由于工农业的快速发展,城镇人口的增加,生活污水和工业废水未经充分处理而大量排放,水体中过量累积氮磷等营养盐而导致水体富营养化^[1]. 湖泊等水体富营养化最显著的外在表现特征之一就是浮游藻类的大量繁殖和蓝绿藻水华频发. 在湖泊等水体中，受气象条件及湖流等的作用，蓝藻细胞易聚集在一起，在湖湾中尤其是水生植物生长区易形成聚集区，蓝藻细胞在高温环境中,水体溶氧耗尽而易出现快速死亡，导致水体出现缺氧乃至厌氧,造成水体出现藻源性“湖泛”现象，对水体及生态环境造成严重的水质污染问题^{[2, 3, 4]}.

在富营养化水体中进行以水生植物控养为主的水体生态修复，是污染水体治理的有效途径之一^[5,6]. 水葫芦，又名凤眼莲，因其扩繁快^[7]、 生物量大、 适应性强^{[8, 9, 10, 11, 12]}等而被广泛用做水环境污染治理的待选植物^[13]. 在研发了规模化控养、 机械化采收和资源化利用的专用装备后，避免了水葫芦因打捞不及时而可能出现的泛滥和水体二次污染等潜在问题，在太湖、 滇池等开展的大面积种养实验取得了较好的水体净化效果^[14,15].

以太湖、 巢湖、 滇池等三大湖泊为代表的重要水体中每年都会出现藻华大量聚集现象,藻华生物大量聚集后，对以水体净化为主的水生植物产生何种影响？ 藻细胞分解后对水体水质、 营养盐以及水生植物产生何种影响? 目前相关研究尚不多见. 因此，针对蓝藻水华大量聚集这一现象，本文主要研究了在25℃下蓝藻不同堆积浓度下与水生植物的相互作用、 蓝藻分解过程中其释放的营养盐是否可以为水生植物利用以及蓝藻在何种堆积程度下会对植物造成不可逆的影响; 并重点探讨了其对漂浮植物水葫芦生理生态变化的影响以及水葫芦的生理响应. 以期为减轻蓝藻聚集对水生植物的影响和提高水体净化效果提供理论支撑. 1 材料与方法 1.1 材料与装置

实验在江苏省农业科学院室外大棚内进行，实验时间自2013年9月开始，共持续22 d. 实验装置为120个高30 cm、 直径20 cm的塑料桶，每个桶内预先放置厚为5 cm、 混合均匀的底泥; 每桶装有采自江苏省农科院 2号塘的水(该池塘上游来水主要为城市生活污水)7.85 L，水深为25 cm.

水葫芦采自江苏省农科院的种苗基地,实验开始前挑选大小一致、 生长健壮、 具5片叶子的幼苗,按照每桶5株放入桶中，待其适应两天后，按设计的浓度加入采自太湖十八湾处堆积的新鲜蓝藻于塑料桶中.

蓝藻添加浓度是根据2007年太湖蓝藻暴发、 产生“黑水团”时的浓度^[16]. 实验设计了5种不同的蓝藻添加浓度: 1～5蓝藻添加浓度分别为0、 30、 60、 90、 120 g ·L^-1，每个处理3个重复. 1.2 样品的采集与分析方法

实验开始后，每天用便携式水质测定仪YSI测定水体的基本理化指标，包括水温(WT)、 溶氧(DO)、 氧化还原电位(ORP)、 pH，为了探讨水葫芦根部在厌氧或缺氧状态下的基本理化指标，测定时把探头放在水葫芦的根部，等读数稳定后开始计数. 每次采集水样和植物样品，带回实验室测定水样的总氮(TN)、 总磷(TP)、 COD、 叶绿素含量(Chl-a). 植物样品洗净后测量根长、 总长、 鲜重、 根系活力; 根据实验过程中植株体的外表变化，抽取实验早中晚期的水葫芦，取顶叶放在液氮中冷冻，测叶片中的可溶性蛋白、 可溶性糖、 丙二醛的含量.

水体TN含量采用碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定^[17]; TP含量采用过硫酸钾消解-钼锑抗比色法测定^[17]; COD的含量采用重铬酸钾法; 藻细胞叶绿素的含量采用热乙醇法^[18]. 水葫芦的根长、 总长和鲜重采用直尺和天平测量. 根系活力采用α-萘胺氧化法，结果用α-萘胺氧化值表示; 叶片可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250法测定^[19]; 丙二醛采用硫代巴比妥酸法^[19]; 叶片可溶性糖采用蒽酮比色法测定^[19]. 1.3 数据分析

采用Excel 2007和Spss 17.0统计软件进行数据处理及统计分析，用one-way ANOVA检验差异的显著水平(P),设显著水平为P<0.05,用Oringin 8.5软件绘图. 2 结果与分析 2.1 蓝藻堆积后水体基本性质的变化

添加不同浓度的蓝藻后，水体WT、 DO、 pH、 ORP呈现不同的变化特征(见图 1). 实验第1 d，加入蓝藻后,水体DO快速下降,处理2的DO由2.2 mg ·L^-1降到0.9 mg ·L^-1,处理3～5的DO降到0.1 mg ·L^-1，都处于缺氧状态，表明蓝藻大量聚集后会很快耗尽水体溶氧含量，这与刘丽贞等^[20]的研究结果一致.

加入蓝藻的处理与对照(处理1)相比，水体pH显著降低，并且随着蓝藻浓度的增加pH降低. 实验第1 d，处理1的 pH为7.2，其他处理的pH依次为7.08、 7.06、 6.91、 6.85. 这可能因为在有蓝藻的水体中，溶解氧很低，微生物进行的厌氧发酵会产生大量的有机酸，蓝藻越多，有机酸的量相对越多，pH越低^[20].

图 1

Fig. 1

图 1 不同蓝藻浓度水体的WT、 DO、 pH 及ORP的变化 Fig. 1 Changes of WT,DO,pH,ORP in water in different concentrations of cyanobacteria

加入蓝藻的处理与对照(处理1)相比，水体ORP也显著降低. 实验第1 d，处理1的ORP为89.8 mV，其他处理的ORP依次为78.3、 49.1、 -13.7、 -79.3 mV. 处理1～3的ORP随着实验的进行变化不大. 但处理4与处理5的ORP大幅度波动，表现为先减小后增加的趋势. 这可能是蓝藻聚集后，水体DO含量快速下降导致水体缺氧、 藻细胞死亡降解产生了大量还原性物质^[20]. 差异性分析显示，实验前8 d，处理1～3的ORP,差异不显著(P>0.05); 从实验第9～18 d，差异显著(P<0.05). 处理3与处理5显著差异(P<0.05)，说明刚开始低浓度的蓝藻对水体的ORP影响小，但高浓度的蓝藻聚集后水体很快出现缺氧乃至厌氧状态，水体的ORP就快速下降并呈现强还原状态. 2.2 蓝藻堆积后水体营养盐的变化

不同浓度蓝藻聚集后，水体TN、 TP、 COD、 叶绿素的变化情况如图 2所示. 加入蓝藻后，水体TN、 TP含量显著增加，并且蓝藻浓度越高，水体TN、 TP含量越高，这是因为蓝藻细胞中含有丰富的氮磷营养物质^[21]. 对照(处理1)的TN随着实验的进行呈下降趋势. 这是因为水葫芦通过直接吸收和间接去除作用，水葫芦对水体氮的去除不仅体现在直接生物吸收上，而且能加速水体的硝化反硝化脱氮作用^[22]. 处理2～5的TN总体呈下降趋势，水体氮素的增减受水葫芦和蓝藻的影响^. 蓝藻浓度低于60 g ·L^-1的处理，水体TN含量波动不大，但大于60 g ·L^-1的处理，水体TN含量变化幅度很大.

对照(处理1)的TP浓度在实验结束的时候有所提高. 这与蒋小欣等^[23]的研究结果相符，也证实低浓度营养盐的上覆水有利于底泥营养盐的释放. 处理2～5的TP变化趋势同TN，原因也同TN.

图 2

Fig. 2

图 2 不同蓝藻浓度水体的TN、 TP、 COD及叶绿素含量的变化 Fig. 2 Changes of TN,TP,COD,chlorophyll in water in different concentrations of cyanobacteria

加入蓝藻处理的水体COD浓度是对照(处理1)的2.1～60.5倍，处理1的COD 呈下降趋势，这是因为水葫芦不断的净化水体，致使水体中有机质等含量不断下降，与谢心义等^[24]的结果几乎一致. 处理2～4的COD浓度也呈下降趋势. 这可能是因为随着蓝藻的消亡，向水体中释放有机物，而水葫芦和水体本身有一定的降解有机物的能力，当降解速率大于藻细胞分解释放速率时，有机物减少. 但处理5的COD最终却有所增加，这可能是由于溶解氧的急剧下降及水体还原性增强，死亡藻类被快速分解，之后大量有机物释放到水体中，降解却受到限制，释放速率大于降解速率，因此COD质量浓度有所升高.

水体叶绿素含量的变化客观上表征了藻类的死亡过程^[21]. 随着实验的进行，水体叶绿素含量呈下降的趋势，表观现象为水体变得清澈. 处理5的水体叶绿素的含量最高. 这可能是由于高浓度的蓝藻降解缓慢. 2.3 蓝藻堆积对水生植物生理生态变化的影响 2.3.1 叶常规生理指标的变化

图 3是添加不同质量蓝藻后，水葫芦生理指标的变化情况. 可溶性蛋白是植物体内重要的渗透调节物,可以反映外界环境变化时蛋白质方面所作出的应答反应. 在逆境条件下,表现出正常蛋白合成受阻. 前8 d，与不加蓝藻的处理1相比，加入蓝藻的处理，随着蓝藻浓度的增加，可溶性蛋白增加.

MDA 含量是反映膜质过氧化强弱的重要指标，其含量可以反映植物遭受逆境伤害的程度^[25]. 细胞内MDA含量的增加是膜系统受伤害的标志之一. 每个处理的MDA随着实验的进行呈增加的趋势，并且蓝藻浓度越高，MDA含量越高.

图 3

Fig. 3

图 3 不同蓝藻浓度水葫芦生理指标的变化 Fig. 3 Changes of physiological indexes of water hyacinth in different concentrations of cyanobacteria

可溶性糖是主要的渗透调节物质,它的含量可以反映植物的生理状况. 在逆境条件下,植物体内可溶性糖含量均有一定程度的增加，这是植物为适应环境的一种保护性反应^[26]. 处理1的植物叶片可溶性糖含量随着实验进行是增加的，这可能是由于处理1的营养盐含量显著减低. 处理2、 处理3的植物叶片中可溶性糖的含量随着实验的进行呈增加的趋势，处理4、 处理5的植物叶片中可溶性糖的含量表现为先增加、 后减小的变化趋势. 2.3.2 植物根系活力的变化

根系活力泛指根系整个代谢的强弱,包括吸收、 合成、 呼吸作用和氧化力等,反映了根系生命活动,根系活力的大小与整个植株生命活动的强度紧密相关. 每个处理其根系活力随着实验的进行呈下降趋势(图 3),正常的根系功能衰退有利于地上部分生育后期成熟,是植物整体发育过程中的一种自身调控^[27]. 不加蓝藻的处理1，实验刚开始和结束其根系活力高于其他各处理. 各处理的根系活力变化趋势一致，随着实验的进行，减小增加再减小. 减小是为了地上部分生育后期成熟，增加是因为水葫芦对蓝藻胁迫有一定的应激能力，水葫芦根系能够保持较高的根系活力,保持较高的吸收与运输功能，再减小是因为随着实验的进行，根系受到损伤，活力下降. 2.3.3 植物生态指标的变化

根长是根系生长发育的重要指标之一,植物根系对于植物获取养分和水分具有重要作用. 在本实验的各处理中水葫芦的根长、 总长、 鲜重与实验开始相比都呈增加的趋势，根长增加0.29～2.44倍,总长增加0.41～0.76倍，鲜重增加0.9～1.43倍，并且随蓝藻浓度的增加,根长、 总长增加的幅度减小(图 4). 实验结束时，蓝藻浓度越高的水体，其根长越短、 总长越短. 有研究表明主根和高级侧根的长度在高氮浓度下趋于下降^[28].

图 4

Fig. 4

图 4 不同蓝藻浓度水葫芦的根长、 总长、 鲜重的变化 Fig. 4 Changes of water hyacinth root length,total length, fresh weight in different concentrations of cyanobacteria

蓝藻堆积后,显著改变了水体的理化性质. 水体DO、 pH、 ORP降低，TN、 TP、 COD升高. 水体处于厌氧、 强还原性、 高营养盐含量的状态. 根据实验结果，发现蓝藻聚集浓度低于60 g ·L^-1的处理中，水体TN含量降低58%～78%、 TP降低43%～68%; 超过60 g ·L^-1的处理中，水葫芦对氮、 磷营养盐的吸收能力降低. 这一现象可能与以下原因有关: 第一，蓝藻浓度过度增加，水体营养盐含量升高，由于凤眼莲对水中N、 P 等营养物的净化效率与水中N、 P 营养的浓度负荷有很大相关性. 随着N、 P 浓度负荷的增加,风眼莲对N、 P 的去除亦增加,但若N、 P 浓度负荷太高,超过凤眼莲的吸收速度,则净化效率反而下降^[29]; 第二，蓝藻浓度过度增加，对水葫芦的胁迫增加，根系活力降低(图 3)，致使其对氮、 磷营养盐的吸收效率降低; 第三，抑或两者的共同作用.

可溶性蛋白作为植物对极端环境的反应测定指标,在干旱胁迫、 盐胁迫、 高温、 寒冷对植物的影响时,都以可溶性蛋白的含量高低作为指标,并且胁迫诱导植物产生新的蛋白质,是产生抗性基因最直观的鉴定指标. 蓝藻胁迫后，叶片可溶性蛋白含量增加，原因可能是蓝藻胁迫或增加了某些抗逆性酶的含量和活性^[30].

郑世英等^[31]研究发现，在正常条件下,植物能有效清除体内活性氧自由基,使细胞免受伤害,但在逆境条件下,活性氧自由基产生速度超过清除能力,植物就会受到伤害,产生MDA,且随着环境Cd浓度的提高,MDA含量呈现逐渐上升的趋势. 本实验中，蓝藻的聚集对水葫芦叶片的MDA含量产生影响，且蓝藻浓度越高，MDA含量越高. 具体而言，水葫芦随着蓝藻胁迫浓度和时间的增加，MDA含量呈现逐渐上升的趋势,说明高浓度的蓝藻处理比低浓度的处理更易使水葫芦受到伤害. 原因可能是，随着蓝藻浓度的增加和实验的推进,水葫芦叶片质膜的组成和完整性遭到破坏,细胞内产生大量自由基,但由于清除自由基的能力下降,引起质膜发生过氧化,MDA含量增加.

植物体内可溶性糖含量的变化是植物体内碳水化合物代谢的重要标志,它既可反映碳水化合物的合成情况,也可说明碳水化合物在植物体内的运输情况,同时碳水化合物的含量变化也可反映出环境对植物生长发育造成的影响. 陈朝明等^[32]研究表明，植物受Cd胁迫后,植物体内可溶性糖含量的变化依赖于Cd的处理浓度,即低浓度处理使植物体内可溶性糖含量增加,而高浓度条件下,植物体内可溶性糖降低,因为植物主要通过消耗大量能量,来抵御Cd的毒害,可溶性糖是植物的主要能量储存形式,据认为这是耐重金属植物消耗能量来运作耐性机制,是对重金属耐性的代价. 本实验结果表明，低浓度的蓝藻处理，可溶性糖含量增加，而高浓度的蓝藻处理，可溶性糖含量，先增加后减小. 这可能也是由于水葫芦受蓝藻胁迫后,水葫芦叶片内可溶性糖含量的变化依赖于蓝藻的处理浓度,即低浓度处理使水葫芦叶片内可溶性糖含量增加,而高浓度条件下,水葫芦叶片内可溶性糖含量先升高后降低. 出现研究结果不一致,可能是由于植物体内可溶性糖含量的变化依赖于处理物质和植物的种类.

丙二醛含量的多少可以直接反映植物在逆境胁迫下受伤害的程度,含量越高,受伤害的程度就越大. 可溶性糖含量在细胞质中大量增加,可以提高植物细胞的渗透调节能力,减低质膜受伤害的程度,对植物抵抗逆境胁迫具有重要作用. 低浓度的蓝藻处理，MDA含量升高、 可溶性糖含量增加，减小水葫芦质膜受伤害的程度，表明水葫芦可以适应; 而高浓度的蓝藻处理，MDA含量升高、 可溶性糖含量先增加后减小，表明高浓度的蓝藻对其产生了不可逆的伤害.

此外，本实验是在较小的封闭环境条件下完成的，封闭的水体与湖泊中开阔的水体可能存在一定的差异. 水葫芦对蓝藻浓度有耐受的范围，可能由于本实验的蓝藻浓度取的不够大，所以没有找出使水葫芦死亡的浓度，又或者由于本实验的温度一直不高，蓝藻自身已经开始死亡.

4 结论

(1)蓝藻聚集浓度低于60 g ·L^-1的处理中，TN降低了58%～78%、 TP降低了43%～68%; 超过60 g ·L^-1的处理中，水葫芦对水体中氮磷的吸收能力降低.

(2)不同蓝藻浓度处理中，在低于60 g ·L^-1的蓝藻聚集下,植物叶片可溶性蛋白、 可溶性糖、 MDA含量增加; 并且蓝藻浓度越高，MDA含量越高; 超过60 g ·L^-1的蓝藻聚集下,植物叶片中可溶性糖的含量，随着实验的进行表现为先增加、 后减小的变化趋势.

(3)各处理中植物的根长、 总长、 鲜重与实验刚开始相比，都呈增加的趋势，根长增加了0.29～2.44倍,总长增加了0.41～0.76倍，湿重增加了0.9～1.43倍，并且随蓝藻浓度的增加,根长、 总长增加的幅度减小.