两种不同氮磷比下的藻类生长曲线

张 欢，刘德富，2，张佳磊，严广寒，2，叶海松

两种不同氮磷比下的藻类生长曲线

张 欢1，刘德富1，2，张佳磊1，严广寒1，2，叶海松1

（1湖北工业大学土木建筑与环境学院，河湖生态修复与藻类利用湖北省重点实验室，湖北武汉430068；2三峡大学水利与环境学院，三峡库区生态环境教育部工程研究中心，湖北宜昌443002）

针对有关学者研究氮磷比对浮游藻类生长及群落结构的影响所得出的不同结论，选取有代表性的氮磷比，探究氮磷比对藻类生长曲线的影响，为治理湖泊富营养化提供理论基础，同时也为富营养化水体的水华控制提供依据。通过室内控制试验，设置两组氮磷比40∶1和16∶1，研究两种不同氮磷比下的藻类生长曲线。研究结果表明：当环境中的磷充足时，藻类生长的最佳条件氮磷比40∶1要优于氮磷比16∶1；氮磷比在40∶1条件下，TP与Chla的关系曲线为：Y＝5.6196 X－1.201（R2＝0.871，P＜0.057）；TN与Chl－a的关系曲线为：Y＝173.87 e－0.16x（R2＝0.9154，P＜0.05）；TP与TN的关系曲线为：Y＝15.18 X＋8.1567（R2＝0.9297，P＜0.05）。氮磷比在16∶1条件下，TP与Chla的关系曲线为：Y＝－37.365 X＋31.501（R2＝0.799，P＜0.05）。

氮磷比；营养盐；浮游藻类；生长曲线

水华的爆发从本质上讲，就是随着营养盐（氮、磷、硅）质量浓度的增长，藻类快速生长增殖超过一定限值，在适宜的水文气象条件下，上浮聚集到水体表层为肉眼所见的现象［1］。通常情况下，限制浮游植物生长的主要营养元素为N、P［2－3］，如Michael Neill［4］研究表明，在盐度低的水体中，P对浮游植物的生长起限制作用，在盐度为35‰左右时，N、P同时会限制浮游植物生长，而在盐度大于30‰时，N对浮游植物生长起限制作用［3，5］。关于氮磷营养限制对藻类生长的影响已有许多研究，早年对海洋浮游植物的研究就已经开始注意营养比率对浮游植物生长的影响［6］。氮磷比率直接影响藻类生长、细胞组成及其对营养的摄取能力［7－10］。国内外众多研究者收集比值变化范围相当广泛［11－13］，Pick等［14］报道，氮磷质量比从10降低到5，藻类总生物量随之减少。John等［15］发现，亚历山大藻的生长情况在不同氮磷质量浓度配比下有很大差异。Zohary等［16］提升总氮对总磷的比率后发现，铜绿微囊藻数量减少。Stockner等［17］报道，试验中氮磷质量浓度比值从15提高到25，试验水体中的鱼腥藻逐渐向聚球藻演化。

由A.C.Redfield（1958）提出的藻类健康生长及生理平衡所需的16∶1［6，18］的适宜氮磷比率已经在很多文献中提到，而且已经被广大学者所接受［19］，但不同种类藻细胞的元素组成存在着差异［20］，对各类营养物质的需求也不尽相同［21］，而环境则会优先选择与之相适应的特征藻种形成适者生存的群落［22］。丰茂武在不同氮磷比对藻类生长的影响中表明，当环境中的磷充足时，藻类生长的最佳条件是m（N）∶m（P）＝40∶1［22］。

因此，本文设置16∶1和40∶1两组不同质量浓度的氮磷比，通过室内分析实验，来探究两组不同质量浓度的氮磷比对藻类生长曲线的影响，为治理湖泊富营养化提供理论基础，同时也为富营养化水体的水华控制提供依据。

1 实验材料及方法

1.1 实验器材与材料

UV－1700紫外分光光度计（上海美析）、抽滤机、玻璃棒、量筒、烧杯、移液管、上海博迅立式压力蒸汽灭菌锅、玻璃煤油温度计（河北华光）、滤纸、布氏漏斗、真空干燥箱、50mL离心管、25mL离心管、注射器、分析天平、TDZ4－WS长沙湘智离心机等。

1.2 实验方法

1.2.1 培养液的配置 实验所需培养液：以BG11培养基为基础，控制总氮（或总磷）质量浓度保持不变，且其质量浓度均在藻类生长阈值之上。以K2HPO4为磷源，NaNO3为氮源，Na2SiO3为硅源。

表1 培养液组成

表2 BG11培养基配方

表3 A5药品配方

1.2.2 接种藻的来源 将原水（香溪河）中的藻种实验前期扩大培养一周，饥饿培养2d后，取适量藻类在离心机上以5 000r／min离心5min，去掉上清液；用15mg／L NaHCO3溶液洗涤，离心，去上清液，去除吸附性的营养；重复离心1次；应用缺氮和缺磷的饥饿培养基稀释至接种所需的藻细胞浓度。

1.2.3 采样时间及监测指标 在透明水框（40cm ×30cm×70cm）里加入30L培养液，将接种的藻液加入到培养液中，实验设定2组平行实验组，光照强度为4500lx，光暗比为12∶12，温度为24℃。于每天21∶00取样，每次取样100mL，取样后用纯水补充至原水位。监测频率为1d／次；实验周期为9 d；监测指标包括总氮（TN）、NO3、NH4、总磷（TP）、PO4、Chla。

2 实验结果与分析

2.1 N的消耗曲线

藻类在两组不同氮磷比营养盐情况下，N氮的消耗趋势如图1—图3所示。N、P质量浓度在试验期间均保持在浮游植物生长阈值之上。

从图1可知，氮磷比16∶1和40∶1的实验组的测量结果，与它们各自平行样测得结果大致相同，误差并不太大，两组实验组TN质量浓度的总体趋势都是呈降低趋势。氮磷比为40∶1的实验组，总磷质量浓度由初始值最高的19.839mg／L降到11.011mg／L，降低了8.828mg／L，平均每天降低了1.104mg／L。而氮磷比为16∶1的实验组，总氮质量浓度由初始值最高的2.833mg／L降到1.973mg／L，降低了0.86mg／L，平均每天降低了0.108mg／L。由图6可知，整个实验期间，藻类均在生长，并没有到达衰亡期，说明藻类对总氮的消耗吸收，氮磷比40∶1的条件比氮磷比16∶1的条件快。

图1 不同氮磷比TN消耗曲线

从图2可知，氮磷比16∶1和40∶1的实验组的测量结果，与它们各自平行样测得结果也大致相同，误差并不是太大，两组实验组NO3质量浓度的总体趋势都是呈降低趋势。氮磷比为40∶1的实验组，NO3质量浓度由初始值最高的19.807mg／L降到11.937mg／L，降低了7.87mg／L，平均每天降低了0.984mg／L。而氮磷比为16∶1的实验组，NO3浓度由初始值最高的2.349mg／L降到1.330mg／L，降低了1.019mg／L，平均每天降低了0.127mg／L。与总氮一样，藻类对NO3的消耗吸收，氮磷比40∶1的条件比氮磷比16∶1的条件快。

图2 不同氮磷比NO3消耗曲线

从图3可知，与TN和NO3不同，NH4两组不同氮磷比的实验组的测量结果，与它们各自平行样测得结果总体趋势大致一致，但是各自平行实验组的误差较大，可能是由于实验过程中操作不当造成的。并且从NH4的变化曲线图中，看不出来藻类在氮磷比40∶1和16∶1的条件下对营养盐消耗吸收的快慢，也无法确定藻类更适合在那种条件下生长，需要后期实验加以验证。

图3 不同氮磷比NH4消耗曲线

2.2 磷的消耗曲线

从图4可知，氮磷比16∶1的实验组的测量结果，与它平行样测得结果大致相同，误差并不是太大；氮磷比40∶1的实验组的测量结果，与它平行样测得有一定的误差，但是两组实验组TP质量浓度的总体趋势都是呈降低趋势。氮磷比为40∶1的实验组，TP质量浓度由初始值最高的0.838mg／L降到0.261mg／L，降低了0.577mg／L，平均每天降低了0.072mg／L。而氮磷比为16∶1的实验组，TP质量浓度由初始值最高的0.607mg／L降到0.267 mg／L，降低了0.34mg／L，平均每天降低了0.043 mg／L。与TN和NO3的一样，藻类在氮磷比40∶1的条件比氮磷比16∶1的条件下，对TP的消耗吸收的快。

图4 不同氮磷比TP消耗曲线

从图5可知，氮磷比16∶1和40∶1的实验组的测量结果，与它各自平行样测得结果总体趋势大体相同，但各自的实验组与平行组存在较小的误差；氮磷比40∶1的总体趋势与TP都是呈降低趋势，而氮磷比16∶1的则是先升高后降低。氮磷比为40∶1的实验组，PO4质量浓度由初始值最高的0.441mg／L降到0.164mg／L，降低了0.277mg／L，平均每天降低0.035mg／L。而氮磷比为16∶1的实验组，PO4质量浓度由初始值的0.301mg／L升到最高值0.417mg／L，然后再降到0.211mg／L，降低了0.206mg／L，平均每天降低0.034mg／L。

洪华生［23］等研究发现，当水体溶解无机磷降低到一定浓度时，浮游植物体碱性磷酸酶活力可突增，它提供了浮游植物直接利用DOP的条件。黄世玉［24］等研究发现，藻类可能存在两条溶解有机磷化合物（DOP）利用途径，一条是直接被藻类吸收利用，另一条是被诸如碱性磷酸酶等水解后吸收。即对于小分子DOP化合物，藻类为直接吸收，对较大分子的DOP，则经碱性磷酸酶降解后再吸收利用。所以在氮磷比16∶1条件下，磷的含量相对于氮磷比40∶1的条件，磷的含量较低，磷成为限制因素，促使植物体碱性磷酸酶活力可突增，水体中大分子DOP化合物经碱性磷酸酶降解，使得PO4质量浓度出现一个小峰值，1月15日之后大分子DOP化合物消耗殆尽，使PO4质量浓度又慢慢降低，全过程都是磷形态的一个转化过程，所以TP的含量并没有较大波动。从图5可知，与TP一样，藻类在氮磷比40∶1的条件比氮磷比16∶1的条件下，对PO4的消耗吸收的快。

图5 不同氮磷比PO4消耗曲线

2.3 藻类生长曲线

从图6可知，氮磷比16∶1和40∶1的实验组的测量结果，与它们各自平行样测得结果大致相同，误差并不是太大，两组实验组TN质量浓度的总体趋势都是先平稳变化然后再逐渐上升。氮磷比为40∶1的实验组，Chla质量浓度由初始值最低的7.52mg／L升到30.9mg／L，升高了23.38mg／L，平均每天升高了2.92mg／L。而氮磷比为16∶1的实验组，Chla质量浓度由初始值9.68mg／L升到21.22mg／L，升高了11.54mg／L，平均每天升高了1.44mg／L。

图6 不同氮磷比Chla消耗曲线

实验组与平行组前期（1月12—15日）Chla质量浓度变化不大，可能是刚接种的藻种对环境有个适应阶段，并且Chla质量浓度低，可能藻细胞还在生长期，并没有开始繁殖。从氮磷营养盐消耗的曲线图可以看出，前期营养盐变化较小，相对于前期，后期（1月17—20日）变化要更明显一些。实验中期（1月15—16日）氮磷比16∶1和40∶1两组实验Chla质量浓度都有一个陡增的过程，可能是经过适应期和生长期后，第一批生长的藻种开始繁殖所致，之后趋于平稳又进行下一次的生长。并且由图6可知，氮磷比40∶1的条件要优于氮磷比16∶1的条件先进入繁殖期，并且后期Chla质量浓度，氮磷比40∶1的条件也比氮磷比16∶1的条件下高，这说明氮磷比40∶1的条件更适应藻类的生长。

2.4 相关性分析

运用IBM SPSS Statistics 21对TP、TN、Chla做双变量相关性分析，可知，在氮磷比16∶1的情况下，TP与Chla呈现出极显著负相关（P＜0.01，r＝－0.892），而TN与Chla，TN与TP相关性不显著。在氮磷比40∶1的情况下，TP与Chl－a呈现出极显著负相关（P＜0.01，r＝－0.872）；TN与Chla也呈现出极显著负相关（P＜0.01，r＝－0.944）。而TN与TP呈现出极显著正相关（P＜0.01，r＝0.964）。

2.5 氮磷与叶绿素关系曲线

运用IBM SPSS Statistics 21分析出，在氮磷比40∶1的条件下，TP与Chla、TN与Chla以及TN与TP之间都存在极显著相关；在氮磷比16∶1的条件下，只有TP与Chla存在极显著相关。根据测量数据做出各自的散点图并添加趋势线（图7—10）。

图7 氮磷比40∶1TP与Chl－a相关性曲线

图8 氮磷比40∶1TN与Chl－a相关性曲线

由图可知，氮磷比在40∶1条件下：TP与Chl－a的关系曲线为Y＝5.6196 X－1.201；（R2＝0.871，P＜ 0.05）；TN与Chl－a的关系曲线为Y＝173.87 e－0.16x；（R2＝0.9154，P＜0.05）；TP与TN的关系曲线为Y＝15.18x＋8.1567；（R2＝0.9297，P＜0. 05）。氮磷比在16∶1条件下：TP与Chl－a的关系曲线为Y＝－37.365x＋31.501；（R2＝0.797，P＜0.05）。

图10 氮磷比16∶1TP与Chl－a相关性曲线

3 结论

1）氮磷比与浮游藻类的生长关系密切。藻类的生长并不单单依赖于某一种营养元素，当环境中的磷充足时，藻类生长的条件，氮磷比40∶1要优于氮磷比16∶1。

2）氮磷比在40∶1条件下，TP与Chl－a的关系曲线为：Y＝5.6196 X－1.201（R2＝0.871，P＜0.05）；TN与Chla的关系曲线为：Y＝173.87 e－0.16x（R2＝0.9154，P＜0.05）；TP与TN的关系曲线为：Y＝15.18x＋8.1567（R2＝0.9297，P＜0.05）。

3）氮磷比在16∶1条件下，TP与Chl－a的关系曲线为：Y＝－37.365x＋31.501（R2＝0.797，P＜0.05）。

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Algae Growth Curves under Two Different Ratios of Nitrogen to Phosphorus

ZHANG Huan1，LIU Defu1，2，ZHANG Jialei1，YAN Guanghan1，2，YE Haisong1
（1 School of Civil Engineering，Architecture and Environment，Hubei Univ.of Tech.，Key Laboratory of Hubei Province for Lake Restoration and Algae in the Laboratory of Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China；2 Water Conservancy and Environment Institute，The Three Gorges University，The Ecological Environment Engineering Research Center of The Ministry of Education of The Three Gorges University，Yichang443002，China）

According to the different conclusions about the impact studies of nitrogen phosphorus ratio on phytoplankton growth and community structure，in order to explore the effects of nitrogen phosphorus ratio on the growth curve of algae，selecting a representative of the ratio of nitrogen and phosphorus，it aims to solve eutrophication of lakes and provide a theoretical basis for governance，but also for eutrophication water bloom and provide a theoretical basis for the some control.Through indoor control experiment，two groups of nitrogen and phosphorus ratio 40：1and 16：1were set up to study the growth curves of algae under two different ratios of nitrogen and phosphorus.The results show that，（1）when the phosphorus in the environment is sufficient，the optimum conditions for the growth of nitrogen and phosphorus than 40：1are better than the nitrogen to phosphorus ratio 16：1.（2）Under the condition of 40：1，the relationship curve between TP and Chl A：Y＝5.6196X＾（1.201）.The relationship curve between TN and Chl A：Y＝173.87e＾（0.16x），and the relationship curve between TP and TN：Y＝15.18x＋8.1567.Under the condition of 16：1，the relationship curve between TP and Chl A：Y＝37.365x＋31.501.

nitrogen phosphorus ratio：nutrient salt：planktonic algae：growth curve

X52

A

［责任编校：张 众］

1003－4684（2017）04－0075－05

2017－04－18

国家科技合作与交流专项（2014DFE70070）；国家自然科学基金青年科学基金项目（51209190，51509086）；国家自然重大计划项目（91647207）；国家水体污染控制与治理科技重大专项（2014ZX07104－005－02）

张 欢（1992－），男，湖北武穴人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为生态水工学