胡 藝 陳成廣 宋向楠 孫曉璐 徐贏儀 吳朝輝

(紹興文理學院元培學院建筑工程系， 紹興 312000)

鹽脅迫對狐尾藻種苗生理指標及吸附Pb(Ⅱ)的影響

胡 藝 陳成廣*宋向楠 孫曉璐 徐贏儀 吳朝輝

(紹興文理學院元培學院建筑工程系， 紹興 312000)

以狐尾藻種苗為研究對象，考察了不同鹽度條件下其部分生理指標響應及對Pb2+的吸附能力。結(jié)果顯示，鹽度在4‰以上，葉綠素含量隨鹽度增加而呈下降趨勢，但其丙二醛含量卻逐漸上升，較高鹽度會加劇對狐尾藻種苗體內(nèi)細胞膜的氧化破壞。然而，在0.9‰～14‰范圍內(nèi)，隨鹽度的增加，POD比活力、SOD總活力、根系活力等均表現(xiàn)出先上升后下降的相似趨勢。另外，狐尾藻種苗對營養(yǎng)液中Pb2+的吸附行為較符合偽二級動力學方程，其存在界面擴散、表面活性反應位點的離子交換、內(nèi)擴散等三個過程，而且，水體的高鹽度會削弱狐尾藻種苗對Pb2+的吸收能力。

鹽脅迫；狐尾藻種苗；生理響應；鉛；吸附動力學

我國城市化進程的加快及工業(yè)的迅猛發(fā)展，使得大量廢水排入水體，造成的重金屬污染已引起廣泛的關(guān)注[1-3]。鉛是一種常見的對人體腎臟及神經(jīng)系統(tǒng)有毒害作用的重金屬元素，含鉛廢水主要來源于冶金、金屬加工、機械制造、化學藥劑、石油加工、油漆顏料、紡織、電子等行業(yè)[4]。此外，受鉛污染的水體還會對魚類的代謝功能、生殖功能、抗氧化能力甚至整個種群動態(tài)造成不利影響[5]。因此尋找高效、廉價、環(huán)保的含鉛廢水治理技術(shù)已成為亟待解決的問題。

植物修復是已得到公認的一種環(huán)境污染治理方法，其中以水生植物的應用最為常見。已有研究表明，許多水生植物如水浮蓮(PistiastratiotesL.)[6]、鳳眼蓮(Eichhorniacrassipes)[7]、龍須眼子菜(Potamogetonpectinatus)[2]、金魚藻(Ceratophyllumdemersum)[8]、黑藻(Hydrillaverticillata)[9]等對水體中重金屬離子有較強的去除能力。狐尾藻(Myriophyllumverticilatum)是一種多年生沉水植物，廣泛分布于世界各地湖泊及水溝中，其根莖發(fā)達且對環(huán)境適應性較強，除了對水體中鎘[10]、鉛[11]等重金屬離子有明顯吸附外，常被推廣應用于吸收氮、磷等營養(yǎng)元素以凈化水質(zhì)[12-14]。浙江省在紹興市設(shè)立了河道狐尾藻治污試點，然而在試種過程出現(xiàn)了部分受污河道中狐尾藻種苗長勢不佳的現(xiàn)象。袁龍義等[15]研究表明，不同鹽度對沉水植物種子的脅迫有影響，一定程度上抑制了該種子的萌發(fā)。此外，崔潤麗[16]指出，植物組織在鹽脅迫下通過各種途徑產(chǎn)生活性氧，而活性氧對植物內(nèi)生物膜、蛋白質(zhì)和核酸等功能分子有破壞作用。因此，本文主要研究不同鹽度條件下狐尾藻種苗的部分生理指標響應及對重金屬Pb2+的吸附能力，以期為開發(fā)利用狐尾藻治理含鉛廢水提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2015年7月-2016年6月在紹興文理學院元培學院環(huán)境監(jiān)測實驗室進行。狐尾藻種苗購自浙江寶仔農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司的狐尾藻種苗供應基地，購回后于實驗室塑料水桶內(nèi)采用霍格蘭通用配方營養(yǎng)液[17]培養(yǎng)1周。之后，篩選長勢良好，長度均一的狐尾藻種苗若干株，用自來水洗凈，備用。實驗中所用藥品如NaCl、PbCl2等均為分析純。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 狐尾藻種苗部分生理指標對鹽度的響應

取6只1000mL燒杯，各加入400mL霍格蘭營養(yǎng)液，用DDSJ-308A型電導率儀測定其鹽度初始值，再向營養(yǎng)液中緩慢投加NaCl粉末并不斷攪拌使其均勻溶解，以此對鹽度進行調(diào)節(jié)，將燒杯中營養(yǎng)液的鹽度分別調(diào)至0.9‰、2‰、4‰、7‰、10‰、14‰等6種水平，然后在每只燒杯內(nèi)放入一株經(jīng)篩選的狐尾藻種苗，并置于光照培養(yǎng)箱中，設(shè)定溫度為25℃，相對濕度為60%，4盞21W日光燈提供照明，試驗裝置如圖1。試驗每隔3d更換一次營養(yǎng)液，培養(yǎng)25d后取樣測定狐尾藻種苗的莖葉和根的干質(zhì)量、根系活力、葉綠素含量、丙二醛含量、過氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)活性等生理指標。每組試驗平行條件下重復3次。

圖1 試驗裝置圖

1.2.2 狐尾藻種苗對Pb2+的吸附動力學研究

將一株狐尾藻種苗移植于400mL含10mg/LPb2+的霍格蘭營養(yǎng)液中，并置于光照培養(yǎng)箱內(nèi)，設(shè)定溫度25℃，相對濕度60%，4盞21W日光燈照明，分別于5、10、20、30、40、60、120、150min時取樣，測定其營養(yǎng)液中Pb2+的濃度。試驗平行條件下重復3次。

1.2.3 鹽脅迫對狐尾藻種苗吸附Pb2+的影響

取6只1000mL燒杯，各加入400mL含10mg/LPb2+的霍格蘭營養(yǎng)液，并用NaCl分別調(diào)節(jié)其鹽度至0.9‰、2‰、4‰、7‰、10‰和14‰，再在每只燒杯內(nèi)放入一株經(jīng)篩選的狐尾藻種苗，置于光照培養(yǎng)箱中，設(shè)定溫度25℃，相對濕度60%，4盞21W日光燈照明。待吸附60min時取樣，分別測定各燒杯中營養(yǎng)液的Pb2+濃度。每組試驗平行條件下重復3次。

1.3 測定方法

試驗后，狐尾藻種苗先用去離子水清洗，再剪取莖葉和根，并稱其干重，然后測定各生理指標。其中，葉綠素含量用95%乙醇提取，并在波長665nm和649nm處以分光光度法[18]測定；丙二醛含量用硫代巴比妥酸比色法[18]測定；POD比活力用愈創(chuàng)木酚法[19]測定；SOD總活力用氮藍四唑光化還原法[19]測定；根系活力用2,3,5-氯化三苯基四氮唑(TTC)顯色法[20]測定。此外，用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(MARS,Prodigyxp,USA)測定營養(yǎng)液中Pb2+濃度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2003和SPSS19.0軟件對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并利用Origin8.6進行圖形處理。

狐尾藻種苗對Pb2+的吸附量qt和吸附率Rt計算公式如下：

(1)

(2)

式中，qt為狐尾藻種苗t時刻對Pb2+的吸附量，mg·g-1；Rt為狐尾藻種苗t時刻對Pb2+的吸附率，%；C0、Ct分別為初始、t時刻霍格蘭營養(yǎng)液中Pb2+濃度，mg·L-1；V為霍格蘭營養(yǎng)液的體積，mL；m為狐尾藻種苗莖葉和根的干重，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫對狐尾藻種苗生理指標的影響

葉綠素含量的高低反映了植物光合作用的強弱，而丙二醛含量的多少則代表植物體內(nèi)細胞膜損傷程度的大小[21]。不同鹽度下狐尾藻種苗生理指標測定結(jié)果見表1。由表1可以看出，營養(yǎng)液鹽度在0.9‰～4‰范圍內(nèi)，狐尾藻種苗莖葉的葉綠素含量隨鹽度增加而逐漸上升，這可能是因為鹽度的增加使得種苗葉肉細胞脫水、體積減小，導致葉綠素含量相對變大。但隨鹽度的繼續(xù)升高，葉綠素含量則呈現(xiàn)下降的趨勢，這應該是由于鹽脅迫下的狐尾藻種苗莖葉內(nèi)離子含量高，葉綠素和葉綠素蛋白的結(jié)合度低，使更多的葉綠素被解離出來所致。此外，營養(yǎng)液鹽度在4‰以下，狐尾藻種苗體內(nèi)的丙二醛含量隨鹽度的增加呈先上升后下降的現(xiàn)象，說明其能進行自身調(diào)節(jié)以適應外界環(huán)境鹽度的變化。然而，鹽度的繼續(xù)升高促使狐尾藻種苗在葉綠體和線粒體內(nèi)產(chǎn)生了更多的氧自由基，加劇了對其細胞膜的氧化破壞，最終導致丙二醛含量的急劇上升，這也解釋了營養(yǎng)液鹽度在14‰時，狐尾藻種苗體內(nèi)丙二醛含量高達0.292±0.054μmol·g-1的原因。

POD、SOD是活性氧清除系統(tǒng)中能發(fā)揮作用的抗氧化酶[22-23]，而根系活力是一種能客觀反映根系的吸收、合成、氧化和還原等生命活動能力的生理指標[24]。從表1還可以發(fā)現(xiàn)，隨營養(yǎng)液鹽度的增加，POD比活力、SOD總活力、根系活力等生理指標均表現(xiàn)出先上升后下降的相似趨勢。這說明營養(yǎng)液鹽度在0.9‰～7‰范圍內(nèi)，狐尾藻種苗通過提高體內(nèi)POD和SOD等活性來清除氧自由基，以增強細胞膜在鹽脅迫下的抗氧化能力，同時合成的營養(yǎng)物質(zhì)也多，促進根系生長，導致根系活力較高。但是，當鹽度在7‰以上時，過多的氧自由基使POD和SOD的活性受到強烈抑制，且遭受不可逆的破壞，狐尾藻種苗自身防御能力減弱，尤其在鹽度為14‰時，其根系活力僅為0.050±0.007mg·(g·h)-1，植株新陳代謝也受到嚴重損傷。

表1 鹽度對狐尾藻種苗生理指標的影響

注：表中數(shù)據(jù)均為平行的均值±標準差，不同小寫字母表示在P=0.05水平上差異顯著。

2.2 狐尾藻種苗對Pb2+吸附動力學研究

圖2反映了狐尾藻種苗對營養(yǎng)液中Pb2+的吸附量與吸附時間的關(guān)系。由圖2可知，狐尾藻種苗對Pb2+呈正吸附，吸附量隨時間延長先呈上升趨勢，后逐漸趨于平衡。40min之前Pb2+吸附增量明顯，60min之后吸附量基本穩(wěn)定，故后續(xù)試驗取60min為Pb2+吸附平衡時間。

圖2 狐尾藻種苗吸附Pb2+的動力學曲線

沉水植物對重金屬的整個吸附過程一般可以分為界面擴散和小孔擴散兩個過程[2]。因此，本文參照常用來描述生物材料對溶液中重金屬離子吸附過程的偽一級動力學方程、偽二級動力學方程和內(nèi)擴散方程[25]，采用Origin8.6軟件對狐尾藻種苗吸附Pb2+的試驗數(shù)據(jù)進行擬合分析。

偽一級動力學方程表達式為：

qt=qe(1-e-k1t)

(3)

偽二級動力學方程表達式為：

(4)

內(nèi)擴散方程表達式為：

qt=kit0.5+C

(5)

式中：qt和qe分別為經(jīng)過時間t時和達到吸附平衡時狐尾藻種苗對Pb2+的吸附量，mg·g-1；t為吸附時間，min；k1、k2和ki分別為偽一級動力學、偽二級動力學和內(nèi)擴散方程的速率常數(shù)，其單位分別為min-1、g·(mg·min)-1和mg·(g·min0.5)-1；C為常數(shù)。

試驗數(shù)據(jù)擬合結(jié)果列于表2。通過擬合參數(shù)(表2)可知，偽一級、偽二級動力學均能較好地描述狐尾藻種苗對營養(yǎng)液中Pb2+的吸附行為，但吸附反應更符合偽二級動力學方程，相關(guān)系數(shù)R2為0.990，說明狐尾藻種苗對Pb2+的吸附主要受其表面活性反應位點的離子交換作用控制，這與李國新等人[11]的研究結(jié)果相似。此外，從方程擬合的相關(guān)系數(shù)R2值還可看出，內(nèi)擴散方程并不適合描述狐尾藻種苗對Pb2+的吸附過程，但若其擬合曲線通過原點，則速控步驟為內(nèi)擴散，若不通過原點，則表示還有其他過程共同控制反應速率[26]。由圖2和表2可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)擴散方程中常數(shù)C不為0，即曲線未經(jīng)過原點，說明內(nèi)擴散不是狐尾藻種苗吸附Pb2+的唯一速控過程。

表2 狐尾藻種苗對Pb2+吸附的動力學方程擬合參數(shù)

假若狐尾藻種苗對Pb2+的吸附還存在界面擴散過程，則用Ct/C0(吸附t時間后溶液中Pb2+濃度與初始濃度之比)對吸附時間t作圖進行分析，結(jié)果見圖3。可以發(fā)現(xiàn)，狐尾藻種苗吸附Pb2+在最初的10min內(nèi)Ct/C0與吸附時間t是呈近似直線關(guān)系的，其相關(guān)系數(shù)R2為0.936，這符合吸附劑外部的界面擴散規(guī)律[2]，也進一步驗證了狐尾藻種苗對Pb2+的吸附存在著界面擴散過程。

圖3 溶液中Pb2+的Ct/C0時間變化趨勢

2.3 鹽脅迫對狐尾藻種苗吸附Pb2+的影響

我國沿海的一些地區(qū)，水體發(fā)生鹽堿化的同時，還普遍受到重金屬污染[27]，這導致沉水植物往往承受著鹽度和重金屬的復合脅迫。然而，目前有關(guān)鹽脅迫下沉水植物對重金屬的吸附研究還較少。圖4所示為狐尾藻種苗對不同鹽度的含10mg/LPb2+的霍格蘭營養(yǎng)液中Pb2+吸附60min時的情況。由圖4可看出，狐尾藻種苗對營養(yǎng)液中Pb2+的吸附率隨其鹽度的增加而逐漸降低，且當鹽度達14‰時，其吸附率降至55%，這說明水體的鹽堿化會削弱狐尾藻種苗對Pb2+的吸收能力。此外，對比圖2后也可發(fā)現(xiàn)，狐尾藻種苗對單因子Pb2+的耐受能力比NaCl與Pb2+復合脅迫的耐受能力相對強。

圖4 鹽度對狐尾藻種苗吸附Pb2+的影響

3 結(jié)論

本研究以篩選出的長勢良好、長度均一的狐尾藻種苗作為研究對象，考察了不同鹽度條件下狐尾藻種苗的葉綠素、丙二醛、POD、SOD和根系活力等生理指標響應及其對重金屬Pb2+的吸附能力。結(jié)果顯示，狐尾藻種苗的葉綠素和丙二醛對營養(yǎng)液鹽度的響應表現(xiàn)不同，當鹽度在4‰以上時，狐尾藻種苗莖葉的葉綠素含量隨鹽度增加而呈下降的趨勢，但其體內(nèi)丙二醛含量卻逐漸上升，說明較高的鹽度會加劇對狐尾藻種苗體內(nèi)細胞膜的氧化破壞作用。然而，在0.9‰～14‰范圍內(nèi)，隨鹽度的增加，狐尾藻種苗的POD比活力、SOD總活力、根系活力等均表現(xiàn)出先上升后下降的相似趨勢。因此，試種狐尾藻的水體，其鹽度不宜過高。另外，狐尾藻種苗對營養(yǎng)液中Pb2+的吸附行為較符合偽二級動力學方程，其存在界面擴散、表面活性反應位點的離子交換、內(nèi)擴散等三個過程，而且，水體的高鹽度會削弱狐尾藻種苗對Pb2+的吸收能力。

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Effects of salt stress on physiological indicators and adsorption ability for Pb(Ⅱ) of Myriophyllum verticilatum seedling

Hu Yi, Chen Chengguang, Song Xiangnan, Sun Xiaolu, Xu Yingyi, Wu Chaohui

(Department of Architectural Engineering, Yuanpei College, Shaoxing University, Shaoxing 312000, China)

In order to explore the effects of salt stress on physiological response and adsorption ability for Pb2+of Myriophyllum verticilatum seedling, in this paper, Myriophyllum verticilatum seedlings were cultivated in Hoagland nutrient solutions which were imposed to six levels of salinities (0.9‰, 2‰, 4‰, 7‰, 10‰, 14‰ NaCl), then, five physiological indicators and removal rates of Pb2+in Hoagland nutrient solutions related with salt hardiness were measured, and the adsorption mechanism was investigated by model simulation. The results showed that leaf chlorophyll content reduced when salt concentrations were elevated, but malondialdehyde(MDA) content increased with increasing salt concentration, when above the salinity of 4‰, high salinity was thought to intensify oxidative damage to the cell membrane of Myriophyllum verticilatum seedling. While the activities of POD, SOD, root peaked at some concentration and then dropped gradually, when salinities were in the range of 0.9‰ -14‰. Besides that, the mechanism for Pb2+adsorption on Myriophyllum verticilatum seedlings was further discussed. For single Pb2+solution, adsorption process could fit well with the pseudo-second-order kinetic equation, which included three processes such as interface diffusion process, ion exchange process in surface active reaction sites, and intra-particle diffusion process. Moreover, high salinity would weaken the absorption ability for Pb2+of Myriophyllum verticilatum seedlings.

salt stress; Myriophyllum verticilatum seedlings; physiological response; Pb(Ⅱ); adsorption dynamics

紹興市科技計劃項目(2014B70041)；2015年度紹興市大學生科技創(chuàng)新項目(紹市教高[2015]47號)

2016-12-26;2017-02-10修回

胡藝，女，1993年生，在讀本科生，研究方向：水環(huán)境污染治理研究。E-mail：1223792980@qq.com

陳成廣，男，1983年生，碩士，講師，研究方向：環(huán)境污染防治。E-mail：salen1983@163.com

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