给水厂残泥免烧陶粒对美人蕉生理特性的影响*

许友泽，李智慧,，郭朝晖，付广义，赵媛媛

(1.湖南省环境保护科学研究院，水污染控制技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410004；
2.中南大学 冶金与环境学院，湖南 长沙 410083)

给水厂残泥(Water Treatment Residual，WTR)是城市自来水厂水处理过程中产生的安全废弃物，主要成分有铁铝絮凝剂、胶体、黏土颗粒等，已被诸多学者证实是一种环境友好型材料.WTR中活性铁铝含量高[1]，孔隙度和比表面积大，因此对污染物具有良好的吸附效果[2-4].研究发现，WTR作吸附剂能有效吸附水体中的单磷酸腺苷[5]、农药残留物[6]、ClO4-[7]、重金属离子[8]等.且与土壤混合种植高羊茅、万寿菊等，能有效提高植株鲜重、营养元素和叶绿素含量[9].基质是诸多水处理工艺的核心，WTR外观类似黏土，将WTR应用于人工湿地、曝气生物滤池工艺发现运行中会出现堵塞或沉降性能差等问题[10].为解决WTR颗粒在水处理工艺中的应用难题，一些学者采用高温煅烧法将WTR制备成烧结陶粒，研究表明WTR烧结陶粒可作为人工湿地与生态浮床等水处理工艺基质，植物在WTR烧结陶粒基质上生长良好[11-12].然而，由于1 000 ℃以上的高温煅烧大大降低了WTR中活性铁铝成分含量，且烧结陶粒孔隙度低，导致WTR烧结陶粒对污染物的吸附能力也随之降低.

基于WTR烧结陶粒作为水处理工艺基质吸附能力弱缺陷，本课题组利用免烧法制备给水厂残泥免烧陶粒(UCWTR)，前期研究发现UCWTR解体率小(3.66%)、机械强度高(破损率和磨损率之和为0.35%，远低于标准值6%)、比表面积大(17.84 m2/g)[13]，且对铅、镉等重金属[14]、氨氮等污染物具有较强的吸附能力，是一种合格的水处理滤料.但诸多水处理工艺是通过基质与植物的协同作用去除废水中的污染物，而植物在UCWTR上的生长特性尚不清楚，尚不能判定UCWTR是否能作为基质推广应用于基质-植物联合作用型水处理工艺中.因此，本研究以美人蕉(Cannaindica)为供试植物，采用温室盆栽试验，以高温煅烧黏土陶粒为参比，考察UCWTR对美人蕉生长特性(生物量、植株数量、株高、根长、最大叶宽)、光合特性(叶绿素、蒸腾作用)、植株抗逆性(过氧化物酶、丙二醛、可溶性蛋白、可溶性糖、根系分泌物)的影响，以期为UCWTR作为美人蕉生长基质，进一步应用于基质与植物联合作用的水处理工艺提供科学依据.

1.1 试验材料

UCWTR为实验室自主制备，原料给水厂残泥采集自湘潭中环水务有限公司，经烘干、粉碎、过筛后与水泥、粉煤灰等混合，利用制丸机制备成粒径为5 mm左右的免烧陶粒.对照基质黏土陶粒购自万源净水材料贸易有限公司，采用高温煅烧而成，具有强度高、质地轻、比表面积大等特点.供试用美人蕉购自沭阳欣唯园林有限公司，高25～30 cm.

1.2 试验设计

2020年11月1日—2021年1月15日进行温室盆栽试验.温室采用空调控温，白天温度设置为28 ℃，夜晚温度设置为18 ℃.采用高压钠灯模拟太阳光照，日照时间设置为9 h(8:00—17:00).盆栽混合排放于温室地面上，每盆间距30 cm，每5 d调整一次盆栽与光源距离.

于2020年11月1日选取叶片数量、生长状况一致的美人蕉中苗18株，移栽入含有不同生长基质的塑料花盆(170 mm×160 mm)内，每盆种植3株.盆栽生长基质为UCWTR和黏土陶粒，各填充1.25 kg，重复3次.适应性培养30 d，每5 d更换一次盆栽内营养液(Hongland营养液)记录种植初期盆栽内美人蕉生长状况(鲜重、株高、最大叶宽、根长等).

2020年12月1日试验开始后，向各盆栽中加入800 mL Hongland营养液，每5 d将剩余溶液倒出测量溶液体积，再往溶液中加入蒸馏水达到800 mL后倒回盆内.为防止水分损失, 在盆下嵌套上不透水塑料盆，植物生长45 d后收获分析.

1.3 指标测定

1.3.1 生长指标测定从2020年12月1日开始每5 d用卷尺测量一次株高(以基质表层为基点量至叶片最高点)、根长(从基质表层量至最长主根顶部)、最大叶宽.培养45 d后采收完整美人蕉，用去离子水冲洗根部，吸干植株表面水分后称得鲜重.各测试指标重复测定3次取平均值.

1.3.2 光合特性指标测定采用分光光度法测定美人蕉叶片中叶绿素a(Chlorophyll a，Chl-a)、叶绿素b(Chlorophyll b，Chl-b)、总叶绿素(Chlorophyll a，T-Chl)、类胡萝卜素含量[15]；
采用盆栽剩余溶液体积表征美人蕉蒸腾作用强弱.

1.3.3 抗逆性指标测定采用愈创木酚法测定叶片过氧化物酶(peroxidase，POD)活性[16]；
采用硫代巴比妥酸比色法测定叶片丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量[17]；
采用考马斯亮蓝G-250法测定叶片可溶性蛋白含量[18]；
采用蒽酮比色法测定叶片可溶性糖含量[15].根系分泌有机酸含量测定参考Wang等[19]采用的高效液相色谱法.

1.4 数据分析

试验所有数据均采用Excel进行统计处理，Origin 2008绘图分析，通过SPSS 22.0进行显著性分析.

2.1 UCWTR对美人蕉生长特性的影响

基质的孔隙度、比表面积、破损率等物理性质是影响植物生长的重要因素.基质的元素组成、pH值等化学性质则是直接影响植物生长的营养条件[20].美人蕉生长状况的变化如表1所示，经过45 d的培养后，2种基质上美人蕉生长状况存在较大差异，UCWTR盆栽内美人蕉生长指标值均高于黏土陶粒盆栽，其中，生物量、植株数量、株高、根长、最大叶宽等分别是其1.28倍、1.42倍、1.3倍、1.8倍、1.53倍.现有研究发现，美人蕉生长受基质排水性、透气性和养分影响明显[21].在本研究中，UCWTR吸水率为31.76%，堆积密度为900～950 kg/m3.将盆栽取出测定下部塑料盆内剩余溶液溶解氧浓度发现，UCWTR盆栽剩余溶液溶解氧浓度达4.41 mg/L，黏土陶粒盆栽仅为3.78 mg/L，这可能是由于UCWTR具有较高的吸水性和孔隙率，能有效增强美人蕉根系活性，促进美人蕉植株生长.图1～图4表示美人蕉生长状况随培养时间的变化.随培养时间延长，UCWTR盆栽中美人蕉生长状况均优于黏土陶粒盆栽.其中，在45 d培养期间，UCWTR盆栽美人蕉植株数量基本稳定(黏土陶粒盆栽数量下降50%)，株高、根长增长35.98%和51.07%(黏土陶粒盆栽基本稳定)，但最大叶宽略下降4.5%(黏土陶粒盆栽显著下降39.07%).与初始状况相比，UCWTR盆栽和黏土陶粒盆栽美人蕉生物量分别平均每盆增加51 g和20.89 g，株高平均每盆增长10.46 cm和0.13 cm，根长平均每盆增长8.34 cm和1.34 cm.培养45 d后，各盆栽美人蕉新生植株出现死亡现象，且叶片出现由边缘向中心枯萎的现象，导致UCWTR和黏土陶粒盆栽美人蕉数量分别平均每盆减少0.33株和4株，最大叶宽分别平均每盆减少0.33 cm和2.93 cm.

表1 UCWTR和黏土陶粒基质上美人蕉生长状况

图1 美人蕉数量随培养时间的变化Fig.1 Changes in the number of Canna indica with cultivation time

图2 美人蕉株高随培养时间的变化Fig.2 Canna indica height changes with cultivation time

图3 美人蕉最大叶宽随培养时间的变化Fig.3 Change of maximum leaf width of Canna indica

图4 美人蕉根长随培养时间的变化Fig.4 Canna indica root length changes with cultivation time

2.2 UCWTR对美人蕉光合特性的影响

2.2.1 UCWTR对美人蕉叶片叶绿素含量的影响叶绿素是植物光合作用的基础物质[22]，叶绿素含量越高表明植物的光合能力越强[23].研究表明，植物生长基质组分能对叶片叶绿素含量和净光合速率产生一定的影响[24-25].图5表示培养45 d后不同生长基质上美人蕉叶片中各叶绿素含量的分布，UCWTR基质能提高美人蕉叶片中叶绿素含量，增强美人蕉光合作用强度.UCWTR盆栽中美人蕉叶片Chl-a、Chl-b及T-Chl含量均高于黏土陶粒盆栽，分别为黏土陶粒盆栽的1.44倍、1.76倍和1.42倍，但类胡萝卜素含量较黏土陶粒盆栽下降5.48%，说明UCWTR能有效促进美人蕉叶片叶绿素的生成，提高叶片中叶绿素含量，增强美人蕉光合作用强度.这可能是与UCWTR上美人蕉数量、株高、叶片面积增大有关，这与刘金玉等[26]、程朝霞等[27]、张运红等[28]的研究结果类似.各叶绿素中T-Chl含量差异最显著(0.65 mg/g)，其次为Chl-a(含量差0.5 mg/g).

图5 美人蕉叶片各叶绿素含量Fig.5 Chlorophyll content of Canna indica leaves

2.2.2 UCWTR对美人蕉蒸腾作用的影响蒸腾作用是植物与外界进行物质交换的重要作用，植物通过蒸腾作用一方面向环境释放大量的水分[29]，另一方面吸收CO2为光合作用提供碳源.同时，植物蒸腾作用能有效降低叶片温度，提高植物体内物质传递速率[30].光合有效辐射、温度、CO2浓度、气孔导度等都会对植物蒸腾作用产生影响[31].不同生长基质上美人蕉蒸腾作用随培养时间的变化如图6所示.随培养时间的增加，各盆栽中美人蕉蒸腾水量均呈波动趋势，这说明美人蕉光合作用可利用CO2持续波动，因而可能导致光合速率不稳定.这可能与美人蕉生长状况差异和距光源距离变化有关[21].相较黏土陶粒盆栽，UCWTR盆栽中美人蕉蒸腾作用波动更显著.其中30～35 d期间UCWTR盆栽中美人蕉蒸腾水量波动最明显，是25～30 d期间的1.91倍，较黏土陶粒盆栽蒸腾水量增加显著，光合作用可利用碳源升高.35～40 d 期间UCWTR盆栽和黏土陶粒盆栽美人蕉蒸腾作用减少显著，分别下降为30～35 d期间的63.21%和81.15%，叶片吸收CO2含量减少显著.在45 d试验期间，UCWTR和黏土陶粒盆栽中美人蕉蒸腾作用平均每盆消耗水量为45.68 mL/d和36.62 mL/d，蒸腾作用分别是试验初期(0～5 d)的1.09倍和2.83倍.

图6 美人蕉蒸腾作用随培养时间的变化Fig.6 Changes of Canna indica transpiration with cultivation Time

生长基质的物理、化学性质会直接影响植物的生理特性，其中光合作用作为植物将光能转化成化学能合成有机物、维持自身生长发育和大气碳氧平衡的重要作用，叶绿素和可利用碳源含量的差异会对净光合速率产生影响.本研究结果显示：UCWTR基质上生长的美人蕉叶片叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量以及日均蒸腾作用强度都高于黏土陶粒盆栽.相较黏土陶粒盆栽，UCWTR盆栽中美人蕉植株高度较高、叶片宽度较大、叶片颜色加深、叶内叶绿素含量增高，因此光能吸附量更大.同时，UCWTR盆栽中美人蕉日均气孔导度增大，导致胞间CO2浓度升高，光合作用可利用碳源含量增加，净光合速率提升，植物光合作用增强.

2.3 UCWTR对美人蕉植株抗逆性的影响

2.3.1 UCWTR对美人蕉叶片POD活性和MDA含量的影响POD是植物光呼吸作用的重要物质，能参与植物体内物质转化和活性氧的清除[32].MDA是膜脂过氧化的最终分解产物，其含量可以反映植物遭受逆境伤害的程度.POD能通过清除细胞受损后叶绿体和线粒体产生的过氧化氢来增强植物抗逆性[33].不同生长基质上美人蕉叶片POD活性和MDA含量如表2所示.盆栽培养45 d后，与黏土陶粒盆栽相比，UCWTR盆栽上美人蕉叶片POD活性较低、MDA含量略高.具体而言，相较黏土陶粒盆栽，UCWTR盆栽中美人蕉叶片POD活性减少23.81%，MDA含量增加22.45%，说明UCWTR盆栽内美人蕉抗逆性下降，细胞受损较重，叶片酶活性降低，导致体内物质转化效率和活性氧清除能力低于黏土陶粒盆栽.

表2 美人蕉叶片POD活性和MDA含量

2.3.2 UCWTR对美人蕉叶片可溶性蛋白和可溶性糖含量的影响植物细胞抗逆性与可溶性蛋白和可溶性糖含量成正相关[34].不同生长基质上美人蕉叶片可溶性蛋白和可溶性糖含量如图7所示，UCWTR盆栽可溶性蛋白和可溶性糖含量均高于黏土陶粒盆栽，植物抗逆性较强.培养45 d后，与黏土陶粒盆栽相比，UCWTR盆栽中美人蕉叶片可溶性蛋白和可溶性糖含量分别是其1.34倍和1.27倍，其中UCWTR盆栽美人蕉叶片可溶性蛋白和可溶性糖含量分别达到2.74 mg/g和2.29 mg/g.这可能是由于UCWTR盆栽中美人蕉受到环境胁迫较强，细胞通过提高代谢水平，加速可溶性蛋白和可溶性糖合成来提高植株抗逆性[35]，这与鲁敏等[36]研究结果一致.

图7 美人蕉叶片可溶性蛋白和可溶性糖含量Fig.7 Soluble protein and soluble sugar content of Canna indica leaves

2.3.3 UCWTR对美人蕉根系分泌物的影响根系分泌物是植物代谢过程中直接或间接向根际分泌的化合物，包括氨基酸类、糖类、有机酸类等[37]，能调控植物生长环境[38]，促进植物生长发育[39].研究发现，植物生长基质能有效影响根系有机酸的分泌[40].植物通过根系分泌物来实现与根际环境之间的物质交换和信息交流，以此来调节植物生长环境，提高植物抗逆能力[41].其中小分子有机酸如草酸、乙酸、丙二酸、柠檬酸等在根系分泌物中占比较大，对调节植物根际环境、加速物质溶解[42]、增强基质养分供应[43]、抑制环境胁迫[44]等方面具有重要意义.

图8和图9表示美人蕉根系分泌有机酸含量随培养时间的变化.不同生长基质上美人蕉根系分泌有机酸种类和总量均随培养时间延长而显著减少(P<0.03)，这可能是由于盆栽试验仅在开始时添加营养液，而后期只补充蒸馏水，导致植物根系可利用养分逐渐减少，根系分泌物合成受抑，且原有有机酸部分用于调节根际生长环境，抑制基质对美人蕉的胁迫作用，提高美人蕉抗逆性.培养初期，UCWTR和黏土陶粒盆栽美人蕉根系分泌有机酸中检出草酸、乙酸和丙二酸，但第10 d有机酸种类发生变化，丙二酸含量低出检出限.

图8 美人蕉根系分泌草酸含量变化Fig.8 Changes of oxalic acid of Canna indica

图9 美人蕉根系分泌乙酸含量变化Fig.9 Changes of acetic acid by Canna indica roots

在整个45 d的培养过程中，各生长基质上美人蕉根系分泌草酸和乙酸含量均呈持续下降趋势，其中乙酸含量在培养后期趋于稳定.具体而言，UCWTR盆栽美人蕉根系分泌草酸含量呈波动下降趋势，在5～10 d和20～25 d草酸含量分别增加11.49%和37.85%，且在第10 d UCWTR盆栽中草酸含量增加到最大值(4.95 g)，这可能是由于美人蕉在此期间内光合作用增强导致体内有机物增多，植株、根系等生长较快，根系分泌物合成增加.但在15～20 d和30～35 d草酸含量下降显著，分别减少34.10%和26.70%.黏土陶粒盆栽草酸含量随培养时间延长稳定下降，至45 d下降至栽培初期(0 d)的45.23%.

美人蕉根系分泌乙酸含量呈“极速下降-保持稳定”趋势.其中UCWTR盆栽在初始培养15 d内急剧下降99.35%，之后保持稳定，这可能是由于前期美人蕉生长环境对植株胁迫较强，尤其是UCWTR盆栽碱性较高(pH=9)，根系分泌有机酸用于调整生长环境和抑制环境胁迫，后期美人蕉生长趋于稳定，植物抗逆性提高，根系分泌物减少.黏土陶粒盆栽在培养前期25 d内下降78.28%，后期下降缓慢，至40 d下降到最低值(0.06 g)，并在40～45 d期间有轻微上升趋势.在整个45 d试验期间，UCWTR盆栽乙酸含量均低于黏土陶粒盆栽，其中第10 d时，乙酸含量相较黏土陶粒盆栽减少81.46%.

UCWTR和黏土陶粒基质上生长的美人蕉均受到不同程度的环境胁迫，植物通过增强叶片酶活性、加速物质合成、分泌有机酸等措施来调节根际生长环境，抑制环境胁迫，提高植株抗逆性.各盆栽上生长的美人蕉通过根系分泌有机酸降低盆栽溶液碱性，调整植株生长环境，尤其是UCWTR盆栽，溶液酸碱度由9下降为6.随培养时间延长，盆栽溶液内养分含量急速下降，导致根系有机酸合成受抑，溶液有机酸含量下降并趋于稳定.除此之外，美人蕉还能通过增强叶片酶活性、提高可溶性蛋白和可溶性糖含量，加速细胞有害物质的清除、调整细胞渗透性，提高植株抗逆性.本研究结果显示：相较黏土陶粒盆栽，UCWTR盆栽上生长的美人蕉受到的环境胁迫较小，植物抗逆性较强.

(1) UCWTR基质上生长的美人蕉生长指标值均高于黏土陶粒，其中，生物量、植株数量、株高、根长、最大叶宽等分别是其1.28倍、1.42倍、1.3倍、1.8倍、1.53倍;

(2) UCWTR基质上生长的美人蕉光合能力较强、蒸腾作用强度较高.与黏土陶粒相比，UCWTR基质上生长的美人蕉叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量和日蒸腾水量分别是其1.44倍、1.76倍、1.42倍和1.25倍;

(3) UCWTR基质上生长的美人蕉能利用根系分泌的有机酸，调控根际生长环境，抑制环境胁迫.同时通过增加体内可溶性蛋白和可溶性糖含量，提高植物抗逆性.

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