不同濃度銨態(tài)氮對雜交浮萍生長及其富集鋅效應(yīng)的影響

摘要：作為可再生能源的優(yōu)質(zhì)原料，浮萍植物培養(yǎng)及其修復(fù)污水能力是目前的研究熱點。本試驗以雜交浮萍（Lemnaminor與Lemnaturionifera雜交）為供試材料，設(shè)置兩個 Z_n 濃度 （3.0，6.0mg?L^-1）， 和3個 NH₄⁺-N 濃度 （0.21.5，43.0mg^.L^-1） 組成6個處理，研究氮源充足的條件下不同濃度銨態(tài)氮（ NH₄⁺-N ）對浮萍生長及其富集鋅（ Zn 效應(yīng)的影響。結(jié)果表明，在不同濃度 Z_n 存在條件下，未添加 NH₄⁺ -N的處理組浮萍生長受到限制卻能有效富集 Z_n ，而添加 NH₄⁺-N 的處理組促進了雜交浮萍的生長但減弱了其富集 Z_n 的能力。 NH₄⁺-N 存在條件下， 3.0mg?L^-1Zn 處理組浮萍的最大相對生長率為（ 處理組為（ 0.194± 0.012） d^-1 ，其中在未添加 NH₄⁺-N 的 6.0mg?L^-1Zn 處理組中，浮萍富集 Z_n 的單位富集量最大，為（ 8.458± 0.444） mg?g^-1 ，其余處理組浮萍富集的 Z_n 量均減少。能譜掃描電鏡分析（SEM-EDX）進一步佐證了添加NH₄⁺-N 對浮萍生長和富集 Z_n 能力的影響。本研究結(jié)果說明，在氮源充足的條件下， NH₄⁺-N 能緩解 Z_n 對雜交浮萍生長的損害，但抑制其富集 Z_n 的能力。因此，在氮源充足的條件下，雜交浮萍能有效富集 Z_n ，而添加NH₄⁺-N 顯著影響雜交浮萍富集 Z_n 的能力。

中圖分類號：S555 文獻標(biāo)識號：A 文章編號：1001-4942（2025）06-0100-11

AbstractAs a high-quality raw material of renewable energy，duckweed culture and its wastewater remediationcapabilityare currently the research focus.In this study，the hybrid duckweed from the cross of Lemna minor and Lemnaturionifera was used as an experimental plant，and six treatments were set with zinc concentrations at 3 and 6mg?L^-1 and NH₄⁺- -N concentrations at O，21.5 and 43.0mg?L^-1 to study the effects of adding different concentrations of ammonium nitrogen （ NH₄⁺-N ） on the growth and Zn enrichment of duckweed under sufficient nitrogen source. The results showed that under the conditions of Zn ，duckweed growth could be limited but its Zn enrichment capability could be promoted when without NH4-Naddition，while it was opposite when with NH addition. Under NH₄⁺-N addition， the maximum relative growth rate of duckweed under the treatment with 3.0mg?L^-1Zn was （ 0.246±0.015）d^-1 ，and that under the treatment with 6.0 mg·L-1 Zn was （ （0.194±0.012 ） d^-1 . Under the treatment with 6.0mg?g^-1Zn and without NH₄⁺-N addition， the maximum enrichment amount of Z_n by duckweed was （8.458±0.444）mg?g^-1 ，but the Zn enrichment by duckweed in the other treatments decreased. The addition of NH₄⁺-N affecting the growth and Z_n enrichment capability of duckweed was further confirmed by the Scanning Electron Microscope with Energy Dispersive XRay Analysis （SEM-EDX）. The results of this study indicated that NH₄⁺-N could alleviate the damage of Zn to duckweed growth but inhibit its Z_n enrichment capability under the condition of sufficient nitrogen source. Hence，the hybrid duckweed could bioaccumulate Z_n effectively in the condition of sufficient nitrogen source， however， the addition of NH₄⁺? -N could significantly affect its Zn enrichment capacity.

KeyWordsDuckweed; Phytoremediation; Zinc enrichment ; Ammonium nitrogen ; Relative growth rate ; Enrichment coefficient；Tolerance index

浮萍是一種常見的最小水生漂浮植物，結(jié)構(gòu)簡單，主要有Spirodela、Landoltia、Lemna、Wolffella和Wolfa等5個屬約40個種，分布全球。它們主要生長在池塘、湖泊等自然環(huán)境中，也能在一些污水中生長；在適宜條件下，浮萍的生物量每 2d 即可翻倍，生長速度超過大多數(shù)植物（包括作物）[1]。因浮萍具有易培養(yǎng)、產(chǎn)量高、繁殖速度快、生物量大、生命周期短等特點，成為新型生物可再生能源的優(yōu)質(zhì)原料，是清潔生物氣體制備的重要資源[2]；又由于浮萍具有耐受污染能力強、適應(yīng)性高、高效富集污染物等特點，被廣泛應(yīng)用于重金屬等污染物植物修復(fù)中[3-6]。浮萍除以上優(yōu)點外，還不需要占用耕地來種植，易操作、投入運行成本低、綠色清潔，因此，浮萍植物培養(yǎng)及其在修復(fù)污水方面的應(yīng)用受到人們的青睞。

Z_n 是植物生長所需的重要微量元素，在浮萍生長中起著重要的作用，是碳酸酐酶、超氧化物歧化酶（SOD）和核糖核酸聚合酶等的重要酶輔因子[7]。但高濃度 Z_n 不僅對浮萍產(chǎn)生毒性，降低其繁殖率、光合色素含量和可溶性蛋白水平，引起浮萍細胞的氧化應(yīng)激，損害細胞膜，干擾葉綠素代謝，也可影響根際微生物的代謝活性[8]。然而一些 Z_n 濃度較高的污水中同時富含銨態(tài)氮（ NH₄⁺- N），例如養(yǎng)豬污水中 Z_n 濃度為 2～22mg?L^-1[9] （2而 NH₄⁺-N 濃度有時可高達 1.0～4.0g?L^-1[10-11] 。因此在這類污水的修復(fù)過程中，需要先將其稀釋或經(jīng)過一定工程修復(fù)后再進行植物修復(fù)，但其出水水質(zhì)中 Z_n 和 NH₄⁺-N 的濃度仍然較高，仍可能對浮萍植物生長、污染物富集等方面產(chǎn)生不利影響，進而影響其修復(fù)效果。但目前有關(guān)利用浮萍修復(fù)同時含 Z_n 和 NH₄⁺-N 污水的研究較少[12]，因此，有必要探討 Z_n 和 NH₄⁺-N 協(xié)同作用下浮萍植物的生長狀況以及其富集金屬的能力。通常污水中的氮主要以 NH₄⁺-N 和硝態(tài)氮（ NO₃^--N） 兩種無機氮形態(tài)存在，而其存在形態(tài)可能影響浮萍生長和吸收利用物質(zhì)的效果。目前浮萍一般采用Ho-agland、Steinberg等培養(yǎng)液進行培養(yǎng)，這兩類培養(yǎng)液主要是以 NO₃^--N 為唯一氮源，但有研究者提出NH₄⁺-N 比 N0₃^--N 優(yōu)先被浮萍吸收利用[13]，而浮萍吸收硝態(tài)氮的最大速率大于吸收銨態(tài)氮的最大速率[14]，由此推測，兩者同時存在條件下可能對Z_n 的富集效應(yīng)產(chǎn)生影響，也可能對浮萍生長發(fā)育產(chǎn)生影響。

基于此，本研究以漂浮植物浮萍為研究對象，在無機氮充足的條件下開展不同濃度 NH₄⁺-N 對浮萍生長、富集 Z_n 能力以及水中 Z_n 和 NH₄⁺-N 去除效應(yīng)的影響研究，同時設(shè)置不同 Z_n 濃度水平，研究添加 NH₄⁺-N 對浮萍植物形態(tài)特征以及富集 Z_n 效果的影響，并通過能譜掃描電鏡（SEM-EDX）分析，從浮萍表面形貌和元素分析方面揭示添加 NH₄⁺-N 對浮萍生長的影響機制。本研究旨在為浮萍培養(yǎng)與生產(chǎn)，可再生能源優(yōu)質(zhì)原料制備，以及浮萍在工業(yè)上的進一步應(yīng)用等提供理論依據(jù)和參考

材料與方法

1.1 試驗材料及培養(yǎng)

試驗所用浮萍是Lemnaminor和Lemnaturio-nifera的雜交樣品（編號7868），是從L'istitutodiBiologia e Biotecnologia Agraria （CNR，Milan，Ita-ly）的收藏中心采購而來。于2023年3—6月開展浮萍培養(yǎng)試驗。首先將采購的浮萍用去離子水多次清洗，選取植株完好的浮萍移人一個裝有10L Steinberg培養(yǎng)液（表1）、容積為 32L 的PP塑料箱中進行培養(yǎng)。用 1.5m 長的 T8 LED 燈管提供光照，培養(yǎng)室中環(huán)境溫度為 18^°C ，每天光照時間 16h ，光強 130～180μmol?m^-2?s^-1 ，初始培養(yǎng)液 pH 值為 5.50±0.05 ，連續(xù)培養(yǎng)7d后，收集長勢良好的新鮮浮萍再次用去離子水清洗數(shù)次后備用。同一批次試驗選用同一裝置培養(yǎng)的浮萍。

1.2 試驗設(shè)計及方法

根據(jù)表1所示，利用 NH₄Cl 和 ZnSO₄?7H₂O 調(diào)配不同濃度的銨態(tài)氮（ 和鋅 Zn） ，并準(zhǔn)備其他成分，配制改進的Steinberg培養(yǎng)液，調(diào)整培養(yǎng)液初始 pH 值為 5.50±0.05 ，培養(yǎng)液中 NH₄⁺-N 濃度分別為 0.21.5，43.0mg?L^-1 ， Z_n 濃度分別為3.0mg?L^-1 和 6.0mg?L^-1 ，共設(shè)置6組處理，詳見表2。每組處理重復(fù)3次。取一系列容積為 ^7L 的PP塑料箱，分別裝入 3L 改進Steinberg培養(yǎng)液，精準(zhǔn)稱取 5_g 上述培養(yǎng)浮萍。將準(zhǔn)備好的培養(yǎng)裝置放入1.1所述培養(yǎng)室中培養(yǎng)。培養(yǎng)前收集水樣，培養(yǎng)過程中觀察各處理組浮萍長勢與形態(tài)，培養(yǎng)7d后，收集新鮮浮萍用去離子水沖洗數(shù)次，再用吸水紙吸去多余水分，備用；并在每個處理組隨機收集10株新鮮浮萍，測量浮萍葉狀體長和寬以及根長。同時收集水樣備測。

1.3 測定項目及方法

水樣中 NH₄⁺-N 濃度、堿度、總硬度、電導(dǎo)率等指標(biāo)采用GalleryPlus全自動分析儀（芬蘭）根據(jù)相關(guān)方法[15]測定; ΔpH 值采用科爾帕默 300pH/ORP 儀（英國）測定。將清洗干凈的浮萍樣品于 60^°C 烘干至恒重，稱重后取出一部分干樣磨成粉末，用微波消解法處理樣品，消解步驟參照

Kotamraju等[6]的方法，然后采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀（ICP-OES5110，美國）測定浮萍中的 Z_n 含量，計算浮萍富集 Z_n 量。利用能譜掃描電鏡（SEM-EDX，S2600N，日本）觀察處理后的浮萍表面特征。水樣中 Z_n 濃度通過ICP-OES5110儀器測定。

1.4 指標(biāo)計算公式

為探明添加 NH₄⁺-N 對浮萍生長情況、耐受污染物能力以及富集金屬能力的影響，參照Kota-mraju等[6給出的相對生長率（RGR，relativegrowthrate）、耐受指數(shù)（toleranceindex，TI）和富集系數(shù)（bioconcentrationfactor，BCF）進行評價。相關(guān)計算公式如下：

式中， W₇ 表示試驗結(jié)束時浮萍干重 Ξ（Λ_g）;W₀ 表示試驗開始時浮萍干重（g）；t表示培養(yǎng)時間（d）。

TI（%）=W_T/W_c×100

式中， W_T 表示試驗組培養(yǎng)7天后的生物量； W_c 表示同樣條件下標(biāo)準(zhǔn)Steinberg培養(yǎng)液培養(yǎng)7天后的生物量。

BCF=C_p/C_M°

式中， C_P 表示收獲植物富集的 Zn 含量 （mg?kg^-1 \" C_M 表示初始培養(yǎng)液中的 Z_n 濃度 （mg?L^-1 ）。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS17.0和 Γ_{0rigin 8.6} 軟件對試驗獲得的所有有效數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和插圖制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加 NH₄⁺-N 對浮萍生長的影響

正常浮萍葉狀體表面呈綠色，背面呈淺黃色或綠白色[16]。由表3可以看出，在 Z_n 濃度為3.0mg?L^-1 條件下，添加 NH₄⁺-N 導(dǎo)致浮萍葉狀體長度和寬度降低，根長明顯變短；而且觀察發(fā)現(xiàn)，隨著 NH₄⁺-N 濃度增加，培養(yǎng)液渾濁度明顯增加。在 Z_n 濃度為 6.0mg?L^-1 條件下，隨著 NH₄⁺ -N濃度增加，葉狀體長度和寬度均先降低后略增加。浮萍整體表現(xiàn)：添加 NH₄⁺-N 條件下，各處理組從培養(yǎng)第4天開始均有白色浮萍出現(xiàn)，說明有部分浮萍已經(jīng)死亡，而且隨著 NH₄⁺-N 濃度增加，死亡葉狀體數(shù)量增加;未添加 NH₄⁺-N 的處理組，浮萍僅表現(xiàn)為黃綠色且明顯偏黃，培養(yǎng)期間未發(fā)現(xiàn)死亡現(xiàn)象。另外，添加 NH₄⁺-N 雖然導(dǎo)致部分浮萍死亡，但浮萍表面顏色從明顯偏黃向偏綠的黃綠色轉(zhuǎn)化，說明添加 NH₄⁺-N 可能增加了試驗浮萍的葉綠素含量[17] 。

RGR通常是用來量化植物生長速率的指標(biāo)。由圖1A看出，無 NH₄⁺-N 作用下，DW1和DW4處理組的RGR值分別為（ 0.164±0.009 ） d^-1 和（ 0.113±0.014） d^-1 ，在同一 Z_n 濃度條件下，隨著NH₄⁺-N 濃度的增加，浮萍RGR值也增加，其最大值為（ （0.246±0.015）d d^-1 ，這一生長率值與Petersen等[13]的研究結(jié)果相近。不同 Z_n 濃度條件下對比發(fā)現(xiàn)，高濃度 Z_n 顯著降低浮萍的RGR值（ Plt; 0.05），其最大值為（ （0.194±0.012） d^-1 ，說明6.0mg?L^-1Zn 明顯抑制浮萍的生長，但 NH₄⁺-N 的添加促進了浮萍的生長。

圖1B顯示了不同處理組浮萍富集金屬鋅的富集系數(shù)（BCF）以及耐受指數(shù)（TI）。其中 BCFgt; 1表示植物對金屬具有較好的富集能力?？梢钥闯觯刺砑?NH₄⁺-N 的處理組 BCFgt;1 193 ，而添加NH₄⁺-N 的處理組， BCFlt;432 ，高濃度 Z_n 和添加NH₄⁺-N 條件下，BCF的值更小且均不高于292.1，說明在無機氮源充足的條件下， NH₄⁺-N 的添加顯著削弱了浮萍單位質(zhì)量富集 Z_n 的能力，尤其是高濃度 Z_n 條件下，其單位質(zhì)量富集 Z_n 的能力更弱。在兩種 Z_n 濃度條件下，隨著 NH₄⁺-N 濃度的增加，各處理BCF值均呈現(xiàn)先降低后略有增加的趨勢

從圖1B還可以看出，高濃度 Z_n 明顯降低浮萍的TI值，說明浮萍對 Z_n 的耐受能力隨著 Z_n 濃度增加而減弱。同一 Z_n 濃度條件下，隨著NH₄⁺-N 濃度的增加，浮萍TI值也增加，說明NH₄⁺-N 提高了浮萍對 Z_n 的耐受能力。

2.2 添加 NH₄⁺-N 對浮萍富集 Z_n 及水中 Zn，NH₄⁺? -N去除效果的影響

從圖2A看出，未添加 NH₄⁺-N 條件下，浮萍富集 Z_n 的量最大，其中低濃度 Zn（3.0mg?L^-1）， 處理組 Z_n 的單位富集量和富集總量分別為（ （4.664± 0.029） mg?g^-1 和 （4.835±0.482） M mg ，高濃度 Z_n （ 6.0mg?L^-1 ）處理組分別為（ （8.458±0.444） ）mg?g^-1 和（ 8.146±0.309 ） mg ，可以看出，高濃度 Z_n 條件下 Z_n 的單位富集量和富集總量均顯著增加。說明水中高濃度 Z_n 能有效促進浮萍對 Z_n 的富集。添加 NH₄⁺-N 條件下，浮萍對 Z_n 的富集總量顯著降低，說明 NH₄⁺-N 抑制了浮萍對 Z_n 的富集。相同 Z_n 濃度條件下，添加不同濃度 NH₄⁺-N 處理組中 Z_n 的單位富集量和富集總量無顯著差異，說明 NH₄⁺-N 濃度對 Z_n 的富集總量影響不大。其中，DW3處理組浮萍的單位富集量最小，為（ 1.080±0.168 ） mg?g^-1 ，DW2處理組為（ 1.900± 0.155） mg?g^-1 ，這可能是由兩種 NH₄⁺-N 濃度下浮萍生物量相對較小導(dǎo)致的。而高濃度 Z_n 條件下， NH₄⁺-N 的添加均顯著降低了 Z_n 的單位富集量和富集總量，其中DW5的單位富集量和富集總量均相對較小，說明該條件下 NH₄⁺-N 的添加嚴(yán)重抑制浮萍富集 Z_n 。

從圖2B可以看出，低濃度 Z_n 培養(yǎng)條件下，水中 Z_n 的去除率隨著 NH₄⁺-N 濃度的增加而顯著降低（ Plt;0.05， ），其中未添加 NH₄⁺-N 的處理組（DW1）Zn 的去除率最高，為 （93.55±0.71）% ，而添加高濃度 NH₄⁺-N （ 43.0mg?L^-1 ）的DW3處理組中 Z_n 的去除率最低，為 （17.19±3.12）% ，說明NH₄⁺-N 降低了水中 Z_n 的去除效果。高濃度 Z_n 培養(yǎng)條件下，隨著 NH₄⁺-N 濃度的增加， Z_n 的去除率也降低，但處理間差異不顯著，DW4、DW5、DW6處理 Z_n 的去除率分別為（ （18.21±4.41）% 、（ 15.62±3.30）% 和 （11.51±1.90）% 。另外還發(fā)現(xiàn)，同一 NH₄⁺-N 濃度條件下，高濃度 Z_n 環(huán)境中 NH₄⁺-N 的去除率顯著降低，其中DW2處理組的去除率最高，為 （60.03±4.21）% ，較DW5處理組高出27.40個百分點；而DW6處理組的去除率最低，為（ 16.50±2.90）% ，較DW3處理組降低20.55個百分點。由此可見，溶液中 Z_n 和 NH₄⁺-N 相互影響各自的去除效果。同時，對比浮萍富集 Z_n 的量與水中 Z_n 的去除率可以發(fā)現(xiàn)，在 NH₄⁺-N 濃度為21.5mg?L^-1 條件下， Z_n 的去除率較高，但是浮萍富集 Z_n 的量較低。

2.3 添加 NH₄⁺-N 對浮萍培養(yǎng)液中常規(guī)指標(biāo)的影響

在 NH₄⁺-N 添加濃度為 0.21.5mg?L^-1 條件下，DW1與DW4及DW2與DW5之間初始電導(dǎo)率無顯著差異，但 NH₄⁺-N 添加濃度為43.0mg?L^-1 條件下，DW3與DW6初始電導(dǎo)率高出其他處理組 3.23～4.55 倍（圖3A），差異達顯著水平，說明高濃度 NH₄⁺-N 明顯提高了培養(yǎng)液的初始電導(dǎo)率。經(jīng)過7d培養(yǎng)，高濃度 Z_n 和添加NH₄⁺-N 條件下，培養(yǎng)液中電導(dǎo)率均較高，但是在43.0mg?L^-1NH₄⁺-N 和 3mg?L^-1Zn 共存條件下，初始和結(jié)束時電導(dǎo)率均最高，而且試驗結(jié)束時電導(dǎo)率略有降低，

由圖3B可以看出，各處理培養(yǎng)液初始總硬度相當(dāng)，基本保持在 177.92～193.53mg?L^-1 之間，培養(yǎng)7d后，6個處理組的水體總硬度均增加，尤其在 21.5mg?L^-1NH₄⁺-N 和 3mg?L^-1Zn 共存條件下，水體總硬度較DW1顯著增加（ Plt;0.05） ，其值最高，為（ 248.89±26.32 ） mg?L^-1 。在高濃度Z_n 條件下，添加 NH₄⁺-N 也明顯增加水體總硬度。

由圖3C看出，培養(yǎng)液中初始堿度差異較大，DW2和DW5處理組水體初始堿度均較低，其值分別為 14.49mg?L^-1 和 15.20mg?L^-1 ，與DW1和DW4差異達顯著水平。說明無論是低濃度還是高濃度 Z_n 1，NH₄⁺-N 添加濃度為 21.5mg?L^-1 條件下水體堿度都降低，而高濃度 NH₄⁺-N （43.0mg?L^-1 ）添加條件下，又增加了水體初始堿度。培養(yǎng)7d后，未添加 NH₄⁺-N 的處理組（DW1和DW4），水體堿度均明顯升高，其中 3.0mg?L^-1Zn 處理組堿度最高， 6.0mg?L^-1Zn 處理組次之。與未添加 NH₄⁺-N 處理組相比，添加 NH₄⁺-N 的處理組培養(yǎng)7d后，水體堿度顯著降低，尤其是在43.0mg?L^-1NH₄⁺-N 處理組，堿度為負值。但在21.5mg?L^-1NH₄⁺-N 處理組，堿度仍然為正值，而且比初始堿度有所增加

圖3D顯示，各處理培養(yǎng)液初始 pH 值相當(dāng)，由于浮萍生長、離子交換、沉淀反應(yīng)等過程，導(dǎo)致7d后水溶液 ΔpH 值呈現(xiàn)為：未添加 NH₄⁺-N 的DW1和DW4處理組水體 pH 值分別約為6.98和6.72，呈中性，說明單一 Z_n 濃度增加對水體 pH 值沒有顯著影響（ Pgt;0.05） 。但在添加 NH₄⁺-N 處理組中，溶液 pH 值顯著降低，且隨著 NH₄⁺-N 濃度增加而降低，尤其在高濃度（ 43.0mg?L^-1 ）條件下，低、高濃度 Z_n 處理組的 pH 值分別為 3.55± 0.54和 3.23±0.10 。

2.4添加 NH₄⁺-N 對浮萍表面特征的影響

由圖4和圖5可知，各處理組浮萍的表面呈現(xiàn)較光滑的層狀結(jié)構(gòu)，這可能是因為浮萍本身淀粉含量高、木質(zhì)纖維素含量低[6]。隨著 NH₄⁺-N 濃度的增加，浮萍表面更加緊實，這不利于其對水中 Z_n 的富集，尤其是在 43.0mg?L^-1NH₄⁺-N 條件下，層狀結(jié)構(gòu)更加緊實。通過EDX分析可知，各處理組浮萍均檢測到 Z_n ，說明浮萍能有效吸收利用 Z_n 元素。同時可以看出，在無 NH₄⁺-N 添加條件下， Z_n 含量占比最高，其中在 3mg?L^-1Zn 處理組占比為 1.74% ，在 6.0mg?L^-1Zn 處理組占比為

2.70% ，其余各處理組隨著 NH₄⁺-N 濃度增加， Z_n 含量占比減少。無 NH₄⁺-N 條件下，浮萍主要含有 C，0，N，P，K，Ca 和 Z_n 等元素。 21.5mg?L^-1 （204號NH₄⁺-N 添加條件下， 3.0mg?L^-1Zn 處理組N含量占比增加，但 43.0mg?L^-1NH₄⁺-N 脅迫下，不僅Z_n 含量占比降低，N含量占比也降低，這說明添加高濃度 NH₄⁺-N 不僅影響浮萍對 Z_n 的富集，也影響其對N的積累，同時也減少了浮萍的主要元素成分， 3.0、6.0mg?L^-1Zn 處理組能譜圖較簡單，說明此條件下，不僅影響 Z_n 的富集，也影響其他元素的吸收利用和積累

3 討論

3.1 NH₄⁺-N 對浮萍生長的影響

NH₄⁺-N 是植物直接吸收的主要無機氮之一，但由于植物同化 NH₄⁺-N 消耗的能量比硝態(tài)氮（ NO₃^--N. 的低，在微摩爾濃度下很多植物優(yōu)先吸收利用 NH₄⁺-N^[17] 。Wang等[18]研究發(fā)現(xiàn)， NH₄⁺-N 為唯一氮源時，浮萍能在 NH₄⁺-N 濃度為 7～84 mg?L^-1 的水環(huán)境中生長，其中最佳濃度為28mg?L^-1 ，而且浮萍的葉綠素含量隨著 NH₄⁺-N 濃度的增加而增加。然而本試驗是在無機氮源 NO₃^- -N充足的條件下，研究 NH₄⁺-N 添加對浮萍生長的影響，研究結(jié)果與上述結(jié)論存在差異。添加 NH₄⁺ -N條件下，浮萍根長和葉狀體減小，但生物量增加，說明添加 NH₄⁺-N 減小了單片葉狀體大小，抑制了浮萍根的生長，但加快了浮萍繁殖速率。與未添加 NH₄⁺-N 的處理相比，添加 NH₄⁺-N 的處理組均出現(xiàn)一些白色浮萍，表明浮萍已經(jīng)死亡，進一步說明 NH₄⁺-N 添加條件下浮萍的老化時間縮短。同時本研究也發(fā)現(xiàn)添加 NH₄⁺-N 處理組的葉狀體顏色由明顯偏黃色向黃綠色轉(zhuǎn)變，說明添加 NH₄⁺-N 增加了浮萍葉綠素含量

本研究結(jié)果表明，未添加 NH₄⁺-N 的處理組，隨著 Z_n 濃度增加RGR顯著減小，說明高濃度 Z_n 抑制浮萍的生長。Zhou等[12]研究發(fā)現(xiàn)，低濃度Z_n 影響根部微生物生長及作用，而高濃度 Z_n 損害浮萍細胞，進而抑制浮萍的生長。這與本研究結(jié)果基本一致，即高濃度 Z_n 處理組中浮萍的RGR顯著低于低濃度 Z_n 處理組，說明高濃度 Z_n 抑制浮萍的生長。同一 Z_n 濃度條件下，RGR隨著 NH₄⁺-N 濃度增加而增加，說明氮源充足條件下，添加 NH₄⁺-N 能有效緩解 Z_n 對浮萍生長的抑制作用，促進了浮萍的生長，使浮萍繁殖速率和生物量增加。對比低、高 Z_n 濃度處理組發(fā)現(xiàn)，RGR變化趨勢一致，均隨著 NH₄⁺-N 濃度增加而增加，這進一步說明在氮源充足的條件下， NH₄⁺-N 能有效緩解 Z_n 對浮萍的抑制作用。但添加 NH₄⁺-N 對其抑制作用的緩解程度可能遠低于高 Z_n 對植物的抑制作用，導(dǎo)致高濃度 Z_n 處理組浮萍的生長性能低于低濃度 Z_n 處理組。本研究中，低濃度Z_n 條件下， NH₄⁺-N 濃度增加時能譜圖上C含量減少，說明該條件下部分 NH₄⁺-N 同化過程中消耗了浮萍體內(nèi)的部分碳骨架[9」，減少了植株體內(nèi)的C含量，這也有可能是添加 NH₄⁺-N 的處理組浮萍葉狀體變小的原因之一。但在高濃度 Z_n 條件下，由于水體中 Z_n 和 NH₄⁺-N 的存在對浮萍生長有交互作用，減少了 NH₄⁺-N 的同化量，對浮萍碳骨架消耗較少，所以添加 NH₄⁺-N 的處理組C含量變化不大。

3.2 NH₄⁺-N 對浮萍富集 Z_n 以及 Z_n 去除效應(yīng)的影響

鋅是植物發(fā)育所必需的微量元素，是植物體內(nèi)基因表達、蛋白質(zhì)代謝、染色體構(gòu)建等眾多細胞過程相關(guān)酶的組成成分以及植物光合作用中碳酸酐酶合成的關(guān)鍵成分，通過酶作用對植物碳、氮代謝產(chǎn)生影響，也間接影響植物生長素的形成[20-21]。但是過量的 Z_n 又能降低植物根際微生物的代謝活性，破壞植物體內(nèi)的活性氧（reactiveoxygenspecies，ROS）與ROS清除系統(tǒng)之間的動態(tài)平衡，對植物產(chǎn)生毒性作用，不利于植物的生長發(fā)育[22]。由于過量的 Z_n 干擾了植物的滲透性，因此其濃度變化也影響了浮萍對 Z_n 的富集效果

BCF表征植物從水體中富集重金屬的能力，是植物修復(fù)過程中表征金屬吸收、轉(zhuǎn)移和儲存等能力的重要參數(shù)[23-24]。本研究表明，未添加 NH₄⁺-N 的浮萍BCF值較大，說明單一無機氮源條件下浮萍能有效富集 Z_n 元素，且具有較強的富集能力。但添加 NH₄⁺-N 條件下，BCF值顯著降低，說明在氮源充足的條件下， NH₄⁺-N 的添加不利于浮萍對Z_n 的富集，導(dǎo)致浮萍單位質(zhì)量富集 Z_n 的能力降低，尤其是高濃度 Z_n 條件下，顯著降低了浮萍單位質(zhì)量富集 Z_n 以及富集總量 Z_n 的能力。BCF值隨著 NH₄⁺-N 濃度增加呈現(xiàn)先減小后增加趨勢，說明在低濃度 NH₄⁺-N 作用下，誘導(dǎo)了浮萍的氧化應(yīng)激，組織細胞ROS過度產(chǎn)生，抑制了浮萍吸收利用 Z_n 的機制，導(dǎo)致浮萍BCF降低；而高濃度 NH₄⁺-N 作用下，又刺激調(diào)節(jié)浮萍細胞ROS的產(chǎn)生，抵消部分浮萍的氧化應(yīng)激反應(yīng)[25]，促進浮萍生長和代謝，進而提高浮萍富集 Z_n 的能力。

TI反映植物對金屬 Z_n 的抗性和耐性，值越大說明植物對 Z_n 的耐受越強[25]。本研究表明，TI值隨著 NH₄⁺-N 濃度增加而增加，說明氮源充足條件下，添加 NH₄⁺-N 增加了浮萍耐受 Z_n 的能力。但高濃度 Z_n 條件下， ΔTI 值減小，說明高濃度Z_n 進一步降低了浮萍植物的耐受能力，且富集的Z_n 量高于低 Z_n 條件下的量，這是因為高 Z_n 條件下，可供浮萍吸收利用的 Z_n 較多，尤其是在未添加 NH₄⁺-N 的處理組，浮萍吸收利用 Z_n 的量較多，因而在DW4處理組浮萍富集 Z_n 量最大。而添加 NH₄⁺-N 的處理組，由于離子交換、水體微生物硝化作用等過程，造成水中氫離子（ H⁺ ）增加，水體 pH 值和堿度降低，因 H⁺ 的毒害作用以及 H⁺ 與 Z_n 爭奪浮萍根部吸收位點，導(dǎo)致添加 NH₄⁺-N 條件下浮萍富集的 Z_n 量顯著減少[26-27]，進而影響水體 Z_n 的去除效果

水中 Z_n 的去除主要通過浮萍的生物富集以及化學(xué)沉淀兩種方式實現(xiàn)。在單一 Z_n 處理組，水中 pH 值相對較高， Z_n 離子與水溶液中的磷酸二氫鉀和磷酸氫二鉀電離出的 PO₄^3- 發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，部分生成 Zn₃（PO₄）₂ 沉淀而去除[28]。因此有研究發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng) ⁴d 后的Lemna minor 能對10mg?L^-1 的 Z_n 有最大富集量，且對 Z_n 的去除率約為 70%～80% 。而本研究采用的雜交浮萍對6.0mg?L^-1 的 Z_n 富集量也較大，但是其去除率僅為 （18.21±4.41）% 。這說明Lemna minor 和Lem-naturionifera雜交的浮萍耐受 Z_n 的能力不及單一Lemnaminor，也間接說明過高濃度 Z_n 抑制浮萍對 Z_n 的去除效果。而無論低濃度還是高濃度Z_n 條件下，添加 NH₄⁺-N 均降低 Z_n 的去除率，這是由于添加 NH₄⁺-N 條件下，因離子交換等作用顯著降低水體 pH 值，使得水體呈偏酸性，水體中PO₄^3- 離子較少，進而因沉淀而去除的 Z_n 離子較少； Z_n 主要通過浮萍生物富集而去除，因此導(dǎo)致Z_n 的去除率隨著 NH₄⁺-N 濃度的增加而降低。而在高濃度 Z_n 條件下，由于 Z_n 對浮萍的毒害作用，很可能吸附在浮萍根部的 Z_n 與浮萍離子交換減弱，進一步限制了 Z_n 的去除。高濃度 Z_n 條件下，添加 NH₄⁺-N 雖然降低了 Z_n 的去除率，但降低幅度較小，說明添加 NH₄⁺-N 減緩了高濃度 Z_n 對浮萍吸收利用 Z_n 的抑制作用。由于水中 Z_n 的去除與浮萍的生物富集、根部吸附及沉淀反應(yīng)等密切相關(guān)，使得在 3.0mg?L^-1Zn 和 21.5mg?L^-1NH₄⁺- N共同存在條件下， Z_n 的去除率較好，但是浮萍富集 Z_n 的量較低。

3.3 NH₄⁺-N 對水體常規(guī)指標(biāo)的影響氮素能影響植物對陰陽離子的吸收比例，尤其是對 NH₄⁺-N 或 N0₃^--N 吸收利用的量約占植物吸收利用陰陽離子總量的 70%^[30] 。Feng 等[31]的報道顯示， NH₄⁺-N 轉(zhuǎn)化為氨基酸的過程中，每吸收利用一個 NH₄⁺-N 能產(chǎn)生兩個 H⁺ ，導(dǎo)致添加NH₄⁺-N 的處理組電導(dǎo)率增加， pH 值下降，進而改變?nèi)芤旱膲A度，隨著 NH₄⁺-N 濃度增加，溶液初始電導(dǎo)率增大。本研究中由于高濃度 NH₄⁺-N 的添加，導(dǎo)致水中初始電導(dǎo)率增加，進而影響浮萍健康生長。而且 NH₄⁺-N 作用下，浮萍吸收 NH₄⁺-N 可能誘導(dǎo)細胞外酸化和陽離子缺乏[19]，限制浮萍的生長發(fā)育，進而影響其葉狀體大小。在 21.5mg?L^-1NH₄⁺-N 和3mg?L^-1Zn 共存條件下，水中 NH₄⁺-N 去除率較高，說明水中 NH₄⁺-N 濃度較低時，植物吸收利用NH₄⁺-N 的量較高，導(dǎo)致試驗結(jié)束時其電導(dǎo)率低于其他添加 NH₄⁺-N 處理組。水溶液中由于浮萍根部離子交換以及水溶液的蒸發(fā)、植物的蒸騰作用，導(dǎo)致水體硬度增加。在添加 NH₄⁺-N 條件下，浮萍根系吸收 NH₄⁺-N 等陽離子通過離子交換導(dǎo)致H⁺ 釋放到溶液中，同時 NH₄⁺-N 在水溶液中發(fā)生硝化過程，也有部分 H⁺ 釋放到水溶液中[27-28]，所以添加 NH₄⁺-N 處理組的溶液中 pH 值和堿度降低，尤其是在添加高濃度 NH₄⁺-N 條件下，水溶液的酸化程度增大進而影響浮萍的生長發(fā)育。雖然浮萍能生長的 pH 值范圍為 3.0～10.0 ，但其生長最佳 pH 值為 5.0～7.0^[32] 。因此添加 NH₄⁺-N 的處理組浮萍生長及富集 Z_n 的能力也受到水體 pH 值的限制。而未添加 NH₄⁺-N 的處理組，由于溶液氮素以 NO₃^--N 為主，浮萍吸收氮的主要形式是N0₃^--N ，而且浮萍吸收利用 NO₃^--N 的方式主要是浮萍根系通過其與 Ω_oH- 的離子交換進入水體[33]，導(dǎo)致水體中 OH^- 濃度增加，進而導(dǎo)致溶液pH 值增加以及堿度增加。由此可見，在無機氮源充足的條件下添加 NH₄⁺-N 明顯改變了溶液的電導(dǎo)率、堿度和 pH 值，進而影響供試浮萍的生長和富集 Z_n 能力。

4結(jié)論

（1）浮萍對 Z_n 具有較高的富集能力，能有效富集水體中的 Z_n 元素，隨著 Z_n 濃度增加其富集量升高，卻導(dǎo)致浮萍的葉狀體呈現(xiàn)明顯的偏黃色高濃度 Z_n 明顯抑制浮萍葉狀體大小和根長。

（2）在添加 NH₄⁺-N 條件下，浮萍相對生長率提高，且隨著 NH₄⁺-N 濃度增加而提高。說明添加 NH₄⁺-N 促進了浮萍的生長，但卻限制了浮萍富集 Z_n 的能力，葉狀體大小和根長呈波動變化，其老化時間縮短，葉片顏色呈黃綠色，這可能是由于 NH₄⁺-N 添加促進葉綠素含量增加所致。總體而言，在氮源充足的水體中添加 NH₄⁺-N 限制 Z_n 的富集，這也說明以 N0₃^--N 為主的水體， NH₄⁺-N 的存在不利于 Z_n 的富集及其去除。

（3）添加高濃度 NH₄⁺-N 條件下，不僅影響浮萍對 Z_n 的富集，也影響浮萍對N素的積累，同時也減少了浮萍的主要元素成分，尤其是3.0、6.0mg?L^-1Zn 處理組能譜圖較簡單，說明該條件下，不僅影響 Z_n 的富集，也影響其他元素的吸收利用和積累，進而限制浮萍的生長發(fā)育。

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