李曉紅，晏再生，江和龍

(1: 中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008) (2: 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

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直流電場(chǎng)對(duì)沉水植物苦草(Vallisneria natans)生長(zhǎng)的影響*

李曉紅1,2，晏再生1，江和龍1**

(1: 中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008) (2: 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

沉水植物對(duì)維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)平衡有重要作用，廣泛應(yīng)用在水體和沉積物污染修復(fù)領(lǐng)域. 利用電場(chǎng)強(qiáng)化沉水植物修復(fù)過(guò)程是一種新的植物修復(fù)強(qiáng)化方法. 本文研究了不同電壓強(qiáng)度作用下沉水植物苦草的生長(zhǎng)和生理響應(yīng)，以期為應(yīng)用電場(chǎng)強(qiáng)化沉水植物修復(fù)過(guò)程提供依據(jù). 結(jié)果表明： 0.2～1.0 V電壓可以促進(jìn)苦草生長(zhǎng)，而1.5～3.0 V電壓則會(huì)抑制其生長(zhǎng). 其中，0.5 V電壓對(duì)苦草生長(zhǎng)的促進(jìn)效果最明顯，生物量、平均株高、平均葉長(zhǎng)、根尖數(shù)、新芽數(shù)和總?cè)~綠素含量都比對(duì)照組顯著增加；而3.0 V電壓處理組的苦草在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)出現(xiàn)萎蔫和凋亡，與對(duì)照組相比，葉綠素含量顯著降低，丙二醛含量則極顯著增加，表明苦草生長(zhǎng)受到嚴(yán)重脅迫. 系統(tǒng)上覆水的溫度在不同處理組之間沒(méi)有顯著變化，上覆水的pH值在電壓為1.0、1.5和3.0 V時(shí)顯著下降，最終接近中性，上覆水的溶解氧濃度只在3.0 V電壓處理組時(shí)表現(xiàn)顯著下降；沉積物表層5 cm處的氧化還原電位隨著電壓增大顯著下降，最終對(duì)苦草的生長(zhǎng)形成脅迫. 因此,本實(shí)驗(yàn)的結(jié)論是：0.2～1.0 V電壓有助于沉水植物苦草的生長(zhǎng)和強(qiáng)化植物修復(fù)過(guò)程，而1.5～3.0 V電壓會(huì)破壞苦草組織，同時(shí)導(dǎo)致苦草生境變差，不利于沉水植物苦草的生長(zhǎng).

直流電場(chǎng)；沉水植物；苦草；生長(zhǎng)；生理

隨著現(xiàn)代工、農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展和生活垃圾的增多，過(guò)量的氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽和有機(jī)污染物輸入到水體中，導(dǎo)致嚴(yán)重的水體富營(yíng)養(yǎng)化和有機(jī)污染，隨著湖泊富營(yíng)養(yǎng)化出現(xiàn)藍(lán)藻水華，和工、農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的大量有毒污水，嚴(yán)重影響了江河湖泊的生態(tài)功能和水環(huán)境質(zhì)量[1-3]. 在水體修復(fù)和污染處理領(lǐng)域，水生植物修復(fù)技術(shù)被認(rèn)為是最經(jīng)濟(jì)、有效和符合生態(tài)規(guī)律的方法，在水體生態(tài)修復(fù)、重金屬污染治理和有毒有機(jī)污染物處理領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景；其中沉水植物占據(jù)了湖泊中水和底質(zhì)的主要界面，有機(jī)地結(jié)合了水體的兩大營(yíng)養(yǎng)庫(kù)，對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程有著重要的影響[4]. 研究表明沉水植物可以顯著降低水體中的氮、磷濃度，抑制藻類(lèi)瘋長(zhǎng)，提高水體透明度[5-6]，增加水體溶解氧濃度，維持水體理化特征穩(wěn)定和生態(tài)系統(tǒng)平衡. 沉水植物對(duì)減緩重金屬污染和有機(jī)物污染有良好的表現(xiàn)，F(xiàn)avas等研究發(fā)現(xiàn)沉水植物對(duì)放射性重金屬鈾的富集功能最強(qiáng)[7]，Michael等通過(guò)種植沉水植物對(duì)海洋沉積物中的多環(huán)芳烴類(lèi)和多聚聯(lián)苯類(lèi)劇毒污染物進(jìn)行原位修復(fù)，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行60周后，多環(huán)芳烴類(lèi)污染物的降解率達(dá)到73%[8]. 雖然沉水植物對(duì)水體生態(tài)失衡和輕度水質(zhì)污染有良好的改善作用，但是沉水植物在重度富營(yíng)養(yǎng)化和污染嚴(yán)重的水體中常常面臨著生長(zhǎng)不良的瓶頸，使其改善水體生態(tài)系統(tǒng)和污染治理的作用受到限制. 研究表明，在重度富營(yíng)養(yǎng)化的藻型湖泊中沉水植物是無(wú)法生存的[9-10]，秦伯強(qiáng)認(rèn)為，在湖泊污染很重或者氮、磷負(fù)荷很高的情況下，以沉水植物為核心的修復(fù)策略是不合理的[11]；沉水植物對(duì)有機(jī)污染物的耐受性也是有一定限度的，晏再生等[12]探究了苦草對(duì)淡水沉積物中多環(huán)芳烴類(lèi)有機(jī)污染物的耐受限度，發(fā)現(xiàn)當(dāng)污染物的投加量超過(guò)80 mg/kg時(shí)，苦草就無(wú)法正常生長(zhǎng)，所以探究多種方法強(qiáng)化沉水植物修復(fù)過(guò)程是解決以上瓶頸的關(guān)鍵點(diǎn). 利用電場(chǎng)強(qiáng)化植物修復(fù)過(guò)程是一種創(chuàng)新的植物修復(fù)強(qiáng)化方法[13-14]，目前已有部分學(xué)者將植物與電場(chǎng)進(jìn)行復(fù)合研究，Chiranjeevi等[15]構(gòu)建了沉水植物和挺水植物的復(fù)合群落，并引入了電場(chǎng)結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)改善了污水處理效果，但對(duì)水生植物的研究尚未涉及. 電場(chǎng)對(duì)植物的生長(zhǎng)有重要影響，研究結(jié)果顯示，合適的電場(chǎng)強(qiáng)度可以刺激細(xì)胞分裂，提高酶活性，增加葉綠素合成，提高光合反應(yīng)活力，進(jìn)而促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育[16-18]. 合適的外加電場(chǎng)還可以提高污染物的可溶性，加速污染物的遷移轉(zhuǎn)化，提高微生物群落的多樣性[19]，改善水生植物的生長(zhǎng)條件，進(jìn)一步強(qiáng)化水生植物的生態(tài)恢復(fù)和污染修復(fù)效果. Lu等[20]初步探究了挺水植物美人蕉在人工濕地系統(tǒng)中對(duì)電場(chǎng)的生理響應(yīng)，為利用電場(chǎng)強(qiáng)化挺水植物在人工濕地的污水處理效果提供了理論可行性. 苦草(Vallisnerianatans)為水鱉科苦草屬多年生沉水植物，其對(duì)環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)性，且其株高適中、生物學(xué)特征明顯，常被用來(lái)做水體修復(fù)和污染治理的先鋒物種[21]，本試驗(yàn)選取苦草作為研究對(duì)象，通過(guò)在苦草的生長(zhǎng)過(guò)程中施加不同強(qiáng)度的電場(chǎng)，初步探究沉水植物苦草對(duì)直流電場(chǎng)刺激的響應(yīng)，以期為電修復(fù)與沉水植物修復(fù)的復(fù)合應(yīng)用提供一定的理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用苦草在8月中旬取自東太湖(30°58′N(xiāo), 120°22′E)，選取新生幼苗，經(jīng)自來(lái)水沖洗干凈后，移栽到高密度聚乙烯水桶中(直徑80 cm,高52 cm)，室內(nèi)環(huán)境馴化兩個(gè)星期. 實(shí)驗(yàn)所用的底泥和上覆水均取自太湖梅梁灣(31°30′N(xiāo), 120°11′E)，底泥過(guò)20目篩(直徑50 cm，篩孔0.85 mm)去除貝殼、螺、石塊、植物殘?bào)w等雜物，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝笫褂? 上覆水取清澈的湖水，經(jīng)100目篩絹過(guò)濾后備用，實(shí)驗(yàn)用水的基本水質(zhì)指標(biāo)包括：酸堿度(pH值)、溶解氧、總磷(TP)、總氮(TN)和可溶性有機(jī)碳(DOC)，具體見(jiàn)表1，酸堿度和溶解氧分別采用sartorius PB-10酸度計(jì)和手持式溶氧儀(YSI 550A)直接測(cè)定，總磷、總碳和可溶性有機(jī)碳采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定[22]. 實(shí)驗(yàn)前選取株高為11～13 cm、長(zhǎng)勢(shì)基本一致、葉片鮮綠無(wú)萎蔫的健壯苦草幼苗準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn).

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置和設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)主體部分采用加厚聚乙烯水箱(長(zhǎng)×寬×高=61 cm×43 cm×37 cm),水箱內(nèi)放置3個(gè)聚乙烯小圓桶(直徑19.8 cm，高19 cm),每個(gè)小桶內(nèi)裝10 cm高的底泥，種植5棵苦草，整個(gè)裝置注入過(guò)篩后的湖水，水面高度為35 cm. 實(shí)驗(yàn)過(guò)程通過(guò)穩(wěn)壓直流電源(兆信，TXN-150 2D型)24 h供電，由導(dǎo)線和垂直插入小桶中的兩根石墨棒(直徑18 mm，長(zhǎng)40 cm)對(duì)苦草提供電刺激，石墨棒貼近小桶內(nèi)緣，兩根石墨棒相距18 cm(以圓心記)，石墨棒與苦草保持5 cm的距離，石墨棒上部露出水面，通過(guò)金屬夾和導(dǎo)線與電源相連，6個(gè)電壓水平設(shè)置為：0、0.2、0.5、1.0、1.5、3.0 V，其中0 V為對(duì)照組，插有石墨棒但不通電. 在水箱上部1 m高處安裝日光燈管(佛山，T5型8 W)，每天光照時(shí)間為10:00-14:00，通過(guò)科德tw-k11型時(shí)控開(kāi)關(guān)控制. 整個(gè)裝置連續(xù)運(yùn)行60 d之后，測(cè)定系統(tǒng)參數(shù)和苦草的形態(tài)、生理指標(biāo).

表1 基本水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Basic indicators of water quality

1.3 分析項(xiàng)目與測(cè)定方法

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，分別測(cè)定不同處理組的水體參數(shù)：溫度、pH值、溶解氧和氧化還原電位，水溫用手持溫度計(jì)測(cè)量；上覆水的pH值用sartorius PB-10酸度計(jì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定；上覆水的溶解氧用手持式溶氧儀(YSI 550A)原位測(cè)定，測(cè)量點(diǎn)以苦草葉片未覆蓋區(qū)域隨機(jī)取點(diǎn)(上午7：00左右)；氧化還原電位在抽出上覆水之后、取出苦草之前，用便攜式氧化還原電位儀(FJA-4型)測(cè)定，參比電極為Ag-AgCl電極；苦草種植前分別用天平稱(chēng)量各組的初始總鮮重，用軟尺測(cè)量初始平均株高和平均葉長(zhǎng)，株高以苦草平鋪后的中心葉片尖端到根莖交合處為準(zhǔn)，隨機(jī)量取每棵苦草的最長(zhǎng)、中等、最短3片葉長(zhǎng)，取其平均值作為該棵苦草的平均葉長(zhǎng)；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后(上午10：00左右)將存活的所有苦草取出，流水沖洗干凈，再用無(wú)菌水沖洗多遍，然后平鋪在白色吸水紙上，再次稱(chēng)量各組苦草的總鮮重，測(cè)量每組處理的苦草平均株高和平均葉長(zhǎng)；在每棵苦草的根莖分界處將根系剪下，浸泡在蒸餾水中，通過(guò)RHIZO 2008根系掃描儀獲得根系圖像和數(shù)據(jù)；總?cè)~綠素含量采用80%丙酮提取法測(cè)定，抗逆性指標(biāo)丙二醛含量用硫代巴比妥酸法測(cè)定，具體步驟參照文獻(xiàn)[23].

1.4 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS statistics 20和OriginPro 8.5軟件處理與繪圖，顯著性檢驗(yàn)采用單因素方差檢驗(yàn).

2 結(jié)果和分析

2.1 直流電場(chǎng)對(duì)水體參數(shù)的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)不同電壓處理組上覆水的溫度、pH值、溶解氧濃度及沉積物表層5 cm的氧化還原電位進(jìn)行測(cè)量. 在0～3 V電壓范圍內(nèi)，隨著電壓升高，上覆水的溫度在不同電壓處理組間沒(méi)有顯著差異(P>0.05)；上覆水的pH值在不通電的情況下略偏堿性，當(dāng)通電電壓為1.5 和3.0 V時(shí)，上覆水的pH值與對(duì)照組相比顯著下降(P<0.05)，接近中性；上覆水的溶解氧濃度在通電電壓為3.0 V時(shí)與對(duì)照組相比顯著下降(P<0.05)，其他處理組與對(duì)照組沒(méi)有顯著差異(P>0.05)；沉積物表層5 cm處的氧化還原電位隨著通電電壓的增加表現(xiàn)出明顯下降的趨勢(shì)，各處理組間差異顯著(P<0.05)，當(dāng)通電電壓達(dá)到3.0 V時(shí)，沉積物表層5 cm處的氧化還原電位低至-245.33 mV，表明沉積物中已經(jīng)形成強(qiáng)烈的還原條件(表2).

表2 不同通電電壓下水體參數(shù)的變化Tab.2 Changes of waterbody parameters under different voltage intensities

*同一列上標(biāo)不同字母表示差異顯著(P<0.05).

2.2 直流電場(chǎng)對(duì)苦草生物量和植株數(shù)目的影響

通過(guò)最終收獲的苦草總鮮重與實(shí)驗(yàn)前的苦草總鮮重的差值(即鮮重變化量)來(lái)反映不同電壓對(duì)苦草總生物量的影響. 經(jīng)過(guò)較低電壓(0.2、0.5、1.0 V)處理的苦草的總生物量與對(duì)照組相比有明顯的增加，其中當(dāng)電壓為0.5 V時(shí)生物量增加最大，增加量占初始生物量的108.59%；而較高電壓(1.5、3.0 V)處理后的苦草生物量與對(duì)照組相比則呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，3.0 V處理組的苦草生物量比初始生物量減少了55.42%(圖1). 實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，模擬系統(tǒng)內(nèi)的苦草數(shù)目也發(fā)生了一定變化，其中對(duì)照組(0 V)和處理組(0.2、0.5、1.0、1.5 V)最終收獲的株數(shù)與初始保持一致，同時(shí)對(duì)照組收獲3枚新芽，0.5 V處理組收獲4枚新芽，0.2和1.0 V處理組收獲2枚新芽，1.5 V 處理組收獲1枚新芽；而較高電壓處理組(3.0 V)在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)死亡了2棵，均未收獲到新芽.

圖1 苦草鮮重的變化Fig.1 Changes of the fresh weight of Vallisneria natans

2.3 直流電場(chǎng)對(duì)苦草平均株高和平均葉長(zhǎng)的影響

經(jīng)過(guò)不同電壓處理，苦草的株高和葉長(zhǎng)也發(fā)生了不同變化(圖2). 未經(jīng)過(guò)通電處理的對(duì)照組苦草在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后平均株高增加了20.43 cm，增加量為初始平均株高的142.89%，0.2、0.5、1.0 V電壓處理組苦草平均株高顯著增加(P<0.05)，其中0.5和1.0 V電壓處理組苦草平均株高分別增加了380.73%和232.48%，與對(duì)照組差異極顯著(P<0.01)；1.5和3.0 V電壓處理組的苦草雖然有一定生長(zhǎng)，但是平均株高增加量顯著低于對(duì)照組(P<0.05)，表明1.5和3.0 V電壓處理會(huì)顯著抑制苦草株高的增加. 不同電壓處理對(duì)苦草平均葉長(zhǎng)的影響趨勢(shì)與株高基本一致，各處理組之間苦草的平均葉長(zhǎng)差異顯著(P<0.05)，0.2、0.5、1.0和1.5 V處理組的苦草平均葉長(zhǎng)與對(duì)照組相比都顯著增加，3.0 V處理組顯著減少(P<0.05).

圖2 苦草平均株高和平均葉長(zhǎng)的變化Fig.2 Changes of average plant height and average length of leaves of Vallisneria natans

2.4 直流電場(chǎng)對(duì)苦草根系形態(tài)的影響

根尖數(shù)在較低電壓(0.2、0.5、1.0 V)的刺激下比對(duì)照組顯著增加(P<0.05)，在較高電壓(1.5、3.0 V)的刺激下表現(xiàn)出降低趨勢(shì)，但與對(duì)照組差異不顯著；苦草的平均根長(zhǎng)在0.2、0.5、1.5 V電壓刺激下與對(duì)照組相比顯著增長(zhǎng)(P<0.05)，1.0 V處理組的苦草平均根長(zhǎng)也表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，但與對(duì)照組相比不顯著，3.0 V處理組苦草的平均根長(zhǎng)顯著小于對(duì)照組(P<0.05)，從誤差值波動(dòng)范圍還可以觀察到，在低電壓處理組(0、0.2、0.5 V)苦草新生根系較多，高電壓處理組(1.0、1.5、3.0 V)新生根系的生長(zhǎng)受到抑制；各處理組的苦草根系平均直徑在0.3～0.4 mm之間波動(dòng)，差異不顯著(P<0.05)，表明不同電壓對(duì)苦草的根系直徑影響不大(圖3).

圖3 苦草根系形態(tài)的變化Fig.3 Changes of roots’ morphological features of Vallisneria natans

2.5 直流電場(chǎng)對(duì)苦草葉片總?cè)~綠素和丙二醛含量的影響

光合作用是植物體內(nèi)非常重要的代謝過(guò)程，其強(qiáng)弱對(duì)植物生長(zhǎng)及其抗逆性有重要的影響，光合色素是光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，葉綠素含量的高低能在很大程度上反映植物的生長(zhǎng)狀態(tài)和光合能力[24]. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)電壓為0.5V時(shí)，苦草葉片的總?cè)~綠素含量與對(duì)照組相比顯著增加(P<0.05)，表明合適的低壓條件可以促進(jìn)葉綠素的合成；當(dāng)電壓為1.5和3.0V時(shí)，總?cè)~綠素含量與對(duì)照組相比顯著減少(P<0.05)，表明過(guò)高的電壓會(huì)抑制苦草的光合作用，不利于其生長(zhǎng)；當(dāng)電壓為0.2和1.0V時(shí)，總?cè)~綠素含量與對(duì)照組差異不顯著(P>0.05)(圖4).

圖4 苦草葉片總?cè)~綠素和丙二醛含量的變化(不同字母表示處理組差異顯著，P<0.05)Fig.4 Changes of total chlorophyll and MDA content in leaves of Vallisneria natans

在逆境條件下，植物的細(xì)胞膜脂會(huì)加速氧化，活性氧增加，膜的結(jié)構(gòu)和功能受到破壞. 丙二醛是細(xì)胞膜脂過(guò)氧化的最終產(chǎn)物，是衡量膜脂過(guò)氧化程度的一個(gè)最重要的指標(biāo)[25]. 在電刺激的情況下，苦草的細(xì)胞膜會(huì)發(fā)生一定程度的過(guò)氧化，通過(guò)測(cè)定丙二醛含量的變化可以反映出苦草在生理層面上對(duì)電場(chǎng)刺激的響應(yīng). 在較低電壓(0.2、0.5、1.0V)刺激下，苦草葉片中丙二醛含量隨著電壓升高表現(xiàn)出緩慢增加的趨勢(shì)，但與對(duì)照組相比沒(méi)有顯著差異(P>0.05)，表明苦草具有一定的耐低壓性；當(dāng)電壓達(dá)到1.5V時(shí)，苦草葉片中丙二醛含量快速升高，與對(duì)照組差異顯著(P<0.05)，表明在此電壓下苦草已經(jīng)表現(xiàn)出明顯的抗逆性，膜結(jié)構(gòu)受到一定程度的破壞；當(dāng)電壓達(dá)到3.0V時(shí)，丙二醛含量與對(duì)照組相比大幅度升高，與對(duì)照組差異極顯著(P<0.01)，表明在此電壓下苦草的葉片膜結(jié)構(gòu)已經(jīng)受到相當(dāng)嚴(yán)重的破壞(圖4).

3 結(jié)論與討論

1)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明一定強(qiáng)度的電場(chǎng)能夠促進(jìn)苦草的生長(zhǎng)，在0～1.0V電壓范圍，苦草生長(zhǎng)受到的促進(jìn)作用隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加，當(dāng)電壓達(dá)到3.0V時(shí)，苦草的生長(zhǎng)受抑制. 0.5V電壓處理組的新芽數(shù)目和根尖數(shù)達(dá)到最多，生物量增加最多，表明外加電場(chǎng)可以促進(jìn)植物細(xì)胞的分裂和增生. 已有研究表明，靜電場(chǎng)能提高種子活力，增加植物的抗逆性[26-28]，誘導(dǎo)ATP合成，加速酶活化，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育；受微電流的刺激，植物細(xì)胞膜電位會(huì)增加，細(xì)胞分裂素產(chǎn)生定向遷移，促進(jìn)細(xì)胞的增殖；同時(shí)微電流可以提高細(xì)胞膜的通透性，增加物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)能力，刺激植物增長(zhǎng)[29-30]，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與這些植物電生理研究的結(jié)果相一致.

2)苦草的丙二醛含量在1.5和3.0V電壓處理下顯著增加，表明電場(chǎng)對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的促進(jìn)作用具有一定的閾值，強(qiáng)度過(guò)高的電場(chǎng)會(huì)紊亂植物細(xì)胞內(nèi)的正常代謝反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞膜脂過(guò)氧化，破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，甚至擊穿細(xì)胞，導(dǎo)致細(xì)胞死亡.Janositz等觀察了煙葉細(xì)胞對(duì)不同強(qiáng)度電場(chǎng)的反應(yīng)，高強(qiáng)度電場(chǎng)可以擊穿細(xì)胞壁，導(dǎo)致原生質(zhì)體收縮、細(xì)胞碎裂[31]. 不同類(lèi)型的植物對(duì)電場(chǎng)響應(yīng)的閾值差別很大，而且還受到多種因素的共同制約，如植物組織細(xì)胞的大小、細(xì)胞壁的厚薄和處理時(shí)間等[32]. 沉水植物由于其完全水生的特點(diǎn)，對(duì)外界的刺激響應(yīng)更加敏感，因此對(duì)電場(chǎng)刺激的閾值應(yīng)該比陸生植物和挺水植物更低，Lu等[20]在利用外加電場(chǎng)提高人工濕地的去污能力時(shí)，發(fā)現(xiàn)挺水植物美人蕉對(duì)外加電場(chǎng)刺激反應(yīng)的閾值在5～7V之間，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)沉水植物苦草對(duì)外加電場(chǎng)刺激反應(yīng)的閾值在0.5～1.0V之間，證實(shí)了沉水植物對(duì)電場(chǎng)刺激更敏感.

3)上覆水的酸度隨著電壓的升高而增加，表明電修復(fù)技術(shù)能促進(jìn)水體的酸化，時(shí)文歆等在探究污染土壤電修復(fù)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)，電修復(fù)可以促進(jìn)土壤的酸化[33]，導(dǎo)致pH值降低的原因是，當(dāng)電壓達(dá)到一定范圍時(shí)，陽(yáng)極處的水發(fā)生電解，產(chǎn)生的H+在電場(chǎng)作用下向陰極遷移，使經(jīng)過(guò)之處的pH值下降.

4)上覆水的溶解氧濃度比初始值顯著降低，通電在理論上應(yīng)該不會(huì)直接導(dǎo)致水體中的溶解氧濃度降低，因?yàn)樵陔娊膺^(guò)程中陰極附近存在大量的陽(yáng)離子，氧氣不會(huì)在陰極發(fā)生電解，當(dāng)電壓達(dá)到3.0V時(shí)氧氣依然不會(huì)發(fā)生電解，此組溶解氧比對(duì)照組顯著降低的現(xiàn)象應(yīng)該是植物生長(zhǎng)不利甚至發(fā)生腐爛大量耗氧導(dǎo)致的；此外通電會(huì)加速水體和沉積物中各種離子的遷移轉(zhuǎn)化，可能會(huì)加大水體中氧氣的消耗，此實(shí)驗(yàn)后續(xù)應(yīng)該進(jìn)一步探究通電對(duì)水體和沉積物中生化反應(yīng)的影響，以證實(shí)此種推測(cè)，另外測(cè)量的時(shí)間選在早晨植物尚未進(jìn)行光合作時(shí)也是導(dǎo)致溶解氧濃度偏低的一個(gè)原因.

5)通電會(huì)導(dǎo)致沉積物(表層5cm)中的氧化還原電位下降. 付融冰等研究表明植物根系的泌氧作用可以提高根區(qū)的氧化能力[34]，所以氧化還原電位可以從一定程度上反映植物根系的健康狀態(tài)，如本實(shí)驗(yàn)中3.0V電壓處理組的沉積物形成了很強(qiáng)的還原環(huán)境，從側(cè)面反映出苦草的生長(zhǎng)受到了強(qiáng)烈脅迫，尤其是根系向沉積物中泌氧的能力受到強(qiáng)烈抑制[35]，部分根系甚至有腐爛跡象.

通過(guò)模擬系統(tǒng)內(nèi)的苦草對(duì)不同強(qiáng)度的外加電場(chǎng)的響應(yīng)，可以得出在閾值范圍內(nèi)施加電場(chǎng)有助于苦草生長(zhǎng)的結(jié)論，這為利用外加電場(chǎng)促進(jìn)沉水植物修復(fù)和污染治理的想法提供了理論依據(jù)，本實(shí)驗(yàn)一些現(xiàn)象的機(jī)理尚有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)探究，同時(shí)，由于實(shí)際環(huán)境復(fù)雜多變，電場(chǎng)與植物的復(fù)合應(yīng)用離實(shí)際應(yīng)用尚有一段距離，更多影響因素也有待進(jìn)一步研究.

[1]QinBoqiang,GaoGuang,ZhuGuangweiet al.Lakeeutrophicationanditsecosystemresponse. Chin Sci Bull, 2013, 58(10): 855-864(inChinesewithEnglishabstract). [秦伯強(qiáng), 高光, 朱廣偉等. 湖泊富營(yíng)養(yǎng)化及其生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng). 科學(xué)通報(bào), 2013, 58(10): 855-864.]

[2]GaoBo,YanXiaoyuan,JiangXiaosanet al.ResearchprogressinestimationofagriculturalsourcespollutionoftheLakeTaihuregion. J Lake Sci, 2014, 26(6): 822-828(inChinesewithEnglishabstract).DOI: 10.18307/2014.0602.[高波, 顏曉元, 姜小三等. 太湖地區(qū)農(nóng)業(yè)源污染核算研究進(jìn)展. 湖泊科學(xué), 2014, 26(6): 822-828.]

[3]FengMuhua,PanJizheng,KeFanet al.Waterpollutionofpost-minedlandsinLakeFuxianwatershedinYunnanProvince. J Lake Sci, 2008, 20(6): 766-772(inChinesewithEnglishabstract).DOI: 10.18307/2008.0615.[馮慕華, 潘繼征, 柯凡等. 云南撫仙湖流域廢棄磷礦區(qū)水污染現(xiàn)狀. 湖泊科學(xué), 2008, 20(6): 766-772.]

[4]DengRenchang,HuangYuehua,JiangBo.Theecologicalrestorationofsubmergedmacrophyteintheshalloweutrophiclakes. Water Resources Protection, 2008, 24(1): 56-57(inChinesewithEnglishabstract). [鄧仁昌, 黃月華, 姜波. 沉水植物在淺水富營(yíng)養(yǎng)湖泊中的生態(tài)修復(fù)作用. 水資源保護(hù), 2008, 24(1): 56-57.]

[5]WuZhenbin,QiuDongru,HeFenget al.Effectofrehabilitationofsubmergedmacrophytesonmutrientlevelofaeutrophiclake. Chinese Journal of Applied Ecology, 2003, 14(8): 1351-1353(inChinesewithEnglishabstract). [吳振斌, 邱東茹, 賀鋒等. 沉水植物重建對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體氮磷營(yíng)養(yǎng)水平的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2003, 14(8): 1351-1353.]

[6]FangYunying,YangXiaoe,ChangHuiqinget al. In-situremediationofpollutedwaterbodybyplantinghydrophytes. Chinese Journal of Applied Ecology, 2008, 19(2): 407-412(inChinesewithEnglishabstract). [方云英, 楊肖娥, 常會(huì)慶等. 利用水生植物原位修復(fù)污染水體. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2008, 19(2): 407-412.]

[7]FavasPJC,PratasJ,PrasadMNV.Accumulationofuraniumbyaquaticplantsinfieldconditions:Prospectsforphytoremediation. Science of the Total Environment, 2014, 470: 993-1002.

[8]MichaelHH,TomSH,TimJFet al.InsituphytoremediationofPAH-andPCB-contaminatedmarinesedimentswitheelgrass(Zostera marina). Ecological Engineering, 2009, 35: 1395-1404.

[9]ZouLisha,NieZeyu,YaoXiaoyanet al.Effectsoflightonsubmergedmacrophytesineutrophicwaterresearchprogress. Chinese Journal of Applied Ecology, 2013, 24(7): 2073-2080(inChinesewithEnglishabstract). [鄒麗莎, 聶澤宇, 姚笑顏等. 富營(yíng)養(yǎng)化水體中光照對(duì)沉水植物的影響研究進(jìn)展. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 24(7): 2073-2080.]

[10]LiHuijuan,NiLeyi.TheeffectsofchlorophytaonthegrowthofsubmergedmacrophyteVallisneria natans:alaboratoryexperiment. J Lake Sci, 2007, 19(2): 111-117(inChinesewithEnglishabstract).DOI: 10.18307/2007.0201.[黎慧娟, 倪樂(lè)意. 浮游綠藻對(duì)沉水植物苦草生長(zhǎng)的抑制作用. 湖泊科學(xué), 2007, 19(2): 111-117.]

[11]QinBoqiang.Principlesandapproachforlakeecologicalrestoration. Acta Ecologica Sinica, 2007, 27(11): 4848-4858(inChinesewithEnglishabstract). [秦伯強(qiáng). 湖泊生態(tài)恢復(fù)的基本原理與實(shí)現(xiàn). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2007, 27(11): 4848-4858.]

[12]YanZS,GuoHY,SongTSet al.ToleranceandremedialfunctionofrootedsubmersedmacrophyteVallisneria spiralistophenanthreneinfreshwatersediments. Ecological Engineering, 2011, 37:123-127.

[13]LimJM,SalidoAL,ButcherDJ.PhytoremediationofleadusingIndianmustard(Brassica juncea)withEDTAandelectrodics. Microchemical Journal, 2004, 76:3-9.

[14]ChandrasekharK,MohanSV.Bio-electrochemicalremediationofrealfieldpetroleumsludgeasanelectrondonorwithsimultaneouspowergenerationfacilitatesbiotransformationofPAH:Effectofsubstrateconcentration.Bioresource Technology, 2012, 110: 517-525.

[15]ChiranjeeviP,RashmiC,MohanSV.Ecologicallyengineeredsubmergedandemergentmacrophytebasedsystem:Anintegratedeco-electrogenicdesignforharnessingpowerwithsimultaneouswastewatertreatment. Ecological Engineering, 2013, 51: 181-190.

[16]GaoWeina,GuXiaoqing.Thebiologicaleffectsofhighvoltageelectrostaticfieldonplants. Progress in Modern Biomedicine, 2006, 6(7): 60-62(inChinesewithEnglishabstract). [高偉娜, 顧小清. 高壓靜電場(chǎng)對(duì)植物生物學(xué)效應(yīng)的研究進(jìn)展. 現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)進(jìn)展, 2006, 6(7): 60-62.]

[17]CaoYongjun,XiGang,SongQinget al.Effectsoflong-termtreatmentwithdifferentelectrostaticfieldsonphotosyntheticandphysiologicalindicesofthreecrops. Journal of South China Agricultural University, 2007, 28(1): 86-90(inChinesewithEnglishabstract). [曹永軍, 習(xí)崗, 宋清等. 不同強(qiáng)度靜電場(chǎng)長(zhǎng)期處理對(duì)3種作物幾種光合生理指標(biāo)的影響. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 28(1): 86-90.]

[18]CaoYongjun,ChengPing,WangYanli.Effectsofsomephysiologicalindexinleavesofcropswhentheseedsweretreatedwithdifferentelectricfield. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2010, 26(10): 156-159(inChinesewithEnglishabstract).[曹永軍, 程萍, 王燕鸝. 不同靜電場(chǎng)處理種子對(duì)作物葉片幾種生理指標(biāo)的影響. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2010, 26(10): 156-159.]

[19]ShengGenxiang,ZhouHaihua,LuoQishiet al.Effectsandmechanismsofdirectcurrentfieldsonrhizosphericsoilmicrobialcommunities. Journal of Agro-Environment Science, 2008, 27(3): 920-925(inChinesewithEnglishabstract). [沈根祥, 周?；? 羅啟仕等. 直流電場(chǎng)對(duì)根際土壤微生物群落的影響及其機(jī)理. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 27(3): 920-925.]

[20]LuSB,SongXS,ZhangTet al.Physiologicalandbiochemicalresponseofartificialwetlandplantunderelectricfield. Agricultural Science & Technology, 2010, 11(5): 121-124.

[21]WangYongping,QinBoqiang.AcomparisononmorphologyandanatomyofVallisneria natansfromoligotrophicandeutrophiclakes. J Lake Sci, 2011, 23 (1): 56-60(inChinesewithEnglishabstract).DOI: 10.18307/2011.0109.[王永平, 秦伯強(qiáng). 貧、富營(yíng)養(yǎng)湖泊中苦草的形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)比較. 湖泊科學(xué), 2011, 23(1): 56-60.]

[22]ChinaEPAed.Measuringandanalyzingmethodsforwaterandwastewater(thefourthedition).Beijing:ChinaEnvironmentalSciencePress, 2002: 266-268(inChinese).[國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局. 水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第四版). 北京: 中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社, 2002: 266-268.]

[23]TangZhangchenged.Experimentalguideofmodernplantphysiology.Beijing:SciencePress, 1999: 95-306(inChinese).[湯章城. 現(xiàn)代植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指南. 北京: 科學(xué)出版社, 1999: 95-306.]

[24]LiuZhenya,LiuZhenqi.Photosynthesisinheritanceofcropsandtheapplicationinbreeding(thefirstchapter).Beijing:ChineseAgriculturePress, 1993: 168-183(inChinese).[劉振亞, 劉貞琦. 作物光合作用的遺傳及其在育種中的應(yīng)用研究進(jìn)展(第1章). 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社, 1993: 168-183.]

[25]ZhangChaolan,ChenWenhui,WeiBimaoet al.EffectsofCadmiumonthephysiologicalandbiochemicalreactionsofseveralkindsofwetlandplants. Ecology and Environment, 2008, 17(4): 1458-1461(inChinesewithEnglishabstract). [張超蘭, 陳文慧, 韋必帽等. 幾種濕地植物對(duì)重金屬鎘脅迫的生理生化響應(yīng). 生態(tài)環(huán)境, 2008, 17(4): 1458-1461.]

[26]RomanaR,IgorJ,NadaG.Effectsofweaklow-frequencymagneticfieldsonspruceseedgerminationunderacidconditions. Canadian Journal of Forest Research, 2011, 28(4): 609-616.

[27]DengHongmei,HanHanbing,XiongJianping.Effectofhighvoltageelectrostaticfieldonthephysiologicalindexesofcucumberseedduringgerminationperiod. Journal of Wuhan Botanical Research, 2006, 26(1): 87-89(inChinesewithEnglishabstract). [鄧紅梅, 韓寒冰, 熊建平. 高壓靜電場(chǎng)對(duì)黃瓜種子萌發(fā)期生理指標(biāo)的影響. 武漢植物學(xué)研究, 2006, 26(1): 87-89.]

[28]WuXuhong,SunWeimin,ZhangHongyanet al.Bioticeffectsofelectricfieldonpumpkinseedsduringsproutingperiodandgrowthofseeding. Seed, 2004, 23(2): 27-30(inChinesewithEnglishabstract). [吳旭紅, 孫為民, 張紅燕等. 高壓靜電場(chǎng)對(duì)南瓜種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的生物學(xué)效應(yīng). 種子, 2004, 23(2): 27-30.]

[29]WuXuhong,SunWeimin,ZhangHongyan.Effectsofhighvoltageelectrostaticfieldonbioticaleffectofplant. Heilongjiang Agricultural Sciences, 2005, (2): 44-46(inChinesewithEnglishabstract). [吳旭紅, 孫為民, 張紅燕. 靜電場(chǎng)對(duì)植物的生物學(xué)效應(yīng). 黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué), 2005, (2): 44-46.]

[30]KnorrD.Impactofnon-thermalprocessingonplantmetabolites. Journal of Food Engineering, 2003, 56: 131-134.

[31]JanositzA,KnorrD.MicroscopicvisualizationofPulsedElectricFieldinducedchangesonplantcellularlevel. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 2010, 11: 592-597.

[32]AmmarJB,lanoiselleJL,LebovkaNIet al.Impactofapulsedelectricfieldondamageofplanttissues:effectsofcellsizeandtissueelectricalconductivity. Journal of Food Science, 2011, 76(1): 90-97.

[33]ShiWenxin,QiuXiaoxia,YuShuiliet al.Studyonelectrokineticremediationofheavymetal-contaminatedsoilsandgroundwater. Journal of Harbin University of Commerce (Sciences Edition), 2003, 19(6): 671-673(inChinesewithEnglishabstract). [時(shí)文歆, 邱曉霞, 于水利等. 重金屬污染土壤和地下水的動(dòng)電修復(fù)技術(shù). 哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2003, 19(6): 671-673.]

[34]FuRongbin,ZhuYiping,YangHaizhenet al.DOandORPconditionsandtheircorrelationwithplantrootdistributioninacontinuous-flowconstructedwetlandtreatingeutrophicwater. Acta Scientiae Circumstantiae, 2008, 28(10): 2036-2038(inChinesewithEnglishabstract). [付融冰, 朱宜平, 楊海真等. 連續(xù)流濕地中DO、ORP狀況及與植物根系分布的關(guān)系. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 28(10): 2036-2038.]

[35]WangWenlin,WangGuoxiang,WanYinjinget al.TheinfluenceoflightandgrowthstageonoxygendiffusioncapacityofAcorus calamusroots. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(12): 3688-3696(inChinesewithEnglishabstract). [王文林, 王國(guó)祥, 萬(wàn)寅婧等. 光照和生長(zhǎng)階段對(duì)菖蒲根系泌氧的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(12): 3688-3696.]

Effect of direct-current electric field on the growth of submerged macrophyte Vallisneria natans

LI Xiaohong1,2, YAN Zaisheng1& JIANG Helong1**

(1:StateKeyLaboratoryofLakeScienceandEnvironment,NanjingInstituteofGeographyandLimnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,P.R.China) (2:UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,P.R.China)

Submerged macrophytes play an important role in maintaining the ecosystem balance of lakes and are used widely in the remediation of contaminated water and sediment. Electric field provides a new technological approach to enhance the restoration of submerged plants. In this study, the growth performance and physiological response ofVallisnerianatansunder different voltage intensities were investigated. The results show that the voltage ranging from 0.2 to 1.0 V can stimulate the growth ofVallisneranatans, while the voltage ranging from 1.5 to 3.0 V can inhibit the growth. The obvious stimulation was observed under the voltage of 0.5 V. Compared with the control experiment, the obvious increase in the aspects of biomass, average stem length, average leaf length, the number of root tips, the number of buds and the content of total chlorophyll were observed. The plants grew worst under the voltage of 3.0 V, and some of them ended up wilting even death. The content of total chlorophyll in their leaves strikingly decreased but the content of MDA markedly increased, which showed the plants suffered serious stress. The temperature of overlying water did not change obviously among different voltages. The pH of overlying water dropped remarkably under the voltage of 1.0, 1.5 and 3.0 V, close to neutral. The content of dissolved oxygen decreased markedly under the voltage of 3.0 V. The redox potential of 5 cm under the sediment surface decreased sharply when the voltage was raised, and finally inhibited the growth ofVallisneranatans. Thus, these findings show that the voltage ranging from 0.2 to 1.0 V will contribute to the growth ofVallisneranatansand enhance the restoration of plants, while the voltage ranging from 1.5 to 3.0 V will damage the tissues ofVallisneranatans, resulting in worsening the living condition and inhabiting the growth ofVallisneranatans.

Direct-current electric field; submerged macrophyte;Vallisneranatans; growth; physiology

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51379199)、國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2012ZX07101-010)和中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目(KZCXZ-EW-314)聯(lián)合資助. 2015-08-31 收稿; 2015-12-07收修改稿. 李曉紅(1990～)，女，碩士；E-mail：xiaohongqingtai@163.com.

**通信作者; E-mail: hljiang@niglas.ac.cn.