含硅復(fù)合營養(yǎng)素對控制藍(lán)藻水華作用的研究

許麗麗, 王英英, 孫 暉, 陳徐羽心, 李世玥, 王全喜

(上海師范大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院生物系,上海 200234)

含硅復(fù)合營養(yǎng)素對控制藍(lán)藻水華作用的研究

許麗麗, 王英英, 孫 暉, 陳徐羽心, 李世玥, 王全喜*

(上海師范大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院生物系,上海 200234)

向水體中添加不同濃度的含硅營養(yǎng)素以確定該營養(yǎng)素控制藍(lán)藻水華的最優(yōu)作用濃度,同時在不同溫度及光照條件下按照最優(yōu)作用濃度添加該營養(yǎng)素以確定該營養(yǎng)素的作用效果與環(huán)境變化的關(guān)系.結(jié)果表明,該營養(yǎng)素能抑制藍(lán)藻水華,加入后藍(lán)藻比例下降,硅藻和綠藻比例上升,水體中的氮含量增加,其最佳作用濃度為312.5 μL/L,其作用效果在不同的光照和溫度條件下均具有有效性.該研究為藍(lán)藻水華的治理提供有效的實踐基礎(chǔ).

含硅營養(yǎng)素; 水華; 藍(lán)藻; 硅藻

0 引 言

由于水體富營養(yǎng)化導(dǎo)致藍(lán)藻大量增殖的現(xiàn)象稱為“水華”[1].近年來,水體中水華頻發(fā),尤其是藍(lán)藻水華頻繁出現(xiàn)[2].藍(lán)藻水華會導(dǎo)致水體缺氧,破壞水體中的食物鏈,并且產(chǎn)生毒素,造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會問題[3-5].幾乎全世界的水系,包括非洲的維多利亞湖、歐洲的波羅的海、北美的伊利湖等都出現(xiàn)過嚴(yán)重的藍(lán)藻水華[6].中國的太湖、巢湖和滇池是藍(lán)藻水華最為嚴(yán)重的湖泊.目前藍(lán)藻水華的治理主要有物理法、化學(xué)法、生物法,物理法主要包括機(jī)械清除法[7]及曝氣混合法[8];化學(xué)法主要指采用有機(jī)物或無機(jī)物進(jìn)行殺藻[9],生物法主要包括生物操縱法及微生物殺藻技術(shù)[10].通過種植大型水生植物,不僅能夠競爭性地吸收水體和沉積物中的營養(yǎng)鹽[11-13],起到遮光作用[14],而且能分泌化感物質(zhì)抑制浮游植物生長[12,15-16].

硅藻是一類細(xì)胞壁含有果膠質(zhì)和大量硅質(zhì)的真核藻類,是魚蝦貝類的主要餌料.硅元素是硅藻生長必不可少的元素.本研究向水體中添加不同濃度的含硅營養(yǎng)素,期望使硅藻成為水體中優(yōu)勢種,達(dá)到防治藍(lán)藻水華的目的.對該營養(yǎng)素的最佳作用濃度及不同環(huán)境條件下水體中藻類的數(shù)量及分布進(jìn)行了探究,為藍(lán)藻水華的治理提供理論及實踐基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 實驗材料與儀器

含硅營養(yǎng)素是由張家港青山綠水生物科技有限公司提供(以下簡稱營養(yǎng)素),該營養(yǎng)素成分以水合SiO2為主,另外含有Fe,Co,Mg,Mn,Ca等微量元素.

試驗水體取自上海師范大學(xué)學(xué)思湖(試驗時間選擇在夏季,此時為水華爆發(fā)時期),為了排除浮游動物對藻類的捕食作用,本實驗用25#浮游生物網(wǎng)(孔徑為0.064 mm)過濾原水樣后以備實驗所用.

所用儀器主要有顯微鏡(南京江南永新光學(xué)有限公司)、TU-1901雙光束紫外-可見分光光度計(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)、DRB200消解儀(美國Hach公司)、藻類培養(yǎng)箱(寧波江南儀器廠).

1.2 試驗方法

1.2.1 營養(yǎng)素最佳作用濃度的篩選

將采集的水樣用浮游生物網(wǎng)過濾后分裝到容量為1 L的燒杯中,分別添加12.5、62.5、312.5、625.0 μL 營養(yǎng)素,不添加營養(yǎng)素的樣品作為對照組,放置于溫度為25 ℃,光照強(qiáng)度為60 μmol·m-2·s-1的培養(yǎng)箱中培養(yǎng),測定水體中藻類的群落結(jié)構(gòu)和總氮濃度以確定最優(yōu)的營養(yǎng)素作用濃度.

1.2.2 不同溫度及光照條件下營養(yǎng)素對控制藍(lán)藻水華的作用實驗

將營養(yǎng)素按最優(yōu)作用濃度添加入水樣中,樣品在容積為1 L的燒杯中培養(yǎng),培養(yǎng)的燒杯分別放置于3種環(huán)境條件下:1)光照強(qiáng)度30 μmol·m-2·s-1,晝夜交替10 h∶14 h,溫度5 ℃(模擬冬季);2)光照強(qiáng)度100 μmol·m-2·s-1,晝夜交替12 h∶12 h,溫度15 ℃(模擬春秋);3)光照強(qiáng)度200 μmol·m-2·s-1,晝夜交替14 h∶10 h,溫度25 ℃(模擬夏季),進(jìn)行藻類群落結(jié)構(gòu)和總氮濃度的檢測.

1.2.3 藻類計數(shù)方法

藻類計數(shù):在計數(shù)前將樣品上下晃動,待充分搖勻后,使用Dragon-Med可調(diào)式移液槍在樣品的中部吸取0.1 mL注入浮游植物計數(shù)框內(nèi)(計數(shù)區(qū)面積為20 mm×20 mm),在10×40倍的光鏡下采用視野法計數(shù),計數(shù)時確保藻類個體總數(shù)大于300.每個標(biāo)本根據(jù)浮游植物數(shù)量重復(fù)計數(shù)3次,取其平均值,用于計算各門藻類的數(shù)量數(shù)量生物量的百分比,同時使用顯微鏡進(jìn)行藻類照片拍攝.

1.2.4 總氮(TN)質(zhì)量濃度的測定

總氮質(zhì)量濃度的測定使用鉬酸銨分光光度法.

2 結(jié)果與分析

2.1 營養(yǎng)素最佳作用濃度的篩選

2.1.1 不同濃度營養(yǎng)素對水體中藻類群落結(jié)構(gòu)的影響

溫度為25 ℃,光照強(qiáng)度為60 μmol·m-2·s-1的水體中添加不同濃度營養(yǎng)素后藻類群落結(jié)構(gòu)變化情況如圖1所示.由圖1可知,添加營養(yǎng)素之前,硅藻門、綠藻門、藍(lán)藻門的數(shù)量生物量分?jǐn)?shù)分別為 12.0%,24.8%,63.2%,加入質(zhì)量濃度為12.5 μL/L的營養(yǎng)素7 d后,硅藻門、綠藻門、藍(lán)藻門的生物量分?jǐn)?shù)分別為20.9%,30.8%,48.3%;加入質(zhì)量濃度為62.5 μL/L 營養(yǎng)素7 d后,各藻門所占數(shù)量生物量分?jǐn)?shù)分別為22.4%,33.9%,43.7%;加入質(zhì)量濃度為312.5 μL/L 營養(yǎng)素 7 d后,各藻門所占生物量分?jǐn)?shù)分別為46.0%,44.7%,9.3%;加入質(zhì)量濃度為625.0 μL/L 營養(yǎng)素7 d后,各藻門所占數(shù)量生物量分?jǐn)?shù)分別為25.8%,56.0%,18.2%;7 d后,對照組各藻門所占數(shù)量生物量分?jǐn)?shù)分別為19.6%,26.3%,54.2%.

由此可知,加入不同濃度的營養(yǎng)素后藍(lán)藻的數(shù)量生物量分?jǐn)?shù)均下降,尤其當(dāng)加入營養(yǎng)素質(zhì)量濃度為312.5 μL/L時,水體中硅藻門數(shù)量生物量分?jǐn)?shù)上升最多,為34%,藍(lán)藻門數(shù)量生物量分?jǐn)?shù)下降最多,為53.9%.

圖1 7 d后不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)營養(yǎng)素對水體中藻類群落結(jié)構(gòu)影響

2.1.2 加入不同濃度營養(yǎng)素后水體中藍(lán)藻群落的形態(tài)變化

不添加營養(yǎng)素的對照組水樣與添加營養(yǎng)素的水樣中藍(lán)藻形態(tài)的顯微照片如圖2所示,通過顯微鏡觀察,在相同視野面積下添加營養(yǎng)素的水樣,藍(lán)藻群落大幅度減少,且從密集變得離散,呈現(xiàn)小型化趨勢.

圖2 藍(lán)藻形態(tài)變化顯微鏡照片

2.1.3 加入不同濃度營養(yǎng)素后水體中總氮的變化

圖3 添加不同濃度營養(yǎng)素后水體中總氮質(zhì)量濃度隨天數(shù)的變化

添加不同濃度營養(yǎng)素的水體中總氮變化情況如圖3所示.由圖3可知,未添加營養(yǎng)素前,水體中總氮質(zhì)量濃度為1.8 mg/L,分別添加12.5,62.5,312.5,625.0 μL 營養(yǎng)素 7 d后,總氮質(zhì)量濃度分別為2.6,2.3,1.3,1.1 mg/L,比對照組2.8 mg/L,分別降低了7.1%,17.9%,35.7%,60.7%.由此可見,加入該營養(yǎng)素后水體中的氮含量下降,根據(jù)加入營養(yǎng)素濃度的不同其下降的程度有所差異.

2.2 營養(yǎng)素在不同溫度及光照條件下的作用效果

2.2.1 不同環(huán)境條件下的藻類群落結(jié)構(gòu)變化

水體加入最優(yōu)體積分?jǐn)?shù)的營養(yǎng)素(312.5 μL/L)后在不同溫度及光照條件下藻類的群落結(jié)構(gòu)變化如圖4所示.由圖4可知,冬季環(huán)境條件下(溫度、光照條件如1.2.2節(jié)所述),未添加營養(yǎng)素前,水體中硅藻門、綠藻門、藍(lán)藻門的數(shù)量生物量分?jǐn)?shù)分別為20.3%,44.4%,35.3%.7 d后,對照組中三藻門數(shù)量生物量分?jǐn)?shù)分別為23.1%,46.5%,30.4%,實驗組中三藻門數(shù)量生物量分?jǐn)?shù)分別為36.7%,46.2%,17.1%.春秋環(huán)境條件下,未添加營養(yǎng)素前,水體中硅藻門、綠藻門、藍(lán)藻門的數(shù)量生物量分?jǐn)?shù)分別為20.3%,44.4%,35.3%,7天后,對照組中三藻門數(shù)量生物量分?jǐn)?shù)分別為23.9%,45.6%,30.6%,實驗組中三藻門數(shù)量生物量分?jǐn)?shù)分別為36.8%,46.5%,16.7%.夏季環(huán)境條件下,未添加營養(yǎng)素前,水體中硅藻門、綠藻門、藍(lán)藻門的數(shù)量生物量分?jǐn)?shù)分別為19.8%,46.3%,33.9%,7天后,對照組中三藻門數(shù)量生物量分?jǐn)?shù)分別為15.8%,50.9%,33.2%,實驗組中三藻門數(shù)量生物量分?jǐn)?shù)分別為33.4%,46.8%,19.8%.由此可知,不同的環(huán)境條件下,加入營養(yǎng)素后藍(lán)藻生物量分?jǐn)?shù)均下降,硅藻的數(shù)量生物量分?jǐn)?shù)均上升,營養(yǎng)素均能發(fā)揮預(yù)想的作用.

2.2.2 不同環(huán)境條件下總氮質(zhì)量濃度的變化

水體加入最優(yōu)體積分?jǐn)?shù)的營養(yǎng)素(312.5 μL/L)后在不同溫度及光照條件下總氮的變化情況如圖5所示.由圖5可知,冬季、春秋季、夏季3種不同環(huán)境條件下,培養(yǎng)7 d后,實驗組中的水體總氮質(zhì)量濃度均低于對照組,分別降低了49.7%,50.0%,25.0%.說明各種環(huán)境下,加入該營養(yǎng)素后都能顯著降低水體中含氮量.

3 討 論

3.1 硅藻復(fù)合營養(yǎng)素對控制藍(lán)藻水華的有效性分析

3.1.1 營養(yǎng)素對水體總氮濃度的影響

經(jīng)顯微鏡觀察,水華藻類的主要優(yōu)勢種為銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa).由于造成藍(lán)藻水華的根源是水體中堆積了過多的氮磷[2],不同濃度的含硅營養(yǎng)素加入到實驗水體后,硅藻、綠藻所占的比例均增加,藍(lán)藻比例均減少,說明該營養(yǎng)素對抑制水體中藍(lán)藻的比例具有顯著的作用.該營養(yǎng)素中除了含有Fe,Co,Mg,Mn,Ca等微量元素外,主要含有SiO2,可以促進(jìn)硅藻的數(shù)量增加.在同一水體中,由于營養(yǎng)競爭硅藻大量增加后吸收水體中的營養(yǎng)成分,迅速成為優(yōu)勢種,從而減少了藍(lán)藻在水體中的比例.增加的硅藻可以作為水體中魚蝦貝類的餌料,隨著人們對魚蝦貝類的捕撈,水體中的氮磷營養(yǎng)元素被移出,因此并不會由于營養(yǎng)的堆積形成硅藻水華.同時硅藻的增加也增加了水中的溶解氧,有利于魚蝦貝類的生長,從而形成一種良性循環(huán)的水生態(tài)系統(tǒng).

圖5 3種不同環(huán)境條件下水體中總氮含量變化.(a)冬季;(b)春秋季;(c)夏季

3.1.2 營養(yǎng)素對藻體形態(tài)的影響

加入硅藻復(fù)合素后藍(lán)藻(主要是微囊藻)的群落變小,并且其個體向小型化發(fā)展,這種變化趨勢有利于浮游動物對藍(lán)藻的捕食,幫助減少藍(lán)藻數(shù)量.

3.2 不同的溫度及光照對硅藻復(fù)合營養(yǎng)素控制藍(lán)藻水華作用的影響

Robarts 和Zohary認(rèn)為藍(lán)藻水華的發(fā)生主要是由于水溫升高[17],藻類群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,溫度、光照對藍(lán)藻水華有促生作用[18].為了探明該營養(yǎng)素對水華治理的有效性是否受到環(huán)境條件的限制,將最優(yōu)濃度的營養(yǎng)素加入水體中,以3種不同的光照及溫度條件模擬四季環(huán)境(上海地區(qū)的四季變化),結(jié)果發(fā)現(xiàn):3種環(huán)境條件下藍(lán)藻所占比例均下降,硅藻和綠藻比例均增加,這說明3種不同的光照及溫度條件下該營養(yǎng)素對控制藍(lán)藻水華均有效.

4 結(jié) 論

含硅營養(yǎng)素通過改變水體中的藻類群落結(jié)構(gòu)達(dá)到降低藍(lán)藻含量的目的,通過實驗發(fā)現(xiàn),含硅營養(yǎng)素在一定濃度下可以有效地抑制藍(lán)藻水華爆發(fā),并可以改善水體內(nèi)藻類群落結(jié)構(gòu),增加硅藻和綠藻的數(shù)量及分布.研究還表明,不同光照和溫度條件下該營養(yǎng)素均能發(fā)揮作用.本研究為藍(lán)藻水華的治理提供了新思路,含硅營養(yǎng)素具有較大工業(yè)化生產(chǎn)及實際應(yīng)用價值.

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(責(zé)任編輯：顧浩然)

征稿啟事

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Study on controlling cyanobacterial bloom by addingsilicon-containingnutrients

Xu Lili, Wang Yingying, Su Hui, Chenxu Yuxin, Li Shiyue, Wang Quanxi*

(College of Life and Environmental Sciences,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China)

Specific silicon-containing nutrientswith different concentrations were added to water in order to determine the optimal concentration of the nutrient for controlling cyanobacterial bloom.Then the nutrient with optimalconcentration was added in water samples under different temperatures and light intensity conditionsto explore the relationship between the effect of nutrient and environmental variation.The results showed that the nutrient couldplay a vital role incyanobacterial bloomcontrol,and the optimal concentration was 312.5 μL/L.By adding the nutrient,the proportion of blue algae abundance reduced while that of diatom and green algae showed an increasing trend.The effect wasvalidity under different temperatures and light intensities.This study provided a practice basis for cyanobacterial bloom control.

silicon nutrients; algal bloom; cyanobacteria; diatom

2016-05-12

國家自然科學(xué)基金(31600284);上海師范大學(xué)一般科研項目 (SK201517);上海師范大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新項目(A-9103-14-007116).

許麗麗(1984-),女,博士后,講師,主要從事藻類能源與藻類環(huán)境學(xué)方面的研究.E-mail:xll@shnu.edu.cn;王全喜(1956-),男,教授,主要從事藻類能源與藻類環(huán)境學(xué)方面的研究.E-mail:wangqx@shnu.edu.cn

Q 89

A

1000-5137(2017)02-0326-06

*通信作者