水體中鐵離子和氮磷比對藻類生長影響研究

雷玉新, 劉耀興,2,*, 席銀, 李文章

1. 三峽大學水利與環境學院, 湖北, 宜昌 443002

2. 水資源安全保障湖北省協同創新中心, 武漢 430070

水體中鐵離子和氮磷比對藻類生長影響研究

雷玉新1, 劉耀興1,2,*, 席銀1, 李文章1

1. 三峽大學水利與環境學院, 湖北, 宜昌 443002

2. 水資源安全保障湖北省協同創新中心, 武漢 430070

通過配制不同氮磷質量比和鐵離子濃度的培養液對藍藻(微囊藻)進行培養, 測量其葉綠素a含量, 探究不同氮磷比以及鐵離子濃度對藍藻生長的影響。結果表明： 水體中氮磷比為40∶1, 鐵離子濃度為1.2 mg·L-1時, 藍藻的生長速率達到最大值。鐵離子濃度為0時, 藻類基本不生長, 當氮磷比為80∶1或鐵離子濃度為4.8 mg·L-1, 藻類生長受到抑制。實驗結果表明, 在控制藍藻生長時, 不僅要控制水中氮磷質量比, 同時需控制鐵離子濃度。

藍藻; 鐵離子; 氮磷比; 葉綠素a

1 前言

水華是在一定營養、氣候、水文和生物環境下形成的藻類過度繁殖和聚集現象[1]。一般認為, 水體中N、P是水華發生的限制因子, 關于水華成因研究多側重于N、P對藻類生長的影響[2-6], 自從Martin[7]報道了亞寒帶北太平洋地區水體富含氮、磷, 但浮游植物生物量很低, 其中最主要的原因是鐵元素,許多學者認識到鐵元素在水華形成過程中發揮著重要作用。

目前, 國內外就鐵對藻類生長影響研究主要側重于海水中[8-9], 如陳慈美等[10]在鐵對海洋硅藻的生長影響方面做了大量工作, 李東俠等[11-13]研究了Fe3+對赤潮異彎藻細胞生化組成、光合作用和光合特性的影響。針對淡水中鐵對藻類生長的影響研究相對較少, 劉靜等[14]考察了鐵對太湖三種常見藻生長的影響, 黃振芳等[15]在鐵錳微量元素對藻類生長方面做了較多工作, 劉曉海等[16-17]研究了鐵離子對藻類生長的影響, 這些研究表明鐵元素對藻類暴發起著積極地促進作用, 為深入認識水華暴發機理及預防控制水華暴發提供了重要的科學依據。但是這些研究僅探究了鐵元素對藻類生長的影響, 而鐵元素和氮磷比對藻類生長的綜合影響研究卻鮮有報道。

本論文通過配制含有不同鐵離子濃度和 N、P比的藻培養液, 設計正交實驗, 探究鐵離子和 N、P質量比對藍藻中微囊藻的生長影響, 研究結果可為營養化水體水華的預警和預防控制提供初步的理論指導和技術支持。

2 材料與方法

2.1 實驗材料與儀器

2.1.1 實驗藥品

NaNO3、檸檬酸鐵胺、CaCl2·2H2O、K2HPO4、EDTANa2、MgSO4·7H2O、Na2CO3、CuSO4·5H2O、H3BO3、MnCl2·4H2O、ZnSO4·7H2O、檸檬酸、Na2MnO4·2H2O、Co(NO3)2·6H2O、丙酮(分析純, 國藥集團化學試劑有限公司, 中國)。

2.1.2 實驗儀器

分析天平(ML104/02, 梅特勒-托利多儀器有限公司, 瑞士), 氣泵(ACO-004, 廣東日生集團有限公司, 中國), 紫外分光光度計(UV-2601, 北京瑞利分析儀器有限公司, 中國), 離心機(TG18M, 長沙平凡儀器儀表有限公司, 中國), 抽濾機(AP-01P, 天津奧特賽恩斯儀器有限公司, 中國), 純水機(AMT-2001-PS, 重慶頤洋企業發展有限公司, 中國), 超聲波清洗機(KQ-300DE, 昆山市超聲儀器有限公司, 中國)。

2.2 實驗方法

2.2.1 培養液的配制

用檸檬酸銨、硝酸鈉、磷酸氫二鉀等配制一系列濃度梯度的Fe、N、P培養液(見表1)。

2.2.2 培養方法

實驗前對藍藻種進行擴大培養 1周, 然后饑餓培養 2 d, 當藻種處于最大現存量時取適量藻種以4000 r·min-1的速度離心15 min, 棄去上清液, 再用15 mg·L-1的碳酸氫鈉溶液洗滌后離心, 重復 3次,用無菌水稀釋至合適的藻細胞濃度。然后將處理后的藻種轉入配制的培養液中, 放入光照培養箱培養,每日定時測定1次葉綠素a(chl-a)濃度(ρ)。葉綠素a測定采用丙酮萃取-分光光度法測定。

2.2.3 測定方法

表1 不同ρ(Fe、N、P)的培養基Tab. 1 The culture medium with different concentration of Fe, N and P

取藻體培養液, 用乙酸纖維膜抽濾, 然后將濾膜放入潔凈干燥的離心管中, 加入10 mL 90 %的丙酮震蕩搖勻, 在陰暗條件下密封浸泡離心管底部藻24 h, 震蕩搖勻, 之后以4000 r·min-1的速度離心15 min,取其上清液于1 cm 的比色皿中分別讀取750 nm、663 nm、645 nm和630 nm波長的吸光度, 并以90%的丙酮做空白對樣品吸光度進行校正。計算其葉綠素a含量及藻類增長速率。

葉綠素a計算公式如下：

式中： V： 水樣體積(L) V1： 提取液定容后的體積 D：吸光度δ： 比色皿光程(cm)

式中： t為培養時間, ρn為tn時刻ρ(chl-a), ρn-1為tn-1時刻ρ(chl-a)。

3 結果與討論

3.1 氮磷比對藻類生長的影響

為了探究氮磷比對藻類生長的影響, 在鐵離子濃度為 1.2 mg·L-1, 氮磷比分別為 5：1、20：1、40：1和80：1時對藍藻進行培養, 考察藍藻中葉綠素a含量隨時間的變化趨勢, 結果如圖1所示。由圖1可見, 培養5 d以內, 所有氮磷比條件下葉綠素a含量基本不變, 5 d后, 葉綠素a含量逐漸升高, 且葉綠素a含量隨N、P比的增加先升高再降低。實驗初期葉綠素a濃度為0.15 mg·L-1, 培養至10 d時, N、P為5∶1條件下, 葉綠素a濃度由0.15 mg·L-1增長為0.40 mg·L-1, 而N、P比為40∶1條件下, 葉綠素a濃度達到28.28 mg·L-1, 其是N、P比為5∶1的70倍, 當 N、P比升高至 80∶1時, 葉綠素 a含量為21.55 mg·L-1, 相對N、P比為40∶1時有明顯降低。由圖還可看出, 藻類生長有明顯的延滯期和對數生長期, 延滯期時間為 4—5 d, 且氮磷比對延滯期和對數期兩個階段出現的時間沒有明顯影響, 這與李建平[4]等的研究結果一致。該研究結果表明, 氮磷比可影響藻類的生長, 且藻類生長有最佳的 N、P比,在該實驗條件下, 藍藻生長的最佳N、P比為40∶1。

圖1 不同氮磷比下藍藻生長曲線Fig. 1 Growth of blue-green alga under different N：P ratio

3.2 鐵離子對藻類生長的影響

為考察鐵離子濃度對藻類生長的影響, 在氮磷比為40∶1、鐵離子濃度分別為0、0.2、1.2和4.8 mg·L-1的條件下對藍藻進行培養, 藍藻中葉綠素 a含量隨時間的變化如圖2所示。由圖2可看出, 在不同鐵離子濃度下, 藻類生長依然有明顯的延滯期和對數生長期, 但藻類進入對數生長期的時間有所不同,鐵離子濃度越高, 藻類生長進入對數生長期的時間越短, 當鐵離子濃度為4.8 mg·L-1時, 藻類在第4天進入對數期; 鐵離子濃度越低, 藻類生長進入對數生長期的時間越長, 鐵離子濃度為 0 mg·L-1時, 葉綠素 a的含量基本不變, 沒有表現出藻類的對數生長期, 當鐵離子濃度為0.2 mg·L-1時, 藻類在第9天進入對數生長期。當鐵離子濃度從0.2 mg·L-1增至1.2 mg·L-1時, 隨著鐵離子濃度的升高, 葉綠素a的增長速度顯著增加。鐵離子濃度為1.2 mg·L-1時, 經過10 d培養后, 葉綠素a含量達到28.3 mg·L-1, 是鐵離子濃度為0 mg·L-1時的118倍, 是鐵離子濃度為0.2 mg·L-1時的4.2倍。當鐵離子濃度為4.8 mg·L-1時, 經過4d的延滯期后雖然恢復了生長, 但7 d后,其藻類生長速率和葉綠素a濃度明顯不如鐵離子濃度為 1.2 mg·L-1時的高, 這是因為藻細胞對鐵離子的吸收缺乏主動選擇功能, 當水體中鐵過量時, 大量鐵離子進入藻細胞內, 其超過了藻類的代謝能力,過量的鐵離子與帶負電荷的藻細胞壁發生電荷吸引,同時與一些含硫、氮、氧的官能團發生螯合反應, 造成對藻細胞的毒害作用[18]。本次實驗在同溫同光照條件下進行, 同一對照組使用的培養基質完全相同, 因此, 藻類生長差異是由Fe離子濃度的不同引起的, 該實驗結果表明, 鐵離子濃度為 0 mg·L-1時, 藻類完全沒有生長, 這說明鐵是藻類生長必不可少的元素; 同時當鐵離子濃度為4.8 mg·L-1時, 藻類生長受到抑。

圖2 不同ρ(Fe)下藍藻藻生長曲線Fig. 2 Growth of blue-green alga under different iron ion concentration

3.3 鐵離子和氮磷比對藻類生長的絡合效應

鐵離子和氮磷比對藻類最大增長速率和葉綠素a最大現存量的影響如圖3、4。從圖3、4可以看出, 鐵離子和氮磷比在藻類生長過程中起到十分重要的作用, 在無鐵(0 mg·L-1)和低濃度鐵(0.2 mg·L-1)或氮磷比為5∶1、20∶1的條件下, 藻類生長均受到了抑制,尤其在無鐵的情況下, 藻類基本上不生長, 所以在藻類生長過程中, 鐵離子是一個必不可少的元素。在同一氮磷比條件下, 鐵離子濃度為1.2 mg·L-1時, 藻類生長速率最快, 葉綠素a含量也最大。鐵離子濃度升高到4.8 mg·L-1, 藻類生長速率和葉綠素a的最大值均低于鐵離子濃度為 1.2 mg·L-1, 鐵離子濃度繼續增加,可能會抑制藻類生長。同時從圖中還可看出, 同一鐵離子濃度下, 氮磷比為 40∶1時, 藻類的生長速率和葉綠素a的含量最大, 即氮磷比為40∶1比較適合藻類生長。所以, 在藻類生長過程中, 適宜濃度的鐵離子濃度和適宜氮磷質量比都起到至關重要的作用。因此在富營養的水體中不僅要控制氮磷比, 還要削減水體中的鐵元素的含量, 從而減弱水華發生的強度。

4 結論

(1) 氮磷比與藻類生長關系密切, 在一定鐵離子濃度條件下, 藻類生長速率μ(N、P=40∶1)＞μ(N、P=80∶1)＞μ(N、P=20∶1)＞μ(N、P=5∶1), 藻類生長的最佳N、P比為40∶1。

(2) 在一定N、P比條件下, 鐵離子濃度為0 mg·L-1時, 藻類基本不生長, 表明鐵元素對藻類生長所必需的元素; 當鐵離子濃度為1.2 mg·L-1時, 藻類的葉綠素含量和最大增長速率最大, 當鐵離子濃度為4.8 mg·L-1時, 藻類生長受到抑制。

(3) 在富營養水體中為了控制或減弱水華發生強度, 除了控制氮磷比以外, 還要減少水體中的鐵元素的含量。

圖3 不同鐵離子濃度對藻類生長最大增長速率影響Fig. 3 Influence of different iron ion concentration on maximum growth rate of algae

圖4 不同鐵離子濃度對葉綠素a最大現存量的影響Fig. 4 Influence of different iron ion concentration on maximum of chlorophyll-a

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Study on effects of iron ion and nitrogen-phosphorus ratio on the growth of algae

LEI Yuxin1, LIU Yaoxing1,2*, XI Yin1, LI Wenzhang1

1. College of Hydraulic and Environmental Engineering, China Three Gorges University, Yichang 443002, China
2. Hubei Provincial Collaborative Innovation Center for Water Security, Wuhan 430070, China

In the present study, blue-green alga (microcystis) was cultivated in the culture medium with different nitrogen-phosphorus mass ratio and iron ion concentration. Chlorophyll-a was detected to study the effects of different nitrogen-phosphorus ratio and iron ion concentration on the blue-green algae growth. The results showed that maximum blue-green algae growth rate appeared on the condition of nitrogen-phosphorus ratio of 40：1 and iron ion concentration of 1.2 mg·L-1. The algae almost did not grow when iron ion concentration was 0 mg·L-1. The blue-green algae growth was inhibited when nitrogen-phosphorus ratio was 80：1 and iron ion concentration was 4.8 mg·L-1. The results indicated that the blue-green algae growth can be prohibited by controlling nitrogenphosphorus mass ratio and iron ion concentration.

blue-green algae; iron ion; nitrogen-phosphorus ratio; chlorophyll-a

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.01.011

X172

A

1008-8873(2016)01-075-04

2015-02-04;

2015-03-10

國家自然科學基金青年基金項目(51209123); 湖北省教育廳項目(B2013174); 三峽大學人才啟動基金項目(KJ2011B030)

雷玉新(1988—), 男, 湖北黃岡人, 碩士, 主要從事水污染控制及生態修復, E-mail： 781455340@qq.com

*通信作者：劉耀興, 男, 博士, 副教授, 主要從事水污染控制方面研究, E-mail： yxliu19830218@ctgu.edu.cn

雷玉新, 劉耀興, 席銀, 等. 水體中鐵離子和氮磷比對藻類生長影響研究[J]. 生態科學, 2016, 35(1)： 75-78.

LEI Yuxin, LIU Yaoxing, XI Yin, et al. Study on effects of iron ion and nitrogen-phosphorus ratio on the growth of algae[J]. Ecological Science, 2016, 35(1)： 75-78.