粉綠狐尾藻與銅綠微囊藻生長(zhǎng)互饋效應(yīng)研究

摘要：主要圍繞生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)的競(jìng)爭(zhēng)作用，研究粉綠狐尾藻與銅綠微囊藻在較低營(yíng)養(yǎng)水平水質(zhì)中的相互影響機(jī)制。通過(guò)測(cè)定藻密度和水質(zhì)指標(biāo)，得出以下結(jié)論。在較高的初始藻密度條件下，粉綠狐尾藻更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，表現(xiàn)出密度依賴效應(yīng)，能夠更有效地爭(zhēng)奪水體中的營(yíng)養(yǎng)成分。同時(shí)，銅綠微囊藻對(duì)總磷濃度的變化敏感性更高，但對(duì)總氮的濃度要求較高。

關(guān)鍵詞：粉綠狐尾藻；銅綠微囊藻；氮磷；水體凈化

中圖分類(lèi)號(hào)：X524 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）09-0-03

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Study on the Growth Mutual Feedback Effect between Myriophyllum Aquaticum and Microcystis Aeruginosa

ZHANG Yukai， ZHOU Quan， ZHANG Yuzhuo， WU Xiaoju， DU Meilin

（College of Water Resource amp; Hydropower， Sichuan University， Chengdu 610065， China）

Abstract： Mainly focusing on the competitive role of organisms in nutrition， this study investigates the mutual influence mechanism between myriophyllum aquaticum and microcystis aeruginosa in water quality at lower nutrient levels. By measuring algal density and water quality indicators， the following conclusions were drawn. Under higher initial algal density conditions， myriophyllum aquaticum have a competitive advantage， exhibit density dependent effects， and can more effectively compete for nutrients in water bodies. Meanwhile， microcystis aeruginosa is more sensitive to changes in total phosphorus concentration， but has higher requirements for total nitrogen concentration.

Keywords： myriophyllum aquaticum; microcystis aeruginosa; nitrogen and phosphorus; water purification

雖然我國(guó)的水資源總量較大，但是人均淡水資源遠(yuǎn)低于世界平均水平，實(shí)現(xiàn)水資源的有效保護(hù)與利用，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有至關(guān)重要的意義[1-2]。生產(chǎn)生活中產(chǎn)生的富含氮磷等成分的污水被排放到河流和湖泊，會(huì)導(dǎo)致藻類(lèi)過(guò)度增長(zhǎng)，從而引起水體富營(yíng)養(yǎng)化。在富營(yíng)養(yǎng)化水體中，銅綠微囊藻通常占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，嚴(yán)重威脅河湖的生態(tài)健康。為改善水環(huán)境，國(guó)內(nèi)外研究者已研發(fā)出多種技術(shù)，包括物理法、化學(xué)法及生物法。物理法如底泥疏浚等，雖然可減緩污染，但是成本高、難度大。化學(xué)法如化學(xué)藥劑殺藻，見(jiàn)效快，但存在毒性等不足。生物法具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，其中利用植物進(jìn)行水質(zhì)凈化是常用的技術(shù)，其操作簡(jiǎn)單，且有助于環(huán)境的長(zhǎng)期健康[3]。粉綠狐尾藻是一種高度耐污的水生植物，可有效去除水體中的氮磷元素[4]，并具有強(qiáng)烈的化感抑藻效果，具有廣闊的工程應(yīng)用價(jià)值。化感物質(zhì)是植物生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的代謝物質(zhì)，通過(guò)根莖部滲出等方式進(jìn)入水體[5]。本研究針對(duì)貧營(yíng)養(yǎng)至輕富營(yíng)養(yǎng)之間的水質(zhì)，通過(guò)分析粉綠狐尾藻與銅綠微囊藻對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)，探究粉綠狐尾藻在維持和改善水質(zhì)方面的潛力。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用粉綠狐尾藻，采自四川大學(xué)望江校區(qū)荷花池，銅綠微囊藻原液由中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所提供。試驗(yàn)采用5個(gè)聚丙烯塑料材質(zhì)長(zhǎng)方體水箱培養(yǎng)銅綠微囊藻和粉綠狐尾藻，底面長(zhǎng)為40 cm、寬為27 cm，高度為22 cm。

1.2 試驗(yàn)處理

采用室外完全隨機(jī)試驗(yàn)，截取16株粉綠狐尾藻（長(zhǎng)度約為30 cm）放置在已配好營(yíng)養(yǎng)液（15 L）的水箱中，設(shè)置5組水樣。C1、C2、C3、C4、C5培養(yǎng)箱內(nèi)的初始銅綠微囊藻密度之比為0∶1∶2∶3∶4，密度梯度為4對(duì)應(yīng)的藻密度約為9.64×105個(gè)/mL，以此探究粉綠狐尾藻對(duì)不同濃度銅綠微囊藻水體的適應(yīng)性及其抑藻能力。采用氯化銨（NH4CL）、硝酸鉀（KNO3）、磷酸二氫鉀（KH2PO4）配制不同水平的氮磷濃度，每組的水質(zhì)關(guān)鍵指標(biāo)，如總氮、總磷的初始濃度與初始藻密度的比例相同，后續(xù)不再添加相關(guān)物質(zhì)。試驗(yàn)第1天各組數(shù)據(jù)如表1所示。試驗(yàn)過(guò)程中，蒸發(fā)等原因會(huì)造成水樣消耗，因此每2 d補(bǔ)充1次水樣，使培養(yǎng)箱內(nèi)水量均保持在15 L。配得的水樣介于貧營(yíng)養(yǎng)與輕富營(yíng)養(yǎng)化水體之間。

1.3 測(cè)定指標(biāo)和方法

試驗(yàn)于2023年7月14日至8月7日在四川大學(xué)水利水電學(xué)院進(jìn)行。試驗(yàn)初期每2 d采取1次水樣，并測(cè)定藻密度、總氮和總磷等指標(biāo)；第13天后，改為每3 d采集1次水樣并測(cè)定。共監(jiān)測(cè)25 d。

2 結(jié)果與討論

2.1 水體中藻密度變化

本次試驗(yàn)中的藻密度變化情況如圖1所示?？梢钥闯觯撼薈1組（空白對(duì)照組）藻密度略微上升，其余各組藻密度均顯著下降；C2、C3、C4、C5組中，1～9 d藻密度迅速下降，可能是由于粉綠狐尾藻的加入使水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)總量保持不變，銅綠微囊藻吸收的養(yǎng)分逐漸減少，導(dǎo)致其迅速死亡；第9天后藻密度有所波動(dòng)。粉綠狐尾藻產(chǎn)生的化感物質(zhì)抑制藻細(xì)胞內(nèi)部的興奮性受體活性，并與抑制性受體結(jié)合，從而降低藻細(xì)胞的密度[6]。但是，隨著粉綠狐尾藻種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)加劇，其生長(zhǎng)速度逐漸減緩，化感物質(zhì)隨著時(shí)間推移發(fā)生分解，濃度下降，導(dǎo)致水體中化感物質(zhì)的相對(duì)濃度降低，促使藻類(lèi)密度出現(xiàn)小幅增長(zhǎng)。因此，化感物質(zhì)相對(duì)濃度較低時(shí)可能對(duì)藻類(lèi)產(chǎn)生促進(jìn)效應(yīng)。同時(shí)，計(jì)算得到C2、C3、C4、C5組的藻密度抑制率分別為92.10%、97.34%、97.40%及99.78%，藻密度抑制率隨初始藻密度的增加而增加，初始藻密度越大，粉綠狐尾藻對(duì)銅綠微囊藻的抑制效果越顯著?；?/p>

圖1的試驗(yàn)結(jié)果，C1組中藻密度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，可能是因?yàn)樵囼?yàn)過(guò)程中水箱距離過(guò)近，雨水等原因使其他組的水樣進(jìn)入C1組水箱，對(duì)水樣造成污染。

2.2 水質(zhì)關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)變化

氮和磷是水體富營(yíng)養(yǎng)化的控制指標(biāo)，總氮濃度變化情況如圖2所示、總磷濃度變化情況如圖3所示。

由圖2可以看出，總氮濃度在前3天均有上升，第3天均達(dá)到峰值，可能因?yàn)榉劬G狐尾藻轉(zhuǎn)移到新水體后未適應(yīng)導(dǎo)致部分死亡腐敗，同時(shí)計(jì)算得到前3天總氮的增長(zhǎng)率隨著初始藻密度的增大而下降，因?yàn)殂~綠微囊藻的內(nèi)部競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致其生長(zhǎng)速度下降，過(guò)高的藻密度阻礙光線穿透，影響藻的光合作用。3 d后總氮濃度明顯下降，可能有以下原因：一方面是粉綠狐尾藻直接吸收水體中的氮，主要體現(xiàn)在對(duì)可溶態(tài)氮的吸收；另一方面是通過(guò)分泌助凝物質(zhì)，促進(jìn)了固態(tài)顆粒氮的快速吸附沉降[7]。第11天總氮濃度都降至最低點(diǎn)，之后總氮濃度稍有上升但總體趨于穩(wěn)定。其原因是試驗(yàn)后期水體中營(yíng)養(yǎng)成分不足導(dǎo)致部分微生物停止生長(zhǎng)或部分死亡，最終影響水體中的硝化和反硝化作用[8]，使銅綠微囊藻的吸收與釋放達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

由圖3可知，試驗(yàn)的1～5 d，除C1組外，總磷濃度均下降。由文獻(xiàn)[8]可知，銅綠微囊藻在生長(zhǎng)過(guò)程中，對(duì)氮元素的依賴程度高于磷，據(jù)研究藻細(xì)胞的分子式為C106H263O100N16P[9]，因此銅綠微囊藻在生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)氮的需求高于磷，但是對(duì)磷濃度的變化更加敏感。此時(shí)，粉綠狐尾藻對(duì)磷元素的吸收占主導(dǎo)因素，降低了水體中總磷濃度。第5天到第7天，各組總磷濃度均有較大的上升，C1、C2、C3、C4、C5組總磷濃度的增長(zhǎng)率分別為465.71%、180.10%、57.55%、52.53%及31.90%，隨初始密度的增大而增大。其原因可能是粉綠狐尾藻逐漸適應(yīng)培養(yǎng)箱環(huán)境，生長(zhǎng)速率變快，并加速對(duì)養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致大量銅綠微囊藻死亡，此時(shí)藻類(lèi)的死亡和分解可能成為總磷釋放的主要來(lái)源，增加了總磷濃度。

總氮和總磷濃度存在顯著差異，雖然總磷在較低濃度下銅綠微囊藻也能得到促進(jìn)作用，但是同樣水平的總氮濃度卻無(wú)法滿足其正常生長(zhǎng)，這種現(xiàn)象與上述藻細(xì)胞分子中的元素比例有關(guān)。

3 結(jié)論

粉綠狐尾藻具有強(qiáng)烈的抑藻效果，在較低營(yíng)養(yǎng)化水平的水體，較高的初始藻密度條件下，粉綠狐尾藻可能更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，表現(xiàn)出密度依賴效應(yīng)，能夠更有效地競(jìng)爭(zhēng)水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。銅綠微囊藻對(duì)總磷的依賴性較強(qiáng)，且對(duì)總磷濃度的變化更為敏感，但其正常生長(zhǎng)需要較高的總氮濃度。通過(guò)降低總磷和總氮濃度，可以有效地控制銅綠微囊藻的生長(zhǎng)，降低水華發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，改善水體質(zhì)量。

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