中药废水胁迫对再力花生理生化特性的影响

朱四喜等

摘要：在小型模拟人工湿地系统中，以中药废水胁迫处理再力花（Thalia dealbata），研究其对再力花生理生化特性的影响。结果表明，中药废水胁迫下再力花叶片叶绿素a、叶绿素b含量及总量均显著降低。随废水浓度的增加，叶片中苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性均先增后降，而维生素C、丙二醛（MDA）、脯氨酸（Pro）含量均显著降低，谷胱甘肽（GSH）含量明显增加。另外，在中药废水胁迫下再力花叶片根系活力（TTC）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性均显著降低，而超氧化物歧化酶（SOD）活性显著升高。表明再力花对中药废水具有较强的适应能力和耐污能力，可以作为人工湿地处理中药废水的主要植物之一。

关键词：再力花（Thalia dealbata）；中药废水；环境胁迫；生理生化指标；人工湿地

中图分类号：Q945.78；S682.1+9 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）13-3070-04

Effects of Wastewater of Traditional Chinese Medicine on Physiological and Biochemical Characters of Thalia Dealbata

ZHU Si-xi1，WANG Feng-you1，YANG Xiu-qing1，ZHANG Jian-min2，SU Chun-hua1，WU Yun-jie1

（1. College of Chemistry and Environmental Science， Guizhou Minzu University， Guiyang 550025， China；

2. Guiyang Engineering Corporation Limited， Guiyang 550081， China）

Abstract： Effects of wastewater of traditional Chinese medicine on physiological and biochemical characters of Thalia dealbata were investigated in simulated constructed wetlands. Results showed that under the stress of wastewater of traditional Chinese medicine， Chlorophyll a， chlorophyll b and total chlorophyll contents decreased significantly in the leaves of T. dealbata. With the increasing concentration of medicine wastewater， PAL firstly increased and then decreased. The contents of VC， MDA and Pro decreased and GSH increased significantly. The activities of TTC， POD and CAT reduced significantly under the stress of wastewater of traditional Chinese medicine， but the activity of SOD increased significantly. It is indicated that T. dealbata had good adaptability and pollution resistance ability to medicine wastewater. It was an excellent constructed wetland plant in treating wastewater of traditional Chinese medicine.

Key words： Thalia dealbata； traditional Chinese medicine wastewater； environmental stress； physiological and biochemical index； constructed wetlands

随着国民经济的发展，中药、中成药制药企业得到大力发展，与此同时该类企业排放的废水已成为严重污染源之一[1]，如何处理难降解中药废水是废水治理中的难点和重点。同时，人工湿地污水处理系统具有资金投入低、操作简单、能耗低等优点，近30年来在国内外被广泛运用于处理生活污水、暴雨径流污水、工业污水、农业污水、酸性矿山废水以及垃圾渗滤液等[2-4]。因而，有必要研究应用人工湿地系统处理中药废水的相关机制，而适应生长在中药废水中湿地植物的选择与培养是首要解决的难题之一。

再力花（Thalia dealbata）别名水竹芋，是竹芋科再力花属多年生宿根挺水植物。再力花不仅具备较高的观赏价值，而且能够耐受富营养水质，吸附重金属，具有极强的去污能力，常用于人工湿地处理污水[5-7]。为此，在小型模拟人工湿地试验系统中，以中药废水进行污染胁迫，旨在了解湿地植物再力花的适应能力，并研究其生理生化指标对中药废水的响应机制，为其在人工湿地植被中的应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计与植物培养

2013年4月初用15个长、宽、高分别为70、33、28 cm（内径）的塑料水槽在贵州民族大学苗圃塑料大棚内构建了小型模拟人工湿地系统，以细沙作为栽培基质（基质高度为20 cm），系统容水量约为17 L。

4月中旬选取活力和大小一致的再力花小植株（从贵阳某园林公司购买，株高为30～40 cm），置于水槽中培养15 d，以改进后的Hoagland营养液[8，9]浇灌，期间发现死亡的个体随时替换，确保每个水槽中存活的再力花植株为7～8株。待植物地上部分均重新生长后，于5月初每个水槽均加入反应罐清洗废水（取自贵阳金关工业园区某中药制药厂）。

试验期间（5月初至7月中旬，大棚内温度在18～40 ℃，营养液的加入频次为15 d一次，中药废水为20 d一次，每个水槽的加入量均为4 L/次，同时，每天不间断供应自来水，以补充系统内的植物蒸发和蒸腾损失。其中，15个水槽中的植物分别加入同一制剂批次的第一、第二、第三、第四次洗罐废水（中药废水浓度从高到低，其水质指标如表1）进行污染胁迫培养，每个浓度3次重复，以不加中药废水的作对照。

1.2 样品采集与测定

于7月中旬，取相同部位、长势和大小一致的再力花叶片和根部，用于测定再力花的生理生化指标。再力花叶片的叶绿素、维生素C、脯氨酸（Pro）、超氧阴离子自由基、谷胱甘肽（GSH）、丙二醛（MDA）含量，超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性，以及根系活力的测定均参考《植物生理学实验指导》[10]。

1.3 数据统计分析

数据用SPSS 16.0软件进行统计分析。其中，差异显著性用Tukey检验，统计显著性水平α=0.05，且所有数据以（均值±标准误）表示。

2 结果与分析

2.1 中药废水胁迫对再力花叶片叶绿素含量的影响

再力花叶片叶绿素a、叶绿素b含量（含量均以鲜重计，下同）与总量均随中药废水胁迫浓度的增加而总体呈下降趋势（表2）。其中，叶绿素含量与中药废水浓度之间呈负相关，叶绿素a、b、总量相关系数分别为-0.961 5、-0.922 5、-0.936 8，均达显著水平。在中药废水最高胁迫浓度时，再力花叶片叶绿素a、b、总量分别只有对照的37.13%、20.55%和28.42%，此时外部形态也发生了明显变化，表现为植株变矮，叶片黄化等现象。

在光合作用过程中，叶绿素b主要进行光能的收集，而叶绿素a主要负责光能转化，因此，中药废水胁迫可能会影响再力花光能的转化过程[11]。

2.2 中药废水胁迫对超氧自由基含量、SOD、POD、PAL和CAT活性的影响

与对照相比，再力花叶片中超氧自由基含量随废水浓度的增加先降后增（表3），前2个处理（第三、四次洗罐水，中药废水浓度较低，下同）超氧自由基含量略有降低，而后2个处理（第一、二洗罐水，中药废水浓度较高，下同）含量显著增加。在中药废水胁迫浓度增加的情况下，再力花过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性均显著降低，而超氧化物歧化酶（SOD）活性显著增加；再力花叶片中苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性随废水浓度的增加先增后降。

超氧化物歧化酶（SOD）是植物体内清除和减少破坏性氧自由基的保护酶，其活性大小常被用作植株抗氧化能力强弱的指标[12]。研究表明，再力花叶片中超氧自由基含量在前2个处理中相对于对照有所降低，可能是由于SOD活性显著增加抑制了超氧自由基的活性，能及时清除超氧自由基；随着中药废水胁迫浓度的增加，尽管SOD活性有所增加能清除部分超氧自由基，但是此浓度下的废水胁迫对植物产生的毒害作用使超氧自由基快速增加，最后导致超氧自由基含量显著升高。同时，中药废水胁迫下再力花过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性均显著降低，说明再力花体内多种功能膜及酶活性已受到不同程度的破坏，未能有效解除细胞内有害的自由基以保护细胞膜结构，从而使再力花不能及时清除体内多余的活性氧。

2.3 中药废水胁迫对根系活力与叶片维生素C、GSH、MDA、Pro含量的影响

与对照相比，在中药废水浓度胁迫增加的情况下，再力花根系活力以及维生素C、丙二醛、脯氨酸的含量均显著降低，而谷胱甘肽含量增加（表4）。

在中药废水胁迫下再力花根系活力、丙二醛、脯氨酸含量均显著降低，这可能是由于再力花未能够启动根系活力与脯氨酸含量累积机制来增强对中药废水胁迫的抗逆性；同时，丙二醛含量下降可能由于再力花在废水胁迫下细胞膜系统并未受到较大的破坏，细胞膜脂过氧化作用较小。维生素C 对于植物抗氧化作用、光合保护以及调节生长发育等都具有非常重要的作用。有研究表明，随着盐浓度的增加，盐芥所含维生素C量相应降低[13]。同样，研究也表明，在中药废水胁迫下再力花叶片维生素C含量也显著下降。另外，研究表明，中药废水胁迫使谷胱甘肽含量显著增加，能有效清除再力花体内的自由基从而减轻毒害，导致植物防御能力增强[14]。

3 小结与讨论

植物叶绿素含量变化是叶片生理生化活性变化的重要指标之一，与光合作用大小密切相关。本研究发现，与对照相比，中药废水胁迫下再力花叶片叶绿素a、b含量与总量均显著下降，其原因可能有两个方面：一是废水胁迫使植物叶绿素生物合成减少，降低叶绿素的生成量；二是废水胁迫下植物体内氧自由基含量上升，从而活性氧氧化作用加强，最后破坏叶绿素。

由于超氧阴离子的累积，导致叶绿素和蛋白质降解，而在植物体内也存在着清除自由基的酶系统（如SOD、CAT、POD等），对防止叶片衰老和强光等逆境的胁迫起着重要的保护作用[15]。在中药废水胁迫下，再力花叶片叶绿素含量均有不同程度的下降，并且叶绿素含量与胁迫浓度之间呈显著负相关，表明废水胁迫导致再力花对光能的利用效率降低。

苯丙氨酸解氨酶（PAL）是一种诱导酶，许多环境条件及植物激素对PAL活性有不同程度的影响。本文试验表明，PAL活性随中药废水胁迫浓度的增加先增后降，其原因可能是再力花在遭受逆境时，其防御系统特别是苯丙烷类代谢开始被激活，促使PAL 活性上升以产生较多植保素、木质素等来减少植物所受的伤害[16]。当合成较多次生物质后，它们也会反馈抑制PAL活性，以免消耗养分，并防止次生物质过度积累产生毒害。

在中药废水胁迫下，再力花根系活力、丙二醛、脯氨酸、维生素C含量均显著降低，这表明废水胁迫下细胞膜系统并未受到较大的破坏，而谷胱甘肽含量的显著增加能有效清除体内的自由基从而减轻毒害。因而，本研究表明再力花在中药废水胁迫下具有较强的抗逆性与耐受性，完全可应用于多个浓度中药废水的生物降解，并可以作为人工湿地处理中药废水的主要植物之一。

参考文献：

[1] 贺志勇，曾秋云.某中成药制药废水治理工程应用实例[J].环境保护，2005（6）：39-41.

[2] 赵安娜，柯 凡，郭 萧，等.复合型人工湿地模型对污水厂尾水的深度净化效果[J].生态与农村环境学报，2010，26（6）：579- 585.

[3] LIN Y F，JING S R，LEE D Y，et al. Nutrient removal from aquaculture wastewater using a constructed wetlands system[J]. Aquaculture，2002，209（1-4）：169-184.

[4] LIU D，GE Y，CHANG J，et al.Constructed wetlands in China：recent developments and future challenges[J].Frontiers in Ecology and the Environment，2009，7（5）：261-268.

[5] 陈永华，吴晓芙，蒋丽鹃，等.处理生活污水湿地植物的筛选与净化潜力评价[J].环境科学学报，2006，28（8）：1549-1554.

[6] JIANG FY，CHEN X，LUO A C.Iron plaque formation on wetland plants and its influence on phosphorus，calcium and metal uptake[J].Aquatic Ecology，2009，43（4）：879-890.

[7] 范云爽，戴 丽，蒋云东.人工湿地处理污染河水和湿地植物腐烂分解影响研究[J].环境科学导刊，2010，29（3）：42-45.

[8] HOAGLAND D R，ARNON D I. The water culture method for growing plants without soil[J]. California Agricultural Experiment Station Circular， 1950， 347： 1-32.

[9] CAO H Q， GE Y， LIU D，et al. NH4+/NO3- ratio affect Ryegrass（Lolium perenne L.） growth and N accumulation in a hydroponic system[J]. Journal of Plant Nutrition，2011，34：1-11.

[10] 高俊凤.植物生理学实验指导[M].北京：高等教育出版社， 2012.

[11] 王爱云，黄姗姗，钟国锋，等.铬胁迫对3种草本植物生长及铬积累的影响[J].环境科学，2012，33（6）：2028-2037.

[12] BECANA M，DALTON D A，MORAN J F，et al. Reactive oxygen species and antioxidants in legume nodules[J].Physiology Plant，2000，109（4）：372-381.

[13] 宋晓峰.盐逆境条件下盐芥还原型维生素C 含量变化情况[J].现代农业科技，2009（15）：78-81.

[14] ZETTERSTROM R，EIJKMAN C，HOPKINS F G. The dawn of Vitamins and other essential nutritional growth factors[J]. Acta Paediatrica，2006，95（11）：1331-1333.

[15] 吴荣生，焦德茂，李黄振，等.杂交稻旗叶衰老过程中超氧自由基与超氧物歧化酶活性的变化[J].中国水稻科学，1993，7（1）：51-54.

[16] 曾永三，王振中.苯丙氨酸解氨酶在植物抗病反应中的作用[J].仲恺农业技术学院学报，1999，12（3）：56-65.

在中药废水胁迫下，再力花根系活力、丙二醛、脯氨酸、维生素C含量均显著降低，这表明废水胁迫下细胞膜系统并未受到较大的破坏，而谷胱甘肽含量的显著增加能有效清除体内的自由基从而减轻毒害。因而，本研究表明再力花在中药废水胁迫下具有较强的抗逆性与耐受性，完全可应用于多个浓度中药废水的生物降解，并可以作为人工湿地处理中药废水的主要植物之一。

参考文献：

[1] 贺志勇，曾秋云.某中成药制药废水治理工程应用实例[J].环境保护，2005（6）：39-41.

[2] 赵安娜，柯 凡，郭 萧，等.复合型人工湿地模型对污水厂尾水的深度净化效果[J].生态与农村环境学报，2010，26（6）：579- 585.

[3] LIN Y F，JING S R，LEE D Y，et al. Nutrient removal from aquaculture wastewater using a constructed wetlands system[J]. Aquaculture，2002，209（1-4）：169-184.

[4] LIU D，GE Y，CHANG J，et al.Constructed wetlands in China：recent developments and future challenges[J].Frontiers in Ecology and the Environment，2009，7（5）：261-268.

[5] 陈永华，吴晓芙，蒋丽鹃，等.处理生活污水湿地植物的筛选与净化潜力评价[J].环境科学学报，2006，28（8）：1549-1554.

[6] JIANG FY，CHEN X，LUO A C.Iron plaque formation on wetland plants and its influence on phosphorus，calcium and metal uptake[J].Aquatic Ecology，2009，43（4）：879-890.

[7] 范云爽，戴 丽，蒋云东.人工湿地处理污染河水和湿地植物腐烂分解影响研究[J].环境科学导刊，2010，29（3）：42-45.

[8] HOAGLAND D R，ARNON D I. The water culture method for growing plants without soil[J]. California Agricultural Experiment Station Circular， 1950， 347： 1-32.

[9] CAO H Q， GE Y， LIU D，et al. NH4+/NO3- ratio affect Ryegrass（Lolium perenne L.） growth and N accumulation in a hydroponic system[J]. Journal of Plant Nutrition，2011，34：1-11.

[10] 高俊凤.植物生理学实验指导[M].北京：高等教育出版社， 2012.

[11] 王爱云，黄姗姗，钟国锋，等.铬胁迫对3种草本植物生长及铬积累的影响[J].环境科学，2012，33（6）：2028-2037.

[12] BECANA M，DALTON D A，MORAN J F，et al. Reactive oxygen species and antioxidants in legume nodules[J].Physiology Plant，2000，109（4）：372-381.

[13] 宋晓峰.盐逆境条件下盐芥还原型维生素C 含量变化情况[J].现代农业科技，2009（15）：78-81.

[14] ZETTERSTROM R，EIJKMAN C，HOPKINS F G. The dawn of Vitamins and other essential nutritional growth factors[J]. Acta Paediatrica，2006，95（11）：1331-1333.

[15] 吴荣生，焦德茂，李黄振，等.杂交稻旗叶衰老过程中超氧自由基与超氧物歧化酶活性的变化[J].中国水稻科学，1993，7（1）：51-54.

[16] 曾永三，王振中.苯丙氨酸解氨酶在植物抗病反应中的作用[J].仲恺农业技术学院学报，1999，12（3）：56-65.

在中药废水胁迫下，再力花根系活力、丙二醛、脯氨酸、维生素C含量均显著降低，这表明废水胁迫下细胞膜系统并未受到较大的破坏，而谷胱甘肽含量的显著增加能有效清除体内的自由基从而减轻毒害。因而，本研究表明再力花在中药废水胁迫下具有较强的抗逆性与耐受性，完全可应用于多个浓度中药废水的生物降解，并可以作为人工湿地处理中药废水的主要植物之一。

参考文献：

[1] 贺志勇，曾秋云.某中成药制药废水治理工程应用实例[J].环境保护，2005（6）：39-41.

[2] 赵安娜，柯 凡，郭 萧，等.复合型人工湿地模型对污水厂尾水的深度净化效果[J].生态与农村环境学报，2010，26（6）：579- 585.

[3] LIN Y F，JING S R，LEE D Y，et al. Nutrient removal from aquaculture wastewater using a constructed wetlands system[J]. Aquaculture，2002，209（1-4）：169-184.

[4] LIU D，GE Y，CHANG J，et al.Constructed wetlands in China：recent developments and future challenges[J].Frontiers in Ecology and the Environment，2009，7（5）：261-268.

[5] 陈永华，吴晓芙，蒋丽鹃，等.处理生活污水湿地植物的筛选与净化潜力评价[J].环境科学学报，2006，28（8）：1549-1554.

[6] JIANG FY，CHEN X，LUO A C.Iron plaque formation on wetland plants and its influence on phosphorus，calcium and metal uptake[J].Aquatic Ecology，2009，43（4）：879-890.

[7] 范云爽，戴 丽，蒋云东.人工湿地处理污染河水和湿地植物腐烂分解影响研究[J].环境科学导刊，2010，29（3）：42-45.

[8] HOAGLAND D R，ARNON D I. The water culture method for growing plants without soil[J]. California Agricultural Experiment Station Circular， 1950， 347： 1-32.

[9] CAO H Q， GE Y， LIU D，et al. NH4+/NO3- ratio affect Ryegrass（Lolium perenne L.） growth and N accumulation in a hydroponic system[J]. Journal of Plant Nutrition，2011，34：1-11.

[10] 高俊凤.植物生理学实验指导[M].北京：高等教育出版社， 2012.

[11] 王爱云，黄姗姗，钟国锋，等.铬胁迫对3种草本植物生长及铬积累的影响[J].环境科学，2012，33（6）：2028-2037.

[12] BECANA M，DALTON D A，MORAN J F，et al. Reactive oxygen species and antioxidants in legume nodules[J].Physiology Plant，2000，109（4）：372-381.

[13] 宋晓峰.盐逆境条件下盐芥还原型维生素C 含量变化情况[J].现代农业科技，2009（15）：78-81.

[14] ZETTERSTROM R，EIJKMAN C，HOPKINS F G. The dawn of Vitamins and other essential nutritional growth factors[J]. Acta Paediatrica，2006，95（11）：1331-1333.

[15] 吴荣生，焦德茂，李黄振，等.杂交稻旗叶衰老过程中超氧自由基与超氧物歧化酶活性的变化[J].中国水稻科学，1993，7（1）：51-54.

[16] 曾永三，王振中.苯丙氨酸解氨酶在植物抗病反应中的作用[J].仲恺农业技术学院学报，1999，12（3）：56-65.