全 文 ：第 7 卷 第 12 期 环 境 工 程 学 报 Vol． 7，No． 12
2 0 1 3 年 1 2 月 Chinese Journal of Environmental Engineering Dec ． 2 0 1 3
黄菖蒲和狭叶香蒲根系对氮磷的
吸收动力学
陈国元 李国新 唐 凯
(厦门理工学院环境科学与工程学院，厦门 361024)
摘 要 采用改进的常规耗竭法，研究了黄菖蒲(Iris pseudacorus L．)和狭叶香蒲(Typha angustifolia L．)根系对 NH +4 、
NO －3 和 H2PO
－
4 的吸收特征及差异。结果表明，这 2 种植物根系对 NH
+
4 、NO
－
3 和 H2PO
－
4 的吸收动力学特征均可采用
Michaelis-Menten方程描述。2 种植物根系对 NH +4 、NO
－
3 和 H2PO
－
4 的亲和力(Km)和最大吸收速率(Vmax)有显著差异。吸
收 H2PO
－
4 时，黄菖蒲根系具有较高的 Vmax值和较低的 Km 值，说明黄菖蒲具有嗜磷特性，并能够适应广范围浓度的 H2PO
－
4
环境，适宜用于污染水体磷的去除;吸收 NO －3 时，狭叶香蒲根系具有较高的 Vmax值和较低的 Km 值，表明狭叶香蒲可用于广
范围浓度 NO －3 污染的水体修复;吸收 NH
+
4 时，黄菖蒲根系具有较低的 Vmax值和 Km 值，而狭叶香蒲根系具有较高的 Vmax值
和 Km 值，说明黄菖蒲适宜用于 NH
+
4 污染较轻水体的修复，而在 NH
+
4 污染较重水体中宜选用狭叶香蒲作为先锋植物。
关键词 黄菖蒲 狭叶香蒲 氮磷 吸收动力学 污染水体
中图分类号 X171 文献标识码 A 文章编号 1673-9108(2013)12-4638-05
Kinetics of nitrogen and phosphorus uptake by root system
of Iris pseudacorus L． and Typha angustifolia L．
Chen Guoyuan Li Guoxin Tang Kai
(College of Environment Science and Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China)
Abstract The NH +4 ，NO
－
3 and H2PO
－
4 uptake kinetics of root system of Iris pseudacorus L． and Typha an-
gustifolia L． were investigated by using the modified depletion method． Ｒesults showed that the NH +4 ，NO
－
3 and
H2PO
－
4 uptake kinetics of the two plants’root system could be expressed with the Michaelis-Menten equation．
The Michaelis-Menten constant (Km)and the maximum uptake rate (Vmax)was significantly different between
the two plants’root systems． The root system of Iris pseudacorus L． had higher Vmax and lower Km for H2PO
－
4
than that of Typha angustifolia L．’root system，which suggested that Iris pseudacorus L． had the capability to a-
dapt to a various concentrations of H2PO
－
4 environment and made it a better candidate for removing phosphorus in
polluted water． In addition，Typha angustifolia L．’root system had higher Vmax and lower Km for NO
－
3 than that
of Iris pseudacorus L．’root system，which indicated that Typha angustifolia L． was suitable for treatment of all
levels of NO －3 polluted water． The values of Vmax and Km for NH
+
4 of Iris pseudacorus L．’root system were lower
than that of Typha angustifolia L．’root system，which showed that Iris pseudacorus L． was applicable to repair
the less contaminated water by NH +4 and Typha angustifolia L． should be selected for NH
+
4 seriously polluted wa-
ter bodies．
Key words Iris pseudacorus L．;Typha angustifolia L．;nitrogen and phosphorus;uptake kinetics;pollu-
ted water
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51309197) ;福建省自然科
学基金资助项目(2012J05080) ;福建省教育厅 A 类项目
(JA12257) ;厦门市科技计划项目资助(3502Z20110016)
收稿日期:2012 － 10 － 15;修订日期:2012 － 11 － 15
作者简介:陈国元(1980 ～) ，男，副研究员，主要从事污染水体生态
修复研究工作。E-mail:cgy1117@ yahoo． com． cn
近年来，水体富营养化已成为全球性的水环境
问题。引起水体发生富营养化的主要原因是氮、磷
等营养物质的过多输入和富集，因此，降低水体和底
泥中的氮、磷含量成为水体修复的关键［1］。目前，
国内外治理富营养化水体主要采用物理、化学及生
物修复等措施［2，3］，其中利用水生植物富集氮、磷是
第 12 期 陈国元等:黄菖蒲和狭叶香蒲根系对氮磷的吸收动力学
调节和抑制水体富营养化的有效途径［1］。水生植
物主要通过吸收、吸附、富集和植物根际微生物的降
解去除水体中的营养物质［4］。不同植物对污染水
体中营养物质的净化能力有所不同，通过不同植物
对营养盐吸收的研究可以揭示植物对环境污染物的
去除能力［5］。Epstein 等［6］首先将 Michaelis-Menten
方程用于植物对离子吸收的研究。动力学研究是比
较不同植物营养吸收特性的有效方法［7］，为比较不
同植物养分吸收特征的差异提供了量化指标［4］。
目前，应用动力学研究植物尤其是栽培植物对营养
物质的吸收特性已十分普遍［8，9］。近年来，关于水
生植物营养吸收动力学的研究已有一些报道，如，浮
萍(Lemna minor)［10］、蕹菜(Ipomoea aquatica)［1］、竹
叶眼子菜(Potamogeton malaianus)［11］、粉绿狐尾藻
(Myriophyllum aquaticum)和凤眼莲(Eichhornia cras-
sipes)［4］等对氮磷的吸收动力学特征已有报道，而吸
收动力学在挺水植物上的应用研究尚不多见，仅见
对水生美人蕉(Canna generalis)、细叶莎草(Cyperus
papyrus)和紫芋(Colocasia tonoimo)［7］等少数植物的
研究报道。
狭叶香蒲(Typha angustifolia L．)和黄菖蒲(Iris
pseudacorus L．)是 2 种具有明显净化作用的观赏型
挺水植物，对污染水体中的氮磷有很好的去除效
果［12，13］，在景观水体的富营养化防治中具有广阔的
应用前景。本实验以酶促反应动力学理论为基础，
研究狭叶香蒲和黄菖蒲根系对不同形态氮磷的吸收
动力学特征，比较不同氮磷浓度时 2 种植物根系的
营养吸收特性及差异，为不同污染程度的富营养化
水体的生物修复提供理论依据。
1 材料与方法
1． 1 实验材料
黄菖蒲和狭叶香蒲购至福建省亚热带植物研究
所花卉市场，分别选择株高一致、生长情况良好的黄
菖蒲和狭叶香蒲幼体，自来水冲洗干净后再用蒸馏
水清洗，最后将其幼体在 1 /4 Hogland 营养液(pH
6． 5)中培养 2 周，每 3 d更换营养液，选取生长良好
的植株用于养分吸收实验。
1． 2 实验方法
饥饿处理:从营养液中取出植物，用去离子水冲
洗干净，转入 0． 1 mmol /L的 CaSO4 溶液中，预培养
48 h，使其达到饥饿状态。
吸收实验:采用改进的常规耗竭法［1，14］进行
NH +4 、NO
－
3 和 H2PO
－
4 吸收动力学参数的测定。以
0． 1 mmol /L的 CaSO4 为支持液，配制 NH
+
4 、NO
－
3 系
列浓度梯度(0． 05、0． 10、0． 25、0． 50、0． 75、1． 00、
1． 25和 1． 50 mmol /L)培养液和 H2PO
－
4 系列浓度梯
度(0． 01、0． 02、0． 05、0． 10、0． 20、0． 30、0． 40 和 0． 50
mmol /L)培养液，吸取不同浓度的 NH +4 、NO
－
3 和
H2PO
－
4 溶液 400 mL，分别加入吸干表面水分的 2 种
水生植物，置于 500 mL 容器中，加入对植物生长无
显著影响的微生物抑制剂 C16 H18 NaN3O4S(MEＲ-
CK)100 mg /L。每种植物在各吸收液中分别设置 3
个重复。实验在温度为(22 ± 1)℃、光照强度为
3 000 lx、相对湿度为 70% ～ 80% 的温室中进行。
吸收 4 h，立即取出植株，剪下根部，80℃烘至恒重
后进行干质量称量，并测定培养液中的 NH +4 、NO
－
3
和 H2PO
－
4 的含量，根据吸收前后 NH
+
4 、NO
－
3 和
H2PO
－
4 浓度的变化量，计算单位植物根系干质量在
单位时间内的 N 和 P 的吸收速率。采用双倒数作
图法确定 Michaelis-Menten 方程的吸收动力学参数
Vmax(最大吸收速率)和 Km(表观米氏常数) ，并采用
线性模型检验回归方程的拟合显著性。
1． 3 数据处理与统计
运用 SPSS10． 0 软件及 Sigmaplot10． 0 软件对数
据进行统计分析和作图。
2 结果与讨论
2． 1 黄菖蒲和狭叶香蒲根系吸收 H2PO
－
4 的动力
学特性
吸收动力学是将 Miehaelis-Menten 学说及其方
程应用到解释植物对介质中离子吸收动态过程的一
种理论［1］。本研究表明，2 种植物根系的 H2PO
－
4 吸
收速率对 H2PO
－
4 浓度双倒数曲线的拟合关系均在
α = 0． 01 水平上显著，2 种植物根系吸收 H2PO
－
4 的
动力学过程均可用 Michaelis-Menten 方程描述。如
图 1 所示，黄菖蒲和狭叶香蒲根系对 H2PO
－
4 的吸收
速率随着 H2PO
－
4 浓度的增加而升高，H2PO
－
4 浓度
低于 0． 10 mmol /L时，2 种植物根系对 H2PO
－
4 的吸
收速率无显著性差异(LSD 检验，P ＞ 0． 05) ，
H2PO
－
4 浓度大于 0． 20 mmol /L 时，黄菖蒲根系的
H2PO
－
4 吸收速率显著高于狭叶香蒲根系(LSD 检
验，P ＜ 0． 05)。植物吸收营养的动力学特征主要是
通过吸收动力学参数(Km 和 Vmax)来描述，Km 表示
载体对离子的亲和力，Km 越小，载体对离子的亲和
9364
环 境 工 程 学 报 第 7 卷
力越高，Vmax表示最大吸收速率，与载体数目及其
在运转过程中的效率有关［16］。本实验表明，黄菖蒲
根系的 Vmax值大于狭叶香蒲根系，而 Km 值却低于狭
叶香蒲根系(表 1) ，说明狭叶香蒲根系对 H2PO
－
4 具
有较高的亲和力，并且具有较高的 H2PO
－
4 吸收速
率，表明黄菖蒲能够适应更广范围浓度 H2PO
－
4 污染
的环境。丛海兵等［13］研究了黄菖蒲、西伯利亚鸢尾
(Iris sibirica)和美人蕉生态浮床的水质改善性能，
结果表明，黄菖蒲对溶解性活性磷(SＲP)和总磷的
去除速率最高，分别为 79． 27 和 86． 92 mg /(m2·
d)。因此，在磷污染严重的富营养化水体中，比较
而言，宜选用黄菖蒲作为先锋植物对水体进行净化
作用。
图 1 黄菖蒲和狭叶香蒲根系对 H2PO
－
4 的吸收速率
Fig． 1 H2PO
－
4 uptake rates by root systems of
Iris pseudacorus L． and Typha angustifolia L．
2． 2 黄菖蒲和狭叶香蒲根系吸收 NH +4 和 NO
－
3 的
动力学特性
已有研究表明，植物根系吸收 NO －3 是通过主
动运输的方式进行的，吸收 NO －3 所需能量主要是由
H +浓度梯度提供;植物对 NH +4 的吸收是逆化学势
进行，是一个热力学主动吸收过程，符合 Michaelis-
Menten 动力学方程［15］。本实验研究也说明，2 种植
物根系的 NH +4 、NO
－
3 吸收速率对底物浓度双倒数曲
线的拟合关系均在 α = 0． 01 水平上显著，2 种植物
根系吸收 NH +4 、NO
－
3 的动力学过程均可用 Michae-
lis-Menten方程描述。
由图 2 和图 3 可知，黄菖蒲和狭叶香蒲根系对
NO －3 、NH
+
4 的吸收速率分别随着 NO
－
3 、NH
+
4 浓度的
增加而升高。狭叶香蒲根系的 NH +4 吸收速率显著
高于黄菖蒲根系(LSD 检验，P ＜ 0． 05) ;在 NO －3 浓
度低于 0． 25 mmol /L时，两种植物根系对 NO －3 的吸
表 1 黄菖蒲和狭叶香蒲根系吸收
NH +4 、NO
－
3 和 H2PO
－
4 的动力学参数
Table 1 Kinetic parameters of NH +4 ，NO
－
3
and H2PO
－
4 absorption by root systems of
Iris pseudacorus L． and Typha angustifolia L．
植物
N、P
形态
方程 Ｒ2
Vmax(mmol
/(g·h))
Km
(mmol /L)
黄菖蒲
NO －3 V =0． 041C /(1． 726 +C)0． 958* 0． 041 1． 726
NH +4 V =0． 062C /(1． 139 +C)0． 975* 0． 062 1． 139
H2PO －4 V =0． 015C /(0． 251 +C)0． 982* 0． 015 0． 251
狭叶
香蒲
NO －3 V =0． 059C/(1． 394 +C)0． 977* 0． 059 1． 394
NH +4 V =0． 095C /(1． 592 +C)0． 989* 0． 095 1． 592
H2PO －4 V =0． 012C /(0． 275 +C)0． 946* 0． 012 0． 275
注:C为底物浓度;* 表示方程拟合在 α = 0． 01 水平上显著。
图 2 黄菖蒲和狭叶香蒲根系对 NO －3 的吸收速率
Fig． 2 NO －3 uptake rates by root systems of
Iris pseudacorus L． and Typha angustifolia L．
图 3 黄菖蒲和狭叶香蒲根系对 NH +4 的吸收速率
Fig． 3 NH +4 uptake rates by root systems of
Iris pseudacorus L． and Typha angustifolia L．
收速率无显著性差异(LSD 检验，P ＞ 0． 05) ，
NO －3 浓度大于 0． 50 mmol /L 时，狭叶香蒲根系的
NO －3 吸收速率显著高于黄菖蒲根系(LSD检验，P ＜
0． 05)。从动力学参数看，狭叶香蒲根系对 NO －3 的
Vmax值高于黄菖蒲根系，而 Km 值却低于黄菖蒲根
0464
第 12 期 陈国元等:黄菖蒲和狭叶香蒲根系对氮磷的吸收动力学
系，说明狭叶香蒲根系对 NO －3 具有较高的亲和力，
并且具有较高的 NO －3 吸收速率，表明狭叶香蒲能够
适应更广范围浓度 NO －3 污染的环境。吸收 NH
+
4
时，狭叶香蒲根系的 Vmax值和 Km 值均高于黄菖蒲根
系，说明，黄菖蒲根系对 NH +4 具有较高的亲和力，适
宜用于 NH +4 污染较轻水体的修复，而狭叶香蒲根系
对 NH +4 的吸收速率较高，适宜用于 NH
+
4 污染较重
水体的修复。汤显强等［17］应用小型人工湿地模拟
实验装置研究了 7 种水生植物对富营养化水体中氮
磷的去除效果，结果表明，与无植物空白相比，狭叶
香蒲对总氮的去除率提高了 17． 84%，仅次于水葱。
因此，在氮污染严重的富营养化水体中，宜选用狭叶
香蒲作为先锋植物对水体进行净化作用。
不同植物对 NO －3 、NH
+
4 会表现出偏好性
［4］。
黄菖蒲根系对 NH +4 的亲和力大于其对 NO
－
3 的亲和
力，并且对 NH +4 的吸收速率也高于对 NO
－
3 的吸收
速率，表明在氮污染水体中，黄菖蒲优先吸收 NH +4 ，
并且对 NH +4 有较强的净化能力。在已往的研究中，
大部分水生植都是优先吸收 NH +4 。如，沈根祥
等［18］研究表明，浮萍对 NH +4 的亲和力大于其对
NO －3 的亲和力;金春华等
［4］研究表明，狐尾藻对
NH +4 有强烈的吸收偏好性。张亚娟等
［1］研究表明，
蕹菜对 NH +4 的吸收速率和亲和力均高于对 NO
－
3 的
吸收速率和亲和力。而狭叶香蒲根系对 NO －3 的亲
和力大于其对 NH +4 的亲和力，但是对 NH
+
4 的最大
吸收速率却高于对 NO －3 的最大吸收速率，说明在氮
污染较轻的水体中狭叶香蒲对 NO －3 表现出偏好性，
而在氮污染严重的水体，狭叶香蒲对 NH +4 具有较好
的净化能力。金春华等［4］研究表明，凤眼莲有优先
吸收 NO －3 的趋势。不同植物对营养离子吸收特性
的差异一方面是由于植物本身的生理特性差异造成
的，另一方面是由于不同研究所使用的营养和其他
环境不同所致［11］。如，刘锋等［11］研究发现，不同水
平的水体营养对竹叶眼子菜的吸收动力学参数有显
著影响，随着培养溶液氮磷浓度的增加，竹叶眼子菜
对 NH +4 的最大吸收速率增加，而对 NH
+
4 的吸收亲
和力降低。Ｒomero 等［19］研究表明，增加底泥磷浓
度，芦苇(Phragmites australis)对 NH +4 的最大吸收
速率发生显著改变。
3 结 论
黄菖蒲和狭叶香蒲根系对 NH +4 、NO
－
3 和
H2PO
－
4 的吸收动力学特征均可采用 Michaelis-Ment-
en 方程描述。2 种植物根系对 NH +4 、NO
－
3 和
H2PO
－
4 的亲和力和最大吸收速率有显著差异。吸
收动力学参数分析表明，黄菖蒲具有嗜磷特性，适宜
用于广范围浓度 H2PO
－
4 污染和 NH
+
4 污染较轻水体
的修复;狭叶香蒲可用于广范围浓度 NO －3 污染和
NH +4 污染较重水体的修复。
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