富營養化水體中光照對黑藻生長的影響

王素梅,潘偉斌,黃 華

(華南理工大學環境科學與工程學院,廣東廣州 510006)

富營養化水體中光照對黑藻生長的影響

王素梅,潘偉斌,黃 華

(華南理工大學環境科學與工程學院,廣東廣州 510006)

通過模擬實驗研究富營養化水體中光照對黑藻生長的影響,探索適合黑藻生長的光照條件。設置3個日平均光照水平,分別為6284lx、3913lx、3196lx,測定各個光照條件下的黑藻生長指標和抗氧化系統酶活性指標。結果表明:黑藻在3種光照條件下均可存活,且對水質具有較好的處理效果。其中6 284lx、3 913lx這2種光照條件下黑藻的生長指標和抗氧化系統酶活性指標均無顯著差異,但均與3196lx時的這2項指標差異顯著。結果顯示,在3196lx時黑藻所受脅迫最大,生長狀況最差;且推測光照達到一定強度時有可能抑制黑藻的生長。

富營養化;光照;黑藻;沉水植物

種植沉水植物是治理富營養化水體、修復受污染水體的一種有效措施,但沉水植物的生長受到光照、溶氧、營養鹽、溫度、pH等多種環境因素的影響。Ensminger等[1-3]的研究指出,光照對于沉水植物的生長和生理活性具有重要影響。

黑藻是治理富營養化水體的一種重要沉水植物,通過實驗室模擬實驗,研究富營養化水體中光照對黑藻生長的影響,探索適合黑藻生長的光照條件,可為城區富營養化淺水池塘的治理工作提供參考和借鑒。筆者用生長指標(生物量、莖葉干重比、分枝數)和抗氧化系統酶活性指標(超氧化物歧化酶活性(SOD)、過氧化物酶活性(POD))評價黑藻的生長狀況。生長指標可直觀地反映植物的生長情況,因此,定期對生長指標進行記錄,以獲得對植物的生長情況的直觀認識。SOD、POD是植物體內抗氧化系統的2種重要保護酶。當植物遭受逆境以及衰老時,體內活性氧產生與清除的代謝系統發生變化,嚴重時會失調,導致活性氧在體內的過量積累,從而對植物造成傷害。而SOD、POD等抗氧化系統保護酶能有效地阻止O2和H2O2在植物細胞內的累積,使生物自由基的產生和清除維持動態平衡,從而防止自由基毒害[4-5]。因此,可從植物體內保護酶的活性來推斷植物生長所受到的脅迫程度。

1 材料與方法

1.1 材料

實驗供試水體和底泥采自華南理工大學西湖,水質與底泥的化學指標見表1。計算供試水體的修正Carlson營養狀態指數大于70,表明該水體為重富營養化程度[6];黑藻采自廣州市烏涌,植株平均鮮重為0.74g/株,截取長勢良好的植株頂枝10cm用于扦插。

表1 水體及底泥化學指標

1.2 研究方法

用外表覆蓋黑色塑料膜的白色塑料圓桶模擬封閉池塘環境,桶高70cm,直徑40cm。利用水深設置光照梯度,具體方法為:向每個實驗桶中加入底泥10cm,覆建筑細沙2cm,注水至25cm深度,靜置1 d,然后扦插黑藻,再靜置2 d后繼續注水,使水深分別為30cm 、40cm 、55 cm,作為強 、中 、弱光照組 。 每個處理設2個平行。所有試驗桶均放在室外自然光照的地方,接收自然降水。實驗一共持續6周。每天測定 8:00、10:00、12:00、14:00、16:00、18:00 時各實驗桶底泥之上5cm處的光照強度,取其平均值為日平均值,再將各日的平均值進行平均即為實驗期間的日平均光照強度,強、中、弱3個光照強度分別為6 284lx、3913lx、3196lx;每周測定黑藻的SOD、POD;實驗結束時測定植物生物量、分枝數、莖葉干重比等生長指標。

1.3 分析測定方法

水質:TN,過硫酸鉀氧化紫外分光光度法;TP,鉬銻抗分光光度法;COD,快速密閉催化消解法;葉綠素a,乙醇萃取分光光度法[7-8]。底質:有機質,重鉻酸鉀容量法[9];TN、TP,見《水和廢水監測分析方法》[7]。植物酶活性測定方法見《植物生理學實驗指導》[10]。

1.4 數據處理方法

數據采用SPSS和Excel軟件進行處理。

2 結果與討論

2.1 不同光照對黑藻生長指標的影響

實驗結束時各光照條件下黑藻的生物量、分枝數和莖葉干重比見圖1。

葉片是植物進行光合作用的主要場所。弱光照下,植物葉片接收到的光照較少。為了獲得更多的光照,植物生長過程中主要進行莖的生長,因此葉片所占比重較小。葉片少導致植物光合作用較弱,新陳代謝不強,植物體內積累的營養物質較少,表現為植物的生物量(鮮重)和分枝數較少。因此,植物生物量、分枝數和莖葉干重比等生長指標從一定程度上反映了植物的生長狀況。由圖1可見,6284 lx、3913 lx 2個光照水平下黑藻的植物生物量和分枝數均明顯大于3196lx水平時的值(P＜0.05),其莖葉干重比均明顯小于 3 196 lx水平時的值(P＜0.05),即6284lx、3 913 lx 2個光照水平下的生長指標均與3196lx水平時的值存在顯著差異。

沉水植物具有光飽和點,當光照強度高于其光飽和點時,光照強度的增加,不但不會促進植物的生長反而可能會抑制植物的光合作用進而抑制其生長。研究結果顯示6284lx和3913lx時黑藻的生長狀況無顯著性差異,推測可能是由于6284lx高于其光飽和點。

圖1 實驗結束時的黑藻生長指標

從植物生物量、分枝數和莖葉干重比的比較中可見,6284lx和3913lx時植物的生長狀況相近,但均比3196lx時明顯要好。而6284lx的光照強度可能高于黑藻生長的光飽和點。

2.2 光照對黑藻抗氧化系統酶活性的影響

實驗期間各光照條件下黑藻的SOD、POD見圖2(第22天低光照條件(3196lx)下的SOD數據遺失,并非為零)。由于實驗前期數據處理問題,POD數據來自實驗開始22d以后,但基本反映了實驗結果的總體趨勢。

圖2 抗氧化系統酶活性變化

由圖2可見,3種光照處理下黑藻的SOD變化步調基本一致。從總體來看,6284lx時SOD最低,3196lx時SOD最高;6284lx、3913lx 2個光照水平下黑藻的POD并無明顯差異(P＞0.05),但二者的POD一直顯著低于3196lx時的值(P＜0.05)。

在正常條件下,植物體的活性氧產生與清除處于動態平衡。結合光照對黑藻生長指標的影響來看,顯然,相對于中(3913lx)、強(6284lx)光照來說,最低光照組光照3196lx已對黑藻的生長構成一定的脅迫,致使植物體內活性氧等自由基升高,而植物體內的SOD、POD活性也隨之上升以消除過剩的自由基,減緩膜脂過氧化作用,保證植物的正常生長,因而3196lx時兩種酶的活性均高于其他2個水平的光照,其中低光照條件下POD的活性顯著高于6284lx、3913lx時的水平。

因此,SOD和POD的數據均表明,6 284 lx和3913lx時黑藻的生長狀況比較好,而3196lx時的生長狀況最差,受到一定的低光照脅迫。

2.3 不同光照下的水質改善效果

不同光照條件下的水質處理效果見表2。由表2可知,實驗結束時,TN的去除率達到93.79%～95.71%,TP去除率為71.79%～80.77%,葉綠素a的去除率為 86.53%～98.43%,COD的去除率為6.90%～33.51%?？梢?種植黑藻對水體的營養鹽和葉綠素a有顯著的去除作用,而對COD的去除效果不明顯,并且從表2中可以看出3個不同光照條件下黑藻對水質的改善效果都比較理想,但3種光照條件下黑藻對水質的改善效果無明顯差別,即使在弱光照條件下黑藻受到的脅迫最大,也未影響其對水質的改善效果。

表2 不同光照條件下的水質處理效果

3 結 論

綜上所述,在本研究的水質、底質以及氣候條件下,3種光照水平下黑藻都可存活,但是生長情況有差異。從植物生物量、分枝數、莖葉干重比、SOD、POD等指標可以看出,日平均光照3196lx時黑藻所受到的脅迫最大,生長狀況最差。6284lx和3913lx時黑藻的生長狀況無顯著性差異,推測可能是由于6284lx的光照強度已高于其光飽和點,因此,光照強度的增加不再促進其生長。

3個不同光照條件下黑藻對水質的改善效果都比較理想,即使在弱光照條件下黑藻受到的脅迫最大,也并未影響其對水質的改善效果,但是從植被的重建上來看,接近或高于3900lx的2種光照條件更有利于黑藻的生長。因此,以黑藻為先鋒種在富營養化水體重建沉水植被時,控制水底日平均光照強度接近或高于3 900 lx可考慮作為重建沉水植被的初期調控措施。

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[2]HUDON C,LALONDE S,GAGNON P.Ranking the effects of site exposure,plant growth form,water depth,and transparency on aquatic plant biomass[J].Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences,2000,57:31-42.

[3]吳建強,黃沈發,丁玲,等.水生植物水體修復機理及其影響因素[J].水資源保護,2007,23(4):19-22.

[4]王寶山.生物自由基與植物膜傷害[J].植物生理學通訊,1988(2):12-16.

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[6]金相燦.湖泊富營養化調查規范[M].2版.北京:中國環境科學出版社,1990:291-293.

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[10]陳建勛,王曉峰.植物生理學實驗指導[M].2版.廣州:華南理工大學出版社,2002:119-121.

Effect of light on growth of Hydrilla verticillata in eutrophic water

WANG Su-mei,PAN Wei-bin,HUANG Hua
(College of Environmental Science and Engineering,South ChinaUniversity of Technology,Guangzhou 510006,China )

By carrying out a laboratory simulation experiment,the effect of light on the growth and physiology ofHydrilla verticillatain eutrophic water was studied,and a light condition suitable for promotingHydrilla verticillatawas determined.Three light intensity levels,daily mean light intensities of 6284lx,3913lx,and 3196lx,were set,and the growth indexes and antioxidant enzyme activity ofHydrilla verticillatain different light conditions were measured.The results indicated thatHydrilla verticillatasurvived in all three light conditions,and each condition had good treatment effectson the water quality.There was no significant difference between the growth indexes and antioxidant enzyme activity ofHydrilla verticillataat the levels of 6284lx and 3913lx,but both were significantly different from the values at the level of 3196lx.Hydrilla verticillatasuffered stress most severely and thus had the worst growth conditions at the level of 3196lx.Light may inhibit the growth ofHydrilla verticillatawhen it reaches a certain intensity.

eutrophication;light;Hydrilla verticillata;submerged macrophyte

X524

A

1004-6933(2010)02-0053-03

王素梅(1985—),女,江西吉安人,碩士研究生,研究方向為生態工程與環境修復。E-mail:wsm_020@163.com

潘偉斌,高工。E-mail:ppwbpan@scut.edu.cn

(收稿日期:2008-11-04 編輯:徐 娟)