不同濃度脫水劑處理對(duì)鳳眼蓮脫水效果及氮磷元素的影響

馬成昊　姜?jiǎng)傩小?李博文　李曉瑞　張龍　楊碧楠　明鳳

摘? 要： 將一種新型脫水劑應(yīng)用于鳳眼蓮（）脫水，并用自動(dòng)進(jìn)樣器和iCAP7600電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，分別通過(guò)定氮蒸餾法和微波消解法來(lái)測(cè)量鳳眼蓮樣品鮮重以及氮磷含量.結(jié)果表明：鳳眼蓮樣品經(jīng)脫水劑以30 μL?m用量處理過(guò)后，在4～6 d后便可出現(xiàn)明顯的葉片枯黃、莖稈萎蔫等癥狀，其鮮重在脫水12 d后下降了約50%.而鳳眼蓮樣品經(jīng)脫水劑以60 μL?m和120 μL?m用量處理12 d后，其氮和磷的含量變化并不顯著，這說(shuō)明用該脫水劑處理鳳眼蓮不會(huì)給外部環(huán)境帶來(lái)氮磷富集的影響.

關(guān)鍵詞： 新型脫水劑; 氮磷富集; 鳳眼蓮（）

中圖分類(lèi)號(hào)： Q 945??? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A??? 文章編號(hào)： 1000-5137（2022）01-0039-08

Effects of different concentrations of dehydrating agent on dehydration effect and nitrogen and phosphorus elements of

In this paper， a new dehydrating agent was applied to the dehydration of water hyacinth （）， and the fresh weight， nitrogen and phosphorus content of samples were measured by nitrogen distillation and microwave digestion with automatic sampler and ICAP7600 inductively coupled plasma emission spectrometer， respectively. The results show that under the treatment of 30 μL?m dehydrating agent， the treated samples of water hyacinth can have obvious symptoms such as withered and yellow leaves and wilted stems in 4-6 d， and the fresh weight decreased about 50% after 12 d’s treatment. In addition， we found that after 12 days of treatment with 60 μL?m and 120 μL?m dehydrating agent， the changes of nitrogen and phosphorus content in the samples of water hyacinth are not significant， which shows that the treatment of water hyacinth with the dehydrating agent will not cause nitrogen and phosphorus enrichment to the external environment.

new dehydrating agent; nitrogen and phosphorus enrichment; water hyacinth （）

0? 引 言

鳳眼蓮（（Mart.） Solms）屬雨久花科鳳眼蓮屬，為多年生漂浮性宿根大型水生草本植物，又名鳳眼藍(lán)、水葫蘆，俗稱(chēng)水荷花、水鳳仙子和“豬耳朵”.鳳眼蓮原產(chǎn)南美洲，1901年作為觀(guān)賞植物，從日本引入我國(guó)臺(tái)灣.1930年代，作為畜禽飼料引入到我國(guó)內(nèi)地各省，并作為觀(guān)賞和凈化水質(zhì)的植物推廣種植，后逃逸為野生.1981年至今，水葫蘆處于快速擴(kuò)散階段，呈種群爆發(fā)式增長(zhǎng).其覆蓋面積之廣，已經(jīng)嚴(yán)重影響到水資源利用的各個(gè)方面，如與本地植物競(jìng)爭(zhēng)光照、水分、營(yíng)養(yǎng)和生長(zhǎng)空間，破壞本地水生生態(tài)系統(tǒng)，并且威脅到本地水生生物多樣性.

目前防治鳳眼蓮的方法有很多種，包括生物防治、化學(xué)防治和機(jī)械防治等.化學(xué)防治有一定的短期作用，而且二次污染嚴(yán)重，成本很高.在生物防治法中，如鳳眼蓮象甲培育需要大量資金，且亞熱帶環(huán)境不太適合鳳眼蓮象甲快速生長(zhǎng).相較于前兩種防治方法，物理防治如打撈船和割草機(jī)等控制鳳眼蓮效果較好，但工作效率很低.為解決以上難題，需要在打撈期間或上岸后縮減鳳眼蓮生物體積，降低植株體內(nèi)的含水量，這就要依賴(lài)于高效率、低成本的脫水技術(shù).

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于鳳眼蓮脫水技術(shù)的報(bào)道相對(duì)較少.有適合小規(guī)模去除鳳眼蓮水分的方法，如將含水量為95.8%的鳳眼蓮在溫度25 ℃、濕度68%的環(huán)境下晾曬15 d后，其含水量?jī)H可降至72%;采用烘干設(shè)備進(jìn)行烘干脫水;采用螺旋壓榨脫水方法，達(dá)到殘?jiān)?4%;同時(shí)采用螺旋型擠壓和酸化處理，脫水率可達(dá)69.67%，但是成本高.本文作者以?xún)煞N不同來(lái)源的鳳眼蓮為材料，采用北京三聯(lián)致純環(huán)境科技有限公司提供的脫水劑，進(jìn)行了脫水效果以及營(yíng)養(yǎng)元素評(píng)價(jià)，為其推廣應(yīng)用提供了理論依據(jù).

1? 材料和方法

實(shí)驗(yàn)材料

2020年8月—10月，分兩批次，分別從上海師范大學(xué)奉賢校區(qū)的池塘以及閔行區(qū)水閘管理所紀(jì)王水閘的江河交匯處，采集不同品種鳳眼蓮的樣品（圖1）.江河地區(qū)采集的鳳眼蓮樣品相較池塘采集的樣品，根系更長(zhǎng)且體型更大，葉片更肥厚，葉色更綠（圖2）.

處理方法

1.2.1 脫水劑處理及取樣

脫水劑由北京三聯(lián)致純環(huán)境科技有限公司提供，為一種激素類(lèi)試劑，不含氮磷成分，具體配方目前屬于商業(yè)機(jī)密.用鳳眼蓮樣品采集處的水體，放置在室外長(zhǎng)寬高為35.0 cm×24.5 cm×19.4 cm的收納箱內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng);脫水劑噴施濃度梯度為0，30，60，120和240 μL?m（面積為水盆水面面積），從低濃度開(kāi)始，采用噴壺噴施，盡量避風(fēng)以免產(chǎn)生誤差，每種處理4次生物學(xué)重復(fù).依據(jù)鳳眼蓮單株大小，每盆可以放3～4株，保證每盆水面盡可能被完全覆蓋.每2 d稱(chēng)1次鳳眼蓮鮮重，生物學(xué)重復(fù)要求樣品固定，每次稱(chēng)重前用吸水紙吸干樣品，特別是保證根部的干燥，以免產(chǎn)生誤差;處理前稱(chēng)重1次，之后每4 d取樣稱(chēng)重1次，以保證測(cè)定所選取的相同處理樣品時(shí)，元素含量誤差較小，總處理時(shí)間為16 d.

1.2.2 氮元素含量測(cè)定方法

氮含量的測(cè)定方法采用定氮蒸餾法，采用碳氮自動(dòng)分析儀等儀器設(shè)備，以防止植物體內(nèi)的有機(jī)氮被氧化成氮?dú)猓∟）或其他氮的氧化物而產(chǎn)生測(cè)量誤差.

1.2.2.1 儀器設(shè)備及試劑

儀器：碳氮自動(dòng)分析儀及其附件（德國(guó)Elementar公司，Vario EL Cube元素分析儀）;萬(wàn)分之一精密分析天平（sartorius賽多利斯實(shí)驗(yàn)室精密天平稱(chēng)型號(hào)BSA124S）等.試劑：馬尿酸（二級(jí)），氧化鈷（4 g）.

1.2.2.2 測(cè)定方法

稱(chēng)取5 mg左右的樣品置于錫囊中，制成適合進(jìn)樣的塊狀樣品，并與4 g氧化鈷充分混勻，送入碳氮自動(dòng)分析儀的自動(dòng)進(jìn)樣器中，每15 min為一周期，樣品自動(dòng)進(jìn)入燃燒爐和還原爐，生成的氣體進(jìn)入定量泵，到達(dá)檢測(cè)器，由記錄筆記錄峰值圖譜，數(shù)字顯示儀遂顯示并打印峰高.

同時(shí)測(cè)定氮的測(cè)定感度.用馬尿酸（二級(jí)）做標(biāo)準(zhǔn)，稱(chēng)取30.0～60.0 mg樣品，將測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)樣峰高信號(hào)（mm）減去基準(zhǔn)信號(hào)（空白）作為分母，以標(biāo)準(zhǔn)樣所含氮的質(zhì)量（馬尿酸中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.816%、碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60.3%）作為分子，求出測(cè)定感度（即每毫米記錄信號(hào)峰值代表的氮質(zhì)量，單位mg）.

1.2.2.3 結(jié)果計(jì)算

用樣品峰高信號(hào)（mm）減去基準(zhǔn)信號(hào)，乘以測(cè)定感度，即得到樣品所含氮的質(zhì)量和氮質(zhì)量分?jǐn)?shù).

1.2.3 磷元素含量測(cè)定方法

采用微波消解法測(cè)定樣品磷含量，該方法對(duì)環(huán)境友好，還可減少元素的揮發(fā)損失.

1.2.3.1 儀器設(shè)備及試劑

儀器：iCAP7600電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（美國(guó)ThermoFisher公司）及其附件，萬(wàn)分之一天平等.試劑：實(shí)驗(yàn)用水為超純水（18.25 MΩ?cm），其他試劑有：鹽酸、硝酸、氫氟酸、硼酸、磷標(biāo)準(zhǔn)溶液.

1.2.3.2 測(cè)定方法

用天平稱(chēng)取0.2 g左右樣品置于聚四氟乙烯微波消解罐中，加入一定量的磷標(biāo)準(zhǔn)溶液，空白為相同體積的超純水;把烘干研磨成粉末狀的鳳眼蓮樣品置于微波消解罐中，加水濕潤(rùn)，然后分別加入3 mL鹽酸、3 mL硝酸，1 mL氫氟酸，輕輕搖勻，蓋緊消解罐，放入微波消解爐中，按微波消解儀規(guī)程操作，并根據(jù)所設(shè)定的程序消解試料. 待消解程序完成，消解罐冷卻至室溫后，打開(kāi)消解罐，加入 10 mL硼酸溶液，混勻，放置30 min后，將溶液全部轉(zhuǎn)移至100 mL的塑料容量瓶中，以水定容到50 mL，混勻.

調(diào)整并預(yù)熱好儀器，在確定的儀器工作條件下將空白試劑和待測(cè)試劑依次導(dǎo)入電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀，分別測(cè)定各待測(cè)元素在相同分析線(xiàn)處的光譜強(qiáng)度，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)計(jì)算出各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

1.2.4 數(shù)據(jù)分析

本次實(shí)驗(yàn)通過(guò)Excel軟件對(duì)鳳眼蓮的脫水處理前后的鮮重變化以及氮磷含量的變化進(jìn)行記錄處理;采用Student’s -test進(jìn)行單因素方差分析;通過(guò)Prism軟件繪制成圖表.

2? 結(jié)果與分析

不同濃度脫水劑處理后植株表型的效果評(píng)價(jià)

采用1.2.1節(jié)所述方法對(duì)鳳眼蓮樣品進(jìn)行脫水處理，圖3為在不同濃度的脫水劑處理下鳳眼蓮隨著時(shí)間遞增的脫水效果.圖3表明：相較于對(duì)照組，在各濃度的脫水劑處理下，池塘鳳眼蓮樣品4 d后便可觀(guān)察到明顯的萎蔫、枯葉的情況（圖3（a））;而江河鳳眼蓮樣品由于含水量更高，脫水處理6 d后才發(fā)現(xiàn)相同的狀況（圖3（b）），說(shuō)明脫水劑對(duì)不同品種的鳳眼蓮都有著極佳的脫水效果.

不同濃度脫水劑處理后的鳳眼蓮的鮮重變化

圖4為不同濃度脫水劑處理后兩種鳳眼蓮樣品隨時(shí)間的鮮重變化.由圖4可知：相較于對(duì)照組，無(wú)論是池塘取樣還是江河取樣的鳳眼蓮樣品在經(jīng)至少30 μL?m濃度的脫水劑處理4 d后，鮮重都出現(xiàn)了明顯下降，且隨時(shí)間下降越來(lái)越快.脫水劑處理12 d后，發(fā)現(xiàn)兩種鳳眼蓮樣品的鮮重均下降了約50%，這說(shuō)明該脫水劑對(duì)鳳眼蓮有較好的脫水效果.

為了進(jìn)一步比較不同濃度脫水劑對(duì)鳳眼蓮鮮重的減少效果，以各濃度脫水劑處理的樣品初始的鮮重作為參考值，比較8～12 d后鮮重與相應(yīng)參考值的比值大小來(lái)衡量鳳眼蓮鮮重的變化情況，發(fā)現(xiàn)脫水劑對(duì)江河樣品的脫水效果更好.在12 d后，對(duì)照組的鮮重變化與處理組的鮮重變化差值約為100%，即脫水處理12 d的江河地區(qū)鳳眼蓮脫去了75%的水分（圖4（a））;而池塘地區(qū)的鳳眼蓮樣品脫去了約125%的水分（圖4（b））.并且發(fā)現(xiàn)，各濃度脫水劑對(duì)鳳眼蓮的脫水效果差異不大（圖4（c）、4（d））.因此，可以選擇低濃度的脫水劑，以減少成本和對(duì)環(huán)境的影響.

不同濃度脫水劑處理下鳳眼蓮樣品的氮磷含量變化

用1.2.2節(jié)所述方法對(duì)池塘樣品的氮含量進(jìn)行了檢測(cè)，表1為池塘鳳眼蓮樣品氮磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化情況分析.由表1可知：經(jīng)60 μL?m和120 μL?m濃度脫水劑處理12 d后，其氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降了約27%，但較未處理過(guò)的鳳眼蓮（下降50%），經(jīng)脫水劑處理過(guò)的鳳眼蓮氮含量變化相對(duì)較小;未經(jīng)脫水處理的池塘鳳眼蓮樣品的磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在12 d后下降了44.44%，而經(jīng)不同濃度脫水劑處理的池塘鳳眼蓮樣品在12 d后最多只下降了36.11%.總體來(lái)說(shuō)，經(jīng)脫水劑處理后，池塘地區(qū)的鳳眼蓮樣品仍然保留了較高的氮磷含量.

總而言之，在用60 μL?m和120 μL?m脫水劑處理4 d后，池塘鳳眼蓮樣品的磷含量有顯著變化，而在12 d左右，江河鳳眼蓮樣品的磷含量發(fā)生顯著性變化，這說(shuō)明脫水劑可能對(duì)江河地區(qū)鳳眼蓮的磷流失有較好的遏制作用.也有其他相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道：用切割法處理可以實(shí)現(xiàn)鳳眼蓮脫水的功效，但切割處理3 d后的鳳眼蓮硝態(tài)氮含量急劇下降，隨后增加，6周后達(dá)到最大值;可溶性正磷酸鹽在切割處理的鳳眼蓮中也顯示出高濃度.綜上所述，用一定濃度的脫水劑處理不會(huì)導(dǎo)致鳳眼蓮植物體內(nèi)富集的氮和磷元素向外界流失;對(duì)不同品種的鳳眼蓮樣品也有不同的處理效果，特別是氮磷含量較多的江河鳳眼蓮更易處理，可以選擇脫水劑處理12 d后進(jìn)行打撈.

3? 討 論

WANG等的研究結(jié)果表明：鳳眼蓮植株含水量高達(dá)90%以上，脫水處理是其后續(xù)資源化、無(wú)害化利用的關(guān)鍵，也是制約其后續(xù)處理的瓶頸.本研究將一種新的脫水劑應(yīng)用于鳳眼蓮脫水處理，發(fā)現(xiàn)該脫水劑對(duì)上海地區(qū)普遍存在在池塘以及江河區(qū)域生長(zhǎng)的鳳眼蓮有較好的脫水效果，經(jīng)30 μL?m濃度的脫水劑處理12 d后，鳳眼蓮的含水量至少降低約60%;對(duì)于含水量過(guò)高的江河地區(qū)的鳳眼蓮的脫水效果略低于池塘地區(qū)的鳳眼蓮（表2，3）.

對(duì)經(jīng)不同濃度脫水劑處理的所有樣品的氮磷含量進(jìn)行測(cè)定后發(fā)現(xiàn)：處理前后，鳳眼蓮的氮磷含量都沒(méi)有降低的趨勢(shì)，這說(shuō)明用該脫水劑處理鳳眼蓮不會(huì)對(duì)外部環(huán)境造成如氮磷富集等二次污染. 該脫水劑作為一種低磷低氮的激素類(lèi)試劑，可能是通過(guò)抑制植物體內(nèi)相關(guān)生長(zhǎng)素的合成，負(fù)調(diào)控植物體內(nèi)氣孔相關(guān)基因的表達(dá)，從而影響植物根系細(xì)胞的生長(zhǎng)，使植物萎蔫，出現(xiàn)細(xì)胞中液泡變小、吸水能力減弱，進(jìn)而出現(xiàn)鳳眼蓮脫水老化、干化的現(xiàn)象，這可能也與鳳眼蓮鮮重下降密切相關(guān)，其具體的作用機(jī)理有待進(jìn)一步研究.

研究表明：有計(jì)劃地對(duì)鳳眼蓮實(shí)施規(guī)?；刂菩苑N養(yǎng)、機(jī)械化采收，并科學(xué)合理地進(jìn)行后續(xù)處置，可以有效改善水體富營(yíng)養(yǎng)化以及規(guī)避二次污染的風(fēng)險(xiǎn). 不過(guò)機(jī)械化采收面臨回收快但成本昂貴的問(wèn)題.因此，在鳳眼蓮打撈期間或上岸后通過(guò)降低植株體內(nèi)的含水量來(lái)縮減其體積，才是行之有效的方法.而本文所采用的脫水劑既可以有效減少鳳眼蓮的鮮重又可避免氮磷富集污染的發(fā)生.

4? 結(jié) 論

采用一種新型脫水劑對(duì)上海普遍存在的江河和池塘地區(qū)的鳳眼蓮進(jìn)行脫水，結(jié)果表明該脫水劑對(duì)鳳眼蓮有較好的脫水效果. 此外，通過(guò)對(duì)脫水處理組和對(duì)照組氮磷含量的測(cè)定和分析，發(fā)現(xiàn)在脫水規(guī)程中鳳眼蓮的氮磷含量并未顯著下降，因此不會(huì)對(duì)環(huán)境造成氮磷富集的二次污染，是一種安全有效的脫水方法.在后續(xù)工作中將探索它的最大脫水率，并通過(guò)轉(zhuǎn)錄組分析來(lái)挖掘其分子機(jī)制.

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（責(zé)任編輯：顧浩然，郁慧）

收稿日期： 2021-09-21

基金項(xiàng)目： 北京三聯(lián)致純環(huán)境科技有限公司橫向課題

作者簡(jiǎn)介： 馬成昊（1997—），男，碩士研究生，主要從事水生生態(tài)學(xué)及分子育種方面的研究. E-mail： 609262440@qq.com

* 通信作者： 明 鳳（1971—），女，教授，主要從事植物生理學(xué)、花卉種質(zhì)資源創(chuàng)新以及水稻抗病分子機(jī)制等方面的研究.E-mail： fming@fudan.edu.cn

引用格式： 馬成昊， 姜?jiǎng)傩校?李博文， 等. 不同濃度脫水劑處理對(duì)鳳眼蓮脫水效果及氮磷元素的影響 [J]. 上海師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，51（1）：39?46.

?MA C H， JIANG S H， LI B W， et al. Effects of different concentrations of dehydrating agent on dehydration effect and nitrogen and phosphorus elements of??[J]. Journal of Shanghai Normal University（Natural Sciences），2022，51（1）：39?46.