阿丹，潘袁，黃漢杰，陶雪琴，盧桂寧，杜建軍，鄒夢遙

(1. 仲愷農(nóng)業(yè)工程學院 資源與環(huán)境學院；廣東省普通高校農(nóng)業(yè)產(chǎn)地污染綜合防治工程技術(shù)研究中心，廣州 510225；2. 華南理工大學 環(huán)境與能源學院；工業(yè)聚集區(qū)污染控制與生態(tài)修復(fù)教育部重點實驗室，廣州 510006)

有色溶解性有機質(zhì)(CDOM)是由腐殖酸、富里酸和芳香烴等組成的復(fù)雜有機質(zhì)，也是水體中天然有機質(zhì)的重要組成成分[1]。CDOM是水生態(tài)系統(tǒng)中重要的碳賦存形式之一，對生物地球化學循環(huán)、能量流動及水質(zhì)安全有著重要的影響[2-3]。由于自身的吸附性和絡(luò)合性，CDOM還是水體中有機污染物和重金屬的重要載體[4-5]，對污染物的歸趨、毒性效應(yīng)和生物有效性有著深遠影響[6]。CDOM常被用來表征湖泊、水庫等水體的富營養(yǎng)化程度[7]，過量的CDOM輸入會對水源水質(zhì)造成威脅[8]。此外，高濃度的CDOM還可能與水處理中的氯發(fā)生反應(yīng)，生成鹵乙酸和三鹵甲烷等致癌物質(zhì)[9]，并為飲用水中細菌的生長提供碳源[10]，從而影響人類健康[11]?？梢?，控制水體中的CDOM含量對水環(huán)境保護和飲用水安全都具有十分重要的意義。

植物修復(fù)技術(shù)因其效果好、成本低、無二次污染等特點，有望應(yīng)用于環(huán)境中CDOM面源污染的控制與治理以及污水處理廠尾水中CDOM的深度凈化。Cano等[12]研究表明，種有紅鳥蕉和紙莎草的濕地系統(tǒng)比無植物對照組的脫色效果高出20%～21%。Huang等[13]研究證實，使用海馬齒的植物浮床技術(shù)可以有效去除水體中CDOM，且根際效應(yīng)起到主要作用。A等[14]發(fā)現(xiàn)蘆葦濕地系統(tǒng)對污水中腐殖酸的脫色效果(76%～90%)顯著高于無植物濕地系統(tǒng)(59%～86%)。因此，有必要進一步研究植物對CDOM的脫色原理以及CDOM在植物根際的環(huán)境行為。

筆者以常見濕地植物蘆葦(Phragmitesaustralis)為受試植物，以腐殖酸為代表性CDOM，旨在通過CDOM在蘆葦根際的脫色、分布和組成分析，探究植物對CDOM的脫色性能，以及CDOM在根際環(huán)境的分布特征與組成成分；通過蘆葦根系分泌物的脫色實驗，考察植物根系分泌物對CDOM脫色的影響；通過蘆葦酶提取液的脫色實驗，了解植物酶對CDOM脫色的作用。研究結(jié)果有助于揭示CDOM在植物根際的脫色機理及其環(huán)境行為，為植物修復(fù)CDOM的研究和應(yīng)用提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 CDOM在蘆葦根際的脫色、分布和組成分析

1.1.2 CDOM分布特征分析 待CDOM脫色效果實驗結(jié)束，立即回收蘆葦?shù)母?、根系附著物及容器底部沉淀物。將上?種樣品放入烘箱干燥(65 ℃，48 h)后稱重。使用0.02 mol/L的NaOH作為CDOM洗脫液，根系樣品使用30 mL洗脫液洗脫至洗脫液沒有色度為止(n=7)(n為采樣次數(shù))，根系附著物和容器底部沉淀物樣品均使用10 mL洗脫液洗脫至洗脫液沒有色度為止(n=5)，然后測定所有樣品洗脫液的色度。

1.2 蘆葦根系分泌物的脫色實驗

將上述水溶性分泌物樣品和根系附著分泌物樣品經(jīng)冷凍干燥機濃縮干燥后，分別復(fù)溶于乙腈中，制成5倍濃縮根系分泌液。取0.5 mL上述濃縮液和4.5 mL濃度為50 mg/L的腐殖酸鈉溶液(pH值8.0)混合，然后注入褐色試管中，并置于振蕩培養(yǎng)箱(25 ℃、100 r/min)內(nèi)培養(yǎng)。同時設(shè)置不添加根系分泌液的空白對照一起培養(yǎng)。連續(xù)4 d定時采取0.1 mL水樣進行吸光度測定，以390 nm波長下的吸光度換算成色度(CU)，以465、665 nm波長下吸光度的比值(E4/E6)來表征CDOM的腐殖化程度。E4/E6值越小，表明CDOM的芳香性越高、分子量越高[15]。

1.3 蘆葦酶提取液的脫色實驗

2 結(jié)果和分析

2.1 CDOM在蘆葦根際的脫色、分布和組成

圖1 CDOM在植物有機質(zhì)實驗組(Plant-CDOM)、植物對照組(Plant)和有機質(zhì)對照組(CDOM)中的色度變化(n=2)

圖2 CDOM分別在植物有機質(zhì)實驗組(Plant-CDOM)和植物對照組(Plant)中不同組分的分布：根系吸收(root uptake，RU)、根系附著(root attachment，RA)和沉淀物(sediment，SD)(n=2)

圖3 CDOM在植物有機質(zhì)實驗組(Plant-CDOM)和有機質(zhì)對照組(CDOM)的脫色處理液(a)中，以及在植物有機質(zhì)實驗組和植物對照組(Plant)的根系洗脫液(b)中的分子量組成

2.2 蘆葦根系分泌物對CDOM的脫色效果

根系分泌液脫色實驗結(jié)果如圖4所示。隨著時間的推移，CDOM的色度和E4/E6值在不同根系分泌物中均十分穩(wěn)定，分別為249～290 CU和3.5～4.6(水溶性分泌物)、322～353 CU和3.2～4.0(根系附著分泌物)、245～280 CU和4.0～5.0(無添加對照樣)。其中，水溶性分泌物的色度范圍與無添加對照樣非常相近，但低于根系附著分泌物；而根系附著分泌物的E4/E6值則略低于另外兩種。由此可知，不但蘆葦根系分泌物對CDOM的脫色及其腐殖化過程均無直接影響，而且植物分泌的CDOM分子量較大，附著在植物根表上不易隨水流動，這與前面發(fā)現(xiàn)的低分子CDOM易被吸收進入植物體內(nèi)的結(jié)果相呼應(yīng)。

圖4 CDOM在水溶性分泌物添加樣(water-soluble exudate，WSE)、根系附著分泌物添加樣(root-attached exudate，RAE)和無添加對照樣(control check，CK)中的色度和E4/E6變化(n=2)

2.3 蘆葦酶提取液對CDOM的脫色效果

酶提取液脫色實驗的結(jié)果如圖5所示。隨著酶提取液添加量的提高，CDOM的反應(yīng)呈現(xiàn)如下規(guī)律：在無添加對照樣中，色度從217 CU上升到246 CU，且E4/E6值從5.9下降到5.5；在1%酶提取液添加樣中，色度和E4/E6值均十分穩(wěn)定，分別為250 CU和5.6；而在5%酶提取液添加樣中，色度從321 CU下降到288 CU，且E4/E6值從2.7上升到4.1。表明植物酶可以作用于CDOM的低分子化進程，從而起到脫色的效果，這就解釋了在CDOM組成成分分析中觀察到植物能夠使CDOM低分子化的原因。

圖5 CDOM在5%酶提取液添加樣(5%-enzyme extract，5%-EE)、1%酶提取液添加樣(1%-EE)和無添加對照樣(CK)中的色度和E4/E6變化(n=2)

3 討論

在自然水解條件下，CDOM難以發(fā)生脫色反應(yīng)，其有效脫色依賴于植物作用。絕大部分CDOM累積在植物體內(nèi)，少量吸附在根系表面，只有極少量與根系分泌物共同絮凝沉淀。因此，植物以根系吸收為主、根表吸附為輔的途徑對CDOM進行脫色，這就決定了CDOM在植物不同組分中的分布規(guī)律；高分子有機物(分子量>3.5 kDa)容易附著在植物細胞壁上，而低分子有機物(分子量<3.5 kDa)可以通過植物細胞膜進入植物體內(nèi)[17]。這與本研究的結(jié)果相一致，可見植物的存在有助于CDOM的低分子化，而這些低分子CDOM易被根系吸收進入植物體內(nèi)。

雖然研究發(fā)現(xiàn)根系分泌物對CDOM的脫色反應(yīng)并無明顯影響，但這并不表示它毫無作用。一方面，根系分泌物可以作為碳源而被微生物直接利用[18]；另一方面，植物釋放的有機酸不但能夠使細胞表面吸附的腐殖酸結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[15]，而且可以刺激植物根系生長與ATP合成酶生成[19-20]。由此認為，植物根系分泌物并不是直接作用于CDOM的脫色過程，而是通過改變CDOM的形態(tài)結(jié)構(gòu)以增強其生物可利用性，以及刺激相關(guān)功能菌的富集，從而促進CDOM的生物降解[21-23]。此外，植物的存在不但可以通過提供生長介質(zhì)、釋放營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣等根際效應(yīng)來改善根際微生物的生長條件[24]，而且可以通過生成過氧化物酶等代謝酶來促進CDOM的低分子化過程[25]。

結(jié)合植物脫色實驗和已知的微生物相關(guān)特性，圖6匯總了CDOM在蘆葦根際的脫色機理：1)高分子CDOM吸附在根表的細胞壁上，低分子CDOM通過細胞膜進入植物體內(nèi)；2)植物的存在為微生物的富集提供了適宜的界面和微環(huán)境；3)CDOM的存在為植物和根際微生物的生長提供了碳源；4)植物釋放的根系分泌物可以改變CDOM結(jié)構(gòu)，增強微生物活性；5)步驟2)～4)均有利于附著在植物根表的CDOM發(fā)生生物降解，從高分子有機質(zhì)分解成低分子有機質(zhì)；6)經(jīng)低分子化過程的CDOM被根系吸收進入植物體內(nèi)，從而被植物酶進一步代謝分解。

圖6 有色溶解有機質(zhì)(CDOM)在蘆葦根際的脫色機理

4 結(jié)論

1)CDOM難以發(fā)生自然水解，其有效脫色依賴于植物作用。以根系吸收為主、根表吸附為輔的植物作用途徑?jīng)Q定了CDOM大量累積于植物體內(nèi)、少量附著在植物表面的分布特征。其中，高分子CDOM往往附著在植物細胞壁上，而低分子CDOM能夠通過細胞膜進入植物內(nèi)。

2)植物根系分泌物不能直接作用于CDOM的脫色反應(yīng)，但可以通過提供生長介質(zhì)和碳源促進根際微生物生長、改變CDOM形態(tài)結(jié)構(gòu)以改善其生物可利用性，以及富集相關(guān)降解菌群強化生物降解功能等方式來間接調(diào)控CDOM的脫色降解過程。

3)吸附在根系表面的高分子CDOM能作為碳源被根際微生物利用，經(jīng)降解變成低分子CDOM后可通過根系吸收進入植物體內(nèi)，并受到植物酶的代謝作用被進一步分解礦化，從而完成植物對CDOM的凈化作用。