石油污染對蘆葦幼苗生長及生理特性的影響

焦德志 曹瑞 姜秋旭

摘要：為了解石油污染對蘆葦（Phragmites australis）幼苗株高以及生理生化指標的影響，以扎龍濕地蘆葦為研究材料，采用盆栽方法，混入不同質量分數(shù)的石油（0、3、6、12 g/kg），統(tǒng)計蘆葦幼苗株高生長狀況，研究葉片可溶性蛋白、脯氨酸、可溶性糖、丙二醛、葉綠素含量指標的變化，以期為扎龍濕地面臨石油污染的評估提供一定理論依據(jù)。結果表明，隨著石油質量分數(shù)的增高，蘆葦幼苗高度的受抑制程度增大，隨著污染時間的延長，處理組受到的抑制作用加強。隨著石油污染時間的延長，出苗后47 d時，蘆葦葉片可溶性蛋白和葉綠素含量降低，脯氨酸、丙二醛含量升高。由研究結果可知，石油污染會破壞蘆葦?shù)臐B透勢調節(jié)系統(tǒng)，加劇質膜過氧化程度，影響葉綠素的合成，同時也說明蘆葦對不同程度的石油污染具有一定的耐受能力。

關鍵詞：扎龍濕地;蘆葦;石油污染;生理指標

中圖分類號： S564+.201;X171.4 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）07-0239-04

如今，石油己經(jīng)成為人類最主要的能源之一，它的重要性隨著全球對能源的需求的增加而不斷增長。然而在石油開采、煉制、貯運和使用過程中，大量石油的泄露會造成環(huán)境退化[1]。石油污染不僅對陸地生態(tài)系統(tǒng)的組成、結構、功能和服務產(chǎn)生較大影響，而且石油污染物能夠通過食物鏈進入人體，構成對人類健康的威脅，石油中的多環(huán)芳烴和苯系物具有致癌、致突變、致畸變等毒性，具有較大的社會危害[2]。

石油污染對植物根系生長和株高有抑制作用[3]。但不同植物對石油的敏感程度存在差異，玉米和高粱受到石油脅迫時，其株高隨著石油質量分數(shù)的升高而增大，披堿草株高卻呈下降趨勢[4]。較低濃度的石油對植物葉綠素含量的影響不大，隨著石油濃度逐漸升高呈下降趨勢，小白菜葉綠素含量在石油質量分數(shù)為 500 mg/kg 時與對照組無顯著差異，當石油質量分數(shù)升高至 2 000 mg/kg 時，葉綠素含量下降3158%[5]。石油污染會形成植物氧化脅迫，造成脂膜損傷，影響細胞滲透調節(jié)，導致丙二醛、脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖等物質的含量上升[6]。

扎龍濕地保護區(qū)被譽為丹頂鶴的故鄉(xiāng)，1992年被列入國際重要濕地，擁有自然景觀最為原始的濕地生態(tài)系統(tǒng)。由于濕地的2/3區(qū)域邊界與大慶油田采油井和油田化工企業(yè)相鄰[7]，石油開采和運輸過程中泄露和排放的污染物等都會造成嚴重的石油污染，因此，扎龍濕地也將面臨石油污染的嚴重威脅。蘆葦在保護區(qū)中既可形成大面積優(yōu)勢種群落，也可形成亞優(yōu)勢種或者共生種群落，在維持濕地生態(tài)系統(tǒng)的結構和穩(wěn)定上發(fā)揮著重要的作用。以扎龍濕地蘆葦為研究對象，通過盆栽的方法模擬研究不同濃度石油處理蘆葦?shù)纳L和生理變化，不僅有助于完善環(huán)境污染生態(tài)效應的理論和方法體系，更加有助于準確地評價石油污染對扎龍濕地所造成的潛在生態(tài)風險，為大慶油田石油開采過程中的污染控制與生態(tài)環(huán)境管理提供參考[8-9]，為扎龍濕地的科學管理及其生物修復提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用石油為產(chǎn)自大慶油田的原油，蘆葦幼苗及其原位土壤于2017年6月20日在扎龍濕地保護區(qū)核心區(qū)（124°9′1″E、47°17′18″N）采集。

1.2 試驗設計

1.2.1 模擬石油污染 試驗采取混油法，設置4個石油質量分數(shù)：0 g/kg（CK），3 g/kg（T1），6 g/kg（T2），12 g/kg（T3）。處理方法：2017年6月29日將采集的土壤過2 mm篩，分別取上述濃度梯度所需石油于燒杯中，用適量石油醚溶解石油后與土壤進行攪拌、混勻，裝入直徑為30 cm的桶，土質量為16.5 kg，加入1 000 mL水后，置于齊齊哈爾大學生命科學樓下陽光充足處24 h，使其達到吸附平衡。每盆種植蘆葦根莖5條，每個處理組設置3次重復。待根莖萌發(fā)出苗后20、29、38、47 d，分別測量蘆葦幼苗高度，在20、47 d時測定蘆葦相同葉位葉片的生理指標。

1.2.2 測定方法 蘆葦株高測定采用直接測量法;葉綠素質量分數(shù)測定采用乙醇浸泡法;脯氨酸質量分數(shù)測定采用酸性茚三酮法;丙二醛（MDA）濃度測定采用硫代巴比妥酸法;可溶性糖濃度測定采用蒽酮法;可溶性蛋白質量分數(shù)測定采取考馬斯亮藍法。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)結果用GraphPad Prism 6.0和SPSS 20.0進行統(tǒng)計分析，各處理的比較采用最小顯著差數(shù)法，在 α=0.05水平上比較差異的顯著性。

2 結果與分析

2.1 土壤石油污染對蘆葦幼苗株高的影響

由表1可知，蘆葦根莖出苗后20、29、38、47 d，不同濃度石油處理下的蘆葦幼苗株高均顯著低于對照組。出苗后 20 d，與對照組相比，T1、T2、T3組的蘆葦株高分別降低了708%、11.25%、59.17%;出苗后29 d，與對照組相比，T1、T2、T3組的蘆葦株高分別降低了7.92%、15.57%、48.81%;出苗后38 d，與對照組相比，T1、T2、T3組的蘆葦株高分別降低了8.19%、17.86%、46.64%;出苗后47 d，與對照組相比，T1、T2、T3組的蘆葦株高分別降低了9.34%、18.86%、4707%。表明隨著石油濃度增加，對蘆葦株高的抑制作用越強，當處理時間延長后，T1、T2組受到的抑制作用加強，T3組受到的抑制作用減小。

2.2 土壤石油污染對蘆葦葉片可溶性蛋白含量的影響

如圖1所示，不同質量分數(shù)石油處理后，出苗后20 d時，各處理組之間無顯著差異。出苗后47 d時，對照的可溶性蛋白含量最高，石油處理T1、處理T2、處理T3與對照相比，蘆葦葉片可溶性蛋白含量分別下降了8%、30%、36%，其中處理T3蘆葦葉片可溶性蛋白含量顯著低于對照（P<0.05）;出苗后47 d時，對照、處理T1、處理T2的可溶性蛋白含量與20 d相比均有一定增加，而處理T3含量下降。由此表明，在石油污染20 d時，蘆葦中的可溶性蛋白可能還沒有起到調節(jié)作用，各處理組可溶性蛋白含量與對照相比均沒有顯著變化。隨著處理時間延長，蘆葦可溶性蛋白含量不但沒有增加，反而顯著低于同期對照組。

2.3 土壤石油污染對蘆葦葉片可溶性糖濃度的影響

如圖2所示，不同質量分數(shù)石油處理后，出苗后20 d時，蘆葦葉片可溶性糖含量隨著石油質量分數(shù)的增加呈先升高后降低的趨勢，3個處理與對照相比分別上升了10.10%、4842%、34.01%。出苗后47 d時，3個處理的可溶性糖含量均顯著高于對照且隨著石油含量的增大，呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢，其中T2處理可溶性糖含量最高，與對照相比上升了86.12%。石油污染會導致蘆葦可溶性糖含量上升，隨著石油質量分數(shù)的增大，可溶性糖含量增加，但當石油質量分數(shù)超過6 g/kg時，蘆葦葉片可溶性糖合成受阻，這可能是由于石油對蘆葦細胞的脅迫程度超過了可溶性糖調節(jié)的閾值，使其無法發(fā)揮調節(jié)作用。

2.4 土壤石油污染對蘆葦葉片脯氨酸含量的影響

由圖3可見，出苗后20 d時，隨著石油質量分數(shù)的增加，蘆葦葉片脯氨酸含量呈上升趨勢，3個處理與對照相比分別上升了44%、38%、49%，其中處理T3脯氨酸含量最高，處理T1與處理T2之間沒有顯著差異。出苗后47 d時，3個石油處理脯氨酸含量相比于對照分別上升了41%、42%、56%。隨著處理時間的增加，各組脯氨酸含量均有上升。說明石油污染會導致蘆葦葉片脯氨酸積累，隨著石油質量分數(shù)的升高，蘆葦脯氨酸的積累量逐漸增多。

2.5 土壤石油污染對蘆葦葉片丙二醛含量的影響

植物丙二醛的含量可以作為反映植物受到逆境脅迫傷害程度的重要指標之一。由圖4可知，出苗后20 d時，3個處理的MDA含量隨著石油質量分數(shù)的升高均呈上升趨勢，與對照相比分別上升了15.07%、18.79%、41.78%。其中處理T1、處理T2之間沒有顯著差異，而處理T3的MDA含量顯著高于其他3個處理（P<0.05）。在出苗后47 d時，3個處理的MDA含量依舊高于對照，分別上升了6.47%、9.95%、3128%。相比于出苗后20 d時，對照的MDA含量上升，處理T1，處理T2，處理T3的MDA含量下降。說明石油污染能加劇蘆葦膜脂過氧化，導致MDA積累，但在污染后期由于蘆葦多個調節(jié)機制的響應，使MDA積累速度減緩。

2.6 土壤石油污染對蘆葦葉片葉綠素含量的影響

葉綠素含量的多少能表現(xiàn)植物光合作用的水平，可以作為逆境下植物受害程度的評判指標之一。經(jīng)統(tǒng)計分析和多重比較可知，在出苗后20 d時，處理T3的葉綠素含量顯著高于其他3個處理（P<0.05），對照、處理T1，處理T2之間沒有顯著差異。在出苗后47 d時，3個處理的葉綠素含量顯著低于對照（P<0.05），分別下降了12%、47%、55%，處理T2和處理T3之間沒有顯著差異（圖5）。說明在短時間污染下，蘆葦可通過自身的補償效應增加葉綠素的合成，抵抗石油危害。當延長處理時間后，蘆葦自身的補償效應無法起到調節(jié)作用，導致蘆葦葉綠素合成受損，引起葉綠素含量下降。

3 討論

石油的成分較為復雜，其中烷烴最易被植物吸收并會在植物體內造成直接傷害[10-11]。樹脂和瀝青質會黏附在植物根部，阻礙根系的吸收和呼吸功能。石油污染還會導致土壤空隙被堵塞，降低了土壤的透水、透氣性，還會使土壤板結，阻礙植物的生長[12]。

株高能直觀表現(xiàn)植物長勢的好壞。有研究發(fā)現(xiàn)，石油污染會影響植物根系在土壤中吸收營養(yǎng)，或引起蘆葦生理脫水，抑制細胞代謝活動[13]。也有研究表明，石油污染會導致鹽角草、鹽地堿蓬等植物的株高降低，石油濃度過高時，甚至能使植物葉片枯黃，最終使植物死亡[14]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著石油含量的升高，對蘆葦生長抑制作用增強，而隨著污染時間的延長抑制作用略有減弱。這說明石油污染能阻礙蘆葦生長發(fā)育，但蘆葦可以適應并減緩石油污染帶來的傷害。

可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸在植物滲透勢調節(jié)過程中起到重要作用，是植物在逆境條件下保持自身水分平衡和正常生理生化反應的重要機制之一[15]，能有效抵御活性氧對細胞的傷害，但當脅迫程度超過植物的承受能力時，會導致其含量下降[16-18]。石油污染植物也會產(chǎn)生上述低溫、鹽堿，干旱脅迫的結果[19-20]，說明石油污染能引起植物生理干旱，促使植物啟動滲透勢調節(jié)機制緩解脅迫[21]。本試驗結果表明，蘆葦脯氨酸在石油污染下顯著比對照高，且隨著污染時間的增加脯氨酸含量逐漸升高，說明脯氨酸在緩解蘆葦石油脅迫方面起到了重要作用;可溶性蛋白質量分數(shù)在石油污染前期無顯著差異，當污染時間延長后，處理組含量均顯著低于對照，說明可溶性蛋白在蘆葦受到石油脅迫前期，可能由于脅迫程度較低而未能起到調節(jié)滲透勢的作用，但隨著污染時間的增加，蘆葦反而大量消耗可溶性蛋白，使各處理組含量均低于對照，這可能是由于石油污染已經(jīng)破壞了蘆葦滲透勢調節(jié)系統(tǒng)，阻礙了可溶性蛋白的合成;可溶性糖含量呈先上升后下降的趨勢，說明蘆葦在低濃度石油污染下能大量合成可溶性糖，超過可溶性糖的調控閾值后，會導致其含量降低。

丙二醛作為細胞膜脂過氧化產(chǎn)物之一，可以評判植物受到脅迫的程度。有研究發(fā)現(xiàn)，玉米在受到石油污染時會導致葉片MDA含量升高[22]，也有相關研究表明，石油中烷烴、芳香烴等有毒物質會引起植物中毒反應，導致活性氧代謝紊亂而大量積累超過植物所能承受的閾值，最終導致對細胞膜產(chǎn)生損傷[23]。本試驗結果顯示，隨著石油質量分數(shù)的升高，蘆葦葉片丙二醛含量逐漸增加，說明石油污染損傷了蘆葦細胞膜，破壞了細胞結構。

葉綠素是植物進行光合作用的必備物質，葉綠素的含量與植物的光合作用強度息息相關。有研究表明，石油中的大量有毒物質，例如多環(huán)芳香烴、烷烴等會引起植物體內H2O2、 O-2 · ?等活性氧大量積累，對細胞膜系統(tǒng)產(chǎn)生破壞，導致葉綠體被破壞，葉綠素分解[24]。本試驗結果顯示，在出苗后20 d時，處理T3蘆葦葉綠素含量顯著高于對照，處理T1、處理T2與對照相比無顯著差異。隨著污染時間的延長，3個處理的葉綠素含量均顯著低于對照，呈下降趨勢。說明在污染前期，可能因為蘆葦幼苗還在生長旺期，石油未能對蘆葦幼苗葉綠素合成產(chǎn)生影響，隨著污染時間的延長，蘆葦幼苗葉片葉綠素合成系統(tǒng)受到了破壞，致使葉綠素分解，含量下降。

綜上所述，石油污染對蘆葦?shù)纳砩憫绊懼卮螅臀廴究梢云茐奶J葦?shù)募毎そY構以及光合色素合成，影響蘆葦?shù)恼ＩL發(fā)育，但蘆葦可通過滲透勢調節(jié)等機制抵御石油污染帶來的傷害，保持存活狀態(tài)，說明蘆葦具有很好的抗逆性。因此，蘆葦抗逆的分子調控機制和相關信號通路還需要進一步研究。

4 結論

向土壤中添加不同質量分數(shù)的石油會對蘆葦生長產(chǎn)生抑制作用，并且隨著石油質量分數(shù)的升高，抑制作用不斷增強。但隨著污染時間的延長，處理組受到的抑制作用加強。

不同石油質量分數(shù)會影響蘆葦葉片中滲透勢調節(jié)物質的含量。可溶性糖含量隨著石油濃度升高呈先上升后下降的趨勢;可溶性蛋白含量在污染前期無明顯變化，污染時間為47 d時，隨著石油質量分數(shù)的升高而下降;脯氨酸含量在出苗后20、47 d均隨著石油質量分數(shù)的升高而上升。

石油污染會加劇蘆葦葉片細胞膜脂過氧化程度，蘆葦葉片丙二醛含量隨著石油質量分數(shù)的升高而升高。

在石油污染處理蘆葦出苗后20 d時，蘆葦葉綠素含量變化不明顯。但在出苗后47 d時，隨著石油質量分數(shù)的增加，葉綠素含量呈下降趨勢。

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