水培蕹菜與微型生物種群的相互影響

闞元卿　孫凌　張瀅

摘要 [目的] 研究水蕹菜與藍(lán)藻、綠藻和輪蟲(chóng)之間的關(guān)系及凈水機(jī)制。 [方法] 以水蕹菜為試驗(yàn)材料，利用水培生態(tài)模擬的方法將小球藻、斜生柵藻、銅綠微囊藻和蛭形輪蟲(chóng)添加到水蕹菜培養(yǎng)液中，通過(guò)測(cè)定水蕹菜的生長(zhǎng)指標(biāo)、微型生物種群變化以及營(yíng)養(yǎng)液內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)消耗狀況，研究水蕹菜同微型生物種群間的相互作用。[結(jié)果] 水蕹菜苗株根系發(fā)育到一定階段，主根生長(zhǎng)停滯而側(cè)根大量萌出，營(yíng)養(yǎng)吸收效率增大。當(dāng)初始接種濃度為10.0×104 cells/ml時(shí)，小球藻刺激水蕹菜快速生長(zhǎng)，根系及莖葉系統(tǒng)發(fā)達(dá)茂密，但后期高密度小球藻的營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)則導(dǎo)致水蕹菜生長(zhǎng)減緩?；旌显宓母?jìng)爭(zhēng)及化感作用限制了水蕹菜根系發(fā)展。蛭形輪蟲(chóng)繁殖產(chǎn)生的攝食壓力對(duì)銅綠微囊藻影響較小，卻抑制了斜生柵藻的生長(zhǎng)。蛭形輪蟲(chóng)的粘附及攝食作用對(duì)水蕹菜根系的影響明顯，導(dǎo)致莖葉系統(tǒng)發(fā)育不良，生物量下降。[結(jié)論] 該研究可為魚(yú)蝦菜生態(tài)養(yǎng)殖模式的推廣應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞 水蕹菜；浮游藻類；輪蟲(chóng)；水培；生長(zhǎng)特性

中圖分類號(hào) S181.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）03-00779-04

Abstract [Objective] The research aimed to study water purification mechanism of Ipomoea aquatica and the correlations between I. aquatica and cyanobacteria， green algae and rotifer. [Method] Taking Ipomoea aquatica as test materials， Chlorella vulgaris， Scenedesmus obliquus， Microcystis aeroginosa and Adineta vaga were added in the water culture solution of I. aquatica by hydroponic ecological simulation method. The growth characteristics of I. aquatica， changes of microbial populations and the consumption situations of nutrients in the nutritional solution were determined. The interactions between I. aquatica and microbial population were studied. [Result] When the growth development of I. aquatica seedlings reached certain stage， the main root of I. aquatica seedlings stopped growing and the lateral root developed rapidly with high adsorption efficiency of nutrients. When the initial inoculation concentration was 10.0×104 cells/ml， C. vulgaris simulated the rapid growth of I. aquatica and root， stem and leaves rapidly developed. In late stage， the nutrient competition of high-density C. vulgaris inhibited the growth of I. aquatica. The competition and allelopathic effects of mixed algae restrained the root growth of I. aquatica. The feeding pressure produced by the propagation of A. vaga had less influences on M.aeroginosa， but it inhibited the growth of S. obliquus. The adhesive and feeding effects of A. vaga had obvious effects on the root of I. aquatica， which inhibited the growth of stem and leaf system and decreased the biomass. [Conclusion] The research could provide data support for the popularization and application of fish-shrimp-vegetables ecological culture model.

Key words Ipomoea aquatica； Phytoplankton； Rotifer； Hydroponic culture； Growth characteristics

作為水產(chǎn)養(yǎng)殖大國(guó)，我國(guó)的水產(chǎn)品產(chǎn)量連年位居世界前列。高密度池塘養(yǎng)殖模式所引發(fā)的水體富營(yíng)養(yǎng)化及養(yǎng)殖廢水排放所產(chǎn)生的環(huán)境污染卻呈現(xiàn)加劇態(tài)勢(shì)，嚴(yán)重制約著水產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。針對(duì)養(yǎng)殖水域營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩及水質(zhì)惡化的現(xiàn)象，研究人員將研究目光投向高效生物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用。在養(yǎng)殖水凈化工藝中，微生物、藻類、動(dòng)植物等充分發(fā)揮著各自優(yōu)勢(shì)，以達(dá)到污染生物防治調(diào)控的目的。目前，在優(yōu)良物種的篩選及其凈化效率的研究方面已初具成效[1-3]。其中，高等維管束植物以其高效的營(yíng)養(yǎng)吸收且易于采收等優(yōu)良特性倍受關(guān)注[4-5]。

魚(yú)蝦菜生態(tài)循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)的建立，旨在利用富營(yíng)養(yǎng)化養(yǎng)殖水面培植浮床水生蔬菜，借助蔬菜的凈水機(jī)制，減少水體中的氮磷營(yíng)養(yǎng)含量，并促進(jìn)利于經(jīng)濟(jì)水產(chǎn)動(dòng)物生存繁衍的浮游微藻種群發(fā)展，在改善水質(zhì)防治病害的同時(shí)，還可以提高魚(yú)蝦產(chǎn)量并產(chǎn)出綠色蔬菜，提高附加經(jīng)濟(jì)價(jià)值[6]。旋花科水蕹菜（Ipomoea aquatica）是一種生長(zhǎng)繁殖快、耐受性強(qiáng)、凈水效率高的優(yōu)良植物[7]。作為一種夏秋季的重要蔬菜，它兼具營(yíng)養(yǎng)及藥用價(jià)值。在養(yǎng)殖池塘水面蕹菜栽培試驗(yàn)研究中，已發(fā)現(xiàn)其在改善養(yǎng)殖水浮游生物尤其是藻類群落結(jié)構(gòu)中具有一定作用[8-9]。水生微型生物主要包括細(xì)菌、真菌、藻類、原生動(dòng)物、輪蟲(chóng)以及浮游甲殼動(dòng)物等。它們對(duì)環(huán)境條件的變化反應(yīng)敏感，常被用于反映水生生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能。筆者以水蕹菜作為試驗(yàn)材料，利用水培生態(tài)模擬的方法，選擇北方養(yǎng)殖水域常見(jiàn)的微型生物種類添加至水蕹菜培養(yǎng)液中，通過(guò)對(duì)水蕹菜的生長(zhǎng)指標(biāo)、微型生物種群變化以及營(yíng)養(yǎng)液內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)消耗狀況進(jìn)行測(cè)定，研究蕹菜與藍(lán)、綠藻和輪蟲(chóng)間的關(guān)系及凈水機(jī)制，從而為魚(yú)蝦菜生態(tài)養(yǎng)殖模式的推廣應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)間為2012年12月20日至2013年1月4日，共持續(xù)15 d。試驗(yàn)共設(shè)置A～G 7組處理，A組中不放置水蕹菜植株，接入小球藻初始密度為10.0×104 cells/ml；B～G組內(nèi)均置入備用蕹菜，其中B組營(yíng)養(yǎng)液內(nèi)未接入任何藻種，C、D、E組中接入小球藻初始密度分別為5.0×104、10.0×104、20.0×104 cells/ml，F(xiàn)、G組中均接入混合藻液：斜生柵藻4.0×104 cells/ml與銅綠微囊藻15.0×104 cells/ml，而F組另接入輪蟲(chóng)初始密度為50 ind./ml。每組處理設(shè)置3個(gè)平行樣。用盛有100 ml營(yíng)養(yǎng)液的小燒杯在恒溫光照培養(yǎng)箱內(nèi)展開(kāi)培養(yǎng)，杯口除中央的植物莖稈部分均用PE膜封閉，以防水分過(guò)度蒸發(fā)。恒溫箱內(nèi)光照強(qiáng)度為8 000 lx，水溫為（25±1）℃，光暗比為12 h∶12 h。每隔5 d 測(cè)試植物生物量、株高、根長(zhǎng)、葉長(zhǎng)、葉片數(shù)、分蘗狀況等生長(zhǎng)指標(biāo)及培養(yǎng)液內(nèi)總氮、總磷等理化參數(shù)。其中，總氮測(cè)定采用堿性過(guò)硫酸鉀紫外分光光度法，總磷測(cè)定采用鉬藍(lán)法[10]。每3 d用血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)藻類密度，用0.1 ml規(guī)格浮游生物計(jì)數(shù)框計(jì)數(shù)輪蟲(chóng)密度。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 14.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水蕹菜的根長(zhǎng)分析

相比于陸生植物，水培植物根系的固著與支持功能在水環(huán)境內(nèi)已逐漸弱化，主要為植物生長(zhǎng)供給充足的水分與營(yíng)養(yǎng)，而根際微型生物的滋生與影響也不容忽視[11]。從圖1可以看出，試驗(yàn)前5 d各處理組內(nèi)水蕹菜根長(zhǎng)增長(zhǎng)量無(wú)明顯差異。試驗(yàn)中后期，浮游生物增殖迅速，所產(chǎn)生的影響逐漸顯現(xiàn)，水蕹菜根長(zhǎng)差異逐步擴(kuò)大。與對(duì)照相比，伴隨小球藻接種濃度的增加，水蕹菜根長(zhǎng)增長(zhǎng)量明顯呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。影響植物根系發(fā)展的諸多因素中，營(yíng)養(yǎng)狀況是主導(dǎo)因素之一[7]。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)多以無(wú)機(jī)離子或分子的形式被植物吸收利用。浮游微藻雖不具有維管結(jié)構(gòu)，卻擁有驚人的營(yíng)養(yǎng)吸收及細(xì)胞增殖效率，其光合固碳及蛋白合成作用甚至對(duì)整個(gè)生物界影響都極為重大。營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)所導(dǎo)致的后期營(yíng)養(yǎng)供給相對(duì)不足，應(yīng)是B～E組根長(zhǎng)差異的主因。根長(zhǎng)增長(zhǎng)較快的D、E組中，后期根長(zhǎng)變化趨緩。水培初期，水蕹菜苗直根系明顯，主根增長(zhǎng)迅速。但發(fā)育到一定階段后，主根生長(zhǎng)停滯或衰亡，側(cè)根大量萌出，根重增長(zhǎng)明顯，更有利于對(duì)水環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)的吸收利用。在接種藍(lán)藻門(mén)銅綠微囊藻和綠藻門(mén)斜生柵藻混合藻種的F、G組處理中，水蕹菜根系伸長(zhǎng)則呈現(xiàn)變緩受抑狀況，尤其是接種蛭形輪蟲(chóng)的G組，后期根長(zhǎng)增長(zhǎng)幾乎停滯。蛭形輪蟲(chóng)在水體中多營(yíng)底棲或附著生活，常以足腺分泌物黏著在蕹菜根系表面作繞轉(zhuǎn)或伸縮推移，主要以細(xì)菌、微藻或是有機(jī)碎屑為食，其粘附及攝食作用對(duì)作物根系產(chǎn)生一定影響?；旌显孱惖臓I(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)及化感作用也限制了水蕹菜根系生長(zhǎng)。

2.2 水蕹菜株高分析

整個(gè)試驗(yàn)期，B～G組水培溶液中水蕹菜均呈現(xiàn)明顯生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。從圖2可以看出，對(duì)照B組反映了水蕹菜未受浮游生物干擾時(shí)的生長(zhǎng)狀況：前10 d水蕹菜株高直線增長(zhǎng)，末期增長(zhǎng)速率略減。C～E組小球藻接種密度逐漸升高，前5 d C組水蕹菜株高變化與對(duì)照無(wú)明顯差異，D、E組增高量相比較低，應(yīng)為較高密度小球藻接種對(duì)初期株高增長(zhǎng)產(chǎn)生一定抑制，而C組因藻密度較小作用并不明顯。試驗(yàn)中后期，株高變化差異更加顯著。C組水蕹菜株高增長(zhǎng)平穩(wěn)趨緩，D組植株迅速增高甚至超過(guò)對(duì)照組，隨后呈緩增趨勢(shì)。E組植物株高增幅試驗(yàn)前后較為一致，這說(shuō)明水蕹菜能夠逐步適應(yīng)小球藻的競(jìng)爭(zhēng)，在一定濃度的小球藻刺激下水蕹菜會(huì)加速生長(zhǎng)，但高密度小球藻的后期生長(zhǎng)則導(dǎo)致株高增長(zhǎng)減緩。相同接種密度的藍(lán)、綠藻混培養(yǎng)F、G組處理中，蛭形輪蟲(chóng)的引入（G組）導(dǎo)致水蕹菜的株高增長(zhǎng)相較于其他處理組，從試驗(yàn)初期就一直明顯偏低。

2.5 小球藻種群變化

綠藻門(mén)小球藻在淡水中分布廣泛。因其易于培養(yǎng)、增殖迅速、適應(yīng)性強(qiáng)且營(yíng)養(yǎng)豐富、光合固碳能力高，在食品、醫(yī)藥、化工、環(huán)保、科研領(lǐng)域都有應(yīng)用。調(diào)查結(jié)果表明小球藻在北方鹽堿養(yǎng)殖水域常年可見(jiàn)。從圖4可以看出，對(duì)照組A內(nèi)呈現(xiàn)出明顯S型生長(zhǎng)曲線，前3 d為延滯期，細(xì)胞密度增長(zhǎng)較緩，隨后進(jìn)入為期6 d的對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期，第9 d開(kāi)始小球藻增長(zhǎng)速率趨緩。

D組小球藻初始接種濃度與A組相同，表現(xiàn)出水蕹菜對(duì)小球藻的影響。前6 d，D組小球藻細(xì)胞密度增勢(shì)迅猛，增速超過(guò)對(duì)照A組，但很快進(jìn)入穩(wěn)定期，與對(duì)照組A相比，其對(duì)數(shù)期明顯縮短，且進(jìn)入穩(wěn)定期后總細(xì)胞密度偏低。E組初始小球藻濃度為D組2倍，在接種初期濃度差距未能擴(kuò)大，反而逐步靠近，其對(duì)數(shù)期較D組延后，第9天進(jìn)入穩(wěn)定期后生長(zhǎng)狀況與D組保持一致。C組初始密度僅為對(duì)照組的一半，小球藻增殖與其他組差異不斷擴(kuò)大，經(jīng)過(guò)短暫適應(yīng)調(diào)整（前3 d），進(jìn)入對(duì)數(shù)期直至試驗(yàn)?zāi)傮w細(xì)胞密度偏低。

3 小結(jié)

（1）初期浮游藻類總體密度較低時(shí)，水蕹菜生長(zhǎng)差異并不顯著，但發(fā)展到中后期藻類的影響逐漸顯現(xiàn)，植株生長(zhǎng)差異懸殊。水蕹菜根系發(fā)育到一定階段后，主根生長(zhǎng)停滯而側(cè)根大量萌出，營(yíng)養(yǎng)吸收效率增大。伴隨小球藻接種濃度的增加，水蕹菜因與藻類營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)呈現(xiàn)根長(zhǎng)增長(zhǎng)量升高的趨勢(shì)。

（2）當(dāng)初始接種濃度為10.0×104 cells/ml時(shí)，小球藻刺激水蕹菜快速生長(zhǎng)，根系及莖葉系統(tǒng)發(fā)達(dá)茂密，但后期高密度小球藻的營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)則導(dǎo)致水蕹菜生長(zhǎng)減緩。

（3）藍(lán)、綠藻種的競(jìng)爭(zhēng)及化感作用限制了水蕹菜根系發(fā)展，并導(dǎo)致葉片脫落，生物量降低。

（4）蛭形輪蟲(chóng)在水蕹菜及浮游微藻培養(yǎng)液內(nèi)大量繁殖，所產(chǎn)生的攝食壓力對(duì)銅綠微囊藻的影響微小，但卻抑制了斜生柵藻的快速增長(zhǎng)。蛭形輪蟲(chóng)的粘附及攝食作用對(duì)水蕹菜根系產(chǎn)生明顯影響，從而導(dǎo)致莖葉系統(tǒng)發(fā)育不良，生物量下降。

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