狐尾藻冬季衰敗中生理變化及對(duì)水體的影響

袁 強(qiáng),強(qiáng) 娟,張子秋,陳 潔,張松賀

(1.廣東省環(huán)境科學(xué)研究院 水環(huán)境研究所,廣東 廣州 510045;2.常州市武進(jìn)區(qū)水利局 河道湖泊管理處,江蘇 常州 213100;3.河海大學(xué) 環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210098)

隨著我國(guó)水污染防治工作的推進(jìn),當(dāng)前工作重點(diǎn)逐步從水質(zhì)提升向水生態(tài)恢復(fù)轉(zhuǎn)移.水生植物是水生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)力,基于水生植物的修復(fù)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于富營(yíng)養(yǎng)化水體的治理中[1-2].根據(jù)棲息特征,水生植物分為挺水植物、浮葉植物和沉水植物.與挺水和浮葉植物相比,沉水植物幾乎全株生長(zhǎng)在水面下,不僅可以直接從水體中積累養(yǎng)分[3],還可降低水體渾濁度,為其他生物提供氧氣、食物和附著棲息地等[4-5].尤其對(duì)于駁岸硬質(zhì)化較為嚴(yán)重的河湖,恢復(fù)沉水植物具有較好的前景.

在生命周期中,大部分植物及其器官都要經(jīng)歷成長(zhǎng)、死亡和衰敗過(guò)程.沉水植物類(lèi)型較多,不同植物的衰老時(shí)期具有差異,如菹草在冬季萌發(fā)、在夏季衰敗,少數(shù)沉水植物(伊樂(lè)藻、眼子菜等)可以越冬,而大部分沉水植物在七八月份生物量達(dá)到最大,在秋冬季逐漸衰敗死亡[6],殘?bào)w內(nèi)有機(jī)及無(wú)機(jī)養(yǎng)分將大量外流,造成水體的“二次污染”[7].已有的相關(guān)研究主要是利用室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M沉水植物的衰敗腐解,如潘慧云等[8]模擬了苦草和金魚(yú)藻腐爛過(guò)程中氮磷的釋放規(guī)律,藕翔等[9]模擬了高純水、上覆水及底泥懸浮液等不同環(huán)境下苦草衰敗引起的水質(zhì)變化,鄧煥廣等[10]模擬了東平湖菹草腐解對(duì)上覆水碳氮磷濃度的影響.然而,當(dāng)前有關(guān)自然河道中沉水植物的衰敗過(guò)程及其對(duì)受納水體的實(shí)際影響鮮有研究.

狐尾藻(Myriophyllumverticillatum)是我國(guó)水生態(tài)系統(tǒng)中分布最廣泛的沉水植物之一,主要生長(zhǎng)在湖泊、河流、池塘、溝渠、濕地等水生環(huán)境,具有繁殖速度快、適應(yīng)性強(qiáng)、耐污能力強(qiáng)等特點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用于河湖水生態(tài)修復(fù)和治理中[11].狐尾藻好光喜溫,在夏季快速生長(zhǎng)繁殖,冬季耐寒能力較差.筆者以針狀葉、根系不發(fā)達(dá)的沉水植物狐尾藻為研究對(duì)象,通過(guò)野外原位調(diào)研方法,分析自然河道中狐尾藻在秋冬季衰敗期間葉片抗逆性酶活性和主要物質(zhì)組成的變化情況,探究其自然衰敗期間營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的釋放規(guī)律及對(duì)受納河流水質(zhì)的影響,科學(xué)評(píng)估沉水植物自然衰敗過(guò)程帶來(lái)的二次污染,以期為水生態(tài)修復(fù)的實(shí)踐應(yīng)用和管理提供一定的科學(xué)依據(jù).

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)置

選取南京市浦口區(qū)丁家山河為試驗(yàn)河道,該區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,四季分明,夏季炎熱,冬季寒冷干燥,年平均溫度約15.4 ℃,年平均降水量約1 106 mm.試驗(yàn)河道丁家山河上游水源為珍珠泉水庫(kù),水質(zhì)優(yōu)良,河道兩岸無(wú)排口[12].調(diào)查采集的狐尾藻均在河道中自然生長(zhǎng),選取3個(gè)植物較為豐富的典型樣方作為采樣點(diǎn)(覆蓋度約80%),采樣點(diǎn)如圖1所示.

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布

試驗(yàn)于2018年11月中旬至次年1月中旬期間進(jìn)行,采樣間隔為14 d,共設(shè)5次采樣時(shí)間點(diǎn)(M1～M5).在各采樣點(diǎn)采集河流水樣(500 mL)及狐尾藻植物莖葉樣品(約50 g),冰袋冷藏后立即帶回實(shí)驗(yàn)室,植物樣品經(jīng)液氮冷凍處理后放入超低溫冰箱保存(—80 ℃),以備后續(xù)指標(biāo)的測(cè)定.

1.2 研究方法

1.2.1 水質(zhì)指標(biāo)

1.2.2 植物生理生化指標(biāo)測(cè)定

植物葉片丙二醛(MDA)和過(guò)氧化氫(H2O2)使用TBA法和比色法,超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)和過(guò)氧化物酶(POD)分別使用羥胺法、鉬酸銨法和比色法測(cè)定,可溶性蛋白和可溶性糖含量使用考馬斯亮藍(lán)法和蒽酮比色法[12-13].植物葉片燒失率使用550 ℃燒失量法,全氮全磷含量分別使用過(guò)硫酸鉀消化法和SMT法測(cè)定[14],葉綠素含量采用95%乙醇-丙酮提取法[12].

1.2.3 植物溶解性有機(jī)質(zhì)溶液

將植物在450 ℃煅燒4 h后研磨過(guò)篩(60目),將1 g植物粉末和30 mL去離子水加入50 mL離心管中,4 ℃下振蕩18 h(250 r·min-1)后將懸浮液離心30 min(8 000 r·min-1),取上清液用0.45 μm濾膜過(guò)濾,所獲液體即為植物溶解性有機(jī)質(zhì)(DOM)[15].利用日本日立公司的F-7000熒光分光光度計(jì)對(duì)DOM樣品的EEMs熒光光譜進(jìn)行掃描,激發(fā)/發(fā)射波長(zhǎng)的間隔和范圍分別設(shè)置為5 nm和200～500 nm,掃描速度為12 000 nm·min-1,利用超純水的三維熒光譜消除背景干擾.

1.3 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)的處理及統(tǒng)計(jì)分析使用軟件EXCEL(2013)和SPSS(19.0);DOM三維熒光光譜使用origin(9.0)繪制;RDA圖使用Canoco(5.0)軟件繪制;利用one-way ANOVA法進(jìn)行方差分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 河流水質(zhì)變化

表1 河流水溫及水質(zhì)變化情況

2.2 狐尾藻衰敗中葉片葉綠素含量變化

如圖2所示,狐尾藻葉片葉綠素a(1.34 mg·g-1)、葉綠素b(0.32 mg·g-1)和總?cè)~綠素含量(1.45 mg·g-1)均在M2中最高,但隨著衰敗的持續(xù),3種葉綠素含量均顯著降低(p<0.05),其中M5中葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量分別降低至M2的38.81%,56.25%,41.92%,表明其光合能力顯著降低.

圖中不同小寫(xiě)字母表示不同取樣時(shí)間存在顯著性差異(p<0.05).圖2 狐尾藻衰敗過(guò)程葉片葉綠素a(a)、葉綠素b(b)、總?cè)~綠素(c)含量變化

2.3 狐尾藻衰敗中葉片活性氧及抗氧化酶活性變化

2.3.1 MDA和H2O2變化

如圖3所示,狐尾藻葉片內(nèi)MDA和H2O2總體呈升高趨勢(shì),分別在M3,M4時(shí)達(dá)到峰值.與初次采樣(M1)相比,M2～M5中MDA和H2O2含量分別增加0.46～1.51,0.40～1.66倍.

圖中不同小寫(xiě)字母表示不同取樣時(shí)間存在顯著性差異(p<0.05).圖3 狐尾藻衰敗過(guò)程葉片MDA(a)和H2O2(b)含量的變化

2.3.2 抗氧化酶活性變化

如圖4所示,狐尾藻葉片內(nèi)SOD,CAT,POD活性先增加后降低,與初次采樣(M1)相比,M3中SOD和POD分別增加了8.76,1.03倍,M4中CAT增加了2.51倍,但隨著衰敗的持續(xù),抗氧化酶活性在12月下旬(M4)開(kāi)始降低.

圖中不同小寫(xiě)字母表示不同取樣時(shí)間存在顯著性差異(p<0.05).圖4 狐尾藻衰敗過(guò)程葉片SOD(a)、CAT(b)和POD(c)活性變化

2.4 狐尾藻衰敗中葉片主要物質(zhì)組成變化

2.4.1 可溶性蛋白和可溶性糖含量變化

如圖5所示,狐尾藻葉片可溶性蛋白含量在M2中最高(6.94 mg·g-1),但在M3～M5時(shí)顯著降低至M2的37.35%～82.18%(p<0.05).與可溶性蛋白變化趨勢(shì)不同,M2～M4中可溶性糖含量均顯著高于M1時(shí)(p<0.05),但從M4開(kāi)始降低,且在M5時(shí)降低至最小值.

圖中不同小寫(xiě)字母表示不同取樣時(shí)間存在顯著性差異(p<0.05).圖5 狐尾藻衰敗過(guò)程葉片可溶性蛋白(a)和可溶性糖(b)含量變化

2.4.2 燒失率及全氮全磷含量變化

如圖6所示,狐尾藻葉片內(nèi)燒失率、全氮和全磷含量在M2～M3時(shí)減少較快,M3比M1時(shí)分別降低了41.13%,21.47%,32.01%.隨著衰敗持續(xù),葉片內(nèi)碳氮磷含量逐漸緩慢減少,試驗(yàn)?zāi)┢贛5中燒失率、全氮和全磷含量分別比M1時(shí)降低了52.38%,25.43%,39.09%.

圖中不同小寫(xiě)字母表示不同取樣時(shí)間存在顯著性差異(p<0.05).圖6 狐尾藻衰敗過(guò)程葉片燒失率(a)、全氮(b)和全磷(c)含量變化

2.4.3 溶解性有機(jī)質(zhì)變化

DOM是一種復(fù)雜的有機(jī)混合物.根據(jù)先前研究[13],該次檢測(cè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)存在5個(gè)典型的熒光光譜峰,各熒光光譜峰波長(zhǎng)范圍如表2所示.與碳氮磷釋放規(guī)律類(lèi)似,狐尾藻葉片內(nèi)易生物降解的絡(luò)氨酸類(lèi)蛋白質(zhì)(Ⅰ)、色氨酸類(lèi)蛋白質(zhì)(Ⅱ)及溶解性微生物代謝產(chǎn)物(Ⅳ)以及難降解的類(lèi)富里酸(Ⅲ)和類(lèi)腐殖酸(Ⅴ)等熒光類(lèi)溶解性有機(jī)質(zhì)在M2～M3時(shí)期快速下降,在M4～M5時(shí)期持續(xù)減少,如圖7所示.

表2 溶解性有機(jī)質(zhì)主要熒光峰及其相應(yīng)位置

圖7 狐尾藻衰敗過(guò)程葉片溶解性有機(jī)質(zhì)變化

2.5 狐尾藻葉片生理指標(biāo)與河流水質(zhì)的潛在關(guān)系分析

圖8 狐尾藻葉片生理生化指標(biāo)與河流水質(zhì)水溫的冗余分析(RDA)

3 討 論

3.1 狐尾藻衰敗期間生理活性變化規(guī)律分析

葉綠素含量是表征植物光合能力的重要指標(biāo),其中葉綠素a是參與植物光合作用的基礎(chǔ)物質(zhì),而葉綠素b含量的降低會(huì)影響到光合系統(tǒng)的穩(wěn)定性[16-17].筆者研究中狐尾藻葉片葉綠素含量均在12月中旬(M3)開(kāi)始顯著減少(圖2),這與自然河道中苦草葉片葉綠素含量下降的時(shí)間節(jié)點(diǎn)(12月)一致[12],表明其光合能力的顯著降低.值得注意的是,M2時(shí)葉綠素含量均高于M1時(shí),這可能與M2采樣時(shí)期水溫較高有關(guān),表明水溫是影響沉水植物生長(zhǎng)及葉綠素合成的重要因素.

MDA和H2O2分別是細(xì)胞膜脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物和活性氧化代謝中的額外產(chǎn)物,其含量越高表征細(xì)胞受損程度越大[18].與初次采樣相比,狐尾藻葉片M2～M5時(shí)期MDA和H2O2分別增加0.46～1.51,0.40～1.66倍(圖3),表明狐尾藻衰敗過(guò)程中葉片細(xì)胞內(nèi)不斷累積活性氧,細(xì)胞遭到氧化損傷,細(xì)胞膜系統(tǒng)損傷嚴(yán)重[12,16].為降低活性氧對(duì)細(xì)胞的破壞,植物自身具有一套抗氧化系統(tǒng)以消除自由基并減少脂質(zhì)過(guò)氧化.其中,SOD是抵抗活性氧的第一道防線(xiàn),可將過(guò)氧化物自由基歧化為H2O2,再通過(guò)CAT和POD分解為水和氧[19].與初次采樣相比,M3時(shí)期SOD和POD分別增加了8.76和1.03倍,M4時(shí)期CAT增加了2.49倍(圖4),這些結(jié)果表明在狐尾藻衰敗前期,抗逆性酶在清除過(guò)量活性氧中發(fā)揮重要作用.但隨著衰敗的持續(xù),狐尾藻葉片內(nèi)活性氧不斷累積,細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)被破壞,抗氧化酶在12月下旬開(kāi)始流失.

3.2 狐尾藻衰敗期間主要物質(zhì)組成釋放規(guī)律分析

與初次采樣相比,M2～M4時(shí)期狐尾藻葉片中可溶性糖含量均顯著增加(圖4),這可能是因?yàn)橹参锾幱谀婢硶r(shí)為降低滲透勢(shì)會(huì)主動(dòng)累積部分糖類(lèi)以適應(yīng)外界環(huán)境的變化[12].而隨著衰敗的持續(xù),狐尾藻葉片內(nèi)可溶性蛋白及可溶性糖含量均在M5時(shí)期減少至最低值,這可能歸因于其光合能力的顯著降低[20].此外,由于活性氧升高細(xì)胞膜系統(tǒng)受損,營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的外泄也可能降低蛋白質(zhì)和糖類(lèi)含量[21].

現(xiàn)有研究指出植物腐解過(guò)程主要分為有機(jī)組分和營(yíng)養(yǎng)鹽等物質(zhì)的快速浸出和微生物緩慢降解兩個(gè)階段[22].結(jié)合狐尾藻葉片主要物質(zhì)組成變化情況及RDA分析結(jié)果可知(圖6～8):12月中上旬(M2～M3),狐尾藻殘?bào)w處于快速浸出階段,葉片葉綠素含量顯著降低,細(xì)胞內(nèi)活性氧水平增加,細(xì)胞膜系統(tǒng)損傷嚴(yán)重,引起葉片內(nèi)DOM及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的快速下降,其中碳、氮、磷含量比初始值分別降低了41.13%,21.47%,32.01%.12月底后(M4～M5),狐尾藻殘?bào)w處于微生物緩慢降解階段,葉片內(nèi)溶解性有機(jī)質(zhì)、碳氮磷含量持續(xù)緩慢減少.

整個(gè)衰敗期間,狐尾藻葉片燒失率、全氮和全磷含量比初始值分別降低了52.38%,25.43%,39.09%,碳、氮、磷元素的釋放速率表現(xiàn)為vC>vP>vN(圖5).碳水化合物含量的顯著減少會(huì)損害植物的再生潛力,從而導(dǎo)致沉水植物的衰退[23].狐尾藻葉片內(nèi)P的釋放速率高于N可能歸因于P主要以磷酸根離子或化合物的形態(tài)存在于一些易分解或淋溶的物質(zhì)中[24].值得注意的是,與C元素相比,衰敗末期大部分氮磷仍保留在狐尾藻殘?bào)w,這與潘慧云等[8]模擬苦草和金魚(yú)藻衰敗過(guò)程中氮磷的釋放規(guī)律相似.

3.3 狐尾藻衰敗引起的水質(zhì)效應(yīng)分析