不同形態(tài)氮對(duì)洋河水庫螺旋魚腥藻和惠氏微囊藻生長的影響

李 涵，許秋瑾，儲(chǔ)昭升，張亞麗，蔣麗佳

1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083

2.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

不同形態(tài)氮對(duì)洋河水庫螺旋魚腥藻和惠氏微囊藻生長的影響

李 涵1，許秋瑾2*，儲(chǔ)昭升2，張亞麗2，蔣麗佳2

1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083

2.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

利用室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)比較研究了硝酸鹽氮和氨氮對(duì)洋河水庫螺旋魚腥藻和惠氏微囊藻生長的影響.結(jié)果表明：ρ(氨氮)和ρ(硝酸鹽氮)均在0.05～10 mg/L內(nèi)時(shí)，螺旋魚腥藻的生長曲線無顯著性差異，氨氮更有利于螺旋魚腥藻的生長;在0.05～10 mg/L內(nèi)，ρ(氨氮)和ρ(硝酸鹽氮)的升高能明顯促進(jìn)惠氏微囊藻的生長，但高濃度的氨氮可能會(huì)抑制其生長.當(dāng)ρ(硝酸鹽氮)為0.05 mg/L時(shí)，螺旋魚腥藻比生長速率(0.239 d-1)大于惠氏微囊藻(0.166 d-1);ρ(氨氮)為0.05和 0.5 mg/L時(shí)，螺旋魚腥藻的比生長速率分別為(0.266±0.012)和(0.303±0.005)d-1，大于惠氏微囊藻的比生長速率(0.096±0.004)和(0.272±0.008)d-1.提示在ρ(氨氮)和ρ(硝酸鹽氮)較低的培養(yǎng)條件下，螺旋魚腥藻比生長速率更高，更易成為優(yōu)勢藻種.洋河水庫近2年優(yōu)勢種逐漸從螺旋魚腥藻轉(zhuǎn)變?yōu)榛菔衔⒛以?，可能是水體中ρ(氮)的變化所致.

螺旋魚腥藻;惠氏微囊藻;硝酸鹽氮;氨氮;比生長速率

藍(lán)藻水華暴發(fā)是湖泊富營養(yǎng)化造成的嚴(yán)重問題［1-2］.藻類的暴發(fā)和演替與水體中的氮有著密切的聯(lián)系.洋河水庫的優(yōu)勢藻種是螺旋魚腥藻和惠氏微囊藻.螺旋魚腥藻屬于固氮藻，在水體中氮缺乏的條件下，部分營養(yǎng)細(xì)胞會(huì)轉(zhuǎn)變成具有固氮作用的異形胞［3］.微囊藻是一種非固氮藍(lán)藻，是廣泛存在于富營養(yǎng)化水體中的水華優(yōu)勢種［4］.關(guān)于2種藻的演替規(guī)律，有研究［5］認(rèn)為，在低氮和低氮磷比的條件下，固氮藍(lán)藻由于可以利用空氣中的氮源，往往成為水華優(yōu)勢藻.向低氮水體中添加氮源會(huì)導(dǎo)致優(yōu)勢藻種由固氮藻變成非固氮藻［6-7］.但不同形態(tài)氮對(duì)藻類生長和競爭的影響鮮見報(bào)道.2007年6月下旬，洋河水庫暴發(fā)了螺旋魚腥藻水華，但近2年來，洋河水庫優(yōu)勢藻種已經(jīng)由螺旋魚腥藻轉(zhuǎn)變成惠氏微囊藻.針對(duì)該現(xiàn)象，有針對(duì)性地選擇了氨氮和硝酸鹽氮2種影響因素，研究不同ρ(硝酸鹽氮)和ρ(氨氮)對(duì)洋河水庫螺旋魚腥藻和惠氏微囊藻生長的影響，以期從不同形態(tài)氮影響藻類生長機(jī)制的角度探討惠氏微囊藻代替螺旋魚腥藻成為水華優(yōu)勢藻種的原因.

1 材料與方法

1.1 藻種及培養(yǎng)基

藻種為洋河水庫水華暴發(fā)時(shí)提取的螺旋魚腥藻和惠氏微囊藻.藻種保存在中國環(huán)境科學(xué)研究院藻類培養(yǎng)室，25℃和2 500 lx條件下使用 M11培養(yǎng)基［8］培養(yǎng).

試驗(yàn)以 M11培養(yǎng)基為基礎(chǔ)，配置成無氮培養(yǎng)基.采用500 mL錐形瓶，內(nèi)置200 mL培養(yǎng)基.試驗(yàn)分為硝酸鹽氮組和氨氮組，對(duì)螺旋魚腥藻和惠氏微囊藻單獨(dú)培養(yǎng).參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值》(GB3838—2002)，每組設(shè)置 4個(gè)ρ(硝酸鹽氮)和ρ(氨氮)，分別為 0.05，0.5，2 和 10 mg/L，每組設(shè)5個(gè)平行樣.根據(jù)設(shè)定濃度添加相應(yīng)量的NaNO3或NH4Cl.試驗(yàn)培養(yǎng)條件：光照強(qiáng)度為2 000 ～2 500 lx，光暗比為 12 h∶12 h，每天人工搖動(dòng)3 次［9-10］.

利用處于對(duì)數(shù)增長期的藻進(jìn)行接種.接種前使用含正常量1/10氮的M11培養(yǎng)基進(jìn)行4 d的饑餓培養(yǎng).螺旋魚腥藻和惠氏微囊藻的初始接種濃度分別為6.0×102和5.0×104mL-1.

1.2 藻細(xì)胞計(jì)數(shù)

惠氏微囊藻細(xì)胞用血球計(jì)數(shù)板(Minato TAT AI)在光學(xué)顯微鏡(Olympus BH-2)下計(jì)數(shù)，每次計(jì)數(shù)細(xì)胞30～300個(gè)，每個(gè)樣品計(jì)數(shù)3次.螺旋魚腥藻使用0.1 mL浮游植物計(jì)數(shù)板在光學(xué)顯微鏡下計(jì)數(shù)，每個(gè)樣品計(jì)數(shù)3次.

根據(jù)定期測定的生物量，按照以下公式測定對(duì)數(shù)增長期內(nèi)藻類的比生長速率(μ)：

式中，X0為初始細(xì)胞密度，mL-1;Xt為第t天細(xì)胞密度，mL-1;t為時(shí)間，d.

1.3 培養(yǎng)基中剩余氮含量

分別在試驗(yàn)的第6天(對(duì)數(shù)期)和第16天(穩(wěn)定期)測定培養(yǎng)基中剩余硝酸鹽氮和氨氮的質(zhì)量濃度(mg/L)［11］.

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS分析軟件中One way ANOVA進(jìn)行多個(gè)樣本平均值間的比較.

2 結(jié)果

2.1 ρ(硝酸鹽氮)對(duì)螺旋魚腥藻和惠氏微囊藻生長特性的影響

由圖1可見，不同ρ(硝酸鹽氮)下螺旋魚腥藻的最大生物量(以藻細(xì)胞密度計(jì))分別為2.17×104，1.93 ×104，1.47 ×104和 1.60 × 104mL-1，不同ρ(硝酸鹽氮)下螺旋魚腥藻的生長曲線無顯著性差異(P＞0.05).但ρ(硝酸鹽氮)對(duì)惠氏微囊藻的生長影響較大(P＜0.01)，惠氏微囊藻的最大生物量(以藻細(xì)胞密度計(jì))依次為 2.54×105，1.36×106，2.51×106和 4.23 ×106mL-1，可見，ρ(硝酸鹽氮)的升高，能促進(jìn)惠氏微囊藻的生長.

圖1 不同ρ(硝酸鹽氮)下螺旋魚腥藻和惠氏微囊藻的生長曲線Fig.1 Growth curves of Anabaena sp.and Microcystis sp.under different nitrate conditions

由圖2可見，螺旋魚腥藻的比生長速率在0.23～0.25 d-1之間，無顯著性差異(P＞0.05).而ρ(硝酸鹽氮)的增加明顯促進(jìn)了惠氏微囊藻的生長(P＜0.01).結(jié)果表明ρ(硝酸鹽氮)為 0.05 mg/L時(shí)，螺旋魚腥藻的比生長速率遠(yuǎn)大于惠氏微囊藻的比生長速率.由此推測，低ρ(硝酸鹽氮)條件下，螺旋魚腥藻有可能成為優(yōu)勢藻種.

圖2 不同ρ(硝酸鹽氮)下2種藻的比生長速率Fig.2 Specific growth rates of Anabaena sp.and Microcystis sp.under different nitrate conditions

2.2 ρ(氨氮)對(duì)螺旋魚腥藻和惠氏微囊藻的生長的影響

當(dāng) ρ(氨氮)是 0.05，0.5，2 和 10 mg/L 時(shí)，螺旋魚腥藻的最大生物量(以藻細(xì)胞密度計(jì))為2.45×104，2.15×104，3.54×104和 3.85×104mL-1(見圖3)，不同ρ(氨氮)下螺旋魚腥藻的生長曲線無顯著性差異(P＞0.05).但ρ(氨氮)對(duì)惠氏微囊藻的生長影響較大(P ＜0.01)，當(dāng)ρ(氨氮)是 0.05，0.5，2和10 mg/L時(shí)，惠氏微囊藻的最大生物量(以藻細(xì)胞密度計(jì))分別為 3.81×105，1.00×106，2.40×106和1.51×106mL-1，在 0.05～2 mg/L范圍內(nèi)，隨著ρ(氨氮)的增加，惠氏微囊藻最大生物量逐步增大，但當(dāng)ρ(氨氮)為10 mg/L時(shí)，最大生物量下降.

圖3 不同ρ(氨氮)下螺旋魚腥藻和惠氏微囊藻的生長曲線Fig.3 Growth curves of Anabaena sp.and Microcystis sp.under different ammonium conditions

由圖 4可見，當(dāng)ρ(氨氮)為 0.05，0.5，2和 10 mg/L時(shí)，螺旋魚腥藻比生長速率分別為 0.266±0.012，0.303±0.005，0.300±0.002和 0.333±0.010 d-1，試驗(yàn)結(jié)果基本相近.當(dāng)ρ(氨氮)為0.05，0.5，2和10 mg/L時(shí)，惠氏微囊藻的比生長速率分別為0.096±0.004，0.272±0.008，0.380±0.010和0.364 ±0.002 d-1，表明當(dāng)ρ(氨氮)小于10 mg/L時(shí)，比生長速率逐漸增大，但當(dāng)達(dá)到10 mg/L時(shí)，又有所降低，說明高ρ(氨氮)有可能抑制惠氏微囊藻的生長.ρ(氨氮)低于0.5 mg/L時(shí)，螺旋魚腥藻的比生長速率明顯大于惠氏微囊藻，可見在低ρ(氨氮)下，螺旋魚腥藻有可能成為優(yōu)勢藻種.

圖4 不同ρ(氨氮)下2種藻的比生長速率Fig.4 Specific growth rates of Anabaena sp.and Microcystis sp.under different ammonium conditions

對(duì)比分析表明，ρ(氮)為2 mg/L時(shí)，螺旋魚腥藻在氨氮培養(yǎng)基中最大生物量為3.54×104mL-1，在硝酸鹽氮培養(yǎng)基中最大生物量為1.47×104mL-1，表明在相同的濃度條件下，氨氮更有利于螺旋魚腥藻生長.在0.5，2和10 mg/Lρ(氮)條件下，惠氏微囊藻在氨氮培養(yǎng)基中最大生物量(1.00×106，2.40×106和1.51×106mL-1)均小于硝酸鹽氮培養(yǎng)基中的生物量(1.36×106，2.51×106和4.23×106mL-1)，表明對(duì)惠氏微囊藻而言，硝酸鹽氮比氨氮更有利于其生長.

3 討論

研究表明，ρ(氮)在0.05～10 mg/L內(nèi)對(duì)螺旋魚腥藻的生長特性影響不大，原因可能是螺旋魚腥藻屬于固氮藻類［12-15］，當(dāng)外源ρ(氮)降低時(shí)，魚腥藻的部分營養(yǎng)細(xì)胞會(huì)轉(zhuǎn)變成含有固氮酶的異形胞，起到固氮作用［16-18］，異性胞的所占比例越大，魚腥藻的生長潛力也就越大，可見螺旋魚腥藻是很好的氮競爭者［19-20］.氨氮培養(yǎng)條件下，螺旋魚腥藻的比生長速率大于同濃度硝酸鹽氮培養(yǎng)條件下的比生長速率，可見氨氮更易于被螺旋魚腥藻利用.當(dāng)氨氮作為唯一氮源時(shí)，由于其能夠被藻細(xì)胞直接利用而更利于螺旋魚腥藻生長［21-22］.

ρ(氮)對(duì)惠氏微囊藻的生長影響較大(P＜0.05).該研究表明，硝酸鹽氮更有利于惠氏微囊藻的生長.有研究［22］表明，氨氮相對(duì)于其他形式的氮更易被藻細(xì)胞吸收，但通常又認(rèn)為高ρ(氨氮)能抑制微囊藻生長.唐全民等［23］的研究表明，ρ(氨氮)大于0.5 mmol/L(7 mg/L)時(shí)，藻細(xì)胞比生長速率略微降低，達(dá)到40 mmol/L，則微囊藻的生長受到嚴(yán)重抑制，這和該研究中10 mg/Lρ(氨氮)下藻細(xì)胞比生長速率略微降低的結(jié)果基本一致.

對(duì)比研究表明，ρ(硝酸鹽氮)為0.05 mg/L時(shí)，螺旋魚腥藻比生長速率(0.239 d-1)大于惠氏微囊藻(0.166 d-1)，ρ(氨氮)為 0.05 和 0.5 mg/L時(shí)，螺旋魚腥藻比生長速率分別為0.266±0.012和0.303±0.005 d-1，均大于惠氏微囊藻的比增長速率(0.096±0.004和0.272±0.008 d-1).在較低ρ(氨氮)和ρ(硝酸鹽氮)下，螺旋魚腥藻比生長速率更高，更具生長優(yōu)勢，提示低ρ(氮)培養(yǎng)下，螺旋魚腥藻更易成為優(yōu)勢種.

2007年6月洋河水庫暴發(fā)螺旋魚腥藻水華，當(dāng)時(shí)ρ(氮)大于2 mg/L，而現(xiàn)場分離的藻種并未見異形胞.2009年6月24日，7月1日和8日 3次現(xiàn)場采樣數(shù)據(jù)表明，整個(gè)庫區(qū)ρ(氮)平均值為 3.12～3.29 mg/L，ρ(氨氮)平均值為 0.15～0.40 mg/L，ρ(硝酸鹽氮)平均值較高，為 1.89～2.44 mg/L，優(yōu)勢藻種為惠氏微囊藻.該研究結(jié)果能較合理地詮釋該現(xiàn)象，說明隨著洋河水庫ρ(氮)的增加，優(yōu)勢藻種逐漸演變?yōu)榛菔衔⒛以?

4 結(jié)論

洋河水庫近2年水華優(yōu)勢種逐漸從螺旋魚腥藻轉(zhuǎn)變?yōu)榛菔衔⒛以?，主要是由水體中ρ(氮)變化所致.試驗(yàn)結(jié)果表明，在較低ρ(氨氮)和ρ(硝酸鹽氮)下，螺旋魚腥藻更易成為優(yōu)勢種，但隨著ρ(氮)的升高，在一定范圍內(nèi)能促進(jìn)惠氏微囊藻的生長.2007—2009年，隨著洋河水庫ρ(氮)的增加，惠氏微囊藻成為優(yōu)勢藻種.

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Effects of Different Forms of Nitrogen on the Growth of Anabaena sp.and Microcystis sp.from Yanghe Reservoir

LI Han1，XU Qiu-jin2，CHU Zhao-sheng2，ZHANG Ya-li2，JIANG Li-jia2
1.College of Chemical and Environmental Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China
2.Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China

Using the indoor culture method，the effects of nitrate nitrogen and ammonia nitrogen on the growth of Anabaena sp.and Microcystis sp.were studied and compared.The results indicated that when the concentrations of ammonia nitrogen and nitrate nitrogen were in the range of 0.05-10 mg/L，there was no significant difference between the growth curves of Anabaena sp.At the same concentration，ammonia nitrogen was more beneficial to the growth of Anabaena sp.Increasing the concentrations of nitrate and ammonia nitrogen in the range of 0.05-10 mg/L clearly promoted the growth of Microcystis sp.However，higher concentrations of ammonia nitrogen may inhibit its growth.When the concentration of nitrate nitrogen was 0.05 mg/L，the specific growth rate of Anabaena sp.(0.239 d-1)was bigger than that of Microcystis sp.(0.166 d-1).When the concentration of ammonia nitrogen was 0.05，0.5 mg/L，the specific growth rate of Anabaena sp.(0.266±0.012，0.303±0.005 d-1)was bigger than that of Microcystis sp.(0.266 ±0.012，0.303 ±0.005 d-1).The results show that，at low nitrogen concentrations，the specific growth rate of Anabaena sp.was far bigger than that of Microcystis sp..Anabaena sp.is preferred as the dominant species.The changing proportions of different forms of nitrogen maybe the reason why Microcystis sp.has been the dominant species in recent years.

Anabaena sp.;Microcystis sp.;nitrate nitrogen;ammonia nitrogen;specific growth rate

X524

A

1001-6929(2010)12-1494-05

2010-03-10

2010-08-31

國家環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(200809145，200909048)

李涵(1985-)，女，河北邯鄲人，lhan118@126.com.

*責(zé)任作者，許秋瑾(1970-)，女，江蘇無錫人，研究員，博士，主要從事湖泊生態(tài)學(xué)研究，xuqj@craes.org.cn