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根系是植物吸收养分和水分的主要器官,对环境变化十分敏感,而土壤环境的变化会时刻影响到植物根系的生理过程。其中,土壤温度是决定植物细胞呼吸速率的重要影响因子,影响根系对水分和养分的吸收。2年生脂松Pinus resinosa在根际温度8 ℃时产生新根的数量最少,16 ℃时最多,新根总长度与温度在8~20 ℃内呈正相关[1]。欧洲水青冈Fagus sylvatica细根的呼吸作用对土壤温度的依赖性十分显著[2];土壤紧实度影响土壤的通气条件和水分状况,会对植物根系的生长发育产生影响。油松Pinus tabuliformis种子的发芽率和出苗率与土壤含水量密切相关[3]。林木根系周围的土壤相对含水率影响着地上、地下部分生物量。针叶树根系生长速度与土壤密度成反比,生长在紧实度高的土壤上的苗木对磷和钾的吸收也减少[4-6]。另外,土壤各环境因子会随土壤厚度的变化而发生相应变化,必然会对植物产生影响,如土壤厚度影响着林木根系的形态和分布[7]。可见,土壤各环境因子深刻影响着植物以及根系的生长。高节竹Phyllostachys prominens隶属禾本科Gramineae竹亚科Bambusodeae刚竹属Phyllostachys,生态适应性强,具有竹笋产量高、品质佳、加工性能好等特点,在浙江省杭州市、湖州市等地广为栽培。目前,针对高节竹丰产栽培[8]、病虫害防治[9-10]、竹笋保鲜[11]和套袋栽培[12]等开展了较多的研究,形成了较为系统的高节竹林栽培技术。2011年以来,为满足市场对高品质竹笋的大量需求,根据高节竹的生物学和生态学特性,在高节竹主产区推广应用覆土控鞭高品质竹笋栽培技术,生产的竹笋个大、色白、鲜嫩,明显改善了竹笋的外观形态,香味和甜味增加,酸涩味和粗糙度减少,竹笋营养品质和适口性明显提高,竹林经济效益显著提高[13]。覆土控鞭栽培如何影响高节竹地下鞭根系统呢?鉴于此,本研究对不同覆土厚度下高节竹2年生竹鞭细根的养分含量和抗性生理指标进行了研究,分析了高节竹鞭根适宜的覆土厚度,为高节竹高品质竹笋培育提供参考。
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试验地位于浙江省桐庐县(29°35′~30°05′N,119°11′~119°58′E)莪山乡新丰民族村,属亚热带季风气候,日照充足,降水充沛,四季分明。年平均气温为16.6 ℃,极端高温为41.7 ℃,极端低温为-9.5 ℃,全年≥10 ℃的平均积温为5 262.0 ℃,年平均无霜期为252.0 d,年平均降水量为1 552.0 mm,3-9月降水量均在130 mm以上,最多的6月为梅雨期,降水集中,月平均降水量为248 mm。年平均蒸发量为1 385 mm,年平均相对湿度为81%。以丘陵山地为主,山地丘陵占86.3%,平原和水域占13.7%。土壤主要为红壤,土层厚度80 cm以上。高节竹资源丰富,全乡有高节竹林面积约0.14万hm2。
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2017年2月,选取立地条件、经营措施和经营水平基本一致的高节竹试验林4块,每块面积不小于0.4 hm2,利用建房、林道建设等的土方,去除石块、树蔸等,在丰产林分结构的高节竹林中加团聚体结构好的红壤客土,以竹子基部为基准,均匀覆盖其中3块,覆土厚度分别为10,30和50 cm,以不覆土(0 cm)竹林为对照(ck)。6月挖除覆土层土壤中的竹鞭,实行季节性施肥、林地垦复和林分结构调控。覆土0,10,30和50 cm试验林立竹密度分别为(7 767±351),(6 500± 1 700),(7 167±702),(5 533±513)株·hm-2,立竹年龄结构(1年生:2年生:3年生)分别为1.00:2.15:2.25,1.00:2.89:3.11,1.00:2.32:1.95,1.00:2.00:2.50。在每块试验林中分别设置10 m×10 m固定样地3个。9月,在不同覆土的高节竹试验林样地中,对角线法点状挖取原土层10 cm左右深度2年生竹鞭各3条,剪取3 g左右新嫩细根放入冰盒带回实验室,用自来水冲洗干净,后用吸水棉吸取鞭根上的水分。每处理3次重复。
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称取0.2 g新鲜根系置于预冷的研钵中,加入5 mL预冷的50 mmol·L-1磷酸缓冲液(pH 7.8)冰浴研磨,再用相同磷酸缓冲液定容至10 mL,4 ℃,10 500 r·min-1离心15 min,取上清液(粗酶液)在4 ℃下保存备用。相对电导率用初始电导率与煮沸后电导率的比值表示,采用DDSJ-308A型电导仪测定[14]。丙二醛(MDA)质量摩尔浓度采用硫代巴比妥酸法测定;根系活力采用α-萘胺法测定[15]。超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑(NBT)光化还原法测定;过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚氧化法测定;可溶性蛋白质采用考马斯亮蓝法测定;可溶性糖采用蒽酮法测定;细根中碳、氮、磷分别用重铬酸钾容量法、凯氏定氮法、钼锑抗比色法测定[16]。每个指标重复测定3次。
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试验数据在Excel 2003中进行整理,在SPSS 22.0中对不同覆土厚度的高节竹鞭根养分和抗性生理指标进行单因素方差分析(one-way ANOVA)和Tukey检验。试验数据均为平均值±标准误,显著性水平设置为α=0.05。
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由表 1可知:随覆土厚度增大,高节竹鞭根氮质量分数呈先减小后增大趋势。其中,覆土10 cm竹林与覆土0(ck),30,50 cm竹林间均无显著差异,覆土0和50 cm竹林间也无显著差异,但均显著大于覆土30 cm竹林。碳质量分数呈先增大后减小趋势,但不同覆土厚度竹林间无显著差异。磷质量分数呈减小趋势,覆土50 cm竹林显著小于其他试验竹林,覆土0,10和30 cm竹林间均无显著差异。氮碳比呈先减小后增大趋势,覆土0和50 cm竹林间无显著差异,均显著高于覆土10和30 cm竹林,后两者无显著差异;碳磷比呈增大趋势,覆土0,10和30 cm竹林间无显著差异,但均显著小于覆土50 cm竹林;氮磷比呈先减小后增大趋势,覆土0,10和30 cm竹林间无显著差异,均显著小于覆土50 cm竹林。
表 1 高节竹鞭根碳、氮、磷质量百分数和化学计量比
Table 1. Content and stoichiometric ratio of carbon, nitrogen, phosphorus of rhizome roots in Phyllostachys prominens
覆土厚度/cm w碳/(g·kg-1) w氮/(g·kg-1) w磷/(g·kg-1) 氮碳比 碳磷比 氮磷比 0(ck) 437.33 ± 7.51 a 11.30 ±0.82 a 0.71 ± 0.15 a 0.26 ± 0.02 a 63.95 ± 14.30 b 16.59 ± 4.15 b 10 456.00 ± 18.08 a 9.35 ± 1.23 ab 0.65 ± 0.13 a 0_20 ± 0.02 b 71.99 ± 12.44 b 14.66 ± 2.27 b 30 440.30 ± 18.18 a 8.52 ± 0.44 b 0.58 ± 0.05 a 0.19 ± 0.02 b 75.67 ± 4.66 b 14.72 ± 2.00 b 50 437.33 ±50.14 a 10.95 ± 0.55 a 0.34 ± 0.01 b 0-25 ± 0.04 a 129.59 ± 11.40 a 32.55 ± 2.65 a 说明:同列不同小写字母表示试验竹林间差异显著(P < 0.05) -
由表 2可知:随覆土厚度的增大,高节竹鞭根相对电导率呈先减小后增大趋势。其中,以覆土50 cm竹林最大,覆土30 cm竹林最小,但不同覆土厚度竹林间均无显著差异。MDA质量摩尔浓度呈先减小后增大趋势,覆土10和30 cm竹林间差异不显著,均显著小于覆土0和50 cm的竹林,后两者间也无显著差异;根系活力呈倒“N”型变化趋势,其中,以覆土30 cm竹林最大,覆土50 cm竹林最小,覆土0和30 cm竹林间无显著差异,均显著大于覆土10和50 cm竹林,后两者间也无显著差异。
表 2 高节竹鞭根根系活力、MDA质量摩尔浓度和相对电导率
Table 2. Root activity, MDA, content and relative conductivity of rhizome roots in Phyllostachys prominens
覆土厚度/cm 相对电导率/% bMDA(mmol·g-1) 根系活力/(μg·g-1·h-1) 0(ck) 19.02 ± 4.60 a 21.15 ± 2.39 a 51.73 ± 10.59 a 10 18.33 ± 3.99 a 13.33 ± 3.62 b 30.98 ± 5.41 b 30 17.54 ± 1.51 a 11.73 ± 0.99 b 59.43 ± 1.63 a 50 22.61 ± 9.36 a 20.55 ± 0.60 a 13.02 ± 1.86 c 说明:同列不同小写字母表示试验竹林间差异显著(P < 0.05) -
由表 3可知:随覆土厚度的增大,高节竹鞭根SOD和POD活性的变化趋势一致,均呈先减小后增大的趋势。其中,以覆土50 cm竹林最大,覆土30 cm竹林最小,覆土0和50 cm竹林间无显著差异,但均显著大于覆土10和30 cm的竹林,并且后两者间无显著差异。
表 3 高节竹鞭根超氧化物歧化酶和过氧化物酶活性
Table 3. Antioxidant enzyme activity of rhizome roots in Phyllostachys prominens
覆土厚度/cm SOD/(×16.67 nkat·g-1) POD/(×16.67 nkat·g-1) 0(ck) 1 049.79 ± 80.89 a 22 068.25 ± 2 363.49 a 10 768.43 ± 9.13 b 17 573.02 ± 544.44 b 30 661.88 ± 56.53 b 14 085.71 ± 190.48 b 50 1 062.84 ± 54.82 a 23 439.68 ± 2 414.29 a 说明:同列不同小写字母表示试验竹林间差异显著(P < 0.05) -
由表 4可知:随覆土厚度的增大,高节竹鞭根可溶性蛋白质质量分数呈先减小后增大的趋势。其中,以覆土50 cm竹林最大,覆土10 cm竹林最小,而且覆土试验竹林与覆土0 cm(ck)均无显著差异,覆土30和50 cm竹林间也无显著差异,但均显著大于覆土10 cm竹林。可溶性糖质量分数呈先增大后减小的趋势。其中,以覆土10 cm竹林最大,覆土50 cm竹林最小,覆土0,30和50 cm竹林均显著小于覆土10 cm竹林,覆土50 cm竹林显著小于ck,但覆土30 cm竹林与ck无显著差异,覆土30和50 cm竹林间也无显著差异。
表 4 高节竹鞭根可溶性蛋白质和可溶性糖质量分数
Table 4. Soluble protein content and soluble sugar content of rhizome roots in Phyllostachys prominens
覆土厚度/cm w可溶性蛋白质/(mg·g-1) w可溶性糖/(mg·g-1) 0(ck) 4.87 ± 0.81 ab 10.8 ± 0.4 b 10 3.68 ± 0.32 b 13.3 ± 1.3 a 30 5.24 ± 0.23 a 9.6 ± 0.7 bc 50 5.90 ± 0.19 a 7.7 ± 0.2 c 说明:同列不同小写字母表示试验竹林间差异显著(P < 0.05) -
根系是植物养分和水分的源,也是碳的汇[17],因此,根系吸收养分能力的差异是导致植物生长发育发生变化的重要原因之一[18],其碳同化物的多寡则是根系活力的重要表征。在整个根系统中,根系吸收活力增强,则会引起碳消耗的增多[19],而当根系吸收能力减弱,碳向根系的供应则会减少[20-21]。本研究中,高节竹鞭根碳质量分数在不同覆土厚度竹林无显著差异,说明不同的覆土厚度对竹林鞭根系统吸收养分的能力没有明显变化,也即高节竹覆土控鞭栽培措施不会影响竹林的鞭根吸收能力。而根系中磷和碳质量分数及其比例与其衰老、寿命长短密切相关[22],磷越高,碳越低,呼吸越强烈[23],越容易导致根系衰老。本研究中鞭根的氮碳比在覆土0(ck)和50 cm竹林显著大于覆土10和30 cm的竹林,说明一定厚度的覆土对高节竹鞭根的生长更新有利,但覆土厚度过大,则会导致鞭根更容易衰老,寿命更短。覆土10和30 cm的高节竹林鞭根碳磷比、氮磷比与ck无显著差异,说明一定厚度范围内的覆土,高节竹鞭根可以维持较高的养分内稳性,但覆土厚度达50 cm时,碳磷比、氮磷比显著增大,高节竹鞭根通过养分化学计量比的适应性调节来应对较大厚度的覆土胁迫环境。
MDA质量摩尔浓度的高低与细胞原生质膜的氧化伤害程度呈正比,已被广泛用来表明逆境胁迫下植物细胞膜的过氧化伤害程度[24],相对电导率通常与MDA的变化趋势一致。SOD可将超氧自由基转化为氧气和过氧化氢,POD可把过氧化氢分解为分子氧和水,解除活性氧的伤害[25-26]。本研究中,高节竹鞭根MDA质量摩尔浓度、相对电导率和SOD、POD活性均随覆土厚度的增大呈先减小后增大的趋势,说明适当厚度的覆土能改善高节竹地下鞭系分布区域的光照、水分、温度等环境条件,更有利于鞭根的生长更新,但覆土厚度过大(50 cm),鞭根细胞受到较大的环境胁迫,鞭根的生长阻力加大,受伤害程度增大,较早的进入衰老。根系活力能够直接反映植物整个根系代谢程度的强弱,能够客观反映植物根系生命活动的生理指标,对植物生长发育起到了决定性的作用[27]。虽然覆土50 cm的高节竹鞭根根系活力下降明显,但鞭根相对电导率远小于50%,说明高节竹鞭根受到的胁迫伤害是可逆的,体现出高节竹较强的生态适应能力,这也是高节竹可以实施覆土控鞭高品质竹笋栽培的重要原因。
植物细胞内无机和有机小分子等渗透调节物质的积累可以降低细胞的渗透势[28-29],可溶性糖和可溶性蛋白质是常见的渗透调节物质。本研究表明:高节竹鞭根可溶性蛋白质质量分数在覆土30和50 cm的竹林显著大于覆土10 cm的竹林,而可溶性糖质量分数相反。说明高节竹鞭根在适当厚度(30 cm及以下)的覆土环境中,可以维持较高的可溶性糖质量分数,这可能与覆土后地下鞭根系统分布区加深,温度相对较低,土壤含水率相对较高,影响了鞭根碳、氮等代谢有关。随覆土厚度的增大,鞭根需要减少可溶性糖的积累以应对土壤水分增加的影响[30-31];可溶性蛋白质大多是参与各种代谢的酶类[32],虽然植物在遭受胁迫时会抑制部分蛋白质的合成,但环境胁迫同时也会诱导细胞内与适应性有关基因表达,促进逆境蛋白质的合成。因此,鞭根可能会通过增加可溶性蛋白质的积累以应对较大覆土厚度的环境胁迫。
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适当厚度(30 cm及以下)的覆土控鞭栽培能改善高节竹地下鞭根系统分布区域的光照、水分、温度等环境条件,有利于高节竹鞭根的生长更新,维持较高的养分内稳性,减缓鞭根衰老速率。但覆土厚度过大(50 cm),鞭根会受到一定程度的环境胁迫,发生过氧化伤害,根系活力明显降低,鞭根寿命缩短,产生化学计量比的适应性调节来保持鞭根吸收养分能力的相对稳定。也即高节竹覆土控鞭高品质竹笋培育的覆土厚度应控制在30 cm以下,但覆土10 cm对高节竹笋外观品质、食味品质提高程度有限,也难以显著地增加经济效益。因此,从竹笋品质、经济效益和竹林可持续经营能力等综合分析认为高节竹覆土控鞭高品质竹笋培育的适宜覆土厚度为30 cm。
Soil cover with rhizome controlling cultivation of nutrients and physiological resistance for a Phyllostachys prominens rhizome system
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摘要: 为探明覆土控鞭栽培对高节竹Phyllostachys prominens鞭根养分和抗性生理特征的影响,测定了不同覆土厚度[0(ck),10,30,50 cm]高节竹2年生竹鞭的细根养分含量和抗性生理指标。结果表明:与ck比较,覆土厚度30 cm及以下的覆土控鞭栽培对高节竹鞭根的氮、可溶性蛋白质、可溶性糖质量分数,丙二醛质量摩尔浓度,氮碳比,根系活力及超氧化物歧化酶、过氧化物酶活性有显著影响(P < 0.05),但对鞭根碳、磷质量分数,碳磷比,氮磷比,相对电导率影响并不显著(P>0.05)。其中,随覆土厚度的增大,高节竹鞭根氮质量分数、丙二醛质量摩尔浓度、可溶性蛋白质质量分数、超氧化物歧化酶活性、过氧化物酶活性及氮碳比呈先减小后增大的趋势,可溶性糖质量分数和根系活力呈先增大后减小的趋势。表明适当厚度的覆土(10和30 cm)可在一定程度上改善高节竹鞭根的生长环境条件(水分、温度等),对高节竹生长有促进作用,但覆土厚度过大(50 cm),对鞭根生长会产生负面影响。综合竹笋品质、经济效益及竹林可持续经营能力等分析,高节竹覆土控鞭栽培适宜的覆土厚度为30 cm。Abstract: The aim is to approach the effect of soil cover with rhizome controlling cultivation on nutrients and physiological resistance of rhizome roots from Phyllostachys prominens as well as to determine the optimum soil cover thickness for high-quality root and rhizome system. The content of carbon (C), nitrogen (N), and phosphorus (P) as well as physiological indexes of rhizome roots from P. prominens with different soil cover thickness[0(ck), 10, 30, and 50 cm] were determined, and each index was measured three times. Meanwhile, the saliency test was also carried out. Results showed that compared with ck, soil covering management with moderate thicknesses (≤ 30 cm) influenced content of N, malondialdehyde (MDA), superoxide dismutase (SOD), peroxidase (POD), soluble protein, soluble sugar, and root activity significantly (P < 0.05), but the content of C, P, C/P, N/P, and relative electrical conductivity of those treatment changed slightly(P>0.05). With soil covering thickness increaseing, content of N, MDA, soluble protein, SOD, POD, and N/C of root and rhizome systems tended to decrease first and then increase (P < 0.05), but soluble sugar and root activity changed in an opposite trends (P < 0.05). Thus, moderate thickness of soil covering (10 and 30 cm) could improve the growth environment conditions of root and rhizome systems to some extent, and promote growth of P. prominens, but excess thickness of soil covering would have a negative impact on root and rhizome systems. All results indicated the suitable soil covering thickness for better bamboo shoot quality, economic yield benefits, and bamboo forest sustainable management of P. prominens should be 30 cm.
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联合国环境规划署《2013年全球汞评估报告》指出:中国是全球汞(Hg)的主要排放国,总排放量为全球的1/3,亚洲的3/4。表明在中国开展汞的生物地球化学研究对人体健康和生态安全具有重要意义[1]。湖泊水库等水体中的汞主要来自河流输入和大气沉降,甲基汞(MeHg)则来源于水体汞的甲基化或沉积物中MeHg的释放[2],通过生物富集作用和食物链传递的生物放大作用,最终在人体内积累,对人类安全危害极大。丁之勇等[3]发现:中国31个湖泊沉积物中汞的平均质量分数为0.076 mg·kg−1;多个湖泊沉积物中汞的地累积指数达到中度或重度污染,潜在生态风险指数和平均污染程度仅次于镉(Cd)。张杰等[4]发现:太湖流域河流表层沉积物中汞的平均质量分数为0.109 mg·kg−1,超过背景值的采样点占47.87%,潜在生态风险评价处于中等或以上。近年来中国湖泊富营养化较为普遍,藻华时有发生,对湖泊水生生态系统造成极大威胁。溶解性有机质(DOM)是水生生态系统中水体天然有机质的主要成分(占97.1%)[5],通常指能通过0.10~0.70 μm滤膜,包含不同结构、分子量的碳基有机化合物,包括单糖、氨基酸等小分子化合物和蛋白质、腐殖质等大分子化合物。随着藻类暴发性增长,大量初级生产力进入[6],水体中DOM成分随之发生变化。如河流河口的硅藻Bacillariophyta藻华可显著增加DOM中碳水化合物的相对含量[7],类蛋白质荧光组分的峰强变化规律与各浮游藻类密度呈显著相关(r>0.80)[8]。一般认为,藻类正常生长的分泌物和降解的死亡藻体[9]都会造成沉积物中有机质的异常积累,从而改变水质参数,影响化合物形态的转化。DOM的—CH3、—CH2、—OH、—COOH、—C=O、—NH2等多种活性官能团可作为天然的载体与配体,与汞离子(Hg2+)发生氧化还原、络合、螯合、沉淀等一系列反应,从而影响水环境中汞元素的赋存形态、迁移性、溶解性以及最终归趋[10]。此外,DOM还会改变沉积物的氧化还原电位(Eh)和pH[11]、微生物种群等[12]环境因子,间接影响汞的形态转化。目前关于DOM影响汞甲基化的观点仍存在着较大分歧。有学者认为:DOM所含的还原态硫官能团能对汞产生络合作用,抑制其生物甲基化过程;也有研究者发现:较小的有机质会促进Hg的生物甲基化[13],DOM可以直接或在金属离子催化作用下参与非生物甲基化过程[14]。有鉴于水体中DOM来源的复杂性及其化学结构与性质的差异性,在总量水平上研究其对汞的影响难以形成定论。因此,有必要从更微观的角度阐明DOM对汞形态转化影响的作用机制。根据极性和电荷特性,DOM可分为6个成分,即疏水性的碱性、酸性和中性DOM以及亲水性的碱性、酸性和中性DOM[15]。水体富营养化和藻华使得藻体腐解过程产生的有机物成为水环境中DOM的重要来源。本研究通过室内模拟实验,对不同腐解阶段的藻类DOM进行逐步分离,取得6个亲水和疏水性亚组分,系统研究这些亚组分对汞甲基化的影响,以期丰富淡水环境中汞的生物地球化学理论,为汞污染的控制和降低汞污染健康风险提供科学依据。
1. 材料和方法
1.1 样品采集与处理
供试藻体采自浙江省杭州市临安区某小型淡水湖泊。选取富营养化严重的湖水区域,用捞网收集水中浮藻,做好标记后放置在收纳箱内带回实验室。去除已腐烂的水藻及其他杂物后用水清洗干净,并用去离子水淋洗3次,冷冻干燥后备用。
冷冻干燥的第0、5、10、20、30、60天各取浮藻样品充分研磨,超纯水浸提法提取DOM[2]。浸提条件为20 mL超纯水与2.0 g浮藻样品混合,黑暗、恒温(25 ℃)下振荡24 h后高速离心;取0.45 μm玻璃纤维滤膜过滤离心后的上清液作为DOM样品,结晶,4 ℃保存备用。
1.2 藻体DOM的官能团组成及光谱学特征测定
取DOM结晶,与溴化钾(KBr)固体混合后制成压片。使用傅里叶变换红外光谱仪(IR Prstige-21,日本岛津)测定不同腐解时期DOM的红外光谱。为减少干扰,在分析每个样品前先测定光谱背景值,通过环境空气、二氧化碳(CO2)和水(H2O)矫正光谱。调节扫描波数精度为0.01 cm−1,波数为400~4 000 cm−1。
1.3 DOM 6种不同亚组分的分离分析方法
1.3.1 树脂柱的搭建
用蠕动泵将DOM样品的原液通过填满树脂的树脂柱,调节四氟丙烯活塞控制液体流动速率。为了防止树脂层中出现气泡,用可拆卸的玻璃砂芯片固定树脂。
1.3.2 树脂的预处理
用体积分数95%的甲醇过Amberlite XAD 4和Amberlite XAD 8树脂柱,赶走柱中气泡,用蒸馏水淋洗至流出液的溶解性有机碳(DOC)质量浓度接近于0。用60 ℃的热水反复清洗阴离子交换树脂和阳离子交换树脂,直到阴离子交换树脂的浸洗水不再褐色、阳离子交换树脂的浸洗水几乎无泡沫;水洗后的阴、阳离子交换树脂用质量分数3%~5%的氢氧化钠(NaOH)和盐酸(HCl)溶液二次清洗,以碱-酸-碱的进液次序过阴离子交换树脂柱,以酸-碱-酸的次序过阳离子交换树脂柱。上述处理步骤完成后,将树脂放置于密封罐中备用[2]。
1.3.3 DOM的富集分离
DOM分离参照LEENHEER等[16]和CHEFETZ等[17]方法。根据DOM在不同类型树脂上吸附能力的差异,将其分为疏水碱性(HOB)、疏水中性(HON)、疏水酸性(HOA)、亲水碱性(HIB)、亲水中性(HIN)、亲水酸性(HIA)6种有机组分[18]。其中HOB通过0.10 和0.01 mol·L−1 盐酸溶液反洗XAD-8树脂后获得,HOA由0.10 mol·L−1 氢氧化钠溶液反洗XAD-8树脂后获得,HON通过空气干燥XAD-8树脂并用甲醇索式提取后获得;HIB由0.10 mol·L−1氨水(NH3·H2O)反洗BIO-RAD AG-MP-50离子交换树脂后获得,HIA由3.00 mol·L−1氨水反洗DUOLITE A-7离子交换树脂后获得,HIN用纯水淋洗DUOLITE A-7离子交换树脂后获得。得到的洗脱液置于40 ℃下旋转蒸发,再经过脱盐、冷冻干燥后获得固体样品得固体样品[18]。
1.4 不同Hg2+质量浓度下DOM对汞甲基化的影响
配制6个质量浓度梯度(100.00、200.00、400.00、800.00、1 600.00、3 200.00 ng·L−1)的氯化汞(HgCl2)溶液,测定未腐解藻体DOM各组分在不同氧气条件(好氧、厌氧)下对汞甲基化的影响。
将装有6种DOM亚组分样品的离心管分组,整齐地放入厌氧袋中,加入配套的厌氧产气包,快速挤出原有空气后密封,室温下放置24 h。
反应皿中加入60 mL经氮吹去氧的超纯水,分别加入DOM各组分,调节总有机碳(TOC)至10 mg·L−1,pH为7,静置1 d后,加入不同质量浓度HgCl2溶液。采用蒋红梅等[19]方法(蒸馏-乙基化结合气相色谱-冷原子荧光,CVAFS法)在BROOKS RAND测汞仪上测定甲基汞质量浓度(最低检出限为0.009 ng·L−1)。
1.5 不同腐解时期DOM对汞甲基化的影响
配制1 000.00 ng·L−1的Hg2+溶液,分别加入第0、5、10、20、30、60天DOM各亚组分,参照蒋红梅等[19]方法测定甲基汞质量浓度。
1.6 数据处理和分析
数据处理和图表制作采用Origin 8.5及Omnic 8.2软件。MeHg测量按10%的平行操作,测定标样和空白样并做标准曲线。分析重复组数据时控制相对标准偏差低于12%。
2. 结果与讨论
2.1 不同氧气条件下未腐解藻体DOM各亚组分对汞甲基化的影响
碱性疏水性有机物(HOB)对汞甲基化贡献最高,其次为HON和HIA,其他成分的贡献量都较小,且没有显著差异。3种疏水性有机亚组分的汞甲基化作用由强到弱依次为HOB、HON、HOA。由图1可知:不同氧气条件下,MeHg生成量均随Hg2+质量浓度增加而增加,提示HOB具有明显促进汞甲基化的能力。Hg2+低于1 600 ng·L−1时,好氧条件下MeHg转化量随Hg2+质量浓度的增加而增加,转化率则降低(由13.0%降至1.7%);厌氧条件下MeHg的转化量一直呈上升趋势,转化率则较为平稳;相比之下,厌氧条件更有利于MeHg的生成。HOA与HON一定程度上也能促进MeHg生成,但总体效果不如HOB。两者均在Hg2+质量浓度最大时达最大转化量,但MeHg转化率均随Hg2+质量浓度增加而下降。Hg2+质量浓度为3 200 ng·L−1时,3种组分的MeHg转化量厌氧条件均高于好氧条件。
3种亲水性有机亚组分中,HIB能略微促进Hg2+的甲基化;厌氧条件下甲基汞生成量较少(最大值0.17 ng·L−1);不同氧气条件下转化率均随Hg2+质量浓度增加而降低,好氧时最高值为29.0%,厌氧时最高值为13.0%。HIA在好氧条件下的MeHg转化量表现为先上升后下降(最大值为0.40 ng·L−1),厌氧条件下的转化量很小(最大值0.15 ng·L−1),转化率随Hg2+质量浓度的升高而降低。HIN对汞形态转化亦有一定的促进作用。好氧、厌氧条件下MeHg转化量随浓度变化的规律性不强,厌氧转化量更低;2种条件下转化率均大致随Hg2+浓度的升高而降低,但厌氧条件下最高转化率仅为好氧时的一半。
以上结果表明:藻体DOM总体上可促进水体中Hg2+的甲基化反应。分离出的6个亚组分中,3个疏水性有机物对甲基汞产生的影响要强于3个亲水性有机物,以HOB的促进作用最为明显。DOM影响重金属在水体中形态变化过程的根本原因是其可以与重金属离子形成络合物,从而影响后者形态、生物有效性和毒性。有机分子的结构组成可以影响DOM对金属的亲合力。GUGGENBERGER等[20]发现:亲水性酸性物质对金属离子有较强的络合能力,是疏水性酸性物质的2~8倍,与本研究中亲水性DOM更易与溶液中的Hg2+结合、降低水体汞甲基化的结论一致。生物配体模型[21]认为:亲水性DOM与自由金属离子络合后使得自由离子平衡浓度下降,进而降低金属离子在有DOM存在时的有效性,与本研究结论也较为一致。研究发现:随着Hg2+质量浓度升高,甲基汞转化率逐渐降低,表明在较高的Hg2+质量浓度条件下,参与甲基化反应DOM的甲基供体数量不足,与LIANG等[22]结论一致。
自然环境下,汞的甲基化特别是生物甲基化主要发生在厌氧条件下。本研究发现,不同亚组分在好氧/厌氧条件下对甲基汞产生的影响不同。对于HOB来说,厌氧条件更利于汞的甲基化反应,厌氧条件下甲基汞产生量高于好氧条件,而其他成分在好氧、厌氧条件下的甲基汞产生量则无太大变化。
2.2 不同腐解时期藻体DOM的官能团组成及光谱学特征
对不同腐解时长下的藻体DOM作红外光谱(图2)分析可知:未腐解的DOM各官能团种类最为丰富,随腐解时间的延长,基团簇度呈逐渐减少趋势;腐解第60天时,1 364 cm−1处的叔丁基[—C(CH3)]、2 900 cm−1处的饱和C—H键(—CH3)的伸缩和亚甲基(—CH2—)的反对称伸缩、3 400 cm−1处游离态和缔合态的羟基(O—H伸缩振动)的峰已很不明显。总体来看,腐解0~10 d的DOM官能团变化较小,较稳定。对比1 060 cm−1处的波动,可以看出不同腐解时长下C—O键的簇数明显下降。综上所述,不同腐解时长下,DOM官能团的数量和种类均发生变化,并影响各亚组分对汞的甲基化作用。
2.3 不同腐解时期DOM各亚组分对汞甲基化的影响
HOB、HOA和HON为DOM的3个疏水性有机组分。由图3可知:不同腐解时间产生的HOB,汞甲基化能力不尽相同。腐解初期(0~10 d)甲基化能力呈下降趋势,第10天MeHg转化量仅为0.20 ng·L−1,10~20 d转化量大幅增加,增幅达61.9%,之后小幅波动,第60天时达最高值(0.71 ng·L−1)。腐解初期(0~10 d)HOA对汞的甲基化基本没有影响,但随腐解时间增长,HOA的汞甲基化能力逐渐加强。相比之下,HON促进汞甲基化能力总体较大;腐解初期略低,但最小值(第10天)也达到了1.20 ng·L−1,此后转化量大幅增加,第60天达到最大转化量(1.55 ng·L−1)。
相比而言,3个亲水性组分的汞甲基化能力略低。其中,HIB的甲基汞转化量最小,HIA和HIN随着腐解时间的增加,汞甲基化能力先增加后降低,在第60天时达到了最低,与疏水性有机组分的结果正好相反。
以上研究结果表明,随着腐解的进行,亲水性组分的促进汞甲基化能力表现为先升高再降低乃至消失;疏水性组分则表现为先降低再逐渐升高。3种疏水性亚组分对汞甲基化的影响效应均在60 d时达到极值。随着藻类腐解进程,藻体逐渐释放出大量DOM。冯胜等[23]发现:狐尾藻Myriophyllum verticillatum腐烂过程中释放出大量类蛋白物质,DOM荧光组分和荧光峰呈先逐渐增强后逐渐降低趋势;表明在腐解过程中,DOM先增加后减少。藻类DOM以类色氨酸成分为主,可以很快被微生物利用并降解转变为类腐殖质物质[24]。本研究中,疏水性亚组分的汞甲基化能力高于亲水性亚组分,由此推测:水体DOM的疏水性亚组分是汞甲基化的主导原因,即DOM对汞甲基化的影响主要为疏水性亚组分对汞甲基化的影响。SWIETLIK等[18]研究:HON富含碳氢化合物、多碳(>5)脂肪族醇、酯、酮和芳香结构,具有比其他亚组分更加丰富的官能团(如羟基、羰基和羧基等),因此作为甲基化电子供体更为有效,促进汞甲基化能力也更强。
3. 结论
DOM的6种亚组分中,疏水性亚组分的汞甲基化能力高于亲水性亚组分,其中以HOB为最,原因在于亲水性亚组分易与游离态的Hg2+发生络合,降低后者生物有效性;疏水性亚组分因表面官能团更为丰富,不易与Hg2+络合,更有利于Hg2+甲基化。随着游离Hg2+的增加,甲基供体数量逐渐减少,甲基汞转化率逐渐降低。
富营养化藻类的DOM主要包含羟基、甲基、亚甲基、芳环C=C等官能团,随腐解时间延长,这些基团的簇度逐渐减少,使得不同腐解时期DOM各组分对汞的形态转化呈现较大差异。
藻体腐解过程中,DOM的疏水性有机组分汞甲基化能力高于亲水性有机组分;不同腐解时长下释放的相同亚组分,其汞甲基化效应亦有所差异。
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表 1 高节竹鞭根碳、氮、磷质量百分数和化学计量比
Table 1. Content and stoichiometric ratio of carbon, nitrogen, phosphorus of rhizome roots in Phyllostachys prominens
覆土厚度/cm w碳/(g·kg-1) w氮/(g·kg-1) w磷/(g·kg-1) 氮碳比 碳磷比 氮磷比 0(ck) 437.33 ± 7.51 a 11.30 ±0.82 a 0.71 ± 0.15 a 0.26 ± 0.02 a 63.95 ± 14.30 b 16.59 ± 4.15 b 10 456.00 ± 18.08 a 9.35 ± 1.23 ab 0.65 ± 0.13 a 0_20 ± 0.02 b 71.99 ± 12.44 b 14.66 ± 2.27 b 30 440.30 ± 18.18 a 8.52 ± 0.44 b 0.58 ± 0.05 a 0.19 ± 0.02 b 75.67 ± 4.66 b 14.72 ± 2.00 b 50 437.33 ±50.14 a 10.95 ± 0.55 a 0.34 ± 0.01 b 0-25 ± 0.04 a 129.59 ± 11.40 a 32.55 ± 2.65 a 说明:同列不同小写字母表示试验竹林间差异显著(P < 0.05) 表 2 高节竹鞭根根系活力、MDA质量摩尔浓度和相对电导率
Table 2. Root activity, MDA, content and relative conductivity of rhizome roots in Phyllostachys prominens
覆土厚度/cm 相对电导率/% bMDA(mmol·g-1) 根系活力/(μg·g-1·h-1) 0(ck) 19.02 ± 4.60 a 21.15 ± 2.39 a 51.73 ± 10.59 a 10 18.33 ± 3.99 a 13.33 ± 3.62 b 30.98 ± 5.41 b 30 17.54 ± 1.51 a 11.73 ± 0.99 b 59.43 ± 1.63 a 50 22.61 ± 9.36 a 20.55 ± 0.60 a 13.02 ± 1.86 c 说明:同列不同小写字母表示试验竹林间差异显著(P < 0.05) 表 3 高节竹鞭根超氧化物歧化酶和过氧化物酶活性
Table 3. Antioxidant enzyme activity of rhizome roots in Phyllostachys prominens
覆土厚度/cm SOD/(×16.67 nkat·g-1) POD/(×16.67 nkat·g-1) 0(ck) 1 049.79 ± 80.89 a 22 068.25 ± 2 363.49 a 10 768.43 ± 9.13 b 17 573.02 ± 544.44 b 30 661.88 ± 56.53 b 14 085.71 ± 190.48 b 50 1 062.84 ± 54.82 a 23 439.68 ± 2 414.29 a 说明:同列不同小写字母表示试验竹林间差异显著(P < 0.05) 表 4 高节竹鞭根可溶性蛋白质和可溶性糖质量分数
Table 4. Soluble protein content and soluble sugar content of rhizome roots in Phyllostachys prominens
覆土厚度/cm w可溶性蛋白质/(mg·g-1) w可溶性糖/(mg·g-1) 0(ck) 4.87 ± 0.81 ab 10.8 ± 0.4 b 10 3.68 ± 0.32 b 13.3 ± 1.3 a 30 5.24 ± 0.23 a 9.6 ± 0.7 bc 50 5.90 ± 0.19 a 7.7 ± 0.2 c 说明:同列不同小写字母表示试验竹林间差异显著(P < 0.05) -
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