龔娟　王宇暉　趙曉祥　宋新山

摘要：選擇人工濕地中常用的挺水植物美人蕉和鳶尾作為受試植物，配制不同氨氮濃度的模擬廢水進(jìn)行培養(yǎng)，每隔一段停留時(shí)間測(cè)試植株生理指標(biāo)，以期得到植株的氨氮耐受性特征。研究脯氨酸、丙二醛、超氧化物歧化酶、凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度等表征植株耐受性指標(biāo)的變化。結(jié)果表明，美人蕉葉片中脯氨酸和丙二醛含量均隨氨氮脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)，說(shuō)明植株對(duì)氨氮的脅迫具有一定的適應(yīng)性。鳶尾葉片中兩種物質(zhì)的含量均明顯高于美人蕉。氨氮濃度為200 mg/L時(shí)，美人蕉SOD活性變化很小，而鳶尾則呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)；隨著氨氮濃度升高，美人蕉和鳶尾葉片的SOD活性都呈先升高后降低的趨勢(shì)，但鳶尾葉片SOD活性無(wú)法恢復(fù)到初始水平，SOD系統(tǒng)遭到損害。低濃度氨氮對(duì)美人蕉凈光合速率具有明顯的促進(jìn)作用，且蒸騰速率呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)。表明在低氨氮濃度情況下，美人蕉表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐受性。鳶尾凈光合速率和蒸騰速率均有所下降，植物生長(zhǎng)受到抑制。研究結(jié)果表明，美人蕉對(duì)高氨氮具有更強(qiáng)的耐受性，是人工濕地處理高氨氮廢水時(shí)較為理想的濕地植物。

關(guān)鍵詞：人工濕地；氨氮；植物生理指標(biāo)；濕地植物

中圖分類(lèi)號(hào)：X173；X52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）03-0534-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.03.007

The Tolerance of Plants to High Concetration of Ammonia in Wastewater by Constructed Wetland

GONG Juan， WANG Yu-hui， ZHAO Xiao-xiang， SONG Xin-shan

（College of Environmental Science and Engineering， Donghua University， Shanghai 201620，China）

Abstract： Two commonly used emergent plants for constructed wetland including Canna and Iris were used to be stressed by the configuration of simulated wastewater with different concentrations of ammonia. Plant physiological indicators were determined at fixed residence time intervals to obtain ammonia tolerance characteristics of the two plants. The plant tolerance indexes were proline， malondialdehyde， superoxide dismutase， photosynthetic rate， transpiration rate and stomatal conductance. The results showed that the contents of proline and MDA in Canna increased with prolonged stress time of ammonia at first and then decreased， indicating that Canna had a certain flexibility of ammonia nitrogen. The contents of proline and MDA in Iris were significantly higher than that of Canna. SOD activity of Canna changed little when the concentration of ammonia nitrogen was 200 mg/L， while the index of Iris increased at first and then decreased. As the concentration of ammonia nitrogen increased， the SOD activity of Canna and Iris increased at first and then decreased. While the SOD activity of Iris was not able to be restored to original level， indicating that the SOD enzyme system was compromised. The photosynthetic rate of Canna was significantly promoted when the concentration of ammonia nitrogen was low. The transpiration rate increased at first and then decreased， showing that Canna had stronger tolerance than Iris had when the concentration of ammonia nitrogen was low. Canna had a stronger tolerance to high concentration of ammonia nitrogen. It was the ideal wetland plants for constructed wetland to treat high concentration of ammonia nitrogen in wastewater.endprint

Key words： constructed wetland； ammonia nitrogen； physiological index of plant； wetland plant

隨著水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題的日益嚴(yán)重，廢水中氨氮的排放標(biāo)準(zhǔn)也越發(fā)嚴(yán)格，如何有效地去除廢水中的氨氮，是目前亟待解決的問(wèn)題[1，2]。人工濕地是近年來(lái)興起的一種生態(tài)處理方法，具有氮磷去除能力強(qiáng)、基建運(yùn)行費(fèi)用低、耐沖擊負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于生活污水、工業(yè)廢水、石油開(kāi)采廢水、養(yǎng)殖廢水治理等領(lǐng)域[3，4]。2010年，國(guó)家環(huán)保部發(fā)布了《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》，標(biāo)志著人工濕地技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用受到廣泛的重視和推廣。

濕地挺水植物是人工濕地主要組成部分，是濕地處理系統(tǒng)最明顯的生物特征[5]。人工濕地脫氮是通過(guò)濕地植物吸收、微生物硝化-反硝化、基質(zhì)吸附、氨揮發(fā)等，其中主要是硝化-反硝化過(guò)程去除[6]。有研究表明，植物吸收、存儲(chǔ)僅占總氮去除量的10%左右[7]。但是，植物根系則具有很強(qiáng)的輸氧作用，能夠?yàn)槲⑸锾峁┏渥愕难鯕?，并且能分泌有機(jī)質(zhì)為微生物提供生長(zhǎng)條件[8，9]?；|(zhì)內(nèi)部形成好氧區(qū)、缺氧區(qū)和厭氧區(qū)，滿(mǎn)足硝化和反硝化作用的順利進(jìn)行[10]。然而，高濃度氨氮對(duì)植株具有脅迫作用，氨氮濃度過(guò)高，對(duì)植物細(xì)胞產(chǎn)生滲透脅迫，破壞植物細(xì)胞內(nèi)自由基代謝平衡，導(dǎo)致膜脂過(guò)氧化，使膜系統(tǒng)受到傷害；同時(shí)影響正常光合作用，植株生長(zhǎng)受到抑制。因此，研究常見(jiàn)人工濕地植物對(duì)氨氮的耐受性，有助于對(duì)濕地植物的選擇，有利于人工濕地處理高氨氮廢水的連續(xù)性和有效性。此外，植物根系還能在介質(zhì)中形成許多間隙，減少介質(zhì)封閉性，加強(qiáng)介質(zhì)的水力傳輸能力[11]。

因此，以人工濕地中常見(jiàn)的美人蕉和鳶尾作為受試植物，研究植株在高氨氮脅迫作用下生理指標(biāo)的變化響應(yīng)，通過(guò)對(duì)比研究，以期得到植物對(duì)高氨氮的耐受性，為人工濕地處理高氨氮廢水植物選擇提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料

美人蕉和鳶尾植株均采自上海市松江區(qū)東華大學(xué)校園，美人蕉選取株高30～35 cm的幼苗，鳶尾選擇分蘗數(shù)為5～6個(gè)的幼苗，采集時(shí)植物長(zhǎng)勢(shì)良好。采用長(zhǎng)×寬×高為50 cm×35 cm×30 cm的透明塑料箱，基質(zhì)填充平均粒徑為0.3～0.6 cm的石英砂，填充高度16 cm。植株種植密度為：美人蕉（4株/箱）、鳶尾（8株/箱）。采用稀釋10倍的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)2周，控制液面高度為16 cm，待植物長(zhǎng)勢(shì)穩(wěn)定。試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)添加硫酸銨調(diào)節(jié)氨氮濃度。研究中，氨氮濃度梯度分別為0、200、400、600、800 mg/L。植物生長(zhǎng)過(guò)程中，每周添加相應(yīng)氨氮濃度的營(yíng)養(yǎng)液，滿(mǎn)足植物對(duì)水分的需求。每隔1周對(duì)每組植株進(jìn)行相關(guān)的生理指標(biāo)測(cè)定。

1.2 方法

研究采用脯氨酸、丙二醛、超氧化物歧化酶、凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度來(lái)表征氨氮對(duì)植株的脅迫程度。游離脯氨酸測(cè)定采用茚三酮比色法，SOD測(cè)定采用氮藍(lán)四唑（NBT）光化還原法，丙二醛測(cè)定采用硫代巴比妥酸法[12]，光合作用、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度指標(biāo)測(cè)定采用LI-6400 XT型光合作用測(cè)定儀測(cè)定（美國(guó)LI-COR公司）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度氨氮脅迫對(duì)植物脯氨酸含量的影響

植物受到逆境脅迫時(shí)，細(xì)胞會(huì)主動(dòng)形成一些滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，以提高溶質(zhì)濃度，降低水勢(shì)，細(xì)胞就繼續(xù)從外界吸水，從而保證植物正常生長(zhǎng)。脯氨酸（Proline，Pro）是最有效的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一。圖1結(jié)果表明，脅迫初期，美人蕉和鳶尾葉片中脯氨酸的含量都隨著水中氨氮濃度的升高而逐漸增加，且鳶尾葉片的脯氨酸含量明顯高于美人蕉。脅迫1周氨氮濃度為200 mg/L時(shí)，鳶尾葉片脯氨酸含量為73.38 μg/g，美人蕉為48.63 μg/g；脅迫1周氨氮濃度為400 mg/L時(shí)，鳶尾葉片脯氨酸含量為120.29 μg/g，而美人蕉則為56.79 μg/g；水中氨氮濃度為600 mg/L時(shí)，脅迫1周后測(cè)定鳶尾葉片中脯氨酸含量高達(dá)149.875 μg/g，是氨氮脅迫前的8.2倍，美人蕉葉片的脯氨酸含量為72.54 μg/g，是氨氮脅迫前的4.5倍。美人蕉和鳶尾葉片的脯氨酸含量都隨脅迫時(shí)間呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)，二者均在第五周開(kāi)始趨于穩(wěn)定。

2.2 不同濃度氨氮脅迫對(duì)植物丙二醛含量的影響

由圖2可知，受氨氮脅迫前，美人蕉葉片中MDA含量約為0.40 μmol/g，鳶尾葉片的MDA含量約為1.11 μmol/g。受氨氮脅迫初期，美人蕉和鳶尾葉片中MDA的含量都隨著水中氨氮濃度的升高而逐漸增加，這與魯敏等[13]關(guān)于4種濕地植物受污水脅迫的生理生化特性鑒定結(jié)果一致。鳶尾葉片的MDA含量明顯高于美人蕉，但美人蕉MDA含量的增加幅度稍高于鳶尾。水中氨氮濃度為600 mg/g時(shí)，脅迫1周后測(cè)定鳶尾葉片中MDA含量高達(dá)1.60 μmol/g；美人蕉葉片中MDA含量為1.02 μmol/g。美人蕉和鳶尾葉片的MDA含量都隨脅迫時(shí)間呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)，且美人蕉葉片的MDA含量能夠迅速下降并于第3周趨于穩(wěn)定，而鳶尾葉片的MDA含量下降緩慢，此后趨于穩(wěn)定。在高氨氮脅迫下，植株體內(nèi)膜脂過(guò)氧化作用加快，增加植物體內(nèi)活性氧，影響膜功能，破壞膜結(jié)構(gòu)，從而使丙二醛含量增加。MDA的增加在一定程度上可以表征植株細(xì)胞膜脂過(guò)氧化的程度，細(xì)胞受到一定程度的損傷。但總體上，鳶尾更容易受到氨氮的脅迫，植株受損程度相對(duì)嚴(yán)重。

2.3 不同濃度氨氮脅迫對(duì)植物超氧化物歧化酶活性的影響

當(dāng)植物受逆境脅迫時(shí)，體內(nèi)會(huì)積累大量的活性氧，從而破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)。植物將利用細(xì)胞內(nèi)活性氧清除系統(tǒng)來(lái)清除不斷產(chǎn)生的有害活性氧來(lái)保護(hù)光合器官、膜及生物功能分子。SOD是一種清除超氧陰離子自由基的酶，通過(guò)測(cè)定SOD活性，可考察植物對(duì)氨氮脅迫的防御能力。圖3結(jié)果顯示，美人蕉和鳶尾體內(nèi)SOD活性因外環(huán)境中氨氮脅迫發(fā)生不同程度的變化。氨氮濃度為200 mg/L時(shí)，美人蕉的SOD活性變化很小，隨著氨氮濃度升高，SOD活性變化很明顯。脅迫一周，當(dāng)氨氮濃度分別為400、600 mg/L時(shí)，美人蕉SOD活性為276.54、306.17 U/g，且其SOD活性到第7周恢復(fù)到初始水平。鳶尾葉片的SOD活性隨著氨氮濃度的增高呈現(xiàn)先增高后下降的趨勢(shì)。當(dāng)氨氮濃度為400、600 mg/L時(shí)，SOD活性最高達(dá)345.68和390.12 U/g，且其SOD活性無(wú)法恢復(fù)到初始水平，說(shuō)明SOD系統(tǒng)遭到損害。由此可知，美人蕉比鳶尾對(duì)高氨氮廢水的耐受性更強(qiáng)。endprint

2.4不同濃度氨氮脅迫對(duì)植物凈光合速率的影響

光合作用是植物合成物質(zhì)和蓄積能量的基礎(chǔ)。植物凈光合速率越大，說(shuō)明植物的同化作用能力越強(qiáng)。通過(guò)測(cè)定不同濃度氨氮脅迫下植物葉片的凈光合速率，表征植物在該逆境下的耐受性能，為挑選濕地植物提供依據(jù)。由圖4可知，當(dāng)氨氮濃度為200 mg/L脅迫2周時(shí)，美人蕉葉片的凈光合速率由脅迫前的10.05 μmolCO2/（m2·s）增加至14.72 μmolCO2/（m2·s），凈光合速率增加幅度很大。當(dāng)氨氮濃度為400 mg/L時(shí)，凈光合速率也較不添加氨氮的高，而當(dāng)氨氮濃度增加至600 mg/L時(shí)，植株葉片的凈光合速率與不添加氨氮的植株葉片的凈光合速率相差不大，說(shuō)明低濃度氨氮對(duì)美人蕉葉片的凈光合速率有明顯的促進(jìn)作用。脅迫初期，氨氮對(duì)鳶尾葉片的凈光合速率有十分明顯的抑制作用。隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，氨氮濃度為200 mg/L人工配制廢水中栽種的鳶尾凈光合速率先降后升再降，其凈光合速率于第五周高于種植于不添加氨氮的水環(huán)境的鳶尾，這可能是因?yàn)轼S尾經(jīng)過(guò)一段時(shí)間適應(yīng)了較低濃度的氨氮廢水，而低濃度的氨氮能夠?yàn)轼S尾提供生長(zhǎng)所需的氮，因而凈光合速率有小幅度升高。但是，當(dāng)氨氮濃度為400、600 mg/L時(shí)，鳶尾葉片的凈光合速率隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)先降后升再降，但始終低于不添加氨氮的空白對(duì)照組，表明美人蕉比鳶尾對(duì)氨氮的耐受性更佳。

2.5 不同濃度氨氮脅迫對(duì)植物蒸騰速率的影響

植物吸收水分與吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)之間是相互促進(jìn)的，植物的日蒸騰量可作為人工濕地凈化工程植物選擇的一個(gè)重要的指標(biāo)[14]。由圖5可知，氨氮脅迫前，美人蕉葉片的蒸騰速率遠(yuǎn)高于鳶尾葉片，美人蕉的蒸騰速率為2.28 mmol H2O/（m2·s）左右，而鳶尾的蒸騰速率為0.22 mmol H2O·/（m2·s）左右。氨氮濃度為200和400 mg/L時(shí)，隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，美人蕉葉片的蒸騰速率先上升后下降，再后趨于穩(wěn)定，第1周美人蕉葉片蒸騰速率分別為2.67和2.94 mmol H2O/（m2·s）。當(dāng)氨氮濃度升高為600 mg/L時(shí)，美人蕉的蒸騰速率下降。鳶尾葉片的蒸騰速率與氨氮濃度之間的關(guān)系與美人蕉不同。鳶尾葉片的蒸騰速率受不同濃度氨氮脅迫影響均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。氨氮濃度為200、400、600 mg/L時(shí)，1周后鳶尾葉片的蒸騰速率分別為0.12、0.14、0.09 mmol H2O/（m2·s），并于第3周后趨于穩(wěn)定。

2.6 不同濃度氨氮脅迫對(duì)植物氣孔導(dǎo)度的影響

由圖6可知，氨氮脅迫前，美人蕉葉片的氣孔導(dǎo)度約為0.11 molH2O/（m2·s），鳶尾葉片的氣孔導(dǎo)度約為0.03 molH2O/（m2·s）。氨氮脅迫開(kāi)始后，美人蕉葉片的氣孔導(dǎo)度隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)，且氨氮濃度為200 mg/L條件下種植的美人蕉葉片的氣孔導(dǎo)度變化最大，在脅迫后第3周達(dá)到最大值，約為0.41 molH2O/（m2·s）。氨氮脅迫初期，鳶尾葉片的氣孔導(dǎo)度迅速降低，且氨氮濃度越高，氣孔導(dǎo)度降低幅度越大。氨氮濃度分別為400、600 mg/L時(shí)，第2周測(cè)定的氣孔導(dǎo)度最低，分別為0.009 molH2O/（m2·s）和0.005 molH2O/（m2·s）。此后，隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，鳶尾葉片的氣孔導(dǎo)度緩慢上升并逐漸趨于穩(wěn)定。

2.7 不同處理對(duì)植物胞間CO2濃度的影響

CO2是光合作用反應(yīng)的底物，是植物光合作用的限制因子之一，對(duì)植物光合作用的生理生化過(guò)程起決定性作用，因此胞間CO2濃度的高低可以作為判斷光合作用潛在能力的一項(xiàng)指標(biāo)。圖7結(jié)果表明，隨著氨氮脅迫的開(kāi)始，美人蕉葉片的胞間CO2濃度呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)，且它在氨氮濃度為200 mg/L時(shí)最高，在脅迫第3周時(shí)為290.91 μmol CO2/mol。美人蕉葉片的胞間CO2濃度隨時(shí)間延長(zhǎng)降低，當(dāng)氨氮濃度為600 mg/L時(shí)，至脅迫第十周葉片胞間CO2濃度最低，為147.18 μmol CO2/mol。鳶尾葉片的胞間CO2濃度則隨著氨氮脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，且在第3周達(dá)到最低值。此時(shí)，氨氮濃度為200、400、600 mg/L下種植的鳶尾葉片的胞間CO2濃度分別為162.13、103.22、67.12 μmolCO2/mol。脅迫6周后，鳶尾葉片的胞間CO2濃度逐漸趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論與討論

美人蕉和鳶尾葉片中脯氨酸、丙二醛的含量都隨著水中氨氮濃度的升高而逐漸增加，且鳶尾葉片的含量明顯高于美人蕉。氨氮濃度為200 mg/L時(shí)，美人蕉的SOD活性變化很小，隨著氨氮濃度升高，SOD活性變化明顯，且可以恢復(fù)到初始水平。鳶尾葉片的SOD活性隨著氨氮濃度的增高呈現(xiàn)先增高后下降的趨勢(shì)。當(dāng)氨氮濃度為400、600 mg/L時(shí)，SOD活性無(wú)法恢復(fù)到初始水平，說(shuō)明SOD系統(tǒng)遭到損害。美人蕉的凈光合速率和蒸騰速率遠(yuǎn)大于鳶尾。美人蕉在200和400 mg/L時(shí)的凈光合速率高于不添加氨氮的水樣下栽培的美人蕉，但在600 mg/L的濃度下則受到抑制。而氨氮對(duì)鳶尾葉片的凈光合速率有十分明顯的抑制作用。氨氮脅迫開(kāi)始后，美人蕉葉片的氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)，而鳶尾葉片的氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度則呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，但始終低于不受氨氮脅迫的植株。通過(guò)兩種植物的生理生化特征對(duì)比可知，美人蕉對(duì)氨氮的耐受性更佳，是人工濕地系統(tǒng)處理高氨氮廢水的理想工程植物。

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