不同濃度養(yǎng)殖廢水對(duì)狐尾藻生長性狀及生理指標(biāo)的影響

唐紅琴，何鐵光，李忠義，韋彩會(huì)，胡鈞銘，俞月鳳，王 瑾，張 野，李婷婷，蒙炎成

(廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，廣西 南寧 530007)

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

挑選廣西柯新源原種豬有限責(zé)任公司養(yǎng)殖場內(nèi)長勢相近的幼嫩狐尾藻為試驗(yàn)材料，將其洗凈后放入塑料杯中培養(yǎng)。同時(shí)采集該公司1、2、3、4、5級(jí)簡易濾池中的養(yǎng)殖廢水作為不同濃度的試驗(yàn)用水，各級(jí)養(yǎng)殖廢水的污染物指標(biāo)詳見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016年9月14日將1～5級(jí)等量的養(yǎng)殖廢水分別倒入相同規(guī)格的PVC桶中(桶高50 cm、直徑60 cm)，每級(jí)廢水各倒入3桶，以做3次重復(fù)試驗(yàn)(分別用I、II、III表示)。扦插預(yù)培養(yǎng)的狐尾藻頂枝部位(約20 cm)入桶中，每桶20株。試驗(yàn)期間觀察、記錄狐尾藻株高、葉片數(shù)及新芽萌發(fā)等情況，分別于9月19日、10月10日、10月24日、11月6日、11月15日和12月6日將狐尾藻撈出瀝干，稱其生物量；并于10月10日、10月24日、11月6日、11月15日和12月6日測量各桶狐尾藻的株高，同時(shí)采集各處理葉樣，測葉綠素、丙二醛(MDA)含量及其超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)的活性。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

采用乙醇丙酮混合法測定狐尾藻葉綠素含量[12]，用硫代巴比妥酸法測丙二醛含量[13]，狐尾藻超氧化物歧化酶和過氧化氫酶的活性參考李合生的方法進(jìn)行測量[14-15]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2003辦公軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析匯總和圖表制作，用DPS6.55分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)狐尾藻生長性狀的影響

2.1.1 對(duì)株高的影響 圖1結(jié)果顯示，不同濃度養(yǎng)殖廢水及對(duì)照組狐尾藻株高均呈現(xiàn)出試驗(yàn)前期迅速增加、后期增長逐漸停止的變化趨勢。從10月10日起到11月6日，各處理狐尾藻植株飆長。其中4級(jí)廢水狐尾藻株高從9.73 cm增加至46.67 cm，日均增長量達(dá)到1.32 cm，增幅最大；3級(jí)廢水株高從10.40 cm增至44.93 cm，日均增長1.23 cm，增幅也非常大；1、2級(jí)廢水株高日均增長分別為1.20、1.19 cm，二者增幅相當(dāng)；5級(jí)廢水株高增長幅度相對(duì)較差，日均增長為1.08 cm；與不同濃度養(yǎng)殖廢水培養(yǎng)的狐尾藻植株長勢相比，對(duì)照組株高增長較為緩慢，其日均增長量僅為0.54 cm。11月6日之后，1～5級(jí)廢水狐尾藻植株增長逐漸趨于停滯，對(duì)照組株高雖有所增加，但日增長量低于0.40 cm，增幅相當(dāng)有限。在12月6日試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，1～5級(jí)廢水狐尾藻株高分別為46.03、51.13、49.33、48.50、45.47 cm，彼此之間差異不顯著(P>0.05)；對(duì)照組株高為30.13 cm，與各級(jí)廢水處理的相比差異非常大(P<0.05)。上述分析表明，狐尾藻能適應(yīng)各級(jí)養(yǎng)殖廢水的富營養(yǎng)化環(huán)境，并從中吸收氮、磷等物質(zhì)，促進(jìn)自身的生長。

表1 各級(jí)養(yǎng)殖廢水污染物指標(biāo)

圖1 不同處理狐尾藻株高變化分析Fig.1 The change analysis of plant height of Myriophyllum spicatum under different treatments

圖2 不同處理狐尾藻生物量變化分析Fig.2 The change analysis of biomass of Myriophyllum spicatum under different treatments

2.1.2 對(duì)植株生物量的影響 圖2可見不同濃度養(yǎng)殖廢水及對(duì)照組狐尾藻生物量在試驗(yàn)期間的動(dòng)態(tài)變化情況。9月19日至10月10日，各處理狐尾藻生物量增加較為緩慢，可能與剛扦插培養(yǎng)有關(guān)，莖節(jié)部生根及根系對(duì)新環(huán)境有個(gè)適應(yīng)過程，因而試驗(yàn)前期狐尾藻長勢較弱。從10月10日起，各試驗(yàn)組狐尾藻均進(jìn)入快速生長的階段，植株分蘗速度快，生物量迅速增加，并于11月6日達(dá)到峰值。其中2級(jí)廢水狐尾藻生物量最高，達(dá)到1451.00 g，日均增加38.72 g，增幅最大；3級(jí)廢水生物量為1336.33 g，其日均增加幅度略低于2級(jí)廢水；5級(jí)廢水生物量相對(duì)較低，為1116.00 g，日均增加32.26 g，也達(dá)到較高的增長水平；1、4級(jí)廢水的生物量日均增幅分別為29.55、29.14 g，彼此差異不顯著(P>0.05)。相比之下，同時(shí)期對(duì)照組狐尾藻生物量增長明顯滯后，到11月6日，其生物量為542.00 g，日均增加量僅12.27 g，顯著低于其他處理(P<0.05)。11月6日之后，狐尾藻葉片逐漸衰老凋零，各處理生物量均出現(xiàn)不同程度的下降。至12月6日，1～5級(jí)廢水狐尾藻生物量分別為1003.00、1112.00、999.33、891.33、955.67 g，2級(jí)廢水的生物量最高，4級(jí)廢水相對(duì)較低，1、3、5級(jí)廢水之間相差不大；對(duì)照組生物量為377.67 g，顯著低于其他處理(P<0.05)。由此可見，狐尾藻在不同濃度養(yǎng)殖廢水中均能正常生長，其根系耐污能力強(qiáng)，同時(shí)養(yǎng)殖廢水能提供大量營養(yǎng)物質(zhì)，有利于狐尾藻快速生長和生物量的迅速積累。

圖3 不同處理狐尾藻葉綠素含量變化分析Fig.3 The change analysis of chlorophyll content of Myriophyllum spicatum under different treatments

2.2 對(duì)狐尾藻生理指標(biāo)的影響

2.2.1 對(duì)葉綠素的影響 試驗(yàn)期間不同處理對(duì)狐尾藻葉綠素含量的影響見圖3，從中可以看到，各級(jí)養(yǎng)殖廢水及對(duì)照組狐尾藻葉綠素含量在試驗(yàn)前期不斷增加，達(dá)到最大值后便逐漸下降，整體上呈開口向下的拋物線趨勢變化。從10月10日起，各試驗(yàn)組狐尾藻均進(jìn)入旺長階段，根莖增粗、葉片增大，葉綠素含量持續(xù)上升，并在11月6日達(dá)到峰值。其中3級(jí)廢水葉綠素含量最高，為2.06 mg/g·FW，1、2、4、5級(jí)廢水分別為1.95、1.89、1.93、1.81 mg/g·FW，對(duì)照組葉綠素含量相對(duì)較低，為1.70 mg/g·FW。11月6日之后，各處理狐尾藻長勢由盛轉(zhuǎn)衰，其葉片逐漸退綠甚至枯黃，因而葉綠素含量不斷下降。到12月6日，3級(jí)養(yǎng)殖廢水葉綠素含量仍然最高，達(dá)到1.73 mg/g·FW，2級(jí)廢水次之，為1.68 mg/g·FW，1、4、5級(jí)廢水葉綠素含量相當(dāng)，都在1.63 mg/g·FW左右，對(duì)照組葉綠素含量僅為1.47 mg/g·FW。可見在整個(gè)試驗(yàn)期間，不同濃度養(yǎng)殖廢水狐尾藻葉綠素含量均顯著高于對(duì)照(P<0.05)，原因在于養(yǎng)殖廢水中含有大量氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，為葉片生長和葉綠素含量的增加提供充足的養(yǎng)分。

2.2.2 對(duì)丙二醛的影響 試驗(yàn)于10月10日、10月24日、11月6日、11月15日及12月6日分別測量各處理狐尾藻葉片丙二醛含量，結(jié)果(圖4)發(fā)現(xiàn)，從10月10日起，不同處理狐尾藻丙二醛含量均呈現(xiàn)出波動(dòng)上升的趨勢。到11月6日，各試驗(yàn)組狐尾藻丙二醛含量表現(xiàn)為：1>2>3>4>5>CK，1級(jí)廢水的丙二醛含量高達(dá)6.87 nmol/g·FW，2、3、4、5級(jí)廢水分別為6.30、5.97、5.43、5.10 nmol/g·FW，對(duì)照組丙二醛含量最低，為4.43 nmol/g·FW，顯著低于其他處理(P<0.05)。說明養(yǎng)殖廢水對(duì)狐尾藻產(chǎn)生脅迫效應(yīng)，且隨著濃度的升高其脅迫程度不斷增加。結(jié)合圖1～2狐尾藻株高和生物量在10月10日至11月6日的增長趨勢可以看出，狐尾藻耐污能力較強(qiáng)，養(yǎng)殖廢水對(duì)其脅迫較輕，基本不影響其生長發(fā)育。11月6日之后，僅有2級(jí)養(yǎng)殖廢水狐尾藻丙二醛含量仍有所升高然后再降低，其他處理均先下降后逐漸趨穩(wěn)。說明狐尾藻已適應(yīng)各級(jí)養(yǎng)殖廢水的環(huán)境，其受到的脅迫基本解除。

圖4 不同處理狐尾藻丙二醛含量變化分析Fig.4 The change analysis of MDA content of Myriophyllum spicatum under different treatments

圖5 不同處理狐尾藻超氧化物歧化酶、過氧化氫酶活性變化分析Fig.5 The change analysis of SOD and CAT activity of Myriophyllum spicatum under different treatments

2.2.3 對(duì)酶活性的影響 不同處理狐尾藻SOD和CAT活性在試驗(yàn)期間的動(dòng)態(tài)變化如圖5所示。從中可以發(fā)現(xiàn)，各級(jí)養(yǎng)殖廢水及對(duì)照組狐尾藻SOD和CAT活性均呈現(xiàn)出先波動(dòng)上升而后下降的變化趨勢。具體來看，1級(jí)廢水狐尾藻SOD活性從10月10日起先降低然后持續(xù)升高，在11月15日達(dá)到最高值，之后出現(xiàn)較明顯的下降，其變幅非常顯著(P<0.05)；3、4、5級(jí)廢水SOD活性先升后降，在11月6日后開始反彈上升，并于11月15日達(dá)到峰值，其變化幅度也相當(dāng)大；2級(jí)廢水SOD活性在10月24日達(dá)到峰值后便呈波動(dòng)下降的態(tài)勢；對(duì)照組SOD活性也表現(xiàn)出先升高后降低的變化過程，但其波動(dòng)幅度相對(duì)較為平緩。與SOD相比，各處理狐尾藻CAT活性也有相似的變化規(guī)律。從10月10日開始，3、5級(jí)廢水狐尾藻CAT活性先不斷升高，在11月6日達(dá)到峰值后便逐漸下降，整體上呈開口向下的拋物線變化；2、4級(jí)廢水及對(duì)照組CAT活性在10月24日至11月6日間變化相對(duì)平穩(wěn)，之后也呈現(xiàn)出先升后降的變化趨勢；1級(jí)廢水CAT活性先略有下降，然后大幅上升，并在11月15日達(dá)到峰值，隨后出現(xiàn)較大幅度的下跌。以上分析表明，與對(duì)照相比，狐尾藻在不同濃度養(yǎng)殖廢水下均能保持較高的酶活性，有助于其維持酶促防御系統(tǒng)的穩(wěn)定，減輕逆境的脅迫。

3 討 論

養(yǎng)殖廢水中含有豐富的總磷、總氮、氨氮等物質(zhì)，對(duì)水生植物產(chǎn)生直接或間接的影響。當(dāng)水體營養(yǎng)條件較低時(shí)易導(dǎo)致供給不足，而營養(yǎng)濃度過高則會(huì)對(duì)植物形成逆境脅迫，進(jìn)而抑制其自身的生長[16]。黑藻在TN濃度≤8 mg·L-1時(shí)植株分枝較快，新根增長多，當(dāng)TN高于16 mg·L-1，其根的生長和凈生物量的增加均受到較明顯的抑制[17]。水體基質(zhì)高濃度的TP影響苦草正常生理活動(dòng)，導(dǎo)致其葉綠素含量和根系活力降低，從而產(chǎn)生毒害作用[18]。此外，水生植物吸收過多的氨氮還會(huì)產(chǎn)生氨害[19]，其中水培菜隨著培養(yǎng)液中氨氮比例的增加，葉片含水率和根長均顯著下降[20]。可見，水體高營養(yǎng)條件是水生植物遭受鹽基脅迫甚至退化消亡的重要因素。水生植物對(duì)水體環(huán)境的適應(yīng)還與其本身對(duì)富營養(yǎng)化物質(zhì)的耐受力有關(guān)，Van等[21]研究表明，相同條件下輪葉黑藻比苦草更能忍耐水體中較高的營養(yǎng)鹽。郭俊秀等[8]、金相燦等[9]的研究也都發(fā)現(xiàn)，與輪葉黑藻相比，狐尾藻在忍受氮、磷脅迫方面更有競爭優(yōu)勢，在高氮、高磷濃度下狐尾藻能正常生長，但相同的營養(yǎng)水平則對(duì)輪葉黑藻產(chǎn)生較大的毒害。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，狐尾藻在各級(jí)養(yǎng)殖廢水中均保持良好的長勢，其株高、生物量及葉綠素含量顯著高于對(duì)照。可見狐尾藻耐污能力強(qiáng)，能適應(yīng)不同濃度的養(yǎng)殖廢水環(huán)境，并從中吸收養(yǎng)分促進(jìn)自身的生長。已有研究表明，水生植物通過根系的氣腔系統(tǒng)不斷釋放氧氣，在根際周圍形成微氧化帶，使植物能夠正常呼吸和生長[22]。在本試驗(yàn)過程中，狐尾藻繁殖速度快，水下假狀莖密布叢生，與莖節(jié)上的須根組成縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)狀根群。因此可推斷正是根莖上發(fā)達(dá)的通氣組織有效改善水體的厭氧環(huán)境，從而使狐尾藻對(duì)各級(jí)養(yǎng)殖廢水具有良好的適應(yīng)性。

水生植物依賴水體生存，對(duì)水質(zhì)環(huán)境變化較為敏感，會(huì)產(chǎn)生不同程度的生理響應(yīng)，特別是在逆境條件下，水生植物細(xì)胞內(nèi)固有的自由基代謝平衡遭到破壞從而引發(fā)膜脂過氧化作用，產(chǎn)生大量的丙二醛[23]。因此，可通過丙二醛含量的高低來表示水體環(huán)境對(duì)植物的脅迫情況。當(dāng)丙二醛含量變化平緩時(shí)，說明水生植物沒有受到脅迫或脅迫較輕；隨著丙二醛含量的迅速上升，可判斷此時(shí)的水體條件對(duì)植物產(chǎn)生明顯的脅迫，并造成細(xì)胞膜系統(tǒng)的損傷，嚴(yán)重的甚至干擾細(xì)胞的呼吸、光合及其他代謝過程，導(dǎo)致植物根活力和葉綠素含量下降[24]。本研究發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)過程中各級(jí)養(yǎng)殖廢水狐尾藻丙二醛含量總體上表現(xiàn)出先波動(dòng)上升然后下降的變化趨勢，且與對(duì)照相比均有所增加。說明試驗(yàn)前中期養(yǎng)殖廢水對(duì)狐尾藻產(chǎn)生脅迫作用，而在后期脅迫基本消失。結(jié)合同時(shí)期各處理狐尾藻葉綠素含量的增長態(tài)勢可以看出，養(yǎng)殖廢水對(duì)狐尾藻的脅迫并沒有嚴(yán)重?fù)p害細(xì)胞質(zhì)膜系統(tǒng)，細(xì)胞體內(nèi)光合等生理活動(dòng)仍能正常進(jìn)行。可見狐尾藻對(duì)養(yǎng)殖水體的脅迫具有較強(qiáng)的忍耐和抵抗機(jī)制，能充分調(diào)動(dòng)自身防御系統(tǒng)保護(hù)細(xì)胞膜的正常結(jié)構(gòu)和功能。SOD 和 CAT是酶促防御系統(tǒng)的重要保護(hù)酶，當(dāng)植物面臨逆境脅迫時(shí)，體內(nèi)酶促防御系統(tǒng)啟動(dòng)，SOD 和 CAT活性上升，有效消除不斷產(chǎn)生的自由基，維持植株組織和細(xì)胞體內(nèi)的代謝平衡[25]。本試驗(yàn)同時(shí)發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照相比，不同濃度養(yǎng)殖廢水SOD 和 CAT活性均有不同程度的增加，且變化趨勢與丙二醛大體吻合。說明試驗(yàn)期間各養(yǎng)殖廢水處理的狐尾藻SOD 和 CAT活性始終處于較高水平，有利于維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，減輕膜脂過氧化的傷害，從而提高狐尾藻對(duì)養(yǎng)殖廢水環(huán)境的適應(yīng)性。

4 結(jié) 論

本研究結(jié)果表明，狐尾藻耐污能力強(qiáng)，適應(yīng)性好，在不同濃度的養(yǎng)殖廢水中均能茁壯成長，是非常理想的去污材料，在禽畜養(yǎng)殖廢水的治理和修復(fù)方面具有良好的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

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