稀土對藻類生長影響的研究進展

王志如 孫艷秋

（天津師范大學天津市水資源與水環(huán)境重點實驗室，天津 300387）

稀土對藻類生長影響的研究進展

王志如 孫艷秋

（天津師范大學天津市水資源與水環(huán)境重點實驗室，天津 300387）

三十年來，針對稀土對藻類的生長影響已經(jīng)得到了較多研究．它主要表現(xiàn)在兩個方面：一是針對防治水體富營養(yǎng)化而開展的稀土元素對藻類的生長影響研究；另一方面是以養(yǎng)殖經(jīng)濟藻類為目的而開展的研究工作．文章從這兩個角度出發(fā)，綜述稀土對藻類生長的影響研究進展，并在此基礎(chǔ)上指出今后重點研究方向．

稀土；藻類；研究進展

稀土元素是指釔和鑭系元素，由于其特殊的物理化學性質(zhì)，被廣泛地應(yīng)用于化工、冶金、材料、農(nóng)業(yè)等多個領(lǐng)域．其中，就稀土農(nóng)用技術(shù)來說，中國走在了世界前列．從1986年我國成為世界上第一個把稀土作為一種商業(yè)性產(chǎn)品“益植素”應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起至今，稀土微肥在我國年施用面積超過5 000萬畝，累計年消耗稀土1 300噸[1-2]．但是，有研究表明稀土在土壤中本身殘留很少，絕大部分都以徑流顆粒物的形式輸出到湖泊或水庫中[3-4]．隨著淡水湖泊富營養(yǎng)化的日益嚴重，人們針對水體富營養(yǎng)化而開展了大量的稀土元素對藻類的生長影響研究．同時，由于稀土對一些農(nóng)作物能夠起到增產(chǎn)增收的作用，部分學者也嘗試通過添加稀土的辦法來養(yǎng)殖經(jīng)濟藻類．

到目前為止，許多學者已經(jīng)從不同領(lǐng)域和方向?qū)ο⊥猎氐难芯窟M展進行了總結(jié)和評述．稀土對藻類生長的影響研究作為稀土元素在環(huán)境科學和農(nóng)業(yè)科學的重要內(nèi)容，本文從這兩個角度出發(fā)，對稀土元素對藻類生長的影響進行簡要概述．

1 稀土元素在水環(huán)境中對藻類的生長影響

稀土元素對藻類的生長研究最早可以追溯到20世紀80年代，北京大學王蘭仙等于1985年首先研究了稀土元素（La、Ce、Pr）對固氮魚腥藻生長的影響，研究結(jié)果表明[5]：LaCl3（30 μmol/L，60 μmol/L，120 μmol/L）和PrCl3（40 μmol/L，80 μmol/L，160 μmol/L）表現(xiàn)出明顯促進作用，其生長與LaCl3、PrCl3濃度呈正相關(guān)關(guān)系，而CeCl3具有明顯抑制作用．隨后，石進元等研究了La3+和Ce3+對衣藻生長的影響，結(jié)果表明濃度在5～20 mg/L時有明顯促進作用；達到50 mg/L時La3+促進作用不明顯，Ce3+在這一濃度時則抑制作用較強[6]．這一時期的研究結(jié)果普遍認為稀土元素對微囊藻的生長有非常明顯的促進作用，不同的稀土元素生物有效性有明顯差別．與王蘭仙等研究結(jié)果不同：石進元等研究認為稀土元素的濃度與藻類生長的促進作用并不成正比，而是有個最佳濃度值，濃度過高就會起抑制作用，并且Ce3+對藻類的生長同樣有著促進作用．

20世紀90年代中期以來，由于農(nóng)用稀土的廣泛應(yīng)用，其對水體富營養(yǎng)化的潛在影響及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)逐漸引起關(guān)注．王曉蓉等研究了La3+對淡水小球藻生長的影響，研究結(jié)果表明低濃度（0.1～1.0 mg/L）La3+有促進作用，高濃度（2.0 mg/L）則有抑制作用；La-EDTA配合物在所研究的濃度范圍內(nèi)（0.1～2.0 mg/L）均有抑制作用[7]．胡勤海等則認為稀土元素在濃度2 mg/L時對淡水小球藻的生長影響并不大[8-9]．而沈頌東等認為Eu3+在0.5 mg/L時有短期促進作用，當濃度大于或等于1.0 mg/L迅速抑制藻類生長[10]，從這一研究結(jié)果來看Eu3+和La3+這兩種稀土元素對同一種藻類生長影響區(qū)別明顯．這一時間的研究結(jié)果與1980年代有所不同．

2000年，宋凌云等研究了稀土元素對固氮藍藻滿江紅魚腥藻生長的影響[11]，部分研究內(nèi)容與王蘭仙等的重復，卻得出不同結(jié)論．宋凌云等的研究結(jié)果顯示：低濃度（＜ 5 mg/L）La3+有輕微促進作用，隨著La3+濃度的增大促進作用增強，5 mg/L時促進作用最明顯，10 mg/L時促進作用減弱，濃度增至20 mg/L時表現(xiàn)出抑制作用[11]．而王蘭仙等認為La3+在120 μmol/L促進作用最明顯，兩組實驗數(shù)據(jù)中稀土La起最大促進作用的濃度相差3.34倍．

近年來，隨著湖泊水體富營養(yǎng)化日益嚴重，銅綠微囊藻作為“水華”優(yōu)勢藻種之一，稀土元素對它生長影響的研究逐漸增多．2003年，錢蕓等發(fā)表了關(guān)于硝酸鑭對銅綠微囊藻生長特性影響的成果，結(jié)果顯示硝酸鑭濃度在12.5～12 500 μg/L可以明顯刺激其生長，當濃度達到125 000 μg/L時對銅綠微囊藻表現(xiàn)出明顯抑制作用[12]；而林俊等認為當La3+濃度小于2 mg/L時其被促進（1 mg/L為最佳濃度），濃度大于2 mg/L時生長受到抑制[13]；Jin等的研究成果與上述兩組研究也有區(qū)別：元素La3+的濃度低于7.2 μmol/L時有輕微促進作用（或沒有促進作用），達到72 μmol/L時抑制作用明顯[14]．上述三組研究在La3+對銅綠微囊藻的促進作用上形成兩種觀點：Jin等認為La3+對藻類生長僅僅有輕微促進作用；錢蕓等和林俊等則認為有明顯促進作用，但是他們兩組研究在濃度范圍上也有明顯差別；三組研究均認為高濃度La3+會對藻類生長產(chǎn)生抑制作用，但濃度值相差幾十倍．林俊等和王應(yīng)軍等還分別研究了Ce4+、Y3+和Nd3+對銅綠微囊藻的生長影響，結(jié)果表明：當Ce4+和Y3+的濃度小于0.2 mg/L時有促進作用，濃度大于或等于0.5 mg/L時產(chǎn)生強烈抑制作用；Nd3+濃度在0.01～0.05 mg/L時有輕微促進作用，在0.1～1.0 mg/L時表現(xiàn)出明顯促進作用，在1.0 mg/L時能最大限度地促進生長，大于5 mg?L-1對藻細胞增殖開始起抑制作用[15-17]．

此外，刑少璟等和鞏東輝等分別研究鑭對亞歷山大藻和鈍頂節(jié)旋藻的生長影響時也發(fā)現(xiàn)一定濃度（0.1～0.5 mg/L和5.3～7.5 mg/L）的稀土元素對微藻生長具有促進作用[18-19]．

上述研究主要通過選取確定的藻種，通過添加單一種類稀土，利用固定培養(yǎng)液來開展的科研工作．除此之外，部分學者利用野外水體作為培養(yǎng)液，通過添加不同劑量的種類稀土的方法，對野外水環(huán)境中存在的藻類生長影響開展了研究．胡勤海等研究了稀土對杭州華家池水體中藻類的影響，研究結(jié)果表明：1 mg/L和5 mg/L的Nd及混合稀土對藻類種類數(shù)及個體總數(shù)、生物多樣性指數(shù)等總體呈一定抑制作用；1 mg/L稀土在試驗初期略有刺激作用；相對而言，單一稀土元素Nd的毒性要比混合稀土略大[20]．尹大強等在太湖五里湖區(qū)水樣中通過分別添加不同濃度La(輕)、Gd (中)、Y (重)三種稀土元素與3種稀土混合物來研究稀土元素對富營養(yǎng)化水體中藻類增長的影響，結(jié)果表明：單獨添加La、Gd和Y在低濃度水平（0.2 mg/L）能顯著促進羊角月芽藻的增長，而添加混合稀土元素無明顯促長作用[21]．于玲紅等對包頭引黃水庫中的藻類研究認為稀土元素Ce對藻種類和生物多樣性有抑制作用；低濃度（1 mg/L）Ce對藻類個體總數(shù)具有明顯刺激作用；高濃度（20 mg/L）Ce對藻類的數(shù)量有抑制作用；低濃度稀土元素對藻類的刺激作用可能是包頭引黃水庫水富營養(yǎng)化的影響因素之一[22]．

2 稀土元素在藻類養(yǎng)殖中對其生長的影響

螺旋藻是一種光自養(yǎng)的藍藻，因富含蛋白質(zhì)和維生素，作為健康食品備受歡迎．張愛琴等于1988年首先研究了稀土元素對鈍頂螺旋藻生長的影響，研究表明：不同濃度LaCl3、CeCl3和NdCl3均有不同程度的促進作用，其中40 μmol/L La3+、20 μmol/L Ce3+和100 μmol/L Nd3+的作用最明顯[23]．2000年，鞠寶等選擇了輕、中、重稀土，研究結(jié)果顯示：La3+、Er3+、Y3+這三種稀土元素在濃度為5～30 μg/L之間都能明顯促進藻類繁殖，其中La3+和Y3+在15 μg/L、Er3+在25 μg/L時促進作用最明顯[24]．對比上述兩組研究：僅就稀土元素La而言，對藻類生長最佳濃度的研究結(jié)果相差達370倍．

曲克明等研究了La、Gd、Y和混合稀土（La、Ce和Nd）對牟氏角毛藻和球等鞭金藻生長的影響[25-28]．研究結(jié)果顯示：輕、中、重和混合稀土對這兩種藻類促進作用相同，但最佳濃度范圍不同．在牟氏角毛藻的藻類增長潛力實驗中，最佳濃度范圍分別為7.28～50.98μmol/L， 19.08～44.52 μmol/L，5.78～28.89μmol/L和0.37-7.3mg/L；在球等鞭金藻的藻類增長潛力實驗中，最佳濃度范圍分別為36. 42～65. 55 μmol/L，19. 08～57. 23 μmol/L，5. 78～17. 34 μmol/ L和1.66～6.50 mg/L．辛福言等研究了鑭-脯氨酸和鑭-苯丙氨酸絡(luò)合物對牟氏角毛藻和球等鞭金藻的影響，結(jié)果表明：鑭的氨基酸絡(luò)合物在濃度1～15 mg/L時對牟氏角毛藻有明顯促進作用， 5 mg/L為最佳濃度．在濃度為5～20 mg/L時對球等鞭金藻有明顯促進作用，濃度為10 mg/L濃度最佳，鑭的氨基酸絡(luò)合物對牟氏角毛藻、球等鞭金藻的作用效果與鑭相比是等同的[29-30]．

李哲等研究了Ce3+對雨生紅球藻生長的影響，低濃度Ce3+促進作用較明顯，其中0.1 mg/L時促進效果最好；高于10 mg/L時起抑制作用，高于40mg/L時生長完全被抑制[31]．張敏等利用靜態(tài)熒光光譜法研究了稀土對杜氏鹽藻生長的影響，結(jié)果顯示硝酸鑭和硝酸釤在2～60 mg/L內(nèi)促進作用不同，其中硝酸鑭在2 mg/L和硝酸釤在20 mg/L時表現(xiàn)的促進作用稍明顯[32]．梅志剛等利用稀土元素對隱甲藻生長影響進行研究，結(jié)果表明:低濃度（20 mg/L和50 mg/L）的La3+、Nd3+對隱甲藻生物量有顯著提高，Ce3+略有提高，Sm3+影響不大，高濃度時均抑制生長[33]．楊革等研究了不同濃度的La3+和Nd3+對隱甲藻生長的影響，他們認為LaCl3在30和60 mg/L時有輕微刺激作用；當濃度高于90 mg/L時有抑制作用，濃度提高，抑制作用增強；NdCl3在30 mg/L和60 mg/L時有輕微抑制作用，高于90 mg/L時抑制作用明顯增強[34]．梅志剛等實驗結(jié)果顯示低濃度鑭和釹對隱甲藻生長有明顯促進作用，而楊革等認為稀土元素對藻類生長影響作用輕微．與楊革持相同觀點的還有劉志偉等，他們在培養(yǎng)轉(zhuǎn)基因魚腥藻時發(fā)現(xiàn)即使是低濃度的稀土元素也不會促進藻類生長，且隨著濃度的增大對生長的抑制作用增強[35]．

3 結(jié) 語

通過幾十年的發(fā)展，稀土元素對藻類生長的影響研究發(fā)表了大量的成果，但現(xiàn)有的研究結(jié)果來看仍存在以下幾點不足之處：

（1）前期的很多研究成果中對稀土元素是否能促進藻類生長或促進藻類生長的最佳濃度范圍存在多重矛盾之處，對于爭議之處尚缺少權(quán)威的實驗論證．

（2）目前的研究多是針對輕稀土開展的，對于很多中稀土和重稀土對藻類的生長影響尚且沒有開展，它們的生物有效性研究處于空白狀態(tài)．

（3）前期的研究工作中添加的稀土元素濃度大多都在1 ppm以上，稀土添加水平比自然水體高出1 000倍以上，對于低濃度水平稀土元素對藻類生長影響的研究嚴重不足．

（4）前期的研究工作多注重于研究現(xiàn)象和結(jié)果，對于稀土促進藻類生長的機理研究尚沒有開展．

上述幾點不足之處，也是未來研究稀土元素對藻類生長影響的發(fā)展趨勢．通過對上述幾個方面的研究可以完善稀土元素的環(huán)境科學理論體系，同時對經(jīng)濟藻類的培養(yǎng)也具有一定的幫助．

[1]倪嘉纘.稀土無機化學[M].北京：科學出版社，1995.

[2]郭伯生.農(nóng)業(yè)中的稀土[M].北京：農(nóng)業(yè)科技出版社，1988.

[3]彭安，朱建國.稀土元素的環(huán)境化學及生態(tài)效應(yīng)[M].北京：中國環(huán)境科學出版社，2003.

[4]梁濤，崇忠義，宋文沖，等.土壤中La與P遷移的關(guān)聯(lián)性初步研究[J].環(huán)境科學，2009（30）：2755-2760.

[5]王蘭仙，徐仲，吳相枉，等.稀土元素對固氮魚腥藻光合作用和固氮作用的影響[J].中國稀土學報，1985（3）：72-75.

[6]石進元，趙緯，唐任裹，等.微量元素稼、鍺、砷、艷、錮、缽、銥、徠對衣藻生長的影響[J].北京大學學報：自然科學版，1987（4）：38-44.

[7]王曉蓉，孫昊，徐兆安，等.La及其EDTA配合物在藻體中的富集和對其生長的影響[J].南京大學學報：自然科學版，1996（3）：460-465.

[8]胡勤海，管麗莉，葉兆杰.稀土元素對小球藻生長的影響[J].環(huán)境科學，1996（2）：37-39.

[9]胡勤海，鄭蘇平，湯曙明，等.稀土元素釤和釔對小球藻生長的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護，2001（6）：398-400.

[10]沈頌東，徐建榮，郁金芳.稀土元素銪（Eu）對小球藻生長和葉綠素含量的影響[J].淡水漁業(yè)業(yè)，2003（2）：23-26.

[11]宋凌云，胡文月，趙繼貞，等.稀土元素鑭對滿江紅魚腥藻的生理影響[J].北京大學學報：自然科學版，2000（6）：783-788.

[12]錢蕓，戴樹桂，劉廣良，等.硝酸鑭對銅綠微囊藻生長特性的影響[J].中國環(huán)境科學，2003（1）：7-11.

[13]林俊，李韜，沈宏，等.鑭對微囊藻的生長效應(yīng)及被富集的動力學研究.環(huán)境化學，2003（1）：75-79.

[14]Jin X C， Chu Z S， Yan F，et al. Effects of lanthanum(III) and EDTA on the growth and competition of Microcystis aeruginosa and Scenedesmus quadricauda[J].Limnologica，2009，39:86-93.

[15]林俊，李韜，沈宏，等.鈰對微囊藻的生長效應(yīng)及被富集的動力學研究[J].環(huán)境科學與技術(shù)，2004（1）：7-11.

[16]王應(yīng)軍，陳燕，金航標，等.稀土Y3+對銅綠微囊藻生長和生理特性的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2011（4）：2248-2251.

[17]王應(yīng)軍，伍鈞，金航標，等.稀土元素釹對銅綠微囊藻生長和生理特性的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2010（7）：1261-1267.

[18]璟邢少，楊維東，劉潔生，等.鑭對塔瑪亞歷山大藻生長的影響[J].稀土，2002（5）：43-45.

[19]鞏東輝，李國龍，張少英，等.外源稀土La3+對鄂爾多斯高原堿湖鈍頂節(jié)旋藻生長及生理特性的影響[J].中國稀土學報，2011（4）：504-507.

[20]胡勤海，胡曉明，陳林茜，等.外源性稀土對淡水藻類種群生物多樣性的影響研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2003（3）：315-317.

[21]尹大強，楊興燁，周風帆，等.稀土元素對富營養(yǎng)化水體中藻類增長的影響[J].環(huán)境科學，1998（5）：56-59.

[22]于玲紅，殷震育，薛愛娣，等.稀土元素對包頭引黃水庫水中藻類的影響研究[J].環(huán)境科學與技術(shù)，2009（4）：47-49.

[23]張愛琴，王蘭仙，吳相鈕.稀土元素對螺旋藻生長光合和放氫作用的影響[J].中國稀土學報，1988（4）：55-59.

[24]鞠寶，陳永珉，溫少紅，等.幾種稀土元素對螺旋藻生長的影響[J].海洋通報，2000（4）：92-96.

[25]曲克明，袁有憲，辛福言.稀土對牟氏角毛藻生長的影響[J].海洋學報，1997（2）：129-133.

[26]曲克明，袁有憲，辛福言.輕、中和重稀土對牟氏角毛藻的促生長作用[J].水產(chǎn)學報，1998（S）：31-35.

[27]曲克明，袁有憲，辛福言.輕、中和重稀土對球等鞭金藻的促生長作用[J].中國水產(chǎn)科學，1998（4）：42-47.

[28]曲克明，袁有憲，辛福言.稀土對球等鞭金藻生長的影響[J].海洋與湖沼，1998（5）：552-557.

[29]辛福言，曲克明，袁有憲.鑭-氨基酸絡(luò)合物對球等鞭金藻的影響[J].海洋學報，1998（5）：65-69.

[30]辛福言，袁有憲，曲克明.鑭-氨基酸絡(luò)合物對牟氏角毛藻的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學報，1998（2）：206-208.

[31]李哲，蔡明剛，黃水英，等.稀土元素Ce對雨生紅球藻生長及蝦青素積累影響的研究[J].海洋科學，2008（9）：37-41.

[32]張敏，彭長德， 侯玉娟，等.靜態(tài)熒光光譜法研究稀土對杜氏鹽藻生長的影響[J].徐州師范大學學報：自然科學版，2010（1）：59-63.

[33]梅志剛，柯志，王菊芳.稀土元素對隱甲藻的生長和產(chǎn)DHA影響[J].食品工業(yè)科技，2011（7）：157-159.

[34]楊革，孔慶娥.鑭與釹對隱甲藻的生長、DHA 合成及固氮活性的影響[J].中國稀土學報，2002（S）：168-170.

[35]劉志偉，張晨，郭勇.鑭對轉(zhuǎn)基因魚腥藻生長和外源基因表達的影響[J].稀土，2004（5）：30-32.

（責任編輯：鄭宗榮）

The Effects of Rare Earth Elements on Algae-growth

WANG Zhiru SUN Yanqiu
(Tianjin Key laboratory of Water Resources and Water Environment, Tianjin Normal University, Tianjin 300387, China)

The effects of rare earth elements (REEs) on algae-growth have been frequently researched in the past three decades. It is mainly manifested in two aspects: the influence of REEs on the growth of algae for the prevention of eutrophication, and the study on the purpose of farming economy algae. In this paper, the effects are reviewed from these two perspectives, the influence of rare earth elements on algae-growth research is reviewed and the direction of research in the future is pointed out.

rare earth elements; algae; research progress

Q936

A

1009-8135（2015）03-0119-04

2015-01-25

王志如（1990-），女，內(nèi)蒙古烏蘭察布涼城人，天津師范大學在讀碩士研究生，主要研究大氣干濕沉降．

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃（一般項目）（14JCYBJC22400）階段性成果