李曉紅，晏再生，江和龍

(1: 中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室，南京 210008) (2: 中國科學院大學，北京 100049)

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直流電場對沉水植物苦草(Vallisneria natans)生長的影響*

李曉紅1,2，晏再生1，江和龍1**

(1: 中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室，南京 210008) (2: 中國科學院大學，北京 100049)

沉水植物對維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)平衡有重要作用，廣泛應用在水體和沉積物污染修復領域. 利用電場強化沉水植物修復過程是一種新的植物修復強化方法. 本文研究了不同電壓強度作用下沉水植物苦草的生長和生理響應，以期為應用電場強化沉水植物修復過程提供依據. 結果表明： 0.2～1.0 V電壓可以促進苦草生長，而1.5～3.0 V電壓則會抑制其生長. 其中，0.5 V電壓對苦草生長的促進效果最明顯，生物量、平均株高、平均葉長、根尖數(shù)、新芽數(shù)和總葉綠素含量都比對照組顯著增加；而3.0 V電壓處理組的苦草在實驗結束時出現(xiàn)萎蔫和凋亡，與對照組相比，葉綠素含量顯著降低，丙二醛含量則極顯著增加，表明苦草生長受到嚴重脅迫. 系統(tǒng)上覆水的溫度在不同處理組之間沒有顯著變化，上覆水的pH值在電壓為1.0、1.5和3.0 V時顯著下降，最終接近中性，上覆水的溶解氧濃度只在3.0 V電壓處理組時表現(xiàn)顯著下降；沉積物表層5 cm處的氧化還原電位隨著電壓增大顯著下降，最終對苦草的生長形成脅迫. 因此,本實驗的結論是：0.2～1.0 V電壓有助于沉水植物苦草的生長和強化植物修復過程，而1.5～3.0 V電壓會破壞苦草組織，同時導致苦草生境變差，不利于沉水植物苦草的生長.

直流電場；沉水植物；苦草；生長；生理

隨著現(xiàn)代工、農業(yè)的快速發(fā)展和生活垃圾的增多，過量的氮、磷營養(yǎng)鹽和有機污染物輸入到水體中，導致嚴重的水體富營養(yǎng)化和有機污染，隨著湖泊富營養(yǎng)化出現(xiàn)藍藻水華，和工、農業(yè)產生的大量有毒污水，嚴重影響了江河湖泊的生態(tài)功能和水環(huán)境質量[1-3]. 在水體修復和污染處理領域，水生植物修復技術被認為是最經濟、有效和符合生態(tài)規(guī)律的方法，在水體生態(tài)修復、重金屬污染治理和有毒有機污染物處理領域都有很好的應用前景；其中沉水植物占據了湖泊中水和底質的主要界面，有機地結合了水體的兩大營養(yǎng)庫，對湖泊生態(tài)系統(tǒng)過程有著重要的影響[4]. 研究表明沉水植物可以顯著降低水體中的氮、磷濃度，抑制藻類瘋長，提高水體透明度[5-6]，增加水體溶解氧濃度，維持水體理化特征穩(wěn)定和生態(tài)系統(tǒng)平衡. 沉水植物對減緩重金屬污染和有機物污染有良好的表現(xiàn)，F(xiàn)avas等研究發(fā)現(xiàn)沉水植物對放射性重金屬鈾的富集功能最強[7]，Michael等通過種植沉水植物對海洋沉積物中的多環(huán)芳烴類和多聚聯(lián)苯類劇毒污染物進行原位修復，實驗運行60周后，多環(huán)芳烴類污染物的降解率達到73%[8]. 雖然沉水植物對水體生態(tài)失衡和輕度水質污染有良好的改善作用，但是沉水植物在重度富營養(yǎng)化和污染嚴重的水體中常常面臨著生長不良的瓶頸，使其改善水體生態(tài)系統(tǒng)和污染治理的作用受到限制. 研究表明，在重度富營養(yǎng)化的藻型湖泊中沉水植物是無法生存的[9-10]，秦伯強認為，在湖泊污染很重或者氮、磷負荷很高的情況下，以沉水植物為核心的修復策略是不合理的[11]；沉水植物對有機污染物的耐受性也是有一定限度的，晏再生等[12]探究了苦草對淡水沉積物中多環(huán)芳烴類有機污染物的耐受限度，發(fā)現(xiàn)當污染物的投加量超過80 mg/kg時，苦草就無法正常生長，所以探究多種方法強化沉水植物修復過程是解決以上瓶頸的關鍵點. 利用電場強化植物修復過程是一種創(chuàng)新的植物修復強化方法[13-14]，目前已有部分學者將植物與電場進行復合研究，Chiranjeevi等[15]構建了沉水植物和挺水植物的復合群落，并引入了電場結構，這種設計改善了污水處理效果，但對水生植物的研究尚未涉及. 電場對植物的生長有重要影響，研究結果顯示，合適的電場強度可以刺激細胞分裂，提高酶活性，增加葉綠素合成，提高光合反應活力，進而促進植物生長發(fā)育[16-18]. 合適的外加電場還可以提高污染物的可溶性，加速污染物的遷移轉化，提高微生物群落的多樣性[19]，改善水生植物的生長條件，進一步強化水生植物的生態(tài)恢復和污染修復效果. Lu等[20]初步探究了挺水植物美人蕉在人工濕地系統(tǒng)中對電場的生理響應，為利用電場強化挺水植物在人工濕地的污水處理效果提供了理論可行性. 苦草(Vallisnerianatans)為水鱉科苦草屬多年生沉水植物，其對環(huán)境有較強的適應性，且其株高適中、生物學特征明顯，常被用來做水體修復和污染治理的先鋒物種[21]，本試驗選取苦草作為研究對象，通過在苦草的生長過程中施加不同強度的電場，初步探究沉水植物苦草對直流電場刺激的響應，以期為電修復與沉水植物修復的復合應用提供一定的理論依據.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗所用苦草在8月中旬取自東太湖(30°58′N, 120°22′E)，選取新生幼苗，經自來水沖洗干凈后，移栽到高密度聚乙烯水桶中(直徑80 cm,高52 cm)，室內環(huán)境馴化兩個星期. 實驗所用的底泥和上覆水均取自太湖梅梁灣(31°30′N, 120°11′E)，底泥過20目篩(直徑50 cm，篩孔0.85 mm)去除貝殼、螺、石塊、植物殘體等雜物，充分攪拌均勻后使用. 上覆水取清澈的湖水，經100目篩絹過濾后備用，實驗用水的基本水質指標包括：酸堿度(pH值)、溶解氧、總磷(TP)、總氮(TN)和可溶性有機碳(DOC)，具體見表1，酸堿度和溶解氧分別采用sartorius PB-10酸度計和手持式溶氧儀(YSI 550A)直接測定，總磷、總碳和可溶性有機碳采用國家標準方法測定[22]. 實驗前選取株高為11～13 cm、長勢基本一致、葉片鮮綠無萎蔫的健壯苦草幼苗準備實驗.

1.2 實驗裝置和設計

實驗主體部分采用加厚聚乙烯水箱(長×寬×高=61 cm×43 cm×37 cm),水箱內放置3個聚乙烯小圓桶(直徑19.8 cm，高19 cm),每個小桶內裝10 cm高的底泥，種植5棵苦草，整個裝置注入過篩后的湖水，水面高度為35 cm. 實驗過程通過穩(wěn)壓直流電源(兆信，TXN-150 2D型)24 h供電，由導線和垂直插入小桶中的兩根石墨棒(直徑18 mm，長40 cm)對苦草提供電刺激，石墨棒貼近小桶內緣，兩根石墨棒相距18 cm(以圓心記)，石墨棒與苦草保持5 cm的距離，石墨棒上部露出水面，通過金屬夾和導線與電源相連，6個電壓水平設置為：0、0.2、0.5、1.0、1.5、3.0 V，其中0 V為對照組，插有石墨棒但不通電. 在水箱上部1 m高處安裝日光燈管(佛山，T5型8 W)，每天光照時間為10:00-14:00，通過科德tw-k11型時控開關控制. 整個裝置連續(xù)運行60 d之后，測定系統(tǒng)參數(shù)和苦草的形態(tài)、生理指標.

表1 基本水質指標Tab.1 Basic indicators of water quality

1.3 分析項目與測定方法

實驗結束后，分別測定不同處理組的水體參數(shù)：溫度、pH值、溶解氧和氧化還原電位，水溫用手持溫度計測量；上覆水的pH值用sartorius PB-10酸度計現(xiàn)場測定；上覆水的溶解氧用手持式溶氧儀(YSI 550A)原位測定，測量點以苦草葉片未覆蓋區(qū)域隨機取點(上午7：00左右)；氧化還原電位在抽出上覆水之后、取出苦草之前，用便攜式氧化還原電位儀(FJA-4型)測定，參比電極為Ag-AgCl電極；苦草種植前分別用天平稱量各組的初始總鮮重，用軟尺測量初始平均株高和平均葉長，株高以苦草平鋪后的中心葉片尖端到根莖交合處為準，隨機量取每棵苦草的最長、中等、最短3片葉長，取其平均值作為該棵苦草的平均葉長；實驗結束后(上午10：00左右)將存活的所有苦草取出，流水沖洗干凈，再用無菌水沖洗多遍，然后平鋪在白色吸水紙上，再次稱量各組苦草的總鮮重，測量每組處理的苦草平均株高和平均葉長；在每棵苦草的根莖分界處將根系剪下，浸泡在蒸餾水中，通過RHIZO 2008根系掃描儀獲得根系圖像和數(shù)據；總葉綠素含量采用80%丙酮提取法測定，抗逆性指標丙二醛含量用硫代巴比妥酸法測定，具體步驟參照文獻[23].

1.4 數(shù)據處理

實驗數(shù)據用SPSS statistics 20和OriginPro 8.5軟件處理與繪圖，顯著性檢驗采用單因素方差檢驗.

2 結果和分析

2.1 直流電場對水體參數(shù)的影響

實驗結束后對不同電壓處理組上覆水的溫度、pH值、溶解氧濃度及沉積物表層5 cm的氧化還原電位進行測量. 在0～3 V電壓范圍內，隨著電壓升高，上覆水的溫度在不同電壓處理組間沒有顯著差異(P>0.05)；上覆水的pH值在不通電的情況下略偏堿性，當通電電壓為1.5 和3.0 V時，上覆水的pH值與對照組相比顯著下降(P<0.05)，接近中性；上覆水的溶解氧濃度在通電電壓為3.0 V時與對照組相比顯著下降(P<0.05)，其他處理組與對照組沒有顯著差異(P>0.05)；沉積物表層5 cm處的氧化還原電位隨著通電電壓的增加表現(xiàn)出明顯下降的趨勢，各處理組間差異顯著(P<0.05)，當通電電壓達到3.0 V時，沉積物表層5 cm處的氧化還原電位低至-245.33 mV，表明沉積物中已經形成強烈的還原條件(表2).

表2 不同通電電壓下水體參數(shù)的變化Tab.2 Changes of waterbody parameters under different voltage intensities

*同一列上標不同字母表示差異顯著(P<0.05).

2.2 直流電場對苦草生物量和植株數(shù)目的影響

通過最終收獲的苦草總鮮重與實驗前的苦草總鮮重的差值(即鮮重變化量)來反映不同電壓對苦草總生物量的影響. 經過較低電壓(0.2、0.5、1.0 V)處理的苦草的總生物量與對照組相比有明顯的增加，其中當電壓為0.5 V時生物量增加最大，增加量占初始生物量的108.59%；而較高電壓(1.5、3.0 V)處理后的苦草生物量與對照組相比則呈現(xiàn)負增長趨勢，3.0 V處理組的苦草生物量比初始生物量減少了55.42%(圖1). 實驗結束時，模擬系統(tǒng)內的苦草數(shù)目也發(fā)生了一定變化，其中對照組(0 V)和處理組(0.2、0.5、1.0、1.5 V)最終收獲的株數(shù)與初始保持一致，同時對照組收獲3枚新芽，0.5 V處理組收獲4枚新芽，0.2和1.0 V處理組收獲2枚新芽，1.5 V 處理組收獲1枚新芽；而較高電壓處理組(3.0 V)在實驗結束時死亡了2棵，均未收獲到新芽.

圖1 苦草鮮重的變化Fig.1 Changes of the fresh weight of Vallisneria natans

2.3 直流電場對苦草平均株高和平均葉長的影響

經過不同電壓處理，苦草的株高和葉長也發(fā)生了不同變化(圖2). 未經過通電處理的對照組苦草在實驗結束后平均株高增加了20.43 cm，增加量為初始平均株高的142.89%，0.2、0.5、1.0 V電壓處理組苦草平均株高顯著增加(P<0.05)，其中0.5和1.0 V電壓處理組苦草平均株高分別增加了380.73%和232.48%，與對照組差異極顯著(P<0.01)；1.5和3.0 V電壓處理組的苦草雖然有一定生長，但是平均株高增加量顯著低于對照組(P<0.05)，表明1.5和3.0 V電壓處理會顯著抑制苦草株高的增加. 不同電壓處理對苦草平均葉長的影響趨勢與株高基本一致，各處理組之間苦草的平均葉長差異顯著(P<0.05)，0.2、0.5、1.0和1.5 V處理組的苦草平均葉長與對照組相比都顯著增加，3.0 V處理組顯著減少(P<0.05).

圖2 苦草平均株高和平均葉長的變化Fig.2 Changes of average plant height and average length of leaves of Vallisneria natans

2.4 直流電場對苦草根系形態(tài)的影響

根尖數(shù)在較低電壓(0.2、0.5、1.0 V)的刺激下比對照組顯著增加(P<0.05)，在較高電壓(1.5、3.0 V)的刺激下表現(xiàn)出降低趨勢，但與對照組差異不顯著；苦草的平均根長在0.2、0.5、1.5 V電壓刺激下與對照組相比顯著增長(P<0.05)，1.0 V處理組的苦草平均根長也表現(xiàn)出增加的趨勢，但與對照組相比不顯著，3.0 V處理組苦草的平均根長顯著小于對照組(P<0.05)，從誤差值波動范圍還可以觀察到，在低電壓處理組(0、0.2、0.5 V)苦草新生根系較多，高電壓處理組(1.0、1.5、3.0 V)新生根系的生長受到抑制；各處理組的苦草根系平均直徑在0.3～0.4 mm之間波動，差異不顯著(P<0.05)，表明不同電壓對苦草的根系直徑影響不大(圖3).

圖3 苦草根系形態(tài)的變化Fig.3 Changes of roots’ morphological features of Vallisneria natans

2.5 直流電場對苦草葉片總葉綠素和丙二醛含量的影響

光合作用是植物體內非常重要的代謝過程，其強弱對植物生長及其抗逆性有重要的影響，光合色素是光合作用的物質基礎，葉綠素含量的高低能在很大程度上反映植物的生長狀態(tài)和光合能力[24]. 實驗結果顯示，當電壓為0.5V時，苦草葉片的總葉綠素含量與對照組相比顯著增加(P<0.05)，表明合適的低壓條件可以促進葉綠素的合成；當電壓為1.5和3.0V時，總葉綠素含量與對照組相比顯著減少(P<0.05)，表明過高的電壓會抑制苦草的光合作用，不利于其生長；當電壓為0.2和1.0V時，總葉綠素含量與對照組差異不顯著(P>0.05)(圖4).

圖4 苦草葉片總葉綠素和丙二醛含量的變化(不同字母表示處理組差異顯著，P<0.05)Fig.4 Changes of total chlorophyll and MDA content in leaves of Vallisneria natans

在逆境條件下，植物的細胞膜脂會加速氧化，活性氧增加，膜的結構和功能受到破壞. 丙二醛是細胞膜脂過氧化的最終產物，是衡量膜脂過氧化程度的一個最重要的指標[25]. 在電刺激的情況下，苦草的細胞膜會發(fā)生一定程度的過氧化，通過測定丙二醛含量的變化可以反映出苦草在生理層面上對電場刺激的響應. 在較低電壓(0.2、0.5、1.0V)刺激下，苦草葉片中丙二醛含量隨著電壓升高表現(xiàn)出緩慢增加的趨勢，但與對照組相比沒有顯著差異(P>0.05)，表明苦草具有一定的耐低壓性；當電壓達到1.5V時，苦草葉片中丙二醛含量快速升高，與對照組差異顯著(P<0.05)，表明在此電壓下苦草已經表現(xiàn)出明顯的抗逆性，膜結構受到一定程度的破壞；當電壓達到3.0V時，丙二醛含量與對照組相比大幅度升高，與對照組差異極顯著(P<0.01)，表明在此電壓下苦草的葉片膜結構已經受到相當嚴重的破壞(圖4).

3 結論與討論

1)本實驗結果表明一定強度的電場能夠促進苦草的生長，在0～1.0V電壓范圍，苦草生長受到的促進作用隨著電場強度的增加而增加，當電壓達到3.0V時，苦草的生長受抑制. 0.5V電壓處理組的新芽數(shù)目和根尖數(shù)達到最多，生物量增加最多，表明外加電場可以促進植物細胞的分裂和增生. 已有研究表明，靜電場能提高種子活力，增加植物的抗逆性[26-28]，誘導ATP合成，加速酶活化，促進植物的生長發(fā)育；受微電流的刺激，植物細胞膜電位會增加，細胞分裂素產生定向遷移，促進細胞的增殖；同時微電流可以提高細胞膜的通透性，增加物質轉運能力，刺激植物增長[29-30]，本實驗結果與這些植物電生理研究的結果相一致.

2)苦草的丙二醛含量在1.5和3.0V電壓處理下顯著增加，表明電場對植物生長發(fā)育的促進作用具有一定的閾值，強度過高的電場會紊亂植物細胞內的正常代謝反應，導致細胞膜脂過氧化，破壞細胞膜結構，甚至擊穿細胞，導致細胞死亡.Janositz等觀察了煙葉細胞對不同強度電場的反應，高強度電場可以擊穿細胞壁，導致原生質體收縮、細胞碎裂[31]. 不同類型的植物對電場響應的閾值差別很大，而且還受到多種因素的共同制約，如植物組織細胞的大小、細胞壁的厚薄和處理時間等[32]. 沉水植物由于其完全水生的特點，對外界的刺激響應更加敏感，因此對電場刺激的閾值應該比陸生植物和挺水植物更低，Lu等[20]在利用外加電場提高人工濕地的去污能力時，發(fā)現(xiàn)挺水植物美人蕉對外加電場刺激反應的閾值在5～7V之間，本實驗結果證實沉水植物苦草對外加電場刺激反應的閾值在0.5～1.0V之間，證實了沉水植物對電場刺激更敏感.

3)上覆水的酸度隨著電壓的升高而增加，表明電修復技術能促進水體的酸化，時文歆等在探究污染土壤電修復過程中也發(fā)現(xiàn)，電修復可以促進土壤的酸化[33]，導致pH值降低的原因是，當電壓達到一定范圍時，陽極處的水發(fā)生電解，產生的H+在電場作用下向陰極遷移，使經過之處的pH值下降.

4)上覆水的溶解氧濃度比初始值顯著降低，通電在理論上應該不會直接導致水體中的溶解氧濃度降低，因為在電解過程中陰極附近存在大量的陽離子，氧氣不會在陰極發(fā)生電解，當電壓達到3.0V時氧氣依然不會發(fā)生電解，此組溶解氧比對照組顯著降低的現(xiàn)象應該是植物生長不利甚至發(fā)生腐爛大量耗氧導致的；此外通電會加速水體和沉積物中各種離子的遷移轉化，可能會加大水體中氧氣的消耗，此實驗后續(xù)應該進一步探究通電對水體和沉積物中生化反應的影響，以證實此種推測，另外測量的時間選在早晨植物尚未進行光合作時也是導致溶解氧濃度偏低的一個原因.

5)通電會導致沉積物(表層5cm)中的氧化還原電位下降. 付融冰等研究表明植物根系的泌氧作用可以提高根區(qū)的氧化能力[34]，所以氧化還原電位可以從一定程度上反映植物根系的健康狀態(tài)，如本實驗中3.0V電壓處理組的沉積物形成了很強的還原環(huán)境，從側面反映出苦草的生長受到了強烈脅迫，尤其是根系向沉積物中泌氧的能力受到強烈抑制[35]，部分根系甚至有腐爛跡象.

通過模擬系統(tǒng)內的苦草對不同強度的外加電場的響應，可以得出在閾值范圍內施加電場有助于苦草生長的結論，這為利用外加電場促進沉水植物修復和污染治理的想法提供了理論依據，本實驗一些現(xiàn)象的機理尚有待進一步的實驗探究，同時，由于實際環(huán)境復雜多變，電場與植物的復合應用離實際應用尚有一段距離，更多影響因素也有待進一步研究.

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Effect of direct-current electric field on the growth of submerged macrophyte Vallisneria natans

LI Xiaohong1,2, YAN Zaisheng1& JIANG Helong1**

(1:StateKeyLaboratoryofLakeScienceandEnvironment,NanjingInstituteofGeographyandLimnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,P.R.China) (2:UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,P.R.China)

Submerged macrophytes play an important role in maintaining the ecosystem balance of lakes and are used widely in the remediation of contaminated water and sediment. Electric field provides a new technological approach to enhance the restoration of submerged plants. In this study, the growth performance and physiological response ofVallisnerianatansunder different voltage intensities were investigated. The results show that the voltage ranging from 0.2 to 1.0 V can stimulate the growth ofVallisneranatans, while the voltage ranging from 1.5 to 3.0 V can inhibit the growth. The obvious stimulation was observed under the voltage of 0.5 V. Compared with the control experiment, the obvious increase in the aspects of biomass, average stem length, average leaf length, the number of root tips, the number of buds and the content of total chlorophyll were observed. The plants grew worst under the voltage of 3.0 V, and some of them ended up wilting even death. The content of total chlorophyll in their leaves strikingly decreased but the content of MDA markedly increased, which showed the plants suffered serious stress. The temperature of overlying water did not change obviously among different voltages. The pH of overlying water dropped remarkably under the voltage of 1.0, 1.5 and 3.0 V, close to neutral. The content of dissolved oxygen decreased markedly under the voltage of 3.0 V. The redox potential of 5 cm under the sediment surface decreased sharply when the voltage was raised, and finally inhibited the growth ofVallisneranatans. Thus, these findings show that the voltage ranging from 0.2 to 1.0 V will contribute to the growth ofVallisneranatansand enhance the restoration of plants, while the voltage ranging from 1.5 to 3.0 V will damage the tissues ofVallisneranatans, resulting in worsening the living condition and inhabiting the growth ofVallisneranatans.

Direct-current electric field; submerged macrophyte;Vallisneranatans; growth; physiology

*國家自然科學基金項目(51379199)、國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07101-010)和中國科學院知識創(chuàng)新工程重要方向項目(KZCXZ-EW-314)聯(lián)合資助. 2015-08-31 收稿; 2015-12-07收修改稿. 李曉紅(1990～)，女，碩士；E-mail：xiaohongqingtai@163.com.

**通信作者; E-mail: hljiang@niglas.ac.cn.