1、碳酸氫根緩解高營養負荷下苦草(Vallisneria natans) 脅迫的作用 竇艷艷1，王保忠1，張瀏1，尹大強1,2* 1. 污染控制與資源化研究國家重點實驗室/南京大學環境學院，江蘇 南京 210093； 2. 長江水環境教育部重點實驗室/同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092 摘要：富營養化湖泊沉水植物嚴重退化，可溶性無機碳 DIC (Dissolved Inorganic Carbon)缺少是一個重要因素。本實驗選擇碳酸氫根形態 DIC(HCO3- -DIC)對苦草進行處理， 設計了不同的 HCO3- -DIC 添加量(0、 10、 20 mg L-1)和營養水平 N、 P

2、 (N 0.96、1.92、 2.88、 3.84 mg L-1， NH4+-N: NO3- -N=1:3， N: P=27)的交叉實驗， 研究不同營養水平下HCO3- -DIC對苦草 (Vallisneria natans) 的生理生態影響。 實驗證明， 苦草幼苗在生長過程中可以不斷吸收水體中的 DIC， 經 15 d 培養， 培養液中 DIC 從 16.91 mg L-1下降到 6.27 mg L-1。 21 d 的實驗結果顯示， 相同營養條件下高質量濃度 HCO3- -DIC 組苦草相對生長率 RGR (Relative Growth Rate) 高于其他組； 無外加 HCO3- -DI

3、C 組過氧化物酶 POD(peroxidase)活性隨營養水平增加， 從 2.01 U mg-1增至 4.03 U mg-1，相同營養水平下 POD 活性隨 HCO3- -DIC 增加而降低，說明水體營養水平的增高加劇了對苦草生長的脅迫，而 HCO3- -DIC大大減少和緩解了這種脅迫作用；中營養條件下，較低水平的 HCO3- -DIC 質量濃度已經滿足苦草葉綠素合成，而在重富營養時較高質量濃度的 HCO3- -DIC 可以促進苦草葉綠素合成，緩解營養脅迫的黃化效應。研究揭示，水體 HCO3- -DIC 增加可以緩解富營養化對沉水植物的脅迫作用。 關鍵詞：可溶性無機碳；苦草(Vallisner

4、ia natans)；富營養；HCO3- -DIC；脅迫 中圖分類號：Q178.1；X524 文獻標識碼：A 文章編號：1672-2175（2008）04-1581-05 我國湖泊富營養現象日趨嚴重， 2007 年太湖藍藻大規模爆發引發了一系列危機問題。科學家認為太湖問題的根源是富營養的污水和農業用水的過多排入和積累1-2。但除了主要因素 N、P 營養過多外，無機碳缺少造成的影響不可忽視。對太湖草型湖區-東太湖和藻型湖區-梅梁灣湖水可溶性無機碳(DIC)調查顯示，東太湖 DIC 為 17.0 mg L-1，梅梁灣的 DIC 為 10.0 mg L-13，說明藍藻快速生長和繁殖利用大量無機碳致使

5、水體 DIC 降低成為沉水植物退化的一個原因，也為湖泊沉水植物恢復提出一個難題。富營養化湖泊水體無機碳引起沉水植物退化的原因可以歸結為：藻類爆發使水體 pH 升高，導致水體容納自由態 CO2能力下降； 大量繁殖的藻類競爭無機碳源；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散層厚度，從而抑制沉水植物光合作用4。可見，研究富營養化湖泊水體無機碳對水生植物生理和生長的影響對于揭示水生植物的退化機理具有重要意義。 DIC 在水體中的 3 種形態游離 CO2、HCO3-和CO32-中， 各個成分的比重主要由 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。富營養湖泊的 pH 大于 7，甚至達到 9 以上， 因此富營養湖泊占主導的 DIC 形態是HCO3-DIC。3 種形態 DIC 中，游離 CO2可以被所有水生植物利用，且是原生質體首選的無機碳形式5。HCO3-DIC 可以被大多數沉水植物利用，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形式無機碳不是主要的無機碳源。Maberly 等學者的研究顯示，大多數沉水植物可以適應低 CO2環境的原因，是由于其可以利用 HCO3-DIC，典型沉水植物苦草、 菹草(Potamogeton crispus

7、)和馬來眼子 菜 (Potamogeton malaianus) 等 都 可 以 利 用HCO3-DIC8-9。 本實驗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，設計進行 N、P 營養和 HCO3- -DIC 的正交實驗， 通過實驗室靜態模擬研究， 向富營養水體中添加外來 HCO3- -DIC 以觀察苦草生理與生長的特征變化，從而揭示 HCO3- -DIC 對富營養化湖泊脅迫環境的緩解機理。 1 材料與方法 1.1 實驗材料 實驗植物苦草(Vallisneria natans)是在實驗室由種子播種培育得到。 培養液采用改進的 Hoagland稀釋液(0.1x)，

8、用新鮮自來水配制10-11。 培養溫度為25 ，光照為 4000 lux，12 h/12 h 光周期。 1.2 實驗設計 1.2.1 苦草幼苗對 DIC 利用實驗 選取長勢良好高約 10 cm的苦草幼苗一缸加入用自來水配制的 Hoagland 稀釋液， 在苦草生長的第1 天，第 3 天，第 15 天分別取水樣用 TOC 儀(TOC-5000A)測定水體 DIC 質量濃度。 1.2.2 HCO3-與 N、P 對苦草的正交實驗 實驗選取長勢健壯，高 2030 cm 的苦草植株進行一周馴養后，移栽到 5 L 大燒杯。每個燒杯種植 4 株苦草，每個處理設置兩個燒杯，實驗進行 21 d， 每 7 天更換

9、一次培養液， 實驗期溫度為 2532 ，光照為 4000 lux，12 h/12 h 光周期。正交實驗設計如表 1， 其中添加的 HCO3- -DIC 質量濃度分別是 0、10、20 mg L-1，是指向自來水中加入的 NaHCO3的含 C 量。 自來水中 DIC 本底值上海地區的質量濃度為 14.91 mg L-112，南京市自來水 DIC 本底值，實驗室測得為 16.91 mg L-1。N、P 設置 4 個質量濃度水平(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。 營養程度設置參照 2006 年中國環境狀況公報和中國湖泊富營養化13。 實驗培養 21 d 后，收獲不同處理的苦草植株，測定每株苦草的生物量及形態指標，包括葉片數、最大葉長、各級分蘗數等。然后將苦草液氮冷凍，-20 保存待測，分別測定不同處理下每株苦草的葉綠素質量分數和 POD 活性，其中葉綠素質量分數測定采用 95%乙醇(體積分數)提取法14，POD 活性測定選擇鄰苯三酚法15。 葉綠素質量分數與 POD活性以苦草葉片鮮質量計。 1.3 實驗數據 實驗數據采用EXCEL， SPSS軟件進行整理分析。 2 結果與分析 2.1 苦草對 DIC 的利用 實驗中對苦草幼苗

11、培養過程中水體 DIC 質量濃度測定結果顯示， 在無外加 DIC 的情況下隨著苦草培養天數的增加 DIC 質量濃度逐漸減少（表 2） ，表明苦草生長過程中利用了水體中的 DIC。 2.2 實驗期間水體 pH 變化 DIC 在水中的質量濃度和存在形態受 pH 影響，因此實驗期間對 pH 進行了測定，在最后一個換水周期的7 天中每天 pH 最高的時間 16:00 測定pH 值16。 從圖 1 可以看出， 換水加營養液和 HCO3- -DIC后，水體 pH 與自來水很接近，7 d 內水體 pH 逐漸增長，且第 1 天增長最快，直至達到 10 以上。說明苦草生長過程中逐漸吸收水體 CO2、HCO3-，

12、使水體 pH 增加，減少自由 CO2的存在，即在 pH 達到 9 以后苦草主要靠水體中 HCO3-進行光合作用，進一步證明了苦草可以利用 HCO3-DIC。另外，各組處理之間的 pH 在同一時間的測定值差別不大，因此可以忽略 pH 對實驗的影響。 2.3 HCO3- -DIC 對苦草生長的影響 不同處理苦草的 RGR 變化(圖 2)顯示，在相同的 HCO3-DIC 質量濃度下，隨著營養水平增加，苦草 RGR 沒有顯著性變化。然而，在相同營養水平下不同 HCO3-DIC 質量濃度組的 RGR 有顯著性差異(P0.05)。在每個營養水平均呈現隨 HCO3-DIC質量濃度升高 RGR 增加。研究結果

13、表明在富營養水體投加 HCO3- -DIC 有利于苦草生長。 收獲時同步測定的不同處理組苦草最大葉片長度、葉片數、各級分蘗等形態學生長指標測定結果顯示(表 3)， 每株最大葉長在相同營養水平下都是不添加 HCO3-DIC 組最短，表明添加 HCO3-DIC可以促進苦草葉片伸長。而每株葉片數目和 3 級分蘗數， 在不同營養水平和不同 HCO3- -DIC 質量濃度組，均沒有發現明顯的顯著性差異，表明 21 d 實驗僅對苦草生物量和葉長有影響，提示還需要開展長期試驗的研究。 表 2 苦草幼苗培養過程中 DIC 質量濃度的變化 Table 2 Change of DIC concentration

14、during the culture of Vallisneria natans seedling 培養液 Hoagland 稀釋液 3 d 后培養液 15 d 后培養液 (DIC)/(mg L-1) 16.91 10.98 6.27 表 1 HCO3-與 N、P 的正交實驗設計 Table 1 The orthogonal experiment design of HCO3- and N、P 添加 HCO3- -DIC 質量濃度/(mg L-1) N 質量濃度/(mg L-1), NP=27 0.96 (中營養) 1.92 (中富營養) 2.88 (富營養) 3.84 (重富營養) 0 T1

15、 T4 T7 T10 10 T2 T5 T8 T11 20 T3 T6 T9 T12 7.588.599.51010.502468t/dpHT1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T12 圖 1 最后一個換水周期 7 d 內不同處理 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量分數(圖 3)可以看出，中營養水平下，葉綠素質量分數隨HCO3-DIC 質量 濃度 增高 而降低 ，其 中添加HCO3-DIC質量濃度為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)。 重富營養情況下， 高 HCO3- -DIC質量濃度對葉綠素合成有促進作用，但差異不顯著。 該實驗結果表明， 中營養條件下， 較低的 HCO3- -DIC 質量濃度已經可以滿足苦草葉綠素合成， 但是在重富營養條件下， 苦草需要較多的 HCO3- -DIC 來滿足葉綠素合成，緩解營養脅迫的黃化效應。 2.4 HCO3- -DIC 對苦草 POD 的影響 圖 4 顯示，無外加 HCO3-DIC 時，隨營養增高POD 活性逐漸增高， one-way ANOVA 分

17、析, 四個營養 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養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中營養中富營養富營養重富營養w(chl b)/ (mg g-1)00.30.60.91.21.5中營養中富營養富營養重富營養w(chl a)/ (mg g-1)b 03691215中營養中富營養富營養重富營養RGRa a a a

18、 a b b b b b a a a b a b b a b b 012345中營養中富營養富營養重富營養POD活性/(U mg-1)種類減少了 50 種，現有水生植物僅 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%。沉水植物中馬來眼子菜( Potamogeton malaianus)的分布頻度最高，苦草次之17。水質下降是導致水生植物種類不斷減少甚至消失的一個重要原因。而剩余種類沉水植物的存活正是由于它們對富營養現象和 DIC 缺少等環境的適應。 本實驗中隨著營養水平的逐漸增高苦草的抗氧化系統指標 POD 和葉綠素顯示，苦草受到一定脅迫。RGR顯示在無外加 HCO3

19、-DIC 條件下苦草的 RGR 隨營養增加沒有明顯變化，說明營養增高對苦草生理造成一定脅迫和損傷，但對其生長在短期內沒有收到很大影響，表明苦草對富營養水體的適應性很強，這是其在富營養環境中仍能存活的重要原因。 不同沉水植物在富營養湖泊中的頻度與它們對不同形態 DIC 利用情況和競爭能力也密切相關。不同含量 CO2對伊樂藻(Elodea Canadensis)和水馬齒(Callitriche cophocarpa)生長的影響研究顯示，CO2濃度高時兩種植物單位組織氮的增長率都有所增高，但水馬齒對 CO2的需求大于伊樂藻18。由于對CO2的需求多水馬齒在富營養湖泊中的競爭力會相對減弱。 湖泊中輪葉

20、黑藻對 HCO3- -DIC 的競爭能力比微齒眼子菜強19，這也與西太湖中輪葉黑藻數量大于微齒眼子菜的情況相一致17。可見對湖泊主要形態 DIC 競爭力強的沉水植物在沉水植物的退化中得以存留并成為優勢種。 富營養湖泊中沉水植物利用 HCO3- -DIC 使水中無機碳減少。Marcel S.等人的實驗測得有微齒眼子菜(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。本實驗中苦草幼苗在 15 d 培養過程中

21、使培養液DIC從16.91 mg L-1下降到6.27 mg L-1，與其研究結果相符。由于沉水植物利用和藻類競爭造成富營養水體 DIC 下降， 因此向水體添加 HCO3- -DIC 有利于沉水植物修復。J.IWANJONES 等模擬天然湖泊向水體添加 HCO3-和硝氮、伊樂藻(Elodea nuttallii)和其他各種水生生物，2 a 的實驗證明在其實驗條件下低 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。而在本實驗中苦草的 RGR、葉綠素、POD 隨營養水平和 HCO3-DIC的變化進一步證明苦草可以利用

22、 HCO3- -DIC， 而且增加 HCO3- -DIC 加入可以促進植物生長， 減緩富營養脅迫。 4 結論 （1）苦草生長使水中 pH 逐漸升高，游離 CO2含量被 HCO3- -DIC 取代， 苦草仍能生長， 進一步說明苦草可以利用 HCO3- -DIC。 （2）相同營養水平下，HCO3- -DIC 質量濃度升高有利于提高苦草的RGR和對營養物質的利用率。 （3）在無外加 HCO3- -DIC 情況下，營養增高對苦草產生脅迫作用。 相同營養水平下 POD 含量隨 HCO3- -DIC 增加而降低， HCO3- -DIC 對富營養脅迫產生了緩解作用，降低了苦草體內過氧化物的含量。 參考文獻：

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