藻體部位、藻質量、碳源、水流對鐵釘菜和羊棲菜營養鹽吸收的影響*

孟偉杰 王 萍① 桂福坤 吳常文 梁 君

(1.浙江海洋學院海洋科學學院 國家海洋設施養殖工程技術研究中心 舟山 316022;2.浙江省海洋水產研究所 舟山 316004)

大型藻類在人類活動中起著非常重要的作用,它們是食物、飼料、肥料、醫藥等的來源(Gregory,2005)。大型藻類作為生物過濾器可以有效地吸收、利用養殖環境中多余的營養物質,從而減輕養殖廢水對環境的影響,是控制水體富營養化、增進食品安全和對污染水體進行生物修復的有效措施之一(毛玉澤等,2005)。近幾年這方面的研究方興未艾(Day,2003;Sandneset al;2005;李恒等,2012;陳聚法等,2012)

鐵釘菜(Ishige foliaceaokamurai)在中國東海、南海分布廣泛,民間用于喉炎、淋巴結炎、甲狀腺腫的治療,具有清熱解毒、軟堅散結的作用,可食用(張金鼎,1998);羊棲菜(Sargassum fusiforme)系暖溫帶海藻,在民間早已入藥,具有“軟堅散結、消痰、清涼解毒、破血祛淤、利水消腫”之功能,用于治療癭瘤,痰飲水腫等癥(王勤等,2007)。目前針對鐵釘菜的研究主要是化學成分分析和提取物生物活性方面的報道(馮美霞等,2011;林雄平等,2012;湯海峰等,2003;張迪等,2009);而對羊棲菜的研究主要集中在育種、營養與藥用價值方面(李再亮等,2011)。鑒此,文章主要研究了藻體部位、藻質量、碳源濃度和水流流速等因素對這2種大型海藻氮磷營養鹽吸收的影響,以期為生態環境修復提供科學參考依據。

1 材料與方法

1.1 海藻的來源與預培養

鐵釘菜、羊棲菜采自舟山朱家尖水域,均是成體藻體。選擇健康藻體,除去表面附著物,用過濾海水沖洗干凈,移到有光照的水族箱中暫養,水族箱的容積為 10L,在 12L︰12D,1500μE/(m2*s),20°C 條件下,放入沉淀自然加富消毒海水[c(N)100μmol/L,c(P) 8μmol/L,f/2微量元素及維生素]中暫養1周,每隔2 d添加微量元素1次(包杰等,2008)。

1.2 試驗項目

1.2.1 藻體部位對營養鹽吸收的影響 鐵釘菜藻體部位設為藻體頂端、中部、下部、固著器和全株藻體;羊棲菜藻體部位設為藻體頂端、中部、下部、固著器、氣囊和全株藻體(陳麗梅等,2008)。試驗環境因子設為 20°C、1500μE/(m2s)。培養液硝態氮(NO3-N)、銨態氮(NH4-N)和無機磷(PO4-P)的濃度分別設為200、120和100μmol/L。用1000 mL的三角燒瓶,內裝 1000mL培養液(培養液由過濾消毒海水添加營養鹽配制),每個三角燒瓶中裝入海藻(用經蒸餾水浸泡去除硝態氮和亞硝態氮的濾紙擦干張永正等,2012)1g,加蓋蓋玻片,放在有光照的恒溫培養箱中培養。試驗前,將海藻置于試驗設定的條件下先適應4 h。試驗前和試驗后分別測定藻體培養液中的營養鹽濃度,試驗時間為8 h。每個處理3個重復和1個空白對照(不加海藻,用來測定海水中的營養鹽)(包杰等,2008)。

吸收速率的計算公式(Gao,1993):

式中,U為營養鹽吸收速率[μmol/(g h)];C0是空白對照的營養鹽濃度(μmol/L);Ct是最終的營養鹽濃度(μmol/L);V是培養液體積(L);B是海藻鮮質量(g);t是試驗時間(h)。

1.2.2 藻質量對營養鹽吸收的影響 2種海藻的藻體均被切割成1cm大小,藻質量設0.5、1.0、1.5、2.0、2.5g 5個梯度。試驗條件同1.2.1。

1.2.3 碳源NaHCO3對營養鹽吸收的影響 2種海藻的藻體均被切割成1cm大小,碳源NaHCO3濃度設0、100、400、800、1200、1600mg/L6個梯度。試驗條件同1.2.1。

1.2.4 水流對營養鹽吸收的影響 2種海藻的藻體均被切割成 1cm 大小,水流流速設 0、50、100、150cm/s四個梯度,水流流速通過水泵的電機功率控制,使用便攜式流速測定儀測量流速。試驗條件同1.2.1。

1.3 數據處理與分析

測樣儀器為:Skalar San plus微量自動分析系統,NO3-N采用Cd-Cu還原后重氮偶氮法,NH4-N采用酚-次氯酸鈉法,PO4-P采用抗壞血酸-磷鉬藍法(張永正等,2012)。

統計分析在 SPSS 軟件包下進行。逐步回歸變量篩選按概率設置閾值,P＜0.05引入,P≥0.10剔除。

2 結果與分析

2.1 藻體部位對營養鹽吸收的影響

把鐵釘菜藻體分成頂端、中部、下部、固著器幾個部分,研究其對營養鹽的吸收速率。鐵釘菜下部對氮磷營養鹽的吸收速率最大,NO3-N、NH4-N和PO4-P的吸收速率分別為 26.0、15.8和 12.3μmol/(L·h);其次是固著器(圖1)。把羊棲菜藻體分成頂端、中部、下部、固著器、氣囊幾個部分,研究其對營養鹽的吸收速率。羊棲菜頂部對氮磷營養鹽的吸收速率最大,NO3-N、NH4-N和PO4-P的吸收速率分別為26.2、15.7和 12.1μmol/(L·h);其次是中部(圖2)。

圖1 鐵釘菜不同藻體部位對氮磷營養鹽的吸收Fig.1 The uptaking rates in different parts of Ishige foliaceaokamurai

圖2 羊棲菜不同藻體部位對氮磷營養鹽的吸收Fig.2 The uptaking rates in different parts of Sargassum fusiforme

2.2 藻質量對營養鹽吸收的影響

把鐵釘菜和羊棲菜藻體分成 0.5、1.0、1.5、2.0和2.5g共5個質量梯度,研究其對營養鹽的吸收。鐵釘菜藻質量 1.0g對氮磷營養鹽的吸收速率最大,NO3-N、NH4-N和PO4-P的吸收速率分別為27.7、16.1和12.0μmol/(L·h);其次是 1.5g;2.0和2.5g吸收速率相差不多(圖3)。羊棲菜藻質量0.5g對氮磷營養鹽的吸收速率最大,NO3-N、NH4-N和PO4-P的吸收速率分別為 26.8、16.9 和 13.0μmol/(L·h);其次是 1.0g;2.0和2.5g吸收速率相差不多(圖4)。

圖3 鐵釘菜不同藻質量對氮磷營養鹽的吸收Fig.3 The uptaking rates of Ishige foliaceaokamurai in different weights

圖4 羊棲菜不同藻質量對氮磷營養鹽的吸收Fig.4 The uptaking rates of Sargassum fusiforme in different weights

2.3 碳源對營養鹽吸收的影響

碳源質量濃度為 1200mg/L時,鐵釘菜對氮磷營養鹽的吸收速率最大。NO3-N、NH4-N和PO4-P的吸收速率分別為 25.9、15.3和 13.0μmol/(L·h);其次是碳源800mg/L;對照組的吸收速率相對較低,NO3-N、NH4-N和 PO4-P的吸收速率分別為 24.0、12.6和10.1μmol/(L·h)(圖5)。碳源質量濃度為 800mg/L時,鐵釘菜對氮磷營養鹽的吸收速率最大。NO3-N、NH4-N和 PO4-P的吸收速率分別為 26.9、16.3和14.1μmol/(L·h);其次是碳源 400mg/L;對照組的吸收速率相對較低,NO3-N、NH4-N和PO4-P的吸收速率分別為 24.1、14.3 和 10.0μmol/(L·h)(圖6)。

圖5 碳源質量濃度對鐵釘菜氮磷營養鹽吸收的影響Fig.5 The uptaking rates of Ishige foliaceaokamurai under different carbon concentrations

圖6 碳源質量濃度對羊棲菜氮磷營養鹽吸收的影響Fig.6 The uptaking rates of Sargassum fusiforme under different carbon concentrations

2.4 水流對營養鹽吸收的影響

水流對這 2種海藻對氮磷營養鹽吸收的影響分別見圖7和圖8。鐵釘菜PO4-P的吸收速率以對照組最大[12.8μmol/(L·h)],其次是 50cm/s;NO3-N、NH4-N的吸收速率以 50cm/s時最大,分別為 27.1、16.4μmol/(L·h);其次是 100cm/s(圖7)。羊棲菜 PO4-P的吸收速率以對照組最大[13.3μmol/(L·h)],其次是50cm/s;NO3-N、NH4-N吸收速率在50cm/s時最大,分別為 27.9、17.3μmol/(L·h);其次是 100cm/s(圖8)。

圖7 不同流速對鐵釘菜氮磷營養鹽吸收的影響Fig.7 The uptaking rates of Ishige foliaceaokamurai under different flow speeds

圖8 不同流速對羊棲菜氮磷營養鹽吸收的影響Fig.8 The uptaking rates of Sargassum fusiforme under different flow speeds

3 討論

3.1 藻體部位對營養鹽吸收的影響

試驗結果表明,2種大型海藻不同部位對營養鹽的吸收速率不同。鐵釘菜下部對氮磷營養鹽的吸收速率最大,其次是固著器。羊棲菜頂部對氮磷營養鹽的吸收速率最大,其次是中部。這主要是因為鐵釘菜以基部生長方式為主;羊棲菜以頂端生長方式為主(王全喜等,2008)。試驗結果還可以看出,從營養鹽吸收速率方面來看,羊棲菜的藻體吸收速率稍高于鐵釘菜,是較好的營養鹽生物過濾器。這與2種藻體的形態結構相關,鐵釘菜是軟骨狀,體圓柱狀,叉狀分枝,分枝細圓柱形;羊棲菜藻體黃褐色,肥厚多汁,葉狀體的變異很大。

資料顯示(Flynn,1991),NO3-N和NH4-N都可以作為藻類的氮源,NH4-N的吸收明顯地快于NO3-N。該研究發現,2種大型海藻對于NO3-N的吸收速率高于 NH4-N。這與某些試驗結果是一致的:巨藻(Nereocystis luetkeana)試驗中發現也是優先吸收NO3-N;這可能與NO3-N、NH4-N的吸收和光合作用速率受本身營養庫的大小調節有關。在氮源足夠的環境中,藻體細胞內的NO3-N的含量是多于NH4-N的,NO3-N較大的存儲能力也會加快它的吸收速率,而過多的 NH4-N積累存儲則會對藻體細胞有一定的毒害作用(包杰等,2008)。

3.2 藻質量對營養鹽吸收的影響

試驗中設了海藻的藻質量梯度對營養鹽吸收的影響,這是因為藻質量的增加即增加了環境中大型海藻的密度,在相同的營養鹽濃度環境中,大型海藻密度的增加,即增加了對環境中營養鹽的吸收作用。但是該試驗結果可以看出,鐵釘菜藻質量 1.0g對氮磷營養鹽的吸收速率最大;其次是 1.5g;2.0和 2.5g吸收速率相差不多。羊棲菜藻質量 0.5g對氮磷營養鹽的吸收速率最大;其次是1.0g;2.0和2.5g吸收速率相差不多。由此可以看出,藻質量對2種大型海藻氮磷營養鹽的吸收有一定的作用,每種藻體都有最適宜的添加藻質量;超過了這個藻質量范圍,藻體添加再多,吸收速率也不會明顯增大。這主要是因為:養殖環境容量是一定的,如果加入大量的藻體,會影響藻體進行光合作用;因為藻體的光合作用受光照的影響很大,如果加入大量的藻體,在有限的水體環境中,藻體的相互遮擋影響了它們對光的吸收,光合作用率下降,從而影響了對氮磷營養鹽的吸收,所以沒有體現出藻質量的影響優勢(王萍等,2010)。

3.3 碳源對營養鹽吸收的影響

資料顯示,高 CO2濃度促進了石莼(Ulva lactuca)對營養鹽的吸收,特別是NO3-N的吸收,這可能與硝酸還原酶活性有關。在高 CO2濃度下,Porphyra leucosticta的硝酸還原酶活性增高;但在高 CO2濃度生長條件下的海藻,NO3-N的吸收與同化作用并不相偶聯(鄒定輝等,2001)。這與筆者試驗結果相一致。此試驗結果表明,在碳源質量濃度為 1200mg/L時,鐵釘菜對氮磷營養鹽的吸收速率最大,其次是碳源800mg/L,對照組的吸收速率相對較低;在碳源質量濃度為800mg/L時,羊棲菜對氮磷營養鹽的吸收速率最大,其次是碳源 400mg/L;對照組的吸收速率相對較低。

3.4 水流對營養鹽吸收的影響

在低水流區域,任何溶解物質的吸收能導致巖礁周圍的水位枯竭,從而產生折射邊界層;水流增加導致這個折射邊界層變薄或者破裂,從而增加巖礁附近可溶性營養鹽和氣體的數量,因此增加營養鹽的吸收率(Patterson,1992;Shasharet al,1996;Thomaset al,1997)。該試驗結果表明,鐵釘菜和羊棲菜對氮磷營養鹽的吸收,PO4-P的吸收速率對照組的最大;NO3-N、NH4-N吸收速率在 50cm/s時最大。這說明PO4-P的吸收不依賴水流的存在,靜止時的吸收速率最大。而NO3-N、NH4-N的吸收需要水流,但是水流的流速不是很高,50cm/s是最適合的。這主要是因為在自然海區,鐵釘菜和羊棲菜都生長在低潮帶的巖礁上,有一定的水流,但是水流的流速都不大,這和它們的生長環境息息相關。過大的水流流速對鐵釘菜和羊棲菜對氮磷營養鹽的吸收有一定的影響。

王 萍,桂福坤,吳常文,2010.營養鹽因子對孔石莼和繁枝蜈蚣藻氮、磷吸收的影響.水產科學,29(4):208—211

王 勤,寧準梅,林之川,2007.羊棲菜多糖提取工藝的研究.食品工業,(6):11—12

王全喜,張小平,2009.植物學.北京:科學出版社

毛玉澤,楊紅生,王如才,2005.大型海藻在綜合海水養殖系統中的生物修復作用.中國水產科學,12(1):225—231

包 杰,田相利,董雙林等,2008.溫度、鹽度和光照強度對鼠尾藻氮、磷吸收的影響,中國水產科學,15(2):293—300

馮美霞,林 勇,劉艷如等,2011.鐵釘菜乙酸乙酯提取物抗真菌活性的研究.福建師范大學學報:自然科學版,27(2):109—132

湯海峰,易楊華,姚 新等,2003.褐藻鐵釘菜化學成分的研究.中國海洋藥物,94(4):8—12

李 恒,李美真,徐智廣等,2012.不同營養鹽濃度對 3種大型紅藻氮、磷吸收及其生長的影響.中國水產科學,19(3):462—470

李再亮,申玉春,謝恩義等,2011.羊棲菜對氮、磷的吸收速率研究.河南農業科學,40(3):73—77

鄒定輝,夏建榮,2011.大型海藻的營養鹽代謝及其與近岸海域富營養化的關系.生態學雜志,30(3):589—595

鄒定輝,高坤山,阮柞禧,2001.高 CO2濃度對石莼光合作用及營養鹽吸收的影響.青島海洋大學學報,31(6):877—882

張 迪,劉艷如,鄭 怡等,2009.鐵釘菜抗生物質的初步提取及檢測.福建師范大學學報:自然科學版,25(3):89—93

張永正,王 萍,桂福坤等,2012.石莼、鐵釘菜、蜈蚣藻對氮源利用的研究.海洋環境科學,31(3):341—345

張金鼎,1998.海洋藥物與效方.北京:中醫古藉出版社

陳麗梅,李德茂,趙玉山等,2010.海帶不同部位褐藻膠含量及其凝膠性能研究.中國食品添加劑

陳聚法,趙 俊,過 鋒等,2012.條斑紫菜對膠州灣濕地淺海富營養化狀況的生物修復效果.漁業科學進展,33(1):93—101

林雄平,彭 彪,陳惠斌等,2012.鐵釘菜和珊瑚藻提取物抗菌活性的初步研究.寧德師范學院學報:自然科學版,24(4):352—358

徐智廣,鄒定輝,高坤山等,2011.不同溫度、光照強度和硝氮濃度下龍須菜對無機磷吸收的影響.水產學報,35(7):1023—1029

Day J P,2003.Effect of solar irradiance and ammonium on growth,nitrogen uptake,and pigment content ofPorphyra umbilicalisKutzing,P.linearisGreville,P.leucostictaThuret in Lejolis,andP.amplissimaKjellman.MSc Thesis,University of New Hampshire,63

Flynn K J,1991.Algal carbon-nitrogen metabolism:a biochemical basis for modeling the interactions between nitrate and ammonium uptake.J Plankt Res,13(2):373—387

Gao K,Aruga Y,Asada Ket al,1993.Influence of enhanced CO2on growth and photosynthesis of the red algaeGracilariasp.andG.chilensis.J Appl Phycol,5(6):563—571

Gregory N N,Ryuta T,Tadahide N,2005.Effect of temperature and irradiance on the uptake of ammonium and nitrate byLaurencia brongniartii(Rhodophyta,Ceramiales).J Appl Phycol,17(5):371—377

Patterson M R A,1992.Chemical engineering view of cnidarian symbiosys.Am Zool,32(4):566—582

Reay D S,Nedwell D B,Priddle Jet al,1999.Temperature dependence of inorganic nitrogen uptake:reduced affinity for nitrate at suboptimal temperatures in both algae and bacteria.Applied and Environmental Microbiology,65(6):2577—2584

Sandnes J M,Kallqvist T,Wenner Det al,2005.Combined influence of light and temperature on growth rates ofNannochloropsis Oceania:linking cellular responses to large-scale biomass production.J Appl Phycol,17(6):515—525

Shashar N,Kinane S,Jokielet al,1996.Hydromechanical boundary layers over a coral reef.J Exp Mar Biol Ecol,199(1):17—28

Thomas F I M,Atkinson M J,1997.Ammonium uptake by coral reefs:effects of water velocity and surface roughness on mass transfer.Limnol Oeanogr,42(1):81—88