4種挺水植物在高濃度氮磷污染條件下耐受性試驗(yàn)研究

朱士江，貴樹彪，徐 文，向 鵬，孟 婉，2，朱 瑾，李凱凱

（1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌443002；2.中國水利水電科學(xué)研究院水資源所，北京100000）

0 引言

目前，水體富營養(yǎng)化已成為水污染中一個(gè)突出問題［1，2］。水生植物在生長過程中能夠吸收大量的氮（N）、磷（P）［3，4］，利用水生植物及其根系負(fù)載生物膜的吸收、吸附和降解作用，并及時(shí)收獲植株避免二次污染，是一種簡單易行、成本低廉且極具景觀效應(yīng)的技術(shù)，在污染水體治理中得到了廣泛應(yīng)用［5，6］。因此，在水體修復(fù)工程中，有必要了解水生植物對(duì)氮磷耐受性，從而選取適宜的水生植物，提高水生植物成活率，降低物質(zhì)成本和時(shí)間成本。

植物在受到外界脅迫時(shí)，細(xì)胞內(nèi)NADPH 氧化酶增加，細(xì)胞壁上產(chǎn)生大量有毒的活性氧（ROS），機(jī)體內(nèi)細(xì)胞膜脂過氧化作用加劇，此時(shí)植物體內(nèi)代謝平衡被打破，植物自身抗氧化系統(tǒng)酶發(fā)揮作用，通過清除體內(nèi)活性物質(zhì)來保護(hù)植物免受傷害。超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化氫酶（CAT）在植物抵抗ROS傷害時(shí)發(fā)揮著重要作用［7-9］，丙二醛（MDA）是膜脂過氧化的主要產(chǎn)物之一［10］。氮、磷元素對(duì)植物的生長起著非常重要的作用，缺氮處理的黃瓜在短時(shí)間內(nèi)，抗氧化酶SOD、CAT 活性顯著上升，MDA 含量隨著處理時(shí)間延長不斷累積［11］；低濃度氮、磷會(huì)對(duì)植物造成脅迫，植物幼苗在低磷脅迫下生長受到抑制，葉片內(nèi)葉綠素和可溶性蛋白含量下降，MDA 含量及SOD、CAT 活性升高［12，13］，低氮脅迫下苦蕎也產(chǎn)生了相似的生理響應(yīng)［14］；同時(shí)氮、磷元素水平可調(diào)控植物在重金屬脅迫下的抗氧化酶系統(tǒng)，有試驗(yàn)結(jié)果證明增加供磷水平可以提高杉木幼苗細(xì)胞內(nèi)抗氧化酶活性以減輕鋁（Al）脅迫產(chǎn)生的過氧化毒害［8，15］；重金屬處理的種子中施加氮元素能提高種子發(fā)芽率、幼苗生長和葉面積［16］；高濃度氮、磷元素會(huì)毒害植物甚至導(dǎo)致植物死亡［17］，國內(nèi)外學(xué)者開展了諸多有關(guān)水生植物對(duì)污染水體氮磷去除效果的研究，但關(guān)于水生植物在高濃度氮磷污染加劇條件下的耐受性研究并不完善。

因此，本試驗(yàn)選取4種常見的挺水植物，人工模擬水體氮磷動(dòng)態(tài)變化條件，在室外開展氮、磷耐受性盆栽試驗(yàn)，記錄植物在氮、磷元素濃度梯度增長過程中，抗氧化系統(tǒng)酶SOD、CAT 活性及膜脂過氧化產(chǎn)物MDA 含量的變化特征，以此探究4種挺水植物在高濃度氮、磷脅迫下的耐受性，并為高濃度氮、磷富營養(yǎng)化水體治理植物的選擇提供建議。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試植物美人蕉Canna indica、菖蒲Acorus calamus L、香蒲Typha orientalisPresl和蘆葦Phragmites communis［18］采購于湖北省荊州市水生植物培育基地，洗凈根系后在自來水中預(yù)培養(yǎng)2周待用。改進(jìn)Hoagland營養(yǎng)液配方見表1。

表1 改進(jìn)Hoagland營養(yǎng)液（N、P除外） mg/LTab.1 Improved Hoagland Nutrient Solution（except N and P）

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020年8月10日在當(dāng)陽市泉河水庫管理處開展，試驗(yàn)周期80 d。選取外形完好、生長一致的植株移栽至試驗(yàn)盆（高26 cm×底徑31 cm）中，每盆種植1株，盆內(nèi)加入8 L水，pH值保持在6.0 左右，標(biāo)記水深刻度線，置入改進(jìn)Hoagland營養(yǎng)液，以石英砂作固定基質(zhì)。整個(gè)試驗(yàn)過程在室外自然光照下進(jìn)行，溫度變化幅度為：14～33 ℃。每種植物設(shè)兩個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置3 個(gè)重復(fù)，氮源為氯化銨，磷源為磷酸二氫鉀，對(duì)照組分別為N、P 元素缺失，每隔10 d 增加水體中N、P 濃度，前期濃度成倍數(shù)增加，當(dāng)N 元素濃度增加至400 mg/L，P 元素濃度增加至100 mg/L 后，后續(xù)試驗(yàn)水體濃度每次升高100 mg/L 直至植物死亡停止試驗(yàn)，5 d 更換培養(yǎng)液，適時(shí)根據(jù)蒸騰量補(bǔ)充蒸餾水，最終試驗(yàn)濃度見表2。

表2 試驗(yàn)濃度設(shè)置 mg/LTab.2 Test concentration setting

1.3 樣品采集與分析

每隔10 d 在同一時(shí)間采集植物葉片，測定葉片中丙二醛（MDA）含量、超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化氫酶（CAT）的活性。MDA 測定采用硫代巴比妥酸法，SOD 測定采用氮藍(lán)四唑（NBT）光化學(xué)還原法［19］，CAT測定采用紫外吸收法［20］。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2020 和Origin 2018 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與作圖，使用SPSS 25.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 4 種挺水植物氨氮耐受性

2.1.1 氨氮濃度對(duì)SOD、CAT活性的影響

SOD 是重要的活性氧清除酶，當(dāng)外來脅迫導(dǎo)致大量活性氧產(chǎn)生時(shí)，它能及時(shí)有效地清除自由基，保護(hù)細(xì)胞免受活性氧脅迫的傷害［21，22］。CAT 是抗氧化酶系統(tǒng)的重要組成成分，分解H2O2為O2和H2O，它對(duì)細(xì)胞內(nèi)的H2O2分解有重要作用［23］。

圖1所示為4 種挺水植物葉片內(nèi)SOD、CAT 活性試驗(yàn)組與對(duì)照組的比較，對(duì)照組SOD、CAT 活性變化較為平緩，試驗(yàn)組兩種抗氧化酶活性都隨著氨氮濃度變化呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。試驗(yàn)各階段植物SOD 活性上升速率不同，單次增加濃度后酶活性上升速率最快的是香蒲（49.5%），說明香蒲在應(yīng)對(duì)高濃度氨氮時(shí)，機(jī)體能夠迅速提升SOD 活性來應(yīng)對(duì)脅迫；CAT 活性上升過程相對(duì)平緩。SOD 活性最先出現(xiàn)最大值的是菖蒲，美人蕉和蘆葦最后出現(xiàn)最大值，各植物最大值差異顯著。CAT 活性中，香蒲、菖蒲同時(shí)最先表現(xiàn)出最大值，美人蕉、蘆葦則在第70 d出現(xiàn)最大值，且美人蕉的CAT活性顯著低于蘆葦。

圖1 植物在高濃度氨氮脅迫下抗氧化系統(tǒng)酶SOD、CAT活性變化Fig.1 Changes in SOD and CAT contents of antioxidant enzymes in plants under high ammonia nitrogen stress

2.1.2 氨氮濃度對(duì)MDA含量影響

MDA是膜脂過氧化的重要產(chǎn)物，通常利用它作為膜脂過氧化指標(biāo)，其含量的變化可反映逆境條件下膜系統(tǒng)受傷害的程度。植物在逆境條件下，往往發(fā)生膜質(zhì)過氧化作用。其中MDA的產(chǎn)生可以表示膜質(zhì)的過氧化用的程度，MDA含量高低是膜脂過氧化作用強(qiáng)弱的一個(gè)重要指標(biāo)［24］。

圖2所示為4 種挺水植物MDA 含量試驗(yàn)組與對(duì)照組的比較。對(duì)照組MDA含量處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平，其中菖蒲葉片內(nèi)MDA含量顯著高于其他植物對(duì)照組。試驗(yàn)組MDA 含量在圖中呈現(xiàn)出與抗氧化酶SOD、CAT 相似的變化規(guī)律，且試驗(yàn)組最大值顯著高于對(duì)照組。試驗(yàn)各階段植物MDA 含量上升速率不同，蘆葦、美人蕉在受到脅迫后膜脂過氧化產(chǎn)物MDA 的含量隨著氨氮濃度遞增緩慢上升和下降，而香蒲、蘆葦均表現(xiàn)出在前期緩慢上升后迅速達(dá)到最大值，然后迅速下降。單次增加氨氮濃度后上升速率最快的是香蒲（74.1%），與該植物葉片中SOD活性表現(xiàn)相同。表明外界高濃度氨氮脅迫加快了MDA產(chǎn)生，植物機(jī)體也對(duì)此作出反應(yīng)，提升SOD活性來提高植物的適應(yīng)力。

圖2 植物在高濃度氨氮脅迫下MDA含量變化Fig.2 Changes of MDA content in plants under high ammonia nitrogen stress

4 種挺水植物MDA 含量在不同時(shí)期均有顯著性差異，MDA含量最大值比較：香蒲（2.55 μmol/g，F(xiàn)W）＞菖蒲（2.45 μmol/g，F(xiàn)W）＞美人蕉（2.19 μmol/g，F(xiàn)W）＞蘆葦（2.06 μmol/g，F(xiàn)W），各植物MDA 含量達(dá)到最大值時(shí)的施加濃度不同，菖蒲、香蒲在施加500 mg/L濃度的氨氮后MDA含量達(dá)到了最大值，且前期菖蒲體內(nèi)MDA含量顯著高于香蒲。美人蕉、蘆葦在施加600 mg/L濃度氨氮后MDA 含量達(dá)到最大值，且除最后一次濃度更換外，其余階段美人蕉均高于蘆葦。

2.2 4種挺水植物磷耐受性

2.2.1 磷濃度對(duì)SOD、CAT活性的影響

圖3顯示，試驗(yàn)組各挺水植物體內(nèi)SOD、CAT 活性都表現(xiàn)出先升后降的趨勢，缺磷對(duì)照組表現(xiàn)較為平穩(wěn)。在初期施加濃度為2 mg/L 的磷培液后，試驗(yàn)組SOD、CAT 活性均低于對(duì)照組；試驗(yàn)組植物SOD 活性在濃度為10、25 mg/L 時(shí)，除菖蒲外，其余均低于對(duì)照組；CAT 活性則在25 mg/L 時(shí)，除蘆葦外，其余均高于對(duì)照組。其可能原因是缺磷對(duì)照組植物受到了低磷脅迫。隨著磷濃度逐漸升高，菖蒲SOD 活性表現(xiàn)出顯著差異，其活性在施加200 mg/L 的磷培液后達(dá)到最大值，美人蕉、香蒲、蘆葦則在施加300 mg/L 濃度磷培液達(dá)到最大值，此時(shí)各植物體受到高磷脅迫的嚴(yán)重毒害，根系組織受到損傷，SOD 活性開始迅速下降。

2.2.2 磷濃度對(duì)MDA含量影響

圖4 顯示，4 種植物在2 mg/L 的磷培液中MDA 含量低于缺磷對(duì)照組，此時(shí)對(duì)照組各植物受到低磷脅迫，這與圖3中SOD活性對(duì)比結(jié)果相同。試驗(yàn)組除美人蕉外，其余挺水植物體內(nèi)MDA含量都表現(xiàn)出先升后降的趨勢，缺磷對(duì)照組MDA 含量較為平穩(wěn)，菖蒲的MDA 含量與其他3 種植物存在顯著差異，在更換300 mg/L 磷培液后達(dá)到的峰值（2.79 μmol/g，F(xiàn)W）顯著高于香蒲（2.14 μmol/g，F(xiàn)W）和蘆葦（2.11 μmol/g，F(xiàn)W）。美人蕉在整個(gè)試驗(yàn)中，MDA 含量一直處于上升狀態(tài)，該植物體內(nèi)SOD 酶活性在300 mg/L 濃度磷培液處理后已經(jīng)達(dá)到最大值，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是美人蕉對(duì)高磷的耐受性更強(qiáng)，植物組織未完全被毒害，細(xì)胞的膜脂過氧化作用還在繼續(xù)發(fā)生，加之抗氧化防御系統(tǒng)中的SOD酶活性下降，導(dǎo)致MDA積累量持續(xù)上升。

圖3 植物在高濃度磷脅迫下抗氧化系統(tǒng)酶SOD、CAT活性變化Fig.3 Changes in SOD and CAT contents of antioxidant enzymes in plants under high phosphorus concentration stress

圖4 植物在高濃度磷脅迫下MDA含量變化Fig.4 Changes of MDA content in plants under high phosphorus stress

2.3 美人蕉、蘆葦在連續(xù)增加氮、磷脅迫下生理指標(biāo)的相關(guān)性

選擇耐受性表現(xiàn)較好的美人蕉、蘆葦進(jìn)行氮磷脅迫過程中SOD、CAT 活性和MDA 含量的相關(guān)性分析，表3、4 顯示，美人蕉和蘆葦葉片內(nèi)MDA 含量與SOD、CAT 活性呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01）。即當(dāng)?shù)诐舛瘸掷m(xù)上升，細(xì)胞膜脂過氧化程度加強(qiáng)，過氧化產(chǎn)物MDA 含量增加；高氮、磷脅迫使SOD、CAT 活性增強(qiáng)，植物體清除活性氧自由基的能力增強(qiáng)，有利于緩解細(xì)胞膜遭受的損傷，降低MDA 含量，但無法完全清除脅迫后增加的活性自由基［25，26］。

表3 美人蕉在氮、磷脅迫下生理指標(biāo)相關(guān)性分析Tab.3 Correlation analysis of physiological indexes of Canna under N and P stress

表4 蘆葦在氮、磷脅迫下生理指標(biāo)相關(guān)性分析Tab.4 Correlation analysis of physiological indexes of reed under N and P stress

3 討論與結(jié)論

正常代謝中植物自身的抗氧化系統(tǒng)可以控制活性氧（ROS）含量保持在正常范圍內(nèi)，當(dāng)植物受到外界脅迫時(shí)，清除系統(tǒng)無法及時(shí)清除多余的ROS，累積的ROS 會(huì)對(duì)植物造成傷害［24］。本試驗(yàn)結(jié)果表明，高濃度氮、磷脅迫會(huì)對(duì)植物的抗氧化酶系統(tǒng)以及膜脂過氧化產(chǎn)物MDA 產(chǎn)生明顯的影響。4 種挺水植物葉片內(nèi)MDA 積累量隨著氮、磷濃度增加先上升后降低且與缺氮、磷對(duì)照組呈現(xiàn)顯著差異，這與彭博等［27］在研究鈣脅迫對(duì)狹葉香蒲的生理影響結(jié)果一致?？寡趸到y(tǒng)酶SOD、CAT 活性變化規(guī)律與MDA含量變化相似。其原因可能是培養(yǎng)液中氮、磷濃度持續(xù)增加，使植物受到氮、磷脅迫逐漸加重，植物體內(nèi)細(xì)胞膜脂過氧化加劇，抗氧化酶系統(tǒng)為抵抗逆境脅迫，SOD 活性先增加，將高濃度氮、磷脅迫產(chǎn)生的超氧陰離子歧化成H2O2，H2O2與超氧陰離子共同作用會(huì)繼續(xù)對(duì)植物細(xì)胞造成氧化傷害。CAT 及其他抗氧化酶活性增加將H2O2脫毒分解成H2O 和O2，從而清除掉細(xì)胞膜脂過氧化產(chǎn)物，從一定程度減緩高濃度氮、磷對(duì)植物的脅迫，提高了植物的耐受性。但植物保護(hù)酶系統(tǒng)對(duì)植物的保護(hù)是有限度的，當(dāng)?shù)⒘诐舛瘸^植物體耐受閾值，酶結(jié)構(gòu)被破壞或酶表達(dá)被抑制，使得酶活性下降。

4 種挺水植物在高濃氮、磷脅迫試驗(yàn)中表現(xiàn)出不同的耐受性。在試驗(yàn)周期內(nèi)，菖蒲、香蒲對(duì)20～400 mg/L，美人蕉、蘆葦對(duì)20～500 mg/L 之間的氨氮濃度表現(xiàn)出較穩(wěn)定的耐受性，菖蒲對(duì)2～200 mg/L，美人蕉、蘆葦和香蒲對(duì)2～300 mg/L 之間的磷濃度表現(xiàn)出較穩(wěn)定的耐受性。氨氮耐受性試驗(yàn)中，美人蕉、香蒲和蘆葦試驗(yàn)組SOD 活性在第一次取樣時(shí)均顯著低于缺氮對(duì)照組，其可能原因是對(duì)照組缺乏氮元素，植物受到脅迫，植物體內(nèi)的SOD 活性上升；但在增加氨氮濃度到50 mg/L 后，三種植物受到的高濃度氨氮脅迫作用超過缺氮脅迫，SOD 活性逐漸超過對(duì)照組。在磷耐受性試驗(yàn)中，試驗(yàn)組SOD、CAT 活性在施加2 mg/L 的磷培液時(shí)均低于對(duì)照組；SOD 活性在10、25 mg/L 時(shí)，除菖蒲外，其余均低于對(duì)照組；CAT 活性則在25 mg/L 時(shí)，除蘆葦外，其余均高于對(duì)照組。其可能原因是照組缺乏磷元素，植物受到低磷脅迫，導(dǎo)致植物體內(nèi)的SOD、CAT 活性上升。4 種挺水植物對(duì)富營養(yǎng)化水體氮、磷元素的去除效果不同，根據(jù)楊子堯等［28］研究結(jié)果表明，4 種植物對(duì)磷濃度9.4 mg/L 的生活污水去除效果，菖蒲效果最好，美人蕉最差；對(duì)氨氮濃度為15.6 mg/L的污水，去除效果為：蘆葦＞香蒲＞美人蕉＞菖蒲，這表明在耐受范圍內(nèi)，不同植物去除氮磷效果也存在差異。因此在處理高濃度氮、磷元素的污染水體時(shí)，既要考慮植物的耐受性，也要考慮植物對(duì)氮、磷元素去除效果［29］。

除了脅迫濃度，脅迫時(shí)間也可能會(huì)影響抗氧化系統(tǒng)酶活性。當(dāng)外界脅迫超出植物耐受范圍，抗氧化酶防御系統(tǒng)就會(huì)受到損傷，抗氧化酶活性即會(huì)持續(xù)下降，也就是說，當(dāng)脅迫濃度或脅迫時(shí)間未達(dá)到耐受閾值時(shí)，酶活性會(huì)受外界刺激而上升，一旦超過耐受閾值，酶活性則會(huì)持續(xù)下降。本次試驗(yàn)是人工模擬連續(xù)高濃度氮磷污染條件，不同脅迫時(shí)間下植物耐受性還需要進(jìn)一步探究。

4 結(jié)論

（1）隨著氮、磷濃度增大，4 種挺水植物SOD、CAT 活性及MDA 含量逐漸升高，當(dāng)?shù)诐舛瘸鲋参锬褪芊秶?，SOD、CAT活性及MDA含量開始下降。

（2）4 種挺水植物氨氮耐受范圍：菖蒲、香蒲：20～400 mg/L，美人蕉、蘆葦：20～500 mg/L。

（3）4 種挺水植物磷耐受范圍：菖蒲：2～200 mg/L，美人蕉、蘆葦和香蒲：2～300 mg/L。

（4）耐受性表現(xiàn)較好的美人蕉、蘆葦在連續(xù)高濃度氮、磷脅迫時(shí)葉片內(nèi)MDA 含量與SOD、CAT 活性呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01）?！?/p>