營養(yǎng)液中的臭氧對番茄根系生理指標(biāo)的影響

楊琪+宋衛(wèi)堂+劉超+李晨曦+紀(jì)文鵬

摘要：在對循環(huán)營養(yǎng)液進(jìn)行滅菌時，臭氧表現(xiàn)出較好的殺滅效果。為了探明臭氧在對營養(yǎng)液殺菌的同時是否會對植物根系產(chǎn)生傷害，試驗(yàn)以溫室中基質(zhì)栽培的番茄（Solanum lycopersicum L.）為研究對象，比較了3種不同濃度（0、2.0、4.0 mg/L）臭氧營養(yǎng)液澆灌對番茄幼苗期、開花期和結(jié)果期根系生理指標(biāo)丙二醛（MDA）含量及超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）活性的影響。結(jié)果顯示，2 mg/L的臭氧營養(yǎng)液使番茄幼苗期根系SOD活性較對照下降，開花期CAT活性和結(jié)果期SOD活性較對照均上升，結(jié)果期根系MDA含量較對照顯著升高；4 mg/L的臭氧營養(yǎng)液較2 mg/L處理的MDA含量顯著降低，表明2 mg/L處理有助于番茄根系抵抗臭氧脅迫的傷害；4 mg/L處理會使結(jié)果期番茄根系膜脂過氧化系統(tǒng)遭到破壞，打破了番茄自身可以承受的調(diào)控范圍。因此，4 mg/L的臭氧營養(yǎng)液對結(jié)果期番茄的生長產(chǎn)生了不利影響。試驗(yàn)條件下，營養(yǎng)液中的臭氧安全濃度在2～4 mg/L。

關(guān)鍵詞：番茄（Solanum lycopersicum L.）；臭氧營養(yǎng)液；根系；生理指標(biāo)

中圖分類號：S641.2+7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）20-5271-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.20.026

Abstract： During the sterilization of the circulating nutrient solution， ozone showed a good killing effect. To explore if the ozone would harm the plant roots while sterilizing the nutrient solution， tomato（Solanum lycopersicum L.） in soilless culture greenhouse was irrigated by three different concentration（0， 2.0 mg/L， 4.0 mg/L） of ozone nutrient solution. The root physiological indexes including MDA content， SOD， POD and CAT activity was tested during seedling stage， flowering stage and fruiting stage. The results showed that compared with control， in the 2 mg/L ozone nutrient solution treatment， SOD activity decreased during seedling stage； while of CAT activity during flowering stage and SOD activity during fruiting stage increased； and the content of MDA increased significantly. Of 4 mg/L ozone nutrient solution treatment， MDA content decreased significantly compared with 2 mg/L ozone nutrient solution treatment. The results indicated that 2 mg/L ozone nutrient solution could help the root of tomato to resist the damage of ozone stress. 4 mg/L ozone nutrient solution treatment could damage the root membrane lipid peroxidation system， and break the regulation range of tomato itself. Therefore， 4 mg/L ozone nutrient solution had a negative impact to the growth of tomato. It should be considered that the safe ozone concentrations in the nutrient solution be 2 to 4 mg/L.

Key words： tomato（Solanum lycopersicum L.）； ozone nutrient solution； root system； physiological indexes

臭氧具有極強(qiáng)的氧化性，屬于高效消毒劑[1]，同時又極易分解為氧氣，消毒后不會對環(huán)境造成二次污染，因此是理想的綠色消毒劑[2，3]，被廣泛應(yīng)用于水處理、空氣消毒、醫(yī)療保健、果蔬保鮮、水產(chǎn)養(yǎng)殖等領(lǐng)域[4-7]。關(guān)于臭氧的基礎(chǔ)研究較多[8-11]，而對臭氧應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的研究，是隨著封閉式無土栽培的發(fā)展在20世紀(jì)80年代末開始的[12，13]，研究表明，采用臭氧進(jìn)行營養(yǎng)液消毒、設(shè)施病害防治、基質(zhì)和土壤消毒等方面已產(chǎn)生出相當(dāng)?shù)男Ч哂幸欢ǖ膽?yīng)用前景[14-17]。喻景權(quán)等[18]用臭氧對營養(yǎng)液中的番茄（Solanum lycopersicum L.）青枯病菌（Pseudomanas solanacearum Smith）及枯萎病菌（Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici Snyder et Hansen）孢子進(jìn)行了殺滅試驗(yàn)，結(jié)果表明，通入臭氧氣體（10 L/min）處理45 min后，青枯病菌數(shù)量降低50%左右，90 min后則完全殺滅；而殺滅50%番茄枯萎病菌所需時間為60 min，要使全部孢子死亡所需時間則為120 min。宋衛(wèi)堂等[19]利用臭氧殺滅循環(huán)營養(yǎng)液中黃瓜枯萎病[Fusarium oxysporum（Schl.）f. sp cucumerinum Owen]、番茄枯萎病和十字花科蔬菜軟腐菌（Erwinia carotovora pv. carotovora Dye）3種土傳病原菌，結(jié)果當(dāng)臭氧濃度為0.6 mg/L、接觸時間5 min時，病原菌殺滅率接近100%。徐燕等[20]采用產(chǎn)氣量為4 L/h的臭氧發(fā)生器處理已經(jīng)循環(huán)使用15 d的營養(yǎng)液，結(jié)果通入臭氧5、10、15、20 min后，對其中真菌的殺滅率分別為56.3%、76.5%、85.2%、92.4%；通入臭氧10 min后，對細(xì)菌的殺滅率達(dá)到90%以上。目前，向營養(yǎng)液中通入臭氧氣體進(jìn)行營養(yǎng)液消毒已經(jīng)在實(shí)際生產(chǎn)中得到運(yùn)用，但是營養(yǎng)液消毒后會殘留臭氧，如果用此臭氧營養(yǎng)液直接澆灌植物，是否會對其產(chǎn)生傷害，這個問題尚未見研究報(bào)道。鑒于此，試驗(yàn)在澆灌不同濃度臭氧營養(yǎng)液的條件下，通過檢測番茄根系生理指標(biāo)的變化，明確不同濃度臭氧營養(yǎng)液對番茄生長的影響，以期為在生產(chǎn)中利用臭氧進(jìn)行營養(yǎng)液和基質(zhì)消毒提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

試驗(yàn)分別于2015年3～5月在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院（北京市海淀區(qū)清華東路）、7～10月在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊試驗(yàn)站（北京市海淀區(qū)上莊鎮(zhèn)辛力屯村）實(shí)施。營養(yǎng)液采用改進(jìn)的山崎配方進(jìn)行配制，其中大量元素濃度分別為NO3- 84 mg/L、NH4+ 7 mg/L、P 19.5 mg/L、K 124 mg/L、S 16 mg/L、Ca 40 mg/L、Mg 12 mg/L；微量元素濃度分別為Fe 2 mg/L、Mn 0.2 mg/L、Zn 0.02 mg/L、Cu 0.01 mg/L、B 0.2 mg/L、Mo 0.005 mg/L。栽培基質(zhì)為草炭∶蛭石∶珍珠巖=1∶1∶1（體積比）。番茄品種為浙粉702（S. lycopersicum cv. Zhejiang powder 702）。育苗期為20 d，育苗期結(jié)束后，選取大小長勢相同的番茄幼苗作為試驗(yàn)用番茄苗，定植于用PVC（200 m× 6.0 m）制成的栽培槽中，株距25 cm，行距80 cm，共種植3行。

1.1 臭氧營養(yǎng)液的制備

試驗(yàn)裝置見圖1，主要由氧氣罐、KT-0Z-10G臭氧發(fā)生器（上?？堤丨h(huán)?？萍及l(fā)展有限公司，功率180 W，臭氧濃度30～35 g/m3，臭氧產(chǎn)量10 g/h）、20QY-1不銹鋼自吸式臭氧水氣液混合泵（杭州南方特種泵業(yè)有限公司）、Q45/H64臭氧濃度檢測儀（美國ATI公司，量程為0～20 mg/L）等組成。其中氧氣罐為臭氧發(fā)生器提供氣源，可通過調(diào)節(jié)氣體流量計(jì)調(diào)節(jié)出口流量；臭氧水氣液混合泵將儲液桶內(nèi)裝的營養(yǎng)液與臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧氣體混合，形成一定濃度的臭氧營養(yǎng)液；通過臭氧濃度探測儀的檢測來控制儲液桶中臭氧營養(yǎng)液的臭氧濃度。

1.2 方法

1.2.1 臭氧營養(yǎng)液澆灌試驗(yàn) 試驗(yàn)設(shè)3個處理，每一行一個處理；對照澆灌標(biāo)準(zhǔn)營養(yǎng)液，臭氧濃度處理分別為2.0（D1）、4.0（D2） mg/L，使用儲液桶澆灌，每個栽培行均勻澆灌10 L臭氧營養(yǎng)液或標(biāo)準(zhǔn)營養(yǎng)液（CK），澆灌周期為每隔3 d 1次，澆灌時間為每個處理日的16∶00。由于溫室內(nèi)日間溫度較高，水分蒸發(fā)量比較大，因此會根據(jù)需要對各處理同時以滴灌方式補(bǔ)充水和營養(yǎng)液。

1.2.2 生理指標(biāo)的測定 于定植后15 d番茄幼苗期、30 d番茄開花期、45 d番茄結(jié)果期分別隨機(jī)取根部樣品，進(jìn)行根系生理指標(biāo)的測定；丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法[21]測定，超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍(lán)四唑法[21]測定，過氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法[21]測定，過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外吸收法[21]測定。定植后80 d收獲果實(shí)，統(tǒng)計(jì)各處理產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel 2003軟件處理，并用其做圖；在SPSS 20.0軟件環(huán)境下進(jìn)行方差分析和顯著性測驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度臭氧營養(yǎng)液對番茄生長的影響

在定植80 d后收獲番茄果實(shí)，比較各處理的產(chǎn)量（各取3個穗），結(jié)果對照的產(chǎn)量為（1 789.00±159.84） g/株，臭氧營養(yǎng)液2 mg/L處理為（1 663.63±98.12） g/株、臭氧營養(yǎng)液4 mg/L處理為（1 620.40±167.23） g/株，3個處理之間的單株產(chǎn)量差異都不顯著（P>0.05），并且在整個生長過程中3個處理的植株都沒有出現(xiàn)明顯的萎蔫、干枯或病斑等情況。

2.2 不同濃度臭氧營養(yǎng)液對番茄根系不同生長期生理指標(biāo)的影響

不同濃度臭氧營養(yǎng)液對番茄根系不同生長期生理指標(biāo)的影響情況見圖2。從圖2可見，不同濃度臭氧營養(yǎng)液對番茄根系不同生長期的抗氧化酶活性以及MDA含量影響不同（圖2-A、圖2-B、圖2-C、圖2-D）。2、4 mg/L處理的臭氧營養(yǎng)液對番茄幼苗期、開花期以及結(jié)果期的POD、CAT活性產(chǎn)生了一定的影響（圖2-C、圖2-D），但差異均不顯著 （P>0.05），這與鄭亮[22]和李艷芬[23]的部分研究結(jié)果臭氧營養(yǎng)液處理的CAT活性與對照相比沒有顯著變化相似，可能是與CAT清除H2O2的效率有關(guān)；臭氧營養(yǎng)液處理的POD活性與前人的研究成果出現(xiàn)差異，這可能與植物根部和葉片內(nèi)POD自身還原性強(qiáng)弱存在差異有關(guān)。在SOD活性方面（圖2-B），番茄幼苗期2 mg/L處理的活性顯著低于其余各處理（P<0.05），在其他時期差異不顯著（P>0.05），說明幼苗期番茄并未產(chǎn)生逆境脅迫響應(yīng)；4 mg/L處理較 2 mg/L處理的SOD活性出現(xiàn)了顯著上升（P<0.05），表明4 mg/L的臭氧營養(yǎng)液處理能誘導(dǎo)番茄幼苗期根系SOD活性的提高，從而顯著提高番茄根系的抗氧化能力。在MDA含量方面（圖2-A），番茄結(jié)果期2 mg/L處理的根系含量較對照出現(xiàn)了顯著上升（P<0.05），但4 mg/L處理較2 mg/L處理的MDA含量出現(xiàn)了顯著下降（P<0.05），表明結(jié)果期番茄根系對臭氧較為敏感，4 mg/L臭氧營養(yǎng)液處理打破了番茄自身可以承受的調(diào)控范圍，使結(jié)果期番茄根系膜脂過氧化系統(tǒng)受到了破壞。

2.3 相同濃度臭氧營養(yǎng)液對番茄根系不同生長期生理指標(biāo)的相對影響

由于植物自身在不同生長時期的抗氧化酶和MDA含量會存在差異，為了消除采用絕對值進(jìn)行比較的缺點(diǎn)，定義了一個相對值β，并通過β來判斷臭氧營養(yǎng)液對番茄生長的影響。

β=（處理的對應(yīng)指標(biāo)-對照的對應(yīng)指標(biāo)）/對照的對應(yīng)指標(biāo)×100%，

若β為正值，說明處理的生理指標(biāo)高于同期對照；若β為負(fù)值，說明處理的生理指標(biāo)低于同期對照。β的值越大，說明處理與對照的差異越大，即臭氧處理產(chǎn)生的影響越大。

相同濃度臭氧營養(yǎng)液對番茄根系不同生長期生理指標(biāo)的相對影響情況分別見圖3、圖4。從圖3、圖4可見，在同一濃度臭氧營養(yǎng)液處理下，番茄根系在不同生長時期的抗氧化酶相對活性和MDA相對含量方面出現(xiàn)了不同程度的變化。在2 mg/L臭氧營養(yǎng)液處理下，番茄根系在整個生長過程中的POD相對活性較對照均出現(xiàn)了下降，但差異并不顯著（P>0.05）；在MDA相對含量方面，隨著臭氧營養(yǎng)液處理濃度的增加，番茄根系MDA相對含量在幼苗期、開花期、結(jié)果期出現(xiàn)了遞增，結(jié)果期較幼苗期和開花期出現(xiàn)了顯著上升（P<0.05），說明膜脂過氧化產(chǎn)物在番茄根部產(chǎn)生了積累；在SOD相對活性方面，結(jié)果期較幼苗期出現(xiàn)了顯著上升（P<0.05）；在CAT相對活性方面，開花期較幼苗期出現(xiàn)了顯著上升（P<0.05）。在4 mg/L臭氧營養(yǎng)液的處理下，抗氧化酶相對活性和MDA相對含量在番茄各生長時期都未出現(xiàn)顯著性變化（P>0.05）。這個結(jié)果反映出2 mg/L的臭氧營養(yǎng)液處理誘導(dǎo)了不同生長時期番茄根系SOD相對活性和CAT相對活性的提高，這有助于番茄抵抗臭氧脅迫的傷害。

3 小結(jié)與討論

臭氧本身具有不穩(wěn)定性，理論上臭氧通過氣孔進(jìn)入植物細(xì)胞后，會在轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定狀態(tài)過程中形成活性氧O2-和H2O2等，活性氧大量積累后會干擾植物細(xì)胞中活性氧的產(chǎn)生-清除之間的平衡，降低植物自身活性氧的清除能力，最終會導(dǎo)致膜脂和膜蛋白的損傷，破壞膜結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定性，從而對植物造成傷害[24]。在長期的進(jìn)化過程中，植物形成了酶促和非酶促兩大類保護(hù)系統(tǒng)來保護(hù)自身細(xì)胞免受活性氧的氧化傷害。SOD、CAT、POD是組成植物體內(nèi)酶促體系的重要酶類，SOD是氧自由基代謝的第一個酶類，被認(rèn)為是植物體內(nèi)氧代謝的關(guān)鍵酶，能催化體內(nèi)超氧陰離子（O2-）歧化反應(yīng)產(chǎn)生O2和H2O2，從而避免形成對植物更具危害性的OH-[25]。CAT可將SOD作用過程中產(chǎn)生的H2O2轉(zhuǎn)化為H2O，與SOD協(xié)同作用使活性氧維持在較低水平[26]。在植物細(xì)胞中分解H2O2的酶有很多，CAT和POD被認(rèn)為是植物體內(nèi)保護(hù)細(xì)胞免受H2O2傷害的主要酶。當(dāng)機(jī)體內(nèi)活性氧的累積超過正常狀態(tài)下CAT、SOD等抗氧化酶能有效控制的范圍時，細(xì)胞會增加對這些酶的合成，這些酶的增加以及體內(nèi)膜保護(hù)系統(tǒng)被誘導(dǎo)而加強(qiáng)生理活動是對臭氧等逆境的脅迫響應(yīng)，抗氧化酶活性增高將有助于植物抵抗臭氧脅迫的危害[27]。MDA作為膜脂過氧化的最終產(chǎn)物，能反映機(jī)體內(nèi)膜脂的過氧化程度，從而間接地反映細(xì)胞的損傷程度[28]。

試驗(yàn)中，臭氧營養(yǎng)液處理的番茄根系抗氧化酶活性及膜脂過氧化產(chǎn)物較對照出現(xiàn)了不同程度的差異。2 mg/L的臭氧營養(yǎng)液處理后，出現(xiàn)了不同結(jié)果，在番茄幼苗期，SOD活性較對照出現(xiàn)了顯著下降，說明幼苗期番茄并未產(chǎn)生逆境脅迫響應(yīng)，也可能是臭氧營養(yǎng)液澆灌過程中，臭氧從營養(yǎng)液中溢出來分解成氧氣，而氧氣對根的促進(jìn)作用掩蓋了臭氧的脅迫作用所致；在番茄開花期CAT活性和結(jié)果期POD活性較幼苗期均出現(xiàn)了上升，番茄根系的抗氧化能力得到了明顯增強(qiáng)；在番茄結(jié)果期，MDA的含量較對照出現(xiàn)了顯著性升高，表明結(jié)果期番茄根系對2 mg/L的臭氧營養(yǎng)液產(chǎn)生了抵御作用。4 mg/L的臭氧營養(yǎng)液處理后，結(jié)果期番茄根系MDA含量較2 mg/L處理出現(xiàn)了顯著降低，這表明4 mg/L的臭氧營養(yǎng)液使結(jié)果期番茄根系膜脂過氧化系統(tǒng)受到了破壞，打破了番茄自身可以承受的調(diào)控范圍。因此，4 mg/L的臭氧營養(yǎng)液澆灌對結(jié)果期的番茄生長會產(chǎn)生不利影響。

綜合番茄根系生理指標(biāo)的測定結(jié)果，2 mg/L濃度的臭氧營養(yǎng)液澆灌后，番茄根系并未表現(xiàn)出可視性的傷害；4 mg/L濃度的臭氧營養(yǎng)液處理后，結(jié)果期的番茄根系表現(xiàn)出受到了逆境脅迫的現(xiàn)象。由此可以推測，在試驗(yàn)條件下，臭氧營養(yǎng)液的安全濃度為2.0～4.0 mg/L。因此，采用適當(dāng)?shù)某粞鯘舛群颓‘?dāng)?shù)脑耘嗄Ｊ?，利用臭氧對營養(yǎng)液進(jìn)行消毒是可行的，營養(yǎng)液中殘留的臭氧不會對番茄的生長產(chǎn)生不利影響。

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