杨琪+宋卫堂+刘超+李晨曦+纪文鹏

摘要：在对循环营养液进行灭菌时，臭氧表现出较好的殺灭效果。为了探明臭氧在对营养液杀菌的同时是否会对植物根系产生伤害，试验以温室中基质栽培的番茄（Solanum lycopersicum L.）为研究对象，比较了3种不同浓度（0、2.0、4.0 mg/L）臭氧营养液浇灌对番茄幼苗期、开花期和结果期根系生理指标丙二醛（MDA）含量及超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性的影响。结果显示，2 mg/L的臭氧营养液使番茄幼苗期根系SOD活性较对照下降，开花期CAT活性和结果期SOD活性较对照均上升，结果期根系MDA含量较对照显著升高；4 mg/L的臭氧营养液较2 mg/L处理的MDA含量显著降低，表明2 mg/L处理有助于番茄根系抵抗臭氧胁迫的伤害；4 mg/L处理会使结果期番茄根系膜脂过氧化系统遭到破坏，打破了番茄自身可以承受的调控范围。因此，4 mg/L的臭氧营养液对结果期番茄的生长产生了不利影响。试验条件下，营养液中的臭氧安全浓度在2～4 mg/L。

关键词：番茄（Solanum lycopersicum L.）；臭氧营养液；根系；生理指标

中图分类号：S641.2+7 文献标识码：A 文章编号：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

臭氧具有极强的氧化性，属于高效消毒剂[1]，同时又极易分解为氧气，消毒后不会对环境造成二次污染，因此是理想的绿色消毒剂[2，3]，被广泛应用于水处理、空气消毒、医疗保健、果蔬保鲜、水产养殖等领域[4-7]。关于臭氧的基础研究较多[8-11]，而对臭氧应用于农业生产领域的研究，是随着封闭式无土栽培的发展在20世纪80年代末开始的[12，13]，研究表明，采用臭氧进行营养液消毒、设施病害防治、基质和土壤消毒等方面已产生出相当的效果，具有一定的应用前景[14-17]。喻景权等[18]用臭氧对营养液中的番茄（Solanum lycopersicum L.）青枯病菌（Pseudomanas solanacearum Smith）及枯萎病菌（Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici Snyder et Hansen）孢子进行了杀灭试验，结果表明，通入臭氧气体（10 L/min）处理45 min后，青枯病菌数量降低50%左右，90 min后则完全杀灭；而杀灭50%番茄枯萎病菌所需时间为60 min，要使全部孢子死亡所需时间则为120 min。宋卫堂等[19]利用臭氧杀灭循环营养液中黄瓜枯萎病[Fusarium oxysporum（Schl.）f. sp cucumerinum Owen]、番茄枯萎病和十字花科蔬菜软腐菌（Erwinia carotovora pv. carotovora Dye）3种土传病原菌，结果当臭氧浓度为0.6 mg/L、接触时间5 min时，病原菌杀灭率接近100%。徐燕等[20]采用产气量为4 L/h的臭氧发生器处理已经循环使用15 d的营养液，结果通入臭氧5、10、15、20 min后，对其中真菌的杀灭率分别为56.3%、76.5%、85.2%、92.4%；通入臭氧10 min后，对细菌的杀灭率达到90%以上。目前，向营养液中通入臭氧气体进行营养液消毒已经在实际生产中得到运用，但是营养液消毒后会残留臭氧，如果用此臭氧营养液直接浇灌植物，是否会对其产生伤害，这个问题尚未见研究报道。鉴于此，试验在浇灌不同浓度臭氧营养液的条件下，通过检测番茄根系生理指标的变化，明确不同浓度臭氧营养液对番茄生长的影响，以期为在生产中利用臭氧进行营养液和基质消毒提供理论依据。

1 材料与方法

试验分别于2015年3～5月在中国农业大学水利与土木工程学院（北京市海淀区清华东路）、7～10月在中国农业大学上庄试验站（北京市海淀区上庄镇辛力屯村）实施。营养液采用改进的山崎配方进行配制，其中大量元素浓度分别为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；微量元素浓度分别为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。栽培基质为草炭∶蛭石∶珍珠岩=1∶1∶1（体积比）。番茄品种为浙粉702（S. lycopersicum cv. Zhejiang powder 702）。育苗期为20 d，育苗期结束后，选取大小长势相同的番茄幼苗作为试验用番茄苗，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，共种植3行。

1.1 臭氧营养液的制备

试验装置见图1，主要由氧气罐、KT-0Z-10G臭氧发生器（上海康特环保科技发展有限公司，功率180 W，臭氧浓度30～35 g/m3，臭氧产量10 g/h）、20QY-1不锈钢自吸式臭氧水气液混合泵（杭州南方特种泵业有限公司）、Q45/H64臭氧浓度检测仪（美国ATI公司，量程为0～20 mg/L）等组成。其中氧气罐为臭氧发生器提供气源，可通过调节气体流量计调节出口流量；臭氧水气液混合泵将储液桶内装的营养液与臭氧发生器产生的臭氧气体混合，形成一定浓度的臭氧营养液；通过臭氧浓度探测仪的检测来控制储液桶中臭氧营养液的臭氧浓度。

1.2 方法

1.2.1 臭氧营养液浇灌试验 试验设3个处理，每一行一个处理；对照浇灌标准营养液，臭氧浓度处理分别为2.0（D1）、4.0（D2） mg/L，使用储液桶浇灌，每个栽培行均匀浇灌10 L臭氧营养液或标准营养液（CK），浇灌周期为每隔3 d 1次，浇灌时间为每个处理日的16∶00。由于温室内日间温度较高，水分蒸发量比较大，因此会根据需要对各处理同时以滴灌方式补充水和营养液。

1.2.2 生理指标的测定 于定植后15 d番茄幼苗期、30 d番茄开花期、45 d番茄结果期分别随机取根部样品，进行根系生理指标的测定；丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法[21]测定，超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮蓝四唑法[21]测定，过氧化物酶（POD）活性采用愈创木酚法[21]测定，过氧化氢酶（CAT）活性采用紫外吸收法[21]测定。定植后80 d收获果实，统计各处理产量。

1.3 数据处理

试验所得数据采用Microsoft Office Excel 2003软件处理，并用其做图；在SPSS 20.0软件环境下进行方差分析和显著性测验。

2 结果与分析

2.1 不同浓度臭氧营养液对番茄生长的影响

在定植80 d后收获番茄果实，比较各处理的产量（各取3个穗），结果对照的产量为（1 789.00±159.84） g/株，臭氧营养液2 mg/L处理为（1 663.63±98.12） g/株、臭氧营养液4 mg/L处理为（1 620.40±167.23） g/株，3个处理之间的单株产量差异都不显著（P>0.05），并且在整个生长过程中3个处理的植株都没有出现明显的萎蔫、干枯或病斑等情况。

2.2 不同浓度臭氧营养液对番茄根系不同生长期生理指标的影响

不同浓度臭氧营养液对番茄根系不同生长期生理指标的影响情况见图2。从图2可见，不同浓度臭氧营养液对番茄根系不同生长期的抗氧化酶活性以及MDA含量影响不同（图2-A、图2-B、图2-C、图2-D）。2、4 mg/L处理的臭氧营养液对番茄幼苗期、开花期以及结果期的POD、CAT活性产生了一定的影响（图2-C、图2-D），但差异均不显著 （P>0.05），这与郑亮[22]和李艳芬[23]的部分研究结果臭氧营养液处理的CAT活性与对照相比没有显著变化相似，可能是与CAT清除H2O2的效率有关；臭氧营养液处理的POD活性与前人的研究成果出现差异，这可能与植物根部和叶片内POD自身还原性强弱存在差异有关。在SOD活性方面（图2-B），番茄幼苗期2 mg/L处理的活性显著低于其余各处理（P<0.05），在其他时期差异不显著（P>0.05），说明幼苗期番茄并未产生逆境胁迫响应；4 mg/L处理较 2 mg/L处理的SOD活性出现了显著上升（P<0.05），表明4 mg/L的臭氧营养液处理能诱导番茄幼苗期根系SOD活性的提高，从而显著提高番茄根系的抗氧化能力。在MDA含量方面（图2-A），番茄结果期2 mg/L处理的根系含量较对照出现了显著上升（P<0.05），但4 mg/L处理较2 mg/L处理的MDA含量出现了显著下降（P<0.05），表明结果期番茄根系对臭氧较为敏感，4 mg/L臭氧营养液处理打破了番茄自身可以承受的调控范围，使结果期番茄根系膜脂过氧化系统受到了破坏。

2.3 相同浓度臭氧营养液对番茄根系不同生长期生理指标的相对影响

由于植物自身在不同生长时期的抗氧化酶和MDA含量会存在差异，为了消除采用绝对值进行比较的缺点，定义了一个相对值β，并通过β来判断臭氧营养液对番茄生长的影响。

β=（处理的对应指标-对照的对应指标）/对照的对应指标×100%，

若β为正值，说明处理的生理指标高于同期对照；若β为负值，说明处理的生理指标低于同期对照。β的值越大，说明处理与对照的差异越大，即臭氧处理产生的影响越大。

相同浓度臭氧营养液对番茄根系不同生長期生理指标的相对影响情况分别见图3、图4。从图3、图4可见，在同一浓度臭氧营养液处理下，番茄根系在不同生长时期的抗氧化酶相对活性和MDA相对含量方面出现了不同程度的变化。在2 mg/L臭氧营养液处理下，番茄根系在整个生长过程中的POD相对活性较对照均出现了下降，但差异并不显著（P>0.05）；在MDA相对含量方面，随着臭氧营养液处理浓度的增加，番茄根系MDA相对含量在幼苗期、开花期、结果期出现了递增，结果期较幼苗期和开花期出现了显著上升（P<0.05），说明膜脂过氧化产物在番茄根部产生了积累；在SOD相对活性方面，结果期较幼苗期出现了显著上升（P<0.05）；在CAT相对活性方面，开花期较幼苗期出现了显著上升（P<0.05）。在4 mg/L臭氧营养液的处理下，抗氧化酶相对活性和MDA相对含量在番茄各生长时期都未出现显著性变化（P>0.05）。这个结果反映出2 mg/L的臭氧营养液处理诱导了不同生长时期番茄根系SOD相对活性和CAT相对活性的提高，这有助于番茄抵抗臭氧胁迫的伤害。

3 小结与讨论

臭氧本身具有不稳定性，理论上臭氧通过气孔进入植物细胞后，会在转化为稳定状态过程中形成活性氧O2-和H2O2等，活性氧大量积累后会干扰植物细胞中活性氧的产生-清除之间的平衡，降低植物自身活性氧的清除能力，最终会导致膜脂和膜蛋白的损伤，破坏膜结构和功能的稳定性，从而对植物造成伤害[24]。在长期的进化过程中，植物形成了酶促和非酶促两大类保护系统来保护自身细胞免受活性氧的氧化伤害。SOD、CAT、POD是组成植物体内酶促体系的重要酶类，SOD是氧自由基代谢的第一个酶类，被认为是植物体内氧代谢的关键酶，能催化体内超氧阴离子（O2-）歧化反应产生O2和H2O2，从而避免形成对植物更具危害性的OH-[25]。CAT可将SOD作用过程中产生的H2O2转化为H2O，与SOD协同作用使活性氧维持在较低水平[26]。在植物细胞中分解H2O2的酶有很多，CAT和POD被认为是植物体内保护细胞免受H2O2伤害的主要酶。当机体内活性氧的累积超过正常状态下CAT、SOD等抗氧化酶能有效控制的范围时，细胞会增加对这些酶的合成，这些酶的增加以及体内膜保护系统被诱导而加强生理活动是对臭氧等逆境的胁迫响应，抗氧化酶活性增高將有助于植物抵抗臭氧胁迫的危害[27]。MDA作为膜脂过氧化的最终产物，能反映机体内膜脂的过氧化程度，从而间接地反映细胞的损伤程度[28]。

试验中，臭氧营养液处理的番茄根系抗氧化酶活性及膜脂过氧化产物较对照出现了不同程度的差异。2 mg/L的臭氧营养液处理后，出现了不同结果，在番茄幼苗期，SOD活性较对照出现了显著下降，说明幼苗期番茄并未产生逆境胁迫响应，也可能是臭氧营养液浇灌过程中，臭氧从营养液中溢出来分解成氧气，而氧气对根的促进作用掩盖了臭氧的胁迫作用所致；在番茄开花期CAT活性和结果期POD活性较幼苗期均出现了上升，番茄根系的抗氧化能力得到了明显增强；在番茄结果期，MDA的含量较对照出现了显著性升高，表明结果期番茄根系对2 mg/L的臭氧营养液产生了抵御作用。4 mg/L的臭氧营养液处理后，结果期番茄根系MDA含量较2 mg/L处理出现了显著降低，这表明4 mg/L的臭氧营养液使结果期番茄根系膜脂过氧化系统受到了破坏，打破了番茄自身可以承受的调控范围。因此，4 mg/L的臭氧营养液浇灌对结果期的番茄生长会产生不利影响。

综合番茄根系生理指标的测定结果，2 mg/L浓度的臭氧营养液浇灌后，番茄根系并未表现出可视性的伤害；4 mg/L浓度的臭氧营养液处理后，结果期的番茄根系表现出受到了逆境胁迫的现象。由此可以推测，在试验条件下，臭氧营养液的安全浓度为2.0～4.0 mg/L。因此，采用适当的臭氧浓度和恰当的栽培模式，利用臭氧对营养液进行消毒是可行的，营养液中残留的臭氧不会对番茄的生长产生不利影响。

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