不同氮、磷濃度及配比對銅藻(Sargassum horneri)幼苗生長的影響*

李 慧 丁 剛 辛美麗 劉 瑋 馬增嶺 李大鵬① 郭 文

(1. 溫州大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 溫州 325035; 2. 山東省海洋生物研究院 青島 266104)

銅藻(Sargassum horneri), 屬于褐藻門(Phaeophyta)的墨角藻目(Fucales)、馬尾藻科(Sargassaceae)、馬尾藻屬(Sargassum), 主要分布于遼寧、山東、浙江、福建、廣東等地, 生長在潮流通暢、風(fēng)浪較為平靜的海灣大干潮線以下至–4m淺海巖礁上, 漂浮海面形成海藻場(南春容等, 2014)。銅藻是中國暖溫帶海域淺海區(qū)海藻場的主要連片大型褐藻物種, 是淺海生態(tài)修復(fù)的保護物種(孫建璋等, 2008)。它是藻膠工業(yè)的優(yōu)質(zhì)原料, 因富含有益的生源要素而被廣泛應(yīng)用到醫(yī)藥、食品、飼料和有機肥料方面(孫建璋等, 2009)。近年來, 隨著其生態(tài)價值和經(jīng)濟價值的不斷發(fā)現(xiàn)而備受關(guān)注, 社會需求量也大幅增加。然而, 由于銅藻的自然資源極度匱乏, 對其進行大規(guī)模種苗培育已成為目前亟待解決的問題。

營養(yǎng)鹽是植物維持正常生長所必需的, 不同藻類在其生長過程中, 對營養(yǎng)鹽的需求不同(曹春暉等,2010)。適當(dāng)?shù)臓I養(yǎng)鹽可以控制藻類的生長、生物量以及種群結(jié)構(gòu)(Caron et al, 2000; Duarte et al, 2000;丁剛等, 2014)。藻類生長發(fā)育需要碳、氫、氧、氮、磷、鉀等數(shù)十種大量元素以及一些微量元素, 但限制藻類生長的營養(yǎng)元素主要是氮和磷(董娟等, 2012)。不同氮磷質(zhì)量濃度及配比的差異對藻類的生長、形態(tài)有很大影響(張瑩等, 2010)。目前, 關(guān)于環(huán)境因子對銅藻生長影響的研究較多, 而有關(guān)不同營養(yǎng)鹽對銅藻幼苗生長速率的研究尚未見報道。筆者進行了銅藻人工幼苗的養(yǎng)殖實驗, 以生長速率為監(jiān)測指標(biāo), 研究并探討了銅藻幼苗的生長發(fā)育對氮、磷質(zhì)量濃度及配比的響應(yīng), 旨在為銅藻人工幼苗產(chǎn)業(yè)化養(yǎng)殖的營養(yǎng)鹽調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與培養(yǎng)條件

試驗在山東省海洋生物研究院海藻養(yǎng)殖與修復(fù)實驗室進行。試驗所用材料為山東省海洋生物研究院王哥莊基地人工培育的銅藻幼苗。藻體長度范圍為6.5—8.9mm。選擇藻體完整、無損傷腐爛、規(guī)格均一的銅藻幼苗(見圖 1), 用消毒海水反復(fù)沖洗后, 在(15±0.5)℃、光照強度為 95μmol/(m2·s)和光暗周期為12h︰12h的條件下用過濾后的滅菌天然海水(鹽度30±1)暫養(yǎng)2天。試驗時選取20株幼苗為一組, 選取質(zhì)量相近的為試驗組, 在相同條件下于智能光照培養(yǎng)箱中充氣培養(yǎng), 期間每天更換海水, 試驗周期為8d。

圖1 試驗使用的銅藻幼苗Fig.1 S. horneri seedlings used in the experiments

1.2 氮磷濃度及其不同比值培養(yǎng)液的配制

在單因子試驗中, 氮的質(zhì)量濃度分別為0、2、4、6、8、10mg/L, 磷的質(zhì)量濃度分別為 0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0mg/L。

雙因子試驗氮、磷各選擇4個質(zhì)量濃度, 試驗因子水平見表1。

表1 雙因子試驗氮磷水平Tab.1 The different concentrations of N and P

氮、磷質(zhì)量濃度比試驗中氮:磷分別為5︰1、10︰1、15︰1、20︰1、25︰1、30︰1、35︰1、40︰1, 其中磷質(zhì)量濃度為0.4mg/L。

1.3 鮮重的測定

用鑷子將浮萍從培養(yǎng)水體中撈出, 用蒸餾水清洗3遍, 然后平鋪在濾紙上3 min后稱重。

1.4 比生長速率的計算

藻的生長用特定生長率表示, 通過試驗前后藻體的濕重變化得出。計算公式為: 特定生長率(%)=(lnmt–lnm0)/t×100%, 其中m0為初始藻的鮮重(g);mt為試驗結(jié)束時藻的鮮重(g);t為試驗持續(xù)的天數(shù)(d)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

所有實驗數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(X±SD)表示,數(shù)據(jù)采用 Excel和SPSS進行整理和分析, 采用單因素方差分析(one-way ANOVA)并應(yīng)用Duncan多重比較對各實驗結(jié)果進行差異顯著性檢驗和分析, 差異顯著性水平為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同質(zhì)量濃度氮對銅藻幼苗生長速率的影響

銅藻幼苗在不同質(zhì)量的氮濃度(0、2、4、6、8、10mg/L)下培養(yǎng) 8d的特定生長率見圖 2: 在氮質(zhì)量濃度為 2—8mg/L時, 該藻幼苗的特定生長率隨氮濃度的增加而增加; 在8mg/L時, 特定生長率達到最大值30.87%; 而后氮濃度的進一步增加呈降低趨勢。并且在實驗過程中觀察到: 當(dāng)?shù)|(zhì)量濃度為 10mg/L時, 培養(yǎng)的銅藻幼苗出現(xiàn)葉片腐爛的現(xiàn)象。方差分析表明, 不同氮質(zhì)量濃度對銅藻幼苗特定生長率的影響極顯著(P<0.01)。

圖2 不同質(zhì)量濃度氮對銅藻幼苗特定生長速率的影響Fig.2 Effects of different mass concentrations of nitrogen on specific growth rate of S. horneri seedlings

2.2 不同質(zhì)量濃度磷對銅藻幼苗生長速率的影響

銅藻幼苗在不同質(zhì)量的磷濃度(0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0mg/L)下培養(yǎng)8d藻體的特定生長率見圖3: 該藻幼苗在磷質(zhì)量濃度為 0.4—0.8mg/L時生長較好,在 0.4mg/L時特定生長率最大為 19.32%。方差分析表明, 不同磷質(zhì)量濃度對銅藻幼苗特定生長率的影響極顯著(P<0.01)。

圖3 不同質(zhì)量濃度磷對銅藻幼苗特定生長速率的影響Fig.3 Effects of different mass concentrations of phosphorus on specific growth rate of S. horneri seedlings

2.3 不同質(zhì)量濃度氮、磷對銅藻幼苗生長速率的交互影響

不同質(zhì)量濃度氮、磷對銅藻幼苗生長速率的交互影響結(jié)果見圖 4。經(jīng)統(tǒng)計分析得出: 當(dāng)磷質(zhì)量濃度一定時, 改變氮的質(zhì)量濃度, 銅藻幼苗特定生長率之間存在顯著差異(P<0.05); 反之, 差異不顯著(P>0.05)。因此, 不同質(zhì)量濃度氮、磷之間不存在交互作用。對各組間進行兩兩比較得出: 不同質(zhì)量濃度氮為主效應(yīng), 即當(dāng)兩種營養(yǎng)鹽均存在時, 不同質(zhì)量濃度氮對銅藻幼苗的特定生長率影響極顯著(P<0.01)。

圖4 氮、磷不同質(zhì)量濃度對銅藻幼苗特定生長速率的影響Fig.4 Effects of different mass concentrations of nitrogen and phosphorus on specific growth rate of S. horneri seedlings

2.4 氮、磷不同質(zhì)量濃度比對銅藻幼苗生長速率的影響

銅藻幼苗在不同氮磷質(zhì)量濃度比(5︰1、10︰1、15︰1、20︰1、25︰1、30︰1、35︰1、40︰1)條件下培養(yǎng)8d藻體的特定生長率見圖5, 該藻幼苗在氮磷質(zhì)量濃度比為 10︰1時, 特定生長率達到最大26.11%。方差分析表明, 不同氮磷質(zhì)量濃度比對銅藻幼苗特定生長率的影響極顯著(P<0.01)。

圖5 氮、磷不同質(zhì)量濃度比對銅藻幼苗特定生長速率的影響Fig.5 Effects of different ratios of nitrogen and phosphorus on specific growth rate of S. horneri seedlings

3 討論

3.1 氮、磷不同質(zhì)量濃度對銅藻幼苗生長發(fā)育的影響

氮和磷是藻類生長所必需的主要元素, 氮在細(xì)胞代謝中是形成氨基酸、嘌呤、氨基糖和胺類化合物的基本元素; 磷直接參與光合作用的各個環(huán)節(jié), 包括光能吸收與同化、卡爾文循環(huán)以及對一些酶的活性起調(diào)節(jié)作用等(曹春暉等, 2010)。本試驗結(jié)果表明, 氮和磷對銅藻幼苗的生長均有極顯著影響(P<0.01), 這與眾多研究結(jié)果一致(李雅娟等, 1998; 梁英等, 1999;林霞等, 2000; 丁剛等, 2014)。雙因子方差分析表明,不同濃度的氮和磷之間不存在交互作用, 并且銅藻幼苗的生長對氮濃度變化更敏感。由單因子試驗也可看出, 在不同質(zhì)量濃度氮影響下銅藻幼苗的最大特定生長率高達 30.87%, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于不同質(zhì)量濃度磷影響下的最大特定生長率(19.32%)。而南春容等(2014)在對南麂列島銅藻氮磷吸收特征進行研究時得出,銅藻生長及繁殖期對環(huán)境中磷水平要求較高。猜測原因可能是: 本試驗采用的是銅藻幼苗, 處于快速生長期, 細(xì)胞代謝快, 但葉片面積小, 因此光合作用較弱。進而導(dǎo)致銅藻幼苗對氮濃度的變化更敏感。

早在2008年, 豐茂武等(2008)便研究得出: 氮磷營養(yǎng)鹽是藻類生長過程中的重要影響因子, 藻類的生長取決于氮的質(zhì)量濃度, 這與本實驗結(jié)果相符。孫修濤等(2006)在對鼠尾藻(Sargassumthunbergii)新生枝條的室內(nèi)培育條件優(yōu)化的研究中, 發(fā)現(xiàn)氮和鹽度對鼠尾藻新生枝條的影響不明顯, 低于溫度和光照的影響。國外有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn): 綠藻對磷有較高的需求, 而甲藻和羽紋目硅藻對氮的需求比較高(Tilmanetal, 1984)。由此可見藻類對氮、磷營養(yǎng)鹽的敏感程度隨著其種類及生長階段的不同而存在差異。隨著銅藻幼苗的生長, 其對氮、磷營養(yǎng)鹽的敏感程度是否保持不變, 仍需進一步研究。

3.2 不同氮、磷配比對銅藻幼苗生長速率的影響

營養(yǎng)鹽的濃度及配比通常被認(rèn)為是影響海藻種群季節(jié)性變化的重要因素(Lüningetal, 1989)。對多種藻類的研究表明, 不同氮、磷比對藻類的生長影響顯著(Austinetal, 1990; 于瑾等, 2006; 丁剛等, 2014)。本實驗中, 銅藻幼苗在氮磷比為10︰1時, 獲得了較好的生長。盡管海洋浮游植物的氮磷比通常遵循Redfield(1958)比值(16︰1), 但豐茂武等認(rèn)為Redfield定律有其適用的范圍。孫軍等(2004)研究發(fā)現(xiàn), 新月柱鞘藻(Cylindrotheca closterium)在N ∶ P =160︰1時細(xì)胞比生長速率最快, 而青島大扁藻(Platymonas helgolandica var. tsingtaoensis)和米氏凱倫藻(Karenia mikimotoi)分別在 4︰1 和 80︰1 的條件下生長速率最快?？笛嘤竦?2006)研究發(fā)現(xiàn), 裸甲藻(Gymnodinium sp.)生長的最佳營養(yǎng)鹽條件是 N︰P=6︰1。楊彬等(2013)研究表明, 在氮磷質(zhì)量比例為15︰1時最適合莫氏馬尾藻(Sargassum mcclurei)的生長, 并且認(rèn)為藻體對氮、磷比例可能存在一個飽和點,當(dāng)達到這個飽和點時藻體的生長速度最快。由此可見,影響藻類生長的氮、磷比應(yīng)根據(jù)藻類的生長階段及生長環(huán)境進行綜合考慮。筆者也將延長實驗周期、優(yōu)化實驗設(shè)計, 全面探討銅藻幼苗生長過程中的最適氮、磷比。

3.3 不同營養(yǎng)鹽水平研究的意義

首先, 不同營養(yǎng)鹽水平的研究為銅藻幼苗培育提供了理論依據(jù)。通過本研究發(fā)現(xiàn), 合理調(diào)節(jié)營養(yǎng)鹽的濃度和配比可以提高銅藻幼苗的特定生長率。但由于幼苗的生長不僅受到營養(yǎng)鹽的影響, 對水溫、光照和水流等也有嚴(yán)格的要求, 因此如何協(xié)調(diào)各個環(huán)境因子使其特定生長率達到最大仍需探究。

其次, 不同營養(yǎng)鹽水平的研究在培育優(yōu)質(zhì)的銅藻幼苗以及更大程度的實現(xiàn)其應(yīng)用價值方面有極其重要的意義。由于銅藻體內(nèi)含有豐富的營養(yǎng)成分(例如礦物質(zhì)元素、蛋白質(zhì)和氨基酸等), 因此被廣泛應(yīng)用到飼料、有機肥料、食品和醫(yī)藥等方面。而藻體內(nèi)營養(yǎng)成分的組成和含量均受到養(yǎng)殖水體中營養(yǎng)鹽種類及水平的影響, 進一步關(guān)系到所培育的藻的質(zhì)地。不同質(zhì)量濃度的營養(yǎng)鹽及配比培養(yǎng)的藻體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)含量和組成不同, 徐怡等(2011)在研究不同氮磷濃度培養(yǎng)的普通小球藻(Chlorella vulgaris)對透明 溞 (Daphnia hyalina)生長和繁殖的影響時發(fā)現(xiàn), 低磷且高 N︰P的培養(yǎng)基不能使小球藻較好的吸收營養(yǎng)鹽, 以致種群增長緩慢, 最高藻密度較低。以其為食物投喂透明 溞 時, 食物質(zhì)地相對較低, 對 透明溞的生長、繁殖等產(chǎn)生了負(fù)面影響。因此, 可以通過養(yǎng)殖水體中營養(yǎng)鹽的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)銅藻幼苗的最大利用價值。

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