許友澤，李智慧,，郭朝暉，付廣義，趙媛媛

(1.湖南省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，水污染控制技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410004；2.中南大學(xué) 冶金與環(huán)境學(xué)院，湖南 長沙 410083)

0 引言

給水廠殘泥(Water Treatment Residual，WTR)是城市自來水廠水處理過程中產(chǎn)生的安全廢棄物，主要成分有鐵鋁絮凝劑、膠體、黏土顆粒等，已被諸多學(xué)者證實(shí)是一種環(huán)境友好型材料.WTR中活性鐵鋁含量高[1]，孔隙度和比表面積大，因此對污染物具有良好的吸附效果[2-4].研究發(fā)現(xiàn)，WTR作吸附劑能有效吸附水體中的單磷酸腺苷[5]、農(nóng)藥殘留物[6]、ClO4-[7]、重金屬離子[8]等.且與土壤混合種植高羊茅、萬壽菊等，能有效提高植株鮮重、營養(yǎng)元素和葉綠素含量[9].基質(zhì)是諸多水處理工藝的核心，WTR外觀類似黏土，將WTR應(yīng)用于人工濕地、曝氣生物濾池工藝發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中會出現(xiàn)堵塞或沉降性能差等問題[10].為解決WTR顆粒在水處理工藝中的應(yīng)用難題，一些學(xué)者采用高溫煅燒法將WTR制備成燒結(jié)陶粒，研究表明WTR燒結(jié)陶粒可作為人工濕地與生態(tài)浮床等水處理工藝基質(zhì)，植物在WTR燒結(jié)陶粒基質(zhì)上生長良好[11-12].然而，由于1 000 ℃以上的高溫煅燒大大降低了WTR中活性鐵鋁成分含量，且燒結(jié)陶?？紫抖鹊?，導(dǎo)致WTR燒結(jié)陶粒對污染物的吸附能力也隨之降低.

基于WTR燒結(jié)陶粒作為水處理工藝基質(zhì)吸附能力弱缺陷，本課題組利用免燒法制備給水廠殘泥免燒陶粒(UCWTR)，前期研究發(fā)現(xiàn)UCWTR解體率小(3.66%)、機(jī)械強(qiáng)度高(破損率和磨損率之和為0.35%，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值6%)、比表面積大(17.84 m2/g)[13]，且對鉛、鎘等重金屬[14]、氨氮等污染物具有較強(qiáng)的吸附能力，是一種合格的水處理濾料.但諸多水處理工藝是通過基質(zhì)與植物的協(xié)同作用去除廢水中的污染物，而植物在UCWTR上的生長特性尚不清楚，尚不能判定UCWTR是否能作為基質(zhì)推廣應(yīng)用于基質(zhì)-植物聯(lián)合作用型水處理工藝中.因此，本研究以美人蕉(Cannaindica)為供試植物，采用溫室盆栽試驗(yàn)，以高溫煅燒黏土陶粒為參比，考察UCWTR對美人蕉生長特性(生物量、植株數(shù)量、株高、根長、最大葉寬)、光合特性(葉綠素、蒸騰作用)、植株抗逆性(過氧化物酶、丙二醛、可溶性蛋白、可溶性糖、根系分泌物)的影響，以期為UCWTR作為美人蕉生長基質(zhì)，進(jìn)一步應(yīng)用于基質(zhì)與植物聯(lián)合作用的水處理工藝提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

UCWTR為實(shí)驗(yàn)室自主制備，原料給水廠殘泥采集自湘潭中環(huán)水務(wù)有限公司，經(jīng)烘干、粉碎、過篩后與水泥、粉煤灰等混合，利用制丸機(jī)制備成粒徑為5 mm左右的免燒陶粒.對照基質(zhì)黏土陶粒購自萬源凈水材料貿(mào)易有限公司，采用高溫煅燒而成，具有強(qiáng)度高、質(zhì)地輕、比表面積大等特點(diǎn).供試用美人蕉購自沭陽欣唯園林有限公司，高25～30 cm.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2020年11月1日—2021年1月15日進(jìn)行溫室盆栽試驗(yàn).溫室采用空調(diào)控溫，白天溫度設(shè)置為28 ℃，夜晚溫度設(shè)置為18 ℃.采用高壓鈉燈模擬太陽光照，日照時(shí)間設(shè)置為9 h(8:00—17:00).盆栽混合排放于溫室地面上，每盆間距30 cm，每5 d調(diào)整一次盆栽與光源距離.

于2020年11月1日選取葉片數(shù)量、生長狀況一致的美人蕉中苗18株，移栽入含有不同生長基質(zhì)的塑料花盆(170 mm×160 mm)內(nèi)，每盆種植3株.盆栽生長基質(zhì)為UCWTR和黏土陶粒，各填充1.25 kg，重復(fù)3次.適應(yīng)性培養(yǎng)30 d，每5 d更換一次盆栽內(nèi)營養(yǎng)液(Hongland營養(yǎng)液)記錄種植初期盆栽內(nèi)美人蕉生長狀況(鮮重、株高、最大葉寬、根長等).

2020年12月1日試驗(yàn)開始后，向各盆栽中加入800 mL Hongland營養(yǎng)液，每5 d將剩余溶液倒出測量溶液體積，再往溶液中加入蒸餾水達(dá)到800 mL后倒回盆內(nèi).為防止水分損失, 在盆下嵌套上不透水塑料盆，植物生長45 d后收獲分析.

1.3 指標(biāo)測定

1.3.1 生長指標(biāo)測定從2020年12月1日開始每5 d用卷尺測量一次株高(以基質(zhì)表層為基點(diǎn)量至葉片最高點(diǎn))、根長(從基質(zhì)表層量至最長主根頂部)、最大葉寬.培養(yǎng)45 d后采收完整美人蕉，用去離子水沖洗根部，吸干植株表面水分后稱得鮮重.各測試指標(biāo)重復(fù)測定3次取平均值.

1.3.2 光合特性指標(biāo)測定采用分光光度法測定美人蕉葉片中葉綠素a(Chlorophyll a，Chl-a)、葉綠素b(Chlorophyll b，Chl-b)、總?cè)~綠素(Chlorophyll a，T-Chl)、類胡蘿卜素含量[15]；采用盆栽剩余溶液體積表征美人蕉蒸騰作用強(qiáng)弱.

1.3.3 抗逆性指標(biāo)測定采用愈創(chuàng)木酚法測定葉片過氧化物酶(peroxidase，POD)活性[16]；采用硫代巴比妥酸比色法測定葉片丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量[17]；采用考馬斯亮藍(lán)G-250法測定葉片可溶性蛋白含量[18]；采用蒽酮比色法測定葉片可溶性糖含量[15].根系分泌有機(jī)酸含量測定參考Wang等[19]采用的高效液相色譜法.

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)所有數(shù)據(jù)均采用Excel進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，Origin 2008繪圖分析，通過SPSS 22.0進(jìn)行顯著性分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 UCWTR對美人蕉生長特性的影響

基質(zhì)的孔隙度、比表面積、破損率等物理性質(zhì)是影響植物生長的重要因素.基質(zhì)的元素組成、pH值等化學(xué)性質(zhì)則是直接影響植物生長的營養(yǎng)條件[20].美人蕉生長狀況的變化如表1所示，經(jīng)過45 d的培養(yǎng)后，2種基質(zhì)上美人蕉生長狀況存在較大差異，UCWTR盆栽內(nèi)美人蕉生長指標(biāo)值均高于黏土陶粒盆栽，其中，生物量、植株數(shù)量、株高、根長、最大葉寬等分別是其1.28倍、1.42倍、1.3倍、1.8倍、1.53倍.現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，美人蕉生長受基質(zhì)排水性、透氣性和養(yǎng)分影響明顯[21].在本研究中，UCWTR吸水率為31.76%，堆積密度為900～950 kg/m3.將盆栽取出測定下部塑料盆內(nèi)剩余溶液溶解氧濃度發(fā)現(xiàn)，UCWTR盆栽剩余溶液溶解氧濃度達(dá)4.41 mg/L，黏土陶粒盆栽僅為3.78 mg/L，這可能是由于UCWTR具有較高的吸水性和孔隙率，能有效增強(qiáng)美人蕉根系活性，促進(jìn)美人蕉植株生長.圖1～圖4表示美人蕉生長狀況隨培養(yǎng)時(shí)間的變化.隨培養(yǎng)時(shí)間延長，UCWTR盆栽中美人蕉生長狀況均優(yōu)于黏土陶粒盆栽.其中，在45 d培養(yǎng)期間，UCWTR盆栽美人蕉植株數(shù)量基本穩(wěn)定(黏土陶粒盆栽數(shù)量下降50%)，株高、根長增長35.98%和51.07%(黏土陶粒盆栽基本穩(wěn)定)，但最大葉寬略下降4.5%(黏土陶粒盆栽顯著下降39.07%).與初始狀況相比，UCWTR盆栽和黏土陶粒盆栽美人蕉生物量分別平均每盆增加51 g和20.89 g，株高平均每盆增長10.46 cm和0.13 cm，根長平均每盆增長8.34 cm和1.34 cm.培養(yǎng)45 d后，各盆栽美人蕉新生植株出現(xiàn)死亡現(xiàn)象，且葉片出現(xiàn)由邊緣向中心枯萎的現(xiàn)象，導(dǎo)致UCWTR和黏土陶粒盆栽美人蕉數(shù)量分別平均每盆減少0.33株和4株，最大葉寬分別平均每盆減少0.33 cm和2.93 cm.

表1 UCWTR和黏土陶粒基質(zhì)上美人蕉生長狀況

圖1 美人蕉數(shù)量隨培養(yǎng)時(shí)間的變化Fig.1 Changes in the number of Canna indica with cultivation time

圖2 美人蕉株高隨培養(yǎng)時(shí)間的變化Fig.2 Canna indica height changes with cultivation time

圖3 美人蕉最大葉寬隨培養(yǎng)時(shí)間的變化Fig.3 Change of maximum leaf width of Canna indica

圖4 美人蕉根長隨培養(yǎng)時(shí)間的變化Fig.4 Canna indica root length changes with cultivation time

2.2 UCWTR對美人蕉光合特性的影響

2.2.1 UCWTR對美人蕉葉片葉綠素含量的影響葉綠素是植物光合作用的基礎(chǔ)物質(zhì)[22]，葉綠素含量越高表明植物的光合能力越強(qiáng)[23].研究表明，植物生長基質(zhì)組分能對葉片葉綠素含量和凈光合速率產(chǎn)生一定的影響[24-25].圖5表示培養(yǎng)45 d后不同生長基質(zhì)上美人蕉葉片中各葉綠素含量的分布，UCWTR基質(zhì)能提高美人蕉葉片中葉綠素含量，增強(qiáng)美人蕉光合作用強(qiáng)度.UCWTR盆栽中美人蕉葉片Chl-a、Chl-b及T-Chl含量均高于黏土陶粒盆栽，分別為黏土陶粒盆栽的1.44倍、1.76倍和1.42倍，但類胡蘿卜素含量較黏土陶粒盆栽下降5.48%，說明UCWTR能有效促進(jìn)美人蕉葉片葉綠素的生成，提高葉片中葉綠素含量，增強(qiáng)美人蕉光合作用強(qiáng)度.這可能是與UCWTR上美人蕉數(shù)量、株高、葉片面積增大有關(guān)，這與劉金玉等[26]、程朝霞等[27]、張運(yùn)紅等[28]的研究結(jié)果類似.各葉綠素中T-Chl含量差異最顯著(0.65 mg/g)，其次為Chl-a(含量差0.5 mg/g).

圖5 美人蕉葉片各葉綠素含量Fig.5 Chlorophyll content of Canna indica leaves

2.2.2 UCWTR對美人蕉蒸騰作用的影響蒸騰作用是植物與外界進(jìn)行物質(zhì)交換的重要作用，植物通過蒸騰作用一方面向環(huán)境釋放大量的水分[29]，另一方面吸收CO2為光合作用提供碳源.同時(shí)，植物蒸騰作用能有效降低葉片溫度，提高植物體內(nèi)物質(zhì)傳遞速率[30].光合有效輻射、溫度、CO2濃度、氣孔導(dǎo)度等都會對植物蒸騰作用產(chǎn)生影響[31].不同生長基質(zhì)上美人蕉蒸騰作用隨培養(yǎng)時(shí)間的變化如圖6所示.隨培養(yǎng)時(shí)間的增加，各盆栽中美人蕉蒸騰水量均呈波動趨勢，這說明美人蕉光合作用可利用CO2持續(xù)波動，因而可能導(dǎo)致光合速率不穩(wěn)定.這可能與美人蕉生長狀況差異和距光源距離變化有關(guān)[21].相較黏土陶粒盆栽，UCWTR盆栽中美人蕉蒸騰作用波動更顯著.其中30～35 d期間UCWTR盆栽中美人蕉蒸騰水量波動最明顯，是25～30 d期間的1.91倍，較黏土陶粒盆栽蒸騰水量增加顯著，光合作用可利用碳源升高.35～40 d 期間UCWTR盆栽和黏土陶粒盆栽美人蕉蒸騰作用減少顯著，分別下降為30～35 d期間的63.21%和81.15%，葉片吸收CO2含量減少顯著.在45 d試驗(yàn)期間，UCWTR和黏土陶粒盆栽中美人蕉蒸騰作用平均每盆消耗水量為45.68 mL/d和36.62 mL/d，蒸騰作用分別是試驗(yàn)初期(0～5 d)的1.09倍和2.83倍.

圖6 美人蕉蒸騰作用隨培養(yǎng)時(shí)間的變化Fig.6 Changes of Canna indica transpiration with cultivation Time

生長基質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)會直接影響植物的生理特性，其中光合作用作為植物將光能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能合成有機(jī)物、維持自身生長發(fā)育和大氣碳氧平衡的重要作用，葉綠素和可利用碳源含量的差異會對凈光合速率產(chǎn)生影響.本研究結(jié)果顯示：UCWTR基質(zhì)上生長的美人蕉葉片葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量以及日均蒸騰作用強(qiáng)度都高于黏土陶粒盆栽.相較黏土陶粒盆栽，UCWTR盆栽中美人蕉植株高度較高、葉片寬度較大、葉片顏色加深、葉內(nèi)葉綠素含量增高，因此光能吸附量更大.同時(shí)，UCWTR盆栽中美人蕉日均氣孔導(dǎo)度增大，導(dǎo)致胞間CO2濃度升高，光合作用可利用碳源含量增加，凈光合速率提升，植物光合作用增強(qiáng).

2.3 UCWTR對美人蕉植株抗逆性的影響

2.3.1 UCWTR對美人蕉葉片POD活性和MDA含量的影響POD是植物光呼吸作用的重要物質(zhì)，能參與植物體內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)化和活性氧的清除[32].MDA是膜脂過氧化的最終分解產(chǎn)物，其含量可以反映植物遭受逆境傷害的程度.POD能通過清除細(xì)胞受損后葉綠體和線粒體產(chǎn)生的過氧化氫來增強(qiáng)植物抗逆性[33].不同生長基質(zhì)上美人蕉葉片POD活性和MDA含量如表2所示.盆栽培養(yǎng)45 d后，與黏土陶粒盆栽相比，UCWTR盆栽上美人蕉葉片POD活性較低、MDA含量略高.具體而言，相較黏土陶粒盆栽，UCWTR盆栽中美人蕉葉片POD活性減少23.81%，MDA含量增加22.45%，說明UCWTR盆栽內(nèi)美人蕉抗逆性下降，細(xì)胞受損較重，葉片酶活性降低，導(dǎo)致體內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率和活性氧清除能力低于黏土陶粒盆栽.

表2 美人蕉葉片POD活性和MDA含量

2.3.2 UCWTR對美人蕉葉片可溶性蛋白和可溶性糖含量的影響植物細(xì)胞抗逆性與可溶性蛋白和可溶性糖含量成正相關(guān)[34].不同生長基質(zhì)上美人蕉葉片可溶性蛋白和可溶性糖含量如圖7所示，UCWTR盆栽可溶性蛋白和可溶性糖含量均高于黏土陶粒盆栽，植物抗逆性較強(qiáng).培養(yǎng)45 d后，與黏土陶粒盆栽相比，UCWTR盆栽中美人蕉葉片可溶性蛋白和可溶性糖含量分別是其1.34倍和1.27倍，其中UCWTR盆栽美人蕉葉片可溶性蛋白和可溶性糖含量分別達(dá)到2.74 mg/g和2.29 mg/g.這可能是由于UCWTR盆栽中美人蕉受到環(huán)境脅迫較強(qiáng)，細(xì)胞通過提高代謝水平，加速可溶性蛋白和可溶性糖合成來提高植株抗逆性[35]，這與魯敏等[36]研究結(jié)果一致.

圖7 美人蕉葉片可溶性蛋白和可溶性糖含量Fig.7 Soluble protein and soluble sugar content of Canna indica leaves

2.3.3 UCWTR對美人蕉根系分泌物的影響根系分泌物是植物代謝過程中直接或間接向根際分泌的化合物，包括氨基酸類、糖類、有機(jī)酸類等[37]，能調(diào)控植物生長環(huán)境[38]，促進(jìn)植物生長發(fā)育[39].研究發(fā)現(xiàn)，植物生長基質(zhì)能有效影響根系有機(jī)酸的分泌[40].植物通過根系分泌物來實(shí)現(xiàn)與根際環(huán)境之間的物質(zhì)交換和信息交流，以此來調(diào)節(jié)植物生長環(huán)境，提高植物抗逆能力[41].其中小分子有機(jī)酸如草酸、乙酸、丙二酸、檸檬酸等在根系分泌物中占比較大，對調(diào)節(jié)植物根際環(huán)境、加速物質(zhì)溶解[42]、增強(qiáng)基質(zhì)養(yǎng)分供應(yīng)[43]、抑制環(huán)境脅迫[44]等方面具有重要意義.

圖8和圖9表示美人蕉根系分泌有機(jī)酸含量隨培養(yǎng)時(shí)間的變化.不同生長基質(zhì)上美人蕉根系分泌有機(jī)酸種類和總量均隨培養(yǎng)時(shí)間延長而顯著減少(P<0.03)，這可能是由于盆栽試驗(yàn)僅在開始時(shí)添加營養(yǎng)液，而后期只補(bǔ)充蒸餾水，導(dǎo)致植物根系可利用養(yǎng)分逐漸減少，根系分泌物合成受抑，且原有有機(jī)酸部分用于調(diào)節(jié)根際生長環(huán)境，抑制基質(zhì)對美人蕉的脅迫作用，提高美人蕉抗逆性.培養(yǎng)初期，UCWTR和黏土陶粒盆栽美人蕉根系分泌有機(jī)酸中檢出草酸、乙酸和丙二酸，但第10 d有機(jī)酸種類發(fā)生變化，丙二酸含量低出檢出限.

圖8 美人蕉根系分泌草酸含量變化Fig.8 Changes of oxalic acid of Canna indica

圖9 美人蕉根系分泌乙酸含量變化Fig.9 Changes of acetic acid by Canna indica roots

在整個(gè)45 d的培養(yǎng)過程中，各生長基質(zhì)上美人蕉根系分泌草酸和乙酸含量均呈持續(xù)下降趨勢，其中乙酸含量在培養(yǎng)后期趨于穩(wěn)定.具體而言，UCWTR盆栽美人蕉根系分泌草酸含量呈波動下降趨勢，在5～10 d和20～25 d草酸含量分別增加11.49%和37.85%，且在第10 d UCWTR盆栽中草酸含量增加到最大值(4.95 g)，這可能是由于美人蕉在此期間內(nèi)光合作用增強(qiáng)導(dǎo)致體內(nèi)有機(jī)物增多，植株、根系等生長較快，根系分泌物合成增加.但在15～20 d和30～35 d草酸含量下降顯著，分別減少34.10%和26.70%.黏土陶粒盆栽草酸含量隨培養(yǎng)時(shí)間延長穩(wěn)定下降，至45 d下降至栽培初期(0 d)的45.23%.

美人蕉根系分泌乙酸含量呈“極速下降-保持穩(wěn)定”趨勢.其中UCWTR盆栽在初始培養(yǎng)15 d內(nèi)急劇下降99.35%，之后保持穩(wěn)定，這可能是由于前期美人蕉生長環(huán)境對植株脅迫較強(qiáng)，尤其是UCWTR盆栽堿性較高(pH=9)，根系分泌有機(jī)酸用于調(diào)整生長環(huán)境和抑制環(huán)境脅迫，后期美人蕉生長趨于穩(wěn)定，植物抗逆性提高，根系分泌物減少.黏土陶粒盆栽在培養(yǎng)前期25 d內(nèi)下降78.28%，后期下降緩慢，至40 d下降到最低值(0.06 g)，并在40～45 d期間有輕微上升趨勢.在整個(gè)45 d試驗(yàn)期間，UCWTR盆栽乙酸含量均低于黏土陶粒盆栽，其中第10 d時(shí)，乙酸含量相較黏土陶粒盆栽減少81.46%.

UCWTR和黏土陶?；|(zhì)上生長的美人蕉均受到不同程度的環(huán)境脅迫，植物通過增強(qiáng)葉片酶活性、加速物質(zhì)合成、分泌有機(jī)酸等措施來調(diào)節(jié)根際生長環(huán)境，抑制環(huán)境脅迫，提高植株抗逆性.各盆栽上生長的美人蕉通過根系分泌有機(jī)酸降低盆栽溶液堿性，調(diào)整植株生長環(huán)境，尤其是UCWTR盆栽，溶液酸堿度由9下降為6.隨培養(yǎng)時(shí)間延長，盆栽溶液內(nèi)養(yǎng)分含量急速下降，導(dǎo)致根系有機(jī)酸合成受抑，溶液有機(jī)酸含量下降并趨于穩(wěn)定.除此之外，美人蕉還能通過增強(qiáng)葉片酶活性、提高可溶性蛋白和可溶性糖含量，加速細(xì)胞有害物質(zhì)的清除、調(diào)整細(xì)胞滲透性，提高植株抗逆性.本研究結(jié)果顯示：相較黏土陶粒盆栽，UCWTR盆栽上生長的美人蕉受到的環(huán)境脅迫較小，植物抗逆性較強(qiáng).

3 結(jié)論

(1) UCWTR基質(zhì)上生長的美人蕉生長指標(biāo)值均高于黏土陶粒，其中，生物量、植株數(shù)量、株高、根長、最大葉寬等分別是其1.28倍、1.42倍、1.3倍、1.8倍、1.53倍;

(2) UCWTR基質(zhì)上生長的美人蕉光合能力較強(qiáng)、蒸騰作用強(qiáng)度較高.與黏土陶粒相比，UCWTR基質(zhì)上生長的美人蕉葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量和日蒸騰水量分別是其1.44倍、1.76倍、1.42倍和1.25倍;

(3) UCWTR基質(zhì)上生長的美人蕉能利用根系分泌的有機(jī)酸，調(diào)控根際生長環(huán)境，抑制環(huán)境脅迫.同時(shí)通過增加體內(nèi)可溶性蛋白和可溶性糖含量，提高植物抗逆性.