葡萄糖添加對太湖水體浮游植物生長的影響

王小冬， 劉興國， 顧兆俊， 時 旭， 朱 浩， 劉 翀

(農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術重點試驗室 中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092)

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葡萄糖添加對太湖水體浮游植物生長的影響

王小冬， 劉興國， 顧兆俊， 時 旭， 朱 浩， 劉 翀

(農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術重點試驗室 中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092)

葡萄糖；碳源；浮游植物；氮、磷營養(yǎng)鹽

隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程的加快，我國的湖泊、河流、池塘等多種水域出現(xiàn)了富營養(yǎng)化，水質(zhì)下降，并導致水質(zhì)性缺水現(xiàn)象加劇。其實質(zhì)是水體營養(yǎng)鹽水平過高，水體浮游植物尤其是有害浮游植物大量繁殖，從而導致水體多種使用功能受到嚴重損害[1]。因此，如何降低水體中的氮、磷等營養(yǎng)鹽水平和浮游植物濃度已經(jīng)成為目前我國治理水體富營養(yǎng)化的一個重要方向。已有研究表明，通過增加有機碳可以增加水體中的異養(yǎng)細菌數(shù)量，提高其降解有機物的作用，從而改變水體中無機氮、磷營養(yǎng)鹽的去向[2]。這為富營養(yǎng)化水體控制提供了一種新思路，即通過增加水體中的有機碳，促進異養(yǎng)細菌繁殖生長，使異養(yǎng)細菌與浮游植物競爭氮、磷等營養(yǎng)鹽，達到控制浮游植物的目的。

目前，水產(chǎn)養(yǎng)殖中一般通過人工添加有機碳，如葡萄糖、蔗糖等，以提高水體中的碳氮比，加速氮形態(tài)的轉(zhuǎn)變，并改變水體中氮、磷營養(yǎng)鹽吸收利用的途徑[3-4]。但是在河流、湖泊等非養(yǎng)殖水體中添加葡萄糖是否會影響系統(tǒng)中浮游植物對氮、磷營養(yǎng)鹽的吸收利用，以及對控制浮游植物是否起作用，這方面的探討還比較少。本研究試圖探討葡萄糖添加對太湖浮游植物生長的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗方案

試驗于2015年7月30日—8月6日在中國科學院太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究站(太湖梅梁灣)進行。設置3個處理，每個處理3個重復，每個處理均添加相同水平的氮、磷營養(yǎng)鹽；而各處理中形成了梯度濃度的溶解性總有機碳。碳的添加質(zhì)量濃度分別為0 mg/L(對照組)、51 mg/L(低碳組)和102 mg/L(高碳組)。試驗容器為總體積100 L的白色塑料桶，桶高60 cm。試驗初始水體積為70 L，其中添加的碳、氮、磷形態(tài)分別為無水葡萄糖(C6H12O6)、硝酸鉀(KNO3)和磷酸二氫鉀(KH2PO4)。

1.2 氮、磷營養(yǎng)鹽狀況和曝氣措施

各個桶均使用空氣泵曝氣，曝氣強度為水體中溶氧飽和度約在90%～110%。試驗過程中每隔2 d補充蒸發(fā)水，使桶中水體積恢復至70 L，選用的補充水是試驗初始時獲取的曝氣但不添加營養(yǎng)鹽的湖水。試驗水體來源：2015年7月15日從太湖梅梁灣岸邊取水置于2個1 000 L的塑料桶中，7月29日傍晚將其轉(zhuǎn)入100 L塑料桶中，7月30日上午正式開始試驗。

1.3 指標測定及方法

1.4 數(shù)據(jù)分析與比較

2 結(jié)果

2.1 WT、DO、pH

試驗期間的天氣以晴朗為主，WT、DO、pH的變化如圖1所示。

圖1 不同時間各處理的WT、DO、pH變化Fig.1 Changes in WT,DO,and pH values of each treatment at different time

WT：14:00左右比7:00左右的高7 ℃左右，7:00左右各處理間沒有顯著差異(P>0.05)，14:00左右高碳組和低碳組的WT沒有顯著差異(P>0.05)，但這兩個處理均高于對照組(P<0.05)；DO：7:00左右與14:00左右各處理間均沒有顯著差異(P>0.05)；pH：無論7:00左右還是14:00左右，均是對照組高于低碳組(P<0.05)，而低碳組高于高碳組(P<0.05)(表1)。

2.2 N、P營養(yǎng)鹽

表1 對試驗各指標方差分析時得到的F和P值Tab.1 The F and P values of ANOVA results for each item

注：上標“*”表示差異顯著(P<0.05)

圖2 試驗期間各處理和SRP營養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度的變化Fig.2 Changes in -N,and SRP of each treatment during the experiment

表2 試驗過程中-N、SRP質(zhì)量濃度的降低速率Tab.2 The reduction rate of -N and SRP concentration during the experiment

注：每列數(shù)據(jù)上不同字母表示相互間差異顯著(P<0.05)

2.3 Chl-a與TSS

各處理的Chl-a與TSS質(zhì)量濃度變化見圖3。方差分析結(jié)果顯示，對照組與低碳組間，Chl-a沒有顯著差異(P>0.05)，而二者均顯著高于高碳組(P<0.05)；而3個處理間的TSS質(zhì)量濃度沒有顯著差異(P>0.05)(表1)。

圖3 試驗期間各處理Chl-a與TSS的變化Fig.3 Changes in Chl-a and TSS of each treatment during the experiment

3 討論

3.1 水質(zhì)因子對浮游植物生長的作用

各處理間，WT、DO、pH在一定程度上表現(xiàn)出差異(圖1)，并且14:00左右的平均水溫近37℃，比同期測定的太湖水體溫度高約1～2℃，這與2015年夏季高溫及試驗桶放置在太湖梅梁灣岸邊而不是湖水中有關。

由3個處理的Chl-a質(zhì)量濃度波狀變化(圖3)及在第1、3、5、7天均添加了相同的氮、磷營養(yǎng)鹽可見，3個處理中，每次添加營養(yǎng)鹽均能促進浮游植物Chl-a質(zhì)量濃度的升高，而隨著營養(yǎng)鹽的消耗與未及時補充，Chl-a質(zhì)量濃度會下降，這表明無機氮、磷營養(yǎng)鹽的添加的確對促進浮游植物的生長起作用。3個處理間，Chl-a的差異(圖3，表1)表明無機氮、磷營養(yǎng)鹽對浮游植物的促生長作用受到了葡萄糖添加的影響，并且隨著葡萄糖添加的增多，即有機碳濃度的升高，浮游植物的生長受到抑制。而目前很少有利用有機碳源添加來控制浮游植物生長的研究。

各處理浮游植物濃度的變化趨勢也在TSS質(zhì)量濃度上反映出來(圖3)，但3個處理間TSS質(zhì)量濃度沒有顯著差異(P>0.05)(表1)。這表明在本試驗條件下，添加葡萄糖的2個處理中沒有形成大量的生物絮團，而據(jù)文獻報道[11-12]，添加碳源后往往容易形成生物絮團。本試驗中沒有形成大量的生物絮團可能與沒有持續(xù)穩(wěn)定的有機碳源供應有關，而相關文獻[11-12]中均是持續(xù)供應有機碳以利于生物絮團的形成。

在營養(yǎng)鹽方面，各處理間的TN、TP、SRP質(zhì)量濃度沒有顯著差異(P>0.05)(圖2，表1)，這主要是各處理添加的氮、磷質(zhì)量濃度是一樣的；但對照組的DTN、DTP質(zhì)量濃度顯著高于低碳組(P<0.05)，低碳組的又顯著高于高碳組(P<0.05)(圖2，表1)。這恰好反映了由于不同質(zhì)量濃度的碳添加，導致了溶解性氮、磷不同程度地被水體生物吸收利用，而羅文等[12]、Luo等[13]的研究中也發(fā)現(xiàn)添加一定質(zhì)量濃度碳源后均有利于水體溶解性氮質(zhì)量濃度的降低。

3.2 碳源添加對浮游植物生長的影響

本試驗中，由有機碳質(zhì)量濃度升高而降低水體無機氮、磷的機理，很可能與有機碳促進了異養(yǎng)細菌的生長有關。如Hari等[14]在蝦養(yǎng)殖池塘中通過添加碳源增加碳氮比(C/N)促進異養(yǎng)細菌生長，而異養(yǎng)細菌生長利用碳的同時，也利用了水體中的氮，降低了無機氮質(zhì)量濃度。另外，異養(yǎng)細菌將水體中的氨氮轉(zhuǎn)化為細菌的生物量，達到降低水體氨氮的目的[15]。有研究認為細菌吸收比硝化作用能更快地降低氨氮濃度[16]。水體中碳和氮處于較好平衡狀態(tài)時，氨氮和有機態(tài)氮將會轉(zhuǎn)化為細菌的生物量[2,17-18]。Crab等[19]認為通過對水體添加有機碳促進異養(yǎng)細菌生長，是改變池塘養(yǎng)殖中氮循環(huán)途徑的一個好方法。

國內(nèi)也有相應的研究：如適當添加碳源可促進異養(yǎng)細菌繁殖，吸收轉(zhuǎn)化無機氮，從而降低水體中無機氮質(zhì)量濃度[20]；異養(yǎng)細菌在利用有機碳的同時能夠利用無機氮、磷[21]。因此，本試驗中添加高濃度葡萄糖的處理，浮游植物生物量受到明顯抑制，這很可能是有機碳質(zhì)量濃度升高后促進了異養(yǎng)細菌的生長，也促進了異養(yǎng)細菌與浮游植物競爭氮、磷營養(yǎng)鹽的緣故。本試驗由于沒有測定試驗過程中的溶解性總有機碳質(zhì)量濃度(DOC)，因而不能確定試驗過程中有機碳的具體利用情況，這是個缺陷。

碳源供應是微生物生長尤其是細菌生長的一個重要物質(zhì)條件。而目前在水體富營養(yǎng)研究及控制中往往只特別關注氮、磷營養(yǎng)鹽，而忽略了碳素的影響，這與空氣中含有大量二氧化碳可作為浮游植物的碳源有關。目前，富營養(yǎng)水體，尤其是富營養(yǎng)湖泊中有機碳質(zhì)量濃度相對較低，如2009年太湖水體DOC水平為1.0～10.1 mg/L[22]。而富營養(yǎng)水體中易形成水華的藍藻即藍細菌，屬于自養(yǎng)細菌，與異養(yǎng)細菌的物質(zhì)利用特點有差異，對碳源的利用也有特點。淡水方面相關的研究比較少，有藍藻腐爛對有機碳的影響研究[23]，或者是水體中有色溶解有機物(CDOM)的分布特征研究[24]，而不是有機碳質(zhì)量濃度對藍藻生長的影響。不同碳源濃度對海水浮游植物與異養(yǎng)細菌的研究表明，有外源碳提供時，異養(yǎng)細菌對無機磷酸鹽的吸收明顯高于藻類[25]。因此，需加強富營養(yǎng)化河流、湖泊等非養(yǎng)殖水體中有機碳對浮游植物利用氮、磷營養(yǎng)鹽影響的研究。

由本研究結(jié)果可知，在富營養(yǎng)湖泊水體中添加有機碳可控制浮游植物生長，建議先在小范圍內(nèi)應用；在實際湖水中氮、磷營養(yǎng)鹽的增加遠沒有本實驗多，碳源對浮游植物控制的效果應該會更明顯。但有研究認為[26],水體中添加有機碳源后，可能增加水體中的生物固氮作用，從而增加水體中的氮素含量，說明碳源添加在水體氮、磷營養(yǎng)鹽控制方面需要一定的平衡。這在實際應用時要特別注意。

4 結(jié)論

溶解性的無機氮、磷營養(yǎng)鹽在夏季水體中很容易被吸收或者吸附，導致難以在水體中監(jiān)測到高濃度溶解性的無機氮、磷。浮游植物的快速生長都是由一定濃度的、可被直接吸收的氮、磷營養(yǎng)鹽供應的結(jié)果。以葡萄糖為碳源添加(如51 mg/L和102 mg/L的碳源質(zhì)量濃度)控制了浮游植物生長，這種控制主要是通過降低水體中可被浮游植物利用的無機氮、磷濃度來實現(xiàn)的?？梢酝ㄟ^對水體添加葡萄糖之類的有機碳源，在短期內(nèi)達到控制浮游植物生長的目的。

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WANG Xiaodong,LIU Xingguo,GU Zhaojun,SHI Xu,ZHU Hao,LIU Chong

(KeyLaboratoryofFisheryEquipmentandEngineering,MinistryofAgriculture,FisheryMachineryandInstrumentResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Shanghai200092,China)

glucose; carbon source; phytoplankton; nitrogen and phosphorus nutrient

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.05.002

2016-06-26

2016-09-17

國家自然科學基金項目(41401580)；國家科技支撐計劃項目(2012BAD25B01)；國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2015CB150703)；農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術重點試驗室開放課題(2012007)

王小冬(1981—)，女，博士，副研究員，研究方向：水生態(tài)環(huán)境與工程。E-mail:wangxd1201@163.com

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1007-9580(2016)05-006-07