石油污染对芦苇幼苗生长及生理特性的影响

焦德志 曹瑞 姜秋旭

摘要：为了解石油污染对芦苇（Phragmites australis）幼苗株高以及生理生化指标的影响，以扎龙湿地芦苇为研究材料，采用盆栽方法，混入不同质量分数的石油（0、3、6、12 g/kg），统计芦苇幼苗株高生长状况，研究叶片可溶性蛋白、脯氨酸、可溶性糖、丙二醛、叶绿素含量指标的变化，以期为扎龙湿地面临石油污染的评估提供一定理论依据。结果表明，随着石油质量分数的增高，芦苇幼苗高度的受抑制程度增大，随着污染时间的延长，处理组受到的抑制作用加强。随着石油污染时间的延长，出苗后47 d时，芦苇叶片可溶性蛋白和叶绿素含量降低，脯氨酸、丙二醛含量升高。由研究结果可知，石油污染会破坏芦苇的渗透势调节系统，加剧质膜过氧化程度，影响叶绿素的合成，同时也说明芦苇对不同程度的石油污染具有一定的耐受能力。

关键词：扎龙湿地;芦苇;石油污染;生理指标

中图分类号： S564+.201;X171.4  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）07-0239-04

如今，石油己经成为人类最主要的能源之一，它的重要性随着全球对能源的需求的增加而不断增长。然而在石油开采、炼制、贮运和使用过程中，大量石油的泄露会造成环境退化[1]。石油污染不仅对陆地生态系统的组成、结构、功能和服务产生较大影响，而且石油污染物能够通过食物链进入人体，构成对人类健康的威胁，石油中的多环芳烃和苯系物具有致癌、致突变、致畸变等毒性，具有较大的社会危害[2]。

石油污染对植物根系生长和株高有抑制作用[3]。但不同植物对石油的敏感程度存在差异，玉米和高粱受到石油胁迫时，其株高随着石油质量分数的升高而增大，披碱草株高却呈下降趋势[4]。较低浓度的石油对植物叶绿素含量的影响不大，随着石油浓度逐渐升高呈下降趋势，小白菜叶绿素含量在石油质量分数为 500 mg/kg 时与对照组无显著差异，当石油质量分数升高至 2 000 mg/kg 时，叶绿素含量下降3158%[5]。石油污染会形成植物氧化胁迫，造成脂膜损伤，影响细胞渗透调节，导致丙二醛、脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖等物质的含量上升[6]。

扎龙湿地保护区被誉为丹顶鹤的故乡，1992年被列入国际重要湿地，拥有自然景观最为原始的湿地生态系统。由于湿地的2/3区域边界与大庆油田采油井和油田化工企业相邻[7]，石油开采和运输过程中泄露和排放的污染物等都会造成严重的石油污染，因此，扎龙湿地也将面临石油污染的严重威胁。芦苇在保护区中既可形成大面积优势种群落，也可形成亚优势种或者共生种群落，在维持湿地生态系统的结构和稳定上发挥着重要的作用。以扎龙湿地芦苇为研究对象，通过盆栽的方法模拟研究不同浓度石油处理芦苇的生长和生理变化，不仅有助于完善环境污染生态效应的理论和方法体系，更加有助于准确地评价石油污染对扎龙湿地所造成的潜在生态风险，为大庆油田石油开采过程中的污染控制与生态环境管理提供参考[8-9]，为扎龙湿地的科学管理及其生物修复提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用石油为产自大庆油田的原油，芦苇幼苗及其原位土壤于2017年6月20日在扎龙湿地保护区核心区（124°9′1″E、47°17′18″N）采集。

1.2 试验设计

1.2.1 模拟石油污染 试验采取混油法，设置4个石油质量分数：0 g/kg（CK），3 g/kg（T1），6 g/kg（T2），12 g/kg（T3）。处理方法：2017年6月29日将采集的土壤过2 mm筛，分别取上述浓度梯度所需石油于烧杯中，用适量石油醚溶解石油后与土壤进行搅拌、混匀，装入直径为30 cm的桶，土质量为16.5 kg，加入1 000 mL水后，置于齐齐哈尔大学生命科学楼下阳光充足处24 h，使其达到吸附平衡。每盆种植芦苇根茎5条，每个处理组设置3次重复。待根茎萌发出苗后20、29、38、47 d，分别测量芦苇幼苗高度，在20、47 d时测定芦苇相同叶位叶片的生理指标。

1.2.2 测定方法 芦苇株高测定采用直接测量法;叶绿素质量分数测定采用乙醇浸泡法;脯氨酸质量分数测定采用酸性茚三酮法;丙二醛（MDA）浓度测定采用硫代巴比妥酸法;可溶性糖浓度测定采用蒽酮法;可溶性蛋白质量分数测定采取考马斯亮蓝法。

1.2.3 数据处理 数据结果用GraphPad Prism 6.0和SPSS 20.0进行统计分析，各处理的比较采用最小显著差数法，在 α=0.05水平上比较差异的显著性。

2 结果与分析

2.1 土壤石油污染对芦苇幼苗株高的影响

由表1可知，芦苇根茎出苗后20、29、38、47 d，不同浓度石油处理下的芦苇幼苗株高均显著低于对照组。出苗后 20 d，与对照组相比，T1、T2、T3组的芦苇株高分别降低了708%、11.25%、59.17%;出苗后29 d，与对照组相比，T1、T2、T3组的芦苇株高分别降低了7.92%、15.57%、48.81%;出苗后38 d，与对照组相比，T1、T2、T3组的芦苇株高分别降低了8.19%、17.86%、46.64%;出苗后47 d，与对照组相比，T1、T2、T3组的芦苇株高分别降低了9.34%、18.86%、4707%。表明随着石油浓度增加，对芦苇株高的抑制作用越强，当处理时间延长后，T1、T2组受到的抑制作用加强，T3组受到的抑制作用减小。

2.2 土壤石油污染对芦苇叶片可溶性蛋白含量的影响

如图1所示，不同质量分數石油处理后，出苗后20 d时，各处理组之间无显著差异。出苗后47 d时，对照的可溶性蛋白含量最高，石油处理T1、处理T2、处理T3与对照相比，芦苇叶片可溶性蛋白含量分别下降了8%、30%、36%，其中处理T3芦苇叶片可溶性蛋白含量显著低于对照（P<0.05）;出苗后47 d时，对照、处理T1、处理T2的可溶性蛋白含量与20 d相比均有一定增加，而处理T3含量下降。由此表明，在石油污染20 d时，芦苇中的可溶性蛋白可能还没有起到调节作用，各处理组可溶性蛋白含量与对照相比均没有显著变化。随着处理时间延长，芦苇可溶性蛋白含量不但没有增加，反而显著低于同期对照组。

2.3 土壤石油污染对芦苇叶片可溶性糖浓度的影响

如图2所示，不同质量分数石油处理后，出苗后20 d时，芦苇叶片可溶性糖含量随着石油质量分数的增加呈先升高后降低的趋势，3个处理与对照相比分别上升了10.10%、4842%、34.01%。出苗后47 d时，3个处理的可溶性糖含量均显著高于对照且随着石油含量的增大，呈现先上升后降低的趋势，其中T2处理可溶性糖含量最高，与对照相比上升了86.12%。石油污染会导致芦苇可溶性糖含量上升，随着石油质量分数的增大，可溶性糖含量增加，但当石油质量分数超过6 g/kg时，芦苇叶片可溶性糖合成受阻，这可能是由于石油对芦苇细胞的胁迫程度超过了可溶性糖调节的阈值，使其无法发挥调节作用。

2.4 土壤石油污染对芦苇叶片脯氨酸含量的影响

由图3可见，出苗后20 d时，随着石油质量分数的增加，芦苇叶片脯氨酸含量呈上升趋势，3个处理与对照相比分别上升了44%、38%、49%，其中处理T3脯氨酸含量最高，处理T1与处理T2之间没有显著差异。出苗后47 d时，3个石油处理脯氨酸含量相比于对照分别上升了41%、42%、56%。随着处理时间的增加，各组脯氨酸含量均有上升。说明石油污染会导致芦苇叶片脯氨酸积累，随着石油质量分数的升高，芦苇脯氨酸的积累量逐渐增多。

2.5 土壤石油污染对芦苇叶片丙二醛含量的影响

植物丙二醛的含量可以作为反映植物受到逆境胁迫伤害程度的重要指标之一。由图4可知，出苗后20 d时，3个处理的MDA含量随着石油质量分数的升高均呈上升趋势，与对照相比分别上升了15.07%、18.79%、41.78%。其中处理T1、处理T2之间没有显著差异，而处理T3的MDA含量显著高于其他3个处理（P<0.05）。在出苗后47 d时，3个处理的MDA含量依旧高于对照，分别上升了6.47%、9.95%、3128%。相比于出苗后20 d时，对照的MDA含量上升，处理T1，处理T2，处理T3的MDA含量下降。说明石油污染能加剧芦苇膜脂过氧化，导致MDA积累，但在污染后期由于芦苇多个调节机制的响应，使MDA积累速度减缓。

2.6 土壤石油污染对芦苇叶片叶绿素含量的影响

叶绿素含量的多少能表现植物光合作用的水平，可以作为逆境下植物受害程度的评判指标之一。经统计分析和多重比较可知，在出苗后20 d时，处理T3的叶绿素含量显著高于其他3个处理（P<0.05），对照、处理T1，处理T2之间没有显著差异。在出苗后47 d时，3个处理的叶绿素含量显著低于对照（P<0.05），分别下降了12%、47%、55%，处理T2和处理T3之间没有显著差异（图5）。说明在短时间污染下，芦苇可通过自身的补偿效应增加叶绿素的合成，抵抗石油危害。当延长处理时间后，芦苇自身的补偿效应无法起到调节作用，导致芦苇叶绿素合成受损，引起叶绿素含量下降。

3 讨论

石油的成分较为复杂，其中烷烃最易被植物吸收并会在植物体内造成直接伤害[10-11]。树脂和沥青质会黏附在植物根部，阻碍根系的吸收和呼吸功能。石油污染还会导致土壤空隙被堵塞，降低了土壤的透水、透气性，还会使土壤板结，阻碍植物的生长[12]。

株高能直观表现植物长势的好坏。有研究发现，石油污染会影响植物根系在土壤中吸收营养，或引起芦苇生理脱水，抑制细胞代谢活动[13]。也有研究表明，石油污染会导致盐角草、盐地碱蓬等植物的株高降低，石油浓度过高时，甚至能使植物叶片枯黄，最终使植物死亡[14]。本研究发现，随着石油含量的升高，对芦苇生长抑制作用增强，而随着污染时间的延长抑制作用略有减弱。这说明石油污染能阻碍芦苇生长发育，但芦苇可以适应并减缓石油污染带来的伤害。

可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸在植物渗透势调节过程中起到重要作用，是植物在逆境条件下保持自身水分平衡和正常生理生化反应的重要机制之一[15]，能有效抵御活性氧对细胞的伤害，但当胁迫程度超过植物的承受能力时，会导致其含量下降[16-18]。石油污染植物也会产生上述低温、盐碱，干旱胁迫的结果[19-20]，说明石油污染能引起植物生理干旱，促使植物启动渗透势调节机制缓解胁迫[21]。本试验结果表明，芦苇脯氨酸在石油污染下显著比对照高，且随着污染时间的增加脯氨酸含量逐渐升高，说明脯氨酸在缓解芦苇石油胁迫方面起到了重要作用;可溶性蛋白质量分数在石油污染前期无显著差异，当污染时间延长后，处理组含量均显著低于对照，说明可溶性蛋白在芦苇受到石油胁迫前期，可能由于胁迫程度较低而未能起到调节渗透势的作用，但随着污染时间的增加，芦苇反而大量消耗可溶性蛋白，使各处理组含量均低于对照，这可能是由于石油污染已经破坏了芦苇渗透势调节系统，阻碍了可溶性蛋白的合成;可溶性糖含量呈先上升后下降的趋势，说明芦苇在低浓度石油污染下能大量合成可溶性糖，超过可溶性糖的调控阈值后，会导致其含量降低。

丙二醛作为细胞膜脂过氧化产物之一，可以评判植物受到胁迫的程度。有研究发现，玉米在受到石油污染时会导致叶片MDA含量升高[22]，也有相关研究表明，石油中烷烃、芳香烃等有毒物质会引起植物中毒反应，导致活性氧代谢紊乱而大量积累超过植物所能承受的阈值，最终导致对细胞膜产生损伤[23]。本试验结果显示，随着石油质量分数的升高，芦苇叶片丙二醛含量逐渐增加，说明石油污染损伤了芦苇细胞膜，破坏了细胞结构。

叶绿素是植物进行光合作用的必备物质，叶绿素的含量与植物的光合作用強度息息相关。有研究表明，石油中的大量有毒物质，例如多环芳香烃、烷烃等会引起植物体内H2O2、 O-2 ·  等活性氧大量积累，对细胞膜系统产生破坏，导致叶绿体被破坏，叶绿素分解[24]。本试验结果显示，在出苗后20 d时，处理T3芦苇叶绿素含量显著高于对照，处理T1、处理T2与对照相比无显著差异。随着污染时间的延长，3个处理的叶绿素含量均显著低于对照，呈下降趋势。说明在污染前期，可能因为芦苇幼苗还在生长旺期，石油未能对芦苇幼苗叶绿素合成产生影响，随着污染时间的延长，芦苇幼苗叶片叶绿素合成系统受到了破坏，致使叶绿素分解，含量下降。

综上所述，石油污染对芦苇的生理生化响应影响重大，石油污染可以破坏芦苇的细胞膜结构以及光合色素合成，影响芦苇的正常生长发育，但芦苇可通过渗透势调节等机制抵御石油污染带来的伤害，保持存活状态，说明芦苇具有很好的抗逆性。因此，芦苇抗逆的分子调控机制和相关信号通路还需要进一步研究。

4 结论

向土壤中添加不同质量分数的石油会对芦苇生长产生抑制作用，并且随着石油质量分数的升高，抑制作用不断增强。但随着污染时间的延长，处理组受到的抑制作用加强。

不同石油质量分数会影响芦苇叶片中渗透势调节物质的含量。可溶性糖含量随着石油浓度升高呈先上升后下降的趋势;可溶性蛋白含量在污染前期无明显变化，污染时间为47 d时，随着石油质量分数的升高而下降;脯氨酸含量在出苗后20、47 d均随着石油质量分数的升高而上升。

石油污染会加剧芦苇叶片细胞膜脂过氧化程度，芦苇叶片丙二醛含量随着石油质量分数的升高而升高。

在石油污染处理芦苇出苗后20 d时，芦苇叶绿素含量变化不明显。但在出苗后47 d时，随着石油质量分数的增加，叶绿素含量呈下降趋势。

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