高 博，賈瑞楊，劉 洋，趙 燕

(曲阜師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東曲阜 273165)

1 引言

隨著人們對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥需求的日益增長(zhǎng)，大量含有有機(jī)磷農(nóng)藥的廢水被排入水體，并且被水體中的懸浮顆粒物吸附最終沉積到水體底部［1］。水體中殘留的有機(jī)磷農(nóng)藥導(dǎo)致了水體的富營(yíng)養(yǎng)化劇增［2］。其中氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度大增，導(dǎo)致藻類以及大型水生植物的異常繁殖，影響了水生動(dòng)物的生長(zhǎng)繁殖。利用綠色植物系統(tǒng)通過(guò)轉(zhuǎn)移、降解等方式修復(fù)污染土壤、水體的修復(fù)技術(shù)，可以有效地吸收水體中的氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，控制水體的富營(yíng)養(yǎng)化［3］。目前，有關(guān)這方面的研究有很多，傅以鋼等［4］研究了3種水生植物對(duì)水溶液中樂(lè)果的降解作用，方焰星等［5］研究了穗狀狐尾藻等5種水生植物對(duì)污染水體氮磷的凈化效果，包先明等［6］研究了種植沉水植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化化水體沉積物中磷形態(tài)的影響，張福林等［7］研究了不同沉水植物對(duì)沉積物磷遷移轉(zhuǎn)化的影響，可見有越來(lái)越多的研究集中在了水生植物對(duì)水體中氮磷元素的凈化作用研究上。

本文主要研究了穗狀狐尾藻 (Myriophyllum spicatum)和金魚藻 (Ceratophyllum demersum)這2種沉水植物對(duì)水體中有機(jī)磷農(nóng)藥殘留的凈化作用，以及他們?cè)趦艋^(guò)程中的各自的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)還研究了水中有機(jī)磷農(nóng)藥的殘留對(duì)穗狀狐尾藻和金魚藻的毒性作用，揭示了不同的藻類對(duì)水體中有機(jī)磷殘留的去除效果。為去除水中過(guò)剩的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，治理水體富營(yíng)養(yǎng)化提供了切實(shí)可行的依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與試劑

2.1.1 儀器

723N分光光度計(jì)，分析天平，移液管，具塞刻度試管，研缽，鐵架臺(tái)，玻璃棒，研缽，100ml小燒杯，容量瓶，大試管，普通試管，注射器，水浴鍋，漏斗，漏斗架，濾紙，剪刀，醫(yī)用手提式蒸氣消毒器 (1.1～1.4kg/cm2)。

2.1.2 試劑

硫酸，硝酸，磷酸，過(guò)硫酸鉀，磷酸二氫鉀，抗壞血酸，鉬酸銨，80%丙酮，考馬斯亮藍(lán)G－250，無(wú)水乙醇，牛血清蛋白，茚三酮，冰醋酸，3%磺基水楊酸，甲苯。

2.2 材料與方法

2.2.1 材料

(1)有機(jī)磷農(nóng)藥的選取

樂(lè)果是一種用途較廣、產(chǎn)量較大的殺蟲劑，適用于多種作物害蟲的防治。并且樂(lè)果較易揮發(fā)，易散失到水體中，造成水體的富營(yíng)養(yǎng)化，還可通過(guò)食物鏈的富集作用轉(zhuǎn)移到人體，對(duì)人體產(chǎn)生傷害［8］。因此，選擇樂(lè)果作為試驗(yàn)對(duì)象。

(2)穗狀狐尾藻與金魚藻的獲得

穗狀狐尾藻 (Myriophyllum spicatum)，采于微山湖，采回后在曲阜師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院環(huán)境實(shí)驗(yàn)室馴化培養(yǎng)。金魚藻 (Ceratophyllum demersum)，采于曲阜市小沂河，采回后在曲阜師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院環(huán)境實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)。

(3)Hoagland營(yíng)養(yǎng)液的配置

本實(shí)驗(yàn)所用營(yíng)養(yǎng)液為Hoagland營(yíng)養(yǎng)液，穗狀狐尾藻與金魚藻種植都用Hoagland(0.25)營(yíng)養(yǎng)液。營(yíng)養(yǎng)液的配方主要有:①微量元素:H3BO36.2mg/L，KI 0.83mg/L，MnSO422.3mg/L，ZnSO48.6mg/L，Na2MO4·2H2O 0.25mg/L，CuSO4·5H2O 0.025mg/L，CaCl2·6H2O 0.025mg/L;②大量元素:Ca(NO3)2945mg/L，KNO3506mg/L，KH2PO4136mg/L，MgSO4·7H20 493mg/L，NH4NO380mg/L，F(xiàn)eEDTA溶液2.5ml/L。

(4)藻類的馴化

實(shí)驗(yàn)前兩周將穗狀狐尾藻與金魚藻分別在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行訓(xùn)化，并定期觀察兩種藻類的生長(zhǎng)狀況，控制馴化過(guò)程中的溫度、陽(yáng)光以及pH。兩周后生長(zhǎng)良好方可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選取新長(zhǎng)出的嫩葉，葉莖完整以及長(zhǎng)勢(shì)較好的部分用于實(shí)驗(yàn)。

(5)藻類的培養(yǎng)

分別選取已馴化好的穗狀狐尾藻和金魚藻，仔細(xì)清洗附著在其葉莖上的雜物避免其對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生干擾，并將金魚藻和穗狀狐尾藻分別平均分成6份(質(zhì)量，生長(zhǎng)狀況，嫩葉的新鮮度，顏色)基本相同。接著將他們分別放入12個(gè)容量為2L的大燒杯中，均加入1L的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液。配置兩個(gè)相同的農(nóng)藥梯度 (0.0mg/kg、3.7mg/kg、7.5mg/kg、15.0mg/kg、30.0mg/kg、60.0mg/kg)。并將配置好的6個(gè)農(nóng)藥梯度分別投放到6個(gè)燒杯中編號(hào) (1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào))并記錄各個(gè)編號(hào)的農(nóng)藥梯度。每隔3天分別測(cè)量燒杯內(nèi)農(nóng)藥的殘留量，穗狀狐尾藻以及金魚藻的葉綠素，蛋白質(zhì)以及脯氨酸的含量。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)方法

(1)培養(yǎng)液中總磷的測(cè)定

選用鉬酸銨分光光度法 (GB 11893－89)，分別從12個(gè)燒杯中取出一定量的試樣，經(jīng)過(guò)一系列步驟的處理，在700nm波長(zhǎng)下，以水做參比，測(cè)定吸光度?？鄢瞻自囼?yàn)的吸光度后，從標(biāo)準(zhǔn)曲線上查得磷的含量。

(2)設(shè)立空白對(duì)照

每種藻設(shè)置一組空白對(duì)照，在培養(yǎng)時(shí)加入相應(yīng)的營(yíng)養(yǎng)液和蒸餾水代替有機(jī)磷農(nóng)藥。

(3)藻類葉綠素a的測(cè)定

每隔3天從每一燒杯分別稱取穗狀狐尾藻和金魚藻 2mg綠葉，經(jīng)過(guò)一系列處理，于 663nm、645nm的721nm分光光度計(jì)中測(cè)定其吸光度。

(4)藻類蛋白質(zhì)的測(cè)定

從燒杯中分別準(zhǔn)確稱取2mg穗狀狐尾藻和金魚藻，處理后于595nm波長(zhǎng)721nm分光光度計(jì)中測(cè)量蛋白質(zhì)的含量。

(5)藻類脯氨酸的測(cè)定

分別從各個(gè)燒杯中準(zhǔn)確稱取穗狀狐尾藻和金魚藻葉片各0.5g，經(jīng)過(guò)一定步驟的處理后，以甲苯為空白對(duì)照，在分光光度計(jì)上520nm波長(zhǎng)處比色，計(jì)算出脯氨酸的值。

(6)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)試驗(yàn)所得的穗狀狐尾藻和金魚藻的葉綠素a，蛋白質(zhì)，脯氨酸等不同的含量，從而得出植物的生物指標(biāo)隨著培養(yǎng)液中不同有機(jī)磷農(nóng)藥濃度對(duì)這3者指標(biāo)所產(chǎn)生的毒性作用的影響。并且由測(cè)得總磷含量，反應(yīng)出兩種沉水植物對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥的凈化作用。

3 結(jié)果與分析

3.1 對(duì)總磷 (TP)的凈化效果

樂(lè)果屬有機(jī)磷類農(nóng)藥，其廢水中COD、總磷、無(wú)機(jī)磷含量極高［9］，BOD5/COD值很小，COD與有機(jī)硫的比值也很低［10］，因此對(duì)試驗(yàn)各個(gè)時(shí)期各樣品水體中總磷含量的測(cè)量，是評(píng)價(jià)穗狀狐尾藻與金魚藻對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥樂(lè)果凈化作用的重要指標(biāo)。

表1 兩種沉水植物的TP含量變化Tab.1 Content variation of TP in two submerged macrophytes

圖1 金魚藻水體中TP含量變化fig.1 Content variation of TP in water with Ceratophyllum demersum

圖2 穗狀狐尾藻水體中TP含量變化ig.2 Content variation of TP in water with Myriophyllum spicatum

表1記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠作出相應(yīng)的兩種沉水植物的TP含量變化趨勢(shì)圖。通過(guò)圖1、圖2可以看出，在試驗(yàn)初期，低樂(lè)果含量的金魚藻生長(zhǎng)水體中，TP含量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在后期則有明顯下降;而在較高樂(lè)果含量的金魚藻生長(zhǎng)水體匯總，TP含量呈現(xiàn)先下降后上升?？梢哉f(shuō)明，金魚藻對(duì)低濃度的含樂(lè)果水體先有一個(gè)適應(yīng)過(guò)程，達(dá)到最大的抗逆濃度后，開始對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥樂(lè)果產(chǎn)生凈化作用。在較高濃度范圍，金魚藻對(duì)水體有一定的凈化作用，但因?yàn)橛袡C(jī)磷農(nóng)藥樂(lè)果的投放超過(guò)了金魚藻所能承受最大抗逆濃度，所以在后期TP含量又開始上升，而且金魚藻也出現(xiàn)了枯黃現(xiàn)象。

在狐尾藻所有6個(gè)試驗(yàn)組中，除了4號(hào)以外，其他的5組的TP含量都是逐漸下降，而4號(hào)也是呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。這說(shuō)明，狐尾藻對(duì)于有機(jī)磷農(nóng)藥樂(lè)果的凈化作用是比較顯著的。

3.2 有機(jī)磷農(nóng)藥對(duì)葉綠素a含量的影響

水體中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)成分的增加，會(huì)使水體中生物 (特別是浮游植物)的生產(chǎn)量增加，導(dǎo)致水體的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象，因此可通過(guò)測(cè)定葉綠素a的含量來(lái)表明水體中藻類的現(xiàn)存量［11］。

圖3 金魚藻葉綠素a含量變化Fig.3 Content variation of Chlorophyll a in Ceratophyllum demersum

圖4 穗狀狐尾藻葉綠素a含量變化Fig.4 Content variation of Chlorophyll a in Myriophyllum spicatum

通過(guò)圖3、圖4中金魚藻與狐尾藻的各階段試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，金魚藻的各組葉綠素a含量變化基本是先下降后上升的過(guò)程，其中1號(hào)的后期葉綠素a含量上升最大。結(jié)合TP含量的變化趨勢(shì)可以看出，金魚藻葉綠素a含量變化與TP含量的變化呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。狐尾藻的各組葉綠素a含量變化基本呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，其中6號(hào)的上升量最大。結(jié)合TP含量的變化趨勢(shì)能夠得出，狐尾藻葉綠素a含量的變化與TP含量的變化基本呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3.3 有機(jī)磷農(nóng)藥對(duì)蛋白質(zhì)含量的影響

蛋白質(zhì)具有較強(qiáng)的親水膠體性質(zhì)，可影響細(xì)胞的保水力［12］。變化了的環(huán)境因子或環(huán)境脅迫都會(huì)影響細(xì)胞內(nèi)的可溶性蛋白［13］。水分脅迫可以誘導(dǎo)一些與適應(yīng)水分脅迫有關(guān)的基因表達(dá)，從而引起蛋白質(zhì)合成的變化并產(chǎn)生水分脅迫誘導(dǎo)蛋白。高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的可溶性蛋白可使細(xì)胞維持較低的滲透勢(shì)，從而抵抗水分脅迫帶來(lái)的傷害［14］。

表2 兩種沉水植物的蛋白質(zhì)含量變化Tab.2 Content variation of protein in two submerged macrophytes

從表2可以看出，隨著兩種沉水植物在水體中生長(zhǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，金魚藻的2號(hào)～5號(hào)組的蛋白質(zhì)含量是上升的，而1號(hào)與6號(hào)的蛋白質(zhì)含量出現(xiàn)了下降。狐尾藻的每組蛋白質(zhì)含量都呈現(xiàn)出了較大幅度的上升。蛋白質(zhì)增長(zhǎng)含量變化的程度可以反映出植物抗逆性的大小，增量越大，說(shuō)明植物抗逆性越強(qiáng)。能夠得到，在相同的水質(zhì)條件下，穗狀狐尾藻的抗逆性要高于金魚藻。

3.4 有機(jī)磷農(nóng)藥對(duì)脯氨酸含量的影響

當(dāng)植物遭受逆境脅迫時(shí)，其體內(nèi)積累的脯氨酸有利于提高植物的抗脅迫能力。這些植物通過(guò)體內(nèi)脯氨酸的積累，提高滲透調(diào)節(jié)能力，保持原生質(zhì)與環(huán)境滲透平衡，防止水分散失，以抵御環(huán)境脅迫，保證其在環(huán)境惡劣情況下能得以生存［15］。

圖5 兩種沉水植物的脯氨酸含量變化Fig.5 Content variation of proline in two submerged macrophytes

由圖5可見，在加入有機(jī)磷農(nóng)藥樂(lè)果的水體中培養(yǎng)期間，隨著植物生長(zhǎng)期的變化，金魚藻以及穗狀狐尾藻體內(nèi)脯氨酸含量有明顯的變化。并且，隨著兩種沉水植物生長(zhǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，植物葉片內(nèi)脯氨酸的含量呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。每個(gè)階段之間脯氨酸含量增長(zhǎng)值變化的大小可以反映出植物抗逆性的大小，增量越大，說(shuō)明植物抗逆性越強(qiáng)［16］。從圖5可以看出，金魚藻在低有機(jī)磷農(nóng)藥濃度的水體中的抗逆性要低于穗狀狐尾藻，而在高有機(jī)磷農(nóng)藥濃度的水體中，金魚藻的抗逆性要高于穗狀狐尾藻。

4 結(jié)論

(1)沉水植物穗狀狐尾藻和金魚藻對(duì)水體中的有機(jī)磷農(nóng)藥樂(lè)果具有凈化作用，且兩種沉水植物的凈化效果存在著一定差異;穗狀狐尾藻對(duì)于樂(lè)果的凈化作用要強(qiáng)于金魚藻。

(2)從生物量的增長(zhǎng)情況來(lái)看，金魚藻和穗狀狐尾藻的葉綠素a含量都有不同程度的增加，統(tǒng)計(jì)不同水質(zhì)下的2種植物的葉綠素a含量可以得出，穗狀狐尾藻的生物量增長(zhǎng)要高于金魚藻，說(shuō)明穗狀狐尾藻更能適應(yīng)含有樂(lè)果的逆境條件。

(3)兩種沉水植物的蛋白質(zhì)以及脯氨酸含量在不同的水質(zhì)條件下都基本呈現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)，且在各種條件下，穗狀狐尾藻相對(duì)金魚藻的蛋白質(zhì)以及脯氨酸含量的增長(zhǎng)量都要高。既可以表明蛋白質(zhì)和脯氨酸是植物體內(nèi)的一種抗逆調(diào)節(jié)物質(zhì)，也說(shuō)明穗狀狐尾藻生長(zhǎng)情況要好于金魚藻。

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