氮磷營養鹽對銅綠微囊藻生長的影響

湖泊的富營養化是世界水環境問題之一。由于人類活動的不斷加劇,導致了大量營養鹽在湖泊的累積,并最終影響湖泊的生態系統。這一世界范圍內的現象以引起世界各國科學家的關注,并致力于這方面的研究。若干研究表明,湖泊富營養化首先影響浮游植物種群的變化以及初級生產力,最終導致生態系統結構和功能的變化。藻類生長受物理、化學、生物等多方面因素的影響。大量營養元素可以促進葉綠素a和浮游藻類生物量的劇增,氮和磷是這些營養元素中的限制因子,在水生生態系統中,氮磷比作為關鍵因子,常被用來預測藻細胞密度的變化和季節演替。它同時作為一項指標,能代表營養鹽對藻類生長的限制水平。有研究表明,適當的營養鹽可以控制藻類的生長,生物量以及種群結構,但就氮或磷哪種營養元素作為浮游植物生長的限制因子,目前尚沒有統一的結論。在南太平洋,初級生產者通常被認為是氮限制因子。越來越多的研究表明,在其它生態系統中,如東、西地中海,磷可能是最主要的限制因子。在中國,據調查已經有相當數量的湖泊已處于富營養化水平。武漢市東湖,過量的總磷和總氮已經嚴重影響到藻類的種類組成和數量。在江蘇省太湖,光照和磷是藻類生長的重要影響因子。浙江省銅山源水庫,也面臨著富營養化的趨勢。一般來說,藻類健康生長及生理平衡所需的氮磷原子比率為16:1,但不同種類藻細胞的元素組成存在著差異,對各類營養物質的需求也不盡相同,而環境則會優先選擇與之相適應的特征藻種形成適者生存的群落。湖泊富營養化對人類的生產和生活會產生一定的影響,在2007年5月,太湖爆發了大規模藍藻,導致無錫市自來水供應緊張,嚴重影響到人們的生活。本文是在室內模擬條件下,以南京市玄武湖中的藻類(銅綠微囊藻)作為實驗用藻種,研究了不同的氮磷比對藻類生長的影響,為治理湖泊富營養化提供理論基礎,同時也為預測城市淺水型湖泊發生富營養化提供基礎理論數據。1材料和方法1.1初始密度的測定藻種購自中科院水生生物研究所。藻種實驗前擴大培養1周,然后饑餓培養2d,取適量的藻種以4000r·min-1的速度離心15min,棄去上清液,用15mg·L-1的碳酸氫鈉溶液洗滌后離心,重復3次,經無菌水稀釋至接種所需的藻細胞密度,藻種的初始密度在5.0×104個·mL-1左右。1.3.1無磷化藻種培養培養液的配制以M培養基為基礎,配置成無磷培養基,再以K2HPO4為磷源,設置磷的質量濃度為0,0.01,0.02,0.07,0.2,1mg·L-1。培養條件250mL三角燒瓶裝培養基100mL,接入經無磷化處理過的藻種,接種密度為5×104個·mL-1。每組做3個平行樣,光照強度2200lx,光暗比12h:12h,溫度為22℃,每天手動搖動3次。1.3.2氮磷比培養液的制備將饑餓培養的實驗母液充分混合后按所需初始密度分別接入到氮磷比(N:P)為0:1,5:1,10:1,16:1,40:1,80:1的培養液中進行培養,并增加一組對照組,使氮磷比(N:P)為0:0。培養液體積為100mL。接入藻種后于光照培養箱中進行培養,溫度為22℃,光照強度2200lx,光暗比12h:12h,每一處理設3個重復。1.4藻細胞密度與吸光度之間的關系取一定量的試驗藻種在顯微鏡下計數,并按一定的稀釋倍數逐級進行稀釋,得到相對應的藻細胞密度,在將所得到的系列藻液用紫外分光光度計在650nm處測其吸光度,以細胞密度對吸光度(A)繪制標準曲線,結果表明,細胞密度與吸光度之間有很好的線性關系,得到的線性方程為:藻細胞密度(個·mL-1)=2.45×106A650(R2=0.9998)自接種之日起,每天9:00進行取樣,取少量藻類培養液用紫外分光光度計在650nm處測其吸光度,以不加藻種的相同培養液為空白。再通過查閱標準曲線即得到樣品藻細胞密度。2結果與分析2.1藻類的生長特性我們在室內研究了不同磷的質量濃度對銅綠微囊藻生長的影響。由圖1可知,藻類在前4d均呈明顯的指數生長趨勢,第5天到第8天生長趨于平緩,從第9天開始下降。從圖1可以看出,藻細胞密度有比較明顯的4個階段:遲緩期、對數期、穩定期和衰亡期,在遲緩期,各培養介質中微囊藻的生長緩慢,差異不大。進入對數生長期,各培養介質中藻類生長趨勢明顯不同。在磷質量濃度較高的情況(0.07~1mg·L-1)下,整個生長期藻細胞的生長趨勢相近。到了穩定期,藻細胞密度達到最大值。這說明浮游藻類在含有不同量磷的條件下,藻細胞密度有明顯的不同。易文利等的研究結果也證明了這點。同時,藻類的生長在無磷條件下影響最大,細胞數僅在開始幾天內有少量增長,隨后一直下降,藻細胞逐漸死亡,生長曲線趨于直線。隨著培養基中氮磷消耗的增加,藻類逐漸停止增長,并且部分開始死亡,從而使藻類生長趨于穩定,其藻細胞密度基本保持不變。由圖2可以看出,磷質量濃度在(0~1mg·L-1)范圍內,隨著磷質量濃度的上升,藻細胞密度呈增加趨勢,在磷的質量濃度為0.07mg·L-1時藻細胞密度達到最大值,說明在本實驗條件下增加營養鹽的效果有一定的限度,藻類生長的最適條件為ρp=0.07mg·L-1。2.2藻類生長周期內ph的變化當磷源供應充足時,藻類的生長受到氮質量濃度的限制。從圖3可以看出,營養鹽對藻類生長影響很大。同時,當外部營養源超過藻類生長所需的條件時,Redfield定律就失去了其應用范圍,圖3證明了這點。圖3是在含有不同氮條件下,藻類的生長情況。藻類在前5d均呈明顯的指數增長趨勢,第6天后生長趨于平緩,整個生長周期呈“S”型。同時,在無營養源或無氮源情況下,藻類生長緩慢,生物量維持在一個較低的水平,說明藻類生長明顯受單一的氮或磷營養元素的影響。受氮磷比的影響,藻細胞密度有明顯的不同,表現為40:1>80:1>16:1>10:1>5:1>0:1>0:0,同時可以看出,在高氮條件下(80:1,40:1,16:1)細胞生物量在第9天分別達到1.1×106個·mL-1,1.2×106個·mL-1,8.0×105個·mL-1,是低氮條件(0:0,0:1)的8~12倍。由圖4可知,藻類生長都有它適合的pH范圍,本實驗中可以看到,適合藻類生長的pH范圍在8.5~9.5之間。藻類生長周期內,水體pH變化明顯。圖4a,b中,pH初始為7.5,逐漸上升到8.6,再逐漸降低到7.8左右穩定。而在圖4:c,d,e,f,g中,pH初始為7.5,隨著藻類的大量增長,逐漸上升到9.0~9.5,再逐漸降到8.5左右。這說明藻類生長周期內pH隨著藻種群密度的增加呈現一定的變化規律。劉春光等人的研究也說明了這一點。從圖5我們可以得到,當環境中的磷源供應充足時,氮源成為影響藻類生長的限制因子。3影響藻類生長的單因素實驗Redfield定律認為,藻類細胞組成的原子比率C∶N∶P=106∶16∶1,如果氮磷比超過16∶1,磷被認為是限制性因素;反之,當氮磷比小于10∶1時,氮通常被考慮為限制性因素;而當氮磷比在10~20之間時,限制性因素則變得不確定。此規律一般適合海洋及湖泊等淡水中浮游植物的生長。但由于藻類對氮、磷吸收率的不同,氮磷比對藻類生長的影響并不表現在一個確定值上,也不能用該比例來確定一個特定水環境中影響藻類生長的限制性因素,而應結合氮、磷質量濃度與氮磷比進行綜合考慮。當磷源充足的情況下,適合藻類生長的最佳比例為40∶1,可見Redfield定律有其一定的范圍。而在不同質量濃度的磷對藻類生長的實驗中,則符合了這一定律,根據玄武湖最近水質來看,玄武湖屬于磷限制性湖泊。pH與藻類具有相對較好的相關性。在遲緩期,藻類需要經過一段時間的調整和適應,生物量增長緩慢,新陳代謝緩慢,pH表現緩慢增加;進入對數期,藻生長速度加快,此時的生命活性較高,表現到pH為迅速增加;在穩定期,隨著營養物質的消耗,藻類生長的速度與死亡速度大體一致,生物量基本不再增加,pH也保持在一個相對穩定的范圍。最后,一方面由于水體中依然保存一定數量的藻類,另一方面,由于藻類的光合作用,水體中存在一定量的CO2,也使得pH趨于穩定。玄武湖是一個典型的城市淺水型湖泊,近幾十年來,由于沿湖周圍工業的發展及人類活動的加劇,導致了湖泊的富營養化。從20世紀80年代末開始,采用了污水攔截、清淤、引水稀釋等治理措施,迄今為止,湖泊的狀況有所改善,但是每年仍會有大規模的藻類爆發。防治湖泊富營養化的措施之一是保持氮、磷及其它營養元素對湖泊的輸入與輸出保持在一個平衡的狀態,并逐步降低湖泊中的磷質量濃度,最終使磷含量維持在一個較低的水平。5藻類生長的最佳條件1.氮磷比與藻類生長關系密切。藻類的生長并不依賴于單一的氮或磷等營養元素。當環境中磷質量濃度較少時(ρp=0~0.1mg·L-1),藻類生長的最佳條件是ρp=0.07mg·L-1;當環境中的磷充足時(ρp=0.