混鹽條件下藻類生長(zhǎng)特性及磷營(yíng)養(yǎng)鹽動(dòng)力學(xué)分析*

焦繼東 鄭劍鋒,2# 李付寬 孫力平,2

(1.天津城建大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,天津 300384；2.天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384)

混鹽條件下藻類生長(zhǎng)特性及磷營(yíng)養(yǎng)鹽動(dòng)力學(xué)分析*

焦繼東1鄭劍鋒1,2#李付寬1孫力平1,2

(1.天津城建大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,天津 300384；2.天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384)

選擇天津?yàn)I海地區(qū)混鹽水體，研究不同鹽度下藻類演替及生長(zhǎng)規(guī)律，并探究混鹽條件下磷營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響，以Monod方程為理論基礎(chǔ)，構(gòu)建混鹽條件下藻類生長(zhǎng)—磷營(yíng)養(yǎng)鹽動(dòng)力學(xué)模型，為混鹽水體水華防治提供依據(jù)。結(jié)果表明：在鹽度(以質(zhì)量濃度計(jì))<10 000mg/L的情況下，卵囊藻(Oocystissp)和銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)為優(yōu)勢(shì)種；當(dāng)鹽度≥10 000mg/L時(shí)，銅綠微囊藻為優(yōu)勢(shì)種。鹽度為10 000～20 000mg/L時(shí)，藻類適宜生長(zhǎng)繁殖；當(dāng)鹽度<10 000mg/L或鹽度>20 000mg/L時(shí)，藻類生長(zhǎng)繁殖受到不同程度的抑制。當(dāng)鹽度為15 000mg/L的條件下，適宜藻類生長(zhǎng)的磷營(yíng)養(yǎng)鹽(以磷計(jì))為0.20～1.50mg/L；當(dāng)磷營(yíng)養(yǎng)鹽為1.50mg/L時(shí)，比生長(zhǎng)率最大。通過(guò)藻類生長(zhǎng)—磷營(yíng)養(yǎng)鹽動(dòng)力學(xué)分析，確定混鹽條件下藻類最大比生長(zhǎng)率為0.877d-1，半飽和常數(shù)為0.914mg/L。

鹽度 優(yōu)勢(shì)藻 磷 動(dòng)力學(xué)分析

Abstract: Aiming at the mesohalinous water bodies in coastal region of Tianjin,the growth characteristics of algae in different salinities and phosphorus nutrient concentration were studied,and a dynamic model of algae growth-phosphorus nutrient for mesohalinous water based on the theory of Monod equation was built. The research results showed that：when the salinity (calculated at mass concentration) was <10 000 mg/L,OocystisspandMicrocystisaeruginosawere predominant algae；when the salinity was ≥10 000 mg/L,Microcystusaeruginosaoccupied absolutely dominant position. Algae growth was always active in condition of the salinity range from 10 000 mg/L to 20 000 mg/L. When the salinity was less than 10 000 mg/L or more than 20 000 mg/L,the algae growth was inhibited to some extent. The phosphorus nutrient concentration ranged from 0.20 mg/L to 1.50 mg/L was suitable for algae growth with salinity of 15 000 mg/L. Algae growth reached the maximum while the phosphorus nutrient concentration (calculated by phosphorus) was 1.50 mg/L. Through the analysis of the dynamic model,the maximum specific growth rate of algae was 0.877 d-1,and the semi-saturation constant was 0.914 mg/L.

Keywords: salinity; predominant algae; phosphorus; dynamic analysis

受高鹽度地下水和土壤的影響，天津?yàn)I海地區(qū)地表混鹽水體(鹽度(以質(zhì)量濃度計(jì))為500～30 000 mg/L)眾多[1-2]。通常認(rèn)為，鹽度對(duì)藻類生長(zhǎng)有抑制作用[3]，但通過(guò)對(duì)天津?yàn)I海地區(qū)地表水水質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這些混鹽水體中依然存在著由藻類過(guò)度生長(zhǎng)而導(dǎo)致的水華問(wèn)題。許多研究成果表明，鹽度對(duì)藻類演替及生長(zhǎng)規(guī)律均有較大影響。BARRON等[4]通過(guò)不同營(yíng)養(yǎng)條件下鹽度對(duì)浮游植物特別是固氮藍(lán)藻生長(zhǎng)的影響研究發(fā)現(xiàn)，在高營(yíng)養(yǎng)水平下鹽度對(duì)浮游植物生長(zhǎng)的影響更明顯。錢振明等[5]研究發(fā)現(xiàn)，鹽度在一定程度上影響著硅藻的滲透壓、營(yíng)養(yǎng)鹽吸收及其懸浮性。趙水東[6]研究表明，東海原甲藻(Prorocentrumdonghaiense)比生長(zhǎng)率隨著鹽度升高而升高。有學(xué)者提出將鹽度納入營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)指標(biāo)體系中[7]，但目前缺乏鹽度對(duì)不同藻類生長(zhǎng)影響的量化研究成果。此外，控制水體中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度是預(yù)防水華發(fā)生的基本途徑[8-10]，有關(guān)混鹽條件下?tīng)I(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)藻類的影響依然不明確，這不利于混鹽水體水華的防治。因此，本研究以天津?yàn)I海地區(qū)混鹽水體中4種常見(jiàn)藻類為對(duì)象，對(duì)不同鹽度下藻類的演替及生長(zhǎng)規(guī)律進(jìn)行分析，并考察混鹽條件下不同磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響，構(gòu)建混鹽條件下藻類生長(zhǎng)—磷營(yíng)養(yǎng)鹽動(dòng)力學(xué)模型，以期為混鹽水體水華的防治提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1為天津?yàn)I海地區(qū)典型混鹽水體——清凈湖的藻類觀察結(jié)果。經(jīng)堅(jiān)定，研究區(qū)藻類以席藻(Phormidium)、卵囊藻(Oocystissp)、綠球藻(Chlorellavulgaris)、銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)為主。將上述4種藻類用于實(shí)驗(yàn)接種，進(jìn)行混鹽條件下的藻類生長(zhǎng)模擬。

圖1 藻類觀察結(jié)果(×800)Fig.1 Observation results of algae (×800)

1.1.1 鹽度影響實(shí)驗(yàn)

根據(jù)清凈湖水樣檢測(cè)結(jié)果，水體鹽分的主要組成為NaCl，故實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)鹽度采用NaCl配制，設(shè)置7種不同鹽度條件(見(jiàn)表1)，用母液配置7組培養(yǎng)基(母液按照BG-11培養(yǎng)液配方配制)。

每組培養(yǎng)基接種藻類后初始藻細(xì)胞密度均為5.5×104個(gè)/mL，依照清凈湖水樣中藻類組成比例，設(shè)置卵囊藻、綠球藻、席藻、銅綠微囊藻接種比例分別為33.33%、33.33%、16.67%、16.67%。在光照培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)，溫度為25 ℃，光照強(qiáng)度為3 000 lx，每天光、暗時(shí)間均為12 h。

1.1.2 混鹽條件下磷營(yíng)養(yǎng)鹽影響實(shí)驗(yàn)

根據(jù)鹽度影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)定鹽度為15 000 mg/L的混鹽條件。根據(jù)鄭劍鋒等[11]的研究結(jié)果，清凈湖屬于磷限制性水體，參考清凈湖實(shí)際氮磷含量，在氮營(yíng)養(yǎng)鹽(以氮計(jì))為15 mg/L的情況下，用KH2PO4調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)用水磷營(yíng)養(yǎng)鹽(以磷計(jì))分別為0.05、0.20、0.50、1.00、1.50、2.00 mg/L，另配制無(wú)磷培養(yǎng)液作為對(duì)照組，其他實(shí)驗(yàn)條件與鹽度影響實(shí)驗(yàn)相同。磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度水平設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表2。

1.2 研究方法

藻細(xì)胞密度采用血球計(jì)數(shù)板在倒置熒光顯微鏡下進(jìn)行計(jì)數(shù)，具體操作參考文獻(xiàn)[12]。

藻類比生長(zhǎng)率計(jì)算公式為：

(1)

式中：μ為藻類的比生長(zhǎng)率，d-1；F1為初始藻細(xì)胞密度，個(gè)/mL；F2為培養(yǎng)結(jié)束時(shí)的藻細(xì)胞密度，個(gè)/mL；t為培養(yǎng)時(shí)間，d。

動(dòng)力學(xué)分析以Monod方程[13]為基礎(chǔ)，為應(yīng)用Lenweaver-Burk作圖法，將Monod方程式轉(zhuǎn)變?yōu)槭?2)。

(2)

式中：μmax為藻類的最大比生長(zhǎng)率，d-1；c為限制藻類增殖的底物(本研究中為磷營(yíng)養(yǎng)鹽)質(zhì)量濃度，mg/L；KS為半飽和常數(shù),mg/L，KS對(duì)應(yīng)μ=μmax/2時(shí)的底物質(zhì)量濃度。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽度對(duì)藻類演替的影響

圖2展示了Y0～Y6實(shí)驗(yàn)組在中期和后期的藻類演替形態(tài)。從圖2可以看出：Y0和Y1實(shí)驗(yàn)組在后期以卵囊藻和銅綠微囊藻為主，說(shuō)明鹽度低于10 000 mg/L條件下，藻類就發(fā)生了演替，以卵囊藻和銅綠微囊藻為優(yōu)勢(shì)種；Y2、Y3和Y4實(shí)驗(yàn)組中期以銅綠微囊藻為主，還含有部分綠球藻，但到后期均為銅綠微囊藻，并且分布密集，說(shuō)明鹽度為10 000～20 000 mg/L有利于藻類生長(zhǎng)，但以銅綠微囊藻為優(yōu)勢(shì)種；Y5和Y6實(shí)驗(yàn)組在中期和后期基本都以銅綠微囊藻為主，但分布稀疏，說(shuō)明鹽度大于20 000 mg/L條件下，銅綠微囊藻為優(yōu)勢(shì)種，但藻類生長(zhǎng)狀況欠佳。當(dāng)培養(yǎng)基鹽度增大時(shí)，滲透壓增加，銅綠微囊藻細(xì)胞壁有很好的抗壓能力[14-15]，所以競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)于其他藻類，易于形成優(yōu)勢(shì)種。

表1 不同鹽度水平設(shè)計(jì)方案

表2 不同磷營(yíng)養(yǎng)鹽水平設(shè)計(jì)方案

圖2 Y0～Y6實(shí)驗(yàn)組中期和后期藻類演替形態(tài)(×200)Fig.2 Algae succession formation of Y0-Y6 experimental group in middle and late stages (×200)

2.2 鹽度對(duì)藻類生長(zhǎng)狀況的影響

從圖3可以看出，培養(yǎng)1～3 d時(shí)，各實(shí)驗(yàn)組的藻類生長(zhǎng)狀況基本相同，均處于靜滯適應(yīng)階段。培養(yǎng)3 d后，不同實(shí)驗(yàn)組的藻類生長(zhǎng)狀況相差甚大。Y2、Y3和Y4實(shí)驗(yàn)組在培養(yǎng)3～13 d時(shí)均處于指數(shù)期，藻細(xì)胞密度迅速增大；培養(yǎng)13 d后進(jìn)入穩(wěn)定期，最高藻細(xì)胞密度分別為1.85×107、2.33×107、2.17×107個(gè)/mL，其中Y3實(shí)驗(yàn)組的比生長(zhǎng)率最大，為0.266 d-1。Y0和Y1實(shí)驗(yàn)組藻類生長(zhǎng)趨勢(shì)相近，培養(yǎng)1～9 d時(shí)，藻細(xì)胞密度緩慢上升至穩(wěn)定；培養(yǎng)9 d后，藻細(xì)胞密度開(kāi)始下降，且培養(yǎng)11～15 d時(shí)，Y0實(shí)驗(yàn)組的藻細(xì)胞密度下降幅度大于Y1實(shí)驗(yàn)組，說(shuō)明鹽度是藻類生長(zhǎng)的重要影響因子。Y5和Y6實(shí)驗(yàn)組的藻類能生長(zhǎng)繁殖，但藻細(xì)胞密度明顯低于Y2～Y4實(shí)驗(yàn)組，其比生長(zhǎng)率分別為0.204、0.221 d-1，可能因?yàn)楦啕}度的培養(yǎng)液滲透壓較大，影響藻細(xì)胞生長(zhǎng)?？梢?jiàn)，鹽度過(guò)低或過(guò)高都會(huì)阻礙藻類的生長(zhǎng)，本研究中藻類生長(zhǎng)的適宜鹽度為10 000～20 000 mg/L。

圖3 不同鹽度水平對(duì)藻細(xì)胞密度的影響Fig.3 Effects of different salinity levels on the cell density of algae

2.3 混鹽條件下磷營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響

從圖4可以看出，在無(wú)磷營(yíng)養(yǎng)鹽(P0實(shí)驗(yàn)組)的情況下，藻類生長(zhǎng)緩慢，在培養(yǎng)19 d時(shí)，藻類幾乎全部死亡，說(shuō)明藻類生長(zhǎng)明顯受到磷營(yíng)養(yǎng)鹽的影響。P1實(shí)驗(yàn)組在相對(duì)較低的磷營(yíng)養(yǎng)鹽下培養(yǎng)，藻細(xì)胞密度總體較低，最高值為5.50×105個(gè)/mL，相對(duì)P0實(shí)驗(yàn)組藻細(xì)胞密度有所提高?？梢?jiàn)，將磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度控制在0.20 mg/L以下，可降低混鹽水體水華爆發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。P2～P6實(shí)驗(yàn)組最大藻細(xì)胞密度依次為9.35×105、1.12×106、1.20×106、1.26×106、9.80×105個(gè)/mL。受磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的影響，藻細(xì)胞密度存在明顯差異，培養(yǎng)19 d時(shí)表現(xiàn)為：P5>P4>P3>P6>P2>P1>P0?？梢?jiàn)，藻類生長(zhǎng)需要適宜的磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度。當(dāng)磷營(yíng)養(yǎng)鹽為0.20～1.50 mg/L時(shí)，對(duì)藻類生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用，且磷營(yíng)養(yǎng)鹽為1.50 mg/L時(shí)最有利于藻類生長(zhǎng)，在此條件下藻類比生長(zhǎng)率達(dá)到0.434 d-1。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，將藻類生長(zhǎng)的磷營(yíng)養(yǎng)鹽閾值確定為1.50 mg/L。

圖4 不同磷營(yíng)養(yǎng)鹽水平對(duì)藻細(xì)胞密度的影響Fig.4 Effects of different phosphorus nutrient levels on the cell density of algae

2.4 動(dòng)力學(xué)分析

以混鹽條件下磷營(yíng)養(yǎng)鹽實(shí)驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，進(jìn)行藻類生長(zhǎng)—磷營(yíng)養(yǎng)鹽動(dòng)力學(xué)分析，按照式(1)計(jì)算各實(shí)驗(yàn)組的比生長(zhǎng)率，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同磷營(yíng)養(yǎng)鹽水平下藻類的1/μ

按照式(2)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，依據(jù)回歸方程的截距和斜率分別計(jì)算出藻類μmax及KS，回歸分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 藻類生長(zhǎng)—磷營(yíng)養(yǎng)鹽動(dòng)力學(xué)回歸分析結(jié)果Fig.5 Regression analysis of algae growth-phosphorus nutrient dynamics

由圖5可以看出，1/c與1/μ有很好的相關(guān)性。根據(jù)圖5可求得，μmax為0.877 d-1，KS為0.914 mg/L，將其帶入式(2)可得到式(3)。

(3)

本研究中μmax相對(duì)較低，說(shuō)明該混鹽水體水華暴發(fā)風(fēng)險(xiǎn)較小。KS通常用于衡量生物種群對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的親和性：KS越小，表示親和性越好，低濃度營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)就能使種群比生長(zhǎng)率達(dá)μmax/2；KS越大，則親和性越差，需要較高濃度的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)才能使種群比生長(zhǎng)率達(dá)到μmax/2[16]。本研究中KS相對(duì)較小，說(shuō)明藻類對(duì)磷營(yíng)養(yǎng)鹽有很好的親和性。

3 結(jié) 論

(1) 在不同鹽度條件下，4種藻類接種后均發(fā)生了演替。當(dāng)鹽度<10 000 mg/L時(shí)，最終以卵囊藻和銅綠微囊藻為優(yōu)勢(shì)種；當(dāng)鹽度≥10 000 mg/L時(shí)，銅綠微囊藻最終成為優(yōu)勢(shì)種。適宜于藻類生長(zhǎng)的鹽度為10 000～20 000 mg/L。當(dāng)鹽度為15 000 mg/L時(shí)，藻類比生長(zhǎng)率最大可達(dá)0.266 d-1。當(dāng)鹽度小于10 000 mg/L或大于20 000 mg/L時(shí)，藻類生長(zhǎng)受到不同程度的抑制。

(2) 在鹽度為15 000 mg/L的條件下，適宜藻類生長(zhǎng)的磷營(yíng)養(yǎng)鹽為0.20～1.50 mg/L。當(dāng)磷營(yíng)養(yǎng)鹽為1.50 mg/L時(shí)，比生長(zhǎng)率最大，為0.434 d-1。將磷營(yíng)養(yǎng)鹽控制在0.20 mg/L以下，可降低混鹽水體水華爆發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 鹽度為15 000 mg/L的混鹽條件下，藻類最大比生長(zhǎng)率為0.877 d-1，半飽和常數(shù)為0.914 mg/L，表明混鹽條件下藻類對(duì)磷營(yíng)養(yǎng)鹽有良好的親和性，但水華暴發(fā)風(fēng)險(xiǎn)不大。

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Analysisforgrowthcharacteristicsandphosphorusnutrientdynamicsofalgaeinmesohalinouswater

JIAOJidong1,ZHENGJianfeng1,2,LIFukuan1,SUNLiping1,2.

(1.SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,TianjinChengjianUniversity,Tianjin300384;2.TianjinKeyLaboratoryofAquaticScienceandTechnology,Tianjin300384)

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.07.007

2016-03-14)

焦繼東，男，1990年生，碩士研究生，主要從事水污染控制理論與技術(shù)方面的研究。#

。

*國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(No.2012ZX07308-002)；天津市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.15JCYBJC49100)；天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(No.TJKLAST-2015)。