營養液中的臭氧對番茄根系生理指標的影響

摘要：在對循環營養液進行滅菌時，臭氧表現出較好的殺滅效果。為了探明臭氧在對營養液殺菌的同時是否會對植物根系產生傷害，試驗以溫室中基質栽培的番茄（Solanum lycopersicum L.）為研究對象，比較了3種不同濃度（0、2.0、4.0 mg/L）臭氧營養液澆灌對番茄幼苗期、開花期和結果期根系生理指標丙二醛（MDA）含量及超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）活性的影響。結果顯示，2 mg/L的臭氧營養液使番茄幼苗期根系SOD活性較對照下降，開花期CAT活性和結果期SOD活性較對照均上升，結果期根系MDA含量較對照顯著升高；4 mg/L的臭氧營養液較2 mg/L處理的MDA含量顯著降低，表明2 mg/L處理有助于番茄根系抵抗臭氧脅迫的傷害；4 mg/L處理會使結果期番茄根系膜脂過氧化系統遭到破壞，打破了番茄自身可以承受的調控范圍。因此，4 mg/L的臭氧營養液對結果期番茄的生長產生了不利影響。試驗條件下，營養液中的臭氧安全濃度在2～4 mg/L。

關鍵詞：番茄（Solanum lycopersicum L.）；臭氧營養液；根系；生理指標

中圖分類號：S641.2+7 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）20-5271-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.20.026

Abstract： During the sterilization of the circulating nutrient solution， ozone showed a good killing effect. To explore if the ozone would harm the plant roots while sterilizing the nutrient solution， tomato（Solanum lycopersicum L.） in soilless culture greenhouse was irrigated by three different concentration（0， 2.0 mg/L， 4.0 mg/L） of ozone nutrient solution. The root physiological indexes including MDA content， SOD， POD and CAT activity was tested during seedling stage， flowering stage and fruiting stage. The results showed that compared with control， in the 2 mg/L ozone nutrient solution treatment， SOD activity decreased during seedling stage； while of CAT activity during flowering stage and SOD activity during fruiting stage increased； and the content of MDA increased significantly. Of 4 mg/L ozone nutrient solution treatment， MDA content decreased significantly compared with 2 mg/L ozone nutrient solution treatment. The results indicated that 2 mg/L ozone nutrient solution could help the root of tomato to resist the damage of ozone stress. 4 mg/L ozone nutrient solution treatment could damage the root membrane lipid peroxidation system， and break the regulation range of tomato itself. Therefore， 4 mg/L ozone nutrient solution had a negative impact to the growth of tomato. It should be considered that the safe ozone concentrations in the nutrient solution be 2 to 4 mg/L.

Key words： tomato（Solanum lycopersicum L.）； ozone nutrient solution； root system； physiological indexes

臭氧具有極強的氧化性，屬于高效消毒劑[1]，同時又極易分解為氧氣，消毒后不會對環境造成二次污染，因此是理想的綠色消毒劑[2，3]，被廣泛應用于水處理、空氣消毒、醫療保健、果蔬保鮮、水產養殖等領域[4-7]。關于臭氧的基礎研究較多[8-11]，而對臭氧應用于農業生產領域的研究，是隨著封閉式無土栽培的發展在20世紀80年代末開始的[12，13]，研究表明，采用臭氧進行營養液消毒、設施病害防治、基質和土壤消毒等方面已產生出相當的效果，具有一定的應用前景[14-17]。喻景權等[18]用臭氧對營養液中的番茄（Solanum lycopersicum L.）青枯病菌（Pseudomanas solanacearum Smith）及枯萎病菌（Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici Snyder et Hansen）孢子進行了殺滅試驗，結果表明，通入臭氧氣體（10 L/min）處理45 min后，青枯病菌數量降低50%左右，90 min后則完全殺滅；而殺滅50%番茄枯萎病菌所需時間為60 min，要使全部孢子死亡所需時間則為120 min。宋衛堂等[19]利用臭氧殺滅循環營養液中黃瓜枯萎病[Fusarium oxysporum（Schl.）f. sp cucumerinum Owen]、番茄枯萎病和十字花科蔬菜軟腐菌（Erwinia carotovora pv. carotovora Dye）3種土傳病原菌，結果當臭氧濃度為0.6 mg/L、接觸時間5 min時，病原菌殺滅率接近100%。徐燕等[20]采用產氣量為4 L/h的臭氧發生器處理已經循環使用15 d的營養液，結果通入臭氧5、10、15、20 min后，對其中真菌的殺滅率分別為56.3%、76.5%、85.2%、92.4%；通入臭氧10 min后，對細菌的殺滅率達到90%以上。目前，向營養液中通入臭氧氣體進行營養液消毒已經在實際生產中得到運用，但是營養液消毒后會殘留臭氧，如果用此臭氧營養液直接澆灌植物，是否會對其產生傷害，這個問題尚未見研究報道。鑒于此，試驗在澆灌不同濃度臭氧營養液的條件下，通過檢測番茄根系生理指標的變化，明確不同濃度臭氧營養液對番茄生長的影響，以期為在生產中利用臭氧進行營養液和基質消毒提供理論依據。

1 材料與方法

試驗分別于2015年3～5月在中國農業大學水利與土木工程學院（北京市海淀區清華東路）、7～10月在中國農業大學上莊試驗站（北京市海淀區上莊鎮辛力屯村）實施。營養液采用改進的山崎配方進行配制，其中大量元素濃度分別為NO3- 84 mg/L、NH4+ 7 mg/L、P 19.5 mg/L、K 124 mg/L、S 16 mg/L、Ca 40 mg/L、Mg 12 mg/L；微量元素濃度分別為Fe 2 mg/L、Mn 0.2 mg/L、Zn 0.02 mg/L、Cu 0.01 mg/L、B 0.2 mg/L、Mo 0.005 mg/L。栽培基質為草炭∶蛭石∶珍珠巖=1∶1∶1（體積比）。番茄品種為浙粉702（S. lycopersicum cv. Zhejiang powder 702）。育苗期為20 d，育苗期結束后，選取大小長勢相同的番茄幼苗作為試驗用番茄苗，定植于用PVC（200 m× 6.0 m）制成的栽培槽中，株距25 cm，行距80 cm，共種植3行。

1.1 臭氧營養液的制備

試驗裝置見圖1，主要由氧氣罐、KT-0Z-10G臭氧發生器（上海康特環保科技發展有限公司，功率180 W，臭氧濃度30～35 g/m3，臭氧產量10 g/h）、20QY-1不銹鋼自吸式臭氧水氣液混合泵（杭州南方特種泵業有限公司）、Q45/H64臭氧濃度檢測儀（美國ATI公司，量程為0～20 mg/L）等組成。其中氧氣罐為臭氧發生器提供氣源，可通過調節氣體流量計調節出口流量；臭氧水氣液混合泵將儲液桶內裝的營養液與臭氧發生器產生的臭氧氣體混合，形成一定濃度的臭氧營養液；通過臭氧濃度探測儀的檢測來控制儲液桶中臭氧營養液的臭氧濃度。

1.2 方法

1.2.1 臭氧營養液澆灌試驗 試驗設3個處理，每一行一個處理；對照澆灌標準營養液，臭氧濃度處理分別為2.0（D1）、4.0（D2） mg/L，使用儲液桶澆灌，每個栽培行均勻澆灌10 L臭氧營養液或標準營養液（CK），澆灌周期為每隔3 d 1次，澆灌時間為每個處理日的16∶00。由于溫室內日間溫度較高，水分蒸發量比較大，因此會根據需要對各處理同時以滴灌方式補充水和營養液。

1.2.2 生理指標的測定 于定植后15 d番茄幼苗期、30 d番茄開花期、45 d番茄結果期分別隨機取根部樣品，進行根系生理指標的測定；丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法[21]測定，超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍四唑法[21]測定，過氧化物酶（POD）活性采用愈創木酚法[21]測定，過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外吸收法[21]測定。定植后80 d收獲果實，統計各處理產量。

1.3 數據處理

試驗所得數據采用Microsoft Office Excel 2003軟件處理，并用其做圖；在SPSS 20.0軟件環境下進行方差分析和顯著性測驗。

2 結果與分析

2.1 不同濃度臭氧營養液對番茄生長的影響

在定植80 d后收獲番茄果實，比較各處理的產量（各取3個穗），結果對照的產量為（1 789.00±159.84） g/株，臭氧營養液2 mg/L處理為（1 663.63±98.12） g/株、臭氧營養液4 mg/L處理為（1 620.40±167.23） g/株，3個處理之間的單株產量差異都不顯著（P>0.05），并且在整個生長過程中3個處理的植株都沒有出現明顯的萎蔫、干枯或病斑等情況。

2.2 不同濃度臭氧營養液對番茄根系不同生長期生理指標的影響

不同濃度臭氧營養液對番茄根系不同生長期生理指標的影響情況見圖2。從圖2可見，不同濃度臭氧營養液對番茄根系不同生長期的抗氧化酶活性以及MDA含量影響不同（圖2-A、圖2-B、圖2-C、圖2-D）。2、4 mg/L處理的臭氧營養液對番茄幼苗期、開花期以及結果期的POD、CAT活性產生了一定的影響（圖2-C、圖2-D），但差異均不顯著 （P>0.05），這與鄭亮[22]和李艷芬[23]的部分研究結果臭氧營養液處理的CAT活性與對照相比沒有顯著變化相似，可能是與CAT清除H2O2的效率有關；臭氧營養液處理的POD活性與前人的研究成果出現差異，這可能與植物根部和葉片內POD自身還原性強弱存在差異有關。在SOD活性方面（圖2-B），番茄幼苗期2 mg/L處理的活性顯著低于其余各處理（P<0.05），在其他時期差異不顯著（P>0.05），說明幼苗期番茄并未產生逆境脅迫響應；4 mg/L處理較 2 mg/L處理的SOD活性出現了顯著上升（P<0.05），表明4 mg/L的臭氧營養液處理能誘導番茄幼苗期根系SOD活性的提高，從而顯著提高番茄根系的抗氧化能力。在MDA含量方面（圖2-A），番茄結果期2 mg/L處理的根系含量較對照出現了顯著上升（P<0.05），但4 mg/L處理較2 mg/L處理的MDA含量出現了顯著下降（P<0.05），表明結果期番茄根系對臭氧較為敏感，4 mg/L臭氧營養液處理打破了番茄自身可以承受的調控范圍，使結果期番茄根系膜脂過氧化系統受到了破壞。

2.3 相同濃度臭氧營養液對番茄根系不同生長期生理指標的相對影響

由于植物自身在不同生長時期的抗氧化酶和MDA含量會存在差異，為了消除采用絕對值進行比較的缺點，定義了一個相對值β，并通過β來判斷臭氧營養液對番茄生長的影響。

β=（處理的對應指標-對照的對應指標）/對照的對應指標×100%，

若β為正值，說明處理的生理指標高于同期對照；若β為負值，說明處理的生理指標低于同期對照。β的值越大，說明處理與對照的差異越大，即臭氧處理產生的影響越大。

相同濃度臭氧營養液對番茄根系不同生長期生理指標的相對影響情況分別見圖3、圖4。從圖3、圖4可見，在同一濃度臭氧營養液處理下，番茄根系在不同生長時期的抗氧化酶相對活性和MDA相對含量方面出現了不同程度的變化。在2 mg/L臭氧營養液處理下，番茄根系在整個生長過程中的POD相對活性較對照均出現了下降，但差異并不顯著（P>0.05）；在MDA相對含量方面，隨著臭氧營養液處理濃度的增加，番茄根系MDA相對含量在幼苗期、開花期、結果期出現了遞增，結果期較幼苗期和開花期出現了顯著上升（P<0.05），說明膜脂過氧化產物在番茄根部產生了積累；在SOD相對活性方面，結果期較幼苗期出現了顯著上升（P<0.05）；在CAT相對活性方面，開花期較幼苗期出現了顯著上升（P<0.05）。在4 mg/L臭氧營養液的處理下，抗氧化酶相對活性和MDA相對含量在番茄各生長時期都未出現顯著性變化（P>0.05）。這個結果反映出2 mg/L的臭氧營養液處理誘導了不同生長時期番茄根系SOD相對活性和CAT相對活性的提高，這有助于番茄抵抗臭氧脅迫的傷害。

3 小結與討論

臭氧本身具有不穩定性，理論上臭氧通過氣孔進入植物細胞后，會在轉化為穩定狀態過程中形成活性氧O2-和H2O2等，活性氧大量積累后會干擾植物細胞中活性氧的產生-清除之間的平衡，降低植物自身活性氧的清除能力，最終會導致膜脂和膜蛋白的損傷，破壞膜結構和功能的穩定性，從而對植物造成傷害[24]。在長期的進化過程中，植物形成了酶促和非酶促兩大類保護系統來保護自身細胞免受活性氧的氧化傷害。SOD、CAT、POD是組成植物體內酶促體系的重要酶類，SOD是氧自由基代謝的第一個酶類，被認為是植物體內氧代謝的關鍵酶，能催化體內超氧陰離子（O2-）歧化反應產生O2和H2O2，從而避免形成對植物更具危害性的OH-[25]。CAT可將SOD作用過程中產生的H2O2轉化為H2O，與SOD協同作用使活性氧維持在較低水平[26]。在植物細胞中分解H2O2的酶有很多，CAT和POD被認為是植物體內保護細胞免受H2O2傷害的主要酶。當機體內活性氧的累積超過正常狀態下CAT、SOD等抗氧化酶能有效控制的范圍時，細胞會增加對這些酶的合成，這些酶的增加以及體內膜保護系統被誘導而加強生理活動是對臭氧等逆境的脅迫響應，抗氧化酶活性增高將有助于植物抵抗臭氧脅迫的危害[27]。MDA作為膜脂過氧化的最終產物，能反映機體內膜脂的過氧化程度，從而間接地反映細胞的損傷程度[28]。

試驗中，臭氧營養液處理的番茄根系抗氧化酶活性及膜脂過氧化產物較對照出現了不同程度的差異。2 mg/L的臭氧營養液處理后，出現了不同結果，在番茄幼苗期，SOD活性較對照出現了顯著下降，說明幼苗期番茄并未產生逆境脅迫響應，也可能是臭氧營養液澆灌過程中，臭氧從營養液中溢出來分解成氧氣，而氧氣對根的促進作用掩蓋了臭氧的脅迫作用所致；在番茄開花期CAT活性和結果期POD活性較幼苗期均出現了上升，番茄根系的抗氧化能力得到了明顯增強；在番茄結果期，MDA的含量較對照出現了顯著性升高，表明結果期番茄根系對2 mg/L的臭氧營養液產生了抵御作用。4 mg/L的臭氧營養液處理后，結果期番茄根系MDA含量較2 mg/L處理出現了顯著降低，這表明4 mg/L的臭氧營養液使結果期番茄根系膜脂過氧化系統受到了破壞，打破了番茄自身可以承受的調控范圍。因此，4 mg/L的臭氧營養液澆灌對結果期的番茄生長會產生不利影響。

綜合番茄根系生理指標的測定結果，2 mg/L濃度的臭氧營養液澆灌后，番茄根系并未表現出可視性的傷害；4 mg/L濃度的臭氧營養液處理后，結果期的番茄根系表現出受到了逆境脅迫的現象。由此可以推測，在試驗條件下，臭氧營養液的安全濃度為2.0～4.0 mg/L。因此，采用適當的臭氧濃度和恰當的栽培模式，利用臭氧對營養液進行消毒是可行的，營養液中殘留的臭氧不會對番茄的生長產生不利影響。

參考文獻：

[1] 余 芳，王小平，易 敏，等.臭氧水對伴放線桿菌的滅活效果觀察[J].中華口腔醫學研究，2009，3（2）：122-126.

[2] 曹志平，陳國康，鄭長英，等.五種甲基溴土壤滅菌替代技術比較研究[J].農業工程學報，2004，20（5）：250-253.

[3] MUJEEBUR R K，WAJID K M. Effects of intermittent ozone exposures on powdery mildew of cucumber[J]. Environmental and Experimental Botany，1999，42（3）：163-171.

[4] 夏志清，楊 君，丁從文.臭氧消毒簡介[J].化學教育，2006，27（10）：7-9.

[5] 胡云峰，陳君然，肖 娟，等.臭氧處理對切分青椒貯藏品質的影響[J].農業工程學報，2012，28（16）：259-263.

[6] 張紅印，馬龍傳，姜 松，等.臭氧結合拮抗酵母對草莓采后灰霉病的控制[J].農業工程學報，2009，25（5）：258-263.

[7] 曹廣斌，賈惠文，蔣樹義，等.循環水養魚系統中臭氧射流混合設備設計與性能測試[J].農業工程學報，2011，27（10）：73-78.

[8] 方 敏，沈月新，方 競，等.臭氧水穩定性的研究[J]食品科學，2002，23（9）：39-43.

[9] 孫淑霞，李路軍.臭氧檢測技術的研究進展[J].科技信息，2011， 23（9）：45-46.

[10] 張芝濤，鮮于澤，宗 旭，等.臭氧溶解理論基礎與實驗研究[J].東北大學學報（自然科學版），2002，23（10）：1016-1019.

[11] 王華然，王 尚，李昀橋，等.臭氧在水中的溶解特性及其影響因素研究[J].中國消毒學雜志，2009，26（5）：481-483.

[12] 王 芳，劉育京，張文福.臭氧水穩定性及殺菌性能的試驗觀察[J].中國消毒學雜志，1999，16（2）：69-73.

[13] RUNIA W T，WANACHTER A. A review of possibilities for disinfection of recirculation water from soilless cultures[J].Acta Horticulture，1995，382：221-229.

[14] 宋衛堂，王 成，侯文龍.紫外線-臭氧組合式營養液消毒機的設計及滅菌性能試驗[J].農業工程學報，2011，27（2）：360-365.

[15] 周真真，鄭建秋，李健強.臭氧對蔬菜土傳病原真菌的抑制作用[J].中國農業大學學報，2009，14（6）：56-60.

[16] 王曉青，曹金娟，鄭建秋，等.臭氧防治植物病害的研究進展[J].中國植保導刊，2011，31（4）：17-19.

[17] 李 毅，李英梅，張淑蓮，等.臭氧對設施蔬菜病蟲害的應用效果[J].農業工程，2012，2（S1）：31-34.

[18] 喻景權，駒田旦.臭氧對培養液中兩種植物病原菌的殺菌效果[J].園藝學報，1998，25（1）：96-98.

[19] 宋衛堂，孫廣明，劉 芬，等.臭氧殺滅循環營養液中三種土傳病原菌的試驗[J].農業工程學報，2007，23（6）：189-193.

[20] 徐 燕，趙春燕.臭氧對無土栽培營養液的消毒作用研究[J].微生物學雜志，2004（6）：60-61.

[21] 蔡慶生.植物生理學實驗[M].北京：中國農業大學出版社，2013.178-186.

[22] 鄭 亮.微/納米氣泡臭氧水防治溫室氣傳病害的研究[D].北京：中國農業大學，2013.

[23] 李艷芬.臭氧水灌溉對蔬菜的生長及相關生理、生化指標的影響[D].廣州：中山大學，2007.

[24] GOSSET D R，MILLHOLLON E P，LUCAS M C. Antioxidant response to NaCl in salttolerant and salt-sensitive cultivars of cotton[J]. Crop Science，1994，34：706-714.

[25] KURAMA E E，FENILLE R C，ROSA V E，et al. Mining the enzymes involved in the detoxification of reactive oxygen species（ROS） in sugarcane[J].Plant Pathology，2002，3：251-259.

[26] MC KERSIE B D，LESHEM Y Y. Stress and stress coping in cultivated plants[J]. Plant Physiol，1996，147：620-624.

[27] MATTERS G L，SCANDALIOS J G. Synthesis of superoxide dismutase in maize leaves in response to O2，SO2，and elevated O[J]. Journal of Experimental Botany，1986，38：842-852.

[28] 列淦文，薛 立，王志云.臭氧脅迫對植物主要生理功能的影響[J].生態學報，2014，34（2）：1-2.