王小冬， 劉興國(guó)， 顧兆俊， 時(shí) 旭， 朱 浩， 劉 翀

(農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092)

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葡萄糖添加對(duì)太湖水體浮游植物生長(zhǎng)的影響

王小冬， 劉興國(guó)， 顧兆俊， 時(shí) 旭， 朱 浩， 劉 翀

(農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092)

葡萄糖；碳源；浮游植物；氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽

隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，我國(guó)的湖泊、河流、池塘等多種水域出現(xiàn)了富營(yíng)養(yǎng)化，水質(zhì)下降，并導(dǎo)致水質(zhì)性缺水現(xiàn)象加劇。其實(shí)質(zhì)是水體營(yíng)養(yǎng)鹽水平過(guò)高，水體浮游植物尤其是有害浮游植物大量繁殖，從而導(dǎo)致水體多種使用功能受到嚴(yán)重?fù)p害[1]。因此，如何降低水體中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽水平和浮游植物濃度已經(jīng)成為目前我國(guó)治理水體富營(yíng)養(yǎng)化的一個(gè)重要方向。已有研究表明，通過(guò)增加有機(jī)碳可以增加水體中的異養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量，提高其降解有機(jī)物的作用，從而改變水體中無(wú)機(jī)氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的去向[2]。這為富營(yíng)養(yǎng)化水體控制提供了一種新思路，即通過(guò)增加水體中的有機(jī)碳，促進(jìn)異養(yǎng)細(xì)菌繁殖生長(zhǎng)，使異養(yǎng)細(xì)菌與浮游植物競(jìng)爭(zhēng)氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽，達(dá)到控制浮游植物的目的。

目前，水產(chǎn)養(yǎng)殖中一般通過(guò)人工添加有機(jī)碳，如葡萄糖、蔗糖等，以提高水體中的碳氮比，加速氮形態(tài)的轉(zhuǎn)變，并改變水體中氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽吸收利用的途徑[3-4]。但是在河流、湖泊等非養(yǎng)殖水體中添加葡萄糖是否會(huì)影響系統(tǒng)中浮游植物對(duì)氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收利用，以及對(duì)控制浮游植物是否起作用，這方面的探討還比較少。本研究試圖探討葡萄糖添加對(duì)太湖浮游植物生長(zhǎng)的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)于2015年7月30日—8月6日在中國(guó)科學(xué)院太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究站(太湖梅梁灣)進(jìn)行。設(shè)置3個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，每個(gè)處理均添加相同水平的氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽；而各處理中形成了梯度濃度的溶解性總有機(jī)碳。碳的添加質(zhì)量濃度分別為0 mg/L(對(duì)照組)、51 mg/L(低碳組)和102 mg/L(高碳組)。試驗(yàn)容器為總體積100 L的白色塑料桶，桶高60 cm。試驗(yàn)初始水體積為70 L，其中添加的碳、氮、磷形態(tài)分別為無(wú)水葡萄糖(C6H12O6)、硝酸鉀(KNO3)和磷酸二氫鉀(KH2PO4)。

1.2 氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽狀況和曝氣措施

各個(gè)桶均使用空氣泵曝氣，曝氣強(qiáng)度為水體中溶氧飽和度約在90%～110%。試驗(yàn)過(guò)程中每隔2 d補(bǔ)充蒸發(fā)水，使桶中水體積恢復(fù)至70 L，選用的補(bǔ)充水是試驗(yàn)初始時(shí)獲取的曝氣但不添加營(yíng)養(yǎng)鹽的湖水。試驗(yàn)水體來(lái)源：2015年7月15日從太湖梅梁灣岸邊取水置于2個(gè)1 000 L的塑料桶中，7月29日傍晚將其轉(zhuǎn)入100 L塑料桶中，7月30日上午正式開(kāi)始試驗(yàn)。

1.3 指標(biāo)測(cè)定及方法

1.4 數(shù)據(jù)分析與比較

2 結(jié)果

2.1 WT、DO、pH

試驗(yàn)期間的天氣以晴朗為主，WT、DO、pH的變化如圖1所示。

圖1 不同時(shí)間各處理的WT、DO、pH變化Fig.1 Changes in WT,DO,and pH values of each treatment at different time

WT：14:00左右比7:00左右的高7 ℃左右，7:00左右各處理間沒(méi)有顯著差異(P>0.05)，14:00左右高碳組和低碳組的WT沒(méi)有顯著差異(P>0.05)，但這兩個(gè)處理均高于對(duì)照組(P<0.05)；DO：7:00左右與14:00左右各處理間均沒(méi)有顯著差異(P>0.05)；pH：無(wú)論7:00左右還是14:00左右，均是對(duì)照組高于低碳組(P<0.05)，而低碳組高于高碳組(P<0.05)(表1)。

2.2 N、P營(yíng)養(yǎng)鹽

表1 對(duì)試驗(yàn)各指標(biāo)方差分析時(shí)得到的F和P值Tab.1 The F and P values of ANOVA results for each item

注：上標(biāo)“*”表示差異顯著(P<0.05)

圖2 試驗(yàn)期間各處理和SRP營(yíng)養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度的變化Fig.2 Changes in -N,and SRP of each treatment during the experiment

表2 試驗(yàn)過(guò)程中-N、SRP質(zhì)量濃度的降低速率Tab.2 The reduction rate of -N and SRP concentration during the experiment

注：每列數(shù)據(jù)上不同字母表示相互間差異顯著(P<0.05)

2.3 Chl-a與TSS

各處理的Chl-a與TSS質(zhì)量濃度變化見(jiàn)圖3。方差分析結(jié)果顯示，對(duì)照組與低碳組間，Chl-a沒(méi)有顯著差異(P>0.05)，而二者均顯著高于高碳組(P<0.05)；而3個(gè)處理間的TSS質(zhì)量濃度沒(méi)有顯著差異(P>0.05)(表1)。

圖3 試驗(yàn)期間各處理Chl-a與TSS的變化Fig.3 Changes in Chl-a and TSS of each treatment during the experiment

3 討論

3.1 水質(zhì)因子對(duì)浮游植物生長(zhǎng)的作用

各處理間，WT、DO、pH在一定程度上表現(xiàn)出差異(圖1)，并且14:00左右的平均水溫近37℃，比同期測(cè)定的太湖水體溫度高約1～2℃，這與2015年夏季高溫及試驗(yàn)桶放置在太湖梅梁灣岸邊而不是湖水中有關(guān)。

由3個(gè)處理的Chl-a質(zhì)量濃度波狀變化(圖3)及在第1、3、5、7天均添加了相同的氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽可見(jiàn)，3個(gè)處理中，每次添加營(yíng)養(yǎng)鹽均能促進(jìn)浮游植物Chl-a質(zhì)量濃度的升高，而隨著營(yíng)養(yǎng)鹽的消耗與未及時(shí)補(bǔ)充，Chl-a質(zhì)量濃度會(huì)下降，這表明無(wú)機(jī)氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的添加的確對(duì)促進(jìn)浮游植物的生長(zhǎng)起作用。3個(gè)處理間，Chl-a的差異(圖3，表1)表明無(wú)機(jī)氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)浮游植物的促生長(zhǎng)作用受到了葡萄糖添加的影響，并且隨著葡萄糖添加的增多，即有機(jī)碳濃度的升高，浮游植物的生長(zhǎng)受到抑制。而目前很少有利用有機(jī)碳源添加來(lái)控制浮游植物生長(zhǎng)的研究。

各處理浮游植物濃度的變化趨勢(shì)也在TSS質(zhì)量濃度上反映出來(lái)(圖3)，但3個(gè)處理間TSS質(zhì)量濃度沒(méi)有顯著差異(P>0.05)(表1)。這表明在本試驗(yàn)條件下，添加葡萄糖的2個(gè)處理中沒(méi)有形成大量的生物絮團(tuán)，而據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[11-12]，添加碳源后往往容易形成生物絮團(tuán)。本試驗(yàn)中沒(méi)有形成大量的生物絮團(tuán)可能與沒(méi)有持續(xù)穩(wěn)定的有機(jī)碳源供應(yīng)有關(guān)，而相關(guān)文獻(xiàn)[11-12]中均是持續(xù)供應(yīng)有機(jī)碳以利于生物絮團(tuán)的形成。

在營(yíng)養(yǎng)鹽方面，各處理間的TN、TP、SRP質(zhì)量濃度沒(méi)有顯著差異(P>0.05)(圖2，表1)，這主要是各處理添加的氮、磷質(zhì)量濃度是一樣的；但對(duì)照組的DTN、DTP質(zhì)量濃度顯著高于低碳組(P<0.05)，低碳組的又顯著高于高碳組(P<0.05)(圖2，表1)。這恰好反映了由于不同質(zhì)量濃度的碳添加，導(dǎo)致了溶解性氮、磷不同程度地被水體生物吸收利用，而羅文等[12]、Luo等[13]的研究中也發(fā)現(xiàn)添加一定質(zhì)量濃度碳源后均有利于水體溶解性氮質(zhì)量濃度的降低。

3.2 碳源添加對(duì)浮游植物生長(zhǎng)的影響

本試驗(yàn)中，由有機(jī)碳質(zhì)量濃度升高而降低水體無(wú)機(jī)氮、磷的機(jī)理，很可能與有機(jī)碳促進(jìn)了異養(yǎng)細(xì)菌的生長(zhǎng)有關(guān)。如Hari等[14]在蝦養(yǎng)殖池塘中通過(guò)添加碳源增加碳氮比(C/N)促進(jìn)異養(yǎng)細(xì)菌生長(zhǎng)，而異養(yǎng)細(xì)菌生長(zhǎng)利用碳的同時(shí)，也利用了水體中的氮，降低了無(wú)機(jī)氮質(zhì)量濃度。另外，異養(yǎng)細(xì)菌將水體中的氨氮轉(zhuǎn)化為細(xì)菌的生物量，達(dá)到降低水體氨氮的目的[15]。有研究認(rèn)為細(xì)菌吸收比硝化作用能更快地降低氨氮濃度[16]。水體中碳和氮處于較好平衡狀態(tài)時(shí)，氨氮和有機(jī)態(tài)氮將會(huì)轉(zhuǎn)化為細(xì)菌的生物量[2,17-18]。Crab等[19]認(rèn)為通過(guò)對(duì)水體添加有機(jī)碳促進(jìn)異養(yǎng)細(xì)菌生長(zhǎng)，是改變池塘養(yǎng)殖中氮循環(huán)途徑的一個(gè)好方法。

國(guó)內(nèi)也有相應(yīng)的研究：如適當(dāng)添加碳源可促進(jìn)異養(yǎng)細(xì)菌繁殖，吸收轉(zhuǎn)化無(wú)機(jī)氮，從而降低水體中無(wú)機(jī)氮質(zhì)量濃度[20]；異養(yǎng)細(xì)菌在利用有機(jī)碳的同時(shí)能夠利用無(wú)機(jī)氮、磷[21]。因此，本試驗(yàn)中添加高濃度葡萄糖的處理，浮游植物生物量受到明顯抑制，這很可能是有機(jī)碳質(zhì)量濃度升高后促進(jìn)了異養(yǎng)細(xì)菌的生長(zhǎng)，也促進(jìn)了異養(yǎng)細(xì)菌與浮游植物競(jìng)爭(zhēng)氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的緣故。本試驗(yàn)由于沒(méi)有測(cè)定試驗(yàn)過(guò)程中的溶解性總有機(jī)碳質(zhì)量濃度(DOC)，因而不能確定試驗(yàn)過(guò)程中有機(jī)碳的具體利用情況，這是個(gè)缺陷。

碳源供應(yīng)是微生物生長(zhǎng)尤其是細(xì)菌生長(zhǎng)的一個(gè)重要物質(zhì)條件。而目前在水體富營(yíng)養(yǎng)研究及控制中往往只特別關(guān)注氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽，而忽略了碳素的影響，這與空氣中含有大量二氧化碳可作為浮游植物的碳源有關(guān)。目前，富營(yíng)養(yǎng)水體，尤其是富營(yíng)養(yǎng)湖泊中有機(jī)碳質(zhì)量濃度相對(duì)較低，如2009年太湖水體DOC水平為1.0～10.1 mg/L[22]。而富營(yíng)養(yǎng)水體中易形成水華的藍(lán)藻即藍(lán)細(xì)菌，屬于自養(yǎng)細(xì)菌，與異養(yǎng)細(xì)菌的物質(zhì)利用特點(diǎn)有差異，對(duì)碳源的利用也有特點(diǎn)。淡水方面相關(guān)的研究比較少，有藍(lán)藻腐爛對(duì)有機(jī)碳的影響研究[23]，或者是水體中有色溶解有機(jī)物(CDOM)的分布特征研究[24]，而不是有機(jī)碳質(zhì)量濃度對(duì)藍(lán)藻生長(zhǎng)的影響。不同碳源濃度對(duì)海水浮游植物與異養(yǎng)細(xì)菌的研究表明，有外源碳提供時(shí)，異養(yǎng)細(xì)菌對(duì)無(wú)機(jī)磷酸鹽的吸收明顯高于藻類(lèi)[25]。因此，需加強(qiáng)富營(yíng)養(yǎng)化河流、湖泊等非養(yǎng)殖水體中有機(jī)碳對(duì)浮游植物利用氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽影響的研究。

由本研究結(jié)果可知，在富營(yíng)養(yǎng)湖泊水體中添加有機(jī)碳可控制浮游植物生長(zhǎng)，建議先在小范圍內(nèi)應(yīng)用；在實(shí)際湖水中氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的增加遠(yuǎn)沒(méi)有本實(shí)驗(yàn)多，碳源對(duì)浮游植物控制的效果應(yīng)該會(huì)更明顯。但有研究認(rèn)為[26],水體中添加有機(jī)碳源后，可能增加水體中的生物固氮作用，從而增加水體中的氮素含量，說(shuō)明碳源添加在水體氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽控制方面需要一定的平衡。這在實(shí)際應(yīng)用時(shí)要特別注意。

4 結(jié)論

溶解性的無(wú)機(jī)氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽在夏季水體中很容易被吸收或者吸附，導(dǎo)致難以在水體中監(jiān)測(cè)到高濃度溶解性的無(wú)機(jī)氮、磷。浮游植物的快速生長(zhǎng)都是由一定濃度的、可被直接吸收的氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽供應(yīng)的結(jié)果。以葡萄糖為碳源添加(如51 mg/L和102 mg/L的碳源質(zhì)量濃度)控制了浮游植物生長(zhǎng)，這種控制主要是通過(guò)降低水體中可被浮游植物利用的無(wú)機(jī)氮、磷濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)的?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)水體添加葡萄糖之類(lèi)的有機(jī)碳源，在短期內(nèi)達(dá)到控制浮游植物生長(zhǎng)的目的。

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(KeyLaboratoryofFisheryEquipmentandEngineering,MinistryofAgriculture,FisheryMachineryandInstrumentResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Shanghai200092,China)

glucose; carbon source; phytoplankton; nitrogen and phosphorus nutrient

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.05.002

2016-06-26

2016-09-17

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41401580)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD25B01)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2015CB150703)；農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室開(kāi)放課題(2012007)

王小冬(1981—)，女，博士，副研究員，研究方向：水生態(tài)環(huán)境與工程。E-mail:wangxd1201@163.com

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1007-9580(2016)05-006-07