柴油胁迫下黑麦草的生理响应

作者: 刘思琦 张凤杰 李奕霏 宫国昊

柴油胁迫下黑麦草的生理响应0

摘 要:近年来,石油泄漏事故频发,严重影响了生态环境安全,因此选用合适的植物进行此类污染土壤修复迫在眉睫。柴油是由石油烃和芳烃组成的混合物,是石油的重要组分,具有较强的黏着力和较低的乳化力。以黑麦草为模型植物,探讨土壤柴油污染条件下黑麦草的生理响应,为选择适宜的植物修复柴油污染土壤提供理论基础。结果表明:质量分数为0.5%的柴油污染显著促进黑麦草生长,质量分数高于1.0%的柴油污染显著抑制黑麦草生长;黑麦草丙二醛浓度随柴油污染质量分数的升高不断下降,可溶性蛋白的质量分数表现为波动变化,脯氨酸的质量分数随着柴油污染质量分数的增加先增加后降低;柴油污染质量分数达到2.0%时,黑麦草生理代谢发生紊乱,不能正常进行代谢活动。

关键词:柴油胁迫;植物修复;黑麦草;丙二醛;可溶性蛋白;脯氨酸

中图分类号:X53 文献标志码:B 文章编号:1674-7909(2023)10-148-3

0 引言

有资料表明,我国每年有近60万t石油污染物进入生态环境,其中约7万t落地原油直接污染土壤[1]。目前,国内外土壤石油污染的威胁不容小觑,加强土壤石油污染防治迫在眉睫。

黑麦草根系发达、分蘖多,耐寒、耐湿、耐盐碱,生命力旺盛[2]。受到不良环境胁迫后,黑麦草会启动自身的抗氧化系统,调节渗透压,具有较强的抗逆性[3-5]。目前已有学者研究证实,黑麦草对多环芳烃具有降解作用,是修复土壤石油污染的优势植物之一[6-7]。柴油是由石油烃和芳烃组成的混合物,是石油的重要组分,具有较强的黏着力和较低的乳化力。基于此,笔者以黑麦草为模型植物,探讨土壤柴油污染条件下黑麦草的生理响应,为选择适宜的植物修复石油污染土壤提供理论基础。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

黑麦草种子购自江苏正大草业,供试土壤为取自内蒙古自治区新巴尔虎右旗的原状土壤,柴油购自大连湾某加油站。

1.2 试验方法

1.2.1 土壤配制。首先,取80%原状土,添加10%草炭和10%沙子,混合均匀。其次,用石油醚在30~60 ℃条件下溶解柴油,之后将其与土壤充分混合,将土壤中柴油的质量分数分别控制在0%、0.5%、1.0%、2.0%。最后,晾干土壤,分装于相同规格的塑料花盆中。每盆装1.5 kg土壤,设置5个重复。

1.2.2 育苗方法。将黑麦草种子浸泡在0.5%次氯酸钠溶液中30 min,之后用蒸馏水漂洗3次。在温室条件下,在清洁土壤中培养幼苗,培育期间定期浇水,保持土壤含水量为田间最大持水量的60%。

1.2.3 移栽定植。出苗2周后,选择长势基本一致、健康的幼苗,移栽入模拟柴油污染的花盆中,每盆栽8株。缓苗3周后,每盆定苗5株,在温室条件下培育90 d。

1.3 指标测定

在培育过程中,每隔7 d测量黑麦草的株高,并记录叶片数。培育90 d后,将收获的黑麦草于烘箱中80 ℃杀青15 min,于60 ℃烘干至质量恒定,粉碎成末后装入自封袋保存、标记,测定黑麦草各项生理指标。其中,可溶性蛋白质量分数测定参考《林业生物质原料分析方法 蛋白质含量测定》(GB/T 35809—2018),丙二醛浓度测定参考《饲料中丙二醛的测定高效液相色谱法》(GB/T 28717—2012),脯氨酸质量分数测定参考《蜂蜜中脯氨酸的测定高效液相色谱法》(GB/T 32946—2016)。

1.4 数据处理与分析

采用SPSS 25.0软件进行单因素方差分析,采用最小显著差数法(Least Significant Difference,LSD)进行显著性检验,采用邓肯氏(Duncan's)新复极差测验法进行多重比较,使用Origin软件绘图。

2 试验结果与分析

2.1 柴油胁迫对黑麦草株高和叶片数的影响

株高和叶片数是直观反映植物长势的指标。如图1所示,90 d的柴油胁迫对黑麦草株高的影响总体表现为高浓度抑制生长、低浓度促进生长;0.5%柴油胁迫下黑麦草的株高高于0%柴油胁迫下黑麦草的株高;0%、0.5%、1.0%柴油胁迫下黑麦草株高先上升后下降,但2.0%柴油胁迫下黑麦草株高持续增长,90 d时达到最大值,与28 d的测量结果相比差异显著(P[<]0.05)。

如图2所示,90 d的柴油胁迫对黑麦草叶片数的影响总体表现与株高相同;0.5%柴油胁迫下黑麦草的叶片数多于0%柴油胁迫下黑麦草的叶片数,但90 d时0.5%柴油胁迫下黑麦草的叶片数少于0%柴油胁迫下黑麦草的叶片数;0%、0.5%柴油胁迫下黑麦草的叶片数在28 d前逐渐增加,此后逐渐减少,而1.0%柴油胁迫下黑麦草的叶片数基本保持缓慢增长态势,2.0%柴油胁迫下黑麦草的叶片数呈波动变化,但波动范围较小。

2.2 柴油胁迫对黑麦草生理指标的影响

丙二醛反映植物细胞膜过氧化程度及植物对逆境条件反应的强弱。如图3所示,丙二醛含量随着柴油污染质量分数的升高而逐渐降低,并在高质量分数处理下略有回升。0%柴油胁迫下丙二醛浓度最高(2.331 μmol/L),受到柴油胁迫后丙二醛浓度迅速减少,1.0%柴油胁迫下丙二醛浓度最低(1.748 μmol/L)。

可溶性蛋白是重要的渗透调节物质和营养物质,对细胞的生命物质及生物膜起到保护作用。因此,经常将其用作筛选植物抗性的指标之一。如图4所示,可溶性蛋白的质量分数随着柴油污染质量分数的增加先小幅度增加后大幅度降低,再大幅度增加,1.0%柴油胁迫下可溶性蛋白的质量分数最低(0.99 μg/g),2.0%柴油胁迫下可溶性蛋白的质量分数最高(1.78 μg/g)。

脯氨酸是植物体内响应污染胁迫的重要渗透调节物质,有助于维持渗透压平衡和细胞膜的稳定,清除活性氧,提高植物的适应能力。如图5所示,脯氨酸质量分数随着柴油污染质量分数的增加先增加后降低,0.5%柴油胁迫下脯氨酸的质量分数最高(0.305 μg/g),2.0%柴油污染下脯氨酸的质量分数最低(0.188 μg/g)。

3 结论与讨论

3.1 结论

试验表明,质量分数为0.5%的柴油污染显著促进黑麦草生长,质量分数高于1.0%的柴油污染显著抑制黑麦草生长;黑麦草丙二醛浓度随柴油污染质量分数的升高不断下降,可溶性蛋白含量随柴油污染质量分数升高表现为波动变化,脯氨酸含量随着柴油污染质量分数的增加先增加后降低;柴油污染质量分数达到2.0%时,黑麦草生理代谢发生紊乱,不能进行正常的代谢活动。

3.2 讨论

3.2.1 黑麦草株高、叶片数对柴油胁迫的响应。该研究发现,0.5%柴油污染显著促进黑麦草生长,质量分数高于1.0%的柴油污染显著抑制黑麦草生长。土壤柴油污染可能通过两种途径抑制植物生长,导致叶片脱落、叶片数减少:一是柴油中分子量较大的组分会在土壤颗粒及根系表面形成油膜,降低土壤的透气性和亲水性,导致养分和水分传输受阻,根系无法正常运输营养物质,致使植物生长迟缓、株高降低[8];二是柴油中分子量较小的组分具有高脂溶性,脂溶性物质可以穿过植物的细胞膜,从而抑制植物的呼吸和蒸腾作用。

3.2.2 黑麦草中丙二醛、可溶性蛋白、脯氨酸含量对柴油胁迫的响应。当生存环境发生变化时,植物细胞可通过累积可溶性蛋白和脯氨酸,启动渗透压调节机制稳定细胞结构和功能,从而维持正常的生命活动。该研究发现,脯氨酸含量随着柴油污染质量分数的增加先增加后降低,0.5%柴油胁迫下脯氨酸的含量最高,2.0%柴油污染下脯氨酸的含量最低。这表明在0.5%柴油胁迫下黑麦草耐受性达到阈值。可溶性蛋白含量随胁迫程度的加剧不断波动,可能是在0.5%的柴油胁迫时黑麦草能促进细胞维持高含量的可溶性蛋白质抵御污染胁迫,但柴油质量分数增加至1.0%时会抑制黑麦草可溶性蛋白质的合成并诱导其降解,使植物新陈代谢紊乱,从而导致可溶性蛋白质含量降低;在2.0%柴油胁迫下,黑麦草生命支持系统彻底紊乱,可溶性蛋白的分解反应受到抑制,表现出可溶性蛋白质合成增强而分解降低的现象。丙二醛含量在柴油胁迫下表现为下降趋势,有助于减轻黑麦草的膜磷脂过氧化作用,从而保护黑麦草细胞膜系统,可在一定程度上缓解柴油毒害对黑麦草的影响。

参考文献:

[1]ZHANG X,LIU Z. Responses of litter decomposition and nutrient release of Bothriochloa ischaemum to soil petroleum contamination and nitrogen fertilization[J].International Journal of Environmental Science and Technology,2019(2):719-728.

[2]BARATI M,SAFARZADEH S,MOWLA D,et al. Effect of barley and oat plants on phytoremediation of petroleum polluted soils[J].Pollution,2020(4):695-703.

[3]贾祥,多吉格桑,赵爱民,等.4种禾本科牧草苗期抗寒性综合评价[J].草地学报,2020(5):1372-1378.

[4]LIU X R,DIAO J G,ZHANG G,et al. Research progress on chemically enhanced phytoremediation of co-contaminated soil[J].Environmental Chemistry,2022(4):1-13.

[5]周际海,郜茹茹,吴雪艳,等.铅镉、石油污染和黑麦草种植对土壤微生物活性的影响差异[J].土壤通报,2019(6):1447-1454.

[6]TAVILI A,JAHANTAB E,JAFARI M,et al. Assessment of TPH and nickel contents associated with tolerant native plants in petroleum polluted area of Gachsaran,Iran[J].Arabian Journal of Geosciences,2019(10):1-9.

[7]LIU W D. Advances in research on rehabilitation of plants on petroleum pollution soil[J].World Scientific Research Journal,2021(6):27-32.

[8]BAKINA L G,POLYAK Y M,GERASIMOV A,et al. Mutual effects of crude oil and plants in contaminated soil:a field study[J].Environmental GeoChemistry and Health,2021(1):69-82.

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