陳娟 黃敏 王洋

(哈爾濱師范大學 生命科學與技術學院生態(tài)系，黑龍江 哈爾濱 150025)

四因素對淡水微藻的抑制效應

陳娟 黃敏 王洋*

(哈爾濱師范大學 生命科學與技術學院生態(tài)系，黑龍江 哈爾濱 150025)

探討水上培養(yǎng)綠色植物、水體pH值、活性炭及六價鉻的添加對淡水微藻的抑制效應。結果表明，綠植可有效抑制綠藻的生長，效果不低于金屬鉻對綠藻的抑制；活性炭的添加對藻類的抑制并未顯示出優(yōu)勢；水體呈酸性也會抑制微藻的生長，但這些藻類會改變水體偏向堿性。結論：較低的pH值(6)和綠植的添加(綠蘿和水葫蘆)以及適當鉻(5mg·L-1)的存在可有效抑制藻類的增殖。

微藻；抑制作用；綠植；活性炭；六價鉻

由于工業(yè)廢水和生活污水的不合理排放所引起的水體富營養(yǎng)化已在全球引起重視，一些城市水體產(chǎn)生水華和赤潮，特別是一些有毒的微藻大量繁殖，這極大地影響了水環(huán)境的生態(tài)平衡。水體中藻類的生物量已經(jīng)成為景觀水體評價的重要指標[1]，人為抑制這些藻類的生長是治理水體富營養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，綠色植物(綠植)可有效吸收水體中的N和P元素，從而達到抑制藻類的效果[2]。利用植物修復是生態(tài)修復的重要手段，由于成本低廉、效果顯著和操作方便更易被人們接受，但是北方生長季節(jié)相對較短，對植物修復水環(huán)境的時效性將提出更快更高的要求。本研究利用水葫蘆和水培綠蘿作為綠植培養(yǎng)來抑制淡水微藻，同時探討了重鉻酸鉀和活性炭以及水體pH值三因素對淡水微藻的抑制效應，以期找到適合于北方的高效、快速治理淡水水體富營養(yǎng)的方法。

1 材料與方法

樣品水取自某人工鏡面湖湖水，水體呈綠色偏堿性，水中無可見動植物生長，無臭味，光學顯微鏡下可見大量單細胞微藻和原生動物存在。用Hydrolab DS5X水質監(jiān)測儀于2016年5月26日測定水體參數(shù)為pH 9.82，Tem(溫度) 21.41℃，DO(溶解氧)6.72，SPC(電導率)234.9，ORP(氧化還原電位)387，Tur(濁度)4.0，CHL(葉綠素)39.98。

實驗采用500ml燒杯作為水培容器，每燒杯內裝約400ml樣品水進行室內培養(yǎng)，通光通氣性良好，培養(yǎng)5d后移除植物后添加蒸餾水至400ml，再添加蒸餾水稀釋一倍進行水質檢測及溶液光密度檢測，考察綠植、水體酸堿度、活性炭和K2Cr2O7的添加四個因素對水中藻類的抑制情況，同時考察其對水質的影響。實驗設計如表1，為四因素三水平正交實驗，實驗共9個處理并設置對照，每處理重復三次。綠植因素的三個水平分別是：綠蘿和水葫蘆及無綠植。綠植的選用標準為植株健壯、根須健康、無機械損傷和病蟲害并且水培已生根?；钚蕴窟x用約4mm直徑的顆粒，設置0g、2g和4g三個水平。水體pH值設置6、7和9.8三個水平，代表酸性、中性和堿性。K2Cr2O7濃度設置0、5、10 mg·L-1三個水平。實驗數(shù)據(jù)均采用SPSS 22.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)差異性檢驗(采用方差分析、交互作用分析、回歸分析)、差異性水平設置為α=0.5。

表1 實驗設計

1.1 水體光密度測定

采用L5S紫外可見光光度計測定水體OD值，分別測定了OD560、OD650和OD680下水體的光密度變化。水的光密度值可以表示水中藻類的生物量，吸光值與藻類的生物量成正相關，吸光值越大代表水中生物量越大。不同的藻類的吸收峰值不同，OD680代表小球藻[3]，OD560代表螺旋藻[4]，OD650代表其他藻類[4]。數(shù)據(jù)變化用以衡量水體藻類的生物量變化。

1.2 葉綠素及其他水體水質指標檢測

葉綠素含量是水體中生物量多少的重要指標[1]，本研究采用Hydrolab DS5X水質監(jiān)測儀測定了葉綠素和溶解氧等水體指標，利用葉綠素含量的測定值衡量水體中藻類的含量變化。

2 結果與討論

2.1 水體光密度變化

OD560讀數(shù)可用來衡量螺旋藻的生物量，水體在560nm波長下的吸光度變化如圖1所示。編號0代表對照(CK)，正交實驗的9個處理結果差異顯著，其中只有組合5的OD560的數(shù)值小于CK，說明只有實驗5組合中的微藻得到了抑制，實驗組合為pH7+水葫蘆+活性炭(4g)+Cr(0mg·L-1)。

其他實驗組合的OD560值均大于CK，說明綠植、水體pH值和活性炭及6價鉻四因素的三個水平并不能抑制水體螺旋藻的增殖；實驗組合7的OD560值最大，實驗條件為pH9.8+無綠植+活性炭4+Cr5，說明此條件有效促進了螺旋藻的生長。對數(shù)據(jù)進行SPSS方差分析后可知，各影響因素的主次順序為植物>Cr>pH>活性炭。

OD680讀數(shù)可代表小球藻生物量，水體在680nm波長下的吸光度變化如圖2所示。正交實驗的9個實驗組合處理結果差異顯著，僅組合2和組合5的OD680值比對照小，說明2(pH6+水葫蘆+活性炭2+Cr5)和5(pH7+水葫蘆+活性炭4+Cr0)的組合處理對小球藻的增殖起到抑制作用，而組合5的抑制效果最明顯。對數(shù)據(jù)進行SPSS方差分析后可知，影響藻類生物量的因素主次順序為植物>pH>Cr>活性炭。

OD650代表非螺旋藻的其他藻類，水體在650 nm波長下的吸光度變化如圖3所示。9個實驗組合結果差異顯著，組合2和組合5的OD650值比對照小，說明2和5的組合處理中，其他藻類的增殖得到了抑制，而組合5的抑制效果仍然最明顯。對數(shù)據(jù)進行SPSS方差分析后可知，四因素影響藻類生物量的主次順序為植物>Cr>pH>活性炭。

各組合實驗結果差異顯著，SPSS方差分析四因素影響藻類生物量的主次順序為植物>Cr>pH>活性炭，組合5在650nm、680nm和560nm光波下微藻水溶液的吸收值最小，說明組合5對水中微藻有最好的抑制效果，植物的抑制作用高于金屬鉻、水體pH值和活性炭。有研究表明六價鉻對藻類生長抑制效應強，不同藻類的96h-EC50濃度為4.96—20.89mg·L-1[4]。本實驗中也設置了較高的K2Cr2O7濃度，結果表明K2Cr2O7對淡水微藻確實有較高的抑制效果，但是綠植的抑制作用更強。

2.2 水體葉綠素a的含量變化

數(shù)據(jù)經(jīng)過平均數(shù)計算并求得標準差，結果如圖4所示。除編號為1和5的實驗組外，其余7個小組的葉綠素測定值均比CK小。對數(shù)據(jù)進行SPSS方差分析后可知，四因素對藻類的增殖均具有顯著性抑制作用。編號為6的葉綠素測定數(shù)值最小，實驗組合為pH7+綠蘿+活性炭0+Cr5，統(tǒng)計分析理論最優(yōu)實驗組合應該是pH9.8+綠蘿+活性炭0+Cr10，說明水中較高的pH值、采用綠植且為綠蘿和適當?shù)幕瘜W試劑(重鉻酸鉀5mg·L-)有利于對水中藻類的抑制，而活性炭的添加作用對藻類的抑制作用并不明顯。統(tǒng)計分析后可以看出，四因素中對葉綠素的抑制作用最強的是D(重鉻酸鉀)，其次依次為B(綠植)、C(活性炭)、A(pH)。

編號為1(pH6+無綠植+活性炭0+Cr0)、5(pH7+水葫蘆+活性炭4+Cr0)的實驗葉綠素含量比對照增加，可能與重鉻酸鉀濃度為0有關。

植物對微藻的抑制作用不可忽視。本研究認為原因并不是植物根系吸附了水體中的大部分藻類，使得水溶液中藻類減少。水葫蘆根系較綠蘿更發(fā)達，5號組合抑制效果應該最佳，事實恰恰相反，5號組合水溶液的葉綠素含量最高，而含綠蘿的6號組合水溶液葉綠素含量最少，抑制效果最佳。因此綠植的根系吸附微藻導致水中微藻減少的說法并不成立，而原因應該是植物能有效吸收富營養(yǎng)元素，對營養(yǎng)物產(chǎn)生競爭，從而抑制藻類的繁殖。所以本研究認為水上種植綠色植物可有效抑制藻類的繁殖。

2.3 水體電導率變化

實驗所得到的SPC值如圖5所示。實驗組的SPC值均高于對照組，進一步用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件分析，可以看出活性炭對水體中的SPC存在較大的相關性，并且對水體中的SPC影響顯著，而相反綠植的種植沒有上述影響。說明水體中SPC值的改變是因為A(pH)、C(活性炭)、D(重鉻酸鉀)這三個實驗因素處理對水體的陰陽離子濃度和水中的溶解性固體的改變而引起，再進一步用極差分析這三個因素中其影響作用，排序為C(活性炭)、D(重鉻酸鉀)、A(pH)。

2.4 水體DO及pH值變化

在該實驗中我們同時測量了DO值，如圖6所示。各組DO值分布于5.00—6.00之間，變化幅度不大，與實驗初始DO值6.65相比，溶解氧有所減少。SPSS 20.0對數(shù)據(jù)進行方差分析顯示，四個因素對水體中DO均沒有顯著作用，說明四因素不會引起水體中DO值發(fā)生顯著變化。

2.5 水體酸堿性變化

由圖7可見，培養(yǎng)5d后對照和9個處理中水體pH值均在7.8—8.2之間，都呈堿性，可見微藻具有調節(jié)水體偏向堿性的能力。有報道淡水微藻水體pH呈堿性，微水環(huán)境呈現(xiàn)弱堿性(pH7.2—8.2)[5，6]。劉春光等[7]報道，在pH8.0—9.5下淡水微藻生長狀況最好，人為改變水體pH值會使藻類生長受到抑制。陳家長[8]在2014年報道pH值對藻類種間競爭抑制參數(shù)能夠產(chǎn)生顯著影響，建議水體富營養(yǎng)化的過程中，可以通過調節(jié)水體pH值控制魚腥藻的生長。許海等[9]報道藻類對水體pH值有較強的緩沖能力，可以通過自身增殖活動改變水體的pH值，因而不同初始pH值對藻類生長的影響不明顯。Young和Gobler報道在富營養(yǎng)化的河口，酸化促進了大型藻類的過度生長[10]。本研究認為在治理大型藻類富營養(yǎng)化水體時，可以人為引入這些微型藻類，通過這些藻類的增殖達到調節(jié)水體偏堿性，以抑制大型藻類的大量繁殖，這將是一個治理水體富營養(yǎng)的生物有效修復措施。

3 結論

(1)以水體光密度為指標衡量水體藻類生物量時，四個因素對藻類的抑制作用明顯，抑制藻類的最優(yōu)組合為5號組合(pH7+水葫蘆+活性炭4+Cr0)，綠色植物是四個因素中對藻類抑制作用最明顯的，而活性炭的添加并沒有顯著抑制藻類。

(2)以水體葉綠素a含量為指標來衡量水體藻類生物量時，四個因素對藻類的抑制作用明顯，抑制藻類的最優(yōu)組合為6號組合(pH 7+綠蘿+活性炭0+Cr 5)。不同的衡量指標得出不同的結論：5號組合光密度測定值最小，但葉綠素測定值卻最大；6號組合葉綠素測定值最小，光密度測定值卻不是最小，究其原因可能是水體中不同的藻類會產(chǎn)生不同的吸收峰值，單純的某波長下的水溶液光密度值不能反映水中各種微藻的整體含量，而水體的葉綠素a值能更好地反映微藻的含量。但本研究中不同的衡量指標都可以明確的是：綠色植物的存在明顯抑制了藻類的增殖，而活性炭的添加不能明顯抑制藻類的增殖。

(3)綜合來看，對于北方淡水鏡面湖水體中的微藻抑制方法，本研究將選擇6號組合來抑制淡水微藻的增殖，原因是該組合抑制葉綠素效果最佳，光密度抑制效果也比較好，水中溶解氧明顯高于對照，水體電導率也沒有顯著高于對照，說明該組合對水質影響不大。

(4)水體較高的pH值有利于微型藻類的繁殖，較低的pH值有利于對淡水微型藻類的抑制；藻類的繁殖導致水體偏堿性，微藻有改變水體偏向堿性的能力。

(5)水上種植綠色植物可有效抑制藻類的繁殖。

(6)綠植不會改變水體的電導率，而其他三因素對水體SPC值影響顯著，影響作用排序為活性炭>K2Cr2O7>pH值。

(7)四因素不會引起水體中DO值發(fā)生顯著變化。

[1]陳麗芬,鄭鋒.葉綠素熒光技術快速測定水體藻類生物量的應用[J].城鎮(zhèn)供水,2007(6):51—52.

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[10]Young C S, Gobler C J. Ocean Acidification Accelerates the Growth of Two BloomForming Macroalgae[J/OL].Plos One, 2016,11(5).

責任編輯：富春凱

Study on the Four Factors of the Inhibition of Freshwater Microalgae

CHEN Juan, HUANG Min, WANG Yang

(College of Life Science and Technology, Harbin Normal University, Harbin 150025, China)

Study and explore the inhibitory effect on freshwater microalgae from plants of water culture, pH of the system,acticarbon, and hexavalent chromium. As the results showed, the plants could effectively inhibit the growth of green algae,and the effectiveness of plant was no less than chromium. Adding acticarbon to inhibit the growth of algae did not show superiority. Acidic water body also inhibited the growth of micro-green algae,but the algae tended to turn the water alkaline. Result: a lower pH value (6) ,added plants (green dill and water hyacinth) and the appropriate chromium (5mg/L) could effectively inhibit the proliferation of the algae.

microalgae; inhibition; hydroponic macrophytes; active carbon; hexavalent chromium

10.3969/j.issn.1674-6341.2017.02.010

2017-02-27

哈爾濱師范大學博士啟動基金項目(901/220601083)

陳娟(1993—)，女，四川人。研究方向：植物生態(tài)學。*通訊作者：王洋(1979—)，女，湖南隆回人，博士研究生，講師。研究方向：污染生態(tài)學。

Q949

A

1674-6341(2017)02-0024-04