改性凹土对自毒作用下辣椒根系生理特性的影响

任旭琴

(1.淮阴工学院 生命科学与化学工程学院；2.江苏省凹土资源利用重点实验室，江苏 淮安 223003)

“凹土资源与利用研究”栏目

改性凹土对自毒作用下辣椒根系生理特性的影响

任旭琴1,2

(1.淮阴工学院 生命科学与化学工程学院；2.江苏省凹土资源利用重点实验室，江苏 淮安 223003)

采用育苗基质中添加邻苯二甲酸二丁酯(DBP)和邻苯二甲酸二异丁酯(DIBP)模拟辣椒自毒作用，通过分析辣椒根系生理特性的变化，探讨热改性凹土、酸改性凹土和十六烷基三甲基溴化铵(HDTMA-Br)改性凹土对辣椒自毒作用的修复效果。结果发现，改性或未改性凹土在不同程度上能修复辣椒的自毒作用，体现在辣椒根系活力增强、活跃吸收面积增大，MDA含量降低和SOD、CAT和POD等保护酶活性增强，其中，有机改性凹土由于其对有机物良好的吸附性，能有效降低DBP/DIBP在环境中的迁移和生物有效性，修复效果最好。

改性凹土；自毒作用；邻苯二甲酸二丁酯；邻苯二甲酸二异丁酯

0 引言

辣椒连作障碍已经成为辣椒产业发展的瓶颈。化感作用是辣椒连作障碍形成的重要原因[1]，邻苯二甲酸二丁酯(DBP)和邻苯二甲酸二异丁酯(DIBP)作为主要化感物质[2-5]，对辣椒的连作障碍起着重要作用。同时，由于DBP和DIBP被广泛用于农膜、杀虫剂、杀菌剂的生产，也已经成为农田土壤中最常被检出的有机污染物[6]。研究修复DBP /DIBP的措施对解决辣椒连作障碍有现实意义。凹土是以凹凸棒石为主要矿物成份的一种稀有天然非金属粘土矿物，已被应用于环境保护、肥料及土壤改良等方面。然而，天然凹土比表面积大，表面活性高，易团聚，表面含有极性的羟基，与非极性的有机高聚物的亲和性很差，又使其应用受到限制[7]。本文通过添加DBP/DIBP模拟辣椒自毒作用，分析凹土对辣椒根系生理指标的影响，探讨了凹土改性处理对DBP/DIBP的修复效果，以期为缓解辣椒连作障碍提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

辣椒品种为红巨椒，辣椒幼苗为2～3叶期的穴盘苗，购自淮安市蔬菜研究所；DBP和DIBP为分析纯，分别购自南京化学试剂有限公司和阿拉丁化学试剂有限公司；凹土原土采自盱眙白虎山，由江苏省凹土资源利用重点实验室提供，风干后经研磨过1mm筛备用。

1.2 改性凹土的制备

称取一定质量凹土于坩埚中，放入马弗炉内，于400℃煅烧2h，取出，得热改性凹土样品。

称取一定质量凹土，按液固比10：1加入4%的盐酸，35℃下搅拌4h，离心，去离子水洗至pH为中性，80℃烘干，得酸改性凹土样品。

称取一定质量凹土，按液固比10：1加入2%十六烷基三甲基溴化铵(HDTMA-Br)，35℃下搅拌2h，离心，去离子水洗至用硝酸银溶液检测不出Br-，80℃烘干，得有机改性凹土样品。

1.3 试验设计

采用穴盘基质栽培法，穴盘规格为32孔，孔径为上口5.8cm，高5cm，底部3cm。

用丙酮稀释DBP和DIBP，得丙酮-DBP和丙酮-DIBP溶液，取风干后的基质，等量加入丙酮-DBP溶液和丙酮-DIBP溶液，使基质中DBP和DIBP含量均为40mg/kg，混匀晾干24h，让丙酮充分挥发。

将基质分成5份，做以下处理：CK：不添加任何凹土，YA：未改性凹土与基质按重量比1：8加入；RA：热改性凹土与基质按重量比1：8加入；SA：酸改性凹土与基质按重量比1：8加入；HA：有机改性凹土与基质按重量比1：8加入。充分混匀后装32孔穴盘，抖落2～3叶期辣椒幼苗根部原有基质，移栽至穴盘中，30天后测定辣椒根系的生理指标。

1.4 测定指标及方法

根系活力的测定采用TTC法；根系吸收面积的测定采用甲烯蓝法；丙二醛(MDA)含量的测定采用硫代巴比妥酸法[8]；超氧化物歧化酶(SOD)的测定采用NBT测定法；过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法；过氧化氢酶(CAT)活性采用紫外吸收法[8-9]。

2 结果与分析

2.1 凹土对辣椒根系活力和活跃吸收面积的影响

根系活力和根系吸收面积是评价植物矿质吸收能力的重要指标。

图1 凹土对辣椒根系活力的影响

由图1可知，对照的辣椒幼苗根系活力最低，这是DBP/DIBP对辣椒产生自毒作用所致。基质中添加凹土不同程度地增强了辣椒的根系活力， HA和SA之间差异不明显，活力最强，RA其次，YA最小。图2显示，凹土也能够增加辣椒根系的活跃吸收面积，辣椒根系活跃吸收面积以HA最大，为对照1.88倍，其次是SA，为对照的1.49倍，RA和YA差异不大，分别为对照的1.28倍和1.23倍。可见，凹土有助于降低DBP/DIBP对辣椒根系的伤害，提高根系吸收能力；改性凹土对DBP/DIBP修复能力强于未改性凹土，与YA相比，RA的根系活力提高21.7%，SA和HA分别提高了38.85%和47.8%，SA和HA的根系吸收面积亦较YA有较大幅度增加。有机改性凹土的修复效果最好，这是因为用季铵盐阳离子表面活性剂改性粘土矿物和土壤后，有效地降低了有机污染物在环境中的迁移[10]。

图2 凹土对辣椒根系活跃吸收面积的影响

2.2 凹土对辣椒根系膜脂过氧化和保护酶活性的影响

2.2.1 MDA含量

MDA 是植物器官在逆境或衰老时发生膜脂过氧化的产物之一，通常作为膜脂过氧化的指标，反映膜脂过氧化的程度和对逆境反应的强弱。图3显示，凹土对辣椒根系的丙二醛含量有显著影响，添加凹土后辣椒根系的MDA含量较对照有不同程度降低，说明凹土对DBP/DIBP胁迫有修复作用，凹土吸附并降低了辣椒根际中DBP/DIBP的有效含量，减弱DBP/DIBP对根系造成的逆境胁迫，导致根系膜脂过氧化现象减轻， MDA含量下降，在所有处理中，有机改性凹土由于其疏水性，对有机污染物吸附性最强，降低了DBP/DIBP的移动性和生物有效性，效果最好。

图3 凹土对辣椒根系MDA含量的影响

2.2.2 保护酶活性

植株体内活性氧的清除主要包括酶促和非酶促两条途径。SOD 作为酶促清除系统的第一道防线，可以清除生物体内过剩的O2-，并参与抗氧化剂的再生。从图4可以看出，添加凹土后，根系SOD活性显著高于对照，与对照相比，增强幅度为59.23%～76.72%，不同凹土处理间无显著差异。SOD活性增强的原因可能有两个方面：一方面是凹土对DBP/DIBP的吸附作用降低了辣椒根际中有害物质浓度，导致根系过氧化减轻，未对SOD酶活性中心造成影响，SOD酶仍保持高活性；另一方面可能是辣椒对DBP/DIBP胁迫的一种适应性反应，即膜脂过氧化已经发生，根系只能通过增加酶活性清除自由基，降低膜损伤。

图4 凹土对辣椒根系SOD活性的影响

CAT和POD作为植物体内清除 H2O2的主要酶类，可以使植物表现出一定的抗逆性，如图5所示，添加凹土后，辣椒根系的CAT活性不同程度增强，植株抗逆性显著提高，HA和SA幅度最大，为对照的1.83倍和1.63倍，YA最小，为对照的1.25倍。从图6中可以看出，辣椒根系的POD活性也因添加凹土有显著的增强，YA较对照增强11.6%，RA、SA和HA之间无显著差异，分别较对照增强48.6%、48.0%和44.3%。综上可知，凹土在一定程度上能缓解辣椒的自毒作用，改性凹土由于其良好的吸附性，效果更好。

图5 凹土对辣椒根系CAT活性的影响

图6 凹土对辣椒根系POD活性的影响

3 结论与讨论

脂肪酸酯类物质是植物源物质，在番茄、水稻、辣椒、人参的根系分泌物中均鉴定出含有该类物质，并且具有化感作用[11-12]。DBP和DIBP是辣椒主要的化感物质[13-16]，对辣椒生长和代谢产生了不利影响。尹睿等发现，在辣椒果实、植株及根系中的DBP残留量随土壤中施加浓度增加而增加，辣椒果实中的维生素C和辣椒素含量随施加浓度增加而显著下降，且DBP 的浓度即使很低也会对辣椒的生长造成影响，推测辣椒品质的下降主要是由于DBP的作用[17]。任旭琴等研究发现，DBP对辣椒生长和生理代谢有显著自毒作用，能够抑制辣椒生长和干物质积累，导致POD和CAT活性显著下降、根系吸收面积减小、根系活力降低，根系呼吸速率下降和叶绿素含量减少[18]。凹土具有独特的吸水性、可塑性、粘结性，较强的离子交换性能和吸附性能，能有效吸附土壤中的营养元素[19-20]，改良土壤[21-22]，促进作物增产和提高品质[23]。然而，由于天然凹土本身具有亲水性，对进入土壤中的非离子型有机污染物的吸附固定能力较弱，不能有效降低有机污染物的活性和生物有效性[24]，这大大限制其在土壤修复上的应用，而改性是增强凹土吸附能力的主要途径。目前常用的凹土改性方法主要有热改性、酸改性和有机改性等。热改性可以使凹土外表面吸附水、孔道吸附水和部分结晶水脱出，有机质及部分矿物质分解，使原先杂乱堆积的针棒状纤维变得疏松多孔，孔隙容积和比表面积大大增加，吸附性能大大增强[25]；在酸作用下，凹土纤维束发生解离，外表面积增加，部分八面体片被溶解，结构微孔隙增大[26]；有机改性则是通过阳离子交换反应，把粘土矿物中原有的无机阳离子交换成有机阳离子，大大增加其去除疏水性有机污染物的能力[27]。本文通过比较不同凹土对DBP/DIBP自毒作用下辣椒根系生理特性的影响，结果发现，未改性凹土对DBP/DIBP有一定的修复作用，体现在辣椒根系吸收能力增强，膜脂过氧化减轻和保护酶活性增强，但是改性凹土对DBP/DIBP的修复性能更好，其中有机改性凹土由于对有机污染物良好的吸附性，能有效降低DBP/DIBP在环境中的迁移和生物有效性，修复效果最好。

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(责任编辑：尹晓琦)

Effect of Modified Attapulgite on Root Physiological Characteristics of Pepper under Simulated Autotoxicity

REN Xu-qin1,2

(1.Faculty of Life Science & Chemical Engineering, Huaiyin Institute of Technology,Huai'an Jiangsu 223003, China;2.Key Laboratory for Palygorskite Science and Applied Technology of Jiangsu Province,Huai'an Jiangsu 223003,China)

Dibutyl phthalate (DBP) and diisobutyl phthalate (DIBP) were added to the seedling matrix to simulate the autotoxicity of pepper. Root physiological characteristics were studied to investigate the remediation effect of attapulgite treated by heat, acid and hexadecyltrimethylammonium (HDTMA), respectively. Results showed that different attapulgite treatments could alleviate the DBP/DIBP autotoxicity in pepper on different degree. It was reflected in the stronger root activity, bigger active absorption area, lower MDA content, and stronger activity of SOD, CAT and POD. HDTMA-modified attapulgite was most effective to autotoxicity for its absorptive capacity to organic pollutants, which could help to reduce the mobility and biological effectiveness of DBP/DIBP

modified attapulgite; autotoxicity; dibutyl phthalate; diisobutyl phthalate

2015-01-09

江苏省科技支撑计划(农业)项目(BE2013376)；江苏省大学生实践创新计划项目(201311049055X)

任旭琴(1973-)，女，山西高平人，副教授，博士，主要从事园艺植物环境与营养生理研究。

S641.3

A

1009-7961(2015)01-0001-04

陈静教授按语：凹土不仅在化工、建材、造纸、医药、食品等工业方面得到广泛应用，低廉的价格以及良好的吸附性和胶体性能也同样造就其在农药、肥料及土壤改良等农业开发领域有着广泛应用。工业应用对凹土品位有着相对严苛的品质要求，而基于农作物生产特性发展出的土壤修复改良剂对原料黏土的含量和类型则无明显限制。本期介绍两篇凹土在土壤修复改良领域的应用研究，该方向工作的展开将为占总量2/3以上的存在广泛低值弃用现象的中低品位凹土应用开发寻求合适的应用领域。