高溫條件下營養鹽對江蘺生長與氮、磷去除效率的影響

姜 緒，李佳蕙，李 斌，白艷艷，喬洪金，馮艷微，曹體宏，劉義豪

( 山東省海洋資源與環境研究院, 山東省海洋生態修復重點實驗室, 山東 煙臺 264006 )

近岸水體作為我國海水養殖池塘用水的主要來源，受到海水養殖活動無序增加、近岸污染情況加劇等因素的影響，水體富營養化程度不斷加深。而在池塘養殖活動中，富營養化水體的重復利用加劇了水質問題，同時嚴重妨害了池塘養殖業的可持續發展。如何開展合理的養殖活動，減緩水體富營養化是亟待解決的問題。當前防治水體富營養化的主要方法是控制和減少水體中氮、磷的水平[1]，大型海藻因其既可大量吸收水體中氮、磷元素，還可釋放氧氣，提高水體溶解氧含量[2]，并對微藻數量產生抑制作用[3]，已被認為是一種合理有效地防控水體富營養化的措施。

菊花江蘺(Gracilarialichenoides)和脆江蘺(G.chouae)均屬紅藻門、江蘺科，生長速度快、經濟價值高，能主動大量吸收外界營養鹽，并在組織內貯存[4]，已在我國南方廣泛栽培。目前，菊花江蘺和脆江蘺相關研究較多，如錢魯閩等[5-6]開展了菊花江蘺吸收效應的相關研究；盧曉等[7-8]研究了溫度和光照對脆江蘺氮、磷吸收速率和生長情況的影響。但針對夏季北方海水養殖池塘水體富營養化的問題，即高溫條件下高含量營養鹽時菊花江蘺和脆江蘺對氮、磷去除效率的影響尚未見報道。因此筆者研究了高溫及高含量營養鹽條件下脆江蘺和菊花江蘺的生長及其對硝態氮和無機磷的去除情況，旨在為防治池塘海水富營養化提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用菊花江蘺與脆江蘺購自福建漳州，置于4～8 ℃泡沫箱中，運至試驗地點。挑選健康藻體，去除藻體表面雜質，放入室內暫養池中暫養7 d。鹽度30±1，水溫(25±2) ℃，光照度3000～5000 lx，每周換水1次。

1.2 試驗方法

試驗時間為2016年7月23日至8月22日。試驗用水為經沉淀后砂濾的自然海水，參考養殖廢水可達到的營養鹽含量和其他相關研究[9-10]，設置5個營養鹽梯度。通過向水體中添加硝酸鈉和磷酸二氫鉀調整水體氮(磷)質量濃度，即試驗組A：1.65(0.23) mg/L、試驗組B：4.12(0.57) mg/L、試驗組C：8.24(1.14) mg/L、試驗組D：12.35(1.71) mg/L、試驗組E：16.47(2.28) mg/L。將配置好的試驗用水分別注入5 L錐形瓶中，每個試驗組設置3個平行，每瓶中放入10 g藻體。以自然海水同時放入等量江蘺作為對照組。鹽度30±1，水溫(25±2) ℃，光照度用遮陽網控制為3000～5000 lx，試驗期間不換水。

1.3 分析項目與方法

試驗期間，每隔10 d測定藻類養殖水體硝態氮和磷的質量濃度[11]；每10 d測量藻體質量，測量前用吸水紙吸凈藻體表面水分。

1.3.1 相對生長速率的計算

相對生長速率/%·d-1=ln(mt/m0)×1/t×

100%

式中，t為培養時間(d)，m0為各試驗節點對應的江蘺質量(g)，mt為相應節點培養t時間后的江蘺質量(g)。

1.3.2 營養鹽吸收速率和去除效率的計算

營養鹽的吸收速率/mg·(g·d)-1=(C0V0-CtVt)/(t×G)

式中，C0為各試驗節點對應的營養鹽質量濃度(mg/L)，V0為相應節點培養液體積(L),Ct為相應節點培養t時間后的營養鹽質量濃度(mg/L)，Vt為相應節點培養t時間后的培養液體積(L)，t為試驗時間(d)，G為各試驗節點的藻類濕質量(g)。

累積去除效率/%=(CsVs-CtVt)/CsVs×

100%

式中，Cs試驗開始時培養液中營養鹽質量濃度(mg/L)，Vs為試驗開始時培養液體積(L)；Ct為相應節點培養t時間后的營養鹽質量濃度(mg/L)，Vt為相應節點培養液體積(L)。

1.3.3 數據分析方法

試驗數據用單因素方差分析和獨立樣本t檢驗進行統計分析，以0.05作為差異的顯著性水平。

2 試驗結果

2.1 營養鹽質量濃度對江蘺生長的影響

在試驗過程中，菊花江蘺正常生長；而脆江蘺在20 d后開始衰敗，因此對20 d內脆江蘺的數據進行了統計分析(下同)，兩種江蘺在0～10 d、10～20 d、20～30 d內的分段相對生長速率見圖1，兩種江蘺在10、20、30 d內的累積相對生長速率見圖2。

在相同營養鹽質量濃度條件下，菊花江蘺和脆江蘺各組相對生長速率均隨著時間的增加出現下降的趨勢。菊花江蘺對照組在0～10 d的相對生長速率顯著高于10～20 d和20～30 d的(P<0.05)，而試驗組在0～10 d的相對生長速率顯著高于20～30 d的(P<0.05)；脆江蘺各組在0～10 d的相對生長速率均顯著高于10～20 d的(P<0.05)(圖1)。

比較相同時段不同營養鹽質量濃度條件下菊花江蘺和脆江蘺的相對生長速率發現，菊花江蘺僅在10～20 d時，對照組相對生長速率顯著低于各試驗組(P<0.05)；脆江蘺在0～10 d時段12.35(1.71) mg/L和16.47(2.28) mg/L試驗組已顯著低于其他各組(P<0.05)，在10～20 d時段8.24(1.14) mg/L、12.35(1.71) mg/L、16.47(2.28) mg/L試驗組均表現出負增長趨勢，其相對生長速率均顯著低于其他3組(P<0.05)。

圖1 不同營養鹽質量濃度下兩種江蘺的分段相對生長速率A：1.65(0.23) mg/L；B：4.12(0.57) mg/L；C：8.24(1.14) mg/L；D：12.35(1.71) mg/L；E：16.47(2.28) mg/L.其他圖同.字母不同表示相同質量濃度不同時段條件下相對生長速率存在顯著性差異(P<0.05)；*表示不同質量濃度相同時段條件下差異顯著(P<0.05).

菊花江蘺試驗組相對生長速率均高于對照組，但差異不顯著(P>0.05)，其中以8.24(1.14) mg/L試驗組達到最高值，為1.43%/d；對照組相對生長速率最低為0.92%/d(圖2a)。脆江蘺相對生長速率變化為0.03%/d～0.70%/d，12.35(1.71) mg/L和16.47(2.28) mg/L試驗組脆江蘺相對生長速率顯著低于其他各組(P<0.05)，分別為0.06%/d和0.03%/d；而8.24(1.14) mg/L試驗組脆江蘺相對生長速率顯著低于對照組和1.65(0.23) mg/L、4.12(0.57) mg/L試驗組(P<0.05)；4.12(0.57) mg/L試驗組脆江蘺相對生長速率表現為最高，為0.70%/d(圖2b)。

圖2 不同營養鹽質量濃度下兩種江蘺的相對生長速率字母不同表示相對生長速率存在顯著性差異(P<0.05)

2.2 營養鹽質量濃度對江蘺氮磷累積去除效率的影響

對不同質量濃度營養鹽影響下兩種江蘺的氮累積去除效率(表1)的分析發現，各試驗組氮累積去除效率均顯著高于對照組(P<0.05)；營養鹽質量濃度對兩種江蘺氮累積去除效率產生了顯著影響(P<0.05)，10 d時菊花江蘺8.24(1.14) mg/L試驗組顯著低于各試驗組(P<0.05)，12.35(1.71) mg/L、16.47(2.28) mg/L試驗組顯著低于試驗組1.65(0.23) mg/L、4.12(0.57) mg/L(P<0.05)，脆江蘺試驗組8.24(1.14) mg/L、12.35(1.71) mg/L、16.47(2.28) mg/L顯著高于1.65(0.23) mg/L、4.12(0.57) mg/L試驗組(P<0.05)；10 d后菊花江蘺氮累積去除效率在試驗組間差異均不顯著，脆江蘺氮累積去除效率12.35(1.71) mg/L、16.47(2.28) mg/L試驗組顯著低于1.65(0.23) mg/L、4.12(0.57) mg/L、8.24(1.14) mg/L試驗組(P<0.05)。在不同質量濃度營養鹽影響下，菊花江蘺和脆江蘺對氮的去除主要集中在前10 d，其中菊花江蘺氮去除效率超過91%，脆江蘺則超過82%。

對比菊花江蘺和脆江蘺的氮累積去除效率發現，10 d時且氮質量濃度為1.65 mg/L和4.12 mg/L條件下，菊花江蘺氮累積去除效率顯著高于脆江蘺(P<0.05)，其他組間差異均不顯著。

不同質量濃度營養鹽影響下兩種江蘺的磷累積去除效率見表2。菊花江蘺和脆江蘺各試驗組的磷累積去除效率均顯著高于對照組(P<0.05)。在20 d時，菊花江蘺12.35(1.71) mg/L、16.47(2.28) mg/L試驗組顯著低于1.65(0.23) mg/L、4.12(0.57) mg/L、8.24(1.14) mg/L試驗組(P<0.05)，在其他時段內，各組間未出現顯著性差異(P>0.05)。在相同營養鹽質量濃度及相同時段的條件下，菊花江蘺對磷的累積去除效率顯著高于脆江蘺(P<0.05)。試驗結束時菊花江蘺各試驗組磷累積去除效率均超過99%，脆江蘺則集中在86%～90%。

2.3 營養鹽質量濃度對江蘺氮、磷吸收速率的影響

菊花江蘺試驗組在0～10 d氮、磷的吸收速率均顯著高于10～20 d及20～30 d(P<0.05)(圖3)；0～10 d氮、磷的吸收速率隨營養鹽質量濃度的升高而顯著增大(P<0.05)；在10～20 d內，各試驗組氮的吸收速率差異不顯著(P>0.05)，而磷的吸收速率在試驗組間出現顯著差異，8.24(1.14) mg/L和16.47(2.28) mg/L試驗組顯著高于1.65(0.23) mg/L試驗組及對照組的吸收速率(P<0.05)；在20～30 d時，吸收速率16.47(2.28) mg/L試驗組最高，顯著高于對照組、試驗組1.65(0.23) mg/L及4.12(0.57) mg/L的吸收速率(P<0.05)。

脆江蘺在0～10 d同樣表現為較高的吸收速率，試驗組在0～10 d，氮、磷吸收速率均顯著高于10～20 d的吸收速率(P<0.05)，0～10 d內氮、磷吸收速率均隨營養鹽質量濃度的升高而顯著升高(圖3)。在10～20 d內氮吸收率在4.12(0.57) mg/L試驗組中表現為最高，顯著高于1.65(0.23) mg/L、16.47(2.28) mg/L試驗組及對照組(P<0.05)；而磷吸收速率在各組間差異均不顯著(P>0.05)。

表1 不同營養鹽質量濃度對江蘺氮累積去除效率的影響 %

注：同列字母不同為差異顯著(P<0.05)，下同.

表2 不同營養鹽質量濃度對江蘺磷累積去除效率的影響 %

圖3 不同營養鹽質量濃度下兩種江蘺的分段吸收速率字母不同表示相同時段不同質量濃度下試驗組吸收速率差異顯著(P<0.05)；*表示相同質量濃度不同時段條件下各組吸收速率差異顯著(P<0.05).

通過對比不同營養鹽質量濃度下菊花江蘺和脆江蘺氮、磷的吸收速率(圖4)發現，兩種江蘺氮、磷的吸收速率均隨營養鹽質量濃度的升高而增大，營養鹽質量濃度已對菊花江蘺和脆江蘺氮、磷的吸收速率產生顯著影響(P<0.05)。菊花江蘺16.47(2.28) mg/L與12.35(1.71) mg/L試驗組組差異不顯著(P>0.05)，但顯著高于其他各組(P<0.05)；脆江蘺8.24(1.14) mg/L、12.35(1.71) mg/L和16.47(2.28) mg/L試驗組差異不顯著(P>0.05)，但均顯著高于對照組(P<0.05)。

圖4 不同營養鹽質量濃度下兩種江蘺的總吸收速率字母不同為差異顯著(P<0.05).

3 討 論

3.1 營養鹽對兩種江蘺生長的影響

氮、磷在藻類體內參與了氨基酸和藻紅蛋白的合成、酶的轉化及生殖細胞的形成等生理活動，是大型藻類生長的必要成分。現有研究表明，海水中營養鹽含量對藻類的生長具有重要的影響[10，12]。從本次試驗結果可以看出，高質量濃度營養鹽對菊花江蘺和脆江蘺的生長產生了影響，但由于種類的不同，產生的影響并不相同。

在試驗期間，菊花江蘺保持生長，而脆江蘺在20 d時部分試驗組已出現衰敗現象，在30 d時全部衰敗。相關報道中，在25 ℃條件下菊花江蘺相對生長速率可達2.3%～3.02%[13]；盧曉等[7]研究表明，25 ℃時脆江蘺相對生長速率約為2.6%；金玉林等[14]研究發現，26 ℃時脆江蘺相對生長速率達5%以上。而分析本試驗中江蘺的生長數據得知，江蘺在10 d時表現出最大相對生長速率，脆江蘺為1.15%，菊花江蘺為2.09%，均低于同類報道中的數值，且脆江蘺相對生長速率低于菊花江蘺，表明在25 ℃時高質量濃度營養鹽對兩種江蘺的生長產生了影響，且在此條件下菊花江蘺的生長能力高于脆江蘺。同時，菊花江蘺和脆江蘺相對生長速率隨試驗時間的增加出現顯著性下降，脆江蘺在10～20 d且氮(磷)質量濃度超過8.24(1.14) mg/L時更是出現負增長，并隨著營養鹽質量濃度的升高出現負增長趨勢上升的現象，表明高質量濃度營養鹽對脆江蘺的生長具有顯著的抑制性。

相關研究發現，在外界營養鹽水平過高時，部分藻類能夠吸收過量的營養鹽，以藻紅蛋白和聚磷酸顆粒的形式貯存[15-16]；而藻體利用硝態氮是經酶作用先后轉化為亞硝態氮及氨氮，當藻紅蛋白釋放過多的硝態氮時，細胞內亞硝態氮或氨氮水平過高，對藻體產生毒害作用，影響藻類正常生長[17]。同時，盧曉等[7]研究發現，25 ℃時脆江蘺細胞受害程度較高，而高質量濃度營養鹽引起的藻體內亞硝態氮或氨氮離子水平過高這一問題，加劇了對脆江蘺的損害，致使脆江蘺最終全部衰敗；而菊花江蘺則以較低的相對生長速率維持正常生長。綜合分析試驗結果，在25 ℃及高質量濃度營養鹽的條件下，菊花江蘺能夠在較長時間內維持正常生長。

3.2 營養鹽對兩種江蘺氮、磷吸收去除的影響

大型藻類吸收環境中的氮和磷，用于自身的生長及生理活動的消耗，最終通過大型海藻的收獲去除了水環境中的氮、磷，達到了凈化水體的目的。利用大型海藻凈化吸收水體中的營養鹽，提高水體環境質量已有較多研究，如邵飛等[18]發現，條斑紫菜(Porphyrayezoensis)對氮、磷的去除率分別超過95%和90%；在鄭輝[19]的研究中，經6周的靜態培養試驗，龍須菜(Gracilarialemaneiformis)對硝態氮的凈化率約為90%，磷的凈化率為88.34%。而本次試驗中，在25 ℃及高質量濃度氮、磷水平影響下，菊花江蘺氮、磷累積去除效率均超過99%，而脆江蘺氮累積去除效率則為95%～99%，磷累積去除效率為86%～89%。研究結果還發現，兩種江蘺對氮、磷的吸收速率均隨著底物含量的增加而增大，這一研究與詹冬梅等[8,20-21]對大型藻類的研究結果一致。但在試驗過程中，脆江蘺全部死亡，并未達到有效去除氮、磷的作用。

通過對不同時段的研究發現，江蘺對氮、磷的吸收主要在前10 d內完成，這一試驗結果符合江蘺機會種這一特性，即當環境中有大量的營養物質如氮、磷存在時，能快速地吸收，并在體內貯存[5]。研究發現，菊花江蘺對氮、磷的最大吸收速率為0.458 μmol/(g·h)和0.03 μmol/(g·h)[5]；脆江蘺對氮、磷的最大吸收速率分別為0.648 μmol/(g·h)和0.018 μmol/(g·h)[12]。本研究中，當營養鹽質量濃度超過8.24(1.14) mg/L時，兩種江蘺在0～10 d的氮、磷吸收速率全部高于上述數值，推測在試驗初期受大量離子存在的影響，江蘺細胞內外離子含量差過大，如鈉離子等大量進入細胞內，破壞了細胞膜完整性，對離子的選擇透過性變差[22]，表現為菊花江蘺在0～10 d時氮去除率在營養鹽質量濃度為8.24(1.14) mg/L時出現最低值，但營養鹽質量濃度超過8.24 mg/L時氮去除效率仍繼續提高，其生理狀況應處于非正常狀態；脆江蘺在25 ℃條件下，受高含量營養鹽的影響，細胞受損程度進一步加深，因此在0～10 d時氮、磷去除率均隨營養鹽含量的升高而升高。10 d后受環境中營養鹽被大量吸收去除的影響，兩種江蘺的吸收速率和去除效率均明顯降低。綜合以上研究結果表明，在25 ℃及營養鹽質量濃度低于8.24(1.14) mg/L時菊花江蘺對水體中的氮、磷營養鹽有很好的去除效果，且能維持正常生長。