不同空心菜对氮素吸附特征的初步研究

贺南南,焦瑞锋,张力浩,刘永卓,郭彦玲,王丙丽

（河南科技学院,河南新乡453003）

不同空心菜对氮素吸附特征的初步研究

贺南南,焦瑞锋,张力浩,刘永卓,郭彦玲,王丙丽

（河南科技学院,河南新乡453003）

以大叶、小叶2种不同的空心菜为试验材料,研究了不同空心菜品种对铵态氮和硝态氮的吸收动力学特征.各处理都可以用米氏方程描述,通过L-B转换,计算出主要的动力学参数.结果表明：2种空心菜对铵态氮和硝态氮的最大吸收速率（Vmax）没有显著差异,而小叶空心菜对铵态氮和硝态氮的亲和力（Km）均小于大叶空心菜,差异达极显著水平（P＜0.01）；2种空心菜对铵态氮的Vmax均大于其对硝态氮的Vmax,对铵态氮的Km均小于其对硝态氮的Km,差异达极显著水平（P＜0.01）.用小叶空心菜净化富营养化水体的氮素效果更好,而且对铵态氮的净化效果比对硝态氮的净化效果好.

空心菜；氮；米氏方程；吸附动力学

随着养殖业的不断发展,人们享受到越来越丰富的畜禽产品,但是不少养殖生产过程会给周边水体带来大量污染,造成水体富营养化[1].近年来用适宜水生的植物作为研究主体,通过其在生长过程中对污染物的吸附来降低或者去除水体养分的研究很多[2].水葫芦、水花生、浮萍等植物都对水体中的营养物质或重金属等有害物质具有一定的去除效果,但是水葫芦等水生植物缺少后续开发利用价值,如果在使用后不能及时清除,其在水中的残体还有可能造成二次污染[3].因此,在处理养殖业富营养化废水的过程中,选取既可以去除水体污染,又可以直接产生经济价值的植物,成为该领域亟待解决的问题.空心菜由于生长速度快且容易栽培和管理,并且在其生育期内可多次收割,能创造出一定的经济价值,所以使用空心菜处理水污染会降低二次污染的风险,这就使得空心菜近些年来被广泛应用于去除水体富营养化污染[4].

Michaelis-Menten方程（米氏方程）可以用于植物吸收养分的动力学特征,通过米氏方程可以计算出植物对于该养分离子的亲和力以及最大吸收速率[5].张亚娟、周晓红等研究了空心菜对水体氮素营养的去除效果和吸附动力学特性,指出空心菜对不同形态氮的吸收动力特征有一定差异,但是并没有分析不同品种空心菜对氮素吸收的差异[4,6].而蔡树美等通过对浮萍吸收动力学特征进行研究,指出同种植物不同品种的养分吸收动力学特征也可能会有明显差异[7].为了解不同品种空心菜对氮素吸收动力学的差异,本研究选取大、小叶2种不同品种的空心菜为研究对象,利用米氏方程的L-B转换式计算所得米氏常数（Km）和最大吸收速率（Vmax）,考查大、小叶空心菜对于水体中硝态氮、铵态氮的吸附动力学特性以及差异性,可以为优化大、小叶空心菜处理污水中硝态氮、铵态氮的方案提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 材料制备

试验于2014年3月份在河南科技学院生态学实验室进行.选用大叶空心菜和小叶空心菜2个不同的品种进行试验.选择大小一致、颗粒饱满的大、小叶空心菜种子各250粒,置于人工气候培养箱中催芽.待芽长到3 cm左右,转移到霍格兰营养液中继续在人工气候箱中培养.操作方法如下：用海绵将芽定植于打孔挤塑板上,放置于盛有霍格兰营养液的中转箱内,每3 d换一次培养液.人工气候培养箱参数设置为：温度28℃,相对湿度70%,光照条件L∶D=12 h∶12 h,光照强度10 000 lx.在空心菜长至8～11 cm时,选择长势良好、株高相近的幼苗,放置于以0.02 mmol/L硫酸钙溶液为支持电解质的溶液中饥饿培养24 h,用于养分吸附动力学试验.用于吸附动力学试验幼苗的概况如表1所示.

表1 空心菜幼苗概况Tab.1 The general situation of Ipomoea aquatic seeding

1.2 吸附动力学试验设计

以0.02 mmol/L硫酸钙溶液作为支持电解质溶液,用分析纯的（NH4）2SO4和KNO3分别配置浓度梯度为0.03、0.06、0.24、0.41、0.59、1.18、2.35、3.53 mmol/L和0.004、0.01、0.02、0.04、0.08、0.10、0.20、0.40 mmol/L的铵态氮溶液和硝态氮溶液,调节pH至6.0.各取幼苗3株,分别放置在装有100 mL含以上所配置的各个浓度氮溶液的烧杯中,在人工培养箱中全光照培育8 h,光照强度为10 000 lx,相对湿度和温度分别为70%、28℃,每组处理设置3个重复.8 h后,统一取出幼苗,将根系用吸水纸吸干,对整株以及根系称质量,同时测定吸附试验后溶液浓度,用于计算空心菜对氮素的吸收速率V.

1.3 结果测定与数据处理

水中铵态氮采用靛酚蓝比色法测定,硝态氮采用过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定,pH值使用雷磁便携式酸度计测定,植株质量和根质量使用千分之一天平测量[8].

用米氏方程表示植物对离子的吸附动力学时,如果外液浓度为C,米氏方程可表达为：

通过L-B转换,采用双倒数法可将（1）式转化为：

mmax文中图表制作使用Microsoft Excel 2010,回归分析和方差分析等统计分析使用PASW Statistics 18.

2 结果与分析

2.1 2种空心菜对铵态氮的吸收差异

计算大、小叶空心菜对于铵态氮的吸附动力学参数,结果如表2所示.

表2 空心菜对铵态氮吸收的动力学特征Tab.2 Kinetic parameters of ammonium uptakes by Ipomoea aquatica

由表2可知,方程拟合的决定系数分别为R大叶2=0.995 4,R小叶2=0.998 7.大叶空心菜Vmax为0.001 71 mmol/（g·h）,小叶空心菜Vmax为0.002 13 mmol/（g·h）,二者并无显著差异,说明这2种空心菜吸收水体铵态氮Vmax相当.大叶空心菜Km为0.125 70 mmol/L,小叶空心菜Km为0.117 47 mmol/L,二者差异达到0.01极显著水平,说明小叶空心菜比大叶空心菜对铵态氮的亲和力更强,更能适应较小浓度铵态氮废水的处理.

2.2 2种空心菜对硝态氮的吸收差异

大、小叶空心菜对于硝态氮的吸附动力学参数如表3所示.

表3 空心菜对硝态氮吸收的动力学特征Tab.3 Kinetic parameters of nitrate uptakes by Ipomoea aquatica

由表3可知,方程拟合的决定系数分别为R大叶2=0.990 6,R小叶2=0.996 3.大叶空心菜Vmax为0.000 33 mmol/（g·h）,小叶空心菜Vmax为0.000 35 mmol/（g·h）,二者并没有表现出显著差异,说明这2种空心菜吸收硝态氮的Vmax相近.大叶空心菜Km为0.162 57 mmol/L,小叶空心菜Km为0.132 77 mmol/L,二者差异达到0.01极显著水平.说明小叶空心菜比大叶空心菜对硝态氮的亲和力更强,在硝态氮浓度较低的富营养化废水中,使用小叶空心菜效果会更好.

2.3 空心菜对2种不同形态氮吸收的差异

空心菜对铵态氮和硝态氮2种不同形态的氮,吸附动力学特性也有明显差异.2种空心菜对铵态氮和硝态氮的吸收速率见图1,对铵态氮和硝态氮的亲和力见图2.

图1 铵态氮和硝态氮的吸收速率Fig.1 Vmaxof NO3-N and NH4-N

图2 铵态氮和硝态氮的亲和力Fig.2 Kmof NO3-N and NH4-N

由图1可知,对于2种不同的空心菜,铵态氮的Vmax均显著大于硝态氮,且达到0.01极显著水平.由图2可知,铵态氮的Km均小于硝态氮,差异也达到0.01极显著水平.说明空心菜在富营养化水体中,会优先吸收铵态氮,而且吸收铵态氮的速率大于硝态氮.

3 结论与讨论

根系吸收养分离子在植物吸收矿质营养中占有重要地位[5].因此,植物根系对于污染物的吸收有重要作用,根系的大小和吸收功能对植物吸收养分的速率和亲和力有直接影响.本研究中,2种空心菜的生物量和根质量均没有显著差异,但是小叶空心菜的根质量比显著大于大叶空心菜的根质量比,说明小叶空心菜可能有比大叶空心菜相对更加发达的根系,这是小叶空心菜对铵态氮和硝态氮的最大吸收速率以及亲和力均显著大于大叶空心菜的重要原因之一.

植物在水生环境中,有优先吸收铵态氮的趋势.张亚娟[4]、周晓红[6]等以及本试验对空心菜的研究结果均证明了这种趋势的存在,杨肖娥[9]、胡绵好[10]等对其他水生植物的相关研究也证实了该观点,这可能与NR、GS、GOGAT等植物体内参与氮素代谢关键酶有关.与纯粹的水生植物不同,空心菜既可以在水中生长,也可以在陆地上正常生长,这可能会影响空心菜对营养元素的吸收动力学特性,相关问题还有待进一步研究.

[1]吴大付,任秀娟,马学军,等.我国固体废弃物带来的危害与防治对策[J].河南科技学院学报：自然科学版,2014,42（4）：21-25.

[2]李艳蔷,姜应和,李兆华,等.陆生经济植物浮床去除富营养化水中氮素研究[J].环境科学与技术,2010,33（8）：103-107.

[3]李欲如,操家顺,徐峰,等.水蕹菜对苏州重污染水体净化功能的研究[J].环境污染与防治,2006,28（1）：69-71.

[4]张亚娟,刘存歧,李洪波,等.蕹菜对富营养化水体的氮磷去除剂吸收动力学研究[J].环境工程学报,2011,5（5）：1057-1061.

[5]蒋廷惠,郑绍建,石锦芹,等.植物吸收养分动力学研究中的几个问题[J].植物营养与肥料学报,1995,1（2）：11-17.

[6]周晓红,王国祥,杨飞,等.空心菜对不同形态氮吸收动力学特性研究[J].水土保持研究,2008,15（5）：84-87.

[7]蔡树美,刘文桃,张震,等.不同品种浮萍磷素吸收动力学特征[J].生态与农村环境学报,2011,27（20）：48-52.

[8]水和废水检测分析方法编委会.水和废水检测分析方法[M].4版.北京：中国环境科学出版社,2002.

[9]杨肖娥,孙羲.不同水稻品种铵根和硝酸根吸收的动力学[J].土壤通报,1991,22（5）：222-224.

[10]胡绵好,袁菊红,向律成,等.富营养化水体中水生植物氮代谢酶特性与不同形态氮去除的关系[J].农业环境科学学报, 2008,27（4）：1489-1494.

（责任编辑：邓天福）

Preliminary study of N uptake by different Ipomoea aquatica

He Nannan,Jiao Ruifeng,Zhang Lihao,Liu Yongzhuo,Guo Yanling,Wang Bingli
（Henan Institute of Science Technology,Xinxiang 453003,China）

The uptake kinetic characteristics of ammonium and nitrate by different Ipomoea aquatica was studied in this paper.The nitrogen uptake kinetics of I.aquatica could be expressed with the Michaelis-Menten equation.The results showed that,there was no significant difference between the Vmaxvalue of ammonium and nitrate；but the Km小叶＜Km大叶（P＜0.01）；significant difference of uptake kinetic by both I.aquatica between ammonium and nitrate was found,Vmax铵态氮＞Vmax硝态氮and Km铵态氮＜Km硝态氮（P＜0.01）.The results indicated that the cleaning degree of nitrogen by small leaf I.aquatica would be better than big leaf I.aquatica.

Ipomoea aquatic；nitrogen；Michaelis-Menten equation；uptake kinetic

X52,S636.9

A

1008-7516（2014）06-0012-04

10.3969/j.issn.1008-7516.2014.06.003

2014-10-03

国家级大学生创新创业训练项目（201210467041）

贺南南（1991―）,女,河南安阳人.主要从事农业生态学研究.

焦瑞锋（1982―）,男,河南安阳人,博士,讲师.主要从事生态农业和环境生态方面的研究.