王亞超，徐恒省，王國祥，李繼影，劉孟宇，孫 艷，景 明

(1.蘇州市環(huán)境監(jiān)測中心站，江蘇 蘇州 215004;2.南京師范大學(xué)，江蘇 南京 210046)

藻類水華在世界范圍的分布正在不斷對飲用水安全造成嚴(yán)重威脅。為探索太湖主要水華藻類在多種環(huán)境因子作用下的生長變化機(jī)理，筆者將大量藻類密度數(shù)據(jù)與氮、磷等環(huán)境因子數(shù)據(jù)作相關(guān)性分析，并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對部分水華藻類(微囊藻、魚腥藻)進(jìn)行分離培養(yǎng)，研究氮、磷及溫度等環(huán)境因子對水華藻類生長增殖的影響。

1 研究方法

1.1 藻株分離

通過對2009年太湖不同湖區(qū)的魚腥藻和微囊藻進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)太湖的優(yōu)勢藍(lán)藻隨著時(shí)間和采樣湖區(qū)有顯著變化。時(shí)間序列上，春季以水華魚腥藻為優(yōu)勢種群，隨著溫度的升高，進(jìn)入5月份以后轉(zhuǎn)變?yōu)橐晕⒛以鍨閮?yōu)勢種群。微囊藻群落內(nèi)部隨季節(jié)變化的轉(zhuǎn)換模式為：冬春季節(jié)的水華微囊藻，到夏季轉(zhuǎn)換為銅綠微囊藻和惠氏微囊藻。同一時(shí)期，北部湖灣與南部大湖區(qū)的種群結(jié)構(gòu)稍有不同。以魚腥藻為例，春季魚腥藻的優(yōu)勢度在北部湖灣相對高于南部開放大湖區(qū)。太湖的優(yōu)勢魚腥藻為水華魚腥藻，優(yōu)勢微囊藻則包括水華微囊藻、銅綠微囊藻、魚害微囊藻和惠氏微囊藻。選取2009年4月、6月、8月、10月和11月太湖的新鮮藻體樣本，通過顯微鏡檢和毛細(xì)管法，分離得到30株太湖微囊藻和10株魚腥藻藻株。其中包括優(yōu)勢微囊藻：水華微囊藻18株，銅綠微囊藻7株，魚害微囊藻2株和惠氏微囊藻2株。

1.2 生長實(shí)驗(yàn)

1.2.1 接種

選取2株微囊藻藻株(HABT10和HABT22)和1株魚腥藻藻株(HABT43)進(jìn)行生長實(shí)驗(yàn)。藻種實(shí)驗(yàn)前擴(kuò)大培養(yǎng)1周，再饑餓培養(yǎng)48 h。取一定量的藻以5 000 r/min的速度離心15 min，棄掉上清液，用15 mg/L的碳酸氫鈉溶液洗滌后離心，重復(fù)3次，經(jīng)無菌水稀釋后用于接種。微囊藻的起始藻密度為1.0×105個(gè)細(xì)胞/mL，魚腥藻由于分離純培養(yǎng)過程中藻株黏性較強(qiáng)，起始密度則為2.5×104個(gè)細(xì)胞/mL。

1.2.2 培養(yǎng)條件

500 mL三角瓶中裝培養(yǎng)基100 mL，每組做3個(gè)平行樣。光照強(qiáng)度3 000 lx左右，光暗比12∶12，每天手工搖動(dòng)4～5次。每2 d取樣檢測藻密度。

1.2.3 溫度實(shí)驗(yàn)設(shè)定

為了探討不同微囊藻和魚腥藻藻株的最適生長溫度，使用BG11培養(yǎng)基，實(shí)驗(yàn)溫度分別設(shè)定為4，12，20 和30℃。

1.2.4 營養(yǎng)鹽濃度實(shí)驗(yàn)設(shè)定

溫度設(shè)定為30℃，控制總氮(或總磷)濃度保持不變，且其濃度大到不能成為藻類生長的限制性元素。以K2HPO4為磷源，NaNO3為氮源。磷質(zhì)量濃度設(shè)定為 0.05，0.2，2 和 4 mg/L;氮質(zhì)量濃度設(shè)定為0.5，2，20 和40 mg/L。

1.3 藻類密度的測定

筆者使用藍(lán)藻傳感器測定水樣中的藻類密度。藍(lán)藻傳感器測定藻類密度的原理是藍(lán)藻細(xì)胞的藻藍(lán)蛋白對熒光具有反應(yīng)能力，該傳感器為了量化熒光，系統(tǒng)檢測器通常會使用高敏感光電二極管，通過光學(xué)濾鏡對探測的光進(jìn)行過濾。當(dāng)特定波長的光照射到藍(lán)藻上能促使藻藍(lán)蛋白發(fā)出熒光，量化熒光信號以計(jì)算藻類密度。

2 結(jié)果與分析

2.1 微囊藻生長與氮、磷等環(huán)境因子關(guān)系

關(guān)于微囊藻的生長條件研究已有很多報(bào)道，包括溫度、營養(yǎng)及pH等方面的探討。筆者通過對從太湖分離得到的兩株銅綠微囊藻進(jìn)行生長實(shí)驗(yàn)測定，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水溫高于20℃，有利于太湖銅綠微囊藻的生長，其最適生長溫度為30℃，低溫(≤12℃)下微囊藻則基本停止生長(圖1和圖2)，這也與野外的監(jiān)測結(jié)果一致。陳建中等通過從太湖分離得到的銅綠微囊藻藻株，同樣發(fā)現(xiàn)其最適生長溫度為25～30℃。這也與前人的研究結(jié)果(微囊藻的最適生長溫度為 25℃)相一致［2，3］。

筆者同時(shí)發(fā)現(xiàn)太湖微囊藻的生長狀況對不同的氮、磷濃度水平的響應(yīng)不同，較高的氮、磷濃度(磷濃度≥2 mg/L，氮濃度≥20 mg/L)明顯促進(jìn)微囊藻的生長，而較低的氮、磷濃度(磷濃度≤0.05 mg/L，氮濃度≤0.5 mg/L)則減緩微囊藻的增殖速度(圖3—圖6)，這與之前的報(bào)道相一致。許海等的研究發(fā)現(xiàn)，較高的氮濃度(≥2 mg/L)有利于銅綠微囊藻達(dá)到最高比增長率，鄭朔方等得到銅綠微囊藻最高生長率分別出現(xiàn)在磷質(zhì)量濃度4 mg/L和氮質(zhì)量濃度12.8 mg/L的BG11培養(yǎng)基中。通過微宇宙環(huán)境下的模擬，梁恒等發(fā)現(xiàn)總磷是影響微囊藻生長的顯著影響因子［4］。以上研究表明，太湖超富營養(yǎng)化的營養(yǎng)鹽濃度含量有利于微囊藻的過度增殖。

2.2 水華魚腥藻生長與氮、磷等環(huán)境因子關(guān)系

筆者發(fā)現(xiàn)較高溫度適宜魚腥藻的生長，魚腥藻在20℃和30℃下的生長速率均較高，相對的低溫(≤12℃)則阻礙水華魚腥藻生長(圖7)。野外觀察發(fā)現(xiàn)，太湖魚腥藻在4月左右占優(yōu)勢，該時(shí)期的水溫為20℃左右，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。姜霞等通過對浮游植物的周年監(jiān)測同樣發(fā)現(xiàn)，春季是魚腥藻占優(yōu)勢的時(shí)期［5］。

圖7 不同溫度下水華魚腥藻HABT43的生長曲線

太湖全湖呈富營養(yǎng)化狀態(tài)，特別湖區(qū)則達(dá)到超富營養(yǎng)水平。筆者發(fā)現(xiàn)魚腥藻的生長受水體磷濃度變化影響顯著，高磷環(huán)境有利于魚腥藻的生長，而低磷環(huán)境則抑制魚腥藻的生長(圖8)。梁恒等發(fā)現(xiàn)總磷是影響魚腥藻生長的顯著影響因子［4］。顧啟華等同樣發(fā)現(xiàn)在魚腥藻和微囊藻的共培養(yǎng)過程中，高磷濃度有利于魚腥藻占優(yōu)，而低磷濃度則有利于微囊藻占優(yōu)［6］。常鋒毅等通過對洱海螺旋魚腥藻的純培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，其生長的最佳磷質(zhì)量濃度為0.38 mg/L，表明太湖常年的高磷環(huán)境有利于魚腥藻的生長［7］。同時(shí)，魚腥藻對水環(huán)境中氮的濃度要求較低，不同濃度氮對其生長影響沒有顯著差異(圖9)，對螺旋魚腥藻的研究發(fā)現(xiàn)，氨氮和硝酸鹽氮質(zhì)量濃度在0.05～10 mg/L范圍內(nèi)對其生長無顯著性差異［8］。主要是由于魚腥藻可以通過其自身的異形孢進(jìn)行固氮作用，在其生長過程中，氮濃度不會成為其生長的限制因子，從而揭示太湖魚腥藻的限制性因子為磷濃度。

圖8 不同磷濃度下水華魚腥藻HABT43的生長曲線

圖9 不同氮濃度下水華魚腥藻HABT43的生長曲線

2.3 氮、磷等環(huán)境因子在野外對太湖浮游藻類生長的影響

以上研究中，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)探索了氮、磷等環(huán)境因子與藻類生長的關(guān)系。而在野外，各種環(huán)境因素將同時(shí)影響藻類生長，機(jī)理更為復(fù)雜，因此，筆者在野外測定各種環(huán)境因子與藻類密度指標(biāo)，探索其中的關(guān)系。

藻類密度是直接反映水體中藻類聚集程度的指標(biāo)，而浮游藻類的生長受到多種環(huán)境因子的制約。大量研究表明，pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、總磷、總氮是藻類生長和繁殖最主要的影響因素。對2010年3月以來蘇州市太湖5個(gè)測點(diǎn)的藻類密度進(jìn)行分級，分別為＜300萬個(gè)細(xì)胞/L、300～500萬個(gè)細(xì)胞/L和＞500萬個(gè)細(xì)胞/L，對各個(gè)級別的藻類密度與當(dāng)日所監(jiān)測到的pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、總磷、總氮進(jìn)行了相關(guān)系數(shù)分析［SPSS Statistics 12.0-Pearson相關(guān)性(r值)］，分析結(jié)果如表1所示。

表1 太湖5個(gè)湖區(qū)藻類密度與環(huán)境因子的Pearson相關(guān)系數(shù)

由表可知，當(dāng)藻類密度＜300萬個(gè)細(xì)胞/L時(shí)，藻類密度與pH、溶解氧成負(fù)相關(guān)，與高錳酸鹽指數(shù)、總磷、總氮呈正相關(guān)，而且與總氮呈顯著正相關(guān)，這表明在此藻類水平下，總氮是太湖藻類生長的關(guān)鍵因子。當(dāng)藻類密度處于300～500萬個(gè)細(xì)胞/L時(shí)，藻類密度與pH、溶解氧成負(fù)相關(guān)，相關(guān)性減小，與高錳酸鹽指數(shù)、總磷、總氮成正相關(guān)，但是與總磷、總氮的相關(guān)性減小。當(dāng)藻類密度＞500萬個(gè)細(xì)胞/L時(shí)，一般為水體中有可見藻類顆粒生長，此時(shí)藻類密度與總磷、總氮成負(fù)相關(guān)。

3 討論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高水溫(30℃)是微囊藻的最適生長溫度，這也是微囊藻水華往往在夏季暴發(fā)的原因。較高水溫(≥20℃)是魚腥藻適宜的生長溫度，太湖魚腥藻最大生物量常出現(xiàn)在4至5月份，此時(shí)的水溫正好是20℃左右，與研究結(jié)果相一致。隨著氮、磷等營養(yǎng)因子濃度的提高，微囊藻的生長速率加快。太湖中，高氮磷水平有利于微囊藻的生長。低磷是影響魚腥藻生長的限制因子，水體氮濃度不會影響魚腥藻生長速率。

在野外測定總氮、總磷與藻類密度等各項(xiàng)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)藻類密度較低時(shí)(＜300萬個(gè)細(xì)胞/L)，藻類密度與總氮、總磷呈正相關(guān)，這與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的結(jié)果一致。但當(dāng)藻類密度較高時(shí)(＞500萬個(gè)細(xì)胞/L)，藻類密度與總磷、總氮呈負(fù)相關(guān)。這表明藻類暴發(fā)時(shí)，隨藻類密度增加，大量氮元素被藻類的增殖所利用，水體中的總氮減少。

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