微生物作用下的微囊藻降解試驗(yàn)研究

馮　勝　劉　義　余廣彬

摘要水體富營養(yǎng)化造成的藍(lán)藻暴發(fā)已成為淺水水體的主要危害，藍(lán)藻的大規(guī)模反復(fù)出現(xiàn)伴隨著水體營養(yǎng)鹽的釋放與吸收。通過模擬試驗(yàn)，對(duì)太湖微囊藻進(jìn)行為期24d的有氧降解試驗(yàn)，結(jié)果表明：在微囊藻殘?bào)w的降解過程中，細(xì)菌數(shù)量的增加與水體DOC含量顯著呈正相關(guān)（R2=0.48）；有機(jī)磷分解菌是水體中生物活性磷含量增加的驅(qū)動(dòng)者（R2=0.80），微囊藻殘?bào)w的微生物降解使得湖泊水體中溶解性活性磷大量增加。在水華發(fā)生季節(jié)微囊藻殘?bào)w分解產(chǎn)生的營養(yǎng)鹽含量增加對(duì)二次水華的發(fā)生起重要作用。

關(guān)鍵詞微囊藻；降解；營養(yǎng)鹽釋放

中圖分類號(hào)TQ085+.413文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào) 1007-5739（2009）01-0253-03

近幾十年來，無論在淡水水體還是沿海水域，由于生源物質(zhì)的大量輸入水體，造成了世界范圍內(nèi)的水體富營養(yǎng)化，有關(guān)浮游植物暴發(fā)而導(dǎo)致水質(zhì)惡化的報(bào)道越來越多[1，2]。大面積藍(lán)藻暴發(fā)不僅導(dǎo)致水生生態(tài)系統(tǒng)的破壞[2]，同時(shí)也造成重要的經(jīng)濟(jì)損失。在海洋沿岸、湖泊、海灣和三角洲地區(qū)，無論是漂浮或附著的存在狀態(tài)，都積累了大量浮游植物的生物量[3]。研究表明，水體中有40%以上的有機(jī)碳是由這些藻類產(chǎn)生的[4]，這些溶解性有機(jī)碳進(jìn)入微食物網(wǎng)，并進(jìn)而提高生化需氧量。這種間歇性的白天夜間交替的溶解氧含量的改變將增加水體缺氧事件的發(fā)生，并能夠顯著改變營養(yǎng)元素在水體及沉積物間的遷移[5，6]。大量藻類的分解導(dǎo)致的水體營養(yǎng)鹽含量增加，促進(jìn)新一輪水華的暴發(fā)，這將進(jìn)一步使水體的富營養(yǎng)狀態(tài)惡化，因而使得整個(gè)淺水生態(tài)系統(tǒng)趨于脆弱化。

太湖是典型的淺水富營養(yǎng)化湖泊，有關(guān)太湖水華暴發(fā)的報(bào)道自1990年起，每年都有，且有愈演愈烈之勢(shì)。隨著太湖富營養(yǎng)化的日趨加劇，在每年4~10月的溫暖季節(jié)，整個(gè)湖區(qū)都可見到水華分布，以微囊藻為優(yōu)勢(shì)種群，浮游植物占領(lǐng)了整個(gè)水體。研究表明，微囊藻對(duì)太湖的初級(jí)生產(chǎn)力有較大貢獻(xiàn)，特別在夏季具有較高的生物量和生產(chǎn)力，葉綠素濃度一般可達(dá)30~50μg/L[7]。微囊藻死亡分解后會(huì)釋放大量營養(yǎng)鹽，這些營養(yǎng)鹽一部分沉到底泥中，另一部分會(huì)直接被藻類吸收利用，為更多藻類的生長提供養(yǎng)分，尤其在藍(lán)藻水華大量暴發(fā)的季節(jié)，這一過程可能對(duì)營養(yǎng)鹽循環(huán)起著重要作用，促進(jìn)新一輪水華的形成。筆者通過試驗(yàn)?zāi)M水體微囊藻分解過程營養(yǎng)鹽的動(dòng)態(tài)變化，分析了水體微生物與營養(yǎng)鹽的耦合關(guān)系，探討微生物作用下微囊藻降解的營養(yǎng)鹽釋放對(duì)二次水華發(fā)生的貢獻(xiàn)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)用水

2006年8月，于中國科學(xué)院太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究站棧橋采集原水樣，經(jīng)0.45μm孔徑的濾膜過濾，除去水中雜質(zhì)，取30L試驗(yàn)用水，平均加入3個(gè)好氧降解瓶中。

1.2微囊藻的采集

用浮游生物網(wǎng)收集太湖梅梁灣水域的微囊藻，帶回實(shí)驗(yàn)室后立即離心（4 500rpm）。由于活體微囊藻具有假空液泡，故活體藻離心后會(huì)浮于表層，取上浮微囊藻，于每一降解瓶中添加濕重25g藻體作試驗(yàn)用。經(jīng)鏡檢90%為微囊藻（主要是銅綠微囊藻和水華微囊藻）。

1.3細(xì)菌的采集

用彼得生采泥器采集太湖梅梁灣上層底泥，稱濕重100g，于無菌條件下加入500mL試驗(yàn)用水和滅菌玻璃珠，振蕩2h，靜置45min，用滅菌移液器于每一降解瓶中接種菌種液50mL。

將上述所得試驗(yàn)用水、微囊藻和接種菌體加入10L降解瓶中，每隔3h注入潔凈空氣（空氣經(jīng)1∶14的H2SO4溶液和蒸餾水過濾），環(huán)境溫度維持在白天33℃左右，夜間23℃左右，自然光照條件。試驗(yàn)裝置見圖1。

1.4取樣及分析

在試驗(yàn)開始0h時(shí)和第3天、第6天、第9天、第12天、第15天、第18天、第21天、第24天分別取樣。其中葉綠素、TOC、PO43-、溶解性磷的測(cè)定參照金相燦等[8]采用的方法，總細(xì)菌數(shù)量的測(cè)定參照馮勝等[9]采用的方法進(jìn)行，有機(jī)磷分解細(xì)菌數(shù)量采用MPN法測(cè)定。

2結(jié)果與分析

2.1微囊藻降解過程中水體葉綠素動(dòng)態(tài)

試驗(yàn)初始，由于微囊藻假空液泡的作用，加入降解瓶內(nèi)的微囊藻全部浮于水體表層，注入空氣時(shí)，則懸浮在水中。從圖2可以看出，微囊藻在前3d降解速度較快，水體中葉綠素含量從最初的0.41mg/L迅速下降到0.23mg/L；在降解試驗(yàn)的第15天，水體葉綠素含量達(dá)最低，為0.18mg/L，此時(shí)，水體中基本無顆粒藻體，微囊藻基本完全分解。連續(xù)觀測(cè)結(jié)果表明，自試驗(yàn)的第10天起水體中已沒有可見的懸浮藻類，靜止?fàn)顟B(tài)的水體中呈現(xiàn)出黃色懸浮的粘絮狀物。試驗(yàn)后期，水體變清，降解瓶底有少量黃色沉淀出現(xiàn)，在試驗(yàn)進(jìn)行至第21天時(shí)，發(fā)現(xiàn)降解瓶上層顏色變綠，伴隨有部分新的浮游藻類產(chǎn)生，在試驗(yàn)的第21~24天葉綠素測(cè)定結(jié)果分別為0.21mg/L和0.23mg/L，也驗(yàn)證了這一現(xiàn)象。

2.2微囊藻降解過程水體中細(xì)菌及DOC含量的變化

細(xì)菌是有機(jī)體分解的主要作用者。在試驗(yàn)中，筆者重點(diǎn)關(guān)注了微囊藻降解過程中細(xì)菌數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化。從圖3可以看出，在細(xì)菌接種初期，水體中細(xì)菌數(shù)量為6.3×107個(gè)/mL，這是由于細(xì)菌是在好氧條件下培養(yǎng)的，但經(jīng)過短時(shí)間的停滯期，隨后很快就進(jìn)入快速生長的過程，降解瓶中的細(xì)菌數(shù)量在試驗(yàn)的第6天，達(dá)到生長的最高峰，熒光直接計(jì)數(shù)的細(xì)菌數(shù)量達(dá)8.1×107個(gè)/mL，隨后菌體生長進(jìn)入緩慢的衰亡期，數(shù)量逐漸下降，在試驗(yàn)?zāi)┢?，水體中細(xì)菌數(shù)量有所回升，第21天測(cè)定值為4.1×107個(gè)/mL，第24天的測(cè)定值為4.3×107個(gè)/mL。

從圖4可以看出，降解瓶中水體溶解性有機(jī)碳含量的變化隨培養(yǎng)時(shí)間的延長呈逐漸增加的趨勢(shì)。在試驗(yàn)初期，水體DOC含量僅為9.1mg/L，為整個(gè)試驗(yàn)周期中的最低值；到試驗(yàn)進(jìn)行至第18天時(shí)，水體中DOC的含量達(dá)到最高，為33.4mg/L，隨后則呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。說明細(xì)菌的活動(dòng)為水體溶解性有機(jī)物的再生起到了明顯的促進(jìn)作用，水體中細(xì)菌數(shù)量與DOC含量的相關(guān)分析表明，兩者存在顯著的相關(guān)性（One-Way ANOVA，P<0.001）。

2.3水體中磷酸根和有機(jī)磷分解細(xì)菌動(dòng)態(tài)

試驗(yàn)瓶中磷酸根和有機(jī)磷分解細(xì)菌數(shù)量在試驗(yàn)過程中的變化見圖5和圖6。水體中有機(jī)磷分解細(xì)菌的數(shù)量在分解前期有略微的下降，隨后就進(jìn)入快速增殖期，在分解反應(yīng)的第11天，有機(jī)磷分解細(xì)菌的數(shù)量達(dá)最大，為5.7×105個(gè)/mL。水體中生物活性磷（PO43-）的含量與磷分解細(xì)菌呈現(xiàn)協(xié)同變化的趨勢(shì)。由于細(xì)菌的降解作用，水體中活性磷含量大幅度增加，特別在第6~12天的變化最為顯著，在試驗(yàn)的第10天，水體生物活性磷含量達(dá)最高為0.11mg/L。這顯然是這一時(shí)期大量有機(jī)磷分解細(xì)菌生命活動(dòng)的結(jié)果。

3討論

前人的研究表明：在不同的環(huán)境條件下，不同藻體的分解速率有明顯不同，完全分解大致時(shí)間變化范圍是3.7~256.0d的幅度[10]；不同的降解過程產(chǎn)生不同的生化反應(yīng)機(jī)制，容器中溶解性有機(jī)碳等物質(zhì)的產(chǎn)生在試驗(yàn)過程中的變化也顯著不同[11]。本試驗(yàn)中，微囊藻在前3d分解的速率最高，有氧分解完全需18d左右，屬于分解速度比較快的類型。這可能與太湖地處亞熱帶地區(qū)，當(dāng)時(shí)的高溫（白天平均氣溫33℃，夜間平均氣溫24℃）和充足供氧有關(guān)。由于快速的降解過程，水體中溶解性有機(jī)碳含量在前期快速的增加。而Otsuki等研究認(rèn)為微囊藻好氧降解過程中，有機(jī)碳化合物的降解速率比有機(jī)氮快的多[12]。

細(xì)菌對(duì)藻類產(chǎn)生多方面的影響，一方面細(xì)菌吸收藻類產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)，并為藻類的生長提供營養(yǎng)鹽和必要的生長因子，從而調(diào)節(jié)藻類的生長；另一方面，細(xì)菌也可以通過直接或間接的作用抑制藻類的生長，裂解藻細(xì)胞，從而表現(xiàn)為殺藻效應(yīng)[13]。由于這些錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系，使人們?cè)谘芯扛∮沃参锼A和赤潮的發(fā)生、發(fā)展、衰落與消亡機(jī)理時(shí)，不能不考慮細(xì)菌的重要性，本研究的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在微囊藻降解過程中，水體細(xì)菌和DOC含量呈現(xiàn)協(xié)同變化的趨勢(shì)（見圖7），也進(jìn)一步驗(yàn)證了細(xì)菌對(duì)水體營養(yǎng)鹽循環(huán)的作用。

解磷細(xì)菌數(shù)量與各種磷形態(tài)的關(guān)系：磷被認(rèn)為是水體浮游藻類性營養(yǎng)元素，其含量與湖泊的營養(yǎng)程度密切相關(guān)。藻類的繁盛與湖泊（水體和沉積物）中營養(yǎng)元素的生物地球化學(xué)循環(huán)有重要聯(lián)系[14]。在淡水水體的磷循環(huán)過程中，微生物起著重要的作用。一方面，它們是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其數(shù)量和種類影響著磷元素的生物地球化學(xué)循環(huán)，其體內(nèi)的縮合磷酸鹽最高可占沉積物有機(jī)磷的50%左右[15]；另一方面，微生物可對(duì)環(huán)境中各種形態(tài)的磷進(jìn)行轉(zhuǎn)化，分散于湖泊中各種形態(tài)的磷，包括離子態(tài)、無機(jī)鹽類、有機(jī)化合物（生物體內(nèi)的磷蛋白、磷酯、核酸等）及礦物態(tài)（各種磷灰石、膠磷礦）等形式，無論是無機(jī)還是有機(jī)的一切形式的不溶性磷，都可以在解磷微生物的作用下不同程度地轉(zhuǎn)化為可溶性磷[16]。細(xì)菌通過消耗氧而降低水體中的氧化還原電位，以加大鐵磷的釋放。在磷降解菌的作用下，三價(jià)鐵被直接還原為二價(jià)鐵，原來吸附在鐵氧表面的磷被釋放[17]。在微囊藻分解過程中，由于碳水化合物分解比較快，為水體細(xì)菌的生長提供了充足的碳源，磷分解細(xì)菌的數(shù)量隨即出現(xiàn)了生長的高峰期，水體活性磷的含量也明顯增加（見圖8）。

4結(jié)論

微囊藻分解過程中釋放出大量營養(yǎng)元素為淡水水體藻類二次暴發(fā)提供了一定的物質(zhì)基礎(chǔ)。細(xì)菌降解作用是水質(zhì)發(fā)生變化的最根本因素，在藻類好氧降解過程中，細(xì)菌數(shù)量的變化與水體DOC和生物活性磷的動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)協(xié)同變化的規(guī)律。

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