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      釩酸鹽預(yù)處理對美人蕉吸收農(nóng)田廢水中硝態(tài)氮效率的影響

      2015-06-01 12:24:55武孔煥吳文衛(wèi)陳麗梅李昆志
      環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊 2015年6期
      關(guān)鍵詞:質(zhì)膜美人蕉硝態(tài)

      武孔煥,吳文衛(wèi),劉 昂,陳麗梅,李昆志

      (1.云南高原湖泊流域污染過程與管理重點實驗室 (籌),云南省環(huán)境科學(xué)研究院,云南昆明,650034;2.昆明理工大學(xué),云南昆明650500)

      釩酸鹽預(yù)處理對美人蕉吸收農(nóng)田廢水中硝態(tài)氮效率的影響

      武孔煥1,吳文衛(wèi)1,劉 昂2,陳麗梅2,李昆志2

      (1.云南高原湖泊流域污染過程與管理重點實驗室 (籌),云南省環(huán)境科學(xué)研究院,云南昆明,650034;2.昆明理工大學(xué),云南昆明650500)

      以美人蕉為實驗材料,用質(zhì)膜H+-ATPase活性抑制劑VA處理美人蕉,考察VA對美人蕉根部質(zhì)膜H+-ATPase活性與吸收硝態(tài)氮效率的影響。研究結(jié)果表明:100μM VA預(yù)處理顯著降低美人蕉對農(nóng)田廢水中硝態(tài)氮的吸收,質(zhì)膜H+-ATPase和H+-泵活性也顯著降低。

      農(nóng)田廢水處理;美人蕉;釩酸鹽預(yù)處理;硝態(tài)氮效率;預(yù)處理影響

      杞麓湖是云南省九大高原湖泊之一,位于玉溪市通??h的中北部,東經(jīng)102°33′48′′~102°52′36′′,北緯24°4′36′′~24°14′21′′。近年來,由于流域經(jīng)濟的發(fā)展、人口的不斷增加,部分污染物直接排入杞麓湖,使得湖體水質(zhì)受到嚴(yán)重污染。

      在植物的不同器官中,根系發(fā)揮著重要的作用,包括各種營養(yǎng)物質(zhì)的吸收、運輸。根系不僅能吸收利用土壤的養(yǎng)分,還為植物的生長提供能量。植物的根系形態(tài)特征、生理特征都和根系對氮素的吸收有著密切關(guān)系。根系形態(tài)的發(fā)達與否,決定著其對氮素的吸收效率。植物根系吸收氮素最主要的形態(tài)之一是氮素的硝態(tài)氮形態(tài),因為土壤膠體不易吸附硝態(tài)氮,所以硝態(tài)氮能被所有的植物吸收并加以利用[1]。

      質(zhì)膜H+-ATPase是一種膜蛋白,在多種植物質(zhì)膜和各種內(nèi)膜系統(tǒng)中都廣泛存在,在細胞的生物代謝過程中,發(fā)揮著重要作用,參與多種代謝反應(yīng)。14-3-3蛋白通過與質(zhì)膜上的主要靶結(jié)合位點質(zhì)膜H+-ATPase結(jié)合,從而增加其活性,以啟動相應(yīng)的反應(yīng)。有研究表明,釩酸鹽 (VA)能夠競爭性抑制質(zhì)膜H+-ATPase活性,從而影響植物吸收硝態(tài)氮的效率。本研究以美人蕉為實驗材料,用質(zhì)膜H+-ATPase活性抑制劑VA處理美人蕉,考察抑制劑對美人蕉根部質(zhì)膜H+-ATPase活性與吸收硝態(tài)氮效率的影響。

      1 材料與方法

      1.1 美人蕉的培養(yǎng)

      農(nóng)田廢水的采樣點位于杞麓湖北岸,按照相關(guān)規(guī)定采集后的農(nóng)田廢水存放于4℃冷庫,保存?zhèn)溆谩?/p>

      本研究所用實驗材料為美人蕉(Cana),將美人蕉幼苗培養(yǎng)在濕地中,當(dāng)其株高長至30~40cm的時候,小心挖出并注意保護根部的的完整性,用自來水清洗干凈根部,放于盛有5L自來水的容器中水培,并且每隔2d更換一次自來水,培養(yǎng)30d左右,可見美人蕉根部新根長出,該植株用于后續(xù)實驗。

      1.2 農(nóng)田廢水成分的測定

      1.2.1 農(nóng)田廢水pH的測定

      用燒杯取100mL存放于4℃冷庫中保存?zhèn)溆玫霓r(nóng)田廢水樣品,室溫放置30min,使其溫度上升至室溫。使用成都瑞馳分析儀器有限公司PHS-2C型pH計測定水樣pH。

      1.2.2 農(nóng)田廢水NO3-濃度的測定

      NO3-的測定用酚二磺酸分光光度法[3],單位:mg/L。

      1.2.3 農(nóng)田廢水PO43-濃度的測定

      PO43-的測定用鉬銻抗分光光度法[3],單位:mg/L。

      1.3 抑制劑VA預(yù)處理后美人蕉最適濃度的篩選

      參照1.1方法培養(yǎng)美人蕉,分別用不同濃度的VA溶液(50μM、100μM、150μM)的VA預(yù)處理美人蕉12h,然后置于3L農(nóng)田廢水中處理6、12、24h(此組實驗作為實驗組)(VA);經(jīng)農(nóng)田廢水處理后測定美人蕉對硝態(tài)氮的吸收效率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)100μM的VA預(yù)處理美人蕉對硝態(tài)氮的吸收效果增加較為顯著,因此選取VA的濃度100μM用于后續(xù)實驗。同時選取美人蕉外部形態(tài)大致相似的不經(jīng)過VA預(yù)處理的作為對照組(CK),但需同樣置于3L農(nóng)田廢水中處理6、12、24h。在農(nóng)田廢水處理的不同時間點收集美人蕉根部0.5g保存?zhèn)溆?,用于檢測美人蕉對硝態(tài)氮的吸收效率、H+-ATPase活性、H+-泵活性。

      1.4 抑制劑VA預(yù)處理后美人蕉吸收硝酸鹽效率的測定

      美人蕉對硝態(tài)氮的吸收效率的測定參照1.2.2。

      1.5 抑制劑VA預(yù)處理后美人蕉根部質(zhì)膜H+-ATPase活性的測定

      農(nóng)田廢水處理(CK)和釩酸鹽(VA)處理24h后收集美人蕉的根部,每份樣品0.5g,液氮冷凍后置于-80℃冰箱保存?zhèn)溆?,質(zhì)膜的分離與純化采用Miller等[4]的方法,略有改動。

      1.6 抑制劑VA預(yù)處理后美人蕉根部質(zhì)膜氫泵活性的測定

      美人蕉根部氫泵活性的測定參照吖啶橙 (AO)A492處吸光值淬滅的方法[5]進行,略有改動。

      1.7 數(shù)據(jù)處理

      生理生化指標(biāo)分析至少設(shè)置3次重復(fù),用Excel統(tǒng)計學(xué)方法計算每組數(shù)據(jù)的平均值和相對誤差,用DPS數(shù)據(jù)系統(tǒng)對所得數(shù)據(jù)進行顯著性差異分析(P<0.05)。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 農(nóng)田廢水成分分析

      經(jīng)測定杞麓湖農(nóng)田廢水水樣pH為7.30,農(nóng)田廢水中NO3-的濃度為4.79 mg/L,約為《GB3838-2002》Ⅰ類水總氮上限值(TN:0.2mg/L)的24倍,農(nóng)田廢水PO43-的濃度為0.876mg/L,而《GB3838-2002》Ⅰ類水中總磷(TP)限值為0.02mg/L,農(nóng)田廢水中正磷酸根的濃度約為Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)的44倍。由此可見,農(nóng)田廢水中N、P的濃度較高,過量使用化肥污染相當(dāng)嚴(yán)重,是杞麓湖湖水污染的主要污染源。

      向農(nóng)田廢水中添加適量的硝酸鉀,使得農(nóng)田廢水中硝態(tài)氮的含量分別為9.58mg/L、14.37mg/L、18.27 mg/L,分別用三種不同硝態(tài)氮濃度的農(nóng)田廢水處理美人蕉并測定美人蕉對農(nóng)田廢水中硝態(tài)氮的吸收效率。實驗表明美人蕉在一天內(nèi)對硝態(tài)氮濃度為9.58mg/L的農(nóng)田廢水吸收效果最好,因此本研究選用硝態(tài)氮濃度為9.58mg/L的農(nóng)田廢水用于后續(xù)實驗。

      2.2 VA的應(yīng)用對美人蕉植株吸收硝酸鹽效率的影響

      從圖1可看出,隨著VA預(yù)處理(VA)和農(nóng)田廢水 (CK)處理時間的延長,農(nóng)田廢水的硝態(tài)氮濃度均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。其中,對照組(CK)在前6h農(nóng)田廢水中硝態(tài)氮的濃度下降得最為迅速,由最初的9.58 mg/L下降到5.26 mg/L,對硝態(tài)氮的吸收率為45.1%;在繼續(xù)處理的6~24h,美人蕉對硝態(tài)氮的吸收效率同樣呈明顯下降趨勢,在處理24h后,農(nóng)田廢水硝態(tài)氮的濃度由最初的9.58 mg/L下降到1.69 mg/L,吸收率為82.4%。在VA預(yù)處理組中(VA),在處理6h后,農(nóng)田廢水中硝態(tài)氮的濃度由最初的9.58 mg/L下降到7.02 mg/L,對硝態(tài)氮的吸收效率為26.7%;在處理24h后,農(nóng)田廢水硝態(tài)氮的濃度由最初的9.58 mg/L下降到3.12 mg/L,對硝態(tài)氮的吸收效率為67.4%。隨著VA和CK處理時間的延長,農(nóng)田廢水中的硝態(tài)氮濃度都呈下降趨勢,在處理24h后,CK中美人蕉對硝態(tài)氮的吸收率為82.4%,VA中美人蕉對硝態(tài)氮的吸收率為67.4%,并且每個取樣點VA處理農(nóng)田廢水中剩余硝態(tài)氮的濃度都顯著高于CK。說明VA預(yù)處理后,降低了美人蕉對農(nóng)田廢水硝態(tài)氮的吸收效率。

      2.3 VA預(yù)處理對美人蕉質(zhì)膜H+-ATPase活性和氫泵活性的影響

      研究結(jié)果表明,美人蕉經(jīng)VA預(yù)處理后,對農(nóng)田廢水中硝態(tài)氮的吸收效率下降,為了進一步了解美人蕉經(jīng)VA預(yù)處理后,吸收廢水中硝態(tài)氮效率下降是否與根部質(zhì)膜H+-ATPase活性的變化有關(guān),本研究檢測VA預(yù)處理和農(nóng)田廢水處理美人蕉后,其根中質(zhì)膜H+-ATPase的活性。圖2A顯示,隨著農(nóng)田廢水處理時間的延長,CK和VA美人蕉根部質(zhì)膜H+-ATPase的活性都逐漸增加,處理不同時間點的值都高于處理前,并且經(jīng)VA預(yù)處理的值始終低于同時間點的對照 (CK)。在農(nóng)田廢水處理之前(0h),對照組(CK)和VA預(yù)處理后,美人蕉根部質(zhì)膜H+-ATPase的活性分別為1.36和1.15μmol/mg·min,CK中質(zhì)膜H+-ATPase的活性是VA的1.18倍,表明在VA預(yù)處理后,美人蕉根部質(zhì)膜H+-ATPase的活性在一定程度表現(xiàn)出下降趨勢。農(nóng)田廢水處理24h后,美人蕉根部質(zhì)膜H+-ATPase活性CK和VA分別上升到2.31和 1.91μmol/mg·min,比放入農(nóng)田廢水處理前(0h),其H+-ATPase活性分別顯著提高69.8%和66%,即經(jīng)VA處理后,質(zhì)膜H+-ATPase的活性隨處理時間的延長也有所上升,但上升的趨勢較CK小。可見美人蕉在農(nóng)田廢水中處理24h后,根部質(zhì)膜H+-ATPase活性得到了明顯的提高,但VA預(yù)處理后,卻抑制H+-ATPase活性的提高。

      圖2B結(jié)果表明,美人蕉經(jīng)VA處理和CK處理后根部H+-泵活性的變化趨勢表現(xiàn)出與H+-ATPase相似的情況。在農(nóng)田廢水未處理之前(0h),經(jīng)VA預(yù)處理后美人蕉根部H+-泵活性比CK低,大約低19%,說明VA的預(yù)處理之后,同樣降低了美人蕉根部H+-泵活性。在農(nóng)田廢水處理的過程中,VA和CK美人蕉根部H+-泵的活性都表現(xiàn)出上升趨勢,在農(nóng)田廢水處理24h時,VA的H+-泵活性為處理前(0h)的1.61倍,CK的H+-泵活性為處理前(0h)的1.75倍,同時還發(fā)現(xiàn)在農(nóng)田廢水處理的整個過程中,VA美人蕉根中H+-泵的活性都要低于CK,在處理24h后,VA美人蕉根中H+-泵的活性約占CK的74%。說明經(jīng)過VA預(yù)處理后,美人蕉根部質(zhì)膜氫泵的活性被明顯降低。

      3 結(jié)論

      植物根系對硝態(tài)氮的吸收和同化是一個非常復(fù)雜的過程,多種酶協(xié)同參與其反應(yīng)過程。在硝態(tài)氮的吸收階段,目前公認(rèn)的NO3-跨膜運輸方式[6]是依靠細胞膜H+-ATPase提供能量的H+/NO3-共運輸方式。質(zhì)膜是細胞與細胞間質(zhì)之間的一道通透性保護屏障,而定位于質(zhì)膜上的質(zhì)膜H+-ATPase則是產(chǎn)生跨膜轉(zhuǎn)運動力的主體。植物根系吸收的硝態(tài)氮進入植物體后,在不同類型的硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運蛋白的作用下,被運輸?shù)街参锏牟煌M織,在植物的不同部位發(fā)生一系列的反應(yīng)從而被植物同化,以供植物吸收和利用,而多余的硝態(tài)氮則儲存在細胞液泡內(nèi)。

      在農(nóng)田廢水處理下,美人蕉根部與氮素吸收相關(guān)的質(zhì)膜H+-ATPase和H+-泵活性隨處理時間的延長而升高,說明農(nóng)田廢水處理可以提高質(zhì)膜H+-ATPase和H+-泵活性;同時隨著農(nóng)田廢水處理時間的延長,美人蕉根部對硝態(tài)氮的吸收效率增加,可見美人蕉在吸收硝態(tài)氮方面發(fā)揮著重要作用,是人工濕地系統(tǒng)中常見植物之一。

      VA是質(zhì)膜H+-ATPase的特異抑制劑,通過VA處理美人蕉發(fā)現(xiàn)質(zhì)膜H+-ATPase和H+-泵活性隨VA的處理而降低,硝態(tài)氮吸收效率也相應(yīng)降低。

      [1]Di T J(狄廷均),Zhu Y Y(朱毅勇),Chou M H(仇美華),et al.Response of plasma membrane H+-ATPase of rice root to ammonium and nitratenutrition[J].Chinese Journal of Rice Science(中國水稻科學(xué)),2007,21(4):360-366.

      [2]Grace JB,Wetzel R G.Habitat partitioning and competitive displacement in cattails(Typha):experimental field studies[J]. American Naturalist,1981(118):463-474.

      [3]本書編委會.水和廢水監(jiān)測分析方法:第四版 [M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2002:246-248,259-261.

      [4]Miller G,Suzuki N,Ciftci-yilmaz S,et al.Reactive oxygen species homoestasis and signaling during and salinity stresses[J]. Plant Cell Environ,2010(33):453-67.

      [5]Apel K,Hirt H.Reactive oxygen species:metabolism,oxidative stress,and signal transduction[J].Annual Review of Plant Biology,2004(55):373-399.

      [6]Ottova V,Balcarova J,Vymazal.Microbial characteristics of constructed wetlands[J].Water Science and Technology,1997,35(5):117-123.

      Im pact of Pretreating Canna by Vanadate on Absorption Efficiency of Nitrate Nitrogen in Farm land W astewater

      WU Kong-h(huán)uan1,WUWen-wei1,LIU Ang2,CHEN Li-mei2,LIKun-zhi2
      (1.Yunnan Key Laboratory of Pollution Process and Management of Plateau Lake-Watershed(Prepare to Construct),Yunnan Institute of Environmental Science,Kunming Yunnan 650034,China)

      Canna chosen as the target experimentalmaterial was pretreated using plasmamembrane H+-ATPase activity inhibitor VA in order to investigate the influence of plasmamembrane H+-ATPase activity in the canna roots on nitrate absorption efficiency.The results showed that the nitrate absorption efficiency dropped dramatically while adding 100 M VA.Meanwhile,the activities of plasmamembrane H+-ATPase and H+-pump were also significantly reduced.

      farmland wastewater treatment;canna;vanadate pretreatment;nitrate;impact of

      X52

      :A

      :1673-9655(2015)06-0039-04

      2015-04-28

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