底泥氧化还原环境对苦草(Vallisnerianatans)生理生态及重金属元素摄取的影响

芮胜阳，吴 娟，崔娜欣，李 柱，孔令为，成水平

(同济大学长江水环境教育部重点实验室，上海 200092)

底泥氧化还原环境对苦草(Vallisnerianatans)生理生态及重金属元素摄取的影响

芮胜阳，吴 娟，崔娜欣，李 柱，孔令为，成水平①

(同济大学长江水环境教育部重点实验室，上海 200092)

有机物降解消耗溶解氧导致的底泥厌氧环境会显著影响水生植物的生长和水生植物对某些重金属的吸收。在模拟底泥厌氧条件下，以苦草(Vallisnerianatans)为研究对象，研究了受重金属污染底泥在厌氧条件下对苦草的胁迫作用，以及对苦草吸收重金属的影响。结果表明：重金属污染底泥在厌氧条件下会降低苦草叶绿素含量、可溶性蛋白含量和过氧化物酶活性，提高可溶性糖含量，但一定程度的厌氧环境则会促进植物生物量的积累，同时增加苦草对Cr、Ni、Pb和Cu的吸收。厌氧条件下苦草地上部分Cr、Ni、Pb和Cu含量分别是非厌氧条件下的2.2、5.4、3.0和1.5倍；与之相反，底泥厌氧环境不利于植物吸收Zn，厌氧环境下苦草地上部和根系Zn含量只有非厌氧环境下的64%和81%。底泥的厌氧环境会影响沉水植物对底泥重金属的吸收量，这种影响因重金属元素种类不同而有所差异。

沉水植物；底泥厌氧环境；重金属污染；植物吸收

由于污染物排放和雨水的冲刷、淋溶等作用,重金属污染物进入河道并最终沉淀进入底泥,使得河道底泥成为重金属污染的“蓄积库”[1]。目前,我国城市河道底泥重金属污染严重,影响了河水水质以及水生动植物的生存,同时也对人类健康造成严重威胁。在富营养化水体中,底泥有机质的积累和随之发生的化学-生物矿化过程消耗了氧气,改变了底泥中电子供体和受体的生物地球化学形态和行为,从而对重金属的生物可利用性以及分布产生影响[2]。水生植物,特别是沉水植物根系生长的底质环境一般为低氧或厌氧状态,根系释放的氧气对底质环境的影响就显得尤为重要[3]。

植物修复技术将植物作为 “太阳能驱动泵”,从环境中提取重金属 ,是一种低成本、环境影响小的原位处理方法,因其适应性广和环境友好的特性在过去20 a内得到了越来越多的重视。沉水植物原位修复重金属污染底泥在理论上具备可行性,但底泥的理化环境特别是氧化还原条件会显著影响植物的生理生态状况和重金属的生物可利用性,从而改变植物修复效果,目前这方面的相关研究还鲜有报道。

苦草(Vallisnerianatans)为多年生无茎沉水草本植物,具有生态适应性广、繁殖速度快和耐污性强的特性,被广泛应用于污染水体和污染底泥的生态修复中[4]。笔者通过模拟底泥厌氧环境,分析重金属污染底泥在厌氧条件下对沉水植物的胁迫作用,以及对植物吸收重金属效果的影响,以期为重金属污染底泥的植物修复提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验所用苦草购自上海泽龙生物工程有限公司,株高为(10±0.6) cm,鲜重为(2.21±0.13) g。底泥采自合肥市塘西河,过2 mm孔径筛。实验前用减重法测定底泥质量含水率。分别向底泥中添加ZnCl2、CuSO4、Pb(NO3)2、K2Cr2O7和NiSO4·7H2O,使底泥中w(Zn)、w(Cu)、w(Pb)、w(Cr)和w(Ni)分别为300、300、350、500和250 mg·kg-1。

1.2 实验方法

实验在塘西河污水处理厂温室内进行。采用向底泥中添加蔗糖的方式模拟底泥厌氧环境,向10个32.5 cm×21.5 cm×11.8 cm的塑料盒内分别倒入20 mL混合有蔗糖(干底泥中蔗糖加入量为6.0 g·kg-1)的w为2%的热琼脂溶液,使其平铺盒底并静置凝固,未加入蔗糖的另外10个塑料盒为空白组。在琼脂凝胶上装入7 cm厚(3.3 kg干底泥)的处理过污泥,在底泥3.5 cm深度处水平安置间隙水采样器(Rhizon MOM,荷兰)用于采集间隙水。为阻止底泥中重金属进入上覆水,再平铺1 cm厚的未加重金属的底泥。随机选出加入蔗糖的厌氧处理组和未加入蔗糖的空白组各5个塑料盒,每盒种12株苦草,其余10盒作为未种植物的对照。将上述塑料盒分别置于4个10 m×10 m×10 m水池的中心和四角,然后再向水池中加水至80 cm深。实验时间为2015年7月14日—9月16日,周期为64 d的实验过程中水温为(26.3±2.1) ℃。9月16日中午12:00 测量水池表面光照水平,4个水池的光照水平为(5 109±302) lx。

实验结束时收获苦草植株,清洗掉底泥和其他杂质并用去离子水润洗,用吸水纸擦干植物表面水分,分离根系和地上部分。随机取部分叶片测定苦草叶片的叶绿素含量、过氧化物酶(POD)活性、可溶性蛋白含量和可溶性糖含量,剩余植物组织于80 ℃ 烘干至恒重,称量干重。叶绿素的测定采用体积比为1∶1的乙醇+丙酮溶液提取法:取0.10～0.20 g植物组织鲜样,剪碎后用15 mL乙醇丙酮溶液在35 ℃条件下提取24 h,然后在波长665、649和470 nm下测定叶绿素提取液的光密度,公式为:

CA=0.015×(13.95×D665-6.88×D649)/m，

(1)

CB=0.015×(24.96×D649-7.32×D665)/m，

(2)

CH=0.015×(1 000×D470-2.05×CA-114.8×CB)/(245×m)。

(3)

式(1)～(3)中,CA为苦草叶片叶绿素a含量,mg·g-1;D665、D649和D470分别为叶绿素提取液在665、649和470 nm波长下的光密度;m为苦草叶片采样量,g;CB为苦草叶片叶绿素b含量,mg·g-1;CH为苦草叶片类胡萝卜素含量,mg·g-1。

采用考马斯亮蓝G-250染色法测定可溶性蛋白含量[5],采用蒽酮法测定可溶性糖含量[6],采用愈创木酚法测定POD活性[7]。

将烘干后的植物地上部分和根系粉碎后过76 μm孔径筛,植物样品采用浓HNO3和HClO4消解[8],将消解后的澄清液体定容和过滤后用电感耦合等离子发射光谱仪(Agilent 720ES)测定重金属含量。

1.3 数据处理

测定结果用SPSS 22.0软件进行统计分析,以时间和厌氧条件对底泥间隙水pH值和氧化还原电位(ORP)进行双因素方差分析(two-way ANOVA),而对植物生长情况、生理生化特征和吸收重金属的数据进行单因素方差分析(one-way ANOVA)。

2 结果与讨论

2.1 底泥间隙水理化性质的变化

通过对底泥厌氧条件的模拟发现,在整个实验过程中厌氧组底泥间隙水pH值和ORP均低于空白组,其中pH平均值比空白组低0.61,而ORP平均值比空白组低133.02 mV(P<0.01)(图1)。表明通过向底泥中添加蔗糖模拟底泥厌氧环境的方法是可行的。

2.2 植物的生长情况

厌氧组苦草平均鲜重和总鲜重分别比空白组高20%和18%(P<0.05)(图2)。

图1 底泥间隙水pH值和ORP的变化Fig.1 The differences in pH and ORP in the pore water of sediment

不同小写字母表示空白组和厌氧环境组之间差异显著(P<0.05)。

RAUN等[9]认为底泥轻度或中度的厌氧环境会刺激水生植物的生长,这是因为有机物矿化使光合作用所需CO2供给量增多,同时与间隙水营养成分浓度的升高有关。

2.3 植物的生理特征变化

底泥厌氧处理组苦草地上部分的叶绿素a和叶绿素b含量均低于非厌氧处理(图3)。叶绿素含量的降低是植物遭受重金属毒害的重要特征之一,多种重金属均能对叶绿素产生毒害作用。王谦等[10]发现适宜的Cu浓度能促进伊乐藻(Elodeanuttallii)叶绿素含量增加,而高浓度Cu则使伊乐藻叶绿素含量降低,可能是因为低浓度Cu满足了植物体内质体蓝素所需,而高浓度Cu使叶绿素酶活性失调,加快了叶绿素分解。HARGUINTEGUY等[11]发现,Zn对狐尾藻(Myriophyllumverticillatum)和水蕴草(Elodeadensa)的叶绿素有毒害作用,而Ni对叶绿素含量的影响不明显。也有研究发现Cr对浮萍(Lemnaminor)的叶绿素有毒害作用[12]。STOBART等[13]认为重金属抑制了原叶绿素酸脂还原酶并影响了氨基-r-酮戊酸的合成,是叶绿素含量降低的重要原因；也有研究认为重金属破坏了细胞内膜结构,进而导致叶绿素含量降低[14]。底泥厌氧处理所引起的低pH值和低氧化还原电位会促使某些金属元素的生物可利用性增加[15],从而增强对叶绿素合成的抑制作用,胁迫植物的生长。另外,吴娟等[16]发现,单纯的厌氧条件也会使菹草(Potamogetoncrispus)叶绿素含量降低。因此该研究中苦草叶绿素含量降低可能有2个原因:单纯的底泥厌氧环境对苦草的胁迫;底泥厌氧环境导致底泥重金属生物可利用性增加,进而增强了其对苦草的毒害作用。

直方柱上方英文小写字母不同表示空白组和厌氧环境组之间某指标差异显著(P<0.05)。

与对叶绿素的影响类似,植物受某些重金属胁迫会引起体内产生大量活性氧(reactive oxygen species,ROS),造成植物体可溶性蛋白含量降低,高浓度重金属也会造成植物体POD活性降低[17]。该研究中厌氧处理所引起的低pH值和低氧化还原电位会引起重金属生物可利用性增加[15],这会间接引起苦草叶片可溶性蛋白含量和POD活性的降低。另外,底泥厌氧环境会影响植物的碳氮平衡,造成可溶性蛋白和可溶性糖含量的显著变化[16]。笔者研究中厌氧组苦草叶片可溶性蛋白含量、POD活性均有所降低,可溶性糖含量有所升高,此与相关研究结果[18]一致。水生植物在胁迫条件下,可溶性糖可作为替代呼吸途径产生过量的ATP储存物质,或者重金属影响了与糖代谢相关的酶活性[19]。

2.4 植物对重金属的吸收

图4给出了在空白和底泥厌氧条件下64 d后苦草地下和地上部分Cu、Zn、Cr、Ni和Pb含量。苦草对5种重金属的吸收量都呈现出根系含量明显高于地上部分含量。底泥厌氧处理苦草地上部分Cu含量显著高于空白组(P<0.05),而厌氧环境对根系Cu含量的影响不大,2种氧化还原环境并未表现出差异。但苦草对Zn的吸收量呈地下部分(空白)>地下部分(厌氧)>地上部分(空白)>地上部分(厌氧)的顺序,且厌氧条件下苦草地上部分和根系Zn含量分别为空白组的64%和81%。苦草中Cr、Ni和Pb含量从大到小依次均为地下部分(厌氧)、地下部分(空白)、地上部分(厌氧)和地上部分(空白)。在厌氧条件下,苦草根系Cr、Ni和Pb平均值分别为(135.8±17.7)、(135.0±9.2)和(81.3±9.1) mg·kg-1,分别为空白组的3.8、1.8倍和14倍;地上部分为8.51、30.7和1.74 mg·kg-1,分别为空白组的2.2、5.4和3.0倍。

直方柱上方英文小写字母不同表示空白组和厌氧环境组之间某指标差异显著(P<0.05)。

底泥厌氧条件下某些重金属主要以硫化物(CuS和ZnS)形式存在[20]。CAILLE等[21]研究了厌氧底泥曝气后重金属的溶解性,发现在曝气初期底泥中Cu和Zn向间隙水的释放增多,中期间隙水中重金属含量减少,认为是曝气初期释放的Cu和Zn被吸附到溶解度更高的碳酸盐、氢氧化铁或黏土颗粒上[22],即Cu和Zn在底泥厌氧条件下会结合S2-形成稳定性较好的硫化物,抑制其生物可利用性。另外,Cu2+和Zn2+的电子层结构可分别简写为[3d94s0]和[3d104s0],两者最外层电子结构的不同也可能影响2种重金属元素与底泥或其他物质结合的紧密度[23],进而引起苦草地上部分对Cu2+和Zn2+吸收量的差异。

研究表明,底泥pH值和氧化还原电位(Eh)是控制重金属可移动性的重要因素[15],而有机质的降解往往伴随着Eh和pH值的降低。pH值的降低会增加底泥中碳酸盐和氢氧化物的溶解,同时增加的H+也会参与到与胶体吸附的竞争中,进而造成更多重金属离子的解吸,增加底泥中重金属的生物可利用性。除此之外,由于底泥中铁锰氧化物对Eh值较敏感,Eh值的降低导致底泥中铁锰结合态重金属向更有利于生物利用的形态转化。也有研究表明,可溶性有机碳能与重金属形成复合体[24],同样能使底泥中重金属更容易被植物吸收。

3 结论

重金属污染底泥的厌氧环境影响了苦草的生长代谢,促进了生物量的积累,使其平均鲜重和总鲜重比对照高20%和18%;同时,底泥厌氧环境抑制了苦草叶绿素的合成,并造成苦草叶片POD活性、可溶性蛋白含量降低以及可溶性糖含量升高。

底泥厌氧环境增大了苦草地上部分对Cr、Ni、Pb和Cu的积累量,同时降低了对Zn的提取。尽管在底泥厌氧条件下苦草生物量有所增大,但苦草对Zn总提取量仍有一定程度的降低。

因此,适度的底泥厌氧环境有利于沉水植物的生长,并增加其对污染底泥中Cr、Ni、Pb和Cu的吸收和积累,而对于Zn污染底泥的植物修复,则应避免底泥处于厌氧状态。

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(责任编辑： 陈 昕)

Effect of Sediment Redox on Physiological Ecology and Heavy Metal Uptake ofVallisnerianatans.

RUISheng-yang,WUJuan,CUINa-xin,LIZhu,KONGLing-wei,CHENGShui-ping

(Key Laboratory of Yangtze River Water Environment of Ministry of Education， Tongji University, Shanghai 200092, China)

Degradation of organic matter in sediments of water body would deplete oxygen in the sediment, resulting in an anoxic condition therein, which in turn affects growth of submerged macrophytes and their uptake of certain heavy metals. Under the condition of simulated anoxic sediment,Vallisnerianatanswas grown and monitored for stress of heavy metal pollutants in the sediment and contents of the elements in the plant tissues. Results show that the anoxic condition of the heavy metals polluted sediment lowered chlorophyll content, POD activity and soluble protein content inV.natans, raised soluble sugar content, promoted growth of the plant in biomass when the anoxic condition was kept at a certain level, and increased the uptake of Cr, Ni, Pb and Cu up to 2.2, 5.4, 3.0 and 1.5 times as high as in the tissues of the plant under the control condition, while the uptake of Zn in the shoot and root was suppressed and lowered to 64% and 81% of that, respectively, in the control. All the findings demonstrate that the redox condition of sediments significantly affects the physiology ofV.natansand heavy metals uptake of the plant.

submersed macrophyte; sediment anoxia; heavy metal pollution; plant uptake

2016-07-05

国家重大科技专项(2011ZX07303-001)

X52

A

1673-4831(2017)03-0260-05

10.11934/j.issn.1673-4831.2017.03.009

芮胜阳(1990—),男，河南漯河人，硕士生，主要从事重金属污染底泥的植物修复研究。E-mail:ruishengyang123@163.com

① 通信作者E-mail: shpcheng@tongji.edu.cn