任旭琴

(1.淮陰工學(xué)院 生命科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院；2.江蘇省凹土資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 淮安 223003)

“凹土資源與利用研究”欄目

改性凹土對自毒作用下辣椒根系生理特性的影響

任旭琴1,2

(1.淮陰工學(xué)院 生命科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院；2.江蘇省凹土資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 淮安 223003)

采用育苗基質(zhì)中添加鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)和鄰苯二甲酸二異丁酯(DIBP)模擬辣椒自毒作用，通過分析辣椒根系生理特性的變化，探討熱改性凹土、酸改性凹土和十六烷基三甲基溴化銨(HDTMA-Br)改性凹土對辣椒自毒作用的修復(fù)效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，改性或未改性凹土在不同程度上能修復(fù)辣椒的自毒作用，體現(xiàn)在辣椒根系活力增強(qiáng)、活躍吸收面積增大，MDA含量降低和SOD、CAT和POD等保護(hù)酶活性增強(qiáng)，其中，有機(jī)改性凹土由于其對有機(jī)物良好的吸附性，能有效降低DBP/DIBP在環(huán)境中的遷移和生物有效性，修復(fù)效果最好。

改性凹土；自毒作用；鄰苯二甲酸二丁酯；鄰苯二甲酸二異丁酯

0 引言

辣椒連作障礙已經(jīng)成為辣椒產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸?；凶饔檬抢苯愤B作障礙形成的重要原因[1]，鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)和鄰苯二甲酸二異丁酯(DIBP)作為主要化感物質(zhì)[2-5]，對辣椒的連作障礙起著重要作用。同時(shí)，由于DBP和DIBP被廣泛用于農(nóng)膜、殺蟲劑、殺菌劑的生產(chǎn)，也已經(jīng)成為農(nóng)田土壤中最常被檢出的有機(jī)污染物[6]。研究修復(fù)DBP /DIBP的措施對解決辣椒連作障礙有現(xiàn)實(shí)意義。凹土是以凹凸棒石為主要礦物成份的一種稀有天然非金屬粘土礦物，已被應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)、肥料及土壤改良等方面。然而，天然凹土比表面積大，表面活性高，易團(tuán)聚，表面含有極性的羥基，與非極性的有機(jī)高聚物的親和性很差，又使其應(yīng)用受到限制[7]。本文通過添加DBP/DIBP模擬辣椒自毒作用，分析凹土對辣椒根系生理指標(biāo)的影響，探討了凹土改性處理對DBP/DIBP的修復(fù)效果，以期為緩解辣椒連作障礙提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

辣椒品種為紅巨椒，辣椒幼苗為2～3葉期的穴盤苗，購自淮安市蔬菜研究所；DBP和DIBP為分析純，分別購自南京化學(xué)試劑有限公司和阿拉丁化學(xué)試劑有限公司；凹土原土采自盱眙白虎山，由江蘇省凹土資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供，風(fēng)干后經(jīng)研磨過1mm篩備用。

1.2 改性凹土的制備

稱取一定質(zhì)量凹土于坩堝中，放入馬弗爐內(nèi)，于400℃煅燒2h，取出，得熱改性凹土樣品。

稱取一定質(zhì)量凹土，按液固比10：1加入4%的鹽酸，35℃下攪拌4h，離心，去離子水洗至pH為中性，80℃烘干，得酸改性凹土樣品。

稱取一定質(zhì)量凹土，按液固比10：1加入2%十六烷基三甲基溴化銨(HDTMA-Br)，35℃下攪拌2h，離心，去離子水洗至用硝酸銀溶液檢測不出Br-，80℃烘干，得有機(jī)改性凹土樣品。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用穴盤基質(zhì)栽培法，穴盤規(guī)格為32孔，孔徑為上口5.8cm，高5cm，底部3cm。

用丙酮稀釋DBP和DIBP，得丙酮-DBP和丙酮-DIBP溶液，取風(fēng)干后的基質(zhì)，等量加入丙酮-DBP溶液和丙酮-DIBP溶液，使基質(zhì)中DBP和DIBP含量均為40mg/kg，混勻晾干24h，讓丙酮充分揮發(fā)。

將基質(zhì)分成5份，做以下處理：CK：不添加任何凹土，YA：未改性凹土與基質(zhì)按重量比1：8加入；RA：熱改性凹土與基質(zhì)按重量比1：8加入；SA：酸改性凹土與基質(zhì)按重量比1：8加入；HA：有機(jī)改性凹土與基質(zhì)按重量比1：8加入。充分混勻后裝32孔穴盤，抖落2～3葉期辣椒幼苗根部原有基質(zhì)，移栽至穴盤中，30天后測定辣椒根系的生理指標(biāo)。

1.4 測定指標(biāo)及方法

根系活力的測定采用TTC法；根系吸收面積的測定采用甲烯藍(lán)法；丙二醛(MDA)含量的測定采用硫代巴比妥酸法[8]；超氧化物歧化酶(SOD)的測定采用NBT測定法；過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法；過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法[8-9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 凹土對辣椒根系活力和活躍吸收面積的影響

根系活力和根系吸收面積是評價(jià)植物礦質(zhì)吸收能力的重要指標(biāo)。

圖1 凹土對辣椒根系活力的影響

由圖1可知，對照的辣椒幼苗根系活力最低，這是DBP/DIBP對辣椒產(chǎn)生自毒作用所致?；|(zhì)中添加凹土不同程度地增強(qiáng)了辣椒的根系活力， HA和SA之間差異不明顯，活力最強(qiáng)，RA其次，YA最小。圖2顯示，凹土也能夠增加辣椒根系的活躍吸收面積，辣椒根系活躍吸收面積以HA最大，為對照1.88倍，其次是SA，為對照的1.49倍，RA和YA差異不大，分別為對照的1.28倍和1.23倍?？梢姡纪劣兄诮档虳BP/DIBP對辣椒根系的傷害，提高根系吸收能力；改性凹土對DBP/DIBP修復(fù)能力強(qiáng)于未改性凹土，與YA相比，RA的根系活力提高21.7%，SA和HA分別提高了38.85%和47.8%，SA和HA的根系吸收面積亦較YA有較大幅度增加。有機(jī)改性凹土的修復(fù)效果最好，這是因?yàn)橛眉句@鹽陽離子表面活性劑改性粘土礦物和土壤后，有效地降低了有機(jī)污染物在環(huán)境中的遷移[10]。

圖2 凹土對辣椒根系活躍吸收面積的影響

2.2 凹土對辣椒根系膜脂過氧化和保護(hù)酶活性的影響

2.2.1 MDA含量

MDA 是植物器官在逆境或衰老時(shí)發(fā)生膜脂過氧化的產(chǎn)物之一，通常作為膜脂過氧化的指標(biāo)，反映膜脂過氧化的程度和對逆境反應(yīng)的強(qiáng)弱。圖3顯示，凹土對辣椒根系的丙二醛含量有顯著影響，添加凹土后辣椒根系的MDA含量較對照有不同程度降低，說明凹土對DBP/DIBP脅迫有修復(fù)作用，凹土吸附并降低了辣椒根際中DBP/DIBP的有效含量，減弱DBP/DIBP對根系造成的逆境脅迫，導(dǎo)致根系膜脂過氧化現(xiàn)象減輕， MDA含量下降，在所有處理中，有機(jī)改性凹土由于其疏水性，對有機(jī)污染物吸附性最強(qiáng)，降低了DBP/DIBP的移動(dòng)性和生物有效性，效果最好。

圖3 凹土對辣椒根系MDA含量的影響

2.2.2 保護(hù)酶活性

植株體內(nèi)活性氧的清除主要包括酶促和非酶促兩條途徑。SOD 作為酶促清除系統(tǒng)的第一道防線，可以清除生物體內(nèi)過剩的O2-，并參與抗氧化劑的再生。從圖4可以看出，添加凹土后，根系SOD活性顯著高于對照，與對照相比，增強(qiáng)幅度為59.23%～76.72%，不同凹土處理間無顯著差異。SOD活性增強(qiáng)的原因可能有兩個(gè)方面：一方面是凹土對DBP/DIBP的吸附作用降低了辣椒根際中有害物質(zhì)濃度，導(dǎo)致根系過氧化減輕，未對SOD酶活性中心造成影響，SOD酶仍保持高活性；另一方面可能是辣椒對DBP/DIBP脅迫的一種適應(yīng)性反應(yīng)，即膜脂過氧化已經(jīng)發(fā)生，根系只能通過增加酶活性清除自由基，降低膜損傷。

圖4 凹土對辣椒根系SOD活性的影響

CAT和POD作為植物體內(nèi)清除 H2O2的主要酶類，可以使植物表現(xiàn)出一定的抗逆性，如圖5所示，添加凹土后，辣椒根系的CAT活性不同程度增強(qiáng)，植株抗逆性顯著提高，HA和SA幅度最大，為對照的1.83倍和1.63倍，YA最小，為對照的1.25倍。從圖6中可以看出，辣椒根系的POD活性也因添加凹土有顯著的增強(qiáng)，YA較對照增強(qiáng)11.6%，RA、SA和HA之間無顯著差異，分別較對照增強(qiáng)48.6%、48.0%和44.3%。綜上可知，凹土在一定程度上能緩解辣椒的自毒作用，改性凹土由于其良好的吸附性，效果更好。

圖5 凹土對辣椒根系CAT活性的影響

圖6 凹土對辣椒根系POD活性的影響

3 結(jié)論與討論

脂肪酸酯類物質(zhì)是植物源物質(zhì)，在番茄、水稻、辣椒、人參的根系分泌物中均鑒定出含有該類物質(zhì)，并且具有化感作用[11-12]。DBP和DIBP是辣椒主要的化感物質(zhì)[13-16]，對辣椒生長和代謝產(chǎn)生了不利影響。尹睿等發(fā)現(xiàn)，在辣椒果實(shí)、植株及根系中的DBP殘留量隨土壤中施加濃度增加而增加，辣椒果實(shí)中的維生素C和辣椒素含量隨施加濃度增加而顯著下降，且DBP 的濃度即使很低也會(huì)對辣椒的生長造成影響，推測辣椒品質(zhì)的下降主要是由于DBP的作用[17]。任旭琴等研究發(fā)現(xiàn)，DBP對辣椒生長和生理代謝有顯著自毒作用，能夠抑制辣椒生長和干物質(zhì)積累，導(dǎo)致POD和CAT活性顯著下降、根系吸收面積減小、根系活力降低，根系呼吸速率下降和葉綠素含量減少[18]。凹土具有獨(dú)特的吸水性、可塑性、粘結(jié)性，較強(qiáng)的離子交換性能和吸附性能，能有效吸附土壤中的營養(yǎng)元素[19-20]，改良土壤[21-22]，促進(jìn)作物增產(chǎn)和提高品質(zhì)[23]。然而，由于天然凹土本身具有親水性，對進(jìn)入土壤中的非離子型有機(jī)污染物的吸附固定能力較弱，不能有效降低有機(jī)污染物的活性和生物有效性[24]，這大大限制其在土壤修復(fù)上的應(yīng)用，而改性是增強(qiáng)凹土吸附能力的主要途徑。目前常用的凹土改性方法主要有熱改性、酸改性和有機(jī)改性等。熱改性可以使凹土外表面吸附水、孔道吸附水和部分結(jié)晶水脫出，有機(jī)質(zhì)及部分礦物質(zhì)分解，使原先雜亂堆積的針棒狀纖維變得疏松多孔，孔隙容積和比表面積大大增加，吸附性能大大增強(qiáng)[25]；在酸作用下，凹土纖維束發(fā)生解離，外表面積增加，部分八面體片被溶解，結(jié)構(gòu)微孔隙增大[26]；有機(jī)改性則是通過陽離子交換反應(yīng)，把粘土礦物中原有的無機(jī)陽離子交換成有機(jī)陽離子，大大增加其去除疏水性有機(jī)污染物的能力[27]。本文通過比較不同凹土對DBP/DIBP自毒作用下辣椒根系生理特性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，未改性凹土對DBP/DIBP有一定的修復(fù)作用，體現(xiàn)在辣椒根系吸收能力增強(qiáng)，膜脂過氧化減輕和保護(hù)酶活性增強(qiáng)，但是改性凹土對DBP/DIBP的修復(fù)性能更好，其中有機(jī)改性凹土由于對有機(jī)污染物良好的吸附性，能有效降低DBP/DIBP在環(huán)境中的遷移和生物有效性，修復(fù)效果最好。

[1] 侯永俠,周寶利,吳曉玲.不同連作土壤對辣椒生長發(fā)育的影響研究[J].北方園藝,2009(8):9-11.

[2][13] 須文.辣椒化感作用優(yōu)勢組分評價(jià)及GC-MS鑒定[J].長江蔬菜,2011(18):46-49.

[3][14] 侯永俠,周寶利,吳曉玲,等.辣椒根系分泌物化感作用的研究[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,38(4):504-507.

[4][15] 耿廣東,張素勤,程智慧.辣椒根系分泌物的化感作用及其化感物質(zhì)分析[J].園藝學(xué)報(bào),2009,36(6):873-878.

[5][16] 孫海燕,王炎.辣椒根系分泌的潛力化感物質(zhì)對生菜幼苗抗氧化代謝的影響[J].植物生理學(xué)報(bào),2012,48(9):887-894.

[6] 汪軍,駱永明,馬文亭,等.典型設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤酞酸酯污染特征及其健康風(fēng)險(xiǎn)[J].中國環(huán)境科學(xué),2013,33(12):2235-2242.

[7] 周濟(jì)元,崔炳芳.國外凹凸棒石黏土的若干情況[J].資源調(diào)查與環(huán)境,2004，25(4):248-249.

[8] 鄒琦.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2000.

[9] 高俊鳳.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M].北京:高等教育出版社，2006.

[10] 劉總堂,許敏,林云青,等.有機(jī)黏土對污染土中 HCH 的固定及黑麥草生長的影響[J].中國環(huán)境科學(xué),2010,30(4):533-538.

[11] Keire D A,Anton P,Faull K F,et al.Diethyl phthalate, achemotactic factor secreted by Helicobacter pylori[J].Journal of Biological Chemistry,2001,276:48847-48853.

[12] Van W A,Van V,Posthumus R,et al.Enviromental risk limits for two phthalates, with special emphasis onendocrine disruptive properties[J].Ecotoxicology and Environment Safety,2000,46,305-321.

[17] 尹睿,林先貴,王曙光,等．農(nóng)田土壤中酞酸酯污染對辣椒品質(zhì)的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù),2002,21(1):1-4.

[18][21] 任旭琴,高軍,陳伯清,等.凹土對辣椒自毒作用修復(fù)的生理生化機(jī)制研究[J].土壤,2014,46(5):908-912.

[19] 劉左軍,陳正宏,袁惠君,等.凹凸棒石粘土對土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)及小麥生長的影響[J].土壤通報(bào),2010,41(1):142-144.

[20] 袁惠君,劉左軍,張旭霞,等.凹凸棒石粘土對灌淤土養(yǎng)分含量及小麥生長的影響[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào),2008,34 (6):82-84.

[22] 范迪富,黃順生,廖啟林，等.不同量劑凹凸棒石粘土對鎘污染菜地的修復(fù)實(shí)驗(yàn)[J].江蘇地質(zhì),2007,31(4):323-328.

[23] 魏榮道,崔嶠.甘肅臨澤凹凸棒石粘土礦開發(fā)應(yīng)用研究[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2005,17(3):43-45.

[24] De Paiva L B,Morales A R,Diaz F R V.Organoclays: Properties, preparation and applications[J].Applied Clay Science,2008, 42(1/2):8-24.

[25] 王藝潔,任珺,陶玲,等.凹凸棒粘土的結(jié)構(gòu)與組成研究綜述[J].礦產(chǎn)保護(hù)與利用,2012(4):44-47.

[26] Balei S.Effect of heating and acid pre-treatment on poresize distribution of sepiolite[J].Clay and Clay Minerals,1999,34(4):647-655.

[27] 盛光遙,斯蒂芬·博伊德.有機(jī)粘土礦物及土壤改性在污染防治和環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用[J].自然雜志,1997,19(2):95-104.

(責(zé)任編輯：尹曉琦)

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

江蘇省科技支撐計(jì)劃(農(nóng)業(yè))項(xiàng)目(BE2013376)；江蘇省大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(201311049055X)

任旭琴(1973-)，女，山西高平人，副教授，博士，主要從事園藝植物環(huán)境與營養(yǎng)生理研究。

S641.3

A

1009-7961(2015)01-0001-04

陳靜教授按語：凹土不僅在化工、建材、造紙、醫(yī)藥、食品等工業(yè)方面得到廣泛應(yīng)用，低廉的價(jià)格以及良好的吸附性和膠體性能也同樣造就其在農(nóng)藥、肥料及土壤改良等農(nóng)業(yè)開發(fā)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。工業(yè)應(yīng)用對凹土品位有著相對嚴(yán)苛的品質(zhì)要求，而基于農(nóng)作物生產(chǎn)特性發(fā)展出的土壤修復(fù)改良劑對原料黏土的含量和類型則無明顯限制。本期介紹兩篇凹土在土壤修復(fù)改良領(lǐng)域的應(yīng)用研究，該方向工作的展開將為占總量2/3以上的存在廣泛低值棄用現(xiàn)象的中低品位凹土應(yīng)用開發(fā)尋求合適的應(yīng)用領(lǐng)域。