水体中铁离子和氮磷比对藻类生长影响研究

雷玉新, 刘耀兴,2,*, 席银, 李文章

1. 三峡大学水利与环境学院, 湖北, 宜昌 443002

2. 水资源安全保障湖北省协同创新中心, 武汉 430070

水体中铁离子和氮磷比对藻类生长影响研究

雷玉新1, 刘耀兴1,2,*, 席银1, 李文章1

1. 三峡大学水利与环境学院, 湖北, 宜昌 443002

2. 水资源安全保障湖北省协同创新中心, 武汉 430070

通过配制不同氮磷质量比和铁离子浓度的培养液对蓝藻(微囊藻)进行培养, 测量其叶绿素a含量, 探究不同氮磷比以及铁离子浓度对蓝藻生长的影响。结果表明： 水体中氮磷比为40∶1, 铁离子浓度为1.2 mg·L-1时, 蓝藻的生长速率达到最大值。铁离子浓度为0时, 藻类基本不生长, 当氮磷比为80∶1或铁离子浓度为4.8 mg·L-1, 藻类生长受到抑制。实验结果表明, 在控制蓝藻生长时, 不仅要控制水中氮磷质量比, 同时需控制铁离子浓度。

蓝藻; 铁离子; 氮磷比; 叶绿素a

1 前言

水华是在一定营养、气候、水文和生物环境下形成的藻类过度繁殖和聚集现象[1]。一般认为, 水体中N、P是水华发生的限制因子, 关于水华成因研究多侧重于N、P对藻类生长的影响[2-6], 自从Martin[7]报道了亚寒带北太平洋地区水体富含氮、磷, 但浮游植物生物量很低, 其中最主要的原因是铁元素,许多学者认识到铁元素在水华形成过程中发挥着重要作用。

目前, 国内外就铁对藻类生长影响研究主要侧重于海水中[8-9], 如陈慈美等[10]在铁对海洋硅藻的生长影响方面做了大量工作, 李东侠等[11-13]研究了Fe3+对赤潮异弯藻细胞生化组成、光合作用和光合特性的影响。针对淡水中铁对藻类生长的影响研究相对较少, 刘静等[14]考察了铁对太湖三种常见藻生长的影响, 黄振芳等[15]在铁锰微量元素对藻类生长方面做了较多工作, 刘晓海等[16-17]研究了铁离子对藻类生长的影响, 这些研究表明铁元素对藻类暴发起着积极地促进作用, 为深入认识水华暴发机理及预防控制水华暴发提供了重要的科学依据。但是这些研究仅探究了铁元素对藻类生长的影响, 而铁元素和氮磷比对藻类生长的综合影响研究却鲜有报道。

本论文通过配制含有不同铁离子浓度和 N、P比的藻培养液, 设计正交实验, 探究铁离子和 N、P质量比对蓝藻中微囊藻的生长影响, 研究结果可为营养化水体水华的预警和预防控制提供初步的理论指导和技术支持。

2 材料与方法

2.1 实验材料与仪器

2.1.1 实验药品

NaNO3、柠檬酸铁胺、CaCl2·2H2O、K2HPO4、EDTANa2、MgSO4·7H2O、Na2CO3、CuSO4·5H2O、H3BO3、MnCl2·4H2O、ZnSO4·7H2O、柠檬酸、Na2MnO4·2H2O、Co(NO3)2·6H2O、丙酮(分析纯, 国药集团化学试剂有限公司, 中国)。

2.1.2 实验仪器

分析天平(ML104/02, 梅特勒-托利多仪器有限公司, 瑞士), 气泵(ACO-004, 广东日生集团有限公司, 中国), 紫外分光光度计(UV-2601, 北京瑞利分析仪器有限公司, 中国), 离心机(TG18M, 长沙平凡仪器仪表有限公司, 中国), 抽滤机(AP-01P, 天津奥特赛恩斯仪器有限公司, 中国), 纯水机(AMT-2001-PS, 重庆颐洋企业发展有限公司, 中国), 超声波清洗机(KQ-300DE, 昆山市超声仪器有限公司, 中国)。

2.2 实验方法

2.2.1 培养液的配制

用柠檬酸铵、硝酸钠、磷酸氢二钾等配制一系列浓度梯度的Fe、N、P培养液(见表1)。

2.2.2 培养方法

实验前对蓝藻种进行扩大培养 1周, 然后饥饿培养 2 d, 当藻种处于最大现存量时取适量藻种以4000 r·min-1的速度离心15 min, 弃去上清液, 再用15 mg·L-1的碳酸氢钠溶液洗涤后离心, 重复 3次,用无菌水稀释至合适的藻细胞浓度。然后将处理后的藻种转入配制的培养液中, 放入光照培养箱培养,每日定时测定1次叶绿素a(chl-a)浓度(ρ)。叶绿素a测定采用丙酮萃取-分光光度法测定。

2.2.3 测定方法

表1 不同ρ(Fe、N、P)的培养基Tab. 1 The culture medium with different concentration of Fe, N and P

取藻体培养液, 用乙酸纤维膜抽滤, 然后将滤膜放入洁净干燥的离心管中, 加入10 mL 90 %的丙酮震荡摇匀, 在阴暗条件下密封浸泡离心管底部藻24 h, 震荡摇匀, 之后以4000 r·min-1的速度离心15 min,取其上清液于1 cm 的比色皿中分别读取750 nm、663 nm、645 nm和630 nm波长的吸光度, 并以90%的丙酮做空白对样品吸光度进行校正。计算其叶绿素a含量及藻类增长速率。

叶绿素a计算公式如下：

式中： V： 水样体积(L) V1： 提取液定容后的体积 D：吸光度δ： 比色皿光程(cm)

式中： t为培养时间, ρn为tn时刻ρ(chl-a), ρn-1为tn-1时刻ρ(chl-a)。

3 结果与讨论

3.1 氮磷比对藻类生长的影响

为了探究氮磷比对藻类生长的影响, 在铁离子浓度为 1.2 mg·L-1, 氮磷比分别为 5：1、20：1、40：1和80：1时对蓝藻进行培养, 考察蓝藻中叶绿素a含量随时间的变化趋势, 结果如图1所示。由图1可见, 培养5 d以内, 所有氮磷比条件下叶绿素a含量基本不变, 5 d后, 叶绿素a含量逐渐升高, 且叶绿素a含量随N、P比的增加先升高再降低。实验初期叶绿素a浓度为0.15 mg·L-1, 培养至10 d时, N、P为5∶1条件下, 叶绿素a浓度由0.15 mg·L-1增长为0.40 mg·L-1, 而N、P比为40∶1条件下, 叶绿素a浓度达到28.28 mg·L-1, 其是N、P比为5∶1的70倍, 当 N、P比升高至 80∶1时, 叶绿素 a含量为21.55 mg·L-1, 相对N、P比为40∶1时有明显降低。由图还可看出, 藻类生长有明显的延滞期和对数生长期, 延滞期时间为 4—5 d, 且氮磷比对延滞期和对数期两个阶段出现的时间没有明显影响, 这与李建平[4]等的研究结果一致。该研究结果表明, 氮磷比可影响藻类的生长, 且藻类生长有最佳的 N、P比,在该实验条件下, 蓝藻生长的最佳N、P比为40∶1。

图1 不同氮磷比下蓝藻生长曲线Fig. 1 Growth of blue-green alga under different N：P ratio

3.2 铁离子对藻类生长的影响

为考察铁离子浓度对藻类生长的影响, 在氮磷比为40∶1、铁离子浓度分别为0、0.2、1.2和4.8 mg·L-1的条件下对蓝藻进行培养, 蓝藻中叶绿素 a含量随时间的变化如图2所示。由图2可看出, 在不同铁离子浓度下, 藻类生长依然有明显的延滞期和对数生长期, 但藻类进入对数生长期的时间有所不同,铁离子浓度越高, 藻类生长进入对数生长期的时间越短, 当铁离子浓度为4.8 mg·L-1时, 藻类在第4天进入对数期; 铁离子浓度越低, 藻类生长进入对数生长期的时间越长, 铁离子浓度为 0 mg·L-1时, 叶绿素 a的含量基本不变, 没有表现出藻类的对数生长期, 当铁离子浓度为0.2 mg·L-1时, 藻类在第9天进入对数生长期。当铁离子浓度从0.2 mg·L-1增至1.2 mg·L-1时, 随着铁离子浓度的升高, 叶绿素a的增长速度显著增加。铁离子浓度为1.2 mg·L-1时, 经过10 d培养后, 叶绿素a含量达到28.3 mg·L-1, 是铁离子浓度为0 mg·L-1时的118倍, 是铁离子浓度为0.2 mg·L-1时的4.2倍。当铁离子浓度为4.8 mg·L-1时, 经过4d的延滞期后虽然恢复了生长, 但7 d后,其藻类生长速率和叶绿素a浓度明显不如铁离子浓度为 1.2 mg·L-1时的高, 这是因为藻细胞对铁离子的吸收缺乏主动选择功能, 当水体中铁过量时, 大量铁离子进入藻细胞内, 其超过了藻类的代谢能力,过量的铁离子与带负电荷的藻细胞壁发生电荷吸引,同时与一些含硫、氮、氧的官能团发生螯合反应, 造成对藻细胞的毒害作用[18]。本次实验在同温同光照条件下进行, 同一对照组使用的培养基质完全相同, 因此, 藻类生长差异是由Fe离子浓度的不同引起的, 该实验结果表明, 铁离子浓度为 0 mg·L-1时, 藻类完全没有生长, 这说明铁是藻类生长必不可少的元素; 同时当铁离子浓度为4.8 mg·L-1时, 藻类生长受到抑。

图2 不同ρ(Fe)下蓝藻藻生长曲线Fig. 2 Growth of blue-green alga under different iron ion concentration

3.3 铁离子和氮磷比对藻类生长的络合效应

铁离子和氮磷比对藻类最大增长速率和叶绿素a最大现存量的影响如图3、4。从图3、4可以看出, 铁离子和氮磷比在藻类生长过程中起到十分重要的作用, 在无铁(0 mg·L-1)和低浓度铁(0.2 mg·L-1)或氮磷比为5∶1、20∶1的条件下, 藻类生长均受到了抑制,尤其在无铁的情况下, 藻类基本上不生长, 所以在藻类生长过程中, 铁离子是一个必不可少的元素。在同一氮磷比条件下, 铁离子浓度为1.2 mg·L-1时, 藻类生长速率最快, 叶绿素a含量也最大。铁离子浓度升高到4.8 mg·L-1, 藻类生长速率和叶绿素a的最大值均低于铁离子浓度为 1.2 mg·L-1, 铁离子浓度继续增加,可能会抑制藻类生长。同时从图中还可看出, 同一铁离子浓度下, 氮磷比为 40∶1时, 藻类的生长速率和叶绿素a的含量最大, 即氮磷比为40∶1比较适合藻类生长。所以, 在藻类生长过程中, 适宜浓度的铁离子浓度和适宜氮磷质量比都起到至关重要的作用。因此在富营养的水体中不仅要控制氮磷比, 还要削减水体中的铁元素的含量, 从而减弱水华发生的强度。

4 结论

(1) 氮磷比与藻类生长关系密切, 在一定铁离子浓度条件下, 藻类生长速率μ(N、P=40∶1)＞μ(N、P=80∶1)＞μ(N、P=20∶1)＞μ(N、P=5∶1), 藻类生长的最佳N、P比为40∶1。

(2) 在一定N、P比条件下, 铁离子浓度为0 mg·L-1时, 藻类基本不生长, 表明铁元素对藻类生长所必需的元素; 当铁离子浓度为1.2 mg·L-1时, 藻类的叶绿素含量和最大增长速率最大, 当铁离子浓度为4.8 mg·L-1时, 藻类生长受到抑制。

(3) 在富营养水体中为了控制或减弱水华发生强度, 除了控制氮磷比以外, 还要减少水体中的铁元素的含量。

图3 不同铁离子浓度对藻类生长最大增长速率影响Fig. 3 Influence of different iron ion concentration on maximum growth rate of algae

图4 不同铁离子浓度对叶绿素a最大现存量的影响Fig. 4 Influence of different iron ion concentration on maximum of chlorophyll-a

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Study on effects of iron ion and nitrogen-phosphorus ratio on the growth of algae

LEI Yuxin1, LIU Yaoxing1,2*, XI Yin1, LI Wenzhang1

1. College of Hydraulic and Environmental Engineering, China Three Gorges University, Yichang 443002, China
2. Hubei Provincial Collaborative Innovation Center for Water Security, Wuhan 430070, China

In the present study, blue-green alga (microcystis) was cultivated in the culture medium with different nitrogen-phosphorus mass ratio and iron ion concentration. Chlorophyll-a was detected to study the effects of different nitrogen-phosphorus ratio and iron ion concentration on the blue-green algae growth. The results showed that maximum blue-green algae growth rate appeared on the condition of nitrogen-phosphorus ratio of 40：1 and iron ion concentration of 1.2 mg·L-1. The algae almost did not grow when iron ion concentration was 0 mg·L-1. The blue-green algae growth was inhibited when nitrogen-phosphorus ratio was 80：1 and iron ion concentration was 4.8 mg·L-1. The results indicated that the blue-green algae growth can be prohibited by controlling nitrogenphosphorus mass ratio and iron ion concentration.

blue-green algae; iron ion; nitrogen-phosphorus ratio; chlorophyll-a

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.01.011

X172

A

1008-8873(2016)01-075-04

2015-02-04;

2015-03-10

国家自然科学基金青年基金项目(51209123); 湖北省教育厅项目(B2013174); 三峡大学人才启动基金项目(KJ2011B030)

雷玉新(1988—), 男, 湖北黄冈人, 硕士, 主要从事水污染控制及生态修复, E-mail： 781455340@qq.com

*通信作者：刘耀兴, 男, 博士, 副教授, 主要从事水污染控制方面研究, E-mail： yxliu19830218@ctgu.edu.cn

雷玉新, 刘耀兴, 席银, 等. 水体中铁离子和氮磷比对藻类生长影响研究[J]. 生态科学, 2016, 35(1)： 75-78.

LEI Yuxin, LIU Yaoxing, XI Yin, et al. Study on effects of iron ion and nitrogen-phosphorus ratio on the growth of algae[J]. Ecological Science, 2016, 35(1)： 75-78.