碳酸氫根緩解高營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷下苦草(Vallisneria natans) 脅迫的作用

1、碳酸氫根緩解高營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷下苦草(Vallisneria natans) 脅迫的作用 竇艷艷1，王保忠1，張瀏1，尹大強(qiáng)1,2* 1. 污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210093； 2. 長(zhǎng)江水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092 摘要：富營(yíng)養(yǎng)化湖泊沉水植物嚴(yán)重退化，可溶性無(wú)機(jī)碳 DIC (Dissolved Inorganic Carbon)缺少是一個(gè)重要因素。本實(shí)驗(yàn)選擇碳酸氫根形態(tài) DIC(HCO3- -DIC)對(duì)苦草進(jìn)行處理， 設(shè)計(jì)了不同的 HCO3- -DIC 添加量(0、 10、 20 mg L-1)和營(yíng)養(yǎng)水平 N、 P

2、 (N 0.96、1.92、 2.88、 3.84 mg L-1， NH4+-N: NO3- -N=1:3， N: P=27)的交叉實(shí)驗(yàn)， 研究不同營(yíng)養(yǎng)水平下HCO3- -DIC對(duì)苦草 (Vallisneria natans) 的生理生態(tài)影響。 實(shí)驗(yàn)證明， 苦草幼苗在生長(zhǎng)過(guò)程中可以不斷吸收水體中的 DIC， 經(jīng) 15 d 培養(yǎng)， 培養(yǎng)液中 DIC 從 16.91 mg L-1下降到 6.27 mg L-1。 21 d 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示， 相同營(yíng)養(yǎng)條件下高質(zhì)量濃度 HCO3- -DIC 組苦草相對(duì)生長(zhǎng)率 RGR (Relative Growth Rate) 高于其他組； 無(wú)外加 HCO3- -DI

3、C 組過(guò)氧化物酶 POD(peroxidase)活性隨營(yíng)養(yǎng)水平增加， 從 2.01 U mg-1增至 4.03 U mg-1，相同營(yíng)養(yǎng)水平下 POD 活性隨 HCO3- -DIC 增加而降低，說(shuō)明水體營(yíng)養(yǎng)水平的增高加劇了對(duì)苦草生長(zhǎng)的脅迫，而 HCO3- -DIC大大減少和緩解了這種脅迫作用；中營(yíng)養(yǎng)條件下，較低水平的 HCO3- -DIC 質(zhì)量濃度已經(jīng)滿足苦草葉綠素合成，而在重富營(yíng)養(yǎng)時(shí)較高質(zhì)量濃度的 HCO3- -DIC 可以促進(jìn)苦草葉綠素合成，緩解營(yíng)養(yǎng)脅迫的黃化效應(yīng)。研究揭示，水體 HCO3- -DIC 增加可以緩解富營(yíng)養(yǎng)化對(duì)沉水植物的脅迫作用。 關(guān)鍵詞：可溶性無(wú)機(jī)碳；苦草(Vallisner

4、ia natans)；富營(yíng)養(yǎng)；HCO3- -DIC；脅迫 中圖分類號(hào)：Q178.1；X524 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-2175（2008）04-1581-05 我國(guó)湖泊富營(yíng)養(yǎng)現(xiàn)象日趨嚴(yán)重， 2007 年太湖藍(lán)藻大規(guī)模爆發(fā)引發(fā)了一系列危機(jī)問(wèn)題。科學(xué)家認(rèn)為太湖問(wèn)題的根源是富營(yíng)養(yǎng)的污水和農(nóng)業(yè)用水的過(guò)多排入和積累1-2。但除了主要因素 N、P 營(yíng)養(yǎng)過(guò)多外，無(wú)機(jī)碳缺少造成的影響不可忽視。對(duì)太湖草型湖區(qū)-東太湖和藻型湖區(qū)-梅梁灣湖水可溶性無(wú)機(jī)碳(DIC)調(diào)查顯示，東太湖 DIC 為 17.0 mg L-1，梅梁灣的 DIC 為 10.0 mg L-13，說(shuō)明藍(lán)藻快速生長(zhǎng)和繁殖利用大量無(wú)機(jī)碳致使

5、水體 DIC 降低成為沉水植物退化的一個(gè)原因，也為湖泊沉水植物恢復(fù)提出一個(gè)難題。富營(yíng)養(yǎng)化湖泊水體無(wú)機(jī)碳引起沉水植物退化的原因可以歸結(jié)為：藻類爆發(fā)使水體 pH 升高，導(dǎo)致水體容納自由態(tài) CO2能力下降； 大量繁殖的藻類競(jìng)爭(zhēng)無(wú)機(jī)碳源；沉水植物表面大量的附生生物增加了水生植物葉片的胞外擴(kuò)散層厚度，從而抑制沉水植物光合作用4?？梢?，研究富營(yíng)養(yǎng)化湖泊水體無(wú)機(jī)碳對(duì)水生植物生理和生長(zhǎng)的影響對(duì)于揭示水生植物的退化機(jī)理具有重要意義。 DIC 在水體中的 3 種形態(tài)游離 CO2、HCO3-和CO32-中， 各個(gè)成分的比重主要由 pH 決定， 隨著 pH升高， 水體游離 CO2濃度逐漸降低，HCO3-和 CO32-

6、的濃度逐漸升高。富營(yíng)養(yǎng)湖泊的 pH 大于 7，甚至達(dá)到 9 以上， 因此富營(yíng)養(yǎng)湖泊占主導(dǎo)的 DIC 形態(tài)是HCO3-DIC。3 種形態(tài) DIC 中，游離 CO2可以被所有水生植物利用，且是原生質(zhì)體首選的無(wú)機(jī)碳形式5。HCO3-DIC 可以被大多數(shù)沉水植物利用，這些沉水植物主要是固著根莖直立分枝植物(elodeid)，而蓮座狀植物(isoetid)則不能利用 HCO3-DIC6-7。CO32形式無(wú)機(jī)碳不是主要的無(wú)機(jī)碳源。Maberly 等學(xué)者的研究顯示，大多數(shù)沉水植物可以適應(yīng)低 CO2環(huán)境的原因，是由于其可以利用 HCO3-DIC，典型沉水植物苦草、 菹草(Potamogeton crispus

7、)和馬來(lái)眼子 菜 (Potamogeton malaianus) 等 都 可 以 利 用HCO3-DIC8-9。 本實(shí)驗(yàn)選擇太湖常見的可以利用 HCO3-DIC的典型沉水植物苦草作為受試植物，設(shè)計(jì)進(jìn)行 N、P 營(yíng)養(yǎng)和 HCO3- -DIC 的正交實(shí)驗(yàn)， 通過(guò)實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)模擬研究， 向富營(yíng)養(yǎng)水體中添加外來(lái) HCO3- -DIC 以觀察苦草生理與生長(zhǎng)的特征變化，從而揭示 HCO3- -DIC 對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊脅迫環(huán)境的緩解機(jī)理。 1 材料與方法 1.1 實(shí)驗(yàn)材料 實(shí)驗(yàn)植物苦草(Vallisneria natans)是在實(shí)驗(yàn)室由種子播種培育得到。 培養(yǎng)液采用改進(jìn)的 Hoagland稀釋液(0.1x)，

8、用新鮮自來(lái)水配制10-11。 培養(yǎng)溫度為25 ，光照為 4000 lux，12 h/12 h 光周期。 1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 1.2.1 苦草幼苗對(duì) DIC 利用實(shí)驗(yàn) 選取長(zhǎng)勢(shì)良好高約 10 cm的苦草幼苗一缸加入用自來(lái)水配制的 Hoagland 稀釋液， 在苦草生長(zhǎng)的第1 天，第 3 天，第 15 天分別取水樣用 TOC 儀(TOC-5000A)測(cè)定水體 DIC 質(zhì)量濃度。 1.2.2 HCO3-與 N、P 對(duì)苦草的正交實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)選取長(zhǎng)勢(shì)健壯，高 2030 cm 的苦草植株進(jìn)行一周馴養(yǎng)后，移栽到 5 L 大燒杯。每個(gè)燒杯種植 4 株苦草，每個(gè)處理設(shè)置兩個(gè)燒杯，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行 21 d， 每 7 天更換

9、一次培養(yǎng)液， 實(shí)驗(yàn)期溫度為 2532 ，光照為 4000 lux，12 h/12 h 光周期。正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表 1， 其中添加的 HCO3- -DIC 質(zhì)量濃度分別是 0、10、20 mg L-1，是指向自來(lái)水中加入的 NaHCO3的含 C 量。 自來(lái)水中 DIC 本底值上海地區(qū)的質(zhì)量濃度為 14.91 mg L-112，南京市自來(lái)水 DIC 本底值，實(shí)驗(yàn)室測(cè)得為 16.91 mg L-1。N、P 設(shè)置 4 個(gè)質(zhì)量濃度水平(N 為 0.96、 1.92、 2.88、 3.84 mg L-1，N: P=27)，N 鹽為 (NH4)2SO4和 NaNO3， NH4+-N: NO3-N=1:3，P

10、的形式是 NaH2PO4。 營(yíng)養(yǎng)程度設(shè)置參照 2006 年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)和中國(guó)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化13。 實(shí)驗(yàn)培養(yǎng) 21 d 后，收獲不同處理的苦草植株，測(cè)定每株苦草的生物量及形態(tài)指標(biāo)，包括葉片數(shù)、最大葉長(zhǎng)、各級(jí)分蘗數(shù)等。然后將苦草液氮冷凍，-20 保存待測(cè)，分別測(cè)定不同處理下每株苦草的葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)和 POD 活性，其中葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定采用 95%乙醇(體積分?jǐn)?shù))提取法14，POD 活性測(cè)定選擇鄰苯三酚法15。 葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與 POD活性以苦草葉片鮮質(zhì)量計(jì)。 1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用EXCEL， SPSS軟件進(jìn)行整理分析。 2 結(jié)果與分析 2.1 苦草對(duì) DIC 的利用 實(shí)驗(yàn)中對(duì)苦草幼苗

11、培養(yǎng)過(guò)程中水體 DIC 質(zhì)量濃度測(cè)定結(jié)果顯示， 在無(wú)外加 DIC 的情況下隨著苦草培養(yǎng)天數(shù)的增加 DIC 質(zhì)量濃度逐漸減少（表 2） ，表明苦草生長(zhǎng)過(guò)程中利用了水體中的 DIC。 2.2 實(shí)驗(yàn)期間水體 pH 變化 DIC 在水中的質(zhì)量濃度和存在形態(tài)受 pH 影響，因此實(shí)驗(yàn)期間對(duì) pH 進(jìn)行了測(cè)定，在最后一個(gè)換水周期的7 天中每天 pH 最高的時(shí)間 16:00 測(cè)定pH 值16。 從圖 1 可以看出， 換水加營(yíng)養(yǎng)液和 HCO3- -DIC后，水體 pH 與自來(lái)水很接近，7 d 內(nèi)水體 pH 逐漸增長(zhǎng)，且第 1 天增長(zhǎng)最快，直至達(dá)到 10 以上。說(shuō)明苦草生長(zhǎng)過(guò)程中逐漸吸收水體 CO2、HCO3-，

12、使水體 pH 增加，減少自由 CO2的存在，即在 pH 達(dá)到 9 以后苦草主要靠水體中 HCO3-進(jìn)行光合作用，進(jìn)一步證明了苦草可以利用 HCO3-DIC。另外，各組處理之間的 pH 在同一時(shí)間的測(cè)定值差別不大，因此可以忽略 pH 對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。 2.3 HCO3- -DIC 對(duì)苦草生長(zhǎng)的影響 不同處理苦草的 RGR 變化(圖 2)顯示，在相同的 HCO3-DIC 質(zhì)量濃度下，隨著營(yíng)養(yǎng)水平增加，苦草 RGR 沒(méi)有顯著性變化。然而，在相同營(yíng)養(yǎng)水平下不同 HCO3-DIC 質(zhì)量濃度組的 RGR 有顯著性差異(P0.05)。在每個(gè)營(yíng)養(yǎng)水平均呈現(xiàn)隨 HCO3-DIC質(zhì)量濃度升高 RGR 增加。研究結(jié)果

13、表明在富營(yíng)養(yǎng)水體投加 HCO3- -DIC 有利于苦草生長(zhǎng)。 收獲時(shí)同步測(cè)定的不同處理組苦草最大葉片長(zhǎng)度、葉片數(shù)、各級(jí)分蘗等形態(tài)學(xué)生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果顯示(表 3)， 每株最大葉長(zhǎng)在相同營(yíng)養(yǎng)水平下都是不添加 HCO3-DIC 組最短，表明添加 HCO3-DIC可以促進(jìn)苦草葉片伸長(zhǎng)。而每株葉片數(shù)目和 3 級(jí)分蘗數(shù)， 在不同營(yíng)養(yǎng)水平和不同 HCO3- -DIC 質(zhì)量濃度組，均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的顯著性差異，表明 21 d 實(shí)驗(yàn)僅對(duì)苦草生物量和葉長(zhǎng)有影響，提示還需要開展長(zhǎng)期試驗(yàn)的研究。 表 2 苦草幼苗培養(yǎng)過(guò)程中 DIC 質(zhì)量濃度的變化 Table 2 Change of DIC concentration

14、during the culture of Vallisneria natans seedling 培養(yǎng)液 Hoagland 稀釋液 3 d 后培養(yǎng)液 15 d 后培養(yǎng)液 (DIC)/(mg L-1) 16.91 10.98 6.27 表 1 HCO3-與 N、P 的正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) Table 1 The orthogonal experiment design of HCO3- and N、P 添加 HCO3- -DIC 質(zhì)量濃度/(mg L-1) N 質(zhì)量濃度/(mg L-1), NP=27 0.96 (中營(yíng)養(yǎng)) 1.92 (中富營(yíng)養(yǎng)) 2.88 (富營(yíng)養(yǎng)) 3.84 (重富營(yíng)養(yǎng)) 0 T1

15、 T4 T7 T10 10 T2 T5 T8 T11 20 T3 T6 T9 T12 7.588.599.51010.502468t/dpHT1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T12 圖 1 最后一個(gè)換水周期 7 d 內(nèi)不同處理 pH 的變化 Fig.1 Chang of pH during the last 7 days exchange water cycle under different treatments 由不同處理下苦草的葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(圖 3)可以看出，中營(yíng)養(yǎng)水平下，葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨HCO3-DIC 質(zhì)量 濃度 增高 而降低 ，其 中添加HCO3-DIC質(zhì)量濃度為0

16、 mg L-1與10 mg L-1組葉綠素 a 有顯著差異(P=0.0130.05)， 葉綠素 b 亦差異顯著(P=0.0050.05)。 重富營(yíng)養(yǎng)情況下， 高 HCO3- -DIC質(zhì)量濃度對(duì)葉綠素合成有促進(jìn)作用，但差異不顯著。 該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 中營(yíng)養(yǎng)條件下， 較低的 HCO3- -DIC 質(zhì)量濃度已經(jīng)可以滿足苦草葉綠素合成， 但是在重富營(yíng)養(yǎng)條件下， 苦草需要較多的 HCO3- -DIC 來(lái)滿足葉綠素合成，緩解營(yíng)養(yǎng)脅迫的黃化效應(yīng)。 2.4 HCO3- -DIC 對(duì)苦草 POD 的影響 圖 4 顯示，無(wú)外加 HCO3-DIC 時(shí)，隨營(yíng)養(yǎng)增高POD 活性逐漸增高， one-way ANOVA 分

17、析, 四個(gè)營(yíng)養(yǎng) 水 平 下 的POD活 性 有 顯 著 性 差 異(P=0.0010.05)，字母不相同表示相同營(yíng)養(yǎng)水平下差異有顯著性(P0.05)，下同 圖 4 不同處理苦草的 POD 活性 Fig.4 POD activities of Vallisneria natans under different treatments 00.10.20.30.40.50.6中營(yíng)養(yǎng)中富營(yíng)養(yǎng)富營(yíng)養(yǎng)重富營(yíng)養(yǎng)w(chl b)/ (mg g-1)00.30.60.91.21.5中營(yíng)養(yǎng)中富營(yíng)養(yǎng)富營(yíng)養(yǎng)重富營(yíng)養(yǎng)w(chl a)/ (mg g-1)b 03691215中營(yíng)養(yǎng)中富營(yíng)養(yǎng)富營(yíng)養(yǎng)重富營(yíng)養(yǎng)RGRa a a a

18、 a b b b b b a a a b a b b a b b 012345中營(yíng)養(yǎng)中富營(yíng)養(yǎng)富營(yíng)養(yǎng)重富營(yíng)養(yǎng)POD活性/(U mg-1)種類減少了 50 種，現(xiàn)有水生植物僅 16 種，其中沉水植物 8 種，分布面積占水生植物總面積的64.58%。沉水植物中馬來(lái)眼子菜( Potamogeton malaianus)的分布頻度最高，苦草次之17。水質(zhì)下降是導(dǎo)致水生植物種類不斷減少甚至消失的一個(gè)重要原因。而剩余種類沉水植物的存活正是由于它們對(duì)富營(yíng)養(yǎng)現(xiàn)象和 DIC 缺少等環(huán)境的適應(yīng)。 本實(shí)驗(yàn)中隨著營(yíng)養(yǎng)水平的逐漸增高苦草的抗氧化系統(tǒng)指標(biāo) POD 和葉綠素顯示，苦草受到一定脅迫。RGR顯示在無(wú)外加 HCO3

19、-DIC 條件下苦草的 RGR 隨營(yíng)養(yǎng)增加沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明營(yíng)養(yǎng)增高對(duì)苦草生理造成一定脅迫和損傷，但對(duì)其生長(zhǎng)在短期內(nèi)沒(méi)有收到很大影響，表明苦草對(duì)富營(yíng)養(yǎng)水體的適應(yīng)性很強(qiáng)，這是其在富營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中仍能存活的重要原因。 不同沉水植物在富營(yíng)養(yǎng)湖泊中的頻度與它們對(duì)不同形態(tài) DIC 利用情況和競(jìng)爭(zhēng)能力也密切相關(guān)。不同含量 CO2對(duì)伊樂(lè)藻(Elodea Canadensis)和水馬齒(Callitriche cophocarpa)生長(zhǎng)的影響研究顯示，CO2濃度高時(shí)兩種植物單位組織氮的增長(zhǎng)率都有所增高，但水馬齒對(duì) CO2的需求大于伊樂(lè)藻18。由于對(duì)CO2的需求多水馬齒在富營(yíng)養(yǎng)湖泊中的競(jìng)爭(zhēng)力會(huì)相對(duì)減弱。 湖泊中輪葉

20、黑藻對(duì) HCO3- -DIC 的競(jìng)爭(zhēng)能力比微齒眼子菜強(qiáng)19，這也與西太湖中輪葉黑藻數(shù)量大于微齒眼子菜的情況相一致17?？梢妼?duì)湖泊主要形態(tài) DIC 競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)的沉水植物在沉水植物的退化中得以存留并成為優(yōu)勢(shì)種。 富營(yíng)養(yǎng)湖泊中沉水植物利用 HCO3- -DIC 使水中無(wú)機(jī)碳減少。Marcel S.等人的實(shí)驗(yàn)測(cè)得有微齒眼子菜(Potamogeton maackianus)的水體夏季 HCO3-濃度從 2.5 mmol L-1降到0.75 mmol L-1， 有輪葉黑藻的 水 體 HCO3-濃 度 從 2.5 mmol L-1降 到 0.5 mmol L-1 19。本實(shí)驗(yàn)中苦草幼苗在 15 d 培養(yǎng)過(guò)程中

21、使培養(yǎng)液DIC從16.91 mg L-1下降到6.27 mg L-1，與其研究結(jié)果相符。由于沉水植物利用和藻類競(jìng)爭(zhēng)造成富營(yíng)養(yǎng)水體 DIC 下降， 因此向水體添加 HCO3- -DIC 有利于沉水植物修復(fù)。J.IWANJONES 等模擬天然湖泊向水體添加 HCO3-和硝氮、伊樂(lè)藻(Elodea nuttallii)和其他各種水生生物，2 a 的實(shí)驗(yàn)證明在其實(shí)驗(yàn)條件下低 DIC 的湖泊沉水植物更容易退化20。Marcel S 19等證明低的 HCO3-含量增加可以提高輪葉黑藻和篦齒眼子菜光合效率。而在本實(shí)驗(yàn)中苦草的 RGR、葉綠素、POD 隨營(yíng)養(yǎng)水平和 HCO3-DIC的變化進(jìn)一步證明苦草可以利用

22、 HCO3- -DIC， 而且增加 HCO3- -DIC 加入可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)， 減緩富營(yíng)養(yǎng)脅迫。 4 結(jié)論 （1）苦草生長(zhǎng)使水中 pH 逐漸升高，游離 CO2含量被 HCO3- -DIC 取代， 苦草仍能生長(zhǎng)， 進(jìn)一步說(shuō)明苦草可以利用 HCO3- -DIC。 （2）相同營(yíng)養(yǎng)水平下，HCO3- -DIC 質(zhì)量濃度升高有利于提高苦草的RGR和對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用率。 （3）在無(wú)外加 HCO3- -DIC 情況下，營(yíng)養(yǎng)增高對(duì)苦草產(chǎn)生脅迫作用。 相同營(yíng)養(yǎng)水平下 POD 含量隨 HCO3- -DIC 增加而降低， HCO3- -DIC 對(duì)富營(yíng)養(yǎng)脅迫產(chǎn)生了緩解作用，降低了苦草體內(nèi)過(guò)氧化物的含量。 參考文獻(xiàn)：

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