦草生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素，研究發(fā)現(xiàn)最佳鋪蓋厚度為1 cm. 通過(guò)對(duì)麥飯石的成分進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，麥飯石中含有豐富的苦草生長(zhǎng)所必需的常量和微量元素. 麥飯石可有效促進(jìn)沉水植物苦草的生長(zhǎng)，可進(jìn)一步應(yīng)用于富營(yíng)養(yǎng)化湖泊沉積物的生態(tài)修復(fù)工程中.