鋁鹽絮凝劑對沉水植物五刺金魚藻生長的影響
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張玥1，2， 徐棟1，劉碧云1，曾磊1,2，代志剛1，杜明普1，2，陳迪,1 吳振斌1
（1.中國科學(xué)院水生生物研究所淡水生態(tài)與生物技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢4.30072；2．中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）
摘要：鋁鹽絮凝劑在湖泊富營養(yǎng)化治理中得到了，廣泛應(yīng)用，應(yīng)用過程巾對水環(huán)境的改變可能會影響沉水植物的生長。該研究采用室外模擬試驗(yàn)，考察了連續(xù)投加不同濃度梯度的明礬( KAl(SO4)2．12H2O)鋁鹽對五刺金魚藻（Ceratoph.yllum oryzetorum Kom．）生長的影響。試驗(yàn)設(shè)置了6個(gè)處理：1#(對照組)、2#、3#、4#、5#、6#，分別投加6個(gè)梯度的明礬，投加量分別為0.0.0.2.0.8.2.0.4.0、10.0 mg/L。結(jié)果表明：(1)當(dāng)投加量達(dá)到約2.0 mg/L時(shí)，水巾鋁鹽濃度明顯升高，并隨著投加的積累持續(xù)丹高，低濃度投加對水中鋁鹽濃度影響不大；(2)水中鋁鹽濃度約(250±100) μg/L時(shí)，最適于金魚藻的生長；低于150μg/L,金魚藻生長一般；高于700 μg/L,則對金魚藻的生長有明顯損害，葉綠素含量顯著降低；(3)水中鋁鹽濃度達(dá)到360μg/L時(shí)，對剛毛藻有明顯毒害作用，抑制其光合作用，但藻體并沒有死亡；鋁鹽濃度達(dá)到700μg/L時(shí)，鋁鹽已導(dǎo)致了剛毛藻藻體的死亡。
關(guān)鍵詞：鋁鹽；五刺金魚藻；沉水植物；明礬；絮凝劑
中圖分類號：X173 doi：10.3969/j．issn．1003-6504.2016.04.002 文章編號：1003-6504(2016)04-0005-06
我國是一個(gè)多湖泊國家，淡水湖泊多集中于長江中下游地區(qū)，絕大多數(shù)淡水湖泊已經(jīng)達(dá)到富營養(yǎng)化狀態(tài)，湖泊富營養(yǎng)化已成為我國淡水湖泊面臨的最主要的生態(tài)環(huán)境問題…。在對富營養(yǎng)湖泊的治理中，投加鋁鹽（以明礬最常見）是一種常用的化學(xué)方法，其大量應(yīng)用源于20世紀(jì)70年代初期，在近幾十年來廣泛應(yīng)用于湖泊、水庫，主要用于除磷以及抑制磷從沉積物中釋放。鋁鹽也作為引水工程預(yù)處理混凝藥劑，在引水過程中輸入受體湖泊（如杭州西湖），該部分還尚未受到重視。在富營養(yǎng)化湖泊除藻的化學(xué)方法中，鋁鹽制劑也是一種常用的殺藻劑，使藻類凝聚沉降而去除。
沉水植物是湖泊生物多樣性賴以維持的基礎(chǔ)，在一定的營養(yǎng)水平下，沉水植物的有無決定湖泊穩(wěn)態(tài)類型。提高本土沉水植物覆蓋度是恢復(fù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要措施，是改善水質(zhì)并長期維持的關(guān)鍵。然而實(shí)踐證明，沉水植被的恢復(fù)，必須與其外部環(huán)境的改善結(jié)合起來，否則很難成功。鋁鹽在除磷除藻的過程中對水體環(huán)境的改變，也可能反過來影響沉水植物的
生長。針對金屬脅迫，研究較多的是Hg、Cr、C d、Cu、Zn等重金屬及其復(fù)合作用對沉水植物的危害，鋁鹽的應(yīng)用與輸入對沉水植物的脅迫研究還較少。
金魚藻（Ceratophyllum demers“m L．）是一種具觀賞價(jià)值的沉水植物，同時(shí)也是一種抗污染力極強(qiáng)的植物，，在湖泊沉水植物恢復(fù)中得到了廣泛應(yīng)用。金魚藻漂浮于水體中，根部不發(fā)達(dá)，在多數(shù)情況下植株無根，只有莖和葉，葉片表面組織細(xì)胞柱狀排列，其間有許多溝縫、空隙，葉片外周邊緣有一些針狀的突起，利于其對水中污染物質(zhì)的吸收吸附，可能更易受水中離子的影響。故本文選取金魚藻的常見品種五刺金魚藻(C．oyzetorum Kom.）為研究對象，探討了鋁鹽濃度的不斷累積對金魚藻生長的影響，為沉水植物恢復(fù)工作提供理論依據(jù)。
1試驗(yàn)材料與方法
1.1材料來源及處理方法
2014年7月下旬，從西湖采集五刺金魚藻，洗凈培養(yǎng)備用；7月底，從西湖烏龜潭采集底泥，混勻后沉淀備用，理化性質(zhì)見表1。試驗(yàn)用水為自來水，投加營養(yǎng)鹽為氯化銨( NH4CI)、硝酸鉀(KNO4)、磷酸二氫鈉( NaH2PO4)、磷酸氫二鈉（Na2HPO4），投加絮凝劑為明礬( KAlSO4)2．12H2O)。試驗(yàn)裝置為透明玻璃缸，尺寸為70 cmx50 cmx80 cm，共6個(gè)，置于室外。
1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)
設(shè)置1個(gè)對照組(1#)和5個(gè)試驗(yàn)組(2#、3#、4#、5#、6#)。每個(gè)玻璃缸在底部鋪10 cm厚底泥，加入自來水約40 cm深，待水澄清后移栽生長狀況良好、株高及濕重基本一致的金魚藻7—9株，生長穩(wěn)定后加入自來水至60 cm深。加入營養(yǎng)鹽，使得各缸水中初始N、P營養(yǎng)鹽濃度約為TN 2.0 mg/L（氯化銨：硝酸鉀=1：6）、TP 0.06～0.08 mg/L（磷酸二氫鈉：磷酸氫二鈉=1：1），配水營養(yǎng)鹽比例參照西湖湖水營養(yǎng)鹽濃度。
試驗(yàn)組2#、3#、4#、5#、6#分別投加5個(gè)梯度的明礬，投加量為0.2、0.8 、2.0、4.0、10.0 mg/L，每周五投加固體藥劑，對照組1#不投加，投加量設(shè)置及西湖引水鋁鹽濃度范圍。每周取水樣用于水質(zhì)測定，每2周取植物樣用于生理指標(biāo)測定，取樣時(shí)每個(gè)玻璃缸隨機(jī)取3份植物樣作為平行。試驗(yàn)期約60 d。
1.3分析方法
1.3.1 水質(zhì)指標(biāo)測定
采集水樣使用Hach-HQ40 d便攜式水質(zhì)分析儀測定pH、電導(dǎo)率、DO、水溫，使用BZ-1Z便攜式濁度儀測定濁度。采集水樣測定水中鋁鹽含量（以Al3+計(jì)），采用鉻天青S分光光度法( GBIT 5750.6-2006)。
1.3.2生理指標(biāo)測定
采集金魚藻，洗凈后測定鮮重、株長、莖節(jié)數(shù)，取頂端莖葉測定葉綠素含量、可溶性蛋白含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化物酶(POD)活性、丙二醛(MDA)含量等指標(biāo)。葉綠素采用丙酮萃取分光光度法、可溶性蛋白采用G-250考馬斯亮藍(lán)法、SOD采用氮藍(lán)四唑光化還原法、POD采用愈創(chuàng)木酚法、MDA采用硫代巴比妥酸法。
1.4數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析
利用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件中的One-Way ANOVA法進(jìn)行多重比較方差分析及Pearson法進(jìn)行相關(guān)性分析，并用不同字母表示處理組間差異顯著性水平(P<0.05)。
2結(jié)果與討論
2.1水中理化指標(biāo)變化情況
2.1.1水中鋁鹽含量變化
隨著每周明礬的投加，2#、3#鋁鹽濃度保持平穩(wěn)，無明顯上升，與對照組接近，保持在約(100+50) μg/L;當(dāng)4#投加濃度達(dá)到2.0 mg/L時(shí)，開始有明顯升高，最高達(dá)到547.2μg／L；當(dāng)投加濃度達(dá)到或高于4.0 mg/L時(shí)，5#、6#升高幅度更大，分別達(dá)到初始濃度的3.07倍、4.55倍，6#水中鋁鹽的濃度更是高達(dá)1 178.2μg/L，見圖1。最后一周5#、6#鋁鹽濃度有所下降。明礬投加量對水中鋁離子的積累影響很大，當(dāng)投加量達(dá)到約2.0 mg/L時(shí)，水中鋁鹽濃度明顯升高，并隨著投加的積累持續(xù)升高。王燕等研究了聚合鋁基復(fù)合混凝劑( PAC-PDMDAAC)的混凝性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)投加量為3.36 mg/L時(shí)，濁度保持在2.0~4.0 NTU的較低水平，大于3.36 mg/L時(shí)，隨著投加量的增加，殘余鋁量快速增大，這與本試驗(yàn)的結(jié)論有相似之處。本試驗(yàn)的用水為自配水，初始濁度較低，約(9.0+2.0) NTU，在鋁鹽和沉水植物的共同作用下很快就能達(dá)到較低水平，約(3.0+1.0) NTU，2.0 mg/L為投加量的分界值，大于
2.0 mg/L時(shí)，水中余鋁快速增大，濁度已達(dá)到較低水平，持續(xù)投加的鋁鹽難以繼續(xù)降低濁度，并且這種降低無實(shí)際意義。
2 .1.2主要水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性分析
對水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了Pearson相關(guān)性分析，見表2。發(fā)現(xiàn)鋁鹽含量與濁度呈顯著負(fù)相關(guān)，鋁鹽對濁度的降低有顯著作用。水溫、pH、電導(dǎo)率、DO之間均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，這幾個(gè)指標(biāo)的變化具有協(xié)同性。水溫對整個(gè)水生境的改變起到了重要的作用，溫度降低，浮游藻類生長減緩，光合作用減弱，放氧減少，DO隨之降低，并且藻類對CO2的利用減弱，從而pH降低。同時(shí)鋁鹽導(dǎo)致濁度降低，水溫一定幅度的降低（從約35℃降至25～28℃）和濁度的降低均有助于沉水植物的生長，而浮游藻類的密度變低也是濁度降低的一個(gè)重要原因。沉水植物的吸收使水中營養(yǎng)鹽減少，離子減少，電導(dǎo)率也隨之降低。鋁鹽進(jìn)入水體后會發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，發(fā)生水解，或形成沉淀及絡(luò)合物，也一定程度上造成了pH的降低。最后一周由于下雨，溫度降低，且雨水對玻璃缸中的水進(jìn)行了稀釋，故水中鋁鹽濃度又有一定的降低。
2.2鋁鹽投加對各處理組金魚藻生長情況的影響
2.2.1鋁鹽投加對金魚藻生長率、株長、節(jié)間長度及葉綠素的影響
如圖2，隨著明礬投加濃度的增加，各處理組金魚藻生長率呈先升高再降低的趨勢，4#與其他組均達(dá)到了顯著性差異(P<0.05)，生長率高達(dá)(0.95+0.1) g/d，6#長勢最差，植株矮小，葉片枯黃，生長率僅(0.23±0.04) g/d，與其他組也達(dá)到顯著性差異(P<0.05)。4#、6#金魚藻株長與其他各組均達(dá)到顯著性差異(JP<0.05)．4#金魚藻株長遠(yuǎn)大于其他處理組，增長了約(66.98+4.89) cm，6#株長增長則較小，約(15.88+2.21) cm。4#平均節(jié)間長度與其他各處理組有顯著性差異(P<0.05)，遠(yuǎn)大于其他組，約(1.5+0.35) cm，其余各組無顯著性差異，但6#最低。6#金魚藻葉綠素在約24 d后明顯降低，顯著低于其他處理組(P<0.05)。
各處理組生長率、株長增長長度、平均節(jié)間距離變化情況相似，都表明4#金魚藻生長顯著優(yōu)于其他各組，而6#則生長最差。鋁雖然不是植物生長的必須元素，但一定量的鋁對植物的生長可能有促進(jìn)作用。劉鵬等認(rèn)為較低濃度的鋁可以維持細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，減少細(xì)胞內(nèi)的外滲物，從而對植物的生長有利。
葉綠素作為植物進(jìn)行光合作用的主要色素，其含量高低能直接反映光合作用能力強(qiáng)弱及其生產(chǎn)力。在鋁脅迫下，植物葉綠體被膜會受到破壞，葉綠素含量降低，光合作用受到抑制。金魚藻表皮細(xì)胞含大量的葉綠體，葉綠體沿細(xì)胞壁的邊緣排列，高濃度鋁鹽可能更易穿過細(xì)胞壁，破壞其葉綠體被膜，從而導(dǎo)致葉綠體的流失。另一方面，Al3+也可能在植株體內(nèi)競爭和取代Mg2，影響植物對鎂的吸收和運(yùn)輸，使植物缺鎂，從而抑制葉綠素的合成，使其含量下降。
2.2.2 鋁鹽投加對金魚藻SOD活性、POD活性、可溶性蛋白及MDA含量的影響
圖3是各處理組金魚藻生化指標(biāo)的變化情況。各處理組金魚藻SOD活性隨時(shí)間變化趨勢接近，呈降低升高再降低的變化，4#活性始終低于其他組。POD活性隨時(shí)間呈先降低后升高的趨勢，4#活性較低，5#、6#在第42天開始活性高于其他處理組。可溶性蛋白在第42天時(shí)有一定幅度增加，之后保持平穩(wěn)，增加了9.23%～80.1%，6#金魚藻增加了80.1%，明顯高于其他組，有較多積累。各處理組MDA均呈上升趨勢，5#、6#較其他組有顯著而持續(xù)的增加，比最初分別增加了2.77倍、5.66倍。
脅迫會導(dǎo)致植物體內(nèi)產(chǎn)生過量的活性氧，加劇植物細(xì)胞的膜脂過氧化，從而破壞細(xì)胞內(nèi)的代謝活動。SOD作為重要的活性氧清除劑，能催化活性氧轉(zhuǎn)變?yōu)镠2O2，在逆境脅迫下會增大活性，從而減輕活性氧的傷害，抑制膜脂過氧化產(chǎn)物MDA的積累，以保障細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和正常功能，而當(dāng)逆境對植物造成不可逆的傷害時(shí)，SOD活性則會下降。各處理組金魚藻隨
著明礬的持續(xù)處理，SOD先有較大幅度的升高，而后又有所降低，可見鋁鹽的脅迫作用一直存在，隨著濃度的不斷升高和時(shí)間的持續(xù)，這種傷害也不斷加大。4#金魚藻SOD始終較低，升高后幾乎一直保持，鋁鹽的脅迫使得SOD活性增加用于清除活性氧，但并沒有達(dá)到嚴(yán)重不可逆的程度。POD可把SOD等產(chǎn)生的H2O2變成H2O，使活性氧維持在較低水平，減輕其對植物生長的損害，因此POD與SOD變化趨勢相似。MAD作為膜脂過氧化產(chǎn)物，其產(chǎn)生會加劇膜的損傷。MDA始終為升高趨勢，在鋁鹽脅迫下有明顯的積累，尤其是5#、6#，在30 d之后急劇升高，與葉綠素含量呈顯著的負(fù)相關(guān)，可見鋁脅迫下光合色素的降解與膜脂過氧化密切相關(guān)，這與肖祥希等的研究結(jié)果是一致的。而后期SOD的降低也導(dǎo)致對MDA的抑制減弱，MDA持續(xù)積累�？扇苄缘鞍资侵匾臐B透調(diào)節(jié)物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)，它的增加和積累能提高細(xì)胞的保水能力。鋁脅迫膜脂過氧化加劇，也會抑制蛋白質(zhì)的合成，但后期金魚藻可溶性蛋白并沒有明顯降低，可能是鋁誘導(dǎo)了結(jié)合蛋白的合成，以降低鋁對細(xì)胞內(nèi)重要位點(diǎn)的毒害作用。Basu等分離得到了鋁誘導(dǎo)的51KD的微粒體膜蛋白，除了能被C d、Ni部分誘導(dǎo)外，不能被其他環(huán)境脅迫誘導(dǎo)合成，并且這種蛋白只在耐鋁品種中發(fā)現(xiàn)，與植物的抗鋁性有直接關(guān)系，說明鋁脅迫下植物細(xì)胞合成一些多肽與鋁進(jìn)行絡(luò)合作用，是植物減輕鋁毒害的內(nèi)部機(jī)制。
2.2.3鋁鹽投加對水中絲狀藻的影響
在金魚藻生長幾天后，每個(gè)試驗(yàn)組均出現(xiàn)了絲狀藻，主要為剛毛藻和水綿，來源于底泥及植株，附著在沉水植物、底泥及缸內(nèi)壁，屬于著生藻類。絲狀藻多和水生植物相伴生，且生命力旺盛、繁殖能力強(qiáng)，極易大量孽生。1#、2#、3#均有少量絲狀藻附著于金魚藻莖葉，絲狀藻多附著于根部，隨著明礬的連續(xù)投加，絲狀藻有一定減少，主要附著在根部；4#金魚藻幾乎沒有絲狀藻附著；5#、6#有大量絲狀藻附著。絲狀藻的大量存在會與沉水植物形成競爭作用，爭奪水體中營養(yǎng)成分和光照，附著在沉水植物上的絲狀藻也會造成沉水植物的機(jī)械損傷，絲狀藻死亡腐爛之后釋放的有害物質(zhì)更是會影響水質(zhì)及整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。絲狀藻對沉
水植物還會有化感作用，會影響沉水植物的生長，金魚藻植株柔軟，葉片呈針狀，更易被絲狀藻附著，且絲狀藻易附著纏繞在根部造成機(jī)械損傷，同時(shí)爭奪養(yǎng)分，相對來說金魚藻較其他種類的沉水植物更易受到絲狀藻傷害。4#鋁鹽濃度約(250+100) μg/L，對絲狀藻有一定抑制作用，以減小其對金魚藻的影響。
約24 d時(shí)，5#水中鋁鹽濃度達(dá)到360 p4g/L，出現(xiàn)了白色絲狀藻藻體，主要為剛毛藻。進(jìn)入剛毛藻體內(nèi)的金屬離子會改變其細(xì)胞膜透性，對葉綠體造成一定程度的破壞，致使葉綠素結(jié)構(gòu)破壞，剛毛藻體失綠，說明鋁鹽對剛毛藻有明顯毒害作用，抑制其光合作用。但剛毛藻仍大團(tuán)簇集，數(shù)量上并無明顯減少，雖受到嚴(yán)重?fù)p害，藻體并沒有死亡。當(dāng)水中鋁鹽濃度達(dá)到700μg/L時(shí)，白色藻體已不再大量簇集成團(tuán)，而是細(xì)小分散地附著于金魚藻或缸內(nèi)壁，數(shù)量上也明顯減少，此濃度鋁鹽已導(dǎo)致了藻體的死亡。
3結(jié)論
(1)當(dāng)投加量達(dá)到約2.0 mg/L時(shí)，水中鋁鹽濃度明顯升高，并隨著投加的積累持續(xù)升高。鋁鹽對濁度的降低有顯著作用，但鋁鹽濃度的持續(xù)升高對已經(jīng)很低的濁度不再有明顯的降低效果。水溫對整個(gè)水生境的改變起到了重要的作用。
(2)水中鋁鹽濃度約(250+100) μg/L時(shí)，最適于金魚藻的生長，對其植株的生長有促進(jìn)作用；低于150μg/L，金魚藻生長一般；高于700 μg/L，則對金魚藻的生長有明顯損害，葉綠素含量明顯降低。
(3)水中一定量鋁鹽(約(250+100) μg/L)對絲狀藻有一定抑制作用，促進(jìn)金魚藻的生長；水中鋁鹽濃度達(dá)到360μg/L時(shí)，對剛毛藻有明顯毒害作用，抑制其光合作用，但藻體并沒有死亡；鋁鹽濃度達(dá)到700 μg/L時(shí)，鋁鹽已導(dǎo)致了剛毛藻藻體的死亡。
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