雷玉新, 劉耀興,2,*, 席銀, 李文章

1. 三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院, 湖北, 宜昌 443002

2. 水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心, 武漢 430070

水體中鐵離子和氮磷比對(duì)藻類生長(zhǎng)影響研究

雷玉新1, 劉耀興1,2,*, 席銀1, 李文章1

1. 三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院, 湖北, 宜昌 443002

2. 水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心, 武漢 430070

通過配制不同氮磷質(zhì)量比和鐵離子濃度的培養(yǎng)液對(duì)藍(lán)藻(微囊藻)進(jìn)行培養(yǎng), 測(cè)量其葉綠素a含量, 探究不同氮磷比以及鐵離子濃度對(duì)藍(lán)藻生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明： 水體中氮磷比為40∶1, 鐵離子濃度為1.2 mg·L-1時(shí), 藍(lán)藻的生長(zhǎng)速率達(dá)到最大值。鐵離子濃度為0時(shí), 藻類基本不生長(zhǎng), 當(dāng)?shù)妆葹?0∶1或鐵離子濃度為4.8 mg·L-1, 藻類生長(zhǎng)受到抑制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 在控制藍(lán)藻生長(zhǎng)時(shí), 不僅要控制水中氮磷質(zhì)量比, 同時(shí)需控制鐵離子濃度。

藍(lán)藻; 鐵離子; 氮磷比; 葉綠素a

1 前言

水華是在一定營(yíng)養(yǎng)、氣候、水文和生物環(huán)境下形成的藻類過度繁殖和聚集現(xiàn)象[1]。一般認(rèn)為, 水體中N、P是水華發(fā)生的限制因子, 關(guān)于水華成因研究多側(cè)重于N、P對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響[2-6], 自從Martin[7]報(bào)道了亞寒帶北太平洋地區(qū)水體富含氮、磷, 但浮游植物生物量很低, 其中最主要的原因是鐵元素,許多學(xué)者認(rèn)識(shí)到鐵元素在水華形成過程中發(fā)揮著重要作用。

目前, 國(guó)內(nèi)外就鐵對(duì)藻類生長(zhǎng)影響研究主要側(cè)重于海水中[8-9], 如陳慈美等[10]在鐵對(duì)海洋硅藻的生長(zhǎng)影響方面做了大量工作, 李東俠等[11-13]研究了Fe3+對(duì)赤潮異彎藻細(xì)胞生化組成、光合作用和光合特性的影響。針對(duì)淡水中鐵對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響研究相對(duì)較少, 劉靜等[14]考察了鐵對(duì)太湖三種常見藻生長(zhǎng)的影響, 黃振芳等[15]在鐵錳微量元素對(duì)藻類生長(zhǎng)方面做了較多工作, 劉曉海等[16-17]研究了鐵離子對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響, 這些研究表明鐵元素對(duì)藻類暴發(fā)起著積極地促進(jìn)作用, 為深入認(rèn)識(shí)水華暴發(fā)機(jī)理及預(yù)防控制水華暴發(fā)提供了重要的科學(xué)依據(jù)。但是這些研究?jī)H探究了鐵元素對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響, 而鐵元素和氮磷比對(duì)藻類生長(zhǎng)的綜合影響研究卻鮮有報(bào)道。

本論文通過配制含有不同鐵離子濃度和 N、P比的藻培養(yǎng)液, 設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn), 探究鐵離子和 N、P質(zhì)量比對(duì)藍(lán)藻中微囊藻的生長(zhǎng)影響, 研究結(jié)果可為營(yíng)養(yǎng)化水體水華的預(yù)警和預(yù)防控制提供初步的理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

2.1.1 實(shí)驗(yàn)藥品

NaNO3、檸檬酸鐵胺、CaCl2·2H2O、K2HPO4、EDTANa2、MgSO4·7H2O、Na2CO3、CuSO4·5H2O、H3BO3、MnCl2·4H2O、ZnSO4·7H2O、檸檬酸、Na2MnO4·2H2O、Co(NO3)2·6H2O、丙酮(分析純, 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司, 中國(guó))。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

分析天平(ML104/02, 梅特勒-托利多儀器有限公司, 瑞士), 氣泵(ACO-004, 廣東日生集團(tuán)有限公司, 中國(guó)), 紫外分光光度計(jì)(UV-2601, 北京瑞利分析儀器有限公司, 中國(guó)), 離心機(jī)(TG18M, 長(zhǎng)沙平凡儀器儀表有限公司, 中國(guó)), 抽濾機(jī)(AP-01P, 天津奧特賽恩斯儀器有限公司, 中國(guó)), 純水機(jī)(AMT-2001-PS, 重慶頤洋企業(yè)發(fā)展有限公司, 中國(guó)), 超聲波清洗機(jī)(KQ-300DE, 昆山市超聲儀器有限公司, 中國(guó))。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 培養(yǎng)液的配制

用檸檬酸銨、硝酸鈉、磷酸氫二鉀等配制一系列濃度梯度的Fe、N、P培養(yǎng)液(見表1)。

2.2.2 培養(yǎng)方法

實(shí)驗(yàn)前對(duì)藍(lán)藻種進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng) 1周, 然后饑餓培養(yǎng) 2 d, 當(dāng)藻種處于最大現(xiàn)存量時(shí)取適量藻種以4000 r·min-1的速度離心15 min, 棄去上清液, 再用15 mg·L-1的碳酸氫鈉溶液洗滌后離心, 重復(fù) 3次,用無菌水稀釋至合適的藻細(xì)胞濃度。然后將處理后的藻種轉(zhuǎn)入配制的培養(yǎng)液中, 放入光照培養(yǎng)箱培養(yǎng),每日定時(shí)測(cè)定1次葉綠素a(chl-a)濃度(ρ)。葉綠素a測(cè)定采用丙酮萃取-分光光度法測(cè)定。

2.2.3 測(cè)定方法

表1 不同ρ(Fe、N、P)的培養(yǎng)基Tab. 1 The culture medium with different concentration of Fe, N and P

取藻體培養(yǎng)液, 用乙酸纖維膜抽濾, 然后將濾膜放入潔凈干燥的離心管中, 加入10 mL 90 %的丙酮震蕩搖勻, 在陰暗條件下密封浸泡離心管底部藻24 h, 震蕩搖勻, 之后以4000 r·min-1的速度離心15 min,取其上清液于1 cm 的比色皿中分別讀取750 nm、663 nm、645 nm和630 nm波長(zhǎng)的吸光度, 并以90%的丙酮做空白對(duì)樣品吸光度進(jìn)行校正。計(jì)算其葉綠素a含量及藻類增長(zhǎng)速率。

葉綠素a計(jì)算公式如下：

式中： V： 水樣體積(L) V1： 提取液定容后的體積 D：吸光度δ： 比色皿光程(cm)

式中： t為培養(yǎng)時(shí)間, ρn為tn時(shí)刻ρ(chl-a), ρn-1為tn-1時(shí)刻ρ(chl-a)。

3 結(jié)果與討論

3.1 氮磷比對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響

為了探究氮磷比對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響, 在鐵離子濃度為 1.2 mg·L-1, 氮磷比分別為 5：1、20：1、40：1和80：1時(shí)對(duì)藍(lán)藻進(jìn)行培養(yǎng), 考察藍(lán)藻中葉綠素a含量隨時(shí)間的變化趨勢(shì), 結(jié)果如圖1所示。由圖1可見, 培養(yǎng)5 d以內(nèi), 所有氮磷比條件下葉綠素a含量基本不變, 5 d后, 葉綠素a含量逐漸升高, 且葉綠素a含量隨N、P比的增加先升高再降低。實(shí)驗(yàn)初期葉綠素a濃度為0.15 mg·L-1, 培養(yǎng)至10 d時(shí), N、P為5∶1條件下, 葉綠素a濃度由0.15 mg·L-1增長(zhǎng)為0.40 mg·L-1, 而N、P比為40∶1條件下, 葉綠素a濃度達(dá)到28.28 mg·L-1, 其是N、P比為5∶1的70倍, 當(dāng) N、P比升高至 80∶1時(shí), 葉綠素 a含量為21.55 mg·L-1, 相對(duì)N、P比為40∶1時(shí)有明顯降低。由圖還可看出, 藻類生長(zhǎng)有明顯的延滯期和對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期, 延滯期時(shí)間為 4—5 d, 且氮磷比對(duì)延滯期和對(duì)數(shù)期兩個(gè)階段出現(xiàn)的時(shí)間沒有明顯影響, 這與李建平[4]等的研究結(jié)果一致。該研究結(jié)果表明, 氮磷比可影響藻類的生長(zhǎng), 且藻類生長(zhǎng)有最佳的 N、P比,在該實(shí)驗(yàn)條件下, 藍(lán)藻生長(zhǎng)的最佳N、P比為40∶1。

圖1 不同氮磷比下藍(lán)藻生長(zhǎng)曲線Fig. 1 Growth of blue-green alga under different N：P ratio

3.2 鐵離子對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響

為考察鐵離子濃度對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響, 在氮磷比為40∶1、鐵離子濃度分別為0、0.2、1.2和4.8 mg·L-1的條件下對(duì)藍(lán)藻進(jìn)行培養(yǎng), 藍(lán)藻中葉綠素 a含量隨時(shí)間的變化如圖2所示。由圖2可看出, 在不同鐵離子濃度下, 藻類生長(zhǎng)依然有明顯的延滯期和對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期, 但藻類進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的時(shí)間有所不同,鐵離子濃度越高, 藻類生長(zhǎng)進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的時(shí)間越短, 當(dāng)鐵離子濃度為4.8 mg·L-1時(shí), 藻類在第4天進(jìn)入對(duì)數(shù)期; 鐵離子濃度越低, 藻類生長(zhǎng)進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的時(shí)間越長(zhǎng), 鐵離子濃度為 0 mg·L-1時(shí), 葉綠素 a的含量基本不變, 沒有表現(xiàn)出藻類的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期, 當(dāng)鐵離子濃度為0.2 mg·L-1時(shí), 藻類在第9天進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期。當(dāng)鐵離子濃度從0.2 mg·L-1增至1.2 mg·L-1時(shí), 隨著鐵離子濃度的升高, 葉綠素a的增長(zhǎng)速度顯著增加。鐵離子濃度為1.2 mg·L-1時(shí), 經(jīng)過10 d培養(yǎng)后, 葉綠素a含量達(dá)到28.3 mg·L-1, 是鐵離子濃度為0 mg·L-1時(shí)的118倍, 是鐵離子濃度為0.2 mg·L-1時(shí)的4.2倍。當(dāng)鐵離子濃度為4.8 mg·L-1時(shí), 經(jīng)過4d的延滯期后雖然恢復(fù)了生長(zhǎng), 但7 d后,其藻類生長(zhǎng)速率和葉綠素a濃度明顯不如鐵離子濃度為 1.2 mg·L-1時(shí)的高, 這是因?yàn)樵寮?xì)胞對(duì)鐵離子的吸收缺乏主動(dòng)選擇功能, 當(dāng)水體中鐵過量時(shí), 大量鐵離子進(jìn)入藻細(xì)胞內(nèi), 其超過了藻類的代謝能力,過量的鐵離子與帶負(fù)電荷的藻細(xì)胞壁發(fā)生電荷吸引,同時(shí)與一些含硫、氮、氧的官能團(tuán)發(fā)生螯合反應(yīng), 造成對(duì)藻細(xì)胞的毒害作用[18]。本次實(shí)驗(yàn)在同溫同光照條件下進(jìn)行, 同一對(duì)照組使用的培養(yǎng)基質(zhì)完全相同, 因此, 藻類生長(zhǎng)差異是由Fe離子濃度的不同引起的, 該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 鐵離子濃度為 0 mg·L-1時(shí), 藻類完全沒有生長(zhǎng), 這說明鐵是藻類生長(zhǎng)必不可少的元素; 同時(shí)當(dāng)鐵離子濃度為4.8 mg·L-1時(shí), 藻類生長(zhǎng)受到抑。

圖2 不同ρ(Fe)下藍(lán)藻藻生長(zhǎng)曲線Fig. 2 Growth of blue-green alga under different iron ion concentration

3.3 鐵離子和氮磷比對(duì)藻類生長(zhǎng)的絡(luò)合效應(yīng)

鐵離子和氮磷比對(duì)藻類最大增長(zhǎng)速率和葉綠素a最大現(xiàn)存量的影響如圖3、4。從圖3、4可以看出, 鐵離子和氮磷比在藻類生長(zhǎng)過程中起到十分重要的作用, 在無鐵(0 mg·L-1)和低濃度鐵(0.2 mg·L-1)或氮磷比為5∶1、20∶1的條件下, 藻類生長(zhǎng)均受到了抑制,尤其在無鐵的情況下, 藻類基本上不生長(zhǎng), 所以在藻類生長(zhǎng)過程中, 鐵離子是一個(gè)必不可少的元素。在同一氮磷比條件下, 鐵離子濃度為1.2 mg·L-1時(shí), 藻類生長(zhǎng)速率最快, 葉綠素a含量也最大。鐵離子濃度升高到4.8 mg·L-1, 藻類生長(zhǎng)速率和葉綠素a的最大值均低于鐵離子濃度為 1.2 mg·L-1, 鐵離子濃度繼續(xù)增加,可能會(huì)抑制藻類生長(zhǎng)。同時(shí)從圖中還可看出, 同一鐵離子濃度下, 氮磷比為 40∶1時(shí), 藻類的生長(zhǎng)速率和葉綠素a的含量最大, 即氮磷比為40∶1比較適合藻類生長(zhǎng)。所以, 在藻類生長(zhǎng)過程中, 適宜濃度的鐵離子濃度和適宜氮磷質(zhì)量比都起到至關(guān)重要的作用。因此在富營(yíng)養(yǎng)的水體中不僅要控制氮磷比, 還要削減水體中的鐵元素的含量, 從而減弱水華發(fā)生的強(qiáng)度。

4 結(jié)論

(1) 氮磷比與藻類生長(zhǎng)關(guān)系密切, 在一定鐵離子濃度條件下, 藻類生長(zhǎng)速率μ(N、P=40∶1)＞μ(N、P=80∶1)＞μ(N、P=20∶1)＞μ(N、P=5∶1), 藻類生長(zhǎng)的最佳N、P比為40∶1。

(2) 在一定N、P比條件下, 鐵離子濃度為0 mg·L-1時(shí), 藻類基本不生長(zhǎng), 表明鐵元素對(duì)藻類生長(zhǎng)所必需的元素; 當(dāng)鐵離子濃度為1.2 mg·L-1時(shí), 藻類的葉綠素含量和最大增長(zhǎng)速率最大, 當(dāng)鐵離子濃度為4.8 mg·L-1時(shí), 藻類生長(zhǎng)受到抑制。

(3) 在富營(yíng)養(yǎng)水體中為了控制或減弱水華發(fā)生強(qiáng)度, 除了控制氮磷比以外, 還要減少水體中的鐵元素的含量。

圖3 不同鐵離子濃度對(duì)藻類生長(zhǎng)最大增長(zhǎng)速率影響Fig. 3 Influence of different iron ion concentration on maximum growth rate of algae

圖4 不同鐵離子濃度對(duì)葉綠素a最大現(xiàn)存量的影響Fig. 4 Influence of different iron ion concentration on maximum of chlorophyll-a

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Study on effects of iron ion and nitrogen-phosphorus ratio on the growth of algae

LEI Yuxin1, LIU Yaoxing1,2*, XI Yin1, LI Wenzhang1

1. College of Hydraulic and Environmental Engineering, China Three Gorges University, Yichang 443002, China
2. Hubei Provincial Collaborative Innovation Center for Water Security, Wuhan 430070, China

In the present study, blue-green alga (microcystis) was cultivated in the culture medium with different nitrogen-phosphorus mass ratio and iron ion concentration. Chlorophyll-a was detected to study the effects of different nitrogen-phosphorus ratio and iron ion concentration on the blue-green algae growth. The results showed that maximum blue-green algae growth rate appeared on the condition of nitrogen-phosphorus ratio of 40：1 and iron ion concentration of 1.2 mg·L-1. The algae almost did not grow when iron ion concentration was 0 mg·L-1. The blue-green algae growth was inhibited when nitrogen-phosphorus ratio was 80：1 and iron ion concentration was 4.8 mg·L-1. The results indicated that the blue-green algae growth can be prohibited by controlling nitrogenphosphorus mass ratio and iron ion concentration.

blue-green algae; iron ion; nitrogen-phosphorus ratio; chlorophyll-a

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.01.011

X172

A

1008-8873(2016)01-075-04

2015-02-04;

2015-03-10

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51209123); 湖北省教育廳項(xiàng)目(B2013174); 三峽大學(xué)人才啟動(dòng)基金項(xiàng)目(KJ2011B030)

雷玉新(1988—), 男, 湖北黃岡人, 碩士, 主要從事水污染控制及生態(tài)修復(fù), E-mail： 781455340@qq.com

*通信作者：劉耀興, 男, 博士, 副教授, 主要從事水污染控制方面研究, E-mail： yxliu19830218@ctgu.edu.cn

雷玉新, 劉耀興, 席銀, 等. 水體中鐵離子和氮磷比對(duì)藻類生長(zhǎng)影響研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2016, 35(1)： 75-78.

LEI Yuxin, LIU Yaoxing, XI Yin, et al. Study on effects of iron ion and nitrogen-phosphorus ratio on the growth of algae[J]. Ecological Science, 2016, 35(1)： 75-78.