不同湿地植物配置对扑草净的吸收和去除效果研究

2022-09-21孙仕仙石傲傲

核农学报 2022年9期

张坤孙仕仙石傲傲郑毅

(1 云南农业大学植物保护学院，云南昆明 650201；2 西南林业大学湿地学院，云南昆明 650233；3 云南开放大学，云南昆明 650223)

扑草净(prometryn)是一种选择内吸传导性三嗪类除草剂，在我国农业生产和水产养殖中被广泛应用[1]。扑草净具有类似苯环的结构，是一种内分泌干扰物质，化学性质较为稳定，可长期存在于环境及生物体中[2]。扑草净在自然条件下的光化学降解速度十分缓慢，目前其去除方法主要有高级氧化法[3-4]、光解法[5]和微生物降解法[6-7]等。但这些方法在实际应用上有难度，成本较高，受环境条件影响较大，且容易产生有毒副作用的降解产物。而湿地植物修复则具有不可比拟的优势，通过发挥植物和根际微生物的联合修复作用，既可以有效去除污染物，也可以改善生态景观[8]。

近年来，学者们在湿地植物去污机制、作用及筛选原则等方面做了大量研究，结果显示部分湿地植物组合对水体污染的净化效能远高于单一湿地植物，但同时与植物种类、季节、污染物类型有关[9-12]。有研究表明，不同挺水植物和沉水植物组成的混合群落可在一定程度上增强其对富营养化水体中全氮、全磷和化学需氧量的去除效果，但并非所有组合均有效，且不同组合间的净化效果存在差异[9-10]。崔丽娟等[8]研究发现，不同湿地植物组合对水体中总氮的吸收效果差异显著，但对总磷的吸收效果差异不显著，可见湿地植物配置在对不同污染物的吸收效果上有所差异。因此，加强湿地植物组合的筛选研究，可充分挖掘湿地植物对污染物的净化潜力。但以往研究主要集中在不同植物种类的搭配上，针对湿地植物不同生物量的搭配对水体污染物净化方面的研究较少。根据项目组成员在国家高原湿地中心前期的研究结果[13-15]和预试验进行的植物筛选，本试验选取了对水体中扑草净具有较好去除能力的2种植物(香根草和菖蒲)进行3种植物不同生物量的搭配处理。其中，香根草(Vetiveriazizanioides)是禾本科香根草属多年生C4草本植物，根系发达，生物量大，能够适应多种逆境环境，已被广泛应用于环境修复[16]；菖蒲(Acoruscalamus)是一种典型的多年生湿地植物，根系较发达，有很强的逆境适应能力，是水生生态修复的先锋植物[17]。应用上述植物探讨不同生物量搭配组合对水体中扑草净的吸收和代谢能力的差异，以期为最大效率地发挥湿地植物对扑草净的净化效果提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2020年5—7月在西南林业大学格林温室进行，供试药品97%扑草净标准品购自济南仁诺化工有限公司，供试材料香根草(分蘖苗)和菖蒲分别购自江西红壤研究所和江苏沐阳欣唯珩园林有限公司。试验前先将植株用自来水清洗干净，并用高锰酸钾溶液消毒，再用去离子水清洗3次，将其放入盛有1/2改良Hoagland营养液的培养桶中，适应性培养1～2周，再选取长势良好、大小一致的植株用于试验。

1.2 试验设计

设置香根草、菖蒲生物量比1∶2(1V-2A)、1∶1(1V-1A)、2∶1(2V-1A)以及香根草(V)和菖蒲(A)单一种植共5种配置方式。各处理下试验植物的总生物量控制在600 g左右。每个处理设置3个重复，以未加植物作为对照(CK)。试验采用水培种植，培养液为1/2改良Hoagland营养液，放入容量为6 L的黑色培养桶中进行培养，2种植物根系间未作分隔处理。具体配方为四水硝酸钙945 mg·L-1、硝酸钾506 mg·L-1、硝酸铵80 mg·L-1、磷酸二氢钾136 mg·L-1、硫酸镁493 mg·L-1、铁盐溶液2.5 mg·L-1、微量元素5 mL·L-1(碘化钾0.83 mg·L-1、硼酸6.2 mg·L-1、硫酸锰22.3 mg·L-1、硫酸锌8.6 mg·L-1、钼酸钠0.25 mg·L-1、硫酸铜0.025 mg·L-1、氯化钴0.025 mg·L-1)。每桶5 L培养液，加入5 mg·L-1未添加抑菌剂的扑草净。分别于试验第0、第5、第10、第15、第20天采集水样和植物样品进行扑草净含量测定，采样前采用质量差法补充各处理的培养液。并于第20天取样完毕后分别将香根草和菖蒲的根和叶分离称量。

1.3 分析方法

1.3.1 样品提取水样提取：每次试验将70 mL左右水样过滤后准确量取50 mL加入分液漏斗，并加入等体积的乙酸乙酯，充分混匀后静置2～3 min，待液体分层后，保留萃取液(乙酸乙酯层)，再加入等体积乙酸乙酯重复提取1次，最后将萃取液合并，通过无水硫酸钠吸水后转移至旋转蒸发瓶中，于40℃下水浴旋转蒸发至干，用3 mL色谱纯的正己烷溶解，过0.45 μm有机相滤膜，待测。

植物样品提取：将采样后的叶和根系样品准确称取2 g (精确到0.01 g)，放入100 mL锥形瓶中，加入40 mL乙腈，盖上瓶盖后，于超声清洗机中超声提取40 min，经无水硫酸钠吸水后放入250 mL旋转蒸发瓶中，再用20 mL乙腈重复提取1次，合并提取液，于40℃下水浴旋转蒸发至干，用3.0 mL色谱纯的正己烷溶解，过0.45 μm有机相滤膜，待测。

1.3.2 测定仪器及条件用美国赛默飞世尔科技公司生产的Agilent 7890B-5977 MSD气相色谱-质谱联用仪(gas chromatograph-mass spectrometer, GC-MS) 进行定性和定量分析。仪器工作条件如下：气相色谱参数：HP-5 MS毛细管色谱柱 (30 m×0.32 mm i.d.× 0.25 μm)；进样口温度260℃；不分流进样，进样量1 μL；载气为氦气 (纯度大于 99.999%)，流量为1.0 mL·min-1；柱升温程序：初始温度70℃保持1 min，以25℃·min-1速率升至180℃，再以5℃·min-1速率升至220℃，最后以20℃·min-1速率升至280℃并保持3 min。质谱条件：电子轰击离子源 (electron impact, EI)，电子能量70 eV，离子源温度230℃；接口温度280℃，四极杆温度150℃；溶剂延迟时间3.75 min；扫描方式为全扫描模式(Scan)与选择离子监测模式 (selected ion monitor, SIM) 同时进行，Scan扫描范围m/z为50～350，SIM监测离子m/z为241、184、226、199；定量离子为m/z184。扑草净标准曲线采用含量为 0.5、5.0、10.0、15.0、20.0 mg·L-1的正己烷溶解的标准品溶液制成。

1.4 数据处理

去除率=(初始扑草净含量-水体扑草净含量)/初始扑草净含量×100%

(1)

转移系数(transfer factor, TF)=植物地上部分扑草净含量/植物地下部分扑草净含量

(2)

一级去除动力学方程：y=C0e-kx

(3)

式中，y为固定时间点水体扑草净含量(mg·L-1)， C0为水体扑草净初始含量(mg·L-1)，k为降解速率常数，x为施药后的天数(d)。

t0.5表示扑草净的半衰期，即水体中扑草净浓度降低至初始浓度的50%时所需的时间；t0.99表示水体中扑草净的浓度降低至初始浓度的1%时所需的时间。t0.5、t0.99可通过一级去除动力学方程计算得出。

数据分析及作图采用Excel 2013软件完成。数据以平均值±标准差的方式表示。统计学分析采用SPSS 22.0软件完成，多重比较采用LSD法(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同植物配置下水体中扑草净相关指标的变化

2.1.1 水体中扑草净的含量变化由图1可知，5个植物处理组(1V-2A、1V-1A、2V-1A、V、A)和对照(CK)相比均促进了水体中扑草净的去除，且香根草和菖蒲生物量比为2∶1处理(2V-1A)水体中扑草净的含量最低。处理10 d时，所有处理组中水体扑草净的含量均显著低于CK(P<0.05)，香根草单独种植(V)水体中扑草净的含量显著低于菖蒲单独种植的水体(A)(P<0.05)；处理15 d时，所有植物搭配处理组(1V-2A、1V-1A、2V-1A)水体中扑草净含量均显著低于单一植物处理组(V、A)(P<0.05)；处理15和20 d时，香根草和菖蒲生物量比为2∶1处理(2V-1A)水体中扑草净的残留含量最低，且与其他植物搭配处理组(1V-2A、1V-1A)均达到显著差异(P<0.05)，20 d时仅为0.52 mg·L-1。

注：不同小写字母表示同一处理天数下不同处理间差异显著(P<0.05)。下同。Note: Different lowercase letters indicate significant difference among different treatments at the same day (P<0.05). The same as following.图1 不同植物配置扑草净在水体中的含量变化与一级去除动力学方程Fig.1 Content change and first-order removal kinetic equation of prometryn in water with different plant configurations

综上，香根草与菖蒲搭配种植对水体中扑草净的去除能力高于单一种植，且香根草去除扑草净的能力高于菖蒲。搭配处理时，香根草生物量高的处理，去除扑草净的能力更强。

2.1.2 水体中扑草净的去除率变化从水体中扑草净的去除率来看(表1)，各处理时间下，5个植物处理组(1V-2A、1V-1A、2V-1A、V、A)水体中扑草净的去除率均显著高于CK(P<0.05)，2V-1A处理对扑草净的去除效果最好。处理5 d时，3个植物搭配处理组(1V-2A、1V-1A、2V-1A)水体中扑草净的去除率均显著高于单一植物的水体(V、A)(P<0.05)，可以看出此时不同生物量植物搭配的优势已开始显现；处理15 d时，2V-1A处理水体中扑草净的去除率已显著高于其余植物搭配处理(1V-2A、1V-1A)；处理20 d时，2V-1A处理的扑草净去除率近89.6%，而水体中自然分解的扑草净(CK)去除率仅为29.0%，最优植物搭配处理的扑草净去除率比CK提高了60.6个百分点。

2.1.3 扑草净在水体中的一级去除动力学方程根据不同植物配置处理下水体中扑草净的含量变化情况，建立了扑草净的去除动力学方程，结果见图1。从动力学方程的k值可以看出，各处理下扑草净的含量变化过程符合指数动力学方程。香根草(V)和菖蒲(A)单独种植下水体扑草净的去除效率为CK的2.8倍和2.2倍。3个植物搭配处理组(1V-2A、1V-1A、2V-1A)水体扑草净的去除效率分别为CK的3.5、4.4、6.4倍，其中以2V-1A的去除效率最高，分别为V和A处理的去除效率的2.3倍和2.9倍。

表1 不同处理下水体中扑草净的去除率Table 1 Removal rate of prometryn in water under different treatments /%

从扑草净的去除半衰期t0.5(表2)来看，5个植物处理组(1V-2A、1V-1A、2V-1A、V、A)均明显缩短了自然条件下(CK)水体中扑草净的半衰期(42.36 d)。而植物搭配的3个处理(1V-2A、1V-1A、2V-1A)中扑草净的半衰期比单独种植香根草(V)分别缩短了1.15、5.49、7.53 d，比单独种植菖蒲(A)分别缩短了5.77、10.11、12.15 d。

从扑草净的t0.99指标看，理论上几乎完全去除水体中的扑草净，水体中自然分解(CK)需要272.47 d，接近1年的时间；单独种植香根草和菖蒲则分别需要96.63和125.47 d；而通过2种植物相互搭配的方式则大大缩短了扑草净的t0.99，1V-2A、1V-1A、2V-1A的扑草净t0.99分别为77.06、62.49和43.81 d，其中2V-1A处理的t0.99最低，比单独种植香根草(V)和单独种植菖蒲(A)分别缩短了52.82和81.66 d。由此可见，适当比例的湿地植物搭配种植可明显提高水体中扑草净的去除效率。

表2 扑草净在水体中的t0.5和t0.99Table 2 t0.5 and t0.99 of prometryn in water /d

2.2 不同搭配处理下植物组织中扑草净的含量变化动态

2.2.1 香根草不同部位扑草净的含量变化动态由图2-A可知，香根草根系中的扑草净含量随处理时间的延长呈下降趋势；处理5 d时，2V-1A处理根系中扑草净的含量最高，为18.24 mg·kg-1；处理10 d时，香根草根系扑草净含量在所有植物搭配处理(1V-2A、1V-1A、2V-1A)间差异不显著，但均显著高于香根草单独种植(V)(P<0.05)；至处理15 d，各处理中根系扑草净的含量持续下降，20 d时，所有处理间根系中扑草净的含量均无显著差异。

由图2-B可知，香根草叶片中的扑草净含量在10 d时最高，10 d以后呈下降趋势。处理5 d时，香根草叶片中的扑草净含量在2V-1A处理下最高，但仅与1V-2A处理和V处理间差异显著(P<0.05)；处理10 d时，2V-1A处理下的叶片扑草净含量达8.32 mg·kg-1，显著高于其他处理(P<0.05)；处理15 d时，各处理叶片中扑草净的含量均有所下降，处理20 d时，所有处理间叶片中扑草净的含量均无显著差异。

从植物体内的扑草净含量可以看出，在处理初期，扑草净被香根草大量吸收，所以处理5 d时香根草根系的扑草净含量最高，与菖蒲搭配可以促进香根草对扑草净的吸收；处理10 d时处于香根草中扑草净从根系向叶转移期，所以叶中的含量最高；15 d时处于扑草净在香根草体内的代谢期，扑草净含量在植物根系和叶中均有明显降低，说明扑草净开始在植物体内被大量代谢掉。

图2 香根草根(A)和叶(B)中扑草净含量变化情况Fig.2 Variation of prometryn concentration in root(A)and leaf(B)of vetiver

2.2.2 菖蒲不同部位扑草净含量变化动态由图3-A可知，菖蒲根系的扑草净含量变化趋势与香根草相同，均是处理5 d时最高，之后逐渐降低。处理5 d时，菖蒲根系扑草净含量表现为1V-2A处理最高，与1V-1A、2V-1A处理间差异不显著，显著高于菖蒲单独种植(A)(P<0.05)；处理10 d时，1V-2A处理扑草净含量依然最高，显著高于其余3个处理(A、1V-1A、2V-1A)(P<0.05)，处理15和20 d时，菖蒲根系的扑草净含量均呈下降趋势，不同处理间差异均不显著。

由图3-B可知，菖蒲叶片的扑草净含量变化呈先升高后降低趋势，均在处理10 d时扑草净含量达到最高，之后逐渐降低。处理5 d时，菖蒲叶片中扑草净含量在1V-2A处理下最高，与A和2V-1A处理之间差异显著(P<0.05)；处理10 d时，各处理均达到扑草净吸收的最大值，3个植物搭配处理(1V-2A、1V-1A, 2V-1A)间差异显著(P<0.05)，其中1V-2A处理叶片扑草净含量依然最高。处理15和20 d时各处理间菖蒲叶片的扑草净含量均无显著差异。

图3 菖蒲根(A)和叶(B)中扑草净含量变化情况Fig.3 Variation of prometryn concentration in root(A)and leaf(B)of calamus

从菖蒲各处理间扑草净的含量可以看出，其对扑草净的吸收能力比香根草略弱，但对于扑草净吸收的变化趋势与香根草相同，在处理初期以吸收为主，然后向叶转移，最后开始在体内代谢，总体含量逐渐减少。菖蒲生物量大的搭配处理扑草净含量在吸收和转移期时要高于其余处理，即菖蒲生物量在配置处理中占优势时，其对扑草净的吸收能力会增强。

2.2.3 不同植物配置处理下香根草和菖蒲的转移系数 2种植物在不同搭配处理下的转移系数见图4。结果表明，香根草的转移系数大部分在处理20 d时达到最大值，菖蒲的转移系数在处理15 d时达到最大值。处理5 d时，香根草和菖蒲的转移系数分别在0.3和0.2左右，3个植物搭配处理(1V-2A、1V-1A、2V-1A)间差别不大，菖蒲单独种植(A)处理最低；处理10 d时，香根草的转移系数为0.5～0.7，菖蒲的转移系数略低于香根草，为0.3～0.5；处理15 d时，菖蒲的转移系数大部分高于香根草，在2V-1A处理下最高；20 d时，香根草和菖蒲的转移系数分别为0.70～0.89和0.59～0.69。总体看来香根草对扑草净的转移能力高于菖蒲，这可能是其对扑草净吸收能力略强的原因之一。

图4 不同植物配置下香根草(V)和菖蒲(A)的转移系数Fig.4 Transfer coefficient of V. zizanioides(V) and A. calamus(A) under different plant configuration

2.2.4 不同植物配置处理对扑草净的吸收和去除能力在处理20 d后，根据生物量计算植物根和叶中的扑草净总量，减去水中残留的扑草净含量和对照扑草净的分解量，计算因种植植物而去除掉的扑草净量，结果见表3。

由表3可知，2V-1A处理植物体内残留的扑草净总量最高，且由植物去除掉的扑草净总量最高，为14.19 mg，与其余处理间差异显著(P<0.05)，经过20 d去除了57%的扑草净；其次是1V-1A处理，去除了11.72 mg的扑草净，占总扑草净的47%；1V-2A、V和A处理分别去除了39%、29%和20%的扑草净。

从植物体内残留的扑草净总量来看，香根草生物量占比大的处理植物体内的扑草净总量较高，这反映了香根草对扑草净的耐受能力较强。综合来看，植物搭配种植能促进其对水体扑草净的净化速率，其中香根草在生物量上占优势时，相同时间内去除的扑草净更多。

表3 处理20 d后不同植物配置对扑草净吸收和去除能力分析Table 3 Analysis on absorption and removal of prometryn by different plant combinations after 20 days of treatment /mg

3 讨论

3.1 湿地植物对水体污染的净化效果及影响因素

香根草对水体中的磷和抗生素有较好的吸附作用[18-20]，且对土壤中的重金属具有较强的吸收能力，可以对其进行长时间地吸附和去除[21-24]。菖蒲不仅可以去除水体中的氮、磷及大肠杆菌，还可以促进大颗粒悬浮泥沙的沉降[25-28]。从近些年对湿地植物水体净化效能的研究看，湿地植物在净化水体方面可能受植物种类、环境因子、植物种类配置模式三方面的影响[18,29]。前期研究发现，香根草对于高含量的扑草净有较高的耐受能力，可以耐受含量高达10 mg·L-1的扑草净，且通过添加氮素和腐殖酸均可以促进香根草对扑草净的吸收[13-15]。而预试验也证明菖蒲对扑草净有较好的吸收能力。本研究还发现不同生物量配置也会对湿地植物的水体净化效果产生影响，这可能与香根草和菖蒲对扑草净的吸收能力不同有关，吸收能力强的植物为优势植物时，会通过植物相互作用使其在净化过程中发挥更大的作用。吴雨涵等[30]研究发现，湿地植物群落对水体中污染物的去除效果良好，其中根系发达的植物具有更强的净化效果，这与本研究结果一致，香根草根系较菖蒲发达，因此其对扑草净的吸收效果高于菖蒲。李欢等[31]研究发现，不同湿地植物组合在污染程度较低的水体里，对污染物的去除效果与单一湿地植物之间差异不显著，但当水体污染程度加重后，不同湿地植物搭配对水体污染物的吸收效果高于单一湿地植物。本试验选取的扑草净含量同样高于环境中存在的含量，这可能是植物搭配效果显著的原因之一。

3.2 植物搭配促进水体中扑草净去除的机理探讨

本试验结果显示，2种植物搭配种植对水体中扑草净的去除能力比单一种植2种植物更强，说明2种植物间存在相互作用。植物间的相互作用可分为地上相互作用和地下相互作用，对于本试验中利用植物搭配提高了其对水体中扑草净的去除能力，推测有以下几方面的作用机理。

第一，植物间的养分竞争作用。在农业上，经常会通过间作的方式来提高植物对土壤的养分利用率[32]，种间相互作用在农作物间作系统的高产中起着至关重要的作用，将2种农作物混种在一起，可以通过高矮搭配充分利用光热资源，改善植物生长发育[33]。同时研究发现湿地植物搭配也有类似的情况，将芦苇、香蒲、荻3种水生植物进行搭配时，在双酚A的胁迫下，植物组合处理可以增加同种植物的光合色素含量并提高植物的抗氧化酶活性[34]。此外，大量研究显示不同湿地植物搭配时均存在养分竞争作用，这种竞争作用会影响植物的生物量和生长密度，且经过长期适应后会逐渐形成以优势物种为主导的植物组成结构，但这种竞争作用不会影响水体中污染物的去除[35-36]。另有研究显示在环境胁迫下，耐受性较好的植物可能具有更大的竞争优势，在盐胁迫下，芦苇因比香蒲的耐受性好，而在竞争过程中其生长指标占据了优势，生长速度未因香蒲的存在而减慢，反而年生长量有小幅度提高[37]。本试验显示，香根草对扑草净的去除能力高于菖蒲，在搭配试验中以香根草为优势植物的处理对扑草净的去除效果高于其他处理，可见通过植物之间的养分竞争促进了香根草对扑草净的吸收。

第二，植物根系形态和根系分泌物的改变。由于在植物营养吸收过程中，水体是由根部吸收后再转移到叶的，所以根系的相互作用尤为重要[38]。研究显示，种间竞争可能改变植物的根系形态，不同物种所受到的影响不同，这种影响可能会使植物根系的各项指标产生变化；而且植物的相互作用引起的空间竞争对某些植物生长可能产生促进或抑制作用，这种作用主要对根系影响较大[39]。另外，根系分泌物的改变是植物间相互作用的关键，不仅对自身生长产生一定影响，还可以影响邻近物种的生长，发挥植物的防御功效。有研究显示[39]，在香蒲与芦苇混合种植时，对植物的根系分泌物、生物量均产生了一定的影响，且在种间竞争中，还改变了植物的根系物理形态，在根系完全作用时，香蒲的地上总生物量增加了6倍左右，而芦苇的生长则受到了一定的抑制。同样在一些农作物的间作系统中，在植物相互作用下，根系分泌物的变化可以增加植物对磷的利用率[40]。在万寿菊和绒叶植物的种间竞争中，万寿菊根系分泌物中渗出的噻吩对绒叶植物的生长产生了负面影响[41]。而本试验中，香根草的根系较菖蒲发达，在根叶之间的转移系数也较菖蒲高，这可能是香根草对扑草净吸收去除效率高的原因。但在二者相互作用下根系分泌物的改变是否会对扑草净的吸收和降解有促进作用还有待于进一步研究。

植物在长期的环境胁迫下会逐渐进化出不同的适应机制，不同植物的适应能力也会有所差异。本试验发现香根草和菖蒲的合理搭配可以促进水体中扑草净的去除，这一结果可为今后合理利用湿地植物进行环境修复提供参考，但具体效果还有待进一步验证，其中的分子机制仍需后期通过转录组、代谢组等方法进行更深入地探讨。