4種挺水植物在高濃度氮磷污染條件下耐受性試驗研究

朱士江，貴樹彪，徐 文，向 鵬，孟 婉，2，朱 瑾，李凱凱

（1.三峽大學水利與環境學院，湖北宜昌443002；2.中國水利水電科學研究院水資源所，北京100000）

0 引言

目前，水體富營養化已成為水污染中一個突出問題［1，2］。水生植物在生長過程中能夠吸收大量的氮（N）、磷（P）［3，4］，利用水生植物及其根系負載生物膜的吸收、吸附和降解作用，并及時收獲植株避免二次污染，是一種簡單易行、成本低廉且極具景觀效應的技術，在污染水體治理中得到了廣泛應用［5，6］。因此，在水體修復工程中，有必要了解水生植物對氮磷耐受性，從而選取適宜的水生植物，提高水生植物成活率，降低物質成本和時間成本。

植物在受到外界脅迫時，細胞內NADPH 氧化酶增加，細胞壁上產生大量有毒的活性氧（ROS），機體內細胞膜脂過氧化作用加劇，此時植物體內代謝平衡被打破，植物自身抗氧化系統酶發揮作用，通過清除體內活性物質來保護植物免受傷害。超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化氫酶（CAT）在植物抵抗ROS傷害時發揮著重要作用［7-9］，丙二醛（MDA）是膜脂過氧化的主要產物之一［10］。氮、磷元素對植物的生長起著非常重要的作用，缺氮處理的黃瓜在短時間內，抗氧化酶SOD、CAT 活性顯著上升，MDA 含量隨著處理時間延長不斷累積［11］；低濃度氮、磷會對植物造成脅迫，植物幼苗在低磷脅迫下生長受到抑制，葉片內葉綠素和可溶性蛋白含量下降，MDA 含量及SOD、CAT 活性升高［12，13］，低氮脅迫下苦蕎也產生了相似的生理響應［14］；同時氮、磷元素水平可調控植物在重金屬脅迫下的抗氧化酶系統，有試驗結果證明增加供磷水平可以提高杉木幼苗細胞內抗氧化酶活性以減輕鋁（Al）脅迫產生的過氧化毒害［8，15］；重金屬處理的種子中施加氮元素能提高種子發芽率、幼苗生長和葉面積［16］；高濃度氮、磷元素會毒害植物甚至導致植物死亡［17］，國內外學者開展了諸多有關水生植物對污染水體氮磷去除效果的研究，但關于水生植物在高濃度氮磷污染加劇條件下的耐受性研究并不完善。

因此，本試驗選取4種常見的挺水植物，人工模擬水體氮磷動態變化條件，在室外開展氮、磷耐受性盆栽試驗，記錄植物在氮、磷元素濃度梯度增長過程中，抗氧化系統酶SOD、CAT 活性及膜脂過氧化產物MDA 含量的變化特征，以此探究4種挺水植物在高濃度氮、磷脅迫下的耐受性，并為高濃度氮、磷富營養化水體治理植物的選擇提供建議。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試植物美人蕉Canna indica、菖蒲Acorus calamus L、香蒲Typha orientalisPresl和蘆葦Phragmites communis［18］采購于湖北省荊州市水生植物培育基地，洗凈根系后在自來水中預培養2周待用。改進Hoagland營養液配方見表1。

表1 改進Hoagland營養液（N、P除外） mg/LTab.1 Improved Hoagland Nutrient Solution（except N and P）

1.2 試驗設計

試驗于2020年8月10日在當陽市泉河水庫管理處開展，試驗周期80 d。選取外形完好、生長一致的植株移栽至試驗盆（高26 cm×底徑31 cm）中，每盆種植1株，盆內加入8 L水，pH值保持在6.0 左右，標記水深刻度線，置入改進Hoagland營養液，以石英砂作固定基質。整個試驗過程在室外自然光照下進行，溫度變化幅度為：14～33 ℃。每種植物設兩個處理，每個處理設置3 個重復，氮源為氯化銨，磷源為磷酸二氫鉀，對照組分別為N、P 元素缺失，每隔10 d 增加水體中N、P 濃度，前期濃度成倍數增加，當N 元素濃度增加至400 mg/L，P 元素濃度增加至100 mg/L 后，后續試驗水體濃度每次升高100 mg/L 直至植物死亡停止試驗，5 d 更換培養液，適時根據蒸騰量補充蒸餾水，最終試驗濃度見表2。

表2 試驗濃度設置 mg/LTab.2 Test concentration setting

1.3 樣品采集與分析

每隔10 d 在同一時間采集植物葉片，測定葉片中丙二醛（MDA）含量、超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化氫酶（CAT）的活性。MDA 測定采用硫代巴比妥酸法，SOD 測定采用氮藍四唑（NBT）光化學還原法［19］，CAT測定采用紫外吸收法［20］。

1.4 數據分析

數據采用Excel 2020 和Origin 2018 軟件進行數據統計與作圖，使用SPSS 25.0軟件進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 4 種挺水植物氨氮耐受性

2.1.1 氨氮濃度對SOD、CAT活性的影響

SOD 是重要的活性氧清除酶，當外來脅迫導致大量活性氧產生時，它能及時有效地清除自由基，保護細胞免受活性氧脅迫的傷害［21，22］。CAT 是抗氧化酶系統的重要組成成分，分解H2O2為O2和H2O，它對細胞內的H2O2分解有重要作用［23］。

圖1所示為4 種挺水植物葉片內SOD、CAT 活性試驗組與對照組的比較，對照組SOD、CAT 活性變化較為平緩，試驗組兩種抗氧化酶活性都隨著氨氮濃度變化呈現出先上升后下降的趨勢。試驗各階段植物SOD 活性上升速率不同，單次增加濃度后酶活性上升速率最快的是香蒲（49.5%），說明香蒲在應對高濃度氨氮時，機體能夠迅速提升SOD 活性來應對脅迫；CAT 活性上升過程相對平緩。SOD 活性最先出現最大值的是菖蒲，美人蕉和蘆葦最后出現最大值，各植物最大值差異顯著。CAT 活性中，香蒲、菖蒲同時最先表現出最大值，美人蕉、蘆葦則在第70 d出現最大值，且美人蕉的CAT活性顯著低于蘆葦。

圖1 植物在高濃度氨氮脅迫下抗氧化系統酶SOD、CAT活性變化Fig.1 Changes in SOD and CAT contents of antioxidant enzymes in plants under high ammonia nitrogen stress

2.1.2 氨氮濃度對MDA含量影響

MDA是膜脂過氧化的重要產物，通常利用它作為膜脂過氧化指標，其含量的變化可反映逆境條件下膜系統受傷害的程度。植物在逆境條件下，往往發生膜質過氧化作用。其中MDA的產生可以表示膜質的過氧化用的程度，MDA含量高低是膜脂過氧化作用強弱的一個重要指標［24］。

圖2所示為4 種挺水植物MDA 含量試驗組與對照組的比較。對照組MDA含量處于一個相對穩定的水平，其中菖蒲葉片內MDA含量顯著高于其他植物對照組。試驗組MDA 含量在圖中呈現出與抗氧化酶SOD、CAT 相似的變化規律，且試驗組最大值顯著高于對照組。試驗各階段植物MDA 含量上升速率不同，蘆葦、美人蕉在受到脅迫后膜脂過氧化產物MDA 的含量隨著氨氮濃度遞增緩慢上升和下降，而香蒲、蘆葦均表現出在前期緩慢上升后迅速達到最大值，然后迅速下降。單次增加氨氮濃度后上升速率最快的是香蒲（74.1%），與該植物葉片中SOD活性表現相同。表明外界高濃度氨氮脅迫加快了MDA產生，植物機體也對此作出反應，提升SOD活性來提高植物的適應力。

圖2 植物在高濃度氨氮脅迫下MDA含量變化Fig.2 Changes of MDA content in plants under high ammonia nitrogen stress

4 種挺水植物MDA 含量在不同時期均有顯著性差異，MDA含量最大值比較：香蒲（2.55 μmol/g，FW）＞菖蒲（2.45 μmol/g，FW）＞美人蕉（2.19 μmol/g，FW）＞蘆葦（2.06 μmol/g，FW），各植物MDA 含量達到最大值時的施加濃度不同，菖蒲、香蒲在施加500 mg/L濃度的氨氮后MDA含量達到了最大值，且前期菖蒲體內MDA含量顯著高于香蒲。美人蕉、蘆葦在施加600 mg/L濃度氨氮后MDA 含量達到最大值，且除最后一次濃度更換外，其余階段美人蕉均高于蘆葦。

2.2 4種挺水植物磷耐受性

2.2.1 磷濃度對SOD、CAT活性的影響

圖3顯示，試驗組各挺水植物體內SOD、CAT 活性都表現出先升后降的趨勢，缺磷對照組表現較為平穩。在初期施加濃度為2 mg/L 的磷培液后，試驗組SOD、CAT 活性均低于對照組；試驗組植物SOD 活性在濃度為10、25 mg/L 時，除菖蒲外，其余均低于對照組；CAT 活性則在25 mg/L 時，除蘆葦外，其余均高于對照組。其可能原因是缺磷對照組植物受到了低磷脅迫。隨著磷濃度逐漸升高，菖蒲SOD 活性表現出顯著差異，其活性在施加200 mg/L 的磷培液后達到最大值，美人蕉、香蒲、蘆葦則在施加300 mg/L 濃度磷培液達到最大值，此時各植物體受到高磷脅迫的嚴重毒害，根系組織受到損傷，SOD 活性開始迅速下降。

2.2.2 磷濃度對MDA含量影響

圖4 顯示，4 種植物在2 mg/L 的磷培液中MDA 含量低于缺磷對照組，此時對照組各植物受到低磷脅迫，這與圖3中SOD活性對比結果相同。試驗組除美人蕉外，其余挺水植物體內MDA含量都表現出先升后降的趨勢，缺磷對照組MDA 含量較為平穩，菖蒲的MDA 含量與其他3 種植物存在顯著差異，在更換300 mg/L 磷培液后達到的峰值（2.79 μmol/g，FW）顯著高于香蒲（2.14 μmol/g，FW）和蘆葦（2.11 μmol/g，FW）。美人蕉在整個試驗中，MDA 含量一直處于上升狀態，該植物體內SOD 酶活性在300 mg/L 濃度磷培液處理后已經達到最大值，出現這種現象的原因可能是美人蕉對高磷的耐受性更強，植物組織未完全被毒害，細胞的膜脂過氧化作用還在繼續發生，加之抗氧化防御系統中的SOD酶活性下降，導致MDA積累量持續上升。

圖3 植物在高濃度磷脅迫下抗氧化系統酶SOD、CAT活性變化Fig.3 Changes in SOD and CAT contents of antioxidant enzymes in plants under high phosphorus concentration stress

圖4 植物在高濃度磷脅迫下MDA含量變化Fig.4 Changes of MDA content in plants under high phosphorus stress

2.3 美人蕉、蘆葦在連續增加氮、磷脅迫下生理指標的相關性

選擇耐受性表現較好的美人蕉、蘆葦進行氮磷脅迫過程中SOD、CAT 活性和MDA 含量的相關性分析，表3、4 顯示，美人蕉和蘆葦葉片內MDA 含量與SOD、CAT 活性呈極顯著正相關（p＜0.01）。即當氮磷濃度持續上升，細胞膜脂過氧化程度加強，過氧化產物MDA 含量增加；高氮、磷脅迫使SOD、CAT 活性增強，植物體清除活性氧自由基的能力增強，有利于緩解細胞膜遭受的損傷，降低MDA 含量，但無法完全清除脅迫后增加的活性自由基［25，26］。

表3 美人蕉在氮、磷脅迫下生理指標相關性分析Tab.3 Correlation analysis of physiological indexes of Canna under N and P stress

表4 蘆葦在氮、磷脅迫下生理指標相關性分析Tab.4 Correlation analysis of physiological indexes of reed under N and P stress

3 討論與結論

正常代謝中植物自身的抗氧化系統可以控制活性氧（ROS）含量保持在正常范圍內，當植物受到外界脅迫時，清除系統無法及時清除多余的ROS，累積的ROS 會對植物造成傷害［24］。本試驗結果表明，高濃度氮、磷脅迫會對植物的抗氧化酶系統以及膜脂過氧化產物MDA 產生明顯的影響。4 種挺水植物葉片內MDA 積累量隨著氮、磷濃度增加先上升后降低且與缺氮、磷對照組呈現顯著差異，這與彭博等［27］在研究鈣脅迫對狹葉香蒲的生理影響結果一致。抗氧化系統酶SOD、CAT 活性變化規律與MDA含量變化相似。其原因可能是培養液中氮、磷濃度持續增加，使植物受到氮、磷脅迫逐漸加重，植物體內細胞膜脂過氧化加劇，抗氧化酶系統為抵抗逆境脅迫，SOD 活性先增加，將高濃度氮、磷脅迫產生的超氧陰離子歧化成H2O2，H2O2與超氧陰離子共同作用會繼續對植物細胞造成氧化傷害。CAT 及其他抗氧化酶活性增加將H2O2脫毒分解成H2O 和O2，從而清除掉細胞膜脂過氧化產物，從一定程度減緩高濃度氮、磷對植物的脅迫，提高了植物的耐受性。但植物保護酶系統對植物的保護是有限度的，當氮、磷濃度超過植物體耐受閾值，酶結構被破壞或酶表達被抑制，使得酶活性下降。

4 種挺水植物在高濃氮、磷脅迫試驗中表現出不同的耐受性。在試驗周期內，菖蒲、香蒲對20～400 mg/L，美人蕉、蘆葦對20～500 mg/L 之間的氨氮濃度表現出較穩定的耐受性，菖蒲對2～200 mg/L，美人蕉、蘆葦和香蒲對2～300 mg/L 之間的磷濃度表現出較穩定的耐受性。氨氮耐受性試驗中，美人蕉、香蒲和蘆葦試驗組SOD 活性在第一次取樣時均顯著低于缺氮對照組，其可能原因是對照組缺乏氮元素，植物受到脅迫，植物體內的SOD 活性上升；但在增加氨氮濃度到50 mg/L 后，三種植物受到的高濃度氨氮脅迫作用超過缺氮脅迫，SOD 活性逐漸超過對照組。在磷耐受性試驗中，試驗組SOD、CAT 活性在施加2 mg/L 的磷培液時均低于對照組；SOD 活性在10、25 mg/L 時，除菖蒲外，其余均低于對照組；CAT 活性則在25 mg/L 時，除蘆葦外，其余均高于對照組。其可能原因是照組缺乏磷元素，植物受到低磷脅迫，導致植物體內的SOD、CAT 活性上升。4 種挺水植物對富營養化水體氮、磷元素的去除效果不同，根據楊子堯等［28］研究結果表明，4 種植物對磷濃度9.4 mg/L 的生活污水去除效果，菖蒲效果最好，美人蕉最差；對氨氮濃度為15.6 mg/L的污水，去除效果為：蘆葦＞香蒲＞美人蕉＞菖蒲，這表明在耐受范圍內，不同植物去除氮磷效果也存在差異。因此在處理高濃度氮、磷元素的污染水體時，既要考慮植物的耐受性，也要考慮植物對氮、磷元素去除效果［29］。

除了脅迫濃度，脅迫時間也可能會影響抗氧化系統酶活性。當外界脅迫超出植物耐受范圍，抗氧化酶防御系統就會受到損傷，抗氧化酶活性即會持續下降，也就是說，當脅迫濃度或脅迫時間未達到耐受閾值時，酶活性會受外界刺激而上升，一旦超過耐受閾值，酶活性則會持續下降。本次試驗是人工模擬連續高濃度氮磷污染條件，不同脅迫時間下植物耐受性還需要進一步探究。

4 結論

（1）隨著氮、磷濃度增大，4 種挺水植物SOD、CAT 活性及MDA 含量逐漸升高，當氮磷濃度超出植物耐受范圍，SOD、CAT活性及MDA含量開始下降。

（2）4 種挺水植物氨氮耐受范圍：菖蒲、香蒲：20～400 mg/L，美人蕉、蘆葦：20～500 mg/L。

（3）4 種挺水植物磷耐受范圍：菖蒲：2～200 mg/L，美人蕉、蘆葦和香蒲：2～300 mg/L。

（4）耐受性表現較好的美人蕉、蘆葦在連續高濃度氮、磷脅迫時葉片內MDA 含量與SOD、CAT 活性呈極顯著正相關（p＜0.01）。□