全 文 ：收稿日期:2006-11-17;修订日期:2007-05-21
基金项目:国家 863攻关课题“天津市滨海新区水环境质量改善技术与综合示范”(2003AA601030);中国博士后科学基金资助
通讯作者:王卫红(1968—),女,山西太原人;博士后;主要研究方向为景观水体的生态修复。 E-mail:red-wangwei@163.com
研究简报
可溶性无机氮在川蔓藻组织中的累积规律
王卫红1 ,2 　季　民2
(1.天津大学建筑学院 ,天津　300072;2.天津大学环境科学与工程学院 ,天津　300072)
ENRICHMENT RULE OF RUPPIA MARITIMA TO SOLUBLE INORGANICNITROGEN
WANGWei-Hong1 , 2 and JI Min2
(1.School of Architecture , Tianjin University , Tianjin　300072;2.School of Environmental Science and Engineering , Tianjin University , Tianjin　300072)
关键词:无机氮;川蔓藻;稳定性同位素;富集度
Key words:Inorganic nitrogen;Ruppia maritima;Stable isotope;Enrichment
中图分类号:X52　　　文献标识码:A　　文章编号:1000-3207(2008)03-0417-03
　　近 20 年来 , 由于稳定性同位素无放射性 、无污染 、不受
环境条件限制 、无衰变且实验时间不受限制等优点 , 使稳定
性同位素示踪方法作为一种了解复杂生态过程的工具 ,得到
了广泛的应用[ 1—7] 。其中固氮新品种15N 示踪技术主要用来
确证发生了固氮和研究固氮过程中氮的代谢[ 1 , 4] 。近年来 ,
稳定性氮同位素比值成为研究污染物在食物网生物富集和
放大效应的重要参数 , 开始被应用于水生态系统污染物的
环境行为研究中[ 2 , 3] 。稳定碳同位素比值也常用于生态系统
食物链结构的分析[ 2] , 但该比值随营养层次的富集不明显
(富集因子约为 1), 所以稳定碳同位素比值主要用来确定生
物种的食物组成以及追踪生态系统中的主要物质(碳源)的
来源[ 2 , 6 , 7] 。目前关于利用15N示踪技术研究沉水植物对富营
养化水体中氮的累积规律的研究报道较少。 其中沉水植物
川蔓藻(Ruppia maritima)由于其广泛的盐度容忍性以及在富
营养化的水体中迅速生长的能力成为滨海湿地生态恢复的
首选先锋植物[ 8] 。大量的研究表明川蔓藻能够显著地改变
河口海岸带栖息地的水质质量和沉积物的生物地球化学循
环[ 8 , 9] 。本文在实验室条件下 , 利用水培方法研究了川蔓藻
对水体中氨氮和硝酸盐氮的累积规律 , 目的在于进一步揭示
川蔓藻对富营养化水体中氮的响应机制。
1　材料与方法
1.1　材料　2004年 6 月初将采自天津滨海新区一个再生水
(水体盐度 3.15g/ L)河道入水口处的川蔓藻培养在室外装有
河道再生水的 120L塑料箱中。一周后将生长出有一枝叶子
的新芽连同根一起切下 , 用流动的自来水清洗表面附生藻
类 ,再置于装 500mL蒸馏水的三角瓶中震荡清洗。然后悬浮
培养在经 0.22μm 过滤的再生水中 , 培养条件为光照强度
5000lx ,光暗比 16h∶8h , 温度 20—25℃。 培养三周后 , 取新发
出的长 10cm 左右的无性分株(Ramets)用于实验。
为了标记稳定性同位素不受再生水中其他成分干扰 , 实
验使用Thursby提出的营养液配方[ 9] , 使用 NaCl将盐度调为
3.15g/L。稳定性同位素15NH4Cl和 Na15NO3均由上海化工研
究院提供。
1.2　试验方法　取 42 个 250mL 三角瓶 , 每瓶加 200mL营养
液, 1g川蔓藻 ,其中 21 个三角瓶中营养液的氮源由15NH4Cl+
NaNO3供给 ,参照河道再生水中氨氮与硝酸盐氮的平均浓度水
平, 其中15NH4Cl的浓度为 2mg/L , NaNO3的浓度为 10mg/L。另
21个三角瓶中营养液的氮源由 NH4Cl+Na15NO3供给 , 其中
NH4Cl的浓度为 2mg/L , Na15NO3的浓度为 10mg/ L。实验进行
7d。每天对两种处理各取 3 瓶 ,取出植物后用滤纸轻轻吸干
表面水分 ,放入 80℃烘箱中 48h , 然后研磨过 120 目筛 , 称重
装入标记号码的玻璃小瓶中 , 放回烘箱。同法取样至第 7
天。最后将所有植物样品集中送中国科学院植物所测定分
析。使用Thermo Finnigan MAT DELTAplusXP 同位素比率质谱
仪(Isotope-ratio mass spectrometers , IRMS), 通过 CONFLO III 设
备 ,用 Flash EA 1112元素分析仪自动连续分析植物样品中的
N 同位素。
1.3　数据处理与计算　示踪试验植物样品的同位素分析委
托中国科学院植物研究所生态与环境科学稳定同位素实验
室测定。仪器分析可以测出植物样品中15N/ 14N 的比值。 以
δ15N(‰)表示对15N 的富集度 , 计算公式[ 2 , 6]如下:
δ15N(‰)=(R样品/ R标准-1)×1000
第 32卷 第 3 期 水 生 生 物 学 报 Vol.32 , No .3
2 0 0 8 年 5 月 ACTA HYDROBIOLOGICA SINICA May , 2 0 0 8　
式中 R=15N/ 14N 为氮同位素比值 , R样品指植物样品中的氮
同位素比值 , R标准指标准大气氮同位素比值。
2　结果与讨论
使用稳定性同位素15NH4Cl 和 Na15NO3作为两种氮源同
时供给川蔓藻 ,结果显示川蔓藻能够同时吸收两种氮源(图
1),但15NH+4 -N 在川蔓藻植株体内随时间的富集度显著高
于15NO-3 -N的富积度。以往大量的研究认为 , 当水体中同时
有氨氮和硝酸盐氮时 , 沉水植物普遍优先利用氨氮[ 8—11] 。
Thursby研究发现川蔓藻的根吸收氨氮的速率是硝酸盐氮的
9 倍 ,当水体两种氮源同时存在时 , NO-3 -N 的吸收能被显著
抑制[ 9] 。在本实验中15NO-3 的浓度是15NH+4 的 5 倍 , 但川蔓藻
优先吸收NH+4 -N 的同时 ,对 NO-3 -N仍有吸收。比较两种氮
源在植株体内富集度的比值随时间的变化(图 2), 可以明
显地看出 , 在第 1 天15NH+4 -N 在川蔓藻植株体内迅速富集
并在随后的 2d 一直维持较高的比率。 可以推测川蔓藻对
氨氮的吸收速率显著高于对硝酸盐氮的吸收 , 这与 Thursby
的研究结果一致 。氨氮过量吸收对植物是有毒害作用的。
图 1　川蔓藻植株体内15NH+4 -N和15NO-3 -N的富集度比较
Fig.1　Enrichment comparison of 15NH+4-N and 15NO-3-N
in tissues of Ruppia maritima
图 2　15NH4-N 和15NO3-N 在川蔓藻植株体内富集的
比值随时间的变化
Fig.2　Enrichment ratio changes of 15NH4-N and 15NO -3 -N
in tissues of Ruppia maritime with time
显然川蔓藻具有较强的耐氨能力。通常耐氨植物在吸收过
多的NH+4 -N 时会及时转化为酰胺而消除氨毒[ 11] 。因此到第
4 天δ15NH+4 / 15NO3出现明显地下降 ,在第 5 天比值最小 ,然后
又开始极缓慢地上升。
对15NH+4 和15NO3在川蔓藻植株体内的累积进行回归分
析(图 3、图 4), 发现川蔓藻对两种氮源的累积规律为:随着
时间延长 , 15NH+4-N 在川蔓藻植株体内的富集度呈对数增
加 ,回归方程为δ15NH+4 (‰)=91.137in(t)+19.941 , t 为时
间天(R2=0.9687)。15NO-3-N在川蔓藻植株体内的累积则呈
指数增加 , 回归方程为 δ15 NO-3 (‰)=3.2952e0.2661t(R2 =
0.9469)。Thursby曾研究发现川蔓藻的根与叶对 NH+4 的吸收
不受水体中有无 NO -3 的影响 , 而对 NO-3 的吸收明显受到水
体中NH+4 的抑制[ 9] 。从图 3和图 4 可以看出 , 在实验初期的
前3 天 , 15NH+4 迅速被吸收 , 随着时间延长15NH+4 在川蔓藻植
株体内的富积逐渐缓慢;而川蔓藻对15NO-3 的吸收则在实验
初期被抑制 ,当实验后期水体中15NH+4 被吸收耗尽时 ,水体中
的15NO-3 则被大量富积。因此15NH+4 -N 和15NO-3 -N 在川蔓藻
植株体内的富积度呈现不同的增长趋势。
图 3　15NH+4 -N 在川蔓藻植株体内随时间的富集
Fig.3　Enrichment of 15NH+4-N in tissues of Ruppia maritima
with time
图 4　15NO-3 -N 在川蔓藻植株体内随时间的富集
Fig.4　Enrichment of 15NO-3-N in tissues of Ruppia maritima
with time
一些研究认为氨氮对植物毒害的机理是使光合磷酸化
解偶联和降低细胞内碳水化合物[ 11] 。对川蔓藻干重与δ15N
418　 水　　生　　生　　物　　学　　报 32卷
的富集度作图(图 5)可以发现 , 随着δ15N 的富集度的增加 ,
川蔓藻的干重并不是随着氮的富集逐渐降低 , 而是迅速降
低后一直维持在相对稳定的水平。此时δ15N 的富集度在
101.2 而川蔓藻的干重在 160mg 左右 。对氨氮和硝酸盐氮
不同的富积规律可以推测 , 川蔓藻对 NH+4 的吸收可能具有
反馈抑制机制 , 这使川蔓藻在富营养化的水体中能够调节
过量的氮积累对其能量的损耗 ,来维持正常的生长代谢 。
图 5　川蔓藻的干重与δ15N 富集度的关系
Fig.5　Relation ofδ15N enrichment and dry biomass of
Ruppia maritima
3　结　论
本文使用稳定性同位素15NH4Cl 和 Na15NO3研究了同时
供给两种氮源情况下 ,川蔓藻对无机氮的累积规律。研究结
果表明:川蔓藻能够同时吸收两种氮源 , 15NH+4-N 在川蔓藻
植株体内的富集度显著高于15NO-3-N。15NH+4 -N 在川蔓藻植
株体内的富集度随时间呈对数增加 , 而15NO-3 -N 的富集度则
随时间呈指数增加。川蔓藻对 NH+4 的吸收可能具有反馈抑
制机制 ,这使川蔓藻能够调节过量的氮积累对其能量的损
耗 ,来维持正常的生长代谢。
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