两种沉水植物对水体中乐果的净化作用研究

高 博，贾瑞杨，刘 洋，赵 燕

(曲阜师范大学生命科学学院，山东曲阜 273165)

1 引言

随着人们对有机磷农药需求的日益增长，大量含有有机磷农药的废水被排入水体，并且被水体中的悬浮颗粒物吸附最终沉积到水体底部［1］。水体中残留的有机磷农药导致了水体的富营养化剧增［2］。其中氮磷等营养物质的浓度大增，导致藻类以及大型水生植物的异常繁殖，影响了水生动物的生长繁殖。利用绿色植物系统通过转移、降解等方式修复污染土壤、水体的修复技术，可以有效地吸收水体中的氮磷营养物质，控制水体的富营养化［3］。目前，有关这方面的研究有很多，傅以钢等［4］研究了3种水生植物对水溶液中乐果的降解作用，方焰星等［5］研究了穗状狐尾藻等5种水生植物对污染水体氮磷的净化效果，包先明等［6］研究了种植沉水植物对富营养化化水体沉积物中磷形态的影响，张福林等［7］研究了不同沉水植物对沉积物磷迁移转化的影响，可见有越来越多的研究集中在了水生植物对水体中氮磷元素的净化作用研究上。

本文主要研究了穗状狐尾藻 (Myriophyllum spicatum)和金鱼藻 (Ceratophyllum demersum)这2种沉水植物对水体中有机磷农药残留的净化作用，以及他们在净化过程中的各自的优点。同时还研究了水中有机磷农药的残留对穗状狐尾藻和金鱼藻的毒性作用，揭示了不同的藻类对水体中有机磷残留的去除效果。为去除水中过剩的氮、磷等营养物质，治理水体富营养化提供了切实可行的依据。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

2.1.1 仪器

723N分光光度计，分析天平，移液管，具塞刻度试管，研钵，铁架台，玻璃棒，研钵，100ml小烧杯，容量瓶，大试管，普通试管，注射器，水浴锅，漏斗，漏斗架，滤纸，剪刀，医用手提式蒸气消毒器 (1.1～1.4kg/cm2)。

2.1.2 试剂

硫酸，硝酸，磷酸，过硫酸钾，磷酸二氢钾，抗坏血酸，钼酸铵，80%丙酮，考马斯亮蓝G－250，无水乙醇，牛血清蛋白，茚三酮，冰醋酸，3%磺基水杨酸，甲苯。

2.2 材料与方法

2.2.1 材料

(1)有机磷农药的选取

乐果是一种用途较广、产量较大的杀虫剂，适用于多种作物害虫的防治。并且乐果较易挥发，易散失到水体中，造成水体的富营养化，还可通过食物链的富集作用转移到人体，对人体产生伤害［8］。因此，选择乐果作为试验对象。

(2)穗状狐尾藻与金鱼藻的获得

穗状狐尾藻 (Myriophyllum spicatum)，采于微山湖，采回后在曲阜师范大学生命科学学院环境实验室驯化培养。金鱼藻 (Ceratophyllum demersum)，采于曲阜市小沂河，采回后在曲阜师范大学生命科学学院环境实验室培养。

(3)Hoagland营养液的配置

本实验所用营养液为Hoagland营养液，穗状狐尾藻与金鱼藻种植都用Hoagland(0.25)营养液。营养液的配方主要有: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，FeEDTA溶液2.5ml/L。

(4)藻类的驯化

实验前两周将穗状狐尾藻与金鱼藻分别在实验室内进行训化，并定期观察两种藻类的生长状况，控制驯化过程中的温度、阳光以及pH。两周后生长良好方可进行实验，选取新长出的嫩叶，叶茎完整以及长势较好的部分用于实验。

(5)藻类的培养

分别选取已驯化好的穗状狐尾藻和金鱼藻，仔细清洗附着在其叶茎上的杂物避免其对实验产生干扰，并将金鱼藻和穗状狐尾藻分别平均分成6份(质量，生长状况，嫩叶的新鲜度，颜色)基本相同。接着将他们分别放入12个容量为2L的大烧杯中，均加入1L的Hoagland营养液。配置两个相同的农药梯度 (0.0mg/kg、3.7mg/kg、7.5mg/kg、15.0mg/kg、30.0mg/kg、60.0mg/kg)。并将配置好的6个农药梯度分别投放到6个烧杯中编号 (1号、2号、3号、4号、5号、6号)并记录各个编号的农药梯度。每隔3天分别测量烧杯内农药的残留量，穗状狐尾藻以及金鱼藻的叶绿素，蛋白质以及脯氨酸的含量。

2.2.2 实验方法

(1)培养液中总磷的测定

选用钼酸铵分光光度法 (GB 11893－89)，分别从12个烧杯中取出一定量的试样，经过一系列步骤的处理，在700nm波长下，以水做参比，测定吸光度。扣除空白试验的吸光度后，从标准曲线上查得磷的含量。

(2)设立空白对照

每种藻设置一组空白对照，在培养时加入相应的营养液和蒸馏水代替有机磷农药。

(3)藻类叶绿素a的测定

每隔3天从每一烧杯分别称取穗状狐尾藻和金鱼藻 2mg绿叶，经过一系列处理，于 663nm、645nm的721nm分光光度计中测定其吸光度。

(4)藻类蛋白质的测定

从烧杯中分别准确称取2mg穗状狐尾藻和金鱼藻，处理后于595nm波长721nm分光光度计中测量蛋白质的含量。

(5)藻类脯氨酸的测定

分别从各个烧杯中准确称取穗状狐尾藻和金鱼藻叶片各0.5g，经过一定步骤的处理后，以甲苯为空白对照，在分光光度计上520nm波长处比色，计算出脯氨酸的值。

(6)数据分析

根据试验所得的穗状狐尾藻和金鱼藻的叶绿素a，蛋白质，脯氨酸等不同的含量，从而得出植物的生物指标随着培养液中不同有机磷农药浓度对这3者指标所产生的毒性作用的影响。并且由测得总磷含量，反应出两种沉水植物对有机磷农药的净化作用。

3 结果与分析

3.1 对总磷 (TP)的净化效果

乐果属有机磷类农药，其废水中COD、总磷、无机磷含量极高［9］，BOD5/COD值很小，COD与有机硫的比值也很低［10］，因此对试验各个时期各样品水体中总磷含量的测量，是评价穗状狐尾藻与金鱼藻对有机磷农药乐果净化作用的重要指标。

表1 两种沉水植物的TP含量变化Tab.1 Content variation of TP in two submerged macrophytes

图1 金鱼藻水体中TP含量变化fig.1 Content variation of TP in water with Ceratophyllum demersum

图2 穗状狐尾藻水体中TP含量变化ig.2 Content variation of TP in water with Myriophyllum spicatum

表1记录的试验数据能够作出相应的两种沉水植物的TP含量变化趋势图。通过图1、图2可以看出，在试验初期，低乐果含量的金鱼藻生长水体中，TP含量呈现上升趋势，在后期则有明显下降;而在较高乐果含量的金鱼藻生长水体汇总，TP含量呈现先下降后上升。可以说明，金鱼藻对低浓度的含乐果水体先有一个适应过程，达到最大的抗逆浓度后，开始对有机磷农药乐果产生净化作用。在较高浓度范围，金鱼藻对水体有一定的净化作用，但因为有机磷农药乐果的投放超过了金鱼藻所能承受最大抗逆浓度，所以在后期TP含量又开始上升，而且金鱼藻也出现了枯黄现象。

在狐尾藻所有6个试验组中，除了4号以外，其他的5组的TP含量都是逐渐下降，而4号也是呈现出先上升后下降的趋势。这说明，狐尾藻对于有机磷农药乐果的净化作用是比较显著的。

3.2 有机磷农药对叶绿素a含量的影响

水体中氮、磷等营养成分的增加，会使水体中生物 (特别是浮游植物)的生产量增加，导致水体的富营养化现象，因此可通过测定叶绿素a的含量来表明水体中藻类的现存量［11］。

图3 金鱼藻叶绿素a含量变化Fig.3 Content variation of Chlorophyll a in Ceratophyllum demersum

图4 穗状狐尾藻叶绿素a含量变化Fig.4 Content variation of Chlorophyll a in Myriophyllum spicatum

通过图3、图4中金鱼藻与狐尾藻的各阶段试验数据可以看出，金鱼藻的各组叶绿素a含量变化基本是先下降后上升的过程，其中1号的后期叶绿素a含量上升最大。结合TP含量的变化趋势可以看出，金鱼藻叶绿素a含量变化与TP含量的变化呈现负相关关系。狐尾藻的各组叶绿素a含量变化基本呈现逐渐上升的趋势，其中6号的上升量最大。结合TP含量的变化趋势能够得出，狐尾藻叶绿素a含量的变化与TP含量的变化基本呈现负相关关系。

3.3 有机磷农药对蛋白质含量的影响

蛋白质具有较强的亲水胶体性质，可影响细胞的保水力［12］。变化了的环境因子或环境胁迫都会影响细胞内的可溶性蛋白［13］。水分胁迫可以诱导一些与适应水分胁迫有关的基因表达，从而引起蛋白质合成的变化并产生水分胁迫诱导蛋白。高质量分数的可溶性蛋白可使细胞维持较低的渗透势，从而抵抗水分胁迫带来的伤害［14］。

表2 两种沉水植物的蛋白质含量变化Tab.2 Content variation of protein in two submerged macrophytes

从表2可以看出，随着两种沉水植物在水体中生长时间的延长，金鱼藻的2号～5号组的蛋白质含量是上升的，而1号与6号的蛋白质含量出现了下降。狐尾藻的每组蛋白质含量都呈现出了较大幅度的上升。蛋白质增长含量变化的程度可以反映出植物抗逆性的大小，增量越大，说明植物抗逆性越强。能够得到，在相同的水质条件下，穗状狐尾藻的抗逆性要高于金鱼藻。

3.4 有机磷农药对脯氨酸含量的影响

当植物遭受逆境胁迫时，其体内积累的脯氨酸有利于提高植物的抗胁迫能力。这些植物通过体内脯氨酸的积累，提高渗透调节能力，保持原生质与环境渗透平衡，防止水分散失，以抵御环境胁迫，保证其在环境恶劣情况下能得以生存［15］。

图5 两种沉水植物的脯氨酸含量变化Fig.5 Content variation of proline in two submerged macrophytes

由图5可见，在加入有机磷农药乐果的水体中培养期间，随着植物生长期的变化，金鱼藻以及穗状狐尾藻体内脯氨酸含量有明显的变化。并且，随着两种沉水植物生长时间的延长，植物叶片内脯氨酸的含量呈现出上升的趋势。每个阶段之间脯氨酸含量增长值变化的大小可以反映出植物抗逆性的大小，增量越大，说明植物抗逆性越强［16］。从图5可以看出，金鱼藻在低有机磷农药浓度的水体中的抗逆性要低于穗状狐尾藻，而在高有机磷农药浓度的水体中，金鱼藻的抗逆性要高于穗状狐尾藻。

4 结论

(1)沉水植物穗状狐尾藻和金鱼藻对水体中的有机磷农药乐果具有净化作用，且两种沉水植物的净化效果存在着一定差异;穗状狐尾藻对于乐果的净化作用要强于金鱼藻。

(2)从生物量的增长情况来看，金鱼藻和穗状狐尾藻的叶绿素a含量都有不同程度的增加，统计不同水质下的2种植物的叶绿素a含量可以得出，穗状狐尾藻的生物量增长要高于金鱼藻，说明穗状狐尾藻更能适应含有乐果的逆境条件。

(3)两种沉水植物的蛋白质以及脯氨酸含量在不同的水质条件下都基本呈现出增长趋势，且在各种条件下，穗状狐尾藻相对金鱼藻的蛋白质以及脯氨酸含量的增长量都要高。既可以表明蛋白质和脯氨酸是植物体内的一种抗逆调节物质，也说明穗状狐尾藻生长情况要好于金鱼藻。

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