氮和磷對(duì)藻類(lèi)的抑制研究

張 亮,張震斌,于德貴,田 蕊,肖偉男

(遼寧工業(yè)大學(xué),遼寧 錦州 121001)

1 引言

近幾十年來(lái)，水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題日趨嚴(yán)重，導(dǎo)致藻華的發(fā)生頻率和總體規(guī)模逐年上升。其中有毒藻種在自然水體中，將部分毒素予以釋放，導(dǎo)致飲用水的安全性無(wú)法得到有效保障，與此同時(shí)，加劇了水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象，導(dǎo)致水環(huán)境問(wèn)題日益突出[1]。還有一部分常見(jiàn)的有害藻類(lèi)，其釋放的毒素將危害人體的健康。藻類(lèi)的生長(zhǎng)必須具有適宜的溫度、營(yíng)養(yǎng)與光照，有害藻類(lèi)也不例外，藻類(lèi)的生長(zhǎng)情況與環(huán)境因子息息相關(guān)。對(duì)于藻類(lèi)而言，生長(zhǎng)過(guò)程中離不開(kāi)氮磷這兩項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)因子，因此，藻類(lèi)的生長(zhǎng)狀況受到自然水體中二者的比例、含量與構(gòu)成等的直接影響，決定了藻華的規(guī)模與程度[2]。自然水體中氮磷二者的存在形態(tài)種類(lèi)繁雜，對(duì)于有害藻類(lèi)而言，各種形態(tài)的氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)均可被吸收與利用，從而加快自身的代謝速度，最終以藻華的形式呈現(xiàn)。因而，深入探討有害藻類(lèi)與氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)二者的相關(guān)性，明確有害藻類(lèi)生長(zhǎng)受到氮磷形態(tài)與含量的實(shí)際作用，明確導(dǎo)致藻華發(fā)生的實(shí)際原因，以從理論層面探討怎樣對(duì)藻類(lèi)的生長(zhǎng)進(jìn)行有效管控。

2 氮對(duì)藻類(lèi)生長(zhǎng)的影響

在藻類(lèi)生長(zhǎng)的過(guò)程中，氮作為不可或缺的重要因子存在，既要滿足藻類(lèi)代謝與生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)自身的攝入需求，也是藻類(lèi)體內(nèi)多種部分的主體構(gòu)成元素[3]。過(guò)低或過(guò)高的氮濃度都會(huì)對(duì)藻類(lèi)的生長(zhǎng)產(chǎn)生影響，與此同時(shí)，受到氮的存在形式差異化的影響，藻類(lèi)的吸收程度也會(huì)發(fā)生一定改變。部分有害藻類(lèi)的氮源選為DIN，并在該環(huán)境下始終處于良好生長(zhǎng)狀態(tài)。在進(jìn)行藻類(lèi)培養(yǎng)基的制造過(guò)程中，最常選用的氮源就是硝氮。通過(guò)研究了水中藻類(lèi)在不同濃度硝氮情況下的實(shí)際生長(zhǎng)狀態(tài)，得出結(jié)論，隨著硝氮濃度的顯著提升，亞硝酸鹽在藻類(lèi)體內(nèi)大量積累，大大減緩了藻類(lèi)的生長(zhǎng)速度，且對(duì)藻類(lèi)光合作用的發(fā)生產(chǎn)生一定抑制作用。但針對(duì)大量的天然水體進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)氮濃度相對(duì)較低，因此，在進(jìn)行研究的過(guò)程中，依據(jù)現(xiàn)實(shí)水體中的氮濃度加以模擬[4]，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，調(diào)節(jié)硝氮濃度在0～12.0 mg/L區(qū)間內(nèi)，可知當(dāng)硝氮濃度為3.5 mg/L 時(shí)，藻類(lèi)的細(xì)胞生長(zhǎng)量為最大值。當(dāng)銨氮濃度較低時(shí)，藻類(lèi)可針對(duì)銨氮予以快速吸收利用，但氮含量無(wú)法滿足細(xì)胞生長(zhǎng)需求，因而生長(zhǎng)十分緩慢；反之，過(guò)高的銨氮濃度，對(duì)谷氨酰胺具有一定抑制作用，藻細(xì)胞的生長(zhǎng)受到一定程度的阻礙，也處于較為緩慢的狀態(tài)[5]。亞硝氮作為氮形態(tài)循環(huán)過(guò)程中的中間產(chǎn)物，在自然水體中也十分常見(jiàn)。分別研究了水藻分別在0 mg/L、5 mg/L、10 mg/L、15 mg/L的亞硝氮含量的生長(zhǎng)狀態(tài)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，亞硝氮濃度逐漸提升的同時(shí)，藻細(xì)胞生長(zhǎng)速度反而逐漸減緩，因此，藻類(lèi)生長(zhǎng)之所以會(huì)受到亞硝氮的抑制作用，其實(shí)際原因就是一定程度上抑制了光合反應(yīng)的發(fā)生，且增強(qiáng)了氧化應(yīng)激反應(yīng)。從實(shí)際角度出發(fā)，藻類(lèi)不僅能夠吸收利用無(wú)機(jī)態(tài)氮，也能夠吸收部分溶解性有機(jī)氮，并將其轉(zhuǎn)化為促進(jìn)自身生長(zhǎng)的碳與氮源。根據(jù)實(shí)驗(yàn)成果可知，4種十分具有代表性的藻類(lèi)均可受到尿素和氨基酸的促進(jìn)作用，部分也可利用混合氨基酸促進(jìn)自身生長(zhǎng)，還有一部分藻類(lèi)則明顯更易利用尿素[6]。另外，部分微小藻在酵母浸出粉的作用下，生長(zhǎng)速率得以顯著提升[7]。在酵母浸出粉中，始終將蛋白質(zhì)等其中具備氨基酸的物質(zhì)作為提供給藻類(lèi)的主要氮源，簡(jiǎn)言之，藻類(lèi)生長(zhǎng)會(huì)受到氨基酸等含氮有機(jī)物的促進(jìn)作用。當(dāng)天，部分藻類(lèi)無(wú)法對(duì)尿素予以吸收利用，一旦藻類(lèi)生長(zhǎng)環(huán)境中，僅具有氨基酸這唯一氮源，勢(shì)必會(huì)受到一定的抑制作用。從整體角度來(lái)看，大多藻類(lèi)均可吸收無(wú)機(jī)態(tài)或有機(jī)態(tài)含氮化合物，從而滿足自身的生長(zhǎng)需求。相較于銨氮而言，硝氮對(duì)藻類(lèi)的促進(jìn)作用更加明顯，因而易于被藻類(lèi)吸收，同時(shí)，過(guò)高的銨氮對(duì)藻類(lèi)的生長(zhǎng)產(chǎn)生一定抑制作用，甚至形成毒性效應(yīng)[8]。此外，藻類(lèi)可在有機(jī)氮源的作用下，加快代謝速度。

3 磷對(duì)藻類(lèi)生長(zhǎng)的影響

對(duì)于藻類(lèi)而言，磷作為其生長(zhǎng)必不可少的一項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)存在，既屬于磷脂、核酸與蛋白質(zhì)的重要組成部分，也是葉綠素合成的必備物質(zhì)。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，無(wú)機(jī)磷源選做磷酸鈉、焦磷酸鈉、三聚磷酸鈉、偏磷酸鈉時(shí)，藻類(lèi)仍能保持穩(wěn)定生長(zhǎng)狀態(tài)[9]。不同品種的藻類(lèi)對(duì)DIP的實(shí)際需求量存在一定區(qū)別，且藻類(lèi)的實(shí)際生長(zhǎng)狀況也隨著無(wú)機(jī)磷濃度的變化而發(fā)生改變[10]。當(dāng)6.5 mg/L為磷酸鹽濃度時(shí)，藻類(lèi)的生長(zhǎng)速度達(dá)到最高值，再繼續(xù)提升磷的濃度，就會(huì)對(duì)藻類(lèi)的生長(zhǎng)產(chǎn)生一定抑制作用[11]。根據(jù)本次試驗(yàn)成果顯示，若想使水藻處于穩(wěn)定生長(zhǎng)狀態(tài)，就必須保證磷酸鹽濃度高于0.20 mg/L[12]，而1.1～5.3 mg/L為藻類(lèi)生長(zhǎng)的最佳濃度區(qū)間。除此之外，深入剖析藻類(lèi)的生物質(zhì)成分，并以此作為磷濃度變化時(shí)產(chǎn)生的作用，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，限制磷濃度，將導(dǎo)致藻類(lèi)體內(nèi)的碳水化合物的含量顯著提升[13]。藻類(lèi)能夠利用甘油磷酸進(jìn)行生長(zhǎng)，但生長(zhǎng)速率低于無(wú)機(jī)態(tài)磷存在的情況。綜上可知，在不同磷營(yíng)養(yǎng)鹽形態(tài)下，藻類(lèi)的利用具有顯著的種間差異。相較而言，磷源處于DIP形態(tài)最易被藻類(lèi)吸收，且水體中過(guò)高的磷濃度也會(huì)對(duì)藻類(lèi)的生長(zhǎng)產(chǎn)生一定抑制作用[14]。

4 氮磷比對(duì)藻類(lèi)生長(zhǎng)的影響

設(shè)置兩組初始磷濃度為0.05和5.0 mg/L 的培養(yǎng)液，并確保各個(gè)培養(yǎng)液的氮磷比為5∶1，10∶1，20∶1，50∶1，100∶1。在各個(gè)培養(yǎng)液中進(jìn)行藻類(lèi)細(xì)胞的培養(yǎng)，并對(duì)比各個(gè)培養(yǎng)液中的藻細(xì)胞生長(zhǎng)情況，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知，氮磷比并未對(duì)藻細(xì)胞生長(zhǎng)率造成較大影響，相較而言，磷濃度對(duì)其生長(zhǎng)速率造成較大影響[15]；即便氮磷比值始終處于較低水平，也不會(huì)對(duì)藻類(lèi)的生長(zhǎng)造成較大影響，只有確保磷處于充足狀態(tài)下，才能夠發(fā)現(xiàn)藻類(lèi)細(xì)胞受到氮磷比的作用，發(fā)生一定改變。當(dāng)磷濃度為5 mg/L時(shí)，氮磷比為20∶1，只有滿足上述兩者的條件，方能使水藻處于最佳生長(zhǎng)狀態(tài)[16]。氮磷比值對(duì)水藻生長(zhǎng)與水體氮磷的絕對(duì)濃度具有一定的相關(guān)性，并不能夠在某一確定值上顯現(xiàn)。只要能夠保證氮磷比=4.5這一前提條件，就能達(dá)到最佳生長(zhǎng)狀態(tài)，并不受混合培養(yǎng)體系、純培養(yǎng)體系的影響。氮磷比對(duì)藻類(lèi)的抑制參數(shù)能夠產(chǎn)生明顯影響[17]。

5 小結(jié)和展望

藻類(lèi)的生長(zhǎng)與代謝都離不開(kāi)氮磷2種元素。藻細(xì)胞內(nèi)DNA與蛋白質(zhì)的合成過(guò)程中，氮元素作為必不可少的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。細(xì)胞內(nèi)三磷酸腺苷(ATP)的合成和轉(zhuǎn)化以及細(xì)胞新陳代謝過(guò)程中的酶促反應(yīng)，均離不開(kāi)磷元素的參與[18]。本項(xiàng)目通過(guò)給與不同生長(zhǎng)條件發(fā)現(xiàn)不同的氮磷濃度對(duì)藻類(lèi)生長(zhǎng)影響不同，在高濃度磷低濃度氮條件下對(duì)藻類(lèi)生長(zhǎng)有一定的抑制性作用。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)精密稱量天平依次在不同氮磷濃度下培養(yǎng)藻類(lèi)，培養(yǎng)后的藻類(lèi)物質(zhì)通過(guò)顯微觀察其細(xì)胞變化情況，經(jīng)多次調(diào)試得出低的氮磷比會(huì)抑制藻類(lèi)生長(zhǎng)。水是生命之源，抑制藻類(lèi)生長(zhǎng)能控制藻華的形成，可以讓水質(zhì)提升，豐富水資源，提高環(huán)境質(zhì)量，在生活中人們要盡量避免氮磷直排水體中的情況，這樣就可以防止水華等現(xiàn)象產(chǎn)生，讓水環(huán)境更加美好，讓生活得更加安全。