水體氟污染對(duì)微藻氮營養(yǎng)吸收的影響研究

姜泉良

(宿州學(xué)院 環(huán)境與測(cè)繪工程學(xué)院, 安徽 宿州 234000)

0 引言

氟及其化合物是重要的工業(yè)原料, 被廣泛用于鋼鐵、煉鋁、化學(xué)、磷肥、玻璃、陶瓷、氟化工等工業(yè)生產(chǎn)中. 與此同時(shí), 大量的含氟“三廢”被排放進(jìn)入環(huán)境, 由此引發(fā)的環(huán)境和生態(tài)問題, 已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注[1]. 目前學(xué)者開展的氟污染生物學(xué)效應(yīng)研究, 主要集中在F-對(duì)人體的健康危害、對(duì)高等植物的危害、對(duì)溫血?jiǎng)游锖退参锏纳砩绊懙确矫鎇2-4]. 國內(nèi)外有關(guān)鹵族元素的生物和生態(tài)效應(yīng)研究主要集中在對(duì)溫血?jiǎng)游锏亩纠碜饔? 以及對(duì)魚類等水生動(dòng)物的影響方面[5-6]. 作為低等水生植物的藻類, 其個(gè)體及種群結(jié)構(gòu)對(duì)外界刺激的反應(yīng)是非常敏感的[7]. 而有關(guān)F-對(duì)水生藻類的生物學(xué)效應(yīng)研究還較少[8], 尤其對(duì)微藻營養(yǎng)吸收的影響研究還未見報(bào)道. 微藻作為低等水生植物, 是水生生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)者, 對(duì)維持生態(tài)系統(tǒng)平衡起著至關(guān)重要的作用, 它具有種類多、分布廣、繁殖快、對(duì)環(huán)境污染響應(yīng)敏感等特點(diǎn)[9]. 因此, 研究F-對(duì)藻類生長的影響, 對(duì)探明F-對(duì)藻類的生態(tài)毒理效應(yīng)以及對(duì)氟污染的環(huán)境影響評(píng)價(jià)具有重要的意義.

本研究選取環(huán)境中廣泛存在、對(duì)生長條件要求簡(jiǎn)單、環(huán)境耐受性強(qiáng)、繁殖速率快且易于人工培養(yǎng)的蛋白核小球藻(簡(jiǎn)稱球藻)和萊茵衣藻(簡(jiǎn)稱衣藻)作為受試生物, 開展F-對(duì)微藻氮營養(yǎng)吸收的影響研究.

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

材料:蛋白核小球藻和萊茵衣藻均購自中科院水生生物研究所淡水藻種庫. 實(shí)驗(yàn)所需藥劑主要包括:氟化鈉, 氯化鈉, 95%乙醇, 硝普鈉, 硫酸銨, 硝酸鉀, 水楊酸鈉, 氫氧化鈉, 檸檬酸鈉, 月桂醚, 磺胺, 濃硫酸, 硝酸鈉, 硫酸銅標(biāo)液, 磷酸, 硫酸肼, 鹽酸. 所用試劑均為分析純.

設(shè)備:主要儀器設(shè)備見表1.

表1 實(shí)驗(yàn)所需的主要儀器設(shè)備

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 藻的擴(kuò)培

土壤提取液的配制方法:取未施過肥的花園土200 g, 置于三角瓶中, 加入蒸餾水1 000 mL, 瓶口用透氣塞封口, 在水浴中沸水加熱3 h, 冷卻, 沉淀24 h. 此過程連續(xù)進(jìn)行3次, 然后過濾, 取上清液, 于高壓滅菌鍋中滅菌后, 于4 ℃冰箱中保存?zhèn)溆?

配制藻生長所需培養(yǎng)基(土壤培養(yǎng)液), 密封, 放入高溫滅菌鍋中, 于0.1 Mpa, 121 ℃滅菌30 min, 冷卻, 紫外燈滅菌30 min后進(jìn)行微藻的接種. 然后放入光照培養(yǎng)箱中, 培養(yǎng)溫度為25 ℃左右, 在光照強(qiáng)度為 2 500 lux, 光暗比為12 h∶12 h的條件下培養(yǎng). 每天人工搖瓶2～3次. 3～5 d添加一次營養(yǎng), 一周轉(zhuǎn)接一次, 直至達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需的藻數(shù)量.

1.2.2 氮饑餓藻體培養(yǎng)

配制以SE培養(yǎng)液為基礎(chǔ)的無氮培養(yǎng)液(不添加NaNO3、NH4Cl和土壤提取液), 封口, 滅菌后備用. 取一定體積的擴(kuò)培對(duì)數(shù)期藻液, 離心(3 000 r/min, 5 min), 棄去原培養(yǎng)液后, 接入10個(gè)盛有已滅菌的500 mL三角瓶中, 置于光照培養(yǎng)箱中, 在25 ℃, 2 500 lux和連續(xù)光照的條件下, 饑餓培養(yǎng)48 h.

1.2.3 硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的吸收處理

1.2.4 氮含量的測(cè)定

(1)硝態(tài)氮的測(cè)定

(2)銨態(tài)氮的測(cè)定

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 2.0和Origin 8.0處理數(shù)據(jù), 繪制相應(yīng)的數(shù)據(jù)圖.

2 結(jié)果分析

2.1 F-對(duì)微藻硝態(tài)氮營養(yǎng)吸收的影響

2.1.1 F-對(duì)蛋白核小球藻硝態(tài)氮營養(yǎng)吸收的影響

不同濃度F-對(duì)蛋白核小球藻硝態(tài)氮營養(yǎng)吸收處理期間, 藻液中硝態(tài)氮濃度變化結(jié)果見圖1.

圖1 蛋白核小球藻硝態(tài)氮消耗曲線

由圖1可知, 在無F-處理時(shí)(CK), 以初始氮含量為20 mg/L的硝酸鹽作為球藻氮營養(yǎng)源, 在0～24 h時(shí)間段, 球藻硝態(tài)氮消耗隨處理時(shí)間的增加, 藻液中的氮濃度逐漸減小, 說明此時(shí)球藻正處于生長狀態(tài). 24～27 h是極速下降階段, 說明該時(shí)間段球藻達(dá)到對(duì)數(shù)生長期, 生長最為旺盛. 在27 h后呈緩慢下降趨勢(shì), 說明球藻對(duì)數(shù)生長期已過; 在F-濃度為0.05和5 mmol/L時(shí), 球藻硝態(tài)氮消耗曲線的變化趨勢(shì)與CK曲線基本一致, 說明低濃度F-對(duì)球藻硝態(tài)氮的吸收沒有明顯影響; 當(dāng)F-濃度為50 和200 mmol/L時(shí), 從球藻硝態(tài)氮消耗曲線可知, 也出現(xiàn)了球藻的對(duì)數(shù)生長期(24～27 h), 但氮濃度與CK和低濃度F-處理組相比更高, 說明F-對(duì)球藻的生長起到抑制作用. 在27 h后氮消耗速度變慢, 直至66 h后藻液中的氮濃度又緩慢提高, 說明球藻已經(jīng)死亡, 所以66 h為球藻硝態(tài)氮濃度上升的臨界點(diǎn). 因此, 高濃度F-(≥50 mmol/L)抑制球藻硝態(tài)氮營養(yǎng)吸收, 甚至導(dǎo)致其死亡. 處理時(shí)間也是F-抑制球藻硝態(tài)氮營養(yǎng)吸收的重要因素.

2.1.2 F-對(duì)萊茵衣藻硝態(tài)氮營養(yǎng)吸收的影響

不同濃度F-對(duì)萊茵衣藻硝態(tài)氮營養(yǎng)吸收處理期間, 藻液中硝態(tài)氮濃度的變化結(jié)果見圖2.

圖2 萊茵衣藻硝態(tài)氮消耗曲線

由圖2可知, 當(dāng)不加F-時(shí)(CK), 以硝酸鹽作為氮營養(yǎng)源培養(yǎng)的衣藻, 在0～24 h時(shí)間段呈現(xiàn)為生長狀態(tài), 說明衣藻生理活性較好. 24～27 h是極速下降階段, 說明該時(shí)間段衣藻達(dá)到對(duì)數(shù)生長期; 當(dāng)F-濃度為0.05和5 mmol/L時(shí), 與CK相比, 在對(duì)數(shù)生長期后(>27 h)藻液中氮濃度更高, 說明低濃度F-(≤ 5 mmol/L)對(duì)衣藻硝態(tài)氮的吸收產(chǎn)生抑制作用; 當(dāng)F-為50 和200 mmol/L時(shí), 氮消耗曲線比低濃度F-處理組的氮消耗曲線更高, 在27 h時(shí), 藻液中的氮濃度分別達(dá)到14.0 和14.6 mg/L, 說明高濃度F-對(duì)衣藻的生長抑制作用更強(qiáng). 同時(shí), 在42 h后藻液中的氮濃度逐漸提高, 說明衣藻已經(jīng)死亡, 因此42 h為衣藻硝態(tài)氮濃度上升的臨界點(diǎn). 與球藻相比, 氮濃度升高的時(shí)間提前了, 說明球藻對(duì)F-具有更高的耐受性. 與球藻相比, 相同處理時(shí)間下衣藻藻液中的氮濃度比較高(見圖1), 說明球藻對(duì)硝態(tài)氮吸收能力強(qiáng)于衣藻, 尤其是當(dāng)F-濃度較高(≥50 mmol/L)時(shí), 這種差異更加明顯.

2.2 F-對(duì)微藻銨態(tài)氮營養(yǎng)吸收的影響

2.2.1 F-對(duì)蛋白核小球藻銨態(tài)氮營養(yǎng)吸收的影響

不同濃度F-對(duì)蛋白核小球藻銨態(tài)氮營養(yǎng)吸收處理期間, 藻液中銨態(tài)氮濃度變化結(jié)果見圖3.

由圖3可知, 在無F-處理時(shí)(CK), 在0～27 h時(shí)間段, 球藻銨態(tài)氮消耗隨處理時(shí)間的增加, 藻液中的氮濃度逐漸減小, 說明此時(shí)球藻正處于生長狀態(tài). 在27～30 h時(shí)間段, 藻液中銨態(tài)氮濃度急劇下降, 該時(shí)間段為球藻的對(duì)數(shù)生長期. 與圖1中的CK曲線相比, 球藻的生長時(shí)間延遲, 濃度更高, 說明球藻對(duì)硝態(tài)氮的吸收能力強(qiáng)于對(duì)銨態(tài)氮的吸收能力; 當(dāng)F-處理濃度為0.05和5 mmol/L時(shí)(低濃度處理), 氮濃度消耗曲線的變化趨勢(shì)與CK曲線類似. 但與CK相比, 在相同處理時(shí)間下, 低濃度F-處理后的藻液氮濃度更高, 說明低濃度F-對(duì)球藻的銨態(tài)氮濃度吸收具有抑制作用. 與圖1的低濃度硝態(tài)氮處理相比, 相同處理時(shí)間下的藻液的銨態(tài)氮濃度更高, 和CK的結(jié)果一致; 當(dāng)F-處理濃度為50 和200 mmol/L時(shí)(高濃度處理), 在處理時(shí)間≥30 h時(shí), 藻液中氮濃度逐漸升高, 說明球藻出現(xiàn)死亡情況. 因此30 h為球藻銨態(tài)氮濃度上升的臨界點(diǎn), 與圖1中球藻硝態(tài)氮濃度上升的臨界點(diǎn)相比提前了, 但相同處理時(shí)間下的藻液的銨態(tài)氮濃度更高, 說明球藻銨態(tài)氮吸收更易受氟的影響.

2.2.2 F-對(duì)萊茵衣藻銨態(tài)氮營養(yǎng)吸收的影響

不同濃度F-對(duì)萊茵衣藻銨態(tài)氮營養(yǎng)吸收處理期間, 藻液中銨態(tài)氮濃度變化結(jié)果見圖4.

圖4 萊茵衣藻銨態(tài)氮消耗曲線

由圖4可知, 與球藻類似, 在無F-處理時(shí)(CK), 衣藻銨態(tài)氮消耗隨處理時(shí)間的增加, 藻液中的氮濃度逐漸減小, 說明此時(shí)衣藻正處于生長狀態(tài). 在27～30 h時(shí)間段, 藻液中銨態(tài)氮濃度急劇下降, 該時(shí)間段為衣藻的對(duì)數(shù)生長期. 與圖2中的CK曲線相比, 衣藻的生長時(shí)間延遲, 濃度更高, 說明衣藻對(duì)硝態(tài)氮的吸收能力強(qiáng)于對(duì)銨態(tài)氮的吸收能力; 當(dāng)F-處理濃度為0.05和5 mmol/L時(shí)(低濃度處理), 氮濃度消耗曲線的變化趨勢(shì)與CK曲線類似, 但與CK相比, 在相同處理時(shí)間下, 低濃度F-處理后的藻液氮濃度更高, 說明低濃度F-對(duì)衣藻的銨態(tài)氮濃度吸收具有抑制作用. 與圖2的低濃度硝態(tài)氮處理相比, 相同處理時(shí)間下的藻液的銨態(tài)氮濃度更高, 和CK的結(jié)果一致; 當(dāng)F-處理濃度為50和200 mmol/L時(shí)(高濃度處理), 在高濃度處理時(shí)間≥30 h時(shí), 藻液中氮濃度逐漸升高, 說明衣藻出現(xiàn)死亡情況, 因此30 h為衣藻銨態(tài)氮濃度上升的臨界點(diǎn), 與圖2中衣藻硝態(tài)氮濃度上升的臨界點(diǎn)相比提前了, 但相同處理時(shí)間下的藻液的銨態(tài)氮濃度更高, 說明衣藻銨態(tài)氮吸收更易受氟的影響. 與圖3中的球藻相比, 相同時(shí)間下, 衣藻藻液的氮濃度高于球藻藻液的氮濃度, 說明球藻對(duì)銨態(tài)氮吸收能力強(qiáng)于衣藻, 尤其是當(dāng)F-濃度較高(≥50 mmol/L)時(shí), 這種差異更加明顯, 說明球藻具有更高的F-耐受性.

3 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, F-影響蛋白核小球藻和萊茵衣藻對(duì)硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的營養(yǎng)吸收, 但影響程度與氟濃度有關(guān), 具體表現(xiàn)為低濃度F-對(duì)衣藻的銨態(tài)氮濃度吸收具有抑制作用, 但影響不大, 高濃度F-明顯抑制兩種藻的氮營養(yǎng)吸收, 且高濃度F-容易造成球藻和衣藻死亡. 藻種類不同, 對(duì)不同形態(tài)氮的吸收能力和受F-的影響不同. 在處理?xiàng)l件相同的情況下, 蛋白核小球藻對(duì)硝態(tài)氮的吸收能力好于萊茵衣藻, 而蛋白核小球藻對(duì)硝態(tài)氮的吸收能力弱于萊茵衣藻, 尤其是當(dāng)F-濃度較高(≥50 mmol/L)時(shí), 這種差異更加明顯. 且萊茵衣藻藻液殘留硝態(tài)氮含量上升的臨界點(diǎn)明顯早于蛋白核小球藻, 說明蛋白核小球藻對(duì)F-的耐受性更強(qiáng), 而萊茵衣藻對(duì)F-更敏感, 其氮營養(yǎng)吸收能力更易受F-的影響. 蛋白核小球藻和萊茵衣藻的銨態(tài)氮含量上升的臨界點(diǎn)一致, 均為30 h, 所以兩者對(duì)F-的敏感度一致. 此外, 無論是衣藻還是球藻的藻液殘留銨態(tài)氮含量上升的臨界點(diǎn)(30 h)明顯早于硝態(tài)氮含量上升的臨界點(diǎn)(66 h和42 h), 說明銨態(tài)氮吸收更易受F-的影響.