稀土对浮萍引起水体富营养化的光合作用影响机理初探

稀土对浮萍引起水体富营养化的光合作用影响机理初探
杜烨;余江;刘建泉;张贝克;宋雪梅;赵仕林
【摘要】为探究外源稀土化合物对水生植物引起水体富营养化的影响机理,选取紫背浮萍作为研究对象,设置受控实验,采用生物化学及荧光光谱技术分析稀土铈化合物对浮萍生长状况及其光合作用的影响进行研究.实验结果显示:适宜浓度范围内的稀土铈能有效促进浮萍对N、P的吸收,提高碳酸酐酶活性(最大值为0.684 EU/μg),并能提高光能利用和转化效率,光合作用得到增强,从而促进植物生长,浮萍生长率最高可达到63.85％.进而,随着浮萍繁殖密度的增加,水体DO值降低,而COD值上升(最大值为6.448 mg/L),最终导致水质逐渐恶化.研究结果表明,适量稀土对浮萍类小型水生植物具有生长促进作用,对水体富营养化进程发展起到正催化作用.这无疑为稀土可持续开发和利用提供了基础理论,为研究稀土对水体富营养化的促进规律和水域污染综合防治提供了科学依据.%To explore the influence mechanism of Rate Earth Element (REE) on aquatic plants causing water eutrophication, selecting Spirixlela polyrhiza as experimental material in the paper, the growth and photosynthesis of duckweed affected by cerium compound were analyzed through biochemical and fluorescence spectroscopy methods. The results revealed that the appropriate concentration range of REE could promote Spirodela polyrhiza absorbing N, P effectively, improve the activity of carbonic anhydrase (a maximum value of 0.684 EU/μg) and improve the efficiency of light energy utilization and transformation, and thus could promote plant growth, with the highest rate of growth of Spirodela polyrhiza reaching 63.85. And then, with the increase of Spirodela polyrhiza density, DO reduced, while COD raised (a maximum
value of 6.448 mg/L) , which eventually led to the water quality worsen. These results show that the proper amount of REE can promote small aquatic plants like Spirodela polyrhiza growth, thereby contributing a positive catalytic effect to the development process of eutrophication.【期刊名称】《四川师范大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2012(035)003
【总页数】4页(P373-376)
【关键词】稀土;紫背浮萍;水体富营养化;光合作用
【作者】杜烨;余江;刘建泉;张贝克;宋雪梅;赵仕林
【作者单位】四川大学建筑与环境学院,四川成都610065;四川大学建筑与环境学院,四川成都610065;成都工业学院教务处,四川成都61007;四川师范大学化学与材料学院,四川成都610066;四川师范大学化学与材料学院,四川成都610066;四川师范大学化学与材料学院,四川成都610066
【正文语种】中文
【中图分类】X171.5;Q948.8
随着稀土的广泛应用，稀土的开采规模加大和使用量迅猛增长，稀土冶炼生产过程中向环境中排放大量的废水、废气、废渣以及放射性物质，对生态环境和人类健康造成巨大威胁［1］.大量研究表明，稀土是具有生理活性的化学元素，能有效影响植物的外部形态和生长发育，在一定的适宜浓度范围内，能有效促进植物生物量的增加，增强植物的光合作用等［2］，而在此浓度范围之外，则通常表现为重金属
离子相似的生物毒性［3-4］.而水体富营养化的重要阶段是水生植物特别是富营养化生物如藻类等大量吸收并有效利用水中的N、P等营养物质而爆发性生长的过程［5］，由此可以推断水体中的稀土元素存在的种类、性质、存在形式、浓度等对水体富营养化的产生具有一定的影响.鉴于此，本文通过稀土对紫背浮萍生长状况以及稀土对紫背浮萍光合作用影响的受控试验，对稀土与水体富营养化相关性的机理进行初步探讨.
1 材料与方法
1.1 材料来源与预培养实验用紫背浮萍取自四川省富营养化水域.选取生长良好的紫背浮萍，放入户外自建水池中暂养，定期更换水和添加营养物质.
1.2 实验方法在改良Hoagland营养液中添加Ce3+，Ce3+浓度梯度为：0(对照组)、0.3、0.6、1.5、3.0 mg/L.实验用2 000 mL烧杯，装1 000 mL培养液，选择健康个体，加入紫背浮萍约0.7 g(称量时用滤纸吸干个体表面水分)置于室内培养箱中持续培养，烧杯杯身用黑色塑料袋遮光处理，避免光线从杯身方向射入.培养条件：适应期水温(25±1)℃，光照强度4 000～5 000 lx，光周期13L：11D.为保证营养盐的供应，每隔1 d更换培养液，实验周期为15 d，每组设3个重复.培养经过3、6、9、12和15 d时，观察紫背浮萍的表观性状，并测定紫背浮萍鲜重，以及培养液中DO和COD值.各指标的测定方法参见相关国家标准.
在上述实验培养周期结束时，测定紫背浮萍内容物(叶绿素)含量、碳酸酐酶活性以及叶绿体荧光光谱特性，分析稀土对紫背浮萍光合作用的影响［6］.
1.3 统计分析数据的统计分析采用ANOVA法，在Scheffe测试中P＜0.05表示差异显著，具有统计学上的意义.
2 结果
2.1 稀土元素对紫背浮萍生长状况影响
2.1.1 紫背浮萍鲜重的变化情况紫背浮萍鲜重随时间的变化趋势如图1所示.由图1
可以看出，第3天之后，0.3和0.6 mg/L Ce浓度下培养的紫背浮萍鲜重增加量
大于同时期的对照组，且0.6 mg/L Ce浓度下的鲜重增加量最大，而1.5和3.0 mg/L Ce浓度下的鲜重增加量则低于对照组，且3.0 mg/L浓度下的鲜重增加量
最小.
2.1.2 DO和COD值的变化情况水体DO值变化量表示的是3 d培养时间内水体DO值的差值，数值负得越多，表明该段时间内水中溶解氧消耗量越大，从图2反映的趋势来看，各稀土浓度下培养液中DO值在前3 d水体中溶解氧消耗量比较大，随后6～9 d内水体中溶解氧消耗量降低，且消耗量相差不大，第12天之后，水体溶解氧消耗量又突然增加.比较不同浓度稀土培养液DO值变化量情况，本实
验数据反映出来的DO值变化量与浓度的关系并不明显(P＞0.05).
各稀土浓度下培养液中COD值随时间的变化趋势如图3.从图3可以看出，前9 d 水体COD变化不大，第9天之后则较为迅速的上升，直至第15天升至最高.比较不同浓度下培养液水体COD值情况，可基本反映出第9天之后，0.6 mg/L Ce浓度下水体中COD值为最高，且明显高于对照组(P＜0.05).
2.2 稀土元素对紫背浮萍光合作用的影响
2.2.1 紫背浮萍叶绿素含量的变化由不同Ce浓度下培养的紫背浮萍中叶绿素含量变化(图4)显示，0.3、0.6和1.5 mg/L Ce浓度下培养的紫背浮萍叶子内的叶绿素含量均高于对照组(P＜0.05)，且0.6 mg/L Ce条件下最高(P＜0.01)，而
3.0
mg/L Ce浓度下培养的紫背浮萍叶子内的叶绿素含量低于对照组.
2.2.2 紫背浮萍碳酸酐酶活性的变化由不同Ce浓度下培养的紫背浮萍体内碳酸酐酶活性变化(图5)显示，0.3和0.6 mg/L Ce浓度下培养的紫背浮萍体内碳酸酐酶
活性明显高于对照组(P＜0.05)，且0.6 mg/L Ce浓度下的碳酸酐酶活性最高，1.5
和3.0 mg/L Ce浓度下的各组碳酸酐酶活性略低于对照组，差异不显著(P＞0.05)，且3.0 mg/L Ce浓度下的紫背浮萍体内的碳酸酐酶活性最低.
2.2.3 紫背浮萍的叶绿素荧光光谱 1)440 nm激发下的荧光光谱.如图6(A)，在
440 nm的光激发下，各组浓度紫背浮萍叶绿素荧光光谱在674 nm附近有一较强发射峰，而在720 nm附近有一较弱的发射峰，且含稀土Ce各组的荧光峰面积均高于对照组，0.6 mg/L的峰最高、峰面积最大，0.3 mg/L的略次之，3.0 mg/L
的峰值和峰面积更次之，1.5 mg/L的为最低.
2)480 nm激发下的荧光光谱.由图6(B)显示，对照组与0.3和0.6 mg/L Ce浓度
下的荧光光谱在674 nm附近有一较强发射峰，在720 nm附近有一较弱发射峰，1.5和3.0 mg/L Ce浓度下的荧光光谱在672 nm附近有一较强发射峰，在718 nm附近有一较弱发射峰.0.3和0.6 mg/L Ce浓度下的荧光谱线峰值和峰面积均高于对照组，且0.3 mg/L的最大，1.5和3.0 mg/L Ce浓度下的荧光谱线峰值和峰面积均低于对照组，其中1.5 mg/L组最低.
3 讨论
国内外学者就稀土的生物、生态效应方面的研究已做了大量工作［7］，取得了较为丰硕的研究成果，如有研究发现，在一定剂量范围内稀土能促进水生植物对N、P元素的吸收作用，稀土元素La(Ⅲ)对固氮鱼腥藻具有明显的促长作用［8］，La、Ce等稀土元素能促进衣藻、水鳖等的生长，并随不同稀土元素的形态和不同的藻
类有着不同的调控作用［9］.本文采用漂浮类水生植物为实验材料，研究结果同样发现，当稀土Ce浓度为0.6 mg/L时，在水体中具有“正催化剂”效应，能促使
紫背浮萍的过度繁殖，增大水生植物对水体的表面覆盖度，从而阻断了水-气介质
中物质的交换能力，水中DO值显著下降、COD值明显上升，表现出富营养化的
部分特征，水质不断恶化，水生生态系统遭受破坏.
富营养化水体的另一个重要指标是水体中水生植物或藻类的叶绿素含量［10］.本实验结果发现，当紫背浮萍在不同Ce浓度梯度条件下培养时，0.6 mg/L Ce浓度的紫背浮萍叶绿素含量明显高于其他实验组和对照组，而3.0 mg/L Ce浓度的叶绿素含量最低，表明0.6 mg/L Ce能有效促进紫背浮萍叶绿素的合成，从而为光合作用提供了更多的场所，在一定程度上增强了光合作用，促进了紫背浮萍的生长.稀土的这种对浮萍叶绿素合成等的促进作用可为其在短时间内大量繁殖提供有利条件，从而最终导致水体富营养化现象的发生;研究结果也显示稀土元素对浮萍叶绿素合成以及水体富营养化的正向促进作用发生在一定稀土浓度范围内，且存在一个最佳浓度，低于或超过这一最佳浓度则可能使这种作用减弱，或者表现出与重金属离子的类似毒性机制［11］，即对浮萍的叶绿素合成起抑制作用，从而减弱植物的光合作用，对水生态环境造成威胁，对水体中其他生物产生毒害作用，甚至导致生物的死亡.同时，本实验结果还发现，在0.6 mg/L Ce浓度培养条件下，紫背浮萍的叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素分别在440和480 nm均有较强的荧光激发峰出现，其原因主要可能是在稀土Ce处理后，紫背浮萍光合膜叶绿体色素的结合状态发生变化，特别是两个光系统作用中心、捕光色素系统(LCH)、核心天线的结合状态得到明显改善，使叶绿素a、叶绿素b和胡萝卜素与作用中心色素结合得更加紧密，高效迅速传递激发能，叶绿体色素利用光能以及转化光能的效率明显提高［12-13］.由此也可以揭示，适宜低浓度的稀土处理可提高紫背浮萍叶绿体利用光能和转换光能的效率，从而提高光合作用，促进植物生长，为水体富营养化提供有力条件.
碳酸酐酶，作为植物光合作用中一种普遍存在的活性酶，能加速向CO2的转换，为光合作用的碳同化作用提供充足的碳源，顺利实现从无机物质到有机物质的合成反应，保证植物的生长需要［14-15］.本实验结果显示，0.6 mg/L Ce浓度下紫
背浮萍体内的碳酸酐酶活性显著高于对照组和其他浓度组，表明该浓度下，稀土Ce有效地提高了植物体内碳酸酐酶活性，从而提高了为光合作用碳同化阶段提供CO2的能力，提高了光合作用物质合成的效率，有助于植物有机物质的积累，促
进植物的生长，对于可造成富营养化现象的浮萍等水生植物来说，则为其提供了短时间内大量繁殖的有利生理条件.而1.5和3.0 mg/L浓度下的碳酸酐酶活性低于对照组，则表明稀土浓度升高到一定值后，对碳酸酐酶活性的增强作用达到最强，其后随着浓度的再升高，这种正向增强作用减弱，甚至开始起到对碳酸酐酶活性的抑制作用.
4 结论
1)Ce对浮萍生长的促进效果最佳浓度为0.6 mg/L，当Ce浓度超过0.6 mg/L，
尤其是超过3.0 mg/L后，则表现出一定的抑制作用，甚至产生毒害作用，导致植物的死亡.
2)水体中适宜浓度(0.6 mg/L)的稀土能有效促进紫背浮萍叶绿素的合成，提高叶绿素含量，增强紫背浮萍光合作用;提高碳酸酐酶活性，为碳同化提供更充足的碳源，增加有机物质的合成;提高2个光系统各类色素的荧光产额，提高光能利用和转换
效率，从而提高光合作用效率;这些最终可表现为促进紫背浮萍的生长，推进水体
富营养化的进程.
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