吳老五,韓秀榮,吳 婷,杜 錦,石曉勇,*(1.中國(guó)海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,山東 青島 266100；2.中國(guó)海洋大學(xué)海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266100；.國(guó)家海洋局海洋減災(zāi)中心,北京100194)

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重金屬對(duì)滸苔吸收硝酸鹽的動(dòng)力學(xué)特性影響

吳老五1,2,韓秀榮1,2,吳 婷3,杜 錦1,2,石曉勇1,2,3*(1.中國(guó)海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,山東 青島 266100；2.中國(guó)海洋大學(xué)海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266100；3.國(guó)家海洋局海洋減災(zāi)中心,北京100194)

摘要：為探討大型海藻對(duì)重金屬脅迫的響應(yīng),選取滸苔(Ulva prolifera)為實(shí)驗(yàn)材料,通過實(shí)驗(yàn)室一次性培養(yǎng)實(shí)驗(yàn),從大型藻營(yíng)養(yǎng)鹽吸收動(dòng)力學(xué)角度,研究了Cu(II)、Zn(II)和Pb(II)對(duì)滸苔吸收硝酸鹽動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響.結(jié)果表明:較低濃度的Cu(II)(<0.04mg/L)和Zn(II)(<0.12mg/L)對(duì)滸苔吸收硝酸鹽具有促進(jìn)作用;當(dāng)達(dá)到一定濃度(Cu(II)>0.10mg/L和Zn(II)>0.20mg/L)時(shí)則對(duì)滸苔吸收硝酸鹽表現(xiàn)為明顯的抑制作用,Pb(II)對(duì)滸苔吸收硝酸鹽均是抑制作用.Cu(II)、Zn(II)和Pb(II)對(duì)滸苔吸收硝酸鹽的最大吸收速率(Vmax)抑制率IPC50分別為0.23,0.66,0.63mg/L.當(dāng)添加重金屬濃度大于0.50mg/L時(shí),重金屬對(duì)滸苔吸收硝酸鹽的抑制順序?yàn)?Cu(II)最強(qiáng),Pb(II)次之,Zn(II)最小.

關(guān)鍵詞：滸苔；硝酸鹽；重金屬

* 責(zé)任作者, 教授, shixy@ouc.edu.cn

2007～2015年,南黃海近岸海域連續(xù)9年暴發(fā)以滸苔為肇事藻種的綠潮災(zāi)害[1-2].在上游河流和人為活動(dòng)的共同作用下,重金屬污染物質(zhì)和大量的營(yíng)養(yǎng)鹽物質(zhì)一道被輸送至河口海岸地區(qū),使得重金屬成為與綠潮現(xiàn)象相伴隨的重要污染物[3-5].研究表明,一些重金屬如:Hg、Cu、Cd、Pb,通過影響大型海藻的光合色素含量和超氧化物歧化酶等生理生化指標(biāo)[6-7],進(jìn)而促進(jìn)或抑制藻體的生長(zhǎng).因此,它們有可能對(duì)綠潮的形成起著重要的作用.氮營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)黃海滸苔綠潮暴發(fā)起到重要的物質(zhì)支撐作用[2].尤其是硝酸鹽(NO3--N),通常被認(rèn)為是海洋中最主要的無機(jī)氮源,是正常海水中溶解無機(jī)氮含量最高的氮形態(tài),對(duì)滸苔的生長(zhǎng)起到重要的作用[8].已有研究表明,包括重金屬在內(nèi)的微量元素同水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽以及某些特殊的有機(jī)物的存在形式和濃度直接影響著海洋微藻的生長(zhǎng)、繁殖與代謝,進(jìn)而影響赤潮形成和發(fā)展[9-10].目前,關(guān)于大型海藻對(duì)重金屬吸附機(jī)理和富集動(dòng)力學(xué)的研究已有很多[11-14],但有關(guān)重金屬脅迫對(duì)植物的氮代謝影響機(jī)制的研究較少[15].因此,本研究通過研究重金屬對(duì)滸苔吸收NO3--N的影響,再進(jìn)一步探討其對(duì)滸苔綠潮生消發(fā)展的作用.

本研究選擇海洋中常見的Cu(II)、Zn(II)、Pb(II)3種重金屬元素,通過室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)(模擬沿岸海域條件下水體中不同的N濃度,以及不同濃度的重金屬,并控制其他有關(guān)環(huán)境因子),分析了3種重金屬在不同濃度水平下對(duì)滸苔NO3--N動(dòng)力學(xué)吸收特性的影響作用,以期從近海海水重金屬污染角度探討其對(duì)滸苔吸收營(yíng)養(yǎng)鹽的影響,為進(jìn)一步研究有害藻華治理及重金屬污染海水的海藻修復(fù)提供數(shù)據(jù)資料和理論基礎(chǔ).

1　材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與預(yù)處理

滸苔藻體取自江蘇省南通市如東紫菜養(yǎng)殖筏架區(qū),經(jīng)海水反復(fù)沖洗數(shù)次,去除表面的雜藻及其他附著物后,以f/2培養(yǎng)液(其中NaNO3、KH2PO4作為唯一外加氮源、磷源)為培養(yǎng)介質(zhì),保存于藻種室進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng).培養(yǎng)條件:溫度為(15±1)℃,光照強(qiáng)度為 3000～4000lux,光照周期為L(zhǎng):D=12h:12h[16].每 隔3天更換一次培養(yǎng)液.

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

挑選長(zhǎng)勢(shì)良好的健康滸苔饑餓培養(yǎng)48h后開始實(shí)驗(yàn),此時(shí)培養(yǎng)液中原有的氮源已被滸苔吸收消耗.稱取0.5g/L(鮮重)的滸苔,分別培養(yǎng)于1L已滅菌的玻璃錐形瓶中,營(yíng)養(yǎng)液除NO3--N外,其他營(yíng)養(yǎng)元素均按f/2配方添加,然后各培養(yǎng)瓶分別加入不同濃度的重金屬和NO3--N.依據(jù)魏海峰等[15]的研究設(shè)定重金屬的濃度范圍,其中, Cu(II)、Zn(II)、Pb(II)的濃度梯度均設(shè)置為: 0.00,0.03,0.10,0.20,0.50,1.00mg/L,每個(gè)重金屬濃度下NO3--N的濃度梯度均設(shè)置為:10.00,20.00, 40.00,80.00,160.00,320.00μmol/L, NO3--N的濃度設(shè)置參照吳婷[17]的研究結(jié)果即在此濃度范圍內(nèi)滸苔均能正常生長(zhǎng),每組設(shè)置2個(gè)平行,以不加重金屬元素的空白組為對(duì)照.培養(yǎng)條件同1.1.實(shí)驗(yàn)開始1.5h后取一定量培養(yǎng)液經(jīng)GF/F濾膜過濾,濾液采用QUAATRO(Bran + Luebbe GmbH)營(yíng)養(yǎng)鹽自動(dòng)分析儀測(cè)定NO3--N濃度,測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.03μmol/L.

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

1.3.1 吸收動(dòng)力學(xué)參數(shù)Vmax和Ks計(jì)算各培養(yǎng)體系中滸苔對(duì)NO3--N的吸收速率.并用米氏方程[18]描述滸苔對(duì)NO3--N的吸收動(dòng)力學(xué)過程:

式中:V代表滸苔對(duì)NO3--N的吸收速率, μmol/ (g·h);Vmax代表最大吸收速率,μmol/(g·h);C代表培養(yǎng)液中NO3--N的濃度,μmol/L;Ks則代表半飽和常數(shù),μmol/L.

另外,采用Sigmaplot12.5、SPSS11.5及Origin8.0對(duì)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析和非線性擬合,并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的顯著性差異進(jìn)行比較(P<0.05).

1.3.2 重金屬對(duì)滸苔吸收NO3--N影響的定量評(píng)價(jià) 根據(jù)測(cè)定的動(dòng)力學(xué)參數(shù),定量評(píng)價(jià)重金屬對(duì)Vmax的影響.同對(duì)照組相比,不同濃度的重金屬對(duì)Vmax的抑制率IP可由下式求得:

式中:C=logCM,CM為重金屬濃度;β0,β1為可調(diào)參數(shù).定義重金屬的影響抑制率IP為50%時(shí),重金屬濃度為IPC50,則上式可變形為:

式中:CM為重金屬濃度,b為可調(diào)參數(shù).這樣由IP 對(duì)CM進(jìn)行擬合即可直接得到IPC50.當(dāng)?shù)蜐舛戎亟饘賹?duì)NO3--N的吸收具有促進(jìn)作用時(shí),可用下式表示抑制率IPC50與重金屬CM的關(guān)系:

式中:f、b為可調(diào)參數(shù),f表示促進(jìn)作用的大小.如果沒有促進(jìn)時(shí),f=0,則式(4)與式(5)相同.

2　結(jié)果與討論

2.1 Cu(II)對(duì)滸苔吸收NO3--N的影響

圖1為各實(shí)驗(yàn)組滸苔在不同Cu(II)濃度下對(duì)NO3--N的吸收速率.實(shí)驗(yàn)條件下,除NO3--N濃度為10μmol/L的實(shí)驗(yàn)組外,其他組滸苔對(duì)NO3--N的吸收速率均在Cu(II)為0.03mg/L時(shí)出現(xiàn)峰值. 當(dāng)Cu(II)濃度大于0.03mg/L時(shí),滸苔對(duì)NO3--N吸收速率隨Cu(II)濃度增加而下降的趨勢(shì)較為明顯,但當(dāng)Cu(II)濃度大于0.20mg/L,其下降趨勢(shì)相對(duì)比較平緩.

圖1　不同Cu(II)濃度下滸苔對(duì)NO3--N吸收速率Fig.1　The uptake rates of nitrate by Ulva prolifera at different Cu(II) concentrations

進(jìn)一步分析表明,不同Cu(II)濃度條件下,滸苔對(duì)NO3--N吸收速率與NO3--N濃度關(guān)系可用米氏方程(式1)描述,其擬合的相關(guān)系數(shù)R2> 0.99.因此可以得到不同Cu(II)濃度下,滸苔對(duì)NO3--N的吸收動(dòng)力學(xué)參數(shù)Vmax和Ks(表1).結(jié)果表明,添加Cu(II)的各實(shí)驗(yàn)組滸苔吸收NO3--N的半飽和常數(shù)Ks均小于對(duì)照組,Ks值隨著實(shí)驗(yàn)組添加Cu(II)濃度的升高而降低,表明加入Cu(II)后滸苔有容易吸收NO3--N的趨勢(shì).對(duì)于Vmax的變化來說,除添加Cu(II)濃度為0.03mg/L的實(shí)驗(yàn)組Vmax值大于對(duì)照組外,其他各組Vmax值均小于對(duì)照組,且隨著添加Cu(II)濃度的增大而逐漸減小(P<0.05).

表1　不同Cu(II)濃度條件下滸苔對(duì)?N吸收動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 1　The kinetic parameters related to nitrate uptake by Ulva prolifera under different concentrations of Cu(II)

為定量評(píng)價(jià)重金屬的影響,根據(jù)測(cè)定的Vmax,以不添加Cu(II)的空白組為對(duì)照,計(jì)算不同濃度下重金屬對(duì)滸苔吸收NO3--N的抑制率IP(式2).Cu(II)在低濃度下,其抑制率為負(fù)值,對(duì)滸苔吸收NO3--N具有促進(jìn)作用.根據(jù)式(5)對(duì)滸苔吸收NO3-N最大吸收速率的抑制率與不同Cu(II)濃度之間進(jìn)行方程擬合(圖2).可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)抑制率IP=0時(shí),Cu(II)的濃度為0.04mg/L,即當(dāng)Cu(II)的濃度低于0.04mg/L時(shí),對(duì)滸苔吸收NO3--N起到促進(jìn)作用.當(dāng)抑制率IP=0.5時(shí),計(jì)算的IPC50為0.23mg/L.

由圖2可見,當(dāng)Cu(II)<0.04mg/L時(shí)可以促進(jìn)滸苔對(duì)NO3--N的吸收,這與銅是藻類生長(zhǎng)必須的微量元素,參與藻類的新陳代謝和生理過程,對(duì)其生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用有關(guān)[20];當(dāng)Cu(II)的實(shí)驗(yàn)濃度為0.10mg/L 時(shí), 添加Cu(II)對(duì)滸苔吸收NO3--N起到明顯的抑制作用.其原因可能是銅能夠通過Cu+和Cu2+之間的循環(huán)反應(yīng)產(chǎn)生OH造成氧化脅迫,對(duì)維持藻類的正常生理活動(dòng)的酶和光合作用器官造成氧化損傷,使藻類的正常生理活動(dòng)受到破壞[21].同時(shí)銅也可以使藻細(xì)胞內(nèi)鉀和鎂不可逆轉(zhuǎn)的消失,對(duì)細(xì)胞膜的完整構(gòu)成破壞[22].

圖2　不同Cu(II)濃度對(duì)滸苔吸收NO3--N最大吸收速率的抑制率Fig.2　The effects of Cu(II) on the maximum absorption rate of nitrate uptake by Ulva prolifera

已有研究指出,在浮游藻類生長(zhǎng)及吸收氮源的過程中,Cu(II)亦對(duì)其有著雙重影響作用.一方面,在植物體內(nèi),Cu(II)可能以某些物質(zhì)組分的形式存在,在藻類的某些生理過程中起到催化作用,比如作為酶的輔助因子促進(jìn)藻類生長(zhǎng)及光合作用;另一方面,Cu(II)作為一種重金屬元素,當(dāng)其在浮游植物體內(nèi)大量積累時(shí)會(huì)影響浮游植物的代謝過程,且對(duì)浮游藻類的生長(zhǎng)、繁殖產(chǎn)生毒性作用[23].其次,高濃度Cu(II)能夠使藻類的生長(zhǎng)和光合作用受到抑制,PS II電子速率降低、光合色素含量減少、抗氧化酶和硝酸還原(NR)活性受到影響等[24-25].朱喜鋒[6]發(fā)現(xiàn),龍須菜在Cu(II)作用下生長(zhǎng)受到顯著抑制的最低濃度為0.05mg/L,當(dāng)Cu(II)濃度大于0.05mg/L時(shí),龍須菜的相對(duì)生長(zhǎng)速率、Fv/Fm、最大相對(duì)電子傳遞速率和相對(duì)電子傳遞速率顯著下降.本研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與之基本一致.

2.2 添加Zn(II)對(duì)滸苔吸收NO3--N的影響

圖3為各實(shí)驗(yàn)組滸苔在不同Zn(II)濃度下對(duì)NO3--N的吸收速率.實(shí)驗(yàn)條件下,當(dāng)添加Zn(II)濃度低于0.10mg/L時(shí),其對(duì)滸苔吸收NO3--N具有促進(jìn)作用.而當(dāng)添加Zn(II)濃度為0.20～1.00mg/L 時(shí),各實(shí)驗(yàn)組對(duì)NO3--N的吸收速率均小于對(duì)照組,其Vmax值亦小于對(duì)照組,說明較高濃度的Zn(II)(>0.20mg/L)對(duì)滸苔吸收NO3--N具有抑制作用,且抑制作用隨著Zn(II)濃度的增大而增強(qiáng).實(shí)驗(yàn)條件下,當(dāng)NO3--N的濃度為10～20μmol/L,不同Zn(II)濃度對(duì)滸苔吸收NO3--N的影響較小,這與添加Cu(II)實(shí)驗(yàn)組情況相似.

圖3　不同Zn(II)濃度下滸苔對(duì)NO3--N吸收速率Fig.3　The uptake rates of nitrate by Ulva prolifera at different Zn(II) concentrations

將圖3中滸苔對(duì)NO3--N吸收速率與不同Zn(II)濃度的關(guān)系經(jīng)過米氏方程擬合(R2> 0.99),得到不同Zn(II)濃度下,滸苔對(duì)NO3--N的吸收動(dòng)力學(xué)參數(shù)Vmax和Ks(表2).可以看出,添加Zn(II)各實(shí)驗(yàn)組的Ks值均小于對(duì)照組,且隨著添加Zn(II)濃度的升高,其Ks值逐漸降低,表明加入Zn(II)后滸苔有容易吸收NO3--N的趨勢(shì).此外, 在Zn(II)濃度為0.03mg/L和0.10mg/L的兩實(shí)驗(yàn)組中,其Vmax值均大于對(duì)照組.

表2　不同Zn(II)濃度條件下滸苔對(duì)NO3--N吸收動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 2　The kinetic parameters related to nitrate uptake by Ulva prolifera under different concentrations of Zn(II)

根據(jù)測(cè)定的最大吸收速率,以不添加Zn(II)的空白組為對(duì)照,計(jì)算不同濃度下重金屬對(duì)滸苔吸收NO3--N的抑制率(式2).Zn(II)在0.03～0.10mg/L范圍內(nèi),其抑制率IP均小于0.根據(jù)式(5)對(duì)滸苔吸收NO3--N最大吸收速率的抑制率與不同Zn(II)濃度之間進(jìn)行方程擬合(圖4).可以得到,當(dāng)抑制率IP=0時(shí),Zn(II)濃度為0.12mg/L.即當(dāng)Zn(II)的濃度小于0.12mg/L時(shí),隨著Zn(II)濃度的增加,滸苔對(duì)NO3--N吸收的Vmax隨之增加,添加Zn(II)對(duì)滸苔吸收NO3--N 起促進(jìn)作用.當(dāng)抑制率IP=0.5時(shí),添加Zn(II)濃度為0.66mg/L.即在此濃度下,實(shí)驗(yàn)組的最大吸收速率為對(duì)照組的一半.

圖4　不同Zn(II)濃度對(duì)滸苔吸收NO3--N最大吸收速率的抑制率Fig.4　The effects of Zn(II) on the maximum absorption rate of nitrate uptake by Ulva prolifera

綜上所述,Zn(II)<0.12mg/L時(shí)可以促進(jìn)滸苔吸收NO3--N,這是因?yàn)閆n(II)和Cu(II)一樣,也是在低濃度時(shí)為藻類生物代謝所必須的微量營(yíng)養(yǎng)元素,且Zn(II)在保持蛋白核的完整性方面起著重要作用[26].當(dāng)Zn(II)的實(shí)驗(yàn)濃度為0.20mg/L時(shí),則會(huì)明顯的抑制滸苔對(duì)NO3--N的吸收.在生理生化方面表現(xiàn)為抑制細(xì)胞分裂,影響光合作用,葉綠素含量的下降[27],以及類胡蘿卜素與葉綠素比率失調(diào)[28].

魏海峰等[15]研究了Zn(II)對(duì)孔石莼吸收總氨氮的脅迫作用,發(fā)現(xiàn)當(dāng)Zn(II)濃度為0.50mg/L 時(shí),其對(duì)孔石莼吸收總氨氮的抑制作用并不明顯,當(dāng)總氨氮的初始濃度為0.25～1.00mg/L時(shí),抑制率約為5%;當(dāng)Zn(II)濃度超過1.00mg/L時(shí),孔石莼對(duì)總氨氮的吸收速率開始下降,并且Zn(II)濃度越高,其對(duì)孔石莼吸收氨氮的抑制作用越明顯.本研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與上述結(jié)果基本一致.

2.3 添加Pb(II)對(duì)滸苔吸收NO3--N的影響

由圖5可見,Pb(II)在實(shí)驗(yàn)濃度范圍內(nèi),其吸收速率均比對(duì)照組小.當(dāng)Pb(II)濃度為0.03～ 0.20mg/L時(shí),Pb(II)對(duì)滸苔吸收NO3--N的影響明顯比其他濃度的Pb(II)要大.當(dāng)NO3--N的濃度為10～20μmol/L,滸苔對(duì)NO3--N的吸收速率隨Pb(II)濃度的不同變化不明顯.這與添加Cu(II)、Zn(II)的實(shí)驗(yàn)組情況一致.

圖5　不同Pb(II)濃度下滸苔對(duì)NO3--N吸收速率Fig.5　The uptake rates of nitrate by Ulva prolifera at different Pb(II) concentrations

將圖5中滸苔對(duì)NO3--N吸收速率與不同Pb(II)濃度的關(guān)系經(jīng)過米氏方程擬合(R2> 0.99),得到動(dòng)力學(xué)參數(shù)Vmax和Ks(表3).結(jié)果發(fā)現(xiàn),與對(duì)照組相比,添加Pb(II)的各實(shí)驗(yàn)組滸苔吸收NO3--N的動(dòng)力學(xué)參數(shù)均變小,這表明加入Pb(II)后滸苔對(duì)NO3--N的親和力增加,但吸收速率相對(duì)下降.

表3　不同Pb(II)濃度條件下滸苔對(duì)NO3--N吸收動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 3　The kinetic parameters related to nitrate uptake by Ulva prolifera under different concentrations of Pb(II)

根據(jù)測(cè)定的最大吸收速率,以不添加Pb(II)的空白組為對(duì)照,計(jì)算不同濃度下重金屬對(duì)滸苔吸收NO3--N的抑制率(式2).再根據(jù)式(4)對(duì)滸苔吸收NO3--N最大吸收速率的抑制率與不同Pb(II)濃度之間進(jìn)行方程擬合(圖6).可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)抑制率IP=0.5時(shí),重金屬Pb(II)的濃度為0.63mg/L.

圖6　不同Pb(II)濃度對(duì)滸苔吸收NO3--N最大吸收速率的抑制率Fig.6　The effects of Pb(II) on the maximum absorption rate of nitrate uptake by Ulva prolifera

結(jié)合表3和圖6可以看出,對(duì)于添加不同Pb(II)濃度的各實(shí)驗(yàn)組(0.03～1.00mg/L),滸苔對(duì)NO3--N的Vmax值均小于對(duì)照組,且抑制率IP均大于0.說明對(duì)于滸苔而言,Pb(II)始終是抑制滸苔對(duì)NO3--N的吸收,且Pb(II)濃度越大,其抑制作用越強(qiáng)(P<0.05).Pb(II)影響滸苔吸收NO3--N的原因可能是Pb(II)與蛋白質(zhì)中的巰基相結(jié)合,從而使蛋白質(zhì)活性改變,或使生物膜發(fā)生過氧化作用,植物吸收運(yùn)輸功能下降,致使必須元素缺乏,葉綠素等生物合成減弱,導(dǎo)致吸收NO3--N能力下降[29].而在滸苔生理生化方面則表現(xiàn)出可溶性糖、蛋白質(zhì)、葉綠素含量的下降[30].

目前,關(guān)于Pb(II)對(duì)浮游植物的生態(tài)毒理學(xué)研究還較少,其致毒機(jī)理尚不十分清楚.有關(guān)報(bào)道指出,Pb(II)在浮游藻類體內(nèi)可以積累.當(dāng)Pb(II)濃度較高時(shí),其會(huì)和海藻細(xì)胞內(nèi)的氨基酸發(fā)生絡(luò)合而抑制其光合作用[31].吳瑜端等[32]研究發(fā)現(xiàn),Pb(II)會(huì)對(duì)海藻體內(nèi)脫氧核糖核酸DNA的復(fù)制與轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生影響,且會(huì)降低蛋白質(zhì)合成過程中核糖核酸RNA翻譯的精確度,進(jìn)而影響海藻的生長(zhǎng).

另外,對(duì)Cu(II)、Zn(II)、Pb(II)3種重金屬元素在同一添加濃度時(shí)對(duì)滸苔吸收NO3--N的動(dòng)力學(xué)參數(shù)和抑制率進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明,當(dāng)重金屬元素處于較低濃度(0.03mg/L)時(shí),滸苔對(duì)NO3--N吸收的Vmax值分別為38.91,39.22,34.48μmol/(g·h),對(duì)照組Vmax值為37.04μmol/(g·h),而抑制率IP分別為-0.05、-0.06、0.07,說明較低濃度的Cu(II) 和Zn(II)在一定程度上可以促進(jìn)滸苔對(duì)NO3--N的吸收,而Pb(II)卻對(duì)滸苔吸收NO3--N始終表現(xiàn)出不同程度的抑制作用.當(dāng)3種重金屬處于較高濃度(>0.5mg/L)時(shí),滸苔對(duì)NO3--N吸收的Vmax值均小于對(duì)照組,抑制率IP為0.36～0.67,說明較高濃度的重金屬均會(huì)抑制滸苔對(duì)NO3--N的吸收,其抑制作用的大小順序?yàn)镃u(II)>Pb(II)>Zn(II).重金屬對(duì)浮游植物的的毒性研究比較多,盡管所選的浮游植物不同,且研究者所采用的實(shí)驗(yàn)條件也不相同,但幾種常見的重金屬對(duì)浮游藻類的毒性順序?yàn)镠g> Cu≈Cd>Cr>Zn>Pb[33].本研究中重金屬毒性大小順序與之不完全一致,這可能是與本研究的實(shí)驗(yàn)材料選取大型海藻—滸苔有關(guān).但不論對(duì)浮游植物還是大型海藻,重金屬Cu對(duì)其毒性效應(yīng)都是不容忽視的.

實(shí)驗(yàn)選取的實(shí)驗(yàn)材料為近年來黃海綠潮暴發(fā)的“肇事種”.滸苔綠潮一般在每年的4月中旬出現(xiàn)在蘇北淺灘,之后在風(fēng)和流的作用下逐漸向北漂移并不斷擴(kuò)散,最終在8月左右大量堆積在青島海岸[34-36].田琳等[37]研究了2007年春季和秋季北黃海表層海水Cu(II)、Pb(II)、Zn(II)3種重金屬元素的平均濃度,春季分別為(0.8±0.6), (3.8±1.6),(0.35±0.22)μg/L,秋季分別為(1.4±0.9), (8.1±1.7),(0.40±0.68)μg/L.史華明等[38]研究指出,2007年春季和秋季北黃海的NO3--N的平均濃度分別為(1.49±2.02),(3.74±3.12)μmol/L,表現(xiàn)為春季明顯的低于秋季.結(jié)合本研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),Cu(II)、Zn(II)兩種重金屬會(huì)在春秋季促進(jìn)該海域滸苔對(duì)NO3--N的吸收,但Pb(II)則會(huì)抑制滸苔吸收NO3--N,而NO3--N已被證明是滸苔藻體生長(zhǎng)繁殖的首要營(yíng)養(yǎng)元素[2,39].因此,春秋季不同濃度的Cu(II)、Pb(II)、Zn(II)3種重金屬在不同程度上影響著滸苔對(duì)NO3--N的吸收,進(jìn)而促進(jìn)或抑制滸苔的生長(zhǎng).而春秋季正好是滸苔暴發(fā)的前期和末期,進(jìn)一步推測(cè),3種重金屬對(duì)滸苔綠潮的生消發(fā)展起到間接的影響作用.

3　結(jié)論

3.1 重金屬對(duì)滸苔吸收NO3--N的室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明:不同重金屬對(duì)滸苔吸收NO3--N的影響作用不同.當(dāng)Cu(II)<0.04mg/L,Zn(II)<0.12mg/L時(shí)可以促進(jìn)滸苔吸收NO3--N,當(dāng)Cu(II)>0.10mg/ L,Zn(II)>0.20mg/L則產(chǎn)生明顯抑制作用,Pb(II)對(duì)滸苔吸收NO3--N始終表現(xiàn)為抑制作用.

3.2 Cu(II)、Zn(II)、Pb(II)對(duì)滸苔吸收NO3--N的最大吸收速率的抑制率IPC50分別為0.23,0.66, 0.63mg/L.

3.3 當(dāng)Cu(II)、Zn(II)、Pb(II)濃度大于0.50mg/L 時(shí),重金屬對(duì)滸苔吸收NO3--N的抑制大小為: Cu(II)>Pb(II)>Zn(II).

參考文獻(xiàn)：

[1] Liu D, Keesing J K, He P, et al. The world's largest macroalgal bloom in the Yellow Sea, China: Formation and implications [J]. Estuarine Coastal and Shelf Science, 2013,129:2–10.

[2] Li H M, Zhang C S, Han X R, et al. Changes in concentrations of oxygen, dissolved nitrogen, phosphate, and silicate in the southern Yellow Sea, 1980-2012: Sources and seaward gradients1 [J]. Estuarine Coastal and Shelf Science, 2015,163:44-55.

[3] Wang Wenxiong, Robert C H Dei, Yan Xu. Response of Zn assimilation by coastal plankton to macronutrients [J]. Limnology and Oceanography, 2001,46(6):1524-1534.

[4] Luoma S N, Alexer V G, Byeong Gweon L, et al. Metal uptake by phytoplankton during a bloom in South San Francisco Bay: Implications for metal cycling in estuaries [J]. Limnology and Oceanography, 1998,43(5):1007-1016.

[5] Fowler S W. Critical review of selected heavy metal and chlorinated hydrocarbon concentrations in the marine environment [J]. Marine Environmental Research, 1990,29(1): 1-64.

[6] 朱喜鋒.重金屬汞、銅和鎘對(duì)三種大型經(jīng)濟(jì)海藻毒性效應(yīng)的研究 [D]. 汕頭:汕頭大學(xué), 2010.

[7] 顏海波.江蘺屬海藻在N營(yíng)養(yǎng)鹽和重金屬Pb、Cd脅迫下的生理生化響應(yīng)及蛋白質(zhì)組學(xué)研究 [D]. 汕頭:汕頭大學(xué), 2010.

[8] 吳 婷,趙樂毅,劉浩滌,等.滸苔對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽影響的初步研究 [J].海洋環(huán)境科學(xué), 2013,32(3):347-352.

[9] 高素蘭.營(yíng)養(yǎng)鹽和微量元素與黃驊赤潮的相關(guān)性 [J]. 海洋科學(xué)進(jìn)展, 1997,15(2):59-63.

[10] 華澤愛.赤潮災(zāi)害 [M]. 北京:海洋出版社, 1994,50-58.

[11] 王增煥,林 欽,李劉冬,等.大型海藻對(duì)重金屬鎘、銅的富集動(dòng)力學(xué)研究 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2013,33(1):154-160.

[12] 彭克儉,劉益貴,沈振國(guó),等.鎘、鉛在沉水植物龍須眼子菜葉片中的分布 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2010,30(Suppl.):69-74.

[13] 曾阿妍,顏昌宙,金相燦,等.金魚藻對(duì)Cu2+的生物吸附特征 [J].中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2006,26(6):691-694.

[14] 李國(guó)新,張丹丹,顏昌宙,等.輪葉黑藻對(duì)鉛的吸附特征及生物吸附機(jī)理研究 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2011,31(8):1327-1333.

[15] 魏海峰,朱學(xué)惠,劉長(zhǎng)發(fā),等. Pb(II)、Zn(II)對(duì)孔石莼吸收總氨氮的影響 [J]. 大連海洋大學(xué)學(xué)報(bào), 2008,23(4):283-287.

[16] 張寒野,吳望星,宋麗珍,等.條滸苔海區(qū)試栽培及外界因子對(duì)藻體生長(zhǎng)的影響 [J]. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué), 2006,13(5):781-786.

[17] 吳 婷.營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)滸苔生長(zhǎng)的影響及滸苔對(duì)不同氮源吸收特性的初步研究 [D]. 青島:中國(guó)海洋大學(xué), 2013.

[18] Dugdale R C, Goering J J. Uptake of new and regenerated forms of nitrogen in primary productivity [J]. Limnology and Oceanography, 1967,12(2):196-206.

[19] Ewijk P H V, Hoekstra J A. Calculation of the EC50 and its confidence interval when subtoxic stimulus is present [J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 1993,25(1):25-32.

[20] Linder M C. Biochemistry of copper [J]. Unknown, 1991, 10(3):687-703.

[21] Halliwell B, Gutteridge J M C. Free radicals in biology and medicine [J]. Journal of Free radicals in biology and medicine, 1999,1(4):331-332.

[22] Webster E A, Gadd G M. Perturbation of monovalent cation composition in Ulva lactuca by cadmium, copper and zinc [J]. Biometals, 1996,9(1):51-56.

[23] Lidon F C, Henriques F S. Role of rice shoot vacuoles in copper toxicity regulation [J]. Environmental and Experimental Botany, 1998,39(3):197–202.

[24] Collén J, Pinto E, Pedersén M, et al. Induction of oxidative stress in the red macroalga Gracilaria tenuistipitata by pollutant metals [J]. Archives of Environmental Contam ination and Toxicology, 2003,45(3):337-42.

[25] Han T, Kang S H, Park J S, et al. Physiological responses of Ulva pertusa and U. armoricana to copper exposure [J]. Aquatic Toxicology, 2008,86(2):176-184.

[26] 姜彬慧,林碧琴.重金屬對(duì)藻類的毒性作用研究進(jìn)展 [J]. 遼寧大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2000,27(3):281-287.

[27] Barbara Pawlik-Skowrońska. Phytochelatin production in freshwater algae Stigeoclonium in response to heavy metalscontained in mining water: Effects of some environmental factors [J]. Aquatic Toxicology, 2001,52(3/4):241–249.

[28] 王東軍,陳立軍.重金屬對(duì)藻類的毒害作用 [J]. 有色礦冶, 2005, 21(3):40-41.

[29] 鄧鶩遠(yuǎn),羅言云,吳傳芳,等.Ag+、Pb2+對(duì)輪藻光合色素及GAP脫氫酶的影響 [J]. 四川大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2005,(4):822-826.

[30] 朱 明,郭贛林,劉兆普,等.滸苔對(duì)重金屬pb2+的生物吸附及其生理反應(yīng) [J]. 水產(chǎn)科學(xué), 2011,30(11):681-684.

[31] 王修林,張瑩瑩,楊茹君,等.不同濃度的營(yíng)養(yǎng)鹽(NO3^-N, PO4^-P)條件下Pb(Ⅱ )對(duì)2種海洋赤潮藻生長(zhǎng)影響的研究 [J]. 中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2005,35(1):133-136.

[32] 吳瑜端,鄭志宏.海洋重金屬生物地球化學(xué)與海洋環(huán)境保護(hù) [J].海洋環(huán)境科學(xué), 1987,6(3):38-48.

[33] 戰(zhàn)玉杰,楊茹君,王修林,等.Hg(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)對(duì)海洋單細(xì)胞藻的急性毒性效應(yīng) [J]. 生態(tài)毒理學(xué)報(bào), 2011,6(5):523-531.

[34] Liu D, Keesing J K, Dong Z, et al. Recurrence of the world’s largest green-tide in 2009in Yellow Sea, China: Porphyra yezoensis aquaculture rafts confirmed as nursery for macroalgal blooms [J]. Marine Pollution Bulletin, 2010,60(9):1423–1432.

[35] Liu D, Keesing J K, Xing Q, et al. World's largest macroalgal bloom caused by expansion of seaweed aquaculture in China.[J]. Marine Pollution Bulletin, 2009,58(6):888–895.

[36] Keesing J K, Liu D, Fearns P, et al. Inter- and intra-annual patterns of Ulva prolifera green tides in the Yellow Sea during 2007–2009, their origin and relationship to the expansion of coastal seaweed aquaculture in China [J]. Marine Pollution Bulletin, 2011,62(6):1169-1182.

[37] 田 琳,陳洪濤,杜俊濤,等.北黃海表層海水溶解態(tài)重金屬的分布特征及其影響因素 [J]. 中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2009,(4):617-621.

[38] 史華明,王麗莎,石曉勇.北黃海溶解無機(jī)氮組成、分布及季節(jié)變化特征 [J]. 中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2009,(S1):207-211.

[39] Shi X, Qi M, Tang H, et al. Spatial and temporal nutrient variations in the Yellow Sea and their effects on Ulva prolifera blooms [J]. Estuarine Coastal and Shelf Science, 2015,163:36-43.

Effects of heavy metals on the uptake of nitrate by Ulva prolifera.

WU Lao-wu1,2, HAN Xiu-rong1,2, WU Ting3, DU Jin1,2, SHI Xiao-yong1,2,3*(1.College of Chemistry and Chemical Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China；2.Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China；3.National Marine Hazard Mitigation Service, Beijing 100194, China). China Environmental Science, 2016,36(4)：1173～1180

Abstract：In order to investigate the response of the macroalgae to heavy metal contamination, the influence of three heavy metal ions (Cu(II), Zn (II) and Pb (II)) on the uptake of nitrate by Ulva prolifera was investigated. Kinetic parameters related to nitrate uptake in different trials were determined by the batch culture experiment in the laboratory. The results showed that the uptake of nitrate by Ulva prolifera was promoted at low concentrations of Cu (II) (<0.04mg/L) and Zn (II) (<0.12mg/L) and inhibited at high concentrations (Cu (II)>0.10mg/L and Zn (II)>0.20mg/L). Pb (II) played a negative role in the uptake of nitrate by Ulva prolifera at all tested concentrations. The inhibition rate of the maximum absorption rate of nitrate (Vmax) were calculated to be 0.23mg/L, 0.66mg/L, and 0.63mg/L for Cu(II), Zn(II), and Pb(II), respectively. The inhibition effects of the three heavy metals at concentrations >0.5mg/L on Ulva prolifera nitrate uptake were observed to be in the order of Cu(II)>Pb(II)>Zn(II).

Key words：Ulva prolifera；nitrate；heavy metals

作者簡(jiǎn)介：吳老五(1991-),女,安徽安慶人,碩士研究生,主要研究方向海洋污染生態(tài)化學(xué).

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973)項(xiàng)目(2010CB428701)

收稿日期：2015-09-30

中圖分類號(hào)：X171.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-6923(2016)04-1173-08