细基江蓠(Gracilaria tenuistipitata)对海水池塘养殖区Cu2+生物修复的初步研究*

丁兰平 徐佩杭 杨宇峰 黄冰心①

(1.汕头大学 汕头 515063;2.暨南大学 广州 510632)

海水养殖可进一步满足人们对蛋白质的大量需求,同时也能带来巨大的经济效益。但随着养殖规模的扩大及人类对海洋环境的影响,海产品中重金属的富集及超标已成为一大问题,并引起广泛的关注。据报道,伊朗波斯湾地区的金枪鱼罐头和巴西日本海鲜餐厅中的生鱼片均测出含有Hg、Cd、Pb等重金属(Emami Khansariet al,2005;Morganoet al,2014);马来西亚的西海岸中贻贝富集有 Cd、Cu等重金属(Yapet al,2004);广东沿海海域有些养殖牡蛎中Zn、Cu含量超标,栉孔扇贝及牡蛎中Cd含量也超过无公害标准,而珠江三角洲的大量食用海鱼体内均富集有Cu、Zn、Pb、Cd等重金属(姜杰等,2009;Leunget al,2014);宁波市售海产品中如海蜇、蚶子、贻贝、毛蚶、牡蛎、香螺和泥螺等Cd、Cu超标严重(王立等,2013);大连市售部分海产品存在不同程度的Pb、Cd污染(宋晓昀等,2013);广西茅尾海 2种养殖牡蛎重金属污染严重,食用价值受到严重威胁(宋忠魁,2011)。

重金属可通过食物链传递进入人体,对人体造成多方面、多层次的危害(王豫,2011;Zhaoet al,2014)。因此,海产品的重金属超标问题需要引起重视,并对其采取一定的措施。但海水养殖区的环境、构造比较特殊,如果使用已广泛应用于工业生产中的物理方法[如活性炭吸附法(Hamzaet al,2013)]和化学方法[如絮凝沉淀法(韩晓婷等,2013)、膜分离技术法(邓永光等,2013)]治理,不仅耗时费力,还会带来一定的经济损失,然而通过生物修复途径则能较好地规避这些缺陷。据报道,利用海洋微藻如小球藻对Zn、Pb等重金属进行生物吸附,效果显著(Kumaret al,2013;申鹰等,2014);而利用微生物如海洋细菌对重金属污染水域进行生物修复也是可行的(Dashet al,2013;Janet al,2014)。

另外,许多研究表明大型海藻对重金属污染有一定的生物修复能力。据报道,大型海藻孔石莼和裙带菜对 Cu均有较强的吸附能力(魏海峰等,2008;Chenet al,2008);而龙须菜和马尾藻对水体Cd有较好的去除效率,适宜对海水 Cd污染进行生物修复(Hashimet al,2004;吴小松等,2009);另外,皮江蓠和石生蜈蚣藻(新拟名)Grateloupia lithophila对环境中的 Cd、Hg、Pb、Cd均有较好的生物吸收能力(Tamilselvanet al,2013)。利用大型海藻去除重金属有诸多优点,如能耗低、效率高、吸附量大、环境友好,以及可处理高浓度或低浓度重金属污染水体等,潜能巨大( Shenget al,2007;Egeet al,2013)。但并不是所有的大型海藻都可以对重金属污染生物修复,所选的大型海藻既要有较强的重金属富集能力,又要对重金属有较高的耐受性和较大的生物量,如江蓠、海带等(陆开形等,2006)。

目前,大多数重金属生物修复研究多集中在近海岸,对于我国传统海水池塘养殖的相关研究却很少。而海水池塘养殖是沿海养殖的主要方式之一,属于投饵养殖,环境更为复杂,污染物难以稀释减少,因此海水池塘养殖生物修复研究形势更为严峻。徐永健等(2007)曾研究菊花江蓠对养殖池塘水质修复实验,主要针对养殖水体中无机氮、无机磷的净化。游翠红等(2012)曾在半封闭式青蟹养殖池塘中放养细基江蓠,通过水体理化因子、青蟹产量、存活率等指标探讨细基江蓠对该水体水质的改善作用。但除了江蓠外甚少有见报道其它大型海藻用于池塘养殖生物修复,这与养殖池塘生长环境的特殊性、江蓠的强适应性密切相关。而作为大型经济海藻,我国的江蓠栽培产量在2011年超15万t,较上年增加31.94%(农业部渔业局,2012)。此外,江蓠可常年进行栽培,生长力旺盛,产量较高,是一类在生物修复方面非常有潜力的大型海藻。而且,细基江蓠作为我国南部海水池塘栽培的主要大型经济海藻,已产生较大的经济效益(陈锤,2001;潘红球等,2010),但目前未见其在海水池塘养殖区重金属生物修复方面的研究报道。

因此,本文着重探究细基江蓠对海水养殖池塘水体中重金属 Cu2+的生物修复能力,以期为综合治理海水养殖池塘的重金属污染提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料及预培养

实验材料细基江蓠取自广州市南沙区海水养殖池塘。选择健康藻体,去除表面杂藻,用大量海水冲洗材料,放在室内水族箱内暂养两周。适应期水温(24±1)°C,光照强度 100—200 lx,盐度 15,光周期12L :12D。挑选粗壮、分枝茂密整齐、颜色较浓,且藻体完整、无损伤腐烂现象的江蓠样品进行实验研究。

1.2 实验设计

实验所用Cu2+用CuSO4·5H2O粉末配制。设置了5 个 Cu2+浓度,分别为 0、0.05、0.2、0.8、2.0mg/L,每组除 0mg/L以外均分别设两个平行(由于藻体生物量不足,对照组只有一个样)。

归化与异化，是根据译者不同的文化立场而呈现出的两种翻译策略。归化采取目的语所习惯的表达方式来传达原文的内容，当源语中出现目的语中的文化盲点或是有文化差异时，要用跨文化的词语来转换成读者熟悉的文化形象，便于目的语读者理解，避免引起误解。而异化，则尽可能地在翻译时迁就外来文化的语言特点，保留译出语的语言和文化差异，其目的是开拓译出语的文化形象色彩，在风格和其他方面突出原文本之“异”[3]，多采用源语的表达方式。

实验各组均精确称取鲜活藻体(0.800±0.005)g,在 200mL人工海水和相应浓度梯度的三角瓶内,同一光照培养箱中恒温培养,培养条件为温度 25°C,光照强度 300—400 lx,盐度 29,光周期 12L :12D,pH=6。

1.3 实验分析方法

1.3.1 细基江蓠的形态学观察 从实验当天开始,每天观察藻体在不同浓度的重金属离子处理下外表形态的变化。经过一段时间,对健康藻体与受胁迫藻体进行切片并用显微镜观察。

1.3.2 细基江蓠生长率的测定 处理 14天后,用吸水纸吸干江蓠体表水分,称重,计算藻体的生长率SGR(specific growth rate)(刘静雯等,2001)。

式中,Wt为t时间的鲜重,Wo为开始时的鲜重,t为实验天数。

1.3.3 细基江蓠对水体中 Cu2+去除率的测定 于5天后取各组水样20mL,过滤加酸然后密封保存,用极普仪测定水体中重金属离子的含量。细基江蓠对水体中重金属去除率按以下公式计算:去除率(%)=[(重金属离子的起始浓度－培养后重金属离子的浓度+对照组培养后重金属离子浓度)/重金属离子起始浓度]×100%。

1.3.4 细基江蓠对水体中 Cu2+吸附量的测定 按1.3.3方法取样并测定后,计算细基江蓠对水体中重金属Cu2+吸附量。计算公式为:江蓠对重金属离子的吸附量(mg/g)=(重金属离子的起始浓度–培养后重金属离子的浓度+对照组培养后重金属离子浓度)×200mL/江蓠鲜重(g)。

1.3.5 细基江蓠实际光合效率的测定 利用water-pam分别在第4、9、14天时分别对所有样品中的藻体进行实际光合效率Yield测定。

1.3.6 数据处理与分析 数据用软件Excel 2003、Origin 8.0处理。

2 结果

2.1 Cu2+对细基江蓠外观形态的影响

藻体外观形态的变化是反映藻体对重金属胁迫反应最直观的指标。经过 14天的连续观察,细基江蓠在0—0.8mg/L的Cu2+处理下的外观形态基本没有变化,而在2.0mg/L Cu2+处理下,从第2天开始细基江蓠藻体开始绿化,到第 4天藻体已有一半绿化,到第14天仅有少量藻体未被绿化。

由图1的a与b比较可以发现,受胁迫细基江蓠藻体样品大量被绿化。说明在 2.0mg/L Cu2+浓度下,细基江蓠藻体已不能正常生长。

图2中c、d、e、f均为受胁迫藻体片段,g、h均为健康藻体片段,两者比较,可以发现受胁迫藻体表面有大量黑色素沉积,且部分藻体颜色明显变浅,说明Cu2+在藻体内部富集会造成藻体色素变化;从d、e、f的藻体片段可以看出,大部分藻体绿化是从主轴开始,然后逐步向分枝绿化。

图3中i、j为健康藻体横切面,k、l为受胁迫藻体横切面,两者比较可以看出,受胁迫藻体细胞壁稀散,无构型,细胞杂乱无章,颜色变浅,受损严重。

图1 细基江蓠受胁迫样品(a)与健康样品(b)外观对比Fig.1 Comparison in the appearance between stressed samples(a)and healthy samples(b)of G.tenuistipitata

图2 细基江蓠受胁迫的藻体片段(c,d,e,f)与健康片段(g,h)的形态特征比较Fig.2 Comparison in morphology between a part of stressed samples(c,d,e,and f)and a part of healthy samples(g and h)of G.tenuistipitata

2.2 Cu2+对细基江蓠生长的影响

图4显示,细基江蓠的生长率 SGR随着 Cu2+浓度的升高呈先上升后下降的趋势,在较高浓度2.0mg/L Cu2+胁迫下,细基江蓠鲜重出现负增长;在0.2mg/L Cu2+浓度下,SGR达最大值,说明在该浓度下细基江蓠生长最为迅速。

图3 细基江蓠受胁迫藻体横切面(k,l)与健康藻体横切面(i,j)特征比较Fig.3 Comparison of the cross section between stressed samples(k and l)and healthy samples(i and j)of G.tenuistipitata

图4 不同Cu2+浓度对细基江蓠生长率SGR的影响Fig.4 Effects of various Cu2+ concentrations on SGR of G.tenuistipitata

2.3 细基江蓠对水体中Cu2+的去除效果

在培养5天后,细基江蓠对水体中的Cu2+的去除效果见图5。实验结果表明,细基江蓠在一定程度上能吸收水体中的Cu2+,并且随着时间的变化,水体中Cu2+浓度呈下降趋势。细基江蓠对水体中Cu2+的去除率呈先下降再上升的趋势,在较高浓度 Cu2+(0.8mg/L)处理下,其去除率达到了 55.8%,而最高浓度Cu2+(2.0mg/L)处理下的去除率为69.9%。

2.4 细基江蓠对水体中Cu2+的吸附能力

本次试验研究了细基江蓠对Cu2+处理5d后的吸附量,结果如图6。由图中的变化趋势可知,在实验范围内,细基江蓠对 Cu2+的吸附量随着 Cu2+浓度的增高而增大。

图5 不同Cu2+浓度下细基江蓠去除水体中Cu2+的效果Fig.5 Removal ratio of Cu2+ in various Cu2+ concentrations in seawater by G.tenuistipitata

图6 不同Cu2+浓度下细基江蓠吸附Cu2+的效果Fig.6 Effect of Cu2+ absorption in various Cu2+ concentrations by G.tenuistipitata

2.5 水体中 Cu2+浓度对细基江蓠实际光合效率Yield值的影响

经测定,在第4、9、14天中,0—0.8mg/L Cu2+浓度培养下的细基江蓠,测定其实际光合效率Y值都处于区间[0.625,0.720],且没有明显线性变化,而2.0mg/L Cu2+浓度培养下的细基江蓠,Y值均处于区间[0.413,0.540]。比较两者区间可知,2.0mg/L Cu2+浓度对细基江蓠产生胁迫,使其光合效率明显下降。

3 讨论

海水池塘养殖大多是半封闭式净水养殖,对动物养殖来说,池塘只有蓄水养殖功能,缺乏有效的水质净化功能,养殖水环境容易恶化,重金属难以稀释降解,导致养殖产品质量及产量下降(宋伟等,2009)。藻体细胞壁是多孔结构,有较大的表面积,且其组成成分提供了大量可以与金属离子结合的官能团,使得藻类大多可以富集众多金属离子(陆开形等,2006;江用彬等,2007)。本次实验采用的大型海藻细基江蓠具有藻类所具有的一般特性,均具有适应能力强、生长快、产量高、容易栽培等优点,细基江蓠也是少数适宜于海水池塘栽培的大型藻类。故研究细基江蓠对海水池塘养殖区重金属Cu的生物修复具有较明显的生态意义。

综合分析实验 14d过程中各组细基江蓠的外观形态,以及14d的生长率的变化,可以初步反映出重金属 Cu对细基江蓠生长的影响。结果显示在小于0.8mg/L Cu2+浓度下江蓠形态上未有明显变化,而在2.0mg/L Cu2+浓度下江蓠明显受到胁迫,不能正常生长;细基江蓠的生长率随 Cu2+浓度的升高呈现先升高后下降的趋势,在 0.2mg/L Cu2+浓度下达最高值,说明在该浓度下细基江蓠生长速度最快。通过比较5d后与最初水体中 Cu2+含量的变化,在本实验范围内可以发现细基江蓠对 Cu2+的去除率随着 Cu2+浓度的升高呈现先下降后上升的趋势,在0.2mg/L Cu2+浓度下的去除效果差。通过分析、比较实验数据,发现这主要是由于5d后的0.05mg/L Cu2+浓度下某个测量值出现异常,导致该浓度下Cu2+去除率异常高,是否属正常现象还有待进一步研究验证。而细基江蓠对Cu2+的吸附量随着 Cu2+浓度的升高呈逐步升高的状态,这说明在高浓度(≥0.8mg/L)时,细基江蓠对Cu2+有较好的去除效果,且能吸附大量的Cu2+。在实验的第4、9、14天测定各组江蓠的光合效率,得出2.0mg/L Cu2+浓度下的细基江蓠组光合活力明显小于其余实验组,而其余实验组之间并无明显差异,再一次说明2.0mg/L Cu2+浓度对江蓠产生严重胁迫,影响了其光合效率。

本次研究足够说明细基江蓠对重金属铜有较好的耐受性和生物富集能力,但是实验过程仍然有不足之处,如实验组不够完善,浓度梯度(0.2—0.8mg/L之间)有待增加等,这也为以后的实验研究提供了参考。

通过本次研究,可以得出在今后的海水池塘养殖中可以选择细基江蓠与鱼虾等进行混养,通过细基江蓠对池塘进行生物修复,以达到单位海产品重金属含量达标的目的。同时细基江蓠是提取琼胶的重要原料,也可作为养殖动物的饵料,具有极高的经济价值,在修复池塘的同时能够获得较高的经济利益,是值得进行大面积推广应用的优良海藻栽培物种。

致谢在本文的工作过程中,汕头市环境保护监测站的李乐研究员为测重金属含量提供技术支持,本实验室谭华强、王展、颜泽伟等研究生在实验过程及文章修改过程中给予了热心帮助与大力支持,谨致谢忱。

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