觀賞類水培植物對(duì)鹽離子的吸收動(dòng)力學(xué)

徐諾， 董雪， 任李， 葉明立， 陳梅蘭

(浙江樹人大學(xué) 生物與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310015)

植物正常生長(zhǎng)發(fā)育所需要的營(yíng)養(yǎng)元素有碳(C)、氫(H)、氧(O)、鉀(K)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鈉(Na)等必需元素，它們是植物體內(nèi)有機(jī)結(jié)構(gòu)的組成成分，參與酶促反應(yīng)、能量代謝及生理調(diào)節(jié)。水培植物是以水為介質(zhì)，將花卉直接培養(yǎng)在盛水的容器中，并施以其生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)行栽培，以供室內(nèi)綠化裝飾之用的觀賞類植物[1-2]。水培植物從營(yíng)養(yǎng)液中吸收生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)元素和某些微量元素，同時(shí)，水培植物在生長(zhǎng)過程中也能通過吸收水體中Na、Mg、Ca、K等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，有效利用水體資源，改善水體環(huán)境，促進(jìn)水體生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)[3]。植物營(yíng)養(yǎng)研究往往是在條件相對(duì)一致的環(huán)境下進(jìn)行，且絕大多數(shù)被研究植物對(duì)離子的吸收基本符合離子吸收動(dòng)力學(xué)方程，在植物營(yíng)養(yǎng)研究中應(yīng)用離子動(dòng)力學(xué)技術(shù)，具有重要意義和廣闊前景[4]。隨著耕地面積的減少，傳統(tǒng)的土壤種植模式因存在農(nóng)藥殘留、重金屬污染和病蟲害等問題，逐漸被新型的無土栽培種植形式所替代[5-6]。水培種植節(jié)水節(jié)肥、安全性高、便于自動(dòng)化管理，在培育觀賞類植物領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，是一項(xiàng)在全球范圍內(nèi)日益普遍的現(xiàn)代化種植技術(shù)[7-9]。本實(shí)驗(yàn)利用水培種植技術(shù)，采用離子色譜分離電導(dǎo)檢測(cè)法分析植物培養(yǎng)過程中水體K+、Na+、Ca2+、Mg2+4種鹽離子的含量變化，并對(duì)3種觀賞類水培植物鹽離子的吸收率與時(shí)間進(jìn)行擬合，得到動(dòng)力學(xué)方程，建立離子吸收的動(dòng)態(tài)模型，為植物選種提供依據(jù)，為水培植物營(yíng)養(yǎng)液成分的配制提供理論參考[10-11]，為建立快速、有效篩選和高效培育植物品種的早期指標(biāo)提供動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

選取生長(zhǎng)狀況良好且植株大小相近的水仙花、風(fēng)信子和觀音竹各6株，均購(gòu)自杭州市某花卉市場(chǎng)；地表水樣取自杭州市拱墅區(qū)余杭塘河；實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

ICS-2100 離子色譜儀(帶電導(dǎo)檢測(cè)器)及Chromeleon工作站；分析柱Ion Pac CS12(4 mm×250 mm)；保護(hù)柱Ion Pac CG12(4 mm×50 mm)；超純水機(jī)(TKA-Genpure，美國(guó)Thermo Fisher Scientific公司)。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

分別稱取一定量的試劑用超純水配制成1 000 mg·L-1的Na+、K+、Mg2+、Ca2+4種陽離子的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，在4 ℃保存?zhèn)溆谩Ｊ褂脮r(shí)用超純水分別配制成4種陽離子系列混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別為Na+：1.0、4.0、8.0、16.0、32.0 mg·L-1；K+：1.0、4.0、8.0、16.0、32.0 mg·L-1；Mg2+：1.0、4.0、8.0、16.0、32.0 mg·L-1；Ca2+：1.0、5.0、10.0、20.0、40.0 mg·L-1。

1.3 色譜條件

色譜分離柱為Ion Pac CS12(4 mm×250 mm)，保護(hù)柱為Ion Pac CG12(4 mm×50 mm)；檢測(cè)波長(zhǎng)為275 nm；柱溫為30 ℃；流動(dòng)相為25 mmol·L-1甲基磺酸(MSA)溶液；流速為1.0 mL·min-1；進(jìn)樣量為25 μL。典型色譜圖見圖1。

1—Li+；2—Na+；3—NH4+；4—K+；5—Mg2+；6—Ca2+；7—Sr2+；8—Ba2+。圖1 8種陽離子的色譜

1.4 分析方法

在容積為500 mL的玻璃容器中加入200 mL的地表水樣品，并在水位線處加以標(biāo)記。將3種植物用去離子水清洗干凈，分別放置在容器中，每種水培植物設(shè)置6個(gè)重復(fù)，令植物的根莖完全沒入水樣中，使其充分地吸收水分。然后放置于自然有光的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行培養(yǎng)，每天在同一時(shí)間向容器中補(bǔ)充去離子水至刻度線，以彌補(bǔ)蒸發(fā)和蒸騰的損失量。然后抽取容器中的溶液，分別通過0.45和0.22 μm濾膜后直接進(jìn)行色譜分析。

1.5 數(shù)據(jù)處理

對(duì)每種水培植物每天分析得到的6組數(shù)據(jù)進(jìn)行狄克遜(Dixon)檢驗(yàn)，去掉離群數(shù)據(jù)后計(jì)算平均值，同時(shí)計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2 結(jié)果與分析

2.1 方法學(xué)

分別對(duì)4種陽離子混合標(biāo)準(zhǔn)液按色譜條件進(jìn)樣，得出標(biāo)準(zhǔn)擬合、線性方程(表1)，以3倍的基線噪聲比計(jì)算出檢出限，以10倍的基線噪聲比計(jì)算出定量限。此方法的線性關(guān)系良好(R2≥0.999 1)，檢出限為2.24×10-3～5.85×10-3mg·L-1，定量限為8.07×10-3～1.54×10-2mg·L-1，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差≤3.90%，方法的加標(biāo)回收率≥95%。

表1 方法的回歸方程、相關(guān)系數(shù)及檢出限

2.2 回歸方程顯著性

為了檢驗(yàn)2個(gè)自變量X和Y之間是否有顯著的線性關(guān)系，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸判斷及分析。離子吸收動(dòng)力學(xué)擬合符合冪函數(shù)模型，兩邊取對(duì)數(shù)化成一元線性方程lnY=lnα+βlnX。

以方差分析為基礎(chǔ)來驗(yàn)證總體X與Y是否存在真實(shí)的線性關(guān)系，以回歸平方和(SSR)以及殘差平方和(SSE)為基礎(chǔ)構(gòu)造用于檢驗(yàn)的一個(gè)統(tǒng)計(jì)量F。

2.3 3種水培植物對(duì)Na+的吸收動(dòng)力學(xué)特性

Na+是植物的有益元素之一，適量濃度對(duì)一些植物的生長(zhǎng)發(fā)育具有良好的促進(jìn)作用。植物吸收適量的Na+不僅能提高細(xì)胞原生質(zhì)的親水性，還能改善細(xì)胞的水分狀況，從而促進(jìn)光合作用[12-14]。

圖2看出，水體中的Na+濃度隨時(shí)間的增加而降低。前8 d，風(fēng)信子溶液中Na+的濃度呈大幅度下降，從14.19下降到11.92 mg·L-1；8 d后，風(fēng)信子對(duì)Na+的吸收逐漸趨于平緩，吸收率約為57.44%。觀音竹溶液中Na+的濃度呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)，從20.08下降到14.48 mg·L-1，吸收率約為42.04%。水仙花溶液中Na+的濃度下降幅度最小，從3.93下降到1.71 mg·L-1，吸收率約為75.99%。從吸收率來看，水仙花對(duì)水體中的Na+的吸收利用率最高，其次是風(fēng)信子和觀音竹。3種水培植物對(duì)Na+的吸收利用促進(jìn)了植物的光合作用，維持了植物的正常生長(zhǎng)。

圖2 3種植物水培液中Na+質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化關(guān)系

表2可以看出，3種水培植物對(duì)Na+吸收擬合符合冪函數(shù)模型且擬合效果較好，R2值均在0.878 1以上，證明3種水培植物對(duì)Na+的吸收率擬合分析具有意義；同時(shí)，從R2值可以看出風(fēng)信子和水仙花具有更好的擬合性，分別為0.952 8和0.950 5。風(fēng)信子的回歸方程達(dá)到極顯著水平，水仙花的回歸方程達(dá)到顯著水平，觀音竹的回歸方程無顯著性差異。

表2 Na+吸收擬合方程、相關(guān)系數(shù)以及顯著性檢驗(yàn)參數(shù)

2.4 3種水培植物對(duì)Mg2+的吸收動(dòng)力學(xué)特性

Mg2+在植物光合作用中起重要作用，可促進(jìn)光合膜的垛疊，調(diào)節(jié)光系統(tǒng)激發(fā)能的分配，提高PSⅡ活性、光合作用的原初光能轉(zhuǎn)化效率和光合電子傳遞速率，同時(shí)促進(jìn)光合作用的碳代謝等[15-17]。

風(fēng)信子、水仙花、觀音竹3種植物水培液中Mg2+質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化關(guān)系如圖3所示。水中的Mg2+濃度隨時(shí)間的增加而降低。3種水培植物水體中Mg2+的濃度都大幅度下降。最終對(duì)Mg2+的吸收逐漸降低，最后趨于平緩。從吸收率來看，水仙花對(duì)水體中的Mg2+的吸收利用率(91.27%)最高，其次是風(fēng)信子(62.34%)和觀音竹(36.58%)。3種水培植物對(duì)Mg2+的吸收利用，為植物的光合作用奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖3 3種植物水培液中Mg2+質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化關(guān)系

對(duì)3種水培植物吸收Mg2+的擬合方程、相關(guān)系數(shù)和回歸方程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢測(cè)(表3)。3種水培植物對(duì)Mg2+吸收擬合符合冪函數(shù)模型且擬合效果較好，R2值均在0.868 5以上，證明3種水培植物對(duì)Mg2+的吸收率擬合分析具有意義；同時(shí)，從R2值可以看出水仙花和風(fēng)信子具有更好的擬合性，分別為0.943 6和0.943 5。統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)可知，風(fēng)信子、水仙花和觀音竹的回歸方程均達(dá)到極顯著水平。

表3 Mg2+吸收擬合方程、相關(guān)系數(shù)以及顯著性檢驗(yàn)參數(shù)

2.5 3種水培植物對(duì)Ca2+的吸收動(dòng)力學(xué)特性

Ca2+是生物維持生命狀態(tài)的一種必需的營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)細(xì)胞壁和細(xì)胞內(nèi)的質(zhì)膜系統(tǒng)起到重要的調(diào)控作用,植物根系生長(zhǎng)弱、葉片壞死和卷縮在內(nèi)的病態(tài)都與Ca2+的濃度有關(guān)[18-20]。

風(fēng)信子、水仙花、觀音竹3種植物水培液中Ca2+質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化關(guān)系如圖4所示。水體中的Ca2+濃度隨時(shí)間的增加而降低。風(fēng)信子水體中的Ca2+濃度隨時(shí)間下降幅度最大，從11.19 mg·L-1下降至4.76 mg·L-1。前8 d，觀音竹水體中Ca2+濃度迅速下降，最后逐漸趨于平緩。從吸收率來看，水仙花對(duì)水體中的Ca2+的吸收利用率最好，約為75.99%，其次是風(fēng)信子(57.44%)和觀音竹(42.04%)。

圖4 3種植物水培液中Ca2+質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化關(guān)系

對(duì)3種水培植物吸收Ca2+的擬合方程、相關(guān)系數(shù)和回歸方程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢測(cè)(表4)。3種水培植物對(duì)Ca2+吸收擬合符合冪函數(shù)模型且擬合效果較好，R2值均在0.893 4以上，證明了3種水培植物對(duì)Ca2+的吸收率擬合分析具有意義；同時(shí)，從R2值可以看出風(fēng)信子具有更好的擬合性，為0.962 9。統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)可知，風(fēng)信子、水仙花的回歸方程均達(dá)到極顯著水平；觀音竹的回歸方程達(dá)到顯著水平。

表4 Ca2+吸收擬合方程、相關(guān)系數(shù)以及顯著性檢驗(yàn)參數(shù)

2.6 3種水培植物對(duì)K+的吸收動(dòng)力學(xué)特性

K+是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素之一，K+廣泛分布于植物各組織器官中，是植物體內(nèi)含量最豐富的一價(jià)陽離子。K+不僅有益于植物新陳代謝，且對(duì)許多重要生化基質(zhì)如碳水化合物、蛋白質(zhì)等合成有更廣泛的意義[21-22]。植物體內(nèi)K+濃度往往比其他離子高，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外界環(huán)境中的有效鉀濃度[23-24]。

風(fēng)信子、水仙花、觀音竹3種植物水培液中K+的濃度隨時(shí)間變化關(guān)系如圖5所示。剛采集的水樣中K+濃度為6.98 mg·L-1，風(fēng)信子和水仙花水體中的K+濃度隨時(shí)間先明顯下降再逐漸增加。第2 d測(cè)量水體中的K+含量明顯下降，說明風(fēng)信子和水仙花對(duì)水體中的K+吸收較快。為了保持植物體內(nèi)K+的平衡，細(xì)胞內(nèi)高濃度的K+就會(huì)不斷地釋放出來，同時(shí)K+半徑比Na+大得多，比較容易被植物根系蒸發(fā)的水分子“夾帶”進(jìn)入蒸汽中，蒸汽在冷凝后，溶解于水體中[25]，因此風(fēng)信子和水仙花水體中的K+濃度逐漸增加，但仍保持與植物體內(nèi)K+相近的濃度。觀音竹水體中的K+濃度隨時(shí)間的增加而減少，從1.71 mg·L-1下降至0.48 mg·L-1，最后逐漸趨于平緩。

圖5 3種植物水培液中K+質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化關(guān)系

觀音竹對(duì)K+的吸收擬合符合冪函數(shù)模型且擬合效果較好，y=3.016 2x-0.444，R2為0.829 0，F(xiàn)為162.899 4，P-value為1.86×10-10，F(xiàn)crit為4.413 873。水仙花和風(fēng)信子K+濃度在前2 d吸收較快，起始濃度接近于0，擬合的方程有待進(jìn)一步討論。統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)可知，觀音竹的回歸方程，達(dá)到顯著水平。

3 小結(jié)

觀賞類水培植物能夠較好的吸收利用地表水中鹽離子，水仙花對(duì)Na+、Mg2+、Ca2+吸收利用率最好，其次是風(fēng)信子，最后是觀音竹。

風(fēng)信子和水仙花對(duì)水體中的K+吸收較快，濃度隨時(shí)間先明顯下降再逐漸增加，但仍保持與植物體內(nèi)K+相近的濃度。因此，風(fēng)信子、水仙花與觀音竹對(duì)K+吸收利用的差異有待進(jìn)一步探討。

離子吸收動(dòng)力學(xué)擬合符合冪函數(shù)模型，能較好地定量描述風(fēng)信子、水仙花和觀音竹對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽離子的吸收動(dòng)力學(xué)的變化規(guī)律，經(jīng)統(tǒng)計(jì)檢測(cè)，除了觀音竹吸收Na+的回歸方程無顯著性差異，其余均達(dá)到顯著水平。