氮磷營養(yǎng)鹽對銅綠微囊藻生長的影響

氮磷營養(yǎng)鹽對銅綠微囊藻生長的影響

湖泊的富營養(yǎng)化是世界水環(huán)境問題之一。由于人類活動的不斷加劇,導致了大量營養(yǎng)鹽在湖泊的累積,并最終影響湖泊的生態(tài)系統(tǒng)。這一世界范圍內(nèi)的現(xiàn)象以引起世界各國科學家的關(guān)注,并致力于這方面的研究。若干研究表明,湖泊富營養(yǎng)化首先影響浮游植物種群的變化以及初級生產(chǎn)力,最終導致生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(yǎng)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(yǎng)元素中的限制因子,在水生生態(tài)系統(tǒng)中,氮磷比作為關(guān)鍵因子,常被用來預(yù)測藻細胞密度的變化和季節(jié)演替。它同時作為一項指標,能代表營養(yǎng)鹽對藻類生長的限制水平。有研究表明,適當?shù)臓I養(yǎng)鹽可以控制藻類的生長,生物量以及種群結(jié)構(gòu),但就氮或磷哪種營養(yǎng)元素作為浮游植物生長的限制因子,目前尚沒有統(tǒng)一的結(jié)論。在南太平洋,初級生產(chǎn)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(tài)系統(tǒng)中,如東、西地中海,磷可能是最主要的限制因子。在中國,據(jù)調(diào)查已經(jīng)有相當數(shù)量的湖泊已處于富營養(yǎng)化水平。武漢市東湖,過量的總磷和總氮已經(jīng)嚴重影響到藻類的種類組成和數(shù)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(yǎng)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(yǎng)物質(zhì)的需求也不盡相同,而環(huán)境則會優(yōu)先選擇與之相適應(yīng)的特征藻種形成適者生存的群落。湖泊富營養(yǎng)化對人類的生產(chǎn)和生活會產(chǎn)生一定的影響,在2007年5月,太湖爆發(fā)了大規(guī)模藍藻,導致無錫市自來水供應(yīng)緊張,嚴重影響到人們的生活。本文是在室內(nèi)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(yǎng)化提供理論基礎(chǔ),同時也為預(yù)測城市淺水型湖泊發(fā)生富營養(yǎng)化提供基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)。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(yǎng)1周,然后饑餓培養(yǎng)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(fù)3次,經(jīng)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(yǎng)培養(yǎng)液的配制以M培養(yǎng)基為基礎(chǔ),配置成無磷培養(yǎng)基,再以K2HPO4為磷源,設(shè)置磷的質(zhì)量濃度為0,0.01,0.02,0.07,0.2,1mg·L-1。培養(yǎng)條件250mL三角燒瓶裝培養(yǎng)基100mL,接入經(jīng)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(yǎng)液的制備將饑餓培養(yǎng)的實驗?zāi)敢撼浞只旌虾蟀此璩跏济芏确謩e接入到氮磷比(N:P)為0:1,5:1,10:1,16:1,40:1,80:1的培養(yǎng)液中進行培養(yǎng),并增加一組對照組,使氮磷比(N:P)為0:0。培養(yǎng)液體積為100mL。接入藻種后于光照培養(yǎng)箱中進行培養(yǎng),溫度為22℃,光照強度2200lx,光暗比12h:12h,每一處理設(shè)3個重復(fù)。1.4藻細胞密度與吸光度之間的關(guān)系取一定量的試驗藻種在顯微鏡下計數(shù),并按一定的稀釋倍數(shù)逐級進行稀釋,得到相對應(yīng)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(jié)果表明,細胞密度與吸光度之間有很好的線性關(guān)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(yǎng)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(yǎng)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(jié)果與分析2.1藻類的生長特性我們在室內(nèi)研究了不同磷的質(zhì)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(shù)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(shù)期、穩(wěn)定期和衰亡期,在遲緩期,各培養(yǎng)介質(zhì)中微囊藻的生長緩慢,差異不大。進入對數(shù)生長期,各培養(yǎng)介質(zhì)中藻類生長趨勢明顯不同。在磷質(zhì)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(wěn)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(jié)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(shù)僅在開始幾天內(nèi)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(yǎng)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(wěn)定,其藻細胞密度基本保持不變。由圖2可以看出,磷質(zhì)量濃度在(0~1mg·L-1)范圍內(nèi),隨著磷質(zhì)量濃度的上升,藻細胞密度呈增加趨勢,在磷的質(zhì)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(yǎng)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(nèi)ph的變化當磷源供應(yīng)充足時,藻類的生長受到氮質(zhì)量濃度的限制。從圖3可以看出,營養(yǎng)鹽對藻類生長影響很大。同時,當外部營養(yǎng)源超過藻類生長所需的條件時,Redfield定律就失去了其應(yīng)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(shù)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(yǎng)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(yǎng)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(xiàn)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(nèi),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(wěn)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(nèi)pH隨著藻種群密度的增加呈現(xiàn)一定的變化規(guī)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(huán)境中的磷源供應(yīng)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?shù)妆刃∮?0∶1時,氮通常被考慮為限制性因素;而當?shù)妆仍?0~20之間時,限制性因素則變得不確定。此規(guī)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(xiàn)在一個確定值上,也不能用該比例來確定一個特定水環(huán)境中影響藻類生長的限制性因素,而應(yīng)結(jié)合氮、磷質(zhì)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(zhì)量濃度的磷對藻類生長的實驗中,則符合了這一定律,根據(jù)玄武湖最近水質(zhì)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(guān)性。在遲緩期,藻類需要經(jīng)過一段時間的調(diào)整和適應(yīng),生物量增長緩慢,新陳代謝緩慢,pH表現(xiàn)緩慢增加;進入對數(shù)期,藻生長速度加快,此時的生命活性較高,表現(xiàn)到pH為迅速增加;在穩(wěn)定期,隨著營養(yǎng)物質(zhì)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(wěn)定的范圍。最后,一方面由于水體中依然保存一定數(shù)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(wěn)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(yè)的發(fā)展及人類活動的加劇,導致了湖泊的富營養(yǎng)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(guī)模的藻類爆發(fā)。防治湖泊富營養(yǎng)化的措施之一是保持氮、磷及其它營養(yǎng)元素對湖泊的輸入與輸出保持在一個平衡的狀態(tài),并逐步降低湖泊中的磷質(zhì)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(guān)系密切。藻類的生長并不依賴于單一的氮或磷等營養(yǎng)元素。當環(huán)境中磷質(zhì)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(huán)境中的磷充足時(ρp=0.