王小冬，劉興國(guó)，田 億，吳含含，車 軒，朱 林

（1. 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；2. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

藍(lán)藻、綠藻和硅藻是浮游植物主要的3 個(gè)門類。自然條件下，浮游植物有明顯的季節(jié)演替，硅藻通常在冬、春季的弱光照和低溫度條件下形成優(yōu)勢(shì)[1]，而藍(lán)藻優(yōu)勢(shì)或藍(lán)藻水華喜好高溫天氣[2]。這種機(jī)制與不同藻類對(duì)光照、溫度、營(yíng)養(yǎng)鹽等理化因子的需求差異有關(guān)。河流型硅藻優(yōu)勢(shì)主要是浮游態(tài)生長(zhǎng)的硅藻。對(duì)河流型硅藻水華發(fā)生規(guī)律的研究表明，水文狀況是河流硅藻水華最重要的影響因子，水文狀況會(huì)影響光照、營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收等，而且水動(dòng)力攪動(dòng)可能造成河流中不同河段藻類群落結(jié)構(gòu)的差異[3]。

硅藻除了以浮游態(tài)生長(zhǎng)外，還喜好附著在多種基質(zhì)上生長(zhǎng)[4]。附著硅藻的變化與多種因素有關(guān)，比如營(yíng)養(yǎng)鹽、溫度、光照、水動(dòng)力條件等[5]。對(duì)河道型水庫中附著硅藻群落的研究表明，溫度是影響浮游植物、浮游硅藻和附著硅藻的關(guān)鍵變量，溶解氧（DO）和硝態(tài)氮也是影響附著硅藻的變量[6]。淺水湖泊中附著硅藻群落組成和水文湖沼條件有關(guān)[7]。對(duì)海洋底棲硅藻的研究表明，氧含量和附著面積影響海洋底棲硅藻的生長(zhǎng)，在氧含量高、可附著面積大的條件下，硅藻的生長(zhǎng)繁殖速率快[8]。農(nóng)業(yè)地區(qū)中的強(qiáng)水流和高溶氧特征直接影響附著硅藻的密度和種類豐度[9]。

可見除了溫度、光照、營(yíng)養(yǎng)鹽等基本因素外，水動(dòng)力擾動(dòng)以及形成的溶氧條件也是影響藻類變化的重要因素。為此，在冬季保證合適營(yíng)養(yǎng)鹽和溫度的條件下，進(jìn)行不同的曝氣擾動(dòng)試驗(yàn)，旨在探尋藻類生長(zhǎng)的變化規(guī)律，為有效培養(yǎng)藻類提供有益借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于冬季在玻璃溫室中進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)間持續(xù)34 d。試驗(yàn)設(shè)1 個(gè)對(duì)照組和1 個(gè)處理組，各3 個(gè)重復(fù)，均進(jìn)行曝氣，對(duì)照組為空氣曝氣，處理組為高純氮?dú)馄貧?，以促進(jìn)水中形成不同的溶解氧（DO）水平。采用60 cm×35 cm×40 cm 的玻璃缸進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)期間的水深為36 cm，每3 d 左右以自來水補(bǔ)充蒸發(fā)耗水。玻璃缸中均不添加沉積物。試驗(yàn)期間各玻璃缸均使用一支300 W 加熱棒持續(xù)加熱，預(yù)設(shè)溫度為28℃，由于氣溫變化，實(shí)際水溫有波動(dòng)。其中第15天至第27 天由于沒有控制好高純氮?dú)馄貧?，?dǎo)致處理組水中DO 增高。

試驗(yàn)初始用水為少量飼料腐爛液、少量的微囊藻水華和自來水混合而成。初始水中葉綠素a（Chl-a）濃度為112.04 μg/L，其中微囊藻細(xì)胞濃度為6.33×107cells/L。試驗(yàn)初始的微囊藻來自太湖梅梁灣，在玻璃溫室中以高濃度保存至試驗(yàn)時(shí)使用。飼料腐爛液為魚類配合飼料與自來水混合腐爛4 個(gè)月后獲得的黑褐色液體，已基本無臭味。

試驗(yàn)過程中第7 天、第12 天各添加一次300 目過濾后的飼料腐爛液作為促進(jìn)藻類生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)鹽，具體添加情況見表1。

表1 試驗(yàn)期間2 次添加飼料腐爛液后各容器中養(yǎng)分的瞬時(shí)增加量 （mg/L）

1.2 水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定

試驗(yàn)期間檢測(cè)水質(zhì)，包括水溫、DO、pH 值、氧化還原電位（ORP），這4 個(gè)指標(biāo)大約每天9：00 和14：00 各測(cè)定1 次；總氮（TN）、總磷（TP）、溶解性總氮（DTN）、溶解性總磷（DTP）、活性磷（SRP）、硝態(tài)氮（NO3--N）、氨氮（NH4+-N）、溶解性有機(jī)碳（DOC）等，這8 個(gè)指標(biāo)每7～10 d 測(cè)定1 次。

水溫、DO、pH 值、ORP 的測(cè)定采用多參數(shù)水質(zhì)分析儀（Professional plus，YSI，美國(guó)）原位測(cè)定；水樣過Whatman GF/F（0.7 μm 孔徑，英國(guó)）膜后，采用過硫酸鉀聯(lián)合消解法[10]測(cè)定DTN、DTP、TN 和TP；水樣過Whatman GF/F 膜后，采用磷鉬藍(lán)分光光度法測(cè)定[11]SRP，采用納氏比色法[11]測(cè)定NH4+-N；NO3--N 依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HJ/T 346—2007 采用紫外分光光度法測(cè)定；DOC 使用Multi N/C 2100（analytikjena，德國(guó)）儀測(cè)定。

1.3 浮游植物和附著藻類的鑒定

浮游植物生物量以Chl-a 表示，每2 d 左右使用浮游植物熒光儀（PHYTO-PAM，Walz GmbH，德國(guó)）測(cè)定1 次。由于試驗(yàn)過程中對(duì)照組和處理組均未出現(xiàn)藍(lán)藻和硅藻大量浮游生長(zhǎng)的現(xiàn)象，于是僅在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)檢測(cè)浮游植物的種類組成，種類鑒定參考胡鴻鈞等[12]的方法進(jìn)行。沒有計(jì)算浮游植物的具體細(xì)胞濃度和生物量。

由于試驗(yàn)過程中出現(xiàn)了藻類的附著生長(zhǎng)，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，測(cè)算對(duì)照組和處理組各玻璃缸內(nèi)壁的藻類附著面積，并選取對(duì)照組和處理組內(nèi)壁上藻類生長(zhǎng)密實(shí)處，刮取附著藻類后計(jì)算其附著密度和生物量。附著藻類的生長(zhǎng)不是均勻的，往往先在內(nèi)壁上某處隨機(jī)出現(xiàn)少量藻類的附著生長(zhǎng)，然后擴(kuò)散生長(zhǎng)。因此，該研究采用網(wǎng)格法測(cè)算藻類附著面積，具體步驟為：先將一側(cè)玻璃面以“田”字法平均分為4份，然后對(duì)每個(gè)格以“田”字法再平均分為4 份，依此類推地細(xì)分3 次，測(cè)算藻類附著面積的大小，并計(jì)算附著面積占水中內(nèi)壁面積的百分比。附著藻類的獲取方法：將缸內(nèi)水適當(dāng)移除部分后，利用干凈牙刷刷洗一個(gè)3～4 cm 直徑的圓形區(qū)域內(nèi)附著藻類，并利用純水定容到10 mL，每個(gè)缸選取3 處藻類密集處進(jìn)行取樣。

使用光學(xué)顯微鏡奧林巴斯CX41（Olympus, Japan）在400 倍下進(jìn)行附著藻類的種類鑒定[12]，用0.1 mL浮游生物計(jì)數(shù)框計(jì)數(shù)，再根據(jù)附著的面積換算成附著藻類的密度。附著藻類的生物量以濕質(zhì)量表示，藻體積與濕質(zhì)量的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)為1 mm3等于1 mg濕質(zhì)量[13]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

對(duì)照組和處理組的水溫、DO、pH 值、ORP、Chl-a、TN、DTN、TP、DTP、SRP、N-N、NH4+-N和DOC 的比較，采用SPSS 16.0 軟件針對(duì)2 個(gè)因子變量（采樣時(shí)間和處理）的一般線性分析模型（GLM）進(jìn)行分析，并且先開平方以增加數(shù)據(jù)齊性[14]，其中ORP 是負(fù)值，故取相反值后再開平方。對(duì)藻類附著面積的比例和附著密度進(jìn)行比較時(shí)，先開平方以增加數(shù)據(jù)齊性[14]，然后進(jìn)行單因素方差分析，差異顯著水平選擇 α=0.05。采用Sigmaplot 10.0 軟件作圖，其中各圖所用數(shù)據(jù)形式為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 水 質(zhì)

試驗(yàn)期間所有水缸的平均水溫為26.3℃，對(duì)照組和處理組間的水溫沒有顯著差異（P＞0.05）。試驗(yàn)中后期對(duì)照組和處理組的pH 值、ORP 均逐漸升高，對(duì)照組上午和下午的DO、ORP 均顯著高于處理組（P＜0.05），對(duì)照組上午和下午的pH 值均顯著低于處理組（P＜0.05）（圖1），即：處理組進(jìn)行高純氮?dú)馄貧?，顯著降低了水中的DO 和ORP 值，其中15～27 d 由于沒有控制好高純氮?dú)馄貧饬?，?dǎo)致處理組DO 明顯增高（圖1）。

圖1 對(duì)照組和處理組中水溫、DO、pH 值和ORP 的變化

從圖2 中可以看出，試驗(yàn)期間水池中的TN、TP濃度范圍分別為4.5～9.0 mg/L、1～4 mg/L。對(duì)照組的TN、DTN、NO3--N 含量均顯著高于處理組（P＜0.05），而對(duì)照組和處理組間的TP、NH4+-N、DOC 濃度均無顯著差異（P＞0.05）。這說明不同的曝氣處理對(duì)水中營(yíng)養(yǎng)鹽水平造成了一定的影響。

圖2 對(duì)照組和處理組的營(yíng)養(yǎng)鹽隨時(shí)間的變化

2.2 Chl-a 和浮游植物

由圖3 可知，試驗(yàn)過程中對(duì)照組和處理組間的Chl-a 濃度均無顯著差異（P＞0.05）。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，對(duì)照組和處理組的浮游植物組成接近，主要是綠藻門的種類，具體有柵藻屬（Scenedesmus）、小球藻屬（Chlorella）、衣藻屬（Chlamydomonas）、微芒藻屬（Micractinium）、膠網(wǎng)藻屬（Dictyosphaerium），另外還有隱藻門的隱藻屬（Cryptomonas）、少量硅藻門的異極藻屬（Gomphonema）以及一些未知的細(xì)絲狀體，幾乎沒有微囊藻。

圖3 對(duì)照組和處理組中Chl-a 隨時(shí)間的變化

2.3 附著藻類

試驗(yàn)期間對(duì)照組和處理組均出現(xiàn)了棕褐色藻類的附著生長(zhǎng)，至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，對(duì)照組和處理組各缸內(nèi)壁上均附著大量的棕褐色藻類（試驗(yàn)期間的水深為36 cm），在顯微鏡下觀察為硅藻，除細(xì)菌外，沒有其他藻類，且對(duì)照組和處理組中附著生長(zhǎng)的硅藻種類相同。取新鮮的附著藻類樣品直接在顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)附著硅藻的優(yōu)勢(shì)類群為硅藻門的菱形藻屬（Nitzschia）和異極藻屬（Gomphonema），硅藻細(xì)胞大小比較均勻，單個(gè)硅藻細(xì)胞的長(zhǎng)度約25～30 μm，最寬處約7～10 μm（圖4）。

圖4 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)對(duì)照組（A、B）和處理組（C、D）玻璃缸內(nèi)壁的附著硅藻

硅藻在玻璃缸內(nèi)壁上呈斑塊狀逐漸擴(kuò)大生長(zhǎng)，附著密度不均勻。由表2 可知，對(duì)照組的硅藻附著面積顯著小于處理組的（P＜0.05）；而生長(zhǎng)密實(shí)處附著硅藻的密度、濕質(zhì)量之間對(duì)照組與處理組均無顯著差異（P＞0.05）。

表2 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)玻璃缸內(nèi)壁上硅藻附著生長(zhǎng)的面積占比、密度、濕質(zhì)量

3 結(jié)論與討論

冬季將水溫控制在26.3℃，通過曝氣擾動(dòng)形成不同的溶解氧環(huán)境，硅藻容易大量附著生長(zhǎng)，而且溶解氧濃度低時(shí)，硅藻附著面積更大；附著硅藻的優(yōu)勢(shì)類群為菱形藻和異極藻，其中富營(yíng)養(yǎng)條件為TN 濃度4.5～9.0 mg/L，TP 濃度1～4 mg/L。

試驗(yàn)處理組純氮?dú)馄貧夂蟮腄O 顯著低于空氣曝氣的對(duì)照組，并且DO 水平的差異導(dǎo)致了ORP 和pH值的差異，但水溫、Chl-a 無顯著差異。浮游植物響應(yīng)方面，對(duì)照組和處理組中均未出現(xiàn)藍(lán)藻和硅藻大量浮游生長(zhǎng)的現(xiàn)象，優(yōu)勢(shì)藻類為綠藻，但容器內(nèi)壁上均出現(xiàn)了大量附著硅藻。這表明冬季在玻璃溫室環(huán)境中對(duì)高度富營(yíng)養(yǎng)且含微囊藻的水加溫（平均水溫為26.3℃）、曝氣處理未能讓微囊藻取得優(yōu)勢(shì)，浮游植物以綠藻為優(yōu)勢(shì)，但促進(jìn)了硅藻大量附著生長(zhǎng)。因此，出現(xiàn)附著硅藻優(yōu)勢(shì)時(shí)并不一定出現(xiàn)浮游硅藻優(yōu)勢(shì)，硅藻附著生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)比浮游硅藻優(yōu)勢(shì)更容易形成。

該試驗(yàn)的附著藻類全是硅藻，優(yōu)勢(shì)類群為菱形藻屬和異極藻屬，這2 個(gè)屬為常見的富營(yíng)養(yǎng)硅藻，是野外環(huán)境中常見的優(yōu)勢(shì)硅藻。比如，異極藻 （Gomphonema parvulum）經(jīng)常生長(zhǎng)在污染較嚴(yán)重的水中，而谷皮菱形藻（Nitzschia palea）等藻類是磷污染的指示種[15]；據(jù) Besse-Lototskaya 等[16]統(tǒng)計(jì)，谷皮菱形藻是一種生活在富營(yíng)養(yǎng)水體中的藻類；廣東鑒江水系和華南地區(qū)東江及其支流增江的底棲硅藻優(yōu)勢(shì)類群為舟形藻屬、菱形藻屬和異極藻屬[17-19]；東江惠州河流段人工基質(zhì)附著硅藻的主要優(yōu)勢(shì)屬成員為異極藻屬和菱形藻屬[20]；海洋赤潮研究中甚至發(fā)現(xiàn)菱形藻屬硅藻附著生長(zhǎng)在衰老的球形棕囊藻囊體和泡沫上[21]。筆者的試驗(yàn)結(jié)果表明，自然水體中常見的附著硅藻種類——菱形藻和異極藻在人工富營(yíng)養(yǎng)條件下也容易附著生長(zhǎng)并形成優(yōu)勢(shì)。

附著硅藻的生長(zhǎng)同樣受到多種理化因素的影響，如光照、營(yíng)養(yǎng)鹽、溫度、水動(dòng)力等。對(duì)東江惠州河流段人工基質(zhì)附著硅藻群落的季節(jié)性動(dòng)態(tài)研究表明，研究區(qū)域內(nèi)河流中的大多數(shù)硅藻適合在春秋季生長(zhǎng)，季節(jié)性變化趨勢(shì)較明顯，水溫、DO、N-N、PO43--P、電導(dǎo)率、pH 值等對(duì)附著硅藻群落結(jié)構(gòu)有重要影響；相對(duì)而言，其中許多藻類都喜好在透明度較好、溶解氧較高及溫度相對(duì)較低的春、秋季節(jié)的水環(huán)境中生長(zhǎng)[20]；并且電導(dǎo)率是影響東江流域附著硅藻群落最大的環(huán)境變量[22]。對(duì)河道型水庫中附著硅藻群落的研究表明，除了溫度的影響外，DO 和硝態(tài)氮也是影響附著硅藻的變量[6]。Winter 等[23]發(fā)現(xiàn)底棲硅藻種群與總磷濃度有顯著相關(guān)性。筆者試驗(yàn)測(cè)定的各水質(zhì)指標(biāo)中，對(duì)照組和處理組之間有顯著差異的指標(biāo)包括DO、pH值、ORP 以 及TN、DTN、DTP、NO3--N、SRP， 其他指標(biāo)沒有顯著差異。雖然該試驗(yàn)中處理組和對(duì)照組的附著密實(shí)處硅藻的附著密度之間沒有顯著差異，但是高純氮?dú)馄貧夂驞O 水平低的處理組中附著硅藻的面積顯著大于對(duì)照組（P＜0.05），表明在該試驗(yàn)條件下，低水平DO 有利于附著硅藻的生長(zhǎng)擴(kuò)散。這可能與處理組中DO 水平降低后，相應(yīng)形態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽的可利用性發(fā)生變化有關(guān)。

對(duì)照組和處理組中均出現(xiàn)了硅藻的附著生長(zhǎng)，表明對(duì)照組和處理組均滿足了硅藻附著生長(zhǎng)的基本條件；盡管硅藻的附著面積有差異，但對(duì)照組和處理組之間DO 水平的差異并不是影響硅藻附著生長(zhǎng)的根本原因，影響硅藻附著生長(zhǎng)的基本條件可能還是光照、營(yíng)養(yǎng)鹽、水動(dòng)力擾動(dòng)等。該試驗(yàn)在冬季加溫條件下使用透明玻璃缸進(jìn)行自來水曝氣處理（水動(dòng)力擾動(dòng)），處理前添加飼料腐爛液營(yíng)造了富營(yíng)養(yǎng)條件，這些因素很可能滿足了附著硅藻生長(zhǎng)對(duì)溫度、光照、營(yíng)養(yǎng)鹽和水動(dòng)力條件的需求。但是浮游植物沒有出現(xiàn)硅藻優(yōu)勢(shì)，可能是由浮游硅藻和附著硅藻對(duì)環(huán)境因子需求的差異引起的，也表明在溫度、光照、營(yíng)養(yǎng)鹽等條件合適時(shí)，與浮游態(tài)生長(zhǎng)相比，硅藻更容易以附著態(tài)生長(zhǎng)并形成優(yōu)勢(shì)。

同一水體中浮游植物和附著藻類的種類組成會(huì)有較大差異[24]。對(duì)河道型水庫浮游植物和附著硅藻群落的研究表明，水體中的浮游硅藻和附著硅藻的種類差異很大，浮游硅藻主要是顆粒直鏈藻，而附著硅藻主要是舟形藻和菱形藻[6]。對(duì)白洋淀3 大典型水體附著藻類群落結(jié)構(gòu)的研究表明，白洋淀的浮游植物與附著藻類的群落結(jié)構(gòu)差異很大，其中附著硅藻所占比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于浮游硅藻，附著硅藻種類數(shù)目多于浮游硅藻種類數(shù)目；同時(shí)浮游植物與附著藻類之間存在一定的競(jìng)爭(zhēng)排斥關(guān)系[24]。因此，在富營(yíng)養(yǎng)水體中，通過附著藻類的生長(zhǎng)來控制藻類水華可能是水體富營(yíng)養(yǎng)治理的一條新途徑[25]。筆者的試驗(yàn)中沒有出現(xiàn)大量浮游態(tài)生長(zhǎng)的硅藻，其中的機(jī)理還需要進(jìn)一步研究。

近年來，對(duì)硅藻的研究主要是針對(duì)天然水體中硅藻的自然生長(zhǎng)，而在人工模擬條件下重現(xiàn)硅藻優(yōu)勢(shì)的研究比較少[4]。淡水附著硅藻或者底棲硅藻的研究主要從群落結(jié)構(gòu)研究藻類的相對(duì)豐度[6,20]，很少關(guān)于絕對(duì)生物量的研究；在自然條件下，硅藻容易附著生長(zhǎng)在自然基質(zhì)上，且往往與其他藻類間雜生長(zhǎng)[4]，不是單純的硅藻生長(zhǎng)。而筆者的試驗(yàn)中附著生長(zhǎng)的基本只有硅藻。關(guān)于附著硅藻的人工培養(yǎng)研究主要集中在海水貝類的餌料培養(yǎng)，因?yàn)楦街柙迨撬a(chǎn)養(yǎng)殖對(duì)象優(yōu)質(zhì)的生物活餌料。例如，對(duì)1 株熱帶底棲硅藻——雙眉藻（Amphora sp. HN08）的附著培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，該雙眉藻在玻璃板和 PVC 塑料板上的生物質(zhì)產(chǎn)量最高，細(xì)胞干重達(dá)到3. 64 g/m2[26]；利用人工培養(yǎng)基在實(shí)驗(yàn)室條件下培養(yǎng)雙眉藻時(shí)，附著細(xì)胞濃度可達(dá)1.33×106cells/cm2；室外培養(yǎng)時(shí)，細(xì)胞附著濃度可達(dá)1.00×106cells/cm2[27]，稍低于筆者試驗(yàn)中對(duì)照組和處理組附著密實(shí)處的硅藻密度（1.14×106和1.27×106cells/cm2）。由此可見，細(xì)胞附著密度方面，筆者試驗(yàn)中附著密實(shí)處的硅藻附著密度與室內(nèi)純培養(yǎng)的密度接近，藻類附著效果好。硅藻在水產(chǎn)養(yǎng)殖中具有重要的生物餌料價(jià)值，尤其是附著硅藻，它是魚、蝦、貝類幼體的重要生物活餌料，而且底棲硅藻形成的生物膜有助于貝類幼蟲附著變態(tài)過程的順利完成，也有利于生態(tài)、高效的商業(yè)化貝類種苗培育[28]。因此，附著硅藻的培養(yǎng)在水產(chǎn)養(yǎng)殖中具有重要意義[24]。從淡水硅藻附著培養(yǎng)的角度出發(fā)，該研究為淡水硅藻的附著培養(yǎng)提供了方法參考，在冬季弱光照條件下，適宜加溫、曝氣擾動(dòng)可促進(jìn)富營(yíng)養(yǎng)水體中硅藻的附著生長(zhǎng)。