剑湖湿地微齿眼子菜对环境氮素变化的响应

李雪梅　马长乐　敖新宇等

摘要：为了了解剑湖湿地沉水植物微齿眼子菜（Potamogeton maackianus A. Benn）对环境氮素的利用情况，测定了不同铵态氮和硝态氮胁迫下微齿眼子菜对环境氮素的响应。结果表明，微齿眼子菜在0～80 mg/L NH4Cl和0～320 mg/L的KNO3环境中均能正常生长，且外观无明显变化；对铵态氮、硝态氮具有较强的吸收能力，且对铵态氮的吸收能力优于硝态氮；根据微齿眼子菜对环境氮素的响应可以看出，微齿眼子菜是一种较好的耐受氮、吸收氮和转化氮的水体生态修复植物。

关键词：微齿眼子菜（Potamogeton maackianus A. Benn）；总氮；铵态氮；硝态氮

中图分类号：S682.32 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）07-1522-03

水体中天然存在的各类水生植物不但可以消耗大量造成水体富营养化的N、P等物质，而且还会干扰藻类物质的生长，因而水生植物可作为水体恢复与重建的重要手段[1，2]。微齿眼子菜（Potamogeton maackianus A. Benn）是一种广泛存在的沉水植物，由于其沉水生长，对水质变化的感应敏锐，且极易成活，因而受到人们的关注[3，4]。

剑湖位于云南省大理州剑川县城东南3 km处，海拔2 186 m，属云南省重要的高原湿地[5]。本研究选择剑湖优势沉水植物微齿眼子菜作为受试植物进行室内模拟试验，研究不同铵态氮和硝态氮胁迫下微齿眼子菜对环境氮素的利用能力，为将沉水植物应用于水体的恢复与重建提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料

供试水生植物：微齿眼子菜，于2011年6月采自云南大理剑川剑湖，为生长较好的整体株。

供试试剂：50%的酒石酸钾钠溶液、纳氏试剂、pH 1的H2SO4溶液、5%水杨酸、8%氢氧化钠溶液、0.1 mmol/L pH 7.5的磷酸缓冲溶液、1%对氨基苯磺胺溶液、浓硫酸、0.02%萘基乙烯胺溶液、NaNO2、Na2HPO4·12H2O、NaH2PO4·12H2O、KNO3、HCl、K2SO4、三氯乙酸、石英砂均为分析纯。

供试仪器：0408-1型台式低速离心机，上海医疗器械（集团）有限公司手术器械厂；Kjeltec 2300型全自动凯氏定氮仪，瑞典FOSS TECATOR公司；WFJ 7200型可见分光光度计，尤尼柯（上海）仪器有限公司。

1.2 微齿眼子菜的耐受处理

先用自来水将植株表面洗净，种入底层为沙土的桶中，加水约35 cm深，分别加入不同量的铵态氮（NH4Cl）、硝态氮（KNO3）进行耐受处理。设置NH4Cl的浓度分别为0、5、10、20、40、80 mg/L， KNO3的浓度分别为0、20、40、60、80、100、160、320 mg/L对植株进行耐受试验，每个试验桶装有大小一致的微齿眼子菜30株左右，耐受15 d后收集植株，经冼净、剪碎、混匀制得样品。对该样品进行硝态氮、铵态氮、亚硝态氮、总氮含量测定。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 硝态氮含量测定 称取2.0 g样品置于试管中，加入10 mL的去离子水，置于沸水浴中提取30 min，将提取液转入25 mL容量瓶中，然后继续用适量去离子水冲洗残渣，润洗液一并转入容量瓶，定容，摇匀。取样品提取液1 mL，按邹琦[6]的方法进行硝态氮测定，平行测定3次。样品中硝态氮含量（μg/g）=D1×样品提取液总量（mL）/[样品鲜重（g）×测定时样品液用量（mL）]，D1为从标准曲线查得的硝态氮的含量（μg）。

1.3.2 亚硝态氮含量测定 称取2.0 g样品置于研钵中，加入9 mL PBS、1 mL三氯乙酸和少量石英砂研成匀浆，转移至离心管中4 000 r/min离心10 min，吸取上清液2 mL于干净的试管中。取上清液1 mL，按邹琦[6]的方法进行亚硝态氮测定，平行测定3次。样品中亚硝态氮含量（μg/g）=D2×样品提取液总量（mL）/[样品鲜重（g）×测定时样品液用量（mL）]，D2为从标准曲线查得的亚硝态氮的含量（μg）。

1.3.3 铵态氮含量测定 称取2.0 g样品置于研钵中，加入pH 1的H2SO4研细，3 500 r/min离心20 min，取上清液定容至100 mL，然后按纳氏试剂比色法进行测定[7]，平行测定3次。样品中铵态氮含量（μg/g）=D3×提取液总量（mL）/[样品鲜重（g）×测定时样品液用量（mL）]，D3为从标准曲线查得的铵态氮的含量（μg）。

1.3.4 植物中总氮含量测定 称取0.1 g样品放入消化管中，加入5.0 g的K2SO4和8 mL浓硫酸后进行消化。消化好的样品按凯氏定氮法[8]测定总氮含量，平行测定3次。

2 结果与分析

2.1 不同铵态氮和硝态氮浓度下微齿眼子菜总氮含量的变化

在不同铵态氮和硝态氮浓度下微齿眼子菜总氮含量的变化如图1所示。从图1可以看出，与对照组相比，随着环境铵态氮和硝态氮浓度的升高，微齿眼子菜总氮含量整体呈升高趋势，但变化不明显。由此可见，在不同浓度的环境铵态氮和硝态氮胁迫下，微齿眼子菜的总氮含量差异不明显。

2.2 不同铵态氮和硝态氮浓度下微齿眼子菜硝态氮含量的变化

在不同铵态氮和硝态氮浓度下微齿眼子菜硝态氮含量的变化如图2所示。随着环境铵态氮含量的升高，微齿眼子菜的硝态氮含量先升高后有所下降。在无硝态氮存在的环境中，植物硝态氮含量的高低在一定程度上反映了植物对硝态氮转化能力的强弱，植物中硝态氮含量越低，则说明该植物转化硝态氮的能力越强。由图2可以看出，当环境中NH4Cl浓度在0～20 mg/L时，植物体内硝态氮含量较高，说明此范围内环境铵态氮对植物转化硝态氮的能力有一定抑制作用，但环境中铵态氮含量继续升高时，植株对硝态氮转化能力有一定恢复。

硝态氮为植物体可直接吸收的氮源，当植物吸收环境中的硝态氮后，其一部分会在硝酸还原酶和亚硝酸还原酶催化下转化为铵态氮[9]，另一部分则贮存于植物体内。从图2可以看出，当环境KNO3浓度为40 mg/L时，植物体会将吸收的硝态氮迅速转化，所以植物体内硝态氮含量呈下降趋势，但当环境硝态氮浓度进一步升高时，植物贮存的硝态氮量大于其转化量，导致植物体中硝态氮含量迅速升高，但环境硝态氮浓度过高时，其会造成环境渗透压增大，植株反而难以吸收硝态氮，由此可见，当环境中KNO3浓度为80～160 mg/L时，微齿眼子菜的硝态氮含量较高，说明此浓度范围内微齿眼子菜对硝态氮的吸收能力较强。

2.3 不同铵态氮和硝态氮浓度下微齿眼子菜亚硝态氮含量的变化

图3为不同铵态氮和硝态氮浓度下微齿眼子菜亚硝态氮含量变化。铵态氮为植物可直接利用制备氨基酸的氮源，而硝态氮不能被植物直接利用，亚硝态氮是植物体利用硝态氮时代谢的中间产物[10]。由图3可以看出，在环境铵态氮胁迫下，随着环境铵态氮浓度的升高，植物中亚硝基氮含量明显减少；而在硝态氮胁迫下，植株中亚硝态氮含量随环境硝态氮浓度的升高而增加，这也说明微齿眼子菜在铵态氮胁迫下会优先吸收环境中铵态氮；而在硝态氮胁迫下，由于只能利用环境中的硝态氮，造成植物体内亚硝态氮含量升高。而且从图3中还可以看出，微齿眼子菜对环境中的铵态氮和硝态氮都有较强的吸收能力。

2.4 不同铵态氮和硝态氮浓度下微齿眼子菜铵态氮含量的变化

在不同铵态氮和硝态氮浓度下微齿眼子菜中铵态氮含量的变化如图4。从图4可以看出，随着环境铵态氮浓度的升高，微齿眼子菜铵态氮含量迅速升高，当环境NH4Cl浓度为80 mg/L时，植物体铵态氮含量达到750 μg/g，是对照组铵态氮含量的7倍。由此可见，微齿眼子菜对环境铵态氮的吸收和保存能力较强。

随着环境硝态氮浓度的升高，微齿眼子菜铵态氮含量先降低后升高，当环境KNO3含量在20～100 mg/L时，植物体内铵态氮含量比未加硝态氮胁迫的对照组还低。理论上，植物体对硝态氮能够直接吸收，在硝酸还原酶及亚硝酸还原酶的作用下，其会转化为铵态氮，所以硝态氮胁迫下，植物体内铵态氮含量应高于对照组，但从铵态氮的利用角度看，其会在谷氨酰胺合成酶作用下进一步转化为蛋白质，在活的植物体内，这一系列的转化是一个动态平衡，当植物体吸收大量硝态氮时，这一平衡会打破，促使植物体大量利用铵态氮转化为蛋白质。结合图3可知，在20～100 mg/L KNO3胁迫下，微齿眼子菜对硝态氮有较强的转化能力。

3 小结与讨论

微齿眼子菜在0～80 mg/L NH4Cl和0～320 mg/L KNO3环境中均能正常生长，且外观无明显变化。从试验结果看，在不同浓度的铵态氮和硝态氮胁迫下，微齿眼子菜体内总氮含量均无明显差异，但在铵态氮胁迫下，随铵态氮浓度的升高，其体内的硝态氮含量略有升高，铵态氮含量迅速升高，而亚硝态氮含量明显下降，这说明微齿眼子菜对铵态氮有较强的吸收能力，且其会对铵态氮优先吸收；在不同浓度的硝态氮胁迫下，微齿眼子菜体内亚硝态氮含量有所升高，铵态氮含量有所下降，而当环境KNO3浓度为0～40 mg/L时，微齿眼子菜体内硝态氮含量随硝态氮浓度升高而降低，大于40 mg/L后，植物体内硝态氮含量较对照略有升高，这说明微齿眼子菜对硝态氮有一定的贮藏和转化能力，适当调节环境硝态氮含量可提高微齿眼子菜对硝态氮的吸收和转化能力。综合考虑微齿眼子菜对环境氮素的响应可以看出，微齿眼子菜是一种较好的耐受氮、吸收和转化氮的水体生态修复植物。

参考文献：

[1] 王玲玲，沈 熠.水体富营养化的形成机理、危害及其防治对策探讨[J].环境研究与监测，2007，20（4）：33-35.

[2] 王海珍，陈德辉，王全喜.水生植被对富营养化湖泊生态恢复的作用[J].自然杂志，2001，24（1）：33-36.

[3] 王 斌，李 伟.不同N、P浓度条件下竹叶眼子菜的生理反应[J].生态学报，2002，22（10）：1616-1620.

[4] 刘益贵，周理程，彭克俭，等.改性龙须眼子菜吸附水溶液中Cu2+的性能[J].环境科学学报，2009，29（8）：1649-1656.

[5] 李 靖，李宁云，敖新宇，等. 剑湖湿地水生植物金鱼藻与茭草对环境氮素的响应[J]. 贵州农业科学，2012，40（4）：143-145.

[6] 邹 琦.植物生理生化实验指导[M].北京：农业出版社，1995.

[7] 闫修花，王桂珍，陈迪军.纳氏试剂比色法直接测定海水中的铵氮[J].中国环境监测，2003，19（6）：8-10.

[8] 景丽洁，袁东海，王晓栋，等.水生植物总氮测定中两种消化方法的比较[J].环境污染与防治，2005，27（5）：392-394.

[9] 李 靖，敖新宇，李宁云，等.铵氮和硝氮胁迫下金鱼藻对氮素的利用[J]. 江西农业大学学报，2012，34（2）：409-413.

[10] 包苑榆，钟 萍，韦桂峰，等.基于15N稳定同位素技术的斜生栅藻对硝态氮和氨态氮吸收研究[J].水生态学杂志，2011，32（3）：16-19.