超富營(yíng)養(yǎng)水平下初始?jí)A度對(duì)銅綠微囊藻生長(zhǎng)影響的研究

王思瑩，張君枝，馬文林

(北京應(yīng)對(duì)氣候變化研究和人才培養(yǎng)基地，城市雨水與水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京建筑大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系，北京 100044)

超富營(yíng)養(yǎng)水平下初始?jí)A度對(duì)銅綠微囊藻生長(zhǎng)影響的研究

王思瑩，張君枝，馬文林

(北京應(yīng)對(duì)氣候變化研究和人才培養(yǎng)基地，城市雨水與水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京建筑大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系，北京 100044)

摘要：以城市河湖天然水為試驗(yàn)用水，利用碳酸氫鈉作為堿度調(diào)節(jié)劑，設(shè)置了不同堿度水平，研究了氮磷營(yíng)養(yǎng)處于超富營(yíng)養(yǎng)水平條件下，銅綠微囊藻各相關(guān)指標(biāo)受堿度的影響。結(jié)果表明：堿度條件對(duì)藻類生長(zhǎng)有顯著影響，存在最適宜的堿度條件約為2.46mmol/L；水體中堿度的改變，會(huì)影響銅綠微囊藻對(duì)N、P的利用；堿度過(guò)高，藻類將吸收更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)維持其生長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞：堿度；銅綠微囊藻；生長(zhǎng)

收稿日期：2014-12-18

作者簡(jiǎn)介：王思瑩(1990—)，女，北京人，北京建筑大學(xué)碩士研究生。

通訊作者：馬文林(1968—)，女，山西人，博士，教授，主要從事水環(huán)境生態(tài)修復(fù)技術(shù)、固體廢棄物資源化處理與利用和適應(yīng)氣候變化等研究。

中圖分類號(hào)：

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：：1674-9944(2015)02-0203-04

1引言

水體藻類生長(zhǎng)離不開(kāi)碳、氮、磷3種關(guān)鍵元素，而這3種元素也是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的決定因素[1]。目前人們對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)研究較多的是氮磷過(guò)量進(jìn)入水體導(dǎo)致的影響[2]，而對(duì)碳源的影響研究較少[3]。

在我國(guó)，每年都有大量有機(jī)物隨著廢水、雨水徑流和垃圾等途徑進(jìn)入到地表水體中，它們中大部分在水微生物作用下被不斷分解，向水中釋放CO2。此外，大氣中CO2濃度的升高，也導(dǎo)致從大氣向水體轉(zhuǎn)移的CO2量增加。水中CO2濃度的增加，促使水中碳酸鹽平衡向碳酸鹽增加的方向轉(zhuǎn)變，引起水體發(fā)生無(wú)機(jī)碳源增強(qiáng)和堿度升高這樣兩個(gè)同步的水質(zhì)效應(yīng)。

藻類能夠以水中無(wú)機(jī)碳作為其營(yíng)養(yǎng)碳源。從營(yíng)養(yǎng)源的角度看，碳酸鹽濃度與藻類生長(zhǎng)是正相關(guān)關(guān)系。但從碳酸鹽離子強(qiáng)度對(duì)藻類細(xì)胞離子滲透壓角度看，藻類生長(zhǎng)有一個(gè)適宜的碳酸鹽強(qiáng)度。也即，水中碳酸鹽濃度增加對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響，是其作為碳源和碳酸鹽離子強(qiáng)度兩方面綜合作用的結(jié)果。

微囊藻是一類全球性分布的藍(lán)藻，在我國(guó)大部分富營(yíng)養(yǎng)化水體中，銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)在數(shù)量和發(fā)生頻率上均占優(yōu)勢(shì)[4，5]。本論文以堿度為指標(biāo)表征水中碳酸鹽體系強(qiáng)度變化，利用小試實(shí)驗(yàn)研究初始?jí)A度變化對(duì)銅綠微囊藻生長(zhǎng)的影響，為揭示水中無(wú)機(jī)碳源對(duì)銅綠微囊藻生長(zhǎng)影響進(jìn)行理論基礎(chǔ)。

2材料與方法

2.1　實(shí)驗(yàn)用水

取北京展覽館后湖湖水，回到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，進(jìn)行過(guò)濾、消毒處理，然后檢測(cè)水中的堿度、總氮、總磷和pH值含量，結(jié)果為pH值8.2，TN 0.672mg/L，TP 0.0083mg/L，堿度1.12mmol/L。使實(shí)驗(yàn)體系的營(yíng)養(yǎng)水平處于超富營(yíng)養(yǎng)水平(TP、TN濃度分別≥0.2mg/L和≥2.0mg/L)，通過(guò)適量添加K2HPO4和NaNO3來(lái)調(diào)節(jié)水體的總磷濃度和總氮濃度分別為2.85mg/L和0.19mg/L，然后儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/p>

2.2　實(shí)驗(yàn)方法

以湖水自然堿度(1.12mmol/L，T0組)為對(duì)照，通過(guò)向湖水中添加不同劑量的NaHCO3溶液，調(diào)整實(shí)驗(yàn)水的堿度分別為1.65mmol/L、2.46mmol/L、3.34mmol/L、4.01mmol/L、4.82mmol/L，簡(jiǎn)計(jì)為T(mén)1組、T2組、T3組、T4組和T5組，每個(gè)組各設(shè)2個(gè)平行樣。為此，取500mL 廣口錐形瓶12個(gè)，先向每個(gè)錐形瓶中各加入200mL經(jīng)過(guò)預(yù)處理的天然湖水。留出1組2個(gè)錐形瓶作為對(duì)照組，不向其中添加NaHCO3溶液，其余5組10個(gè)錐形瓶作為處理組，分別向各組錐形瓶中添加不同量的NaHCO3溶液。將這些錐形瓶置于滅菌容器內(nèi)121℃高溫下滅菌20min，取出放涼備用。取處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的銅綠微囊藻純?cè)宸N，經(jīng)離心、洗滌處理后，分別定量接入錐形瓶中，然后放入人工氣候箱中進(jìn)行培養(yǎng)。培養(yǎng)溫度26℃，光照強(qiáng)度3000lux，光暗比12∶12。在光照周期內(nèi)，每天搖動(dòng)錐形瓶3~4次，促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)循環(huán)，減少藻類下沉和器壁效應(yīng)，并隨機(jī)交換錐形瓶位置。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每天采集水樣測(cè)定實(shí)驗(yàn)體系中的藻體生物量，每?jī)商毂O(jiān)測(cè)一次pH值、TN、TP和總堿度等濃度,得到在不同堿度下水質(zhì)變化和藻類生長(zhǎng)情況，并且對(duì)各指標(biāo)的變化曲線進(jìn)行分析，以研究堿度變化對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響規(guī)律。

2.3　監(jiān)測(cè)指標(biāo)與方法

本研究的測(cè)定項(xiàng)目包括pH值、碳酸鹽堿度、重碳酸鹽堿度、總堿度、總磷、總氮和浮游藻類生物量。其中，pH值采用酸度計(jì)測(cè)量；藻類生物量采用血球計(jì)數(shù)板方法測(cè)量；碳酸鹽堿度、重碳酸鹽堿度、總堿度采用自動(dòng)電位滴定儀測(cè)量；總氮和總磷分別采用過(guò)硫酸鉀氧化法—紫外分光光度法和鉬銻抗分光光度法測(cè)量[6，7]。

2.4　藻類比增長(zhǎng)速率計(jì)算

比增長(zhǎng)速率采用公式(1)進(jìn)行計(jì)算：

μ=ln(xn/xn-1)/(tn-tn-1)

(1)

式中：μ為比增長(zhǎng)速率，xn、xn-1分別為第n天與第n-1天細(xì)胞計(jì)數(shù)值，tn、tn-1分別為對(duì)應(yīng)于xn、xn-1的培養(yǎng)時(shí)間。

3結(jié)果與討論

3.1　堿度對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響

3.1.1　藻類生長(zhǎng)曲線

每日對(duì)6個(gè)堿度條件培養(yǎng)系統(tǒng)中銅綠微囊藻的藻密度值進(jìn)行測(cè)定，繪制藻的生長(zhǎng)曲線如圖1所示。

圖1　銅綠微囊藻的生長(zhǎng)曲線(◆T0；■T1；▲T2；×T3；*T4；●T5)

從圖1看出，各組培養(yǎng)體系中銅綠微囊藻的生長(zhǎng)曲線有相似的變化趨勢(shì)，都在第2天進(jìn)入對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期，然后依次經(jīng)歷減速增長(zhǎng)期和衰減期。所不同的是，各組藻類生長(zhǎng)的速度不一樣，培養(yǎng)體系中藻類生長(zhǎng)從高向低的堿度順序分別為2.46mmol/L、1.65mmol/L、3.34mmol/L、1.12mmol/L、4.01mmol/L、4.82mmol/L。2.46mmol/L堿度條件下藻的生長(zhǎng)速度一直高于其他各組，在達(dá)到穩(wěn)定期時(shí)具有最高的生物量；其次是1.65mmol/L組；3.34mmol/L組和1.12mmol/L組，無(wú)論是生長(zhǎng)速度還是穩(wěn)定期的最高生物量，都很接近；4.01mmol/L組和4.82mmol/L組藻的生長(zhǎng)速度和最高藻密度都比較低，而且衰亡時(shí)間也相對(duì)提前，4.82mmol/L組的最低。

因此，2.46mmol/L的堿度條件，最適合于銅綠微囊藻生長(zhǎng)，高于或低于這個(gè)濃度，藻類的生長(zhǎng)情況都趨于下降，且總的來(lái)說(shuō)，降低堿度比提高堿度更適合藻類生長(zhǎng)。

楊威[9]等人以不含Na2CO3的BG11培養(yǎng)基為基礎(chǔ),，設(shè)計(jì)4組NaHCO3堿度水平培養(yǎng)組，培養(yǎng)條件與本實(shí)驗(yàn)基本相同，探討堿度水平對(duì)銅綠微囊藻生長(zhǎng)的影響。研究表明，銅綠微囊藻在不同碳酸氫鹽處理中的總體生長(zhǎng)趨勢(shì)順序是2.4 mmol/L>4.8mmol/L>0.2mmol/L>7.3mmol/L，在實(shí)驗(yàn)條件下最適宜的碳酸氫鹽堿度水平約為2.4mmol/L。與本研究得出的堿度條件影響規(guī)律相一致。

3.1.2　最大比增長(zhǎng)率

最大比增長(zhǎng)率是一定條件下藻類潛在增長(zhǎng)率的最高表現(xiàn)[10]。根據(jù)比增長(zhǎng)率計(jì)算公式對(duì)各種堿度條件下的銅綠微囊藻的比增長(zhǎng)率進(jìn)行連續(xù)計(jì)算，分別求出對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期內(nèi)的最大比增長(zhǎng)率μmax以及在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期和穩(wěn)定期的平均比增長(zhǎng)率μave，列于表1中。

表1　不同堿度對(duì)藻類生長(zhǎng)速率的影響

從表1的數(shù)據(jù)看出，在單獨(dú)培養(yǎng)過(guò)程中，6組藻所達(dá)到的最大比增長(zhǎng)率，T2組的最高，T5組的最低，說(shuō)明適量加入碳酸氫鹽對(duì)藻類的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，但添加過(guò)量時(shí)會(huì)表現(xiàn)出抑制作用來(lái)。按照最大比增長(zhǎng)率排列順序依次為T(mén)2> T1> T3>T0> T4> T5組，這與穩(wěn)定期時(shí)各組最高藻細(xì)胞密度是相一致的。

3.2　pH值和堿度的變化

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)各培養(yǎng)體系的pH值、總堿度、重碳酸鹽堿度以及碳酸鹽堿度進(jìn)行測(cè)定，這些指標(biāo)隨時(shí)間的變化情況如圖2~圖5所示。

圖2表示的是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各個(gè)培養(yǎng)體系的pH值隨時(shí)間的變化情況。實(shí)驗(yàn)初期，各組培養(yǎng)體系，由于添加NaHCO3的量不一樣，表現(xiàn)出不同的pH值，添加NaHCO3越多的體系，其pH值越高。而隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，最后各組pH值趨于接近的水平。

圖2　pH隨時(shí)間的變化(◆T0；■T1；▲T2；×T3；*T4；●T5)

溶解于水體中的無(wú)機(jī)碳共有4種存在形式：CO2、H2CO3、HCO3-和CO32-，它們之間存在著一定的動(dòng)態(tài)平衡轉(zhuǎn)化關(guān)系，其平衡方程為：CO2+H2O?H2CO3?H++HCO3-?2H++CO32-?，F(xiàn)今越來(lái)越多的研究者發(fā)現(xiàn)CO2其實(shí)并不是水生植物獲取無(wú)機(jī)碳的唯一途徑，HCO3-同樣能夠作為藻類的重要無(wú)機(jī)碳源已經(jīng)得到普遍認(rèn)可[11,12]。影響實(shí)驗(yàn)體系pH值變化的因素包含2個(gè)作用相反的方面，分別是藻類光合作用吸收利用無(wú)機(jī)碳源(CO2和HCO-3)和藻類呼吸作用釋放CO2。藻類生長(zhǎng)過(guò)程中，利用水體中游離態(tài)CO2或HCO-3進(jìn)行光合作用，平衡向左移動(dòng)，H+濃度減少，故pH值增大[13]。而藻類呼吸過(guò)程釋放二氧化碳，平衡將向右移動(dòng)，pH值將下降。圖2中不同實(shí)驗(yàn)體系的pH值變化情況，是這兩個(gè)過(guò)程的綜合作用結(jié)果。pH值升高的階段，表明這個(gè)時(shí)期藻類生長(zhǎng)旺盛，生長(zhǎng)過(guò)程吸收利用二氧化碳和碳酸鹽對(duì)水中pH值的影響作用強(qiáng)于呼吸過(guò)程釋放二氧化碳的影響；pH值下降的階段則是相反的作用機(jī)制。對(duì)比圖2中pH值變化曲線和圖1生長(zhǎng)曲線，二者之間有較好的相關(guān)性。T2組生長(zhǎng)量最高，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)該組的pH值也最高。

圖3~圖5表示了各實(shí)驗(yàn)體系中總堿度、碳酸鹽堿度和碳酸氫鹽堿度的變化情況，總堿度和碳酸氫鹽堿度有一致的變化趨勢(shì)，與碳酸鹽堿度變化趨勢(shì)相反，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)體系的總堿度主要受碳酸氫鹽堿度的控制。

圖3　總堿度隨時(shí)間的變化(◆T0；■T1；▲T2；×T3；*T4；●T5)

圖4　碳酸鹽堿度隨時(shí)間的變化(◆T0；■T1；▲T2；×T3；*T4；●T5)

圖5　碳酸氫鹽堿度隨時(shí)間的變化(◆T0；■T1；▲T2；×T3；*T4；●T5)

藻類生長(zhǎng)不能直接吸收碳酸鹽，只能利用水體中游離態(tài)CO2或HCO-3進(jìn)行光合作用[13]。Stumm和Morgan[14]指出，淡水水體的pH值在8 左右時(shí)，碳酸氫鹽—碳占水體中總無(wú)機(jī)碳的90%左右；而pH值為9 左右時(shí)，游離CO2濃度接近于零。故在弱堿性條件下(pH值8~9) ，總無(wú)機(jī)碳中碳酸氫鹽是主要的存在形態(tài)，也是藻類能夠間接或直接利用的主要碳源形態(tài)[9]。在培養(yǎng)初期和中期，各體系中藻的生長(zhǎng)量大，從水中大量吸收CO2和HCO-3，使得體系總堿度和碳酸氫鹽堿度都降低，并因此使得pH值升高，碳酸鹽平衡體系向右移動(dòng)，水中碳酸鹽濃度升高。實(shí)驗(yàn)后期，藻類開(kāi)始先后出現(xiàn)衰亡跡象，生長(zhǎng)和呼吸作用都減弱，對(duì)碳酸氫鹽的利用減少，同時(shí)在一定的pH值條件下，水中碳酸鹽體系達(dá)成新的平衡。從各圖堿度曲線看，第5天和第7天的堿度變化比較大，對(duì)應(yīng)于圖1中，第3~7d銅綠微囊藻生長(zhǎng)迅速，表明藻類生長(zhǎng)對(duì)體系堿度變化確實(shí)存在顯著影響。

3.3　TN和TP的變化情況

羅固源等人[15]研究表明：在TN/TP為12∶1時(shí)藻類的產(chǎn)生周期最短，產(chǎn)生量最多。為使實(shí)驗(yàn)用水的初始氮磷營(yíng)養(yǎng)水平達(dá)到中富營(yíng)養(yǎng)化程度，又能保證銅綠微囊藻的正常生長(zhǎng)，故調(diào)節(jié)初始氮磷營(yíng)養(yǎng)水平分別約為2.85mg/L和0.19mg/L，總氮與總磷的濃度比大約為15∶1。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中水的TN和TP變化情況如圖6和圖7所示。

圖6　TN隨時(shí)間的變化及7天內(nèi)TN的利用率(◆T0；■T1；▲T2；×T3；*T4；●T5；+利用率)

圖7　TP隨時(shí)間的變化及7天內(nèi)TP的利用率(◆T0；■T1；▲T2；×T3；*T4；●T5；+利用率)

圖6表明，隨實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，各體系TN濃度普遍呈下降趨勢(shì)，在第7天趨于平衡。但不同堿度下，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)各組的TN濃度稍有差異。T2組的TN濃度一直是6個(gè)組別中最低的，表明T2組具有最大的TN利用效率。T5組的TN濃度在實(shí)驗(yàn)初期處于6個(gè)組別的中等水平。

由圖7可以看出，TP的變化趨勢(shì)與TN的基本相同，但各組間的差異比TN的要顯著。銅綠微囊藻的生長(zhǎng)主要吸收利用水中的可溶性磷PO43-，但是由于堿度的影響，使得各組水藻的長(zhǎng)勢(shì)不同，所以對(duì)可溶性磷的利用率也不同的。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各組實(shí)驗(yàn)體系中TP濃度由高到低的順序依次為：T0、T1、T5、T4、T3和T2，相應(yīng)地各組對(duì)磷的利用率分別為：38.1%、43.4%、51.3%、46.3%、46.3%、44.7%，該順序與藻類生長(zhǎng)曲線稍有不同，T4組和 T5組的TP的利用率相對(duì)較高，分析原因可能是過(guò)高的堿度環(huán)境，使得銅綠微囊藻在生長(zhǎng)時(shí)消耗更多的可溶性磷。從曲線變化趨勢(shì)可以看出，TP濃度在第3~7d下降程度較大，與藻類的生長(zhǎng)趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)。

比較藻對(duì)氮和磷的利用情況表明，銅綠微囊藻對(duì)TN的利用率比對(duì)TP的低。鄭朔方[16]等人研究表明，銅綠微囊藻對(duì)總磷的半飽和常數(shù)KSP=0.019，對(duì)總氮的半飽和常數(shù)KSN=0.111，說(shuō)明銅綠微囊藻對(duì)總磷的吸收能力遠(yuǎn)高于對(duì)總氮的吸收能力，這是該水藻能夠高效利用磷的原因所在。

4結(jié)論

(1)銅綠微囊藻在含不同堿度水平的培養(yǎng)液中生長(zhǎng)，能夠間接或直接利用水中碳酸氫鹽作為光合無(wú)機(jī)碳源。藻類的生長(zhǎng)和堿度水平存在某些相關(guān)性。

(2)初始?jí)A度的不同會(huì)對(duì)藻類的生長(zhǎng)產(chǎn)生影響，本實(shí)驗(yàn)體系中最適宜的堿度條件約為2.46mmol/L，高于或低于這個(gè)濃度，藻類的生長(zhǎng)情況都趨于下降，但總的來(lái)說(shuō)，降低堿度比提高堿度更適合藻類生長(zhǎng)。

(3)藻類生長(zhǎng)會(huì)影響水體的酸堿水平，隨著藻類的生長(zhǎng)，pH值逐漸升高，而水中堿度的成分也會(huì)因此相互轉(zhuǎn)換。

(4)水體中堿度的改變，會(huì)影響銅綠微囊藻對(duì)N、P的利用。各組實(shí)驗(yàn)體系中對(duì)氮的利用率分別為14.3%、14.7%、15.6%、14.9%、15.3%、15.1%；對(duì)磷的利用率分別為：38.1%、43.4%、51.3%、46.3%、46.3%、44.7%。堿度過(guò)高，藻類將吸收更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)維持其生長(zhǎng)，N、P利用量也會(huì)相應(yīng)提高。

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