混鹽條件下藻類生長特性及磷營養(yǎng)鹽動力學分析*

焦繼東 鄭劍鋒,2# 李付寬 孫力平,2

(1.天津城建大學環(huán)境與市政工程學院,天津 300384；2.天津市水質(zhì)科學與技術(shù)重點實驗室，天津 300384)

混鹽條件下藻類生長特性及磷營養(yǎng)鹽動力學分析*

焦繼東1鄭劍鋒1,2#李付寬1孫力平1,2

(1.天津城建大學環(huán)境與市政工程學院,天津 300384；2.天津市水質(zhì)科學與技術(shù)重點實驗室，天津 300384)

選擇天津濱海地區(qū)混鹽水體，研究不同鹽度下藻類演替及生長規(guī)律，并探究混鹽條件下磷營養(yǎng)鹽對藻類生長的影響，以Monod方程為理論基礎(chǔ)，構(gòu)建混鹽條件下藻類生長—磷營養(yǎng)鹽動力學模型，為混鹽水體水華防治提供依據(jù)。結(jié)果表明：在鹽度(以質(zhì)量濃度計)<10 000mg/L的情況下，卵囊藻(Oocystissp)和銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)為優(yōu)勢種；當鹽度≥10 000mg/L時，銅綠微囊藻為優(yōu)勢種。鹽度為10 000～20 000mg/L時，藻類適宜生長繁殖；當鹽度<10 000mg/L或鹽度>20 000mg/L時，藻類生長繁殖受到不同程度的抑制。當鹽度為15 000mg/L的條件下，適宜藻類生長的磷營養(yǎng)鹽(以磷計)為0.20～1.50mg/L；當磷營養(yǎng)鹽為1.50mg/L時，比生長率最大。通過藻類生長—磷營養(yǎng)鹽動力學分析，確定混鹽條件下藻類最大比生長率為0.877d-1，半飽和常數(shù)為0.914mg/L。

鹽度 優(yōu)勢藻 磷 動力學分析

Abstract: Aiming at the mesohalinous water bodies in coastal region of Tianjin,the growth characteristics of algae in different salinities and phosphorus nutrient concentration were studied,and a dynamic model of algae growth-phosphorus nutrient for mesohalinous water based on the theory of Monod equation was built. The research results showed that：when the salinity (calculated at mass concentration) was <10 000 mg/L,OocystisspandMicrocystisaeruginosawere predominant algae；when the salinity was ≥10 000 mg/L,Microcystusaeruginosaoccupied absolutely dominant position. Algae growth was always active in condition of the salinity range from 10 000 mg/L to 20 000 mg/L. When the salinity was less than 10 000 mg/L or more than 20 000 mg/L,the algae growth was inhibited to some extent. The phosphorus nutrient concentration ranged from 0.20 mg/L to 1.50 mg/L was suitable for algae growth with salinity of 15 000 mg/L. Algae growth reached the maximum while the phosphorus nutrient concentration (calculated by phosphorus) was 1.50 mg/L. Through the analysis of the dynamic model,the maximum specific growth rate of algae was 0.877 d-1,and the semi-saturation constant was 0.914 mg/L.

Keywords: salinity; predominant algae; phosphorus; dynamic analysis

受高鹽度地下水和土壤的影響，天津濱海地區(qū)地表混鹽水體(鹽度(以質(zhì)量濃度計)為500～30 000 mg/L)眾多[1-2]。通常認為，鹽度對藻類生長有抑制作用[3]，但通過對天津濱海地區(qū)地表水水質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這些混鹽水體中依然存在著由藻類過度生長而導致的水華問題。許多研究成果表明，鹽度對藻類演替及生長規(guī)律均有較大影響。BARRON等[4]通過不同營養(yǎng)條件下鹽度對浮游植物特別是固氮藍藻生長的影響研究發(fā)現(xiàn)，在高營養(yǎng)水平下鹽度對浮游植物生長的影響更明顯。錢振明等[5]研究發(fā)現(xiàn)，鹽度在一定程度上影響著硅藻的滲透壓、營養(yǎng)鹽吸收及其懸浮性。趙水東[6]研究表明，東海原甲藻(Prorocentrumdonghaiense)比生長率隨著鹽度升高而升高。有學者提出將鹽度納入營養(yǎng)物基準指標體系中[7]，但目前缺乏鹽度對不同藻類生長影響的量化研究成果。此外，控制水體中營養(yǎng)鹽濃度是預防水華發(fā)生的基本途徑[8-10]，有關(guān)混鹽條件下營養(yǎng)鹽對藻類的影響依然不明確，這不利于混鹽水體水華的防治。因此，本研究以天津濱海地區(qū)混鹽水體中4種常見藻類為對象，對不同鹽度下藻類的演替及生長規(guī)律進行分析，并考察混鹽條件下不同磷營養(yǎng)鹽濃度對藻類生長的影響，構(gòu)建混鹽條件下藻類生長—磷營養(yǎng)鹽動力學模型，以期為混鹽水體水華的防治提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗設(shè)計

圖1為天津濱海地區(qū)典型混鹽水體——清凈湖的藻類觀察結(jié)果。經(jīng)堅定，研究區(qū)藻類以席藻(Phormidium)、卵囊藻(Oocystissp)、綠球藻(Chlorellavulgaris)、銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)為主。將上述4種藻類用于實驗接種，進行混鹽條件下的藻類生長模擬。

圖1 藻類觀察結(jié)果(×800)Fig.1 Observation results of algae (×800)

1.1.1 鹽度影響實驗

根據(jù)清凈湖水樣檢測結(jié)果，水體鹽分的主要組成為NaCl，故實驗設(shè)計鹽度采用NaCl配制，設(shè)置7種不同鹽度條件(見表1)，用母液配置7組培養(yǎng)基(母液按照BG-11培養(yǎng)液配方配制)。

每組培養(yǎng)基接種藻類后初始藻細胞密度均為5.5×104個/mL，依照清凈湖水樣中藻類組成比例，設(shè)置卵囊藻、綠球藻、席藻、銅綠微囊藻接種比例分別為33.33%、33.33%、16.67%、16.67%。在光照培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)，溫度為25 ℃，光照強度為3 000 lx，每天光、暗時間均為12 h。

1.1.2 混鹽條件下磷營養(yǎng)鹽影響實驗

根據(jù)鹽度影響實驗結(jié)果，設(shè)定鹽度為15 000 mg/L的混鹽條件。根據(jù)鄭劍鋒等[11]的研究結(jié)果，清凈湖屬于磷限制性水體，參考清凈湖實際氮磷含量，在氮營養(yǎng)鹽(以氮計)為15 mg/L的情況下，用KH2PO4調(diào)節(jié)實驗用水磷營養(yǎng)鹽(以磷計)分別為0.05、0.20、0.50、1.00、1.50、2.00 mg/L，另配制無磷培養(yǎng)液作為對照組，其他實驗條件與鹽度影響實驗相同。磷營養(yǎng)鹽濃度水平設(shè)計方案見表2。

1.2 研究方法

藻細胞密度采用血球計數(shù)板在倒置熒光顯微鏡下進行計數(shù)，具體操作參考文獻[12]。

藻類比生長率計算公式為：

(1)

式中：μ為藻類的比生長率，d-1；F1為初始藻細胞密度，個/mL；F2為培養(yǎng)結(jié)束時的藻細胞密度，個/mL；t為培養(yǎng)時間，d。

動力學分析以Monod方程[13]為基礎(chǔ)，為應用Lenweaver-Burk作圖法，將Monod方程式轉(zhuǎn)變?yōu)槭?2)。

(2)

式中：μmax為藻類的最大比生長率，d-1；c為限制藻類增殖的底物(本研究中為磷營養(yǎng)鹽)質(zhì)量濃度，mg/L；KS為半飽和常數(shù),mg/L，KS對應μ=μmax/2時的底物質(zhì)量濃度。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽度對藻類演替的影響

圖2展示了Y0～Y6實驗組在中期和后期的藻類演替形態(tài)。從圖2可以看出：Y0和Y1實驗組在后期以卵囊藻和銅綠微囊藻為主，說明鹽度低于10 000 mg/L條件下，藻類就發(fā)生了演替，以卵囊藻和銅綠微囊藻為優(yōu)勢種；Y2、Y3和Y4實驗組中期以銅綠微囊藻為主，還含有部分綠球藻，但到后期均為銅綠微囊藻，并且分布密集，說明鹽度為10 000～20 000 mg/L有利于藻類生長，但以銅綠微囊藻為優(yōu)勢種；Y5和Y6實驗組在中期和后期基本都以銅綠微囊藻為主，但分布稀疏，說明鹽度大于20 000 mg/L條件下，銅綠微囊藻為優(yōu)勢種，但藻類生長狀況欠佳。當培養(yǎng)基鹽度增大時，滲透壓增加，銅綠微囊藻細胞壁有很好的抗壓能力[14-15]，所以競爭能力強于其他藻類，易于形成優(yōu)勢種。

表1 不同鹽度水平設(shè)計方案

表2 不同磷營養(yǎng)鹽水平設(shè)計方案

圖2 Y0～Y6實驗組中期和后期藻類演替形態(tài)(×200)Fig.2 Algae succession formation of Y0-Y6 experimental group in middle and late stages (×200)

2.2 鹽度對藻類生長狀況的影響

從圖3可以看出，培養(yǎng)1～3 d時，各實驗組的藻類生長狀況基本相同，均處于靜滯適應階段。培養(yǎng)3 d后，不同實驗組的藻類生長狀況相差甚大。Y2、Y3和Y4實驗組在培養(yǎng)3～13 d時均處于指數(shù)期，藻細胞密度迅速增大；培養(yǎng)13 d后進入穩(wěn)定期，最高藻細胞密度分別為1.85×107、2.33×107、2.17×107個/mL，其中Y3實驗組的比生長率最大，為0.266 d-1。Y0和Y1實驗組藻類生長趨勢相近，培養(yǎng)1～9 d時，藻細胞密度緩慢上升至穩(wěn)定；培養(yǎng)9 d后，藻細胞密度開始下降，且培養(yǎng)11～15 d時，Y0實驗組的藻細胞密度下降幅度大于Y1實驗組，說明鹽度是藻類生長的重要影響因子。Y5和Y6實驗組的藻類能生長繁殖，但藻細胞密度明顯低于Y2～Y4實驗組，其比生長率分別為0.204、0.221 d-1，可能因為高鹽度的培養(yǎng)液滲透壓較大，影響藻細胞生長?？梢?，鹽度過低或過高都會阻礙藻類的生長，本研究中藻類生長的適宜鹽度為10 000～20 000 mg/L。

圖3 不同鹽度水平對藻細胞密度的影響Fig.3 Effects of different salinity levels on the cell density of algae

2.3 混鹽條件下磷營養(yǎng)鹽對藻類生長的影響

從圖4可以看出，在無磷營養(yǎng)鹽(P0實驗組)的情況下，藻類生長緩慢，在培養(yǎng)19 d時，藻類幾乎全部死亡，說明藻類生長明顯受到磷營養(yǎng)鹽的影響。P1實驗組在相對較低的磷營養(yǎng)鹽下培養(yǎng)，藻細胞密度總體較低，最高值為5.50×105個/mL，相對P0實驗組藻細胞密度有所提高?？梢?，將磷營養(yǎng)鹽濃度控制在0.20 mg/L以下，可降低混鹽水體水華爆發(fā)的風險。P2～P6實驗組最大藻細胞密度依次為9.35×105、1.12×106、1.20×106、1.26×106、9.80×105個/mL。受磷營養(yǎng)鹽濃度的影響，藻細胞密度存在明顯差異，培養(yǎng)19 d時表現(xiàn)為：P5>P4>P3>P6>P2>P1>P0?？梢姡孱惿L需要適宜的磷營養(yǎng)鹽濃度。當磷營養(yǎng)鹽為0.20～1.50 mg/L時，對藻類生長具有促進作用，且磷營養(yǎng)鹽為1.50 mg/L時最有利于藻類生長，在此條件下藻類比生長率達到0.434 d-1。通過該實驗，將藻類生長的磷營養(yǎng)鹽閾值確定為1.50 mg/L。

圖4 不同磷營養(yǎng)鹽水平對藻細胞密度的影響Fig.4 Effects of different phosphorus nutrient levels on the cell density of algae

2.4 動力學分析

以混鹽條件下磷營養(yǎng)鹽實驗結(jié)果為依據(jù)，進行藻類生長—磷營養(yǎng)鹽動力學分析，按照式(1)計算各實驗組的比生長率，結(jié)果見表3。

表3 不同磷營養(yǎng)鹽水平下藻類的1/μ

按照式(2)對實驗結(jié)果進行回歸分析，依據(jù)回歸方程的截距和斜率分別計算出藻類μmax及KS，回歸分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 藻類生長—磷營養(yǎng)鹽動力學回歸分析結(jié)果Fig.5 Regression analysis of algae growth-phosphorus nutrient dynamics

由圖5可以看出，1/c與1/μ有很好的相關(guān)性。根據(jù)圖5可求得，μmax為0.877 d-1，KS為0.914 mg/L，將其帶入式(2)可得到式(3)。

(3)

本研究中μmax相對較低，說明該混鹽水體水華暴發(fā)風險較小。KS通常用于衡量生物種群對營養(yǎng)物質(zhì)的親和性：KS越小，表示親和性越好，低濃度營養(yǎng)物質(zhì)就能使種群比生長率達μmax/2；KS越大，則親和性越差，需要較高濃度的營養(yǎng)物質(zhì)才能使種群比生長率達到μmax/2[16]。本研究中KS相對較小，說明藻類對磷營養(yǎng)鹽有很好的親和性。

3 結(jié) 論

(1) 在不同鹽度條件下，4種藻類接種后均發(fā)生了演替。當鹽度<10 000 mg/L時，最終以卵囊藻和銅綠微囊藻為優(yōu)勢種；當鹽度≥10 000 mg/L時，銅綠微囊藻最終成為優(yōu)勢種。適宜于藻類生長的鹽度為10 000～20 000 mg/L。當鹽度為15 000 mg/L時，藻類比生長率最大可達0.266 d-1。當鹽度小于10 000 mg/L或大于20 000 mg/L時，藻類生長受到不同程度的抑制。

(2) 在鹽度為15 000 mg/L的條件下，適宜藻類生長的磷營養(yǎng)鹽為0.20～1.50 mg/L。當磷營養(yǎng)鹽為1.50 mg/L時，比生長率最大，為0.434 d-1。將磷營養(yǎng)鹽控制在0.20 mg/L以下，可降低混鹽水體水華爆發(fā)的風險。

(3) 鹽度為15 000 mg/L的混鹽條件下，藻類最大比生長率為0.877 d-1，半飽和常數(shù)為0.914 mg/L，表明混鹽條件下藻類對磷營養(yǎng)鹽有良好的親和性，但水華暴發(fā)風險不大。

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Analysisforgrowthcharacteristicsandphosphorusnutrientdynamicsofalgaeinmesohalinouswater

JIAOJidong1,ZHENGJianfeng1,2,LIFukuan1,SUNLiping1,2.

(1.SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,TianjinChengjianUniversity,Tianjin300384;2.TianjinKeyLaboratoryofAquaticScienceandTechnology,Tianjin300384)

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.07.007

2016-03-14)

焦繼東，男，1990年生，碩士研究生，主要從事水污染控制理論與技術(shù)方面的研究。#

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*國家水體污染控制與治理科技重大專項(No.2012ZX07308-002)；天津市自然科學基金資助項目(No.15JCYBJC49100)；天津市水質(zhì)科學與技術(shù)重點實驗室開放基金資助項目(No.TJKLAST-2015)。