不同組培方式馬來眼子菜對水質凈化效果研究

周曼舒，張飲江，2，方敬雯，谷 月，姬 芬，嚴 銘，陳曉君

（1上海海洋大學水產與生命學院，上海，201306；2水域環(huán)境生態(tài)上海高校工程研究中心，上海，201306.）

不同組培方式馬來眼子菜對水質凈化效果研究

周曼舒1，張飲江1，2，方敬雯1，谷 月1，姬 芬1，嚴 銘1，陳曉君1

（1上海海洋大學水產與生命學院，上海，201306；2水域環(huán)境生態(tài)上海高校工程研究中心，上海，201306.）

為研究開放式組織培養(yǎng)方式的可行性與應用價值，采用傳統(tǒng)組織培養(yǎng)與開放式組織培養(yǎng)馬來眼子菜（Potamogetonmalaianus），通過圍隔試驗比較兩種方式下培養(yǎng)的馬來眼子菜對水質的凈化效果。結果表明：不同培養(yǎng)方式的馬來眼子菜對水中DO（溶解氧）、TN（總氮）、TP（總磷）、NH3-N（氨氮）、COD和Chl.a（葉綠素a濃度）無顯著性差異，對水質凈化效果差異基本相同。并且相對空白對照，馬來眼子菜在其生長季節(jié)表現(xiàn)出較好的水質凈化效果，因此開放式組織培養(yǎng)方式具較好的應用前景。

開放式組織培養(yǎng)；馬來眼子菜；凈化效果；圍隔試驗

水體富營養(yǎng)化程度擴大，沉水植物群落嚴重受損，導致水質惡化，造成水生態(tài)系統(tǒng)功能退化。研究表明［1-2］，沉水植物恢復后，水體營養(yǎng)循環(huán)速度降低，浮游植物過度增長得到控制，因此，恢復健康水生態(tài)系統(tǒng)的自凈能力是長期穩(wěn)定地解決水污染的根本措施，而沉水植被的種苗快速規(guī)?；敝呈抢_沉水植被恢復以及水體生態(tài)修復與改善水質的難點之一，受到人們的高度重視。

通過無菌操作將外植體接種到培養(yǎng)基，在人工條件下發(fā)展成完整植株的過程為傳統(tǒng)組織培養(yǎng)方式，陸生植物、挺水植物和部分沉水植物已有研究，這是繁殖水生植物種苗生產的主要方法，但這種傳統(tǒng)植物組織培養(yǎng)對環(huán)境條件要求嚴格，需投入大量人力、物力，成本較高，在實際生產中難以廣泛應用。開放式組織培養(yǎng)通過在培養(yǎng)基中加入抑菌劑，讓植物在相對開放條件下可良好生長，已成功應用于菊花及蘭花、葡萄、魔芋、香蕉等植物中［3-7］，既降低成本，又有利于規(guī)模性工廠化養(yǎng)苗生產，因此研究開放式組織培養(yǎng)沉水植物具有重要的學術價值與應用意義。

本研究在前期試驗基礎上，結合利用凱松作為抑菌劑的開放式組織培養(yǎng)模式，通過增殖階段最佳培養(yǎng)基的選擇結合最佳生根培養(yǎng)基質培養(yǎng)出的馬來眼子菜組培苗，與傳統(tǒng)組織培養(yǎng)方式培養(yǎng)的組培苗，建立試驗圍隔，對兩種不同培養(yǎng)方式的馬來眼子菜對水質凈化能力進行深入研究。

1 材料與方法

1.1 供試材料

在上海海洋大學組培實驗室，通過開放式組織培養(yǎng)與傳統(tǒng)組織培養(yǎng)后培養(yǎng)成功的組培苗，并于2014年3月在水域生態(tài)環(huán)境工程上海研究中心實驗室水槽（500 mm×400 mm×300 mm，16—20℃）分別進行暫養(yǎng)（湖泥從上海普露灣試驗塘采?。?，篩選生長健壯，并且長勢相對一致的馬來眼子菜（Potamogeton malaianus）幼苗作為該圍隔試驗的供試材料。

1.2 試驗圍隔

試驗于2014年4—11月進行。試驗圍隔建立于上海海洋大學普露灣試驗基地池塘中，試驗塘長100 m，寬20 m，深1.8 m，基底泥質。試驗前，先將池水抽干并且清理底質。從南向北每排3個，構建3排，用PVC防水布圍隔（1.5 m×1.5 m×1.7 m），PVC膜并隨圍隔支架深入池塘的基底0.3 m，形成圍隔。然后向圍隔內注入相同的水源，水位均為1.5 m，此時，圍隔高出水面0.2 m，圍隔內外基本無水體交換。試驗開始后，圍隔內不再引入任何其他水生生物，無投餌，也不注水或排水（圖1）。

1.3 試驗方法

1.3.1 不同方式培養(yǎng)出的馬來眼子菜移栽密度與比例

試驗圍隔設置完成并加水穩(wěn)定7 d后，開始移栽組培好的馬來眼子菜幼苗。試驗設分為三組：傳統(tǒng)組培培養(yǎng)苗、開放式組培培養(yǎng)苗與空白對照，每個試驗組設3個重復。考慮到圍隔間的可能誤差以及水位在試驗期間的波動，設所有圍隔中的水量均為3 m3，馬來眼子菜100顆/m3，各試驗組圍隔隨機設置（表1）。

圖1 圍隔試驗裝置Fig.1 Them esocosm experiments set

表1 兩種培養(yǎng)方式對馬來眼子菜增殖培養(yǎng)的影響Table 1 Effects of two trainingmethods on Potamogeton malaianus proliferation culture

1.3.2 水質主要指標變化

試驗期間，間隔兩周的15：00于所有試驗組水面下0.5 m處取樣，并采用便攜水下溫度計，便攜pH計，便攜式溶氧儀，便攜式電導儀進行現(xiàn)場檢測，TN、TP、NH3-N、COD以及Chl.a（葉綠素a濃度）均采用《水和廢水檢測分析方法》（第四版）相關方法測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)為平均數(shù)和標準差（Mean±SD），本試驗中重復較少，因此，采用單因素方差分析，并選用LSR多重比較來比較均值間的差異顯著性，顯著性水平為P＜0.10。數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計分析均采用Excel軟件進行。

2 結果與分析

2.1 不同試驗組水體水溫的變化

由圖2可知，試驗期間，所有試驗圍隔中水溫的波動變化基本一致，均隨著季節(jié)的變化呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢，空白對照與兩種培養(yǎng)方式的試驗組對比，皆無顯著性差異。因此，各試驗組之間環(huán)境溫度因素的一致性減少了兩種培養(yǎng)方式對水質影響誤差。

2.2 不同試驗組水體中DO濃度的變化

由圖3可見，在試驗初期，所有試驗組中的DO均在7.85 mg/L左右。試驗期間，隨著水溫的升高，大量藻類開始生長，因此初期DO會有所下降，這與7月1日水溫升高，DO下降的試驗結果一致，但由于馬來眼子菜的作用使得傳統(tǒng)培養(yǎng)與開放式培養(yǎng)試驗組DO稍高于空白對照。隨著馬來眼子菜對環(huán)境的適應，生長趨勢變好，溶氧也會相對于空白對照有所增加，此外，空白對照中的DO與各試驗組中DO變化具有較高的一致性，各時期組間無顯著差異。

圖2 不同培養(yǎng)方式下水溫的變化Fig.2 Changes of water temperature in different culture condition

圖3 不同培養(yǎng)方式下溶氧的變化Fig.3 Changes of DO in different culture condition

2.3 不同試驗組水體中TN濃度的變化

在水體生態(tài)系統(tǒng)中，水體中的有機物與底泥中大量生長的微生物以及其釋放產物是上覆水中的氮重要來源，通過根系的截濾與枝葉的吸附作用，沉水植物去除上覆水中的氮，因此可達到凈化水質的目的。由圖4可見，在試驗初期，TN水平基本上趨于一致，由于植物生長的水體環(huán)境發(fā)生變化，其中內部的微生物群落處于從一種穩(wěn)態(tài)向另一種穩(wěn)態(tài)過渡的階段，植物體系尚未建立，導致水體中的總氮濃度變化無明顯規(guī)律。到試驗中后期，7月1日后，相對于空白對照的各試驗組有了顯著性的差異，即正值生長期的馬來眼子菜表現(xiàn)出了良好的水質凈化效果，而且兩種培養(yǎng)方式的試驗組中總氮的變化并無顯著性的差異。

2.4 不同試驗組水體中TP濃度的變化

TP的去除主要通過藻類細菌的合成代謝、化學反應以及水生植物的吸收等幾種途徑來完成的。由圖5可見，在試驗初期，總磷水平基本趨于一致，同樣由于水體環(huán)境發(fā)生變化，其內部的微生物群落處于從一種穩(wěn)態(tài)向另一種穩(wěn)態(tài)過渡的階段，植物體系尚未建立，導致水體中的TP濃度變化無明顯規(guī)律。到試驗中后期，7月1日后，相對于空白對照的各試驗組有了顯著性的差異，即正值生長期的馬來眼子菜表現(xiàn)出了良好的水質凈化效果，而且兩種培養(yǎng)方式的試驗組中TP的變化并無顯著性的差異。

圖4 不同培養(yǎng)方式下TN的變化Fig.4 Changes of TN in different culture condition

圖5 不同培養(yǎng)方式下TP的變化Fig.5 Changes of TP in different culture condition

2.5 不同試驗組水體中NH3-N濃度的變化

NH3-N的去除主要是通過微生物硝化與反硝化作用，生物的同化吸收等3種機制來完成的。由圖6可見，在試驗初期，由于水體環(huán)境發(fā)生變化，內部的微生物群落將從一種穩(wěn)態(tài)向另一種穩(wěn)態(tài)開始過渡，植物體系尚未建立，導致水體中的NH3-N濃度變化無明顯規(guī)律。從7月1日后，水體溫度開始迅速上升，導致水體藻類大量繁殖，形成郁閉現(xiàn)象，導致水體中大量植物腐爛，因此NH3-N濃度也開始上升，隨之，兩種培養(yǎng)方式的各試驗組效果逐漸顯現(xiàn)，相對于空白對照，馬來眼子菜在其生長季節(jié)表現(xiàn)出較好的凈化效果，而且這兩種培養(yǎng)方式下馬來眼子菜的凈化效果并無顯著性的差異。

2.6 不同試驗組水體中COD濃度的變化

沉水植物主要通過對水體懸浮物的吸附作用與附著微生物的活動來對水體的有機物進行去除，因此水體中懸浮物的吸附量即降低水體中有機物的作用與其生物量和植物體的表面積成正相關。在試驗初期，COD水平基本趨于一致，到試驗中后期，7月1日后，相對于空白對照的各試驗組有較明顯的差異，即正值生長期的馬來眼子菜表現(xiàn)出了良好的水質凈化效果，而且兩種培養(yǎng)方式的試驗組中有機物的變化并無顯著性的差異。

圖6 不同培養(yǎng)方式下NH3-N的變化Fig.6 Changes of NH3-N in different culture condition

圖7 不同培養(yǎng)方式下COD的變化Fig.7 Changes of COD in different culture condition

2.7 不同試驗組水體中Chl.a濃度的變化

由圖8可見，試驗初期各試驗組中的Chl.a均在3.95 mg/L左右，由于絲狀藻漂浮水面，形成“遮蔽作用”，阻礙的浮游藻類的生長，但試驗中后期，馬來眼子菜適應水體環(huán)境，正值生長期，藻類開始逐漸死亡，遮蔽作用減弱，同時釋放大量的營養(yǎng)物質，Chl.a開始上升，最高為（16.64±0.73）mg/L。

圖8不同培養(yǎng)方式下葉綠素a的變化Fig.8 Changes of Chl.a in different culture condition

3 結論與討論

通過觀察與分析可知，通過兩種培養(yǎng)方式培養(yǎng)的馬來眼子菜，對比其水體中主要水質指標TN、TP、NH3-N、Chl.a無明顯變化，發(fā)現(xiàn)對水質凈化能力并無顯著性差異，由于試驗開展時間正值初夏，水溫正在逐步上升，同時也滋養(yǎng)了大量藻類的生長與爆發(fā)，此水溫也迎來了馬來眼子菜的生長旺季，對水體中氮、磷的去除，相對于空白對照有一定優(yōu)勢，但兩種不同培養(yǎng)方式下的凈化能力（綜合各個指標）并無顯著性差異，即開放式組織培養(yǎng)的馬來眼子菜的水質凈化效果與傳統(tǒng)組織培養(yǎng)的馬來眼子菜相當［8-11］。并且，表1中兩種培養(yǎng)方式下馬來眼子菜的增殖芽數(shù)與增殖系數(shù)均表明其生長情況良好，進一步說明了開放式組織培養(yǎng)方式的可行性與應用價值。

3.1 水溫變化對兩種培養(yǎng)方式沉水植物生長的影響

水體環(huán)境中的溫度變化較為緩慢，一般來說，溫度對沉水植物的生長影響效果較小，但是溫度對沉水植物的季節(jié)性生長影響較大，本試驗中，水溫維持在28—32℃，是馬來眼子菜較為適宜的溫度范圍，因此兩種培養(yǎng)方式沉水植物可以較好的生長。陳洪達等［12］通過測定菹草的呼吸作用與光合作用，得知菹草在生長過程中的產氧量隨著溫度的升高而升高，但當溫度達到35℃以上時，它呼吸的耗氧量就會大于光合作用的產氧量。針對不同的沉水植物，由于其生理生態(tài)學特質的差異，因此也會致使溫度對其生長產生的影響也會有所不同。并有研究［13-14］發(fā)現(xiàn)，從抽條生物量、抽條數(shù)目、抽條長度等來看，在32℃時黑藻比狐尾藻有著更好的生長反應。沉水植物的最佳生長狀態(tài)都會對應著較合適的溫度范圍，過低或者過高都會對其生長產生一定的影響。

3.2 兩種不同培養(yǎng)方式沉水植物對水質凈化機制的主要體征

兩種不同培養(yǎng)方式的沉水植物在生長過程中從水層和底泥中吸收營養(yǎng)物質，并轉化為自身的營養(yǎng)結構物質，進而固定水體中的營養(yǎng)鹽，水體中的有機氮被微生物分解轉換，作為植物生長過程中的營養(yǎng)物質的無機氮也會被吸收，來合成蛋白質與有機氮，構成植物自身物質，再通過植物的收割從而達到去除的目的，同樣，水體中的無機磷也是在植物的吸收與同化的作用下轉化成了植物的ATP、RNA、DNA等物質，通過植物的收割被去除，還有研究表明，在生長過程中沉水植物吸收水中溶解性的氮，根系微生物對水體中的氮也有降解作用，因此減少了水體中的氮元素［15-17］；除此之外，在植物生長過程中，水中顆粒態(tài)的氮隨著生物殘體、浮游植物、泥沙等通過吸附、沉淀等原理，沉降到植物表面被植物的生物膜吸附，也會使水體中的氮減少［18］。一般來說，沉水植物對COD的去除過程會出現(xiàn)兩個時期，可能由于剛開始時，植物在干凈的水質中培養(yǎng)了一段時間，當放在污染的湖水中，植物由于缺乏有機質，所以吸收COD較快［19］，而且對水體也有一定的自凈作用，使水質的COD降低。當過一段時間之后，植物吸收已經充足，并且由于沉水植物的新陳代謝作用，導致一些代謝的廢物排入到水體中，此時水體中COD去除趨于稍微減緩的趨勢［20-21］。

3.3 水體生態(tài)修復中沉水植物對水質的影響

生態(tài)技術與物理法及化學法相比，水生態(tài)修復尤其是利用沉水植物來凈化修復水體，不僅去污能力高、不破壞原有生態(tài)環(huán)境，而且節(jié)省費用、能在一些水域中大面積應用。作為水生態(tài)系統(tǒng)中重要的生產者，沉水植物通過吸收水體中的氮、磷等營養(yǎng)物質來維持自身生長與繁殖的需要，并且也可以吸收、富集、降解各種有機污染物。

水體中沉水植物并非數(shù)量越多越好。水生植物對各種污染物（氮、磷、有機物、懸浮物、重金屬、酚、除草劑等）有較好的去除能力，但在水面上極易屏蔽產生自屏效應，壓迫環(huán)境導致二次污染。黃子賢［22］等通過設置不同種植密度梯度來研究4種常見沉水植物（伊樂藻、苦草、馬來眼子菜和輪葉黑藻）對世博后灘公園生態(tài)水系氮、磷污染物的去除率，最終得到適宜得種植密度范圍。

本試驗池塘中原有挺水植物荷花，當荷花、馬來眼子菜等的生長過于旺盛，就會超過水體承受能力，在水體表面形成郁閉的現(xiàn)象，從而會使大量植物體死亡、腐爛，進而向水體中重新釋放各種營養(yǎng)素，導致水體的二次污染［23-26］，影響了其對水體的凈化效能。低密度水生植物凈化效果差，高密度易產生自屏效應，合理的控制植物種植密度才能有效提升水質。因此，在實際工程進展過程中，應該定期收割植物來減少植株腐爛凋亡向水體釋放的營養(yǎng)物質十分必要，以避免水體的二次污染。

3.4 沉水植物植物組織培養(yǎng)快繁技術的探討

湖泊生態(tài)恢復主要以沉水植被為重點，常采用直接播種或移栽幼苗，因此需要大量的幼苗庫。近年來，國外對狐尾藻屬（Myriophyllum L.）和篦齒眼子菜（Potamogeton pectinatus L.）的組織培養(yǎng)繁殖技術研究取得了進展，國內對菹草（Potamogeton crispus L.）、竹葉眼子菜（Potamogeton Malaianus Miq.）、苦草［Vallisneria natans（Lour.）Hara］、微齒眼子菜（Potamogeton maackianus A.Bennett）等植物織培養(yǎng)和快繁技術進行了研究［27-30］。采用植物組織培養(yǎng)技術可快速繁殖繁殖率低的植物，該法易掌握，但在技術應用上與產業(yè)化方面都存在一定問題。

目前生產中常遇見的技術難題，如污染、接種難、生根難、瓶苗生長不良、煉苗移栽成活率低等，盡管試驗組培成功的植物已有很多，規(guī)模化生產的植物卻不多。目前沉水植物的組織培養(yǎng)技術多局限于培養(yǎng)的最終結果及其因素的研究，如愈傷組織激素種類與比例等，但對培養(yǎng)過程中各階段的環(huán)境因子，如溫度、光照等協(xié)同性研究較少，故對不同種類沉水植物組織培養(yǎng)的基礎研究很重要。其次，成本較高。組培養(yǎng)苗生產中的設備、技術投入大，養(yǎng)苗程序復雜，難以迅速推廣應用。因此，優(yōu)化培養(yǎng)基配方，建立高效快繁模式，是未來組織培養(yǎng)技術發(fā)展的有效途徑。此外，人工操作過程中酒精氣味大，費時費力，影響人體健康。故改善組培環(huán)境和操作系統(tǒng)的智能化，是未來組織培養(yǎng)發(fā)展的趨勢。

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（責任編輯：張睿）

Water purification capability of different cultivating ways of Potamogeton malaianus

ZHOU Man-shu1，ZHANG Yin-jiang1，2，F(xiàn)ANG Jing-wen1，GU Yue1，JIFen1，YAN Ming1，CHEN Xiao-jun1
（1School of Aquatic Products and Life Science；2.Engineering Research Center forWater Enviroment Ecology in Shanghai，Shanghai Ocean University，Shanghai201306，China）

In order to study the feasibility and application value of open tissue culture，the traditional and the open tissue culture were used to culture Potamogeton malaianus and to compare the water purification capability of Potamogeton malaianus with two culture ways through the mesocosm experiments.The results showed that changes of several indicators like DO，TN，TP，NH3-N，COD and Chl.a had no significant difference in two cultivating ways and the effect of water purification was basically the same.Comparing with the blank group，P.malaianus showed betterwater purification capability during the growing time，so the open tissue culture way was feasible.

Open tissue culture；Potamogeton malaianus；Purification effect；Mesocosm experiments

S645.9；Q948.8

：A

1000-3924（2017）02-052-06

10.15955j.issn1000-3924.2017.02.10

2016-09-19

國家水體污染控制與治理科技重大專項（2013ZX07101014-004）；上海市科委重大項目（08dz1900408）；上海市重點學科建設項目（Y1110，S30701）；上海海洋大學研究生科研基金項目

周曼舒（1993—），女，在讀碩士，研究方向：水域環(huán)境生態(tài)修復。E-mail：shou＿zms＠163.com

，E-mail：yjzhang＠shou.edu.cn