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养鱼常识

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不同营养状态下金鱼藻的生理响应

来源:武汉南粤水族工程有限公司  发布时间:2016-08-10 20:35
【摘要】 通过静态模拟实验, 比较研究了不同营养水平(中营养、富营养、重富营养和Hoag land 植物培养液)下培养的金鱼藻(Ceratophyllum demersum)的蛋白质、叶绿素含量, 过氧化物酶(POD)及超氧化物酶(SOD)活性变化.研究发现, 总N 、总P 的变化会影响金鱼藻的生物合成, 当水环境总氮浓度低于1 mg·L -1 , 总磷浓度低于0.1 mg·L -1时, 金鱼藻茎叶的叶绿素合成较低, 其茎蛋白含量迅速下降.金鱼藻在富营养水平(1 mg TN·L-1 , 0.1 mg TP·L-1)下抗氧化防御酶活跃, POD、SOD 活性增高.研究表明, 金鱼藻较适应于富营养水环境, 水体营养盐继续增加对金鱼藻有胁迫作用, 过高营养盐浓度(重富营养和Hoagland培养液)影响金鱼藻的抗逆能力.
关键词 金鱼藻 生理反应 富营养 胁迫
1  引  言
目前, 湖泊富营养化问题受到了全世界湖沼及环境学专家的广泛关注.氮、磷等营养物质的过量输入, 水生植物资源的不合理利用, 以及渔业围网养殖的盲目扩大, 使湖泊营养化程度迅速加重, 对湖泊生态系统的结构和功能产生极大影响.沉水植物是湖泊生态系统的重要组成部分, 能吸收富营养化湖泊中的氮磷元素.某些植物的根茎还能够控制底泥中营养物的释放, 且在生长后期能较方便地去除湖泊中过多的营养物, 具有重要的生态功能和生态价值[ 17] .许多研究表明, 湖泊富营养化会影响沉水植物群落的演替, 甚至使某些群落消亡, 导致湖泊生态功能的破坏.沉水植被的重建与恢复现已成为控制湖泊富营养化的一个研究热点[ 3 , 9] .度明显发展, 80 年代末, 全湖发展成富营养化湖泊,沉水植物种群结构发生了极大变化:严重富营养化水域(如五里湖)沉水植被全部消亡, 藻类年年暴发;非严重富营养化水域(如东太湖)水生植被退化, 生物利用价值下降, 人工栽植物、耐污植物和生物利用价值低的植物占主导;微齿眼子菜(Potamogetonmackianus)和苦草(Vallisneria spirolis)减少;黑藻(Hydril la vertici llata)和金鱼藻(Ceratophyl lumdemersum)出现;着丝状绿藻(水绵, Spirogyra sp .)现存量大大增加.
本文选取世界上广泛分布的沉水植物, 也是太湖沉水植物的优势种之一———金鱼藻作为实验对象.研究水体富营养化过程中重要营养物质(氮、磷)对其生理生化指标的影响, 探索水体富营养化对金鱼藻的胁迫作用, 为阐明富营养化湖泊沉水植物退化机理及恢复湖泊水生生态系统结构和功能提供理论依据.
2  材料与方法
2.1  供试材料
金鱼藻, 2003 年5 月采自江苏无锡东太湖, 室外培养繁殖.
2.2  试验设计选取长约8 ~ 12 cm 、鲜重约1 g 、生长状况良好的金鱼藻植株, 种植在3 L 的烧杯中, 杯底铺上5 ~ 6 cm 厚的细沙.每杯定植8 株.选用Hoagland 培养液的稀释液(0.1 x), 略做修改.用自来水配制培养液, 分别加入不同量的NH4H2PO4 、(NH4)2SO4 、Ca(NO3)2 配制3 种不同的N、P 浓度, 其中氨态氮和硝态氮比为1∶3, N、P 之比为10∶1.
试验采用静态模拟, 光照强度为3000 Lux , 光暗比为14∶10 , 温度为25 ℃, 实验周期为21 d .每隔7 d 取不同实验组金鱼藻的茎、叶组织, 用滤纸吸干后分成3 份, 分别用于叶绿素等生理生化指标及干重测定.同步采集水样测定水环境因子的变化.每次采样后, 补入同体积相应浓度营养液, 使处理组营养液量维持在3 L.
2.3  检测方法
氨氮测定采用国标法;总氮和总磷采用过硫酸钾消解法[ 19] ;叶绿素含量采用CaCO3-DMSO 萃取法[ 1] 测定;蛋白含量采用考马斯亮蓝法[ 4] 测定;超氧化物歧化酶活性采用邻苯三酚自氧化法[ 5] 测定;过氧化物酶活性采用苯酚氧化法[ 14] 测定.测定中每样品至少取3 个平行样.同步检测植物干重.
3  结果与分析
3.1  pH 、溶解氧变化不同营养水平处理组DO 、pH 变化见图1 .在整个实验周期, 各营养浓度处理组的DO 、pH 的变化相似, 均表现为上升.pH 值最大可增加2 个单位, 至8 ~ 9 的水平, 溶解氧浓度达6 ~ 7 mg·L-1 .
3.2  氮、磷变化
整个实验周期不同营养水平处理组总氮、氨氮和总磷的变化见图2 .在中营养、富营养和重富营养条件下, 总氮、总磷变化相似, 在第1 ~ 2周下降明显, 之后稳定.三个营养水平下总氮浓度下降不等, 1~ 2 周后各自的浓度分别为0.9 mg·L-1 、1.7 mg·L-1 、5.6 mg·L-1 .总磷在第1 ~ 2 周内三个营养水平都降至0.1mg·L-1 .氨氮变化活跃, 不同于总氮、总磷, 但三种营养水平变化相似, 第1 周降至0 ~0.02 mg·L-1 , 第2 周升至0.5 ~ 0.6mg·L-1 .
3.3  不同营养状态下金鱼藻的蛋白含量从图3 可以看出, 中营养环境中生长的金鱼藻茎叶蛋白含量变化大;中营养和富营养环境中生长的金鱼藻, 叶蛋白含量下降, 荟蛋白含量在1 ~ 2 周内先升至峰值, 再迅速下降;重富营养和Hoagland营养液中生长的金鱼藻, 茎蛋白含量下降, 叶蛋白含量升高.
3.4  不同营养状态下金鱼藻的叶绿素含量中营养环境中生长的金鱼藻, 2 ~ 3 周内茎、叶叶绿素含量均下降到0.5 mg·g-1 干重(图3);富营养环境中生长的金鱼藻, 叶中的叶绿素含量由2.7mg·g-1干重降至2.1 mg ·g-1 干重, 茎中的叶绿素含量则升至2 mg·g1 干重;重富营养和Hoagland培养液环境中生长的金鱼藻, 茎、叶中叶绿素的含量则大幅度上升.
3.5  不同营养状态下金鱼藻的过氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)活性由图4 可知, 实验阶段不同营养水平下生长的金鱼藻的POD 活性均上升, 在第21 d 达到峰值.富营养水平的POD 活性上升最大, 中营养水平中的POD 活性变化小, 重富营养水平和Hoagland 培养液的POD 活性变化接近;不同营养水平下生长的金鱼藻的SOD 活性表现为上升, 下降, 再上升, 并在第21 d 达到最大值.富营养水平中生长的金鱼藻SOD活性变化较大, 而在重富营养水平与Hoagland 培养液水平生长的金鱼藻SOD 活性变化较小.
4  讨  论
沉水植物完全水生, 生理上极端依赖于水环境,因而对水质环境的胁迫极为敏感.但是对沉水植物富营养化反应机理一直存在分歧.N 、P 作为重要的营养元素, 其浓度的高低和变化对沉水植物正常生理活动有很大影响.
金鱼藻生长时分泌生物碱, 引起环境条件的改变.本研究发现, 金鱼藻生长使不同氮、磷浓度培养液的pH 值升高, 并维持在8 ~ 9 的水平.同时水体的溶解氧升高.当水体呈碱性且pH 值不断上升时,水体中的NH4+转化成NH3·H2O 形式;加上硝化细菌等生物作用, 硝氮转化成NH4+ , 使水体中氨氮变化极为活跃, 促使水体总氮含量下降.水环境总N 、总P 的变化影响金鱼藻的生物合成.N 、P 在植物生命活动中占有首要地位.N 是参与植物叶绿素生物合成的主要元素之一, P 对N 代谢有重要影响.实验结果表明, 总氮浓度低于1 mg·L-1 , 金鱼藻茎叶的叶绿素合成较低, 总氮浓度大于4 mg·L-1时, 叶绿素含量明显偏高.当总P 浓度低于0.1 mg·L-1 时, 金鱼藻茎蛋白质含量会迅速降低.实验开始时N/P 为10∶1 , 但是随着实验的进行,N/P 均远远大于10 , 不同N/P 是否对金鱼藻生长有影响尚待进一步研究.
另一方面, 逆境胁迫下植物细胞内固有的自由基代谢平衡被破坏而导致过量产生自由基.过量自由基引发或加剧膜脂过氧化作用, 造成细胞膜系统损伤, 干扰植物细胞的光合、呼吸及其他代谢过程,严重时会导致植物细胞死亡[ 4] .SOD 、POD 是酶促防御系统重要保护酶, 正常情况下, 植物体内SOD 、POD 活性维持在一定水平, 以去除不断产生的自由基[ 13 , 20] .本研究发现, 在中营养水平下, 金鱼藻POD 酶活性低, SOD 酶活性高, 表现为蛋白质和叶绿素含量较低;在富营养水平下, SOD 、POD 酶活性最大, 蛋白质和叶绿素含量高于中营养水平;重富营养和Hoagland 培养液营养环境中, 金鱼藻叶绿素含量较高, 其SOD 、POD 酶活性及蛋白质含量都均低于富营养水平.金鱼藻在一定营养浓度(TN 、TP)范围内具有一定的抵抗逆境胁迫、适应环境的能力.但当营养盐浓度过高(重富营养和Hoagland 培养液)超过金鱼藻抗逆能力, 就会严重影响金鱼藻的生理活动, 长期高营养胁迫会抑制金鱼藻的生长, 金鱼藻的抗逆性能受到抑制.
金鱼藻是一种较为耐营养盐的沉水植物, 随着湖泊从贫营养发展成为富营养, 其生物量会有所增加, 并逐渐成为湖泊中的优势物种之一.然而高营养水平对金鱼藻的生长有胁迫现象.如果氮、磷浓度持续增加, 是否会导致金鱼藻消亡, 是否存在决定其存亡的营养盐阈值, 尚待进一步研究