2種藻類(lèi)儲(chǔ)磷釋磷過(guò)程與生長(zhǎng)情況對(duì)比

吳 珊,張曉萍,張福萍

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,北京 100124)

2種藻類(lèi)儲(chǔ)磷釋磷過(guò)程與生長(zhǎng)情況對(duì)比

吳 珊,張曉萍,張福萍

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,北京 100124)

在不同氮磷比的培養(yǎng)條件下,利用實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)培養(yǎng)試驗(yàn),通過(guò)結(jié)合銅綠微囊藻和小球藻生長(zhǎng)情況分析對(duì)比了銅綠微囊藻和小球藻的儲(chǔ)磷能力和營(yíng)養(yǎng)利用特征.結(jié)果表明,在培養(yǎng)環(huán)境下,2種藻類(lèi)都能夠在最初的延滯生長(zhǎng)期首先將水中全部磷吸收并儲(chǔ)存于細(xì)胞體內(nèi),而后隨著生長(zhǎng)的需要和環(huán)境的變化,適時(shí)將體內(nèi)的磷釋放出來(lái)供細(xì)胞繁殖所用,但銅綠微囊藻和小球藻在不同氮磷比的營(yíng)養(yǎng)條件下釋磷生長(zhǎng)的規(guī)律表現(xiàn)有所差別.因此,在以磷作為水體是否會(huì)發(fā)生水華的監(jiān)測(cè)指標(biāo)時(shí),應(yīng)注意到對(duì)藻類(lèi)生長(zhǎng)而言水中磷的存在具有隱蔽性這一特點(diǎn),需要使水中的磷質(zhì)量濃度始終保持較低水平,包括在藻類(lèi)的低速生長(zhǎng)期,這樣才能確保減少水華發(fā)生的可能性.

銅綠微囊藻;小球藻;超前儲(chǔ)磷;氮磷比;水華

水體中磷含量的高低是湖泊、海洋等水體是否會(huì)出現(xiàn)水華現(xiàn)象的重要限制因素之一.藻類(lèi)從水中攝取磷后,在體內(nèi)合成磷化合物,支持其正常的代謝作用.研究[1-2]表明,磷是限制水生生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)力水平的關(guān)鍵因素,過(guò)量磷的輸入是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題的主要原因之一.因此,水中磷的質(zhì)量濃度通常作為水體是否會(huì)發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的監(jiān)測(cè)指標(biāo).Droop方程證明了浮游植物有儲(chǔ)存營(yíng)養(yǎng)鹽的功能[3],當(dāng)介質(zhì)中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度很低時(shí),浮游植物消耗其內(nèi)部?jī)?chǔ)存的營(yíng)養(yǎng)鹽用于生長(zhǎng),當(dāng)外界營(yíng)養(yǎng)鹽濃度很高時(shí),浮游植物會(huì)儲(chǔ)存所吸收而又來(lái)不及消化的營(yíng)養(yǎng)鹽,用于緩解外界營(yíng)養(yǎng)鹽變化帶來(lái)的影響.因此,在不同氮磷比條件下,比較不同種類(lèi)藻種以其生長(zhǎng)狀況來(lái)表征的對(duì)磷的吸收利用規(guī)律對(duì)于確定更科學(xué)和更準(zhǔn)確的水華發(fā)生監(jiān)控指標(biāo)具有重要而實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值和一定的基礎(chǔ)理論意義.筆者采用實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)培養(yǎng)的方式,分別以自然水體和再生水為補(bǔ)充水源的水體發(fā)生水華常見(jiàn)的優(yōu)勢(shì)藻種銅綠微囊藻(Microcysti aeruginosa)和小球藻(Chlorella vulgaris)為對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)研究,通過(guò)藻細(xì)胞密度、比增長(zhǎng)率及胞外磷濃度值相互結(jié)合進(jìn)行對(duì)比分析.

1 試驗(yàn)方法和分析項(xiàng)目

1.1 藻種

試驗(yàn)研究分別選用了自然水體水華的優(yōu)勢(shì)藻種——銅綠微囊藻和以再生水為補(bǔ)給源的水體爆發(fā)水華時(shí)常見(jiàn)的小球藻.純?cè)宸N來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院武漢水生生物研究所,經(jīng)擴(kuò)大培養(yǎng)作為試驗(yàn)藻種.

1.2 試驗(yàn)方法

采用湖水培養(yǎng)基,所取湖水經(jīng)0.45μ m濾膜后,于108kPa壓力和120℃下蒸煮15min,儲(chǔ)于玻璃容器中,于黑暗處4℃保存.試驗(yàn)時(shí),在定量湖水中加入不同比例的磷(KH2PO4)和氮(NH4Cl)作為氮磷營(yíng)養(yǎng)源.

參考相關(guān)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)確定試驗(yàn)中基本氮磷值及其不同變化比例,各試驗(yàn)組如表1所示,觀察分析藻類(lèi)的生長(zhǎng)情況.

表1 試驗(yàn)中氮磷質(zhì)量濃度及氮磷比值Table 1 Mass concentration of N and P and N/P ratios for tests

試驗(yàn)前限制藻類(lèi)的營(yíng)養(yǎng)供給,試驗(yàn)時(shí)培養(yǎng)基中接入經(jīng)無(wú)氮磷化處理過(guò)的藻種,25℃、光照強(qiáng)度3000lx,光暗時(shí)間比為12h∶12h的條件下培養(yǎng)21d,期間每天搖動(dòng)3～4次.

試驗(yàn)所用玻璃器皿均先于1mol/L的HCl溶液中浸泡2d,用去離子水沖洗干凈消毒后于150℃烘箱中備用.

1.3 分析與測(cè)試

a.藻細(xì)胞密度:XB-K-25型血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù).

b.吸光度:每隔2d定時(shí)取藻液,分別在440nm和510nm下用分光度計(jì)測(cè)定.

c.胞外磷質(zhì)量濃度測(cè)定:經(jīng)微孔濾膜過(guò)濾的藻液的濾液,用抗壞血酸還原的磷鉬藍(lán)法測(cè)定活性磷酸鹽.

2 結(jié)果和討論

2.1 胞外磷含量變化對(duì)比分析

圖1反映了不同氮磷比條件下,銅綠微囊藻胞外磷質(zhì)量濃度變化情況;圖2反映了不同氮磷比條件下,小球藻胞外磷質(zhì)量濃度變化情況.

圖1 銅綠微囊藻胞外磷質(zhì)量濃度Fig.1 Mass concentration of P outside Microcystic aeruginosa cells

由圖1可見(jiàn),銅綠微囊藻在接種后9 d內(nèi),不論培養(yǎng)基中磷的質(zhì)量濃度如何變化(0→2.5mg/L),其胞外磷質(zhì)量濃度幾乎一直接近于0mg/L.說(shuō)明其一進(jìn)入培養(yǎng)水體就立即將其中磷全部吸收并儲(chǔ)存于體內(nèi).其中a試驗(yàn)組(即磷不變氮增加組),在9～12d時(shí)出現(xiàn)大量釋磷現(xiàn)象,12 d時(shí)達(dá)到峰值,之后胞外磷質(zhì)量濃度再次下降,磷被吸收,15d時(shí)達(dá)最小值,之后總體上逐漸趨穩(wěn).在a′組(即氮不變磷增加組),9d時(shí)開(kāi)始釋磷后逐步呈上升趨勢(shì)至趨穩(wěn),沒(méi)有出現(xiàn)再次吸收情況.對(duì)比a組和 a′組藻類(lèi)所釋放的胞外磷質(zhì)量濃度并結(jié)合圖3銅綠微囊藻生長(zhǎng)曲線綜合分析可以看出:藻類(lèi)生長(zhǎng)對(duì)氮磷比是有一定要求的,銅綠微囊藻在氮充足條件下,對(duì)培養(yǎng)初期儲(chǔ)存于體內(nèi)的磷利用率很高,釋放到胞外的磷量很少,這種情況下,雖然測(cè)定水中磷質(zhì)量濃度不高但藻類(lèi)實(shí)際仍然在大量生長(zhǎng);而在氮受限的情況下,銅綠微囊藻會(huì)將貯存于體內(nèi)多余的磷逐步全部釋放到水體中,此時(shí)表現(xiàn)出水中磷質(zhì)量濃度很高,銅綠微囊藻仍然保持大量生長(zhǎng)狀態(tài),說(shuō)明相對(duì)來(lái)說(shuō)其可以適應(yīng)低營(yíng)養(yǎng)條件.

由圖2可見(jiàn),小球藻接種不久就將水體中的磷全部吸收,胞外磷質(zhì)量濃度幾乎為0mg/L,但釋磷時(shí)間比銅綠微囊藻滯后,基本到12d以后才開(kāi)始,且上升速率較快.比較同樣m(N)∶m(P)的a,b組的釋磷值,小球藻明顯低于銅綠微囊藻,說(shuō)明小球藻生長(zhǎng)所攝取的N,P營(yíng)養(yǎng)高于銅綠微囊藻.所以,在營(yíng)養(yǎng)比較豐富的再生水中它可以成為優(yōu)勢(shì)藻類(lèi).b′組同樣12d時(shí)開(kāi)始大量向水中釋放磷,但之后又重新吸收一部分,最終水中磷質(zhì)量濃度基本維持在0.5mg/L左右,說(shuō)明小球藻繁殖所適應(yīng)的生長(zhǎng)條件比較寬.

2種藻類(lèi)在相似的氮磷條件下對(duì)于磷的儲(chǔ)存情況相近,但釋磷過(guò)程有差異,說(shuō)明這2種藻的生活習(xí)性和對(duì)N,P營(yíng)養(yǎng)鹽的需求與利用不完全相同.

圖2 小球藻胞外磷質(zhì)量濃度Fig.2 Mass concentration of P outside Chlorella vulgaris cells

2.2 生長(zhǎng)曲線對(duì)比分析

以藻細(xì)胞密度分析不同氮和磷質(zhì)量濃度對(duì)銅綠微囊藻生長(zhǎng)的影響.如圖3所示:在延滯期,各培養(yǎng)介質(zhì)中銅綠微囊藻的生長(zhǎng)緩慢,差異不大;基本是在9d左右開(kāi)始迅速生長(zhǎng),進(jìn)入不同程度的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期.從圖1可知,此時(shí)藻類(lèi)早已將水體中磷吸收完畢并開(kāi)始向水體中釋放磷.由此可以看出,藻類(lèi)對(duì)于磷的吸收與自身的生長(zhǎng)并不同步,存在“提前消費(fèi)”現(xiàn)象.即在培養(yǎng)試驗(yàn)剛開(kāi)始時(shí),藻類(lèi)就迅速將介質(zhì)中磷吸收,但此時(shí)生物量只有少量增加,大量的磷儲(chǔ)存在細(xì)胞內(nèi),為細(xì)胞的繼續(xù)分裂提供了足夠的營(yíng)養(yǎng)儲(chǔ)備,也為磷以外的營(yíng)養(yǎng)鹽的消耗提供了物質(zhì)基礎(chǔ).

同樣,對(duì)比研究小球藻在不同氮、磷條件下的生長(zhǎng)情況,如圖4所示.小球藻生長(zhǎng)狀況和銅綠微囊藻有相似之處,在延滯期,各培養(yǎng)介質(zhì)中小球藻的生長(zhǎng)緩慢,差異不大,不同的是在不同的營(yíng)養(yǎng)條件下,在接種后6d基本均進(jìn)入對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期,生長(zhǎng)趨勢(shì)基本相近.從圖2可知,此時(shí)小球藻雖已將水體中磷全部吸收但并沒(méi)有開(kāi)始向水體中釋放磷,胞外磷質(zhì)量濃度仍然幾乎為0mg/L.

圖3 銅綠微囊藻生長(zhǎng)曲線Fig.3 Growth curves of Microcystic aeruginosa

圖4 小球藻生長(zhǎng)曲線Fig.4 Growth curves of Chlorella vulgaris

以藻細(xì)胞數(shù)量達(dá)到107個(gè)/mL為發(fā)生水華的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比這2種藻類(lèi)出現(xiàn)水華的時(shí)間可知,在磷一定的條件下,銅綠微囊藻出現(xiàn)水華的時(shí)間基本為12d(圖3(a)),此時(shí)銅綠微囊藻的胞外磷質(zhì)量濃度達(dá)到最大(圖1(a));在氮的一定條件下,小球藻出現(xiàn)水華的時(shí)間基本為15d(圖4(b)),此時(shí)其胞外磷質(zhì)量濃度也達(dá)到最大(圖2(b)).由此可以推測(cè):一旦發(fā)生水華,藻類(lèi)會(huì)釋放出大量的磷,而所釋放出的磷又會(huì)被其他藻類(lèi)再次儲(chǔ)存在體內(nèi),用于其增長(zhǎng)繁殖,從而誘發(fā)更大規(guī)模的水華.這種推測(cè)與觀測(cè)到的水華發(fā)生規(guī)律是相吻合的[4-6].

圖5 銅綠微囊藻比增長(zhǎng)率曲線Fig.5 Growth rate of Microcystic aeruginosa

2.3 比增長(zhǎng)率變化情況對(duì)比分析

從藻類(lèi)生長(zhǎng)速度來(lái)分析,最大比增長(zhǎng)率 μmax是在一定條件下藻類(lèi)潛在增長(zhǎng)率的最高值[7-12],達(dá)到μmax的條件是藻類(lèi)生長(zhǎng)的最適條件.

從圖5可見(jiàn),銅綠微囊藻基本在3d時(shí)出現(xiàn) μmax.這說(shuō)明銅綠微囊藻在剛剛將水體中的磷全部吸收后就能達(dá)到最大的生長(zhǎng)速度,也證明了磷對(duì)于藻類(lèi)細(xì)胞分裂增殖的重要性.從圖6可以看出,小球藻基本在6d時(shí)出現(xiàn) μmax.這說(shuō)明銅綠微囊藻比小球藻的適應(yīng)性更強(qiáng).

比較圖5(a)和圖6(a)可知:在磷一定的條件下,m(N)∶m(P)=40∶1時(shí)出現(xiàn) μmax,而小球藻則是m(N)∶m(P)=20∶1 時(shí)出現(xiàn)μmax;而在氮一定的條件下,m(N)∶m(P)=10∶4時(shí)小球藻出現(xiàn)μmax,m(N)∶m(P)=10∶2時(shí)銅綠微囊藻出現(xiàn) μmax.這些均證明小球藻繁殖所需營(yíng)養(yǎng)物水平高于銅綠微囊藻.

圖6 小球藻比增長(zhǎng)率曲線Fig.6 Growth rate of Chlorella vulgaris

從表2所反映的平均比增長(zhǎng)率數(shù)值可以發(fā)現(xiàn),小球藻的平均比增長(zhǎng)率基本上均大于銅綠微囊藻.這一方面說(shuō)明小球藻一旦適應(yīng)新環(huán)境之后就能夠以更快的速度進(jìn)行增殖,另一方面也說(shuō)明不同藻類(lèi)都有自己不同的生長(zhǎng)特點(diǎn),不能全部用一種方法來(lái)控制.

表2 4組的平均比增長(zhǎng)率Table 2 Average growth rates of 4 groups

3 結(jié) 論

試驗(yàn)結(jié)果表明:對(duì)于藻類(lèi)生長(zhǎng)非常重要的磷,藻類(lèi)具有超前儲(chǔ)藏的本領(lǐng);小球藻和銅綠微囊藻均能夠在第一時(shí)間將水體中的磷全部吸收并儲(chǔ)存在體內(nèi)以維持之后的生長(zhǎng),從而出現(xiàn)藻類(lèi)發(fā)生水華而水體仍然維持低磷濃度的“假象”.以磷質(zhì)量濃度來(lái)判定河湖是否會(huì)發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化時(shí)應(yīng)該注意磷的存在具有隱蔽性,以免忽略突發(fā)性浮游植物水華的前兆.因此,對(duì)于以再生水為補(bǔ)水水源的景觀水體,為了確保安全,應(yīng)持續(xù)保持控制較低的含磷量,這樣才能夠避免水華的發(fā)生.

不同m(N)∶m(P)對(duì)再生水中藻類(lèi)細(xì)胞生長(zhǎng)有明顯影響.只有當(dāng)水中的無(wú)機(jī)氮和無(wú)機(jī)磷達(dá)到一定水平以上時(shí),m(N)∶m(P)對(duì)藻類(lèi)才有意義.兩者很低或者很高,對(duì)藻類(lèi)生長(zhǎng)都是不利的.天然水體中多種藻類(lèi)共存,各種藻類(lèi)生長(zhǎng)所需的m(N)∶m(P)具有種類(lèi)特異性,生長(zhǎng)適應(yīng)條件和適應(yīng)性不完全相同,對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的需求也有差別.在達(dá)到其適合的生長(zhǎng)條件時(shí),其增殖速率會(huì)大于其他藻類(lèi)而成為優(yōu)勢(shì)藻.因此,營(yíng)養(yǎng)鹽的比例會(huì)導(dǎo)致發(fā)生水華的優(yōu)勢(shì)藻種的差異和水華的規(guī)模的不同,不應(yīng)用固定的m(N)∶m(P)作為劃分限制性營(yíng)養(yǎng)鹽的標(biāo)準(zhǔn).從這個(gè)角度而言,對(duì)于不同氮磷比營(yíng)養(yǎng)鹽條件下藻類(lèi)生長(zhǎng)機(jī)制的研究對(duì)于水華的控制具有非常重要的意義.

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Comparative study on phosphorus reserve and release process and growth of two kinds of algae

WU Shan,ZHANG Xiao-ping,ZHANG Fu-ping
(College of Architecture and Civil Engineering,Beijing University of Technology,Beijing100124,China)

The phosphorus reserve capacity and nutrition utilization characteristics ofMicrocysti aeruginosaandChlorella vulgarismwere comparatively studied with different ratios of nitrogen and phosphorus in static laboratory tests based on their growth.The results show that the two kinds of algae both have the ability to absorb the phosphorus in water and store it in their bodies during their initial growing periods.With their growth and changes in their environment,the algae will timely release the phosphorus in the body into the water for the breeding of cells.However,the phosphorus release and growth patterns ofMicrocysti aeruginosaandChlorella vulgarismunder these nutrition conditionswith different ratios of nitrogen and phosphorus exhibit certain differences.Accordingly,when the phosphorus is regarded as the monitoring index for whether water bloom will occur or not,the hidden characteristics of the phosphorus in the water should be considered.The phosphorus concentration in the water should always be kept at a low level,even in the low-speed growing period,so as to ensure the reduction of the probability of water bloom occurrence.

Microcystic aeruginosa;Chlorella vulgaris;preceding reserve of phosphorus;nitrogen/phosphorus ratio;water bloom

TU992.3

A

1000-1980(2010)01-0015-05

10.3876/j.issn.1000-1980.2010.01.004

2008-12-19

北京市教育委員會(huì)資助項(xiàng)目(JC004014200802)

吳珊(1963—),女,北京人,副教授,博士,主要從事水質(zhì)控制理論與技術(shù)研究.E-mail:wushan@bjut.edu.cn