不同形态氮对洋河水库螺旋鱼腥藻和惠氏微囊藻生长的影响

李 涵，许秋瑾，储昭升，张亚丽，蒋丽佳

1.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京 100083

2.中国环境科学研究院，北京 100012

不同形态氮对洋河水库螺旋鱼腥藻和惠氏微囊藻生长的影响

李 涵1，许秋瑾2*，储昭升2，张亚丽2，蒋丽佳2

1.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京 100083

2.中国环境科学研究院，北京 100012

利用室内培养试验比较研究了硝酸盐氮和氨氮对洋河水库螺旋鱼腥藻和惠氏微囊藻生长的影响.结果表明：ρ(氨氮)和ρ(硝酸盐氮)均在0.05～10 mg/L内时，螺旋鱼腥藻的生长曲线无显著性差异，氨氮更有利于螺旋鱼腥藻的生长;在0.05～10 mg/L内，ρ(氨氮)和ρ(硝酸盐氮)的升高能明显促进惠氏微囊藻的生长，但高浓度的氨氮可能会抑制其生长.当ρ(硝酸盐氮)为0.05 mg/L时，螺旋鱼腥藻比生长速率(0.239 d-1)大于惠氏微囊藻(0.166 d-1);ρ(氨氮)为0.05和 0.5 mg/L时，螺旋鱼腥藻的比生长速率分别为(0.266±0.012)和(0.303±0.005)d-1，大于惠氏微囊藻的比生长速率(0.096±0.004)和(0.272±0.008)d-1.提示在ρ(氨氮)和ρ(硝酸盐氮)较低的培养条件下，螺旋鱼腥藻比生长速率更高，更易成为优势藻种.洋河水库近2年优势种逐渐从螺旋鱼腥藻转变为惠氏微囊藻，可能是水体中ρ(氮)的变化所致.

螺旋鱼腥藻;惠氏微囊藻;硝酸盐氮;氨氮;比生长速率

蓝藻水华暴发是湖泊富营养化造成的严重问题［1-2］.藻类的暴发和演替与水体中的氮有着密切的联系.洋河水库的优势藻种是螺旋鱼腥藻和惠氏微囊藻.螺旋鱼腥藻属于固氮藻，在水体中氮缺乏的条件下，部分营养细胞会转变成具有固氮作用的异形胞［3］.微囊藻是一种非固氮蓝藻，是广泛存在于富营养化水体中的水华优势种［4］.关于2种藻的演替规律，有研究［5］认为，在低氮和低氮磷比的条件下，固氮蓝藻由于可以利用空气中的氮源，往往成为水华优势藻.向低氮水体中添加氮源会导致优势藻种由固氮藻变成非固氮藻［6-7］.但不同形态氮对藻类生长和竞争的影响鲜见报道.2007年6月下旬，洋河水库暴发了螺旋鱼腥藻水华，但近2年来，洋河水库优势藻种已经由螺旋鱼腥藻转变成惠氏微囊藻.针对该现象，有针对性地选择了氨氮和硝酸盐氮2种影响因素，研究不同ρ(硝酸盐氮)和ρ(氨氮)对洋河水库螺旋鱼腥藻和惠氏微囊藻生长的影响，以期从不同形态氮影响藻类生长机制的角度探讨惠氏微囊藻代替螺旋鱼腥藻成为水华优势藻种的原因.

1 材料与方法

1.1 藻种及培养基

藻种为洋河水库水华暴发时提取的螺旋鱼腥藻和惠氏微囊藻.藻种保存在中国环境科学研究院藻类培养室，25℃和2 500 lx条件下使用 M11培养基［8］培养.

试验以 M11培养基为基础，配置成无氮培养基.采用500 mL锥形瓶，内置200 mL培养基.试验分为硝酸盐氮组和氨氮组，对螺旋鱼腥藻和惠氏微囊藻单独培养.参考《地表水环境质量标准基本项目标准限值》(GB3838—2002)，每组设置 4个ρ(硝酸盐氮)和ρ(氨氮)，分别为 0.05，0.5，2 和 10 mg/L，每组设5个平行样.根据设定浓度添加相应量的NaNO3或NH4Cl.试验培养条件：光照强度为2 000 ～2 500 lx，光暗比为 12 h∶12 h，每天人工摇动3 次［9-10］.

利用处于对数增长期的藻进行接种.接种前使用含正常量1/10氮的M11培养基进行4 d的饥饿培养.螺旋鱼腥藻和惠氏微囊藻的初始接种浓度分别为6.0×102和5.0×104mL-1.

1.2 藻细胞计数

惠氏微囊藻细胞用血球计数板(Minato TAT AI)在光学显微镜(Olympus BH-2)下计数，每次计数细胞30～300个，每个样品计数3次.螺旋鱼腥藻使用0.1 mL浮游植物计数板在光学显微镜下计数，每个样品计数3次.

根据定期测定的生物量，按照以下公式测定对数增长期内藻类的比生长速率(μ)：

式中，X0为初始细胞密度，mL-1;Xt为第t天细胞密度，mL-1;t为时间，d.

1.3 培养基中剩余氮含量

分别在试验的第6天(对数期)和第16天(稳定期)测定培养基中剩余硝酸盐氮和氨氮的质量浓度(mg/L)［11］.

1.4 统计学方法

采用SPSS分析软件中One way ANOVA进行多个样本平均值间的比较.

2 结果

2.1 ρ(硝酸盐氮)对螺旋鱼腥藻和惠氏微囊藻生长特性的影响

由图1可见，不同ρ(硝酸盐氮)下螺旋鱼腥藻的最大生物量(以藻细胞密度计)分别为2.17×104，1.93 ×104，1.47 ×104和 1.60 × 104mL-1，不同ρ(硝酸盐氮)下螺旋鱼腥藻的生长曲线无显著性差异(P＞0.05).但ρ(硝酸盐氮)对惠氏微囊藻的生长影响较大(P＜0.01)，惠氏微囊藻的最大生物量(以藻细胞密度计)依次为 2.54×105，1.36×106，2.51×106和 4.23 ×106mL-1，可见，ρ(硝酸盐氮)的升高，能促进惠氏微囊藻的生长.

图1 不同ρ(硝酸盐氮)下螺旋鱼腥藻和惠氏微囊藻的生长曲线Fig.1 Growth curves of Anabaena sp.and Microcystis sp.under different nitrate conditions

由图2可见，螺旋鱼腥藻的比生长速率在0.23～0.25 d-1之间，无显著性差异(P＞0.05).而ρ(硝酸盐氮)的增加明显促进了惠氏微囊藻的生长(P＜0.01).结果表明ρ(硝酸盐氮)为 0.05 mg/L时，螺旋鱼腥藻的比生长速率远大于惠氏微囊藻的比生长速率.由此推测，低ρ(硝酸盐氮)条件下，螺旋鱼腥藻有可能成为优势藻种.

图2 不同ρ(硝酸盐氮)下2种藻的比生长速率Fig.2 Specific growth rates of Anabaena sp.and Microcystis sp.under different nitrate conditions

2.2 ρ(氨氮)对螺旋鱼腥藻和惠氏微囊藻的生长的影响

当 ρ(氨氮)是 0.05，0.5，2 和 10 mg/L 时，螺旋鱼腥藻的最大生物量(以藻细胞密度计)为2.45×104，2.15×104，3.54×104和 3.85×104mL-1(见图3)，不同ρ(氨氮)下螺旋鱼腥藻的生长曲线无显著性差异(P＞0.05).但ρ(氨氮)对惠氏微囊藻的生长影响较大(P ＜0.01)，当ρ(氨氮)是 0.05，0.5，2和10 mg/L时，惠氏微囊藻的最大生物量(以藻细胞密度计)分别为 3.81×105，1.00×106，2.40×106和1.51×106mL-1，在 0.05～2 mg/L范围内，随着ρ(氨氮)的增加，惠氏微囊藻最大生物量逐步增大，但当ρ(氨氮)为10 mg/L时，最大生物量下降.

图3 不同ρ(氨氮)下螺旋鱼腥藻和惠氏微囊藻的生长曲线Fig.3 Growth curves of Anabaena sp.and Microcystis sp.under different ammonium conditions

由图 4可见，当ρ(氨氮)为 0.05，0.5，2和 10 mg/L时，螺旋鱼腥藻比生长速率分别为 0.266±0.012，0.303±0.005，0.300±0.002和 0.333±0.010 d-1，试验结果基本相近.当ρ(氨氮)为0.05，0.5，2和10 mg/L时，惠氏微囊藻的比生长速率分别为0.096±0.004，0.272±0.008，0.380±0.010和0.364 ±0.002 d-1，表明当ρ(氨氮)小于10 mg/L时，比生长速率逐渐增大，但当达到10 mg/L时，又有所降低，说明高ρ(氨氮)有可能抑制惠氏微囊藻的生长.ρ(氨氮)低于0.5 mg/L时，螺旋鱼腥藻的比生长速率明显大于惠氏微囊藻，可见在低ρ(氨氮)下，螺旋鱼腥藻有可能成为优势藻种.

图4 不同ρ(氨氮)下2种藻的比生长速率Fig.4 Specific growth rates of Anabaena sp.and Microcystis sp.under different ammonium conditions

对比分析表明，ρ(氮)为2 mg/L时，螺旋鱼腥藻在氨氮培养基中最大生物量为3.54×104mL-1，在硝酸盐氮培养基中最大生物量为1.47×104mL-1，表明在相同的浓度条件下，氨氮更有利于螺旋鱼腥藻生长.在0.5，2和10 mg/Lρ(氮)条件下，惠氏微囊藻在氨氮培养基中最大生物量(1.00×106，2.40×106和1.51×106mL-1)均小于硝酸盐氮培养基中的生物量(1.36×106，2.51×106和4.23×106mL-1)，表明对惠氏微囊藻而言，硝酸盐氮比氨氮更有利于其生长.

3 讨论

研究表明，ρ(氮)在0.05～10 mg/L内对螺旋鱼腥藻的生长特性影响不大，原因可能是螺旋鱼腥藻属于固氮藻类［12-15］，当外源ρ(氮)降低时，鱼腥藻的部分营养细胞会转变成含有固氮酶的异形胞，起到固氮作用［16-18］，异性胞的所占比例越大，鱼腥藻的生长潜力也就越大，可见螺旋鱼腥藻是很好的氮竞争者［19-20］.氨氮培养条件下，螺旋鱼腥藻的比生长速率大于同浓度硝酸盐氮培养条件下的比生长速率，可见氨氮更易于被螺旋鱼腥藻利用.当氨氮作为唯一氮源时，由于其能够被藻细胞直接利用而更利于螺旋鱼腥藻生长［21-22］.

ρ(氮)对惠氏微囊藻的生长影响较大(P＜0.05).该研究表明，硝酸盐氮更有利于惠氏微囊藻的生长.有研究［22］表明，氨氮相对于其他形式的氮更易被藻细胞吸收，但通常又认为高ρ(氨氮)能抑制微囊藻生长.唐全民等［23］的研究表明，ρ(氨氮)大于0.5 mmol/L(7 mg/L)时，藻细胞比生长速率略微降低，达到40 mmol/L，则微囊藻的生长受到严重抑制，这和该研究中10 mg/Lρ(氨氮)下藻细胞比生长速率略微降低的结果基本一致.

对比研究表明，ρ(硝酸盐氮)为0.05 mg/L时，螺旋鱼腥藻比生长速率(0.239 d-1)大于惠氏微囊藻(0.166 d-1)，ρ(氨氮)为 0.05 和 0.5 mg/L时，螺旋鱼腥藻比生长速率分别为0.266±0.012和0.303±0.005 d-1，均大于惠氏微囊藻的比增长速率(0.096±0.004和0.272±0.008 d-1).在较低ρ(氨氮)和ρ(硝酸盐氮)下，螺旋鱼腥藻比生长速率更高，更具生长优势，提示低ρ(氮)培养下，螺旋鱼腥藻更易成为优势种.

2007年6月洋河水库暴发螺旋鱼腥藻水华，当时ρ(氮)大于2 mg/L，而现场分离的藻种并未见异形胞.2009年6月24日，7月1日和8日 3次现场采样数据表明，整个库区ρ(氮)平均值为 3.12～3.29 mg/L，ρ(氨氮)平均值为 0.15～0.40 mg/L，ρ(硝酸盐氮)平均值较高，为 1.89～2.44 mg/L，优势藻种为惠氏微囊藻.该研究结果能较合理地诠释该现象，说明随着洋河水库ρ(氮)的增加，优势藻种逐渐演变为惠氏微囊藻.

4 结论

洋河水库近2年水华优势种逐渐从螺旋鱼腥藻转变为惠氏微囊藻，主要是由水体中ρ(氮)变化所致.试验结果表明，在较低ρ(氨氮)和ρ(硝酸盐氮)下，螺旋鱼腥藻更易成为优势种，但随着ρ(氮)的升高，在一定范围内能促进惠氏微囊藻的生长.2007—2009年，随着洋河水库ρ(氮)的增加，惠氏微囊藻成为优势藻种.

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Effects of Different Forms of Nitrogen on the Growth of Anabaena sp.and Microcystis sp.from Yanghe Reservoir

LI Han1，XU Qiu-jin2，CHU Zhao-sheng2，ZHANG Ya-li2，JIANG Li-jia2
1.College of Chemical and Environmental Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China
2.Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China

Using the indoor culture method，the effects of nitrate nitrogen and ammonia nitrogen on the growth of Anabaena sp.and Microcystis sp.were studied and compared.The results indicated that when the concentrations of ammonia nitrogen and nitrate nitrogen were in the range of 0.05-10 mg/L，there was no significant difference between the growth curves of Anabaena sp.At the same concentration，ammonia nitrogen was more beneficial to the growth of Anabaena sp.Increasing the concentrations of nitrate and ammonia nitrogen in the range of 0.05-10 mg/L clearly promoted the growth of Microcystis sp.However，higher concentrations of ammonia nitrogen may inhibit its growth.When the concentration of nitrate nitrogen was 0.05 mg/L，the specific growth rate of Anabaena sp.(0.239 d-1)was bigger than that of Microcystis sp.(0.166 d-1).When the concentration of ammonia nitrogen was 0.05，0.5 mg/L，the specific growth rate of Anabaena sp.(0.266±0.012，0.303±0.005 d-1)was bigger than that of Microcystis sp.(0.266 ±0.012，0.303 ±0.005 d-1).The results show that，at low nitrogen concentrations，the specific growth rate of Anabaena sp.was far bigger than that of Microcystis sp..Anabaena sp.is preferred as the dominant species.The changing proportions of different forms of nitrogen maybe the reason why Microcystis sp.has been the dominant species in recent years.

Anabaena sp.;Microcystis sp.;nitrate nitrogen;ammonia nitrogen;specific growth rate

X524

A

1001-6929(2010)12-1494-05

2010-03-10

2010-08-31

国家环保公益性行业科研专项(200809145，200909048)

李涵(1985-)，女，河北邯郸人，lhan118@126.com.

*责任作者，许秋瑾(1970-)，女，江苏无锡人，研究员，博士，主要从事湖泊生态学研究，xuqj@craes.org.cn