富营养化水体中光照对黑藻生长的影响

王素梅,潘伟斌,黄 华

(华南理工大学环境科学与工程学院,广东广州 510006)

富营养化水体中光照对黑藻生长的影响

王素梅,潘伟斌,黄 华

(华南理工大学环境科学与工程学院,广东广州 510006)

通过模拟实验研究富营养化水体中光照对黑藻生长的影响,探索适合黑藻生长的光照条件。设置3个日平均光照水平,分别为6284lx、3913lx、3196lx,测定各个光照条件下的黑藻生长指标和抗氧化系统酶活性指标。结果表明:黑藻在3种光照条件下均可存活,且对水质具有较好的处理效果。其中6 284lx、3 913lx这2种光照条件下黑藻的生长指标和抗氧化系统酶活性指标均无显著差异,但均与3196lx时的这2项指标差异显著。结果显示,在3196lx时黑藻所受胁迫最大,生长状况最差;且推测光照达到一定强度时有可能抑制黑藻的生长。

富营养化;光照;黑藻;沉水植物

种植沉水植物是治理富营养化水体、修复受污染水体的一种有效措施,但沉水植物的生长受到光照、溶氧、营养盐、温度、pH等多种环境因素的影响。Ensminger等[1-3]的研究指出,光照对于沉水植物的生长和生理活性具有重要影响。

黑藻是治理富营养化水体的一种重要沉水植物,通过实验室模拟实验,研究富营养化水体中光照对黑藻生长的影响,探索适合黑藻生长的光照条件,可为城区富营养化浅水池塘的治理工作提供参考和借鉴。笔者用生长指标(生物量、茎叶干重比、分枝数)和抗氧化系统酶活性指标(超氧化物歧化酶活性(SOD)、过氧化物酶活性(POD))评价黑藻的生长状况。生长指标可直观地反映植物的生长情况,因此,定期对生长指标进行记录,以获得对植物的生长情况的直观认识。SOD、POD是植物体内抗氧化系统的2种重要保护酶。当植物遭受逆境以及衰老时,体内活性氧产生与清除的代谢系统发生变化,严重时会失调,导致活性氧在体内的过量积累,从而对植物造成伤害。而SOD、POD等抗氧化系统保护酶能有效地阻止O2和H2O2在植物细胞内的累积,使生物自由基的产生和清除维持动态平衡,从而防止自由基毒害[4-5]。因此,可从植物体内保护酶的活性来推断植物生长所受到的胁迫程度。

1 材料与方法

1.1 材料

实验供试水体和底泥采自华南理工大学西湖,水质与底泥的化学指标见表1。计算供试水体的修正Carlson营养状态指数大于70,表明该水体为重富营养化程度[6];黑藻采自广州市乌涌,植株平均鲜重为0.74g/株,截取长势良好的植株顶枝10cm用于扦插。

表1 水体及底泥化学指标

1.2 研究方法

用外表覆盖黑色塑料膜的白色塑料圆桶模拟封闭池塘环境,桶高70cm,直径40cm。利用水深设置光照梯度,具体方法为:向每个实验桶中加入底泥10cm,覆建筑细沙2cm,注水至25cm深度,静置1 d,然后扦插黑藻,再静置2 d后继续注水,使水深分别为30cm 、40cm 、55 cm,作为强 、中 、弱光照组 。 每个处理设2个平行。所有试验桶均放在室外自然光照的地方,接收自然降水。实验一共持续6周。每天测定 8:00、10:00、12:00、14:00、16:00、18:00 时各实验桶底泥之上5cm处的光照强度,取其平均值为日平均值,再将各日的平均值进行平均即为实验期间的日平均光照强度,强、中、弱3个光照强度分别为6 284lx、3913lx、3196lx;每周测定黑藻的SOD、POD;实验结束时测定植物生物量、分枝数、茎叶干重比等生长指标。

1.3 分析测定方法

水质:TN,过硫酸钾氧化紫外分光光度法;TP,钼锑抗分光光度法;COD,快速密闭催化消解法;叶绿素a,乙醇萃取分光光度法[7-8]。底质:有机质,重铬酸钾容量法[9];TN、TP,见《水和废水监测分析方法》[7]。植物酶活性测定方法见《植物生理学实验指导》[10]。

1.4 数据处理方法

数据采用SPSS和Excel软件进行处理。

2 结果与讨论

2.1 不同光照对黑藻生长指标的影响

实验结束时各光照条件下黑藻的生物量、分枝数和茎叶干重比见图1。

叶片是植物进行光合作用的主要场所。弱光照下,植物叶片接收到的光照较少。为了获得更多的光照,植物生长过程中主要进行茎的生长,因此叶片所占比重较小。叶片少导致植物光合作用较弱,新陈代谢不强,植物体内积累的营养物质较少,表现为植物的生物量(鲜重)和分枝数较少。因此,植物生物量、分枝数和茎叶干重比等生长指标从一定程度上反映了植物的生长状况。由图1可见,6284 lx、3913 lx 2个光照水平下黑藻的植物生物量和分枝数均明显大于3196lx水平时的值(P＜0.05),其茎叶干重比均明显小于 3 196 lx水平时的值(P＜0.05),即6284lx、3 913 lx 2个光照水平下的生长指标均与3196lx水平时的值存在显著差异。

沉水植物具有光饱和点,当光照强度高于其光饱和点时,光照强度的增加,不但不会促进植物的生长反而可能会抑制植物的光合作用进而抑制其生长。研究结果显示6284lx和3913lx时黑藻的生长状况无显著性差异,推测可能是由于6284lx高于其光饱和点。

图1 实验结束时的黑藻生长指标

从植物生物量、分枝数和茎叶干重比的比较中可见,6284lx和3913lx时植物的生长状况相近,但均比3196lx时明显要好。而6284lx的光照强度可能高于黑藻生长的光饱和点。

2.2 光照对黑藻抗氧化系统酶活性的影响

实验期间各光照条件下黑藻的SOD、POD见图2(第22天低光照条件(3196lx)下的SOD数据遗失,并非为零)。由于实验前期数据处理问题,POD数据来自实验开始22d以后,但基本反映了实验结果的总体趋势。

图2 抗氧化系统酶活性变化

由图2可见,3种光照处理下黑藻的SOD变化步调基本一致。从总体来看,6284lx时SOD最低,3196lx时SOD最高;6284lx、3913lx 2个光照水平下黑藻的POD并无明显差异(P＞0.05),但二者的POD一直显著低于3196lx时的值(P＜0.05)。

在正常条件下,植物体的活性氧产生与清除处于动态平衡。结合光照对黑藻生长指标的影响来看,显然,相对于中(3913lx)、强(6284lx)光照来说,最低光照组光照3196lx已对黑藻的生长构成一定的胁迫,致使植物体内活性氧等自由基升高,而植物体内的SOD、POD活性也随之上升以消除过剩的自由基,减缓膜脂过氧化作用,保证植物的正常生长,因而3196lx时两种酶的活性均高于其他2个水平的光照,其中低光照条件下POD的活性显著高于6284lx、3913lx时的水平。

因此,SOD和POD的数据均表明,6 284 lx和3913lx时黑藻的生长状况比较好,而3196lx时的生长状况最差,受到一定的低光照胁迫。

2.3 不同光照下的水质改善效果

不同光照条件下的水质处理效果见表2。由表2可知,实验结束时,TN的去除率达到93.79%～95.71%,TP去除率为71.79%～80.77%,叶绿素a的去除率为 86.53%～98.43%,COD的去除率为6.90%～33.51%。可见,种植黑藻对水体的营养盐和叶绿素a有显著的去除作用,而对COD的去除效果不明显,并且从表2中可以看出3个不同光照条件下黑藻对水质的改善效果都比较理想,但3种光照条件下黑藻对水质的改善效果无明显差别,即使在弱光照条件下黑藻受到的胁迫最大,也未影响其对水质的改善效果。

表2 不同光照条件下的水质处理效果

3 结 论

综上所述,在本研究的水质、底质以及气候条件下,3种光照水平下黑藻都可存活,但是生长情况有差异。从植物生物量、分枝数、茎叶干重比、SOD、POD等指标可以看出,日平均光照3196lx时黑藻所受到的胁迫最大,生长状况最差。6284lx和3913lx时黑藻的生长状况无显著性差异,推测可能是由于6284lx的光照强度已高于其光饱和点,因此,光照强度的增加不再促进其生长。

3个不同光照条件下黑藻对水质的改善效果都比较理想,即使在弱光照条件下黑藻受到的胁迫最大,也并未影响其对水质的改善效果,但是从植被的重建上来看,接近或高于3900lx的2种光照条件更有利于黑藻的生长。因此,以黑藻为先锋种在富营养化水体重建沉水植被时,控制水底日平均光照强度接近或高于3 900 lx可考虑作为重建沉水植被的初期调控措施。

[1]ENSMINGER I,HAGEN C,BRAUNE W.Strategies providing success in a variable habitat:I.relationships of environmental factors and dominance of Cladophora glomerata[J].Plant Cell and Environment,2000,23(10):1119-1128.

[2]HUDON C,LALONDE S,GAGNON P.Ranking the effects of site exposure,plant growth form,water depth,and transparency on aquatic plant biomass[J].Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences,2000,57:31-42.

[3]吴建强,黄沈发,丁玲,等.水生植物水体修复机理及其影响因素[J].水资源保护,2007,23(4):19-22.

[4]王宝山.生物自由基与植物膜伤害[J].植物生理学通讯,1988(2):12-16.

[5]徐勤松,施国新,杜开和,等.Zn诱导的菹草叶抗氧化酶活性的变化和超微结构损伤[J].植物研究,2001,21(4):569-574.

[6]金相灿.湖泊富营养化调查规范[M].2版.北京:中国环境科学出版社,1990:291-293.

[7]国家环境保护总局,《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法[M].4版.北京:中国环境科学出版社,2002:210-257.

[8]陈宇炜,高锡云.浮游植物叶绿素a含量测定方法的比较测定[J].湖泊科学,2000,12(2):185-188.

[9]鲍士旦.土壤农化分析[M].3版.北京:中国农业出版社,1999:30-38.

[10]陈建勋,王晓峰.植物生理学实验指导[M].2版.广州:华南理工大学出版社,2002:119-121.

Effect of light on growth of Hydrilla verticillata in eutrophic water

WANG Su-mei,PAN Wei-bin,HUANG Hua
(College of Environmental Science and Engineering,South ChinaUniversity of Technology,Guangzhou 510006,China )

By carrying out a laboratory simulation experiment,the effect of light on the growth and physiology ofHydrilla verticillatain eutrophic water was studied,and a light condition suitable for promotingHydrilla verticillatawas determined.Three light intensity levels,daily mean light intensities of 6284lx,3913lx,and 3196lx,were set,and the growth indexes and antioxidant enzyme activity ofHydrilla verticillatain different light conditions were measured.The results indicated thatHydrilla verticillatasurvived in all three light conditions,and each condition had good treatment effectson the water quality.There was no significant difference between the growth indexes and antioxidant enzyme activity ofHydrilla verticillataat the levels of 6284lx and 3913lx,but both were significantly different from the values at the level of 3196lx.Hydrilla verticillatasuffered stress most severely and thus had the worst growth conditions at the level of 3196lx.Light may inhibit the growth ofHydrilla verticillatawhen it reaches a certain intensity.

eutrophication;light;Hydrilla verticillata;submerged macrophyte

X524

A

1004-6933(2010)02-0053-03

王素梅(1985—),女,江西吉安人,硕士研究生,研究方向为生态工程与环境修复。E-mail:wsm_020@163.com

潘伟斌,高工。E-mail:ppwbpan@scut.edu.cn

(收稿日期:2008-11-04 编辑:徐 娟)