全 文 ：第 38卷　第 10期
2 0 0 6年 10月 　
哈　尔　滨　工　业　大　学　学　报
JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
　 V ol. 38 N o. 10
O c.t 2006
　　　　　　
适用于青萍修复的水体富营养化状况研究
宋关玲1 , 侯文华 2 , 汪群慧1 , 刘秋月 3
(1. 哈尔滨工业大学 市政环境工程学院 , 哈尔滨 150001;2. 中国环境科学研究院 湖泊生态环境创新基地 , 北京 10001,
E-m ail:houwenhua@ sina. com;3.北京化工大学 化工学院 , 北京 100029)
摘　要:为了分析青萍适合应用于何种富营养化程度地表水体的修复 , 研究水体富营养化的限制因子磷对
青萍生长的影响. 在其他条件不变的情况下 , 设计 0.01、0.2、0. 5、 5、50 m g /L 5个磷质量浓度进行研究. 测定
叶状体数目相对增长率 、根长 、叶绿素 a含量 、可溶性蛋白含量以及抗氧化酶系统的几种酶 ,包括过氧化物酶
(POD)活性 、过氧化氢酶(CAT)活性以及丙二醛(MDA含量).将宏观的生长指标和细胞水平的保护酶活性
的变化结合 , 研究青萍适合于何种磷质量浓度的富营养化水体的治理和生态修复中 .结果表明 , 青萍可以生
长的磷质量浓度范围很广.在所设计的 5种磷质量浓度下 , 青萍均可生长 , 但青萍适合生长于磷质量浓度在
0. 2 - 5 m g /L (尤其是 0. 5 m g /L左右)的水体环境中. 该植物适合应用于富营养化水平较高的水体环境中 ,
适合于中国大多数湖泊等地表水体的治理和生态修复中.
关键词:青萍;磷质量浓度;富营养化;生态修复
中图分类号:Q 945 文献标识码:A 文章编号:0367 - 6234(2006)10 -1793 - 04
Su itab le eutrophication level for restoration by Lemna m inor
SONG Guan-ling1 , HOUWen-hua2 ,WANG Qun-hu i1 , LIU Q iu-yue3
(1. School o fMunicipal and Env ironmenta l Eng ineering, H arbin Institute o f Techno logy, H arb in 150001, China;2. Research
C en te r for Lake＆ Env ironm ents, Chinese Research A cadem y of Env ironm ental Sciences, Be ijing 100012, Ch ina, E-ma il:
houw enhua@ sina. com;3. School o f Chem ica l Eng ineering, Be ijing Un ive rsity o f Chem ica l Techno logy, Beijing 100029, Ch ina)
Abstract:The suitab le leve l of phospho ric concen tration in naturalw aterbody w as determ ined for the g row th o f
duckw eed. Lem na m inor was cultured in the medium conta ining five differen t phospho rus concen trations
(0.01, 0.2, 0.5, 5, 50 mg /L). Lemna m inor can grow under a ll o f these circum stance s. The re lative
grow th rate o f frond number, solub le prote in, root leng th, perox idase(POD), catalase(CAT) and malond ial-
dehyde(MDA)we remeasured. The re la tive grow th of frond numbe r, ch lo rophy ll a, so luble p ro tein w ere high-
erw hen pho spho rus concentration w ere 0.2 , 0.5 and 5mg /L. The POD activ ity, CAT activity andMDA con-
tent ofLemna m inor grow n in 0.2 , 0.5 and 5mg /L phosphorus concentra tions w ere low er than tho se of g rown
in 0.01mg /L and 50mg /L phosphorus concentrations. Lemna m inor grown better when phospho rus concen-
tration we re 0.2 to 5mg /L(especially about 0.5mg /L) than o ther phosphorus concen tra tion. This study indi-
ca ted tha tLemna m inor is su itable fo r recovering the eu troph ica ted na tu re w ate rbody in China.
Key words:Lemnam inor;pho spho rus concen tration;eutrophication;ecological resto ration
收稿日期:2004 - 09 -24.
基金项目:国家重点基础研究发展计划资助项目(2002CB412300);
中日国际合作项目(DF).
作者简介:宋关玲(1971— ),女 ,博士研究生 ,讲师;
汪群慧(1959— )女 ,教授 ,博士生导师.
　　在水体富营养化治理过程中 ,利用大型的水生
植物治理富营养化水体具有低投资 、低能耗 、处理
过程与自然生态系统有更大的相融性等特点 ,被认
为是富营养化水体治理的关键技术之一.浮萍科植
物是在以大型水生植物为主的污水处理系统中利
用较多的类群之一 [ 1, 2] .原因是浮萍科植物具有繁
殖速度快 , N、P含量高 ,生长范围广 ,适应性强 ,容
易收获等特点.在国外的水体治理中已经得到了广
泛的应用[ 3, 4] .本文主要以水体富营养化的限制因
子磷为研究对象 ,根据中国湖泊的富营养化状况和
植物对磷营养的大致需求设计了几个磷质量浓度 ,
研究水体中磷含量对青萍宏观生长指标和细胞水
平的抗氧化酶系统的几种酶的影响.将宏观的生长
数据和微观的保护酶活性的变化结合起来进行分
析 ,研究青萍适合应用于何种磷质量浓度的富营养
化水体的治理和生态修复中.
1　材料和方法
1.1　萍种来源及实验的前处理
青萍的种源取自太湖地区 ,位于江苏省宜兴
市大浦镇境内的湿地系统. 该湿地位于 31°
17.408′N , 119°55.101′E.
取回的青萍经流水清洗后放在大型的生态水
族箱中进行实验室内大规模扩大繁殖 ,使其适合
室内的生长条件 ,前处理 3个月左右用于实验.
1.2　培养条件
培养前将青萍用 1%N aC lO消毒 3 - 5m in,
再用无菌水清洗 3次. 500 mL的烧杯装 300mL的
培养液和一定量的青萍置于人工恒温光照培养箱
中培养 ,培养温度为 26 - 28 ℃,光照强度为 36
μmo l /(m 2 s),光照时间为 16 h /d,湿度设置为
60%.实验所用的培养液为改变磷营养的 S te in-
berg培养液[ 5] , 培养液中磷质量浓度分别为
0.01、0.2、0.5、5、50 mg /L, pH 为 6.5. 每组实验
分成 2个小组 ,其中 1个小组的烧杯放 12片青萍
的叶状体 (鲜重平均为 0.004 8 g,只选择具有 2 -
3片叶状体的青萍),用于 3, 5, 7, 10, 15 d测定叶
状体数目的变化和 15 d时青萍鲜重及根长的变
化;另一个小组的烧杯中放 2 g青萍 (用滤纸吸干
3 - 5m in),用于 3, 5, 7, 10, 15 d取样测定几种酶
和可溶蛋白含量以及 15 d时测定叶绿素 a含量
的变化.所有的实验均设置 3个重复.
1.3　分析方法
1)生物量测定　生物量采用叶状体数目相
对增长率表示. 计算公式为[ 6] N v = (Nn -
N 0) N/ 0. 其中 ,N v为叶状体的相对增长率 , N n为
培养 n d时的叶状体数目 , N 0为培养 0 d时的叶
状体数目.
2)叶绿素 a含量的测定 叶绿素 a含量的测
定用 96%的酒精研磨去根后的青萍后用比色法
测量[ 7] ,单位为 mg /g FW.
3)酶液的制备 　称取青萍 0.5 g, 加入
50 mmo l /L磷酸缓冲液 (pH =7.8),研磨 , 4 ℃下
15 000 r /m in离心 15 m in ,上清液定容至 5 mL,取
部分上清液经适当稀释后用于可溶性蛋白含量和
酶活性测定.
4)可溶性蛋白含量的测定　用考马斯亮蓝
蛋白染色法.蛋白标准和试剂均购自南京建成生
物工程研究所 ,测定方法按照试剂盒的说明书进
行.
5)过氧化物酶 (POD)活性的测定 愈创木酚
法测定 [ 8] ,以 470 nm波长 OD增加 0.01为一个
酶的活力单位 (U),酶活性以单位时间每毫克可
溶性蛋白的酶活力表示 ,单位为 U mg- 1 pro t
m in
-1
.
6)过氧化氢酶 (CAT)活性的测定 过氧化氢
法测定 [ 8] ,以 240 nm波长 OD降低 0.01为一个
酶的活力单位 (U),酶活性以单位时间每毫克可
溶性蛋白的酶活表示 , 单位为 U mg- 1 p ro t
m in
-1
.
7)丙二醛(MDA)含量的测定 硫代巴比妥酸
(TBA)法测定[ 9] ,上清液 1.5 mL于带塞试管中 ,
加入 0.5% TBA 溶液 2.5 mL, 混合后沸水浴
20m in,冷却后离心 ,上清液分别于 532 nm、600
nm及 450 nm波长下测定 OD值.
M DA(μmo l /L ) =6.45(OD532 - OD600) -
0.56OD450.
以材料鲜重表示丙二醛含量 , μmo l /g FW.
2　结果与讨论
2.1　不同的磷营养水平对青萍宏观指标的影响
培养液中磷质量浓度对青萍叶状体数目相对
增长率 、根长变化影响见图 1、2. 在所设计的 5种
磷质量浓度下 ,青萍的叶状体数目相对增长率均
为正值 ,在磷质量浓度为 0.5 mg /L的情况下 ,青
萍叶状体数目增长得最快;磷质量浓度为 0.2
mg /L时 ,青萍的叶状体数目增加得也较快. 相对
而言 ,在磷质量浓度过小的 0.01 mg /L和磷质量
浓度过大的 50 mg /L的培养液中青萍的叶状体数
目增加开始变慢. 在开始培养的前 7 d左右的时
间内所有的青萍叶状体数目的相对增长率较低 ,
这可能是青萍为了适应新的培养条件表现的一个
相对生长的停滞期;根长随培养液中磷质量浓度
的不同 ,表现出了十分明显的变化. 生长环境中磷
营养水平越低 ,青萍的根越长 ,这应该是青萍在进
化过程中对低磷营养条件的一种适应 ,青萍通过
伸长自己的根部 ,来增加吸收部位和水体的接触
面积 ,从而吸收相对足够的磷营养来供自身生长
的需要.
2.2　不同磷质量浓度对青萍叶绿素 a及可溶性
蛋白含量的影响
由图 3磷质量浓度对青萍叶绿素 a含量的变
1794 哈　尔　滨　工　业　大　学　学　报　　　　　　　　　　　　　第 38卷　
化可以看出 ,叶绿素 a的含量仍然是生长在磷质
量浓度为 0.5mg /L培养液中的青萍最高.叶绿体
色素是植物吸收太阳光能进行光合作用的重要物
质.其含量的增高是植物可以更好地利用光能合
成自身物质的重要标志. 从叶绿素 a的含量能看
出 ,在磷质量浓度为 0.2 - 5 mg /L(尤其是 0.5
mg /L)培养液中的青萍具有相对强的利用光能来
合成自身物质的能力.
图 1　不同磷质量浓度下青萍叶状体数
目相对增长率随培养时间的变化
图 2　磷质量浓度对青萍根长度的影响 图 3磷质量浓度对青萍叶绿素 a含量
的影响
　　可溶性蛋白的含量同样生长在磷质量浓度为
0.5mg /L培养液中的青萍可溶性蛋白的含量最
高 (图 4). 这应该是在比较适宜的生长条件下植
物会充分利用环境中的氮源来合成体内有机物的
一种表现.
2.3　不同的磷营养水平对青萍氧化酶系统影响
当植物遭受逆境胁迫时 ,植物体内就会产生过
多的活性氧.叶绿体和线粒体是细胞内产生活性氧
的重要器官.细胞内氧气的质量浓度在光合作用时
是最高的 ,因此 ,叶绿体是活性氧产生的关键细胞
器.活性氧升高可以通过破坏脂类 、核酸和蛋白质
等来扰乱细胞正常的代谢.植物在长期的进化过程
中 ,通过自然选择发展了抗自由基损伤的保护系
统 ,包括几种主要的保护酶:CAT、 POD和 MDA
等.它们能及时清除活性氧 ,因而不会积累到足以
损伤机体的质量浓度. 当植物处于逆境中时 ,细胞
的结构受到损伤 ,活性氧的积累量有可能增多 ,如
果超过生物体内在的防御能力 ,就会发生损伤.在
本实验中测定了 CAT、 POD活性和 MDA含量 ,研
究青萍最适合应用的磷质量浓度范围.
POD活性随培养液中磷质量浓度的变化见
图 5,生长在磷质量浓度为 0.5、5、0.2 mg /L的培
养液中青萍的 POD的活性低于生长在磷质量浓
度为 0.01 mg /L和 50 mg /L培养液中的青萍的
POD活性. POD是一种涉及到植物生长 、发育以
及代谢等的一类酶 ,它们影响植物体内木质素和
乙烯的合成 、IAA的分解 ,同时也参与植物体内对
病菌 、伤害等的防御和保护作用.一般植物在逆境
条件下其 POD的含量通常是增加的 ,本研究中生
长在磷质量浓度为 0.5、5、0.2 mg /L培养液中的
青萍的 POD活性低是该生长条件适合其生长的
一种表现.
青萍 CAT活性随培养液中磷质量浓度的变
化而变化的规律也类似于 POD活性的变化规律
(见图 6). CAT属于植物细胞内清除活性氧的重
要的一种酶.这种酶参与清除过氧化氢的积累和
毒害[ 10]来保持细胞内 H2O2正常的水平. CAT的
作用是把 H2O 2分解成水和氧气[ 11] ,细胞 CAT的
活性是 H2O2转化的一重要信号[ 12] . 本研究中生
长在含磷为 0.01mg /L和 50mg /L的培养液中的
青萍 CAT的活性相对较高.说明了这两种质量浓
度的磷营养水平对青萍的生长已经造成了胁迫.
青萍细胞内过氧化氢的积累相对增高 ,细胞通过
CAT活性的提高来清除其积累的相对高质量浓
度的 H2O2.
图 4　磷质量浓度对青萍可溶性
蛋白含量的影响
图 5　不同磷质量浓度下青萍 POD活
性随培养时间的变化
图 6　不同磷质量浓度下青萍 CAT活
性随培养时间的变化
1795 第 10期 宋关玲 , 等:适用于青萍修复的水体富营养化状况研究
　　随着培养时间的延长 ,生长在磷质量浓度为
50 mg /L培养液中的青萍的 POD活性开始下降 ,
但是其 CAT活性却开始上升.植物的抗氧化酶系
统酶的变化不同步 ,通常是植物难以及时清除体
内过多自由基的表现.由此可以看出 ,磷质量浓度
为 50mg /L的培养液确实由于磷质量浓度过高而
对青萍造成了环境胁迫.
　　由表 1可知 , MDA含量随培养液中的磷质量
浓度的变化而变化并不明显 ,没有急剧增加的情
况.丙二醛是常用的膜脂过氧化指标.本研究中的
数据显示 ,在所设计的 5种磷营养水平下 ,青萍的
细胞膜脂均未发生严重的过氧化损伤 ,这也是在
所有的培养条件下 ,青萍均表现出生物量增加的
原因.
表 1　不同磷质量浓度下青萍 MDA含量随培养时间的变化
培养天数 /d ρ(P) /(m g L
- 1)
0. 01 0. 2 0. 5 5 50
0 2. 145 6± 0. 021 45 2. 145 6±0.021 45 2. 145 6±0. 021 45 2. 145 6±0. 0214 5 2.145 6±0. 021 45
3 2.048 8± 0. 123 6 2. 417 3± 0. 167 9 2. 118 6±0. 256 9 2. 228 1±0. 201 4 2. 058 5±0. 324 5
5 2. 401 9±0. 089 7 2. 364 2±0.098 74 2. 314 9±0. 164 2 2.146 4± 0. 096 32 2. 190 2±0. 102 3
7 2.198 6± 0. 301 1 2.220 9±0. 065 8 2. 261 6±0. 087 4 1. 905 7±0. 096 35 2. 174 5±0. 087 4
10 2.577 4± 0. 245 3 2. 068 4± 0. 063 54 2. 006 1±0. 077 78 1. 919 84±0. 096 35 2.321 5±0. 045 63
15 2. 904 1±0. 262 1 2. 856 4± 0. 100 2 2. 312 4±0. 096 52 1. 983 9±0. 061 24 2.850 5±0. 087 45
　　由本研究可以看出 ,青萍可以生长在磷质量
浓度范围很广的水体环境中 , 在磷质量浓度为
0.2 - 5 mg /L(尤其是 0.5 mg /L左右 )的条件下
生长得较好.中国的大型湖泊和小型的景观水体
大部分发生了严重的富营养化 , TP质量浓度超过
0.2mg /L的大型湖泊占 48%[ 13] ,这部分严重富
营养化的地表水体适合应用青萍对其进行治理和
生态修复.
3　结　论
1)青萍可以生长在磷质量浓度相当广的水
体环境中 ,在磷质量浓度为 0.01 - 50 mg /L的水
体中均可生长.
2)最适合青萍生长的磷质量浓度为 0.2 - 5
mg /L,其中磷质量浓度为 0.5 mg /L左右的情况
下青萍生长最好.
3)在其他条件都适合的情况下 ,青萍适合应
用于磷质量浓度较高的严重富营养化水体的治理
和生态修复中.
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(编辑　刘彤)
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