無機碳對銅綠微囊藻空間分布的影響研究

馬文林， 衛 博， 王思瑩， 張君枝

(北京應對氣候變化研究和人才培養基地/城市雨水與水環境教育部重點實驗室/北京建筑大學環境科學與工程系，北京 100044)

水體富營養化一直以來是我國湖泊治理的一大難題。城市里擁有的湖泊、景觀水大多數都是淺水水體，大量藻類聚集在水體表面，既影響水質又影響城市美觀。近年來，隨著工業的發展，溫室效應已經成為不爭的事實。由于無機碳是藻類生長必須的元素，隨著大氣中CO2濃度的升高，水中CO2和碳酸鹽濃度會相應升高，勢必會對藻類的生長產生影響。銅綠微囊藻是造成淡水水華的主要藻類[1]，其能產生微囊藻毒素污染水源，從而危害人類健康。由于其具有碳濃縮機制，能適應較低二氧化碳濃度環境，pH值越高其生長優勢越明顯。且其具有上浮運動能力，當下層水體CO2濃度不足以滿足其維持基礎代謝所需的光合速率時，能上浮到表層水中，以獲得更多的CO2用來光合作用，從而引發水華現象。因此，為了控制富營養化水藻在水體表面的泛濫生長，有必要研究水體不同垂直分層上的CO2(碳酸鹽)濃度和水藻的分布規律，探究碳源對藻類垂直分布的影響規律，明確營養鹽的循環機制及限制浮游植物生長的生態因子。我國雖然有學者對藻類垂直分布做過研究，但大多集中在光照對藻類分布的影響上，無機碳對其影響研究非常少。

本試驗以銅綠微囊藻為研究對象，以不同濃度碳酸氫鈉溶液為試驗環境，通過藻密度、葉綠素a含量、pH值、堿度、總氮(TN)濃度、總磷(TP)濃度等指標來深入探討無機碳對銅綠微囊藻垂直分布的影響和作用機理，以期為揭示水中無機碳源對銅綠微囊藻生長特性影響提供理論基礎，對控制地表水體富營養化起到借鑒作用，為修復富營養化水體提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

取北京建筑大學大興校區內的湖水作為試驗用水，經檢測，其pH值、總堿度、總氮濃度、總磷濃度和葉綠素a含量分別為8.4、49.2 mg/L、1.43 mg/L、0.009 6 mg/L、12.6 μg/L。

試驗用藻種為銅綠微囊藻，由中國環境科學研究院提供。

1.2 試驗裝置

本研究在實驗室內的試驗柱(圖1)中完成。試驗柱的規格為高160 cm、直徑60 cm、有7個出水口，從柱上端開始向下每20 cm處有1個出水口。試驗柱上方安裝7支28 W的日光燈，同時分別連接7個時間控制器，作為光照控制系統。通過人為控制來調節試驗系統的光照度和照明時間。

1.3 接種

試驗前向2根試驗柱中各注入150 L湖水，通過向水中添加K2HPO4調節水體的總磷濃度，使其濃度≥0.2 mg/L，同時添加NaNO3調節水體的總氮濃度，使其濃度 ≥2.0 mg/L，最終使試驗體系的總氮、總磷均處于超富營養水平。根據王思瑩等的試驗成果[2]，在堿度為2.46 mmol/L(NaHCO3添加量為200 mg/L)時，藻類生長情況最好，又由于實驗室只有2根試驗柱，因此本試驗分2批進行，第1批試驗以不添加NaHCO3溶液的試驗柱為對照組(T2000組)，另外1根向其中添加NaHCO3溶液并使其濃度達到200 mg/L作為處理組(T2001組)；第2批試驗仍以不添加NaHCO3溶液的試驗柱為對照組(T5000組)，另外1根向其中添加NaHCO3溶液并使其濃度達到500 mg/L作為處理組(T5001組)。銅綠微囊藻純藻種經離心、洗滌處理后，定量接入各試驗柱中。

1.4 培養

將接種好的2組試驗柱在室溫下培養，進行對比試驗。本試驗采用的光照度為3 000 lx，光—暗周期為12 h—12 h，將出水口2、4、6作為取樣口，分別取得代表上、中、下3層水深中藻類分布情況的水樣進行檢測。

1.5 指標測定

在試驗過程中每2 d采集水樣測定試驗體系中銅綠微囊藻的生物量，每2 d監測1次pH值、TN濃度、TP濃度和葉綠素a含量等指標，得到在不同無機碳濃度下水質變化和藻類生長情況，并且對各指標的變化曲線進行分析，以研究培養體系中無機碳濃度改變對藻類分布的影響規律。為了減少取樣對水層分布的影響，按照依次從上到下的順序采集水樣，每個取樣口每次的取樣量約為110 mL。為彌補試驗期間水量蒸發和取樣帶來的損失，每次采完水樣之后都向各試驗柱補充350 mL的蒸餾水。各指標測定方法見表1。

表1 水質測定方法

2 結果與分析

2.1 不同無機碳濃度對銅綠微囊藻垂直分布的影響

T2000和T5000這2個批次試驗，除試驗時間不一樣外，其他試驗條件都相同。根據對T2000和T5000的生物量生長觀測結果可知，2個試驗柱中銅綠微囊藻的生長情況十分相近，故對2個試驗柱的生物量生長等觀測數據進行平均，作為本研究的空白對照(T0)。不同無機碳濃度條件下銅綠微囊藻生長的垂直分布如圖2所示。通過比較T0和T2001試驗柱的銅綠微囊藻生長曲線可知，二者都在第2天開始有生長跡象，在第12天開始衰亡，且T2001試驗柱的最高生物量明顯高于T0，表明200 mg/L的堿度水平對銅綠微囊藻生長有促進作用。而高堿度條件的T5001試驗柱在第4天才開始生長，且在第10天就開始衰亡，表明500 mg/L的堿度水平不利于銅綠微囊藻生長。

藻類生長有一個適宜的碳酸鹽強度范圍，在這個范圍以內時，水中碳酸鹽濃度增加，能夠促進水藻生長，一旦高出這個范圍，碳酸鹽濃度進一步增加，高的碳酸鹽離子強度顯現的對藻類生長的抑制作用將超過其作為碳源的生長促進作用，表現為水藻生長受阻，藻類生長啟動晚、衰亡快。李娜認為，培養基中HCO3-濃度升高會導致細胞內HCO3-離子的積累，對細胞結構及某些酶的活性產生影響，抑制細胞生長[3]，與本研究結果一致。

比較各組試驗柱中藻類生長達最大藻密度時上、中、下3層的藻密度占比，結果如圖3所示。從圖中可以看出，隨著水中無機碳濃度的增加，上層水藻密度所占比例減小，中下層所占比例整體增加。對照組上、中、下3層藻密度占比線性回歸方程的斜率為-4.940，而T2001和T5001組的回歸方程斜率分別增大為-4.245和-3.055，說明添加無機碳可以改變藻類垂直分布特性，促進藻類在中下層生長。

究其原因，是因為在氮、磷營養充足情況下，水藻大量繁殖，水中CO2被快速消耗，碳源成為水藻生長的制約因素。而空氣中的CO2首先溶解到表層水體中，然后向下層水擴散，使得表層水中CO2濃度高于中層和下層，從而出現上層藻密度高，向下藻密度降低的趨勢。而當提高水中無機碳濃度后，不同層之間的碳源強度及其對水藻生長制約性2個方面的差異都減弱，因此不同分層間的藻密度差異也減弱。

2.2 不同無機碳濃度對葉綠素a含量影響

根據試驗觀察，培養到第14天時，T0、T5001試驗柱中銅綠微囊藻開始出現發黃現象，而T2001試驗柱這種現象不明顯。結合圖4及試驗現象可知，T0、T2001在第4天時進入對數期，T5001在第12天進入衰亡期，T0、T2001在14天開始衰亡。在T0、T2001試驗柱中，上層葉綠素含量在開始幾天波動明顯，先降低再升高。從曲線的走勢來看，各組葉綠素a含量的變化與藻密度的變化(圖2)趨勢大體一致。3組葉綠素a含量從高到低的排列順序整體為T2001>T0>T5001，表明在T2001最有利于藻類光合作用；各組葉綠素a含量分層情況整體表現為上層最高，中層次之，下層最低；且隨著無機碳添加量的增加，3層葉綠素a含量間的差距逐漸縮小。

分別對T0、T2001、T5001組藻密度和葉綠素含量相關性進行分析，各組的線性相關系數R2分別為0.995 7、0.997 2、0.958 7，可以看出，各濃度的藻密度和葉綠素a含量存在正相關性且相關系數均在0.9以上。學者傅鑫廷通過對長春湖南湖葉綠素a含量垂直分布研究同樣得出，葉綠素a在上層水中含量較高，在下層水中含量較低，但藻類和葉綠素a含量的相關性較差[4]，分析原因可能是本試驗有充足的碳源，且在室溫下進行，而其在冰封條件下進行，影響了葉綠素a的形成。因此可用葉綠素a含量來表示藻類含量的高低，尤其在藻類爆發、藻類密度難以統計時[5]。

2.3 不同無機碳濃度對水體pH值的影響

在添加不同濃度無機碳條件下，試驗柱內不同水層的pH值隨時間的變化情況如圖5所示。試驗初期，各組培養體系pH值由于添加NaHCO3的量不同而不同，添加NaHCO3越多的體系，其pH值整體越高。在不同無機碳濃度條件下，除T2001組上層pH值仍略有上升外，其余培養液pH值隨時間都呈現先上升后下降的趨勢，該結果與前人的研究結果[6]基本相似。在垂直層面上，各組各層面前12 d的pH值均呈上升趨勢。上層pH值上升最快，其最高點pH值也較中下層高。中下層最大pH值非常接近，在 9.1 左右。其變化規律與藻密度非常相似，均整體在第12天達到最大值。在第12天之后開始依次出現降低現象。銅綠微囊藻在對數生長時期光合作用強烈，培養液中的CO2和HCO3-被其吸收進行光合作用，使溶液pH值升高。在穩定和衰亡期光合作用減弱而呼吸作用增強，呼吸作用產生的CO2溶于水使培養液pH值降低。其平衡方程為CO2+H2OH2CO3H++HCO3-2H++CO32-。由于中下層光合作用較弱，CO2吸收速率較低。說明pH值變化與光合效率有關，且水體高pH值有利于銅綠微囊藻生長[7]。

分別對T0組、T2001組、T5001組藻密度和pH值進行相關性分析，其線性相關系數分別為0.960 0、0.944 6、0.976 0，說明藻密度和pH值具有很好的正相關性。學者金香琴通過對新立城水庫葉綠素a的垂直分布研究同樣得出，葉綠素a的垂直分布與pH值呈極顯著正相關關系[7]，間接支持了本結論。培養液高pH值有利于微囊藻生長，微囊藻生長又使水體pH值進一步上升，形成一個惡性循環，使微囊藻爆發式生長。當pH值從高位下降時微囊藻生長也減弱。因此水體中pH值變化和微囊藻密度的變化是交互作用的結果，互為因果關系。

在藍藻水華的發生條件中，pH值也是很重要的因素之一。陳建中等研究認為，銅綠微囊藻偏好較高pH值，但pH值超過9時銅綠微囊藻最終生長量有所下降[8]。在夏季，由于藻類大量生長，經常會出現水體碳源不足，pH值增大的情況。銅綠微囊藻往往不會受到此種條件的影響，是因為它相對于其他藻種，對無機碳有更高的親和能力，能適應堿性水環境，所以在這種情況下，銅綠微囊藻成為了水環境中的優勢藻種而大量增長[9]。

2.4 TN、TP濃度變化情況

由圖6可知，無論是否添加無機碳，試驗柱內各層的TN、TP濃度呈現類似的變化趨勢，即隨著培養時間的延長而整體下降。同時，藻生物量的增加量，與氮磷的吸收量呈正相關關系。將各培養組的TN、TP濃度變化情況(圖6)與銅綠微囊生長曲線(圖2)相比較，可以看出，在第4～10天，銅綠微囊藻生長速度快，各培養組TN、TP濃度普遍呈快速下降趨勢，在第12天以后，銅綠微囊藻生長變緩，甚至其生物量出現下降現象，各組的TN、TP濃度趨于穩定或小幅回升。比較組間差別，第12天各組培養液中TN濃度的高低與其最高生物量呈負相關。從利用率上來看，上層由于光合作用強，各組對TN、TP的利用率都是最高的，但中下層卻很接近。特別是T5001組，中、下2層的總氮濃度變化十分相似，且出現下層利用量超過中層的情況。

比較單位水藻生長對氮、磷的吸收情況(表2)發現，隨著無機碳濃度升高，水深變化對藻類利用氮、磷的影響不同。3個試驗組單位銅綠微囊藻對氮的利用均表現為上層明顯高于中下層。對磷的利用，在對照組和T2001組，水深幾乎不影響銅綠微囊藻對磷的利用；而在T5001組，出現了和氮利用相同的趨勢，上層對磷的利用明顯高于中下層；總體隨著無機碳濃度升高，上層對磷的吸收量逐漸升高，而中、下層對磷的吸收量逐漸下降。由于未查閱到其他研究人員做過類似研究，在本研究中也沒有針對氮磷的這種變化進行機理研究，垂直分布上氮磷的這種變化規律的作用機理有待今后深入研究。

3 結論

銅綠微囊藻生長有一個適宜的碳源強度范圍。200 mg/L無機碳濃度是該藻適宜的生長條件，3個試驗組單位銅綠微囊藻生長旺盛。過高無機碳濃度(500 mg/L)，超出其生長適宜范圍，將會對3個試驗組單位銅綠微囊藻生長產生抑制。提高水中無機碳濃度，3個試驗組單位銅綠微囊藻垂直分布比例差異減小，促進3個試驗組單位銅綠微囊藻在中下層水中的生長。

表2 不同水層單位銅綠微囊藻對氮磷的吸收量

在水中氮磷充足的情況下，水藻生長導致的總氮、總磷濃度變化趨勢相似。上層對氮磷的利用率均高于中下層，但中下層為了光適應會增加對磷的吸收。

在高無機碳濃度條件下，銅綠微囊藻的垂直分布比例更加接近。本研究可為人們提供一種新思路，治理富營養化水體時，可通過向水體中添加可分解底泥中有機質的益生菌，提高水中碳源濃度，滿足下層水藻對CO2的需求，消除表層水體藻類大量生長的情況，避免水華的出現。