浒苔对富营养化海水中氮磷去除效果的研究

胡劲召,齐 丹,徐功娣

(海南热带海洋学院 海洋科学技术学院,海南 三亚 572022)

浒苔对富营养化海水中氮磷去除效果的研究

胡劲召,齐 丹,徐功娣

(海南热带海洋学院 海洋科学技术学院,海南 三亚 572022)

本文通过室内培养实验,研究了浒苔在不同藻体密度和吸收时间下,其生长过程对富营养化海水中氨氮、亚硝酸氮、总氮和总磷等营养盐的吸收和去除效果.研究结果表明:① 浒苔对富营养化海水中氨氮、亚硝酸氮、总氮和总磷均具有一定的吸收效果和去除作用.② 吸收时间≤10 h、藻体密度≤7.50 mg/L时,在富营养化海水中,浒苔藻体密度对氨氮和总氮的吸收具有重要影响、对亚硝酸氮和总磷的吸收影响不大;吸收时间对亚硝酸氮和总氮去除率提高的影响不明显;低藻体密度(≤3.75 g/L)时,吸收时间对氨氮和总磷去除率提高的影响比较大,而高藻体密度(>5.00 g/L)时,吸收时间对氨氮和总磷去除率提高的影响不明显.

浒苔; 富营养化; 海水; 氮磷

0 引言

水体富营养化是指大量未经有效处理的富含有机物质工业废水和生活污水,以及农业生产中过度施用的化肥农药随着地表径流,排入河流、湖泊、水库以及近岸海域,使水体中氮磷等营养物质浓度极大增加,导致藻类和其他浮游生物过度生长繁殖,引起水中溶解氧浓度降低、水质恶化、水生生物大量异常死亡的现象.

氮作为一种营养物质,其在水体中最重要的存在形态有氨氮、亚硝酸氮、硝酸氮等.硝酸盐、亚硝酸盐、氨和有机氮构成总氮.正磷酸盐、磷酸氢盐、多聚磷酸盐、有机磷、胶体或颗粒态是水体中磷的主要存在形式,其中正磷酸盐可供水生生物直接代谢利用.总磷则是水样经消解后将各种形态的磷转变成正磷酸盐后测定的结果.海洋虽然具有巨大的环境容量,但在地理环境比较封闭、水动力循环相对较弱的海湾和近岸海域,大量进入的氮、磷营养物质就容易造成海水富营养化,形成比较严重的海洋环境问题.根据《2015中国环境状况公报》,我国近岸海域中无机氮、活性磷酸盐、石油类是主要污染物[1],某些海域海水富营养化现象普遍存在.

浒苔在我国约有11种,条浒苔、扁浒苔、缘管浒苔都是常见的种类.潮间带岩石、泥沙滩石砾、甚至在其他大型海藻的藻体上是其经常生长的地方.富营养化海水中浒苔绿潮的爆发,大量漂浮聚集生长的浒苔会破坏海洋生态系统、阻塞航道、影响旅游业和渔业发展.

浒苔作为藻类,其生长过程中对营养盐的吸收利用可以起到净化水体水质的作用.目前,针对浒苔的研究主要集中于浒苔的生态特点、藻体成分分析、浒苔与微藻之间的克生和不同营养盐对浒苔生长影响研究等方面[2-13].但浒苔生长过程中,其生长量和吸收时间对总磷及不同存在形式氮的吸收降解规律研究还比较少.因此,本文就此内容开展部分研究,以期为浒苔在水体富营养化治理中的运用提供参考.

1 水质评价指标和测定方法

选择氨氮、亚硝酸氮、总氮、总磷作为水质评价指标.

测定方法按《海洋监测规范 第4部分:海水分析》(GB 17378.4-2007)规定进行,选择过硫酸钾氧化法测量总磷、选择次溴酸盐氧化法测定氨氮、选择过硫酸钾氧化法测定总氮、选择萘乙二胺分光光度法测定亚硝酸氮.

2 实验方案设计

2.1浒苔藻体采集和预培养

浒苔采集于三亚市近岸海域,挑选生长状态良好的藻体,在海水中荡洗去掉污物和附着生物,放进加入适量采集现场海水的容器带回实验室,捞出后用适量过滤海水(取浒苔采集现场的海水经0.45微米滤膜过滤制得)淘洗,再放入过滤海水中进行预培养,连续曝气,期间不更换海水,使浒苔藻体处于营养盐饥饿状态.

预培养条件:温度(25±1)℃;光照强度5000～6000 lx;培养时间24 h(光暗各12 h),藻体密度约10 g/L.

2.2实验原水

在过滤海水中添加适量硝酸钠和磷酸二氢钾(均为分析纯),得实验原水,其主要水质指标浓度如下:氨氮,0.11 mg/L;亚硝酸氮,0.07 mg/L;总氮,0.87 mg/L;总磷,0.06 mg/L;pH为7.1.

2.3浒苔藻体对氮磷吸收实验

将预培养浒苔藻体滤纸吸去藻体表面水分,用电子天平称取0 g、10 g、15 g、20 g、25 g、30 g 浒苔,分别放入6个塑料收纳箱(长×宽×高=35 cm×20 cm×25 cm),再分别加入4 L 实验原水,其藻体密度对应0、2.50、3.75、5.00、6.25、7.50 g/L.

培养时间为10 h,温度和光照强度条件同预培养,每隔两小时取样分析氨氮、亚硝酸氮、总氮、总磷含量.

3 结果与讨论

3.1浒苔投加量对氨氮去除效果的影响

注:图中不同字母表示显著性差异(α= 0.05), 下同.图1 浒苔投加量对氨氮的去除效果

溶解性无机氮包括氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮,它们可以被海洋中浮游植物直接吸收利用.例如,海水中存在的硝酸盐在透性酶作用下首先转移到细胞内,硝酸盐在细胞内硝酸还原酶的作用下转变为亚硝酸盐,亚硝酸盐在细胞内亚硝酸还原酶的作用下又转化为氨氮,氨氮在谷氨酸脱氢酶作用下最后转化为氨基酸.因此,通常情况下,水体中的氨氮会首先被浮游植物吸收利用,待其被吸收利用完后,硝酸盐才开始被浮游植物进一步吸收利用.图1是浒苔投加量对氨氮去除效果的影响.可以看出:

① 当浒苔藻体密度为2.50 g/L时,4 h、10 h原水中氨氮浓度(0.107 mg/L)分别降低到约0.078、0.052 mg/L,氨氮去除率分别约为27%、51%,说明浒苔藻体密度即使在≤2.50 g/L情况下,其对海水中氨氮也具有明显的吸收效果.

② 当吸收时间为4h、浒苔藻体密度由2.50 g/L增加到7.50 g/L时,原水中氨氮浓度(0.107 mg/L)由0.078 mg/L进一步降低到0.028 mg/L,氨氮去除率由27%提高到74%,增幅高达47%,说明浒苔藻体密度对海水中氨氮的吸收有重要影响.在吸收时间10 h、浒苔藻体密度7.50 g/L的实验条件下,氨氮最大去除率可达83%.

③ 当浒苔藻体密度为2.50、3.75、5.00、6.25、7.50 g/L,吸收时间由4 h增加到10 h时,氨氮去除率分别能提高24%、18%、21%、9%、9%,说明浒苔在低藻体密度(2.50～5.00 g/L)时,吸收时间对其氨氮去除率影响比较大,而浒苔在高藻体密度(6.25～7.50 g/L)时,吸收时间对其氨氮去除率影响相对较小.总体上说,在实验吸收时间内(<10 h),浒苔对氨氮的去除率随吸收时间的增加而逐渐提高.

3.2浒苔投加量对亚硝酸氮去除效果的影响

图2 浒苔投加量对亚硝酸氮的去除效果

图2是浒苔投加量对亚硝酸氮去除效果的影响.结果表明:

① 当浒苔藻体密度为2.50 g/L时,4 h、10 h后亚硝酸氮的去除率分别约为11%、18%,说明浒苔对海水中的亚硝酸氮有一定的吸收效果,相比氨氮,其去除效率相对较低.在吸收时间10 h、浒苔藻体密度7.50 g/L实验条件下,亚硝酸氮最大去除率只有35%.

② 当吸收时间为10 h、浒苔藻体密度由2.50 g/L增加到7.50 g/L时,原水中亚硝酸氮浓度(0.071 mg/L)由0.058 mg/L降低到0.046 mg/L,亚硝酸氮去除率由18%提高到35%,说明浒苔藻体密度对海水中亚硝酸氮吸收的影响不大.

③ 当浒苔藻体密度为2.50、3.75、5.00、6.25、7.50 g/L,吸收时间由4 h增加到10 h时,亚硝酸氮去除率分别提高了7%、4%、4%、1%、7%,说明浒苔藻体密度介于2.50～7.50 g/L时,吸收时间的增加对亚硝酸氮去除率提高的影响不大.

实验结果表明,富营养化海水中浒苔对氨氮的吸收率大于对亚硝酸氮的吸收率.

3.3浒苔投加量对总氮去除效果的影响

图3 浒苔投加量对总氮的去除效果

图3是浒苔投加量对总氮去除效果的影响.可以看出:

① 当浒苔藻体密度为2.50 g/L时,4 h、10 h原水中总氮浓度(0.865 mg/L)分别降低到约0.75 mg/L、0.62 mg/L,总氮去除率分别约为13%、28%,说明浒苔对海水中总氮具有比较明显的吸收效果.在吸收时间10 h、浒苔藻体密度7.50 g/L实验条件下,总氮最大去除率可达83%.

② 当吸收时间为4 h、浒苔藻体密度由2.50 g/L增加到7.50 g/L时,原水中总氮浓度(0.865 mg/L)由0.75 mg/L进一步降低到0.25 mg/L,总氮去除率由13%提高到71%,增幅达58%,说明浒苔藻体密度对海水中总氮的吸收有重要影响.

③ 当浒苔藻体密度为2.50、3.75、5.00、6.25、7.50 g/L,吸收时间由4 h增加到10 h时,总氮去除率分别提高15%、1%、3%、4%、12%,说明浒苔藻体密度介于2.50-7.50 g/L时,吸收时间对其总氮去除率提高的影响不明显.

3.4浒苔投加量对总磷去除效果的影响

ATP是生物体内能量的直接来源,磷是生物体内合成ATP所需的重要组分.溶解态无机磷酸盐是海洋水体中磷化合物的主要存在形式,水体中磷的大量存在,就会造成水体的富营养化,导致藻类等浮游植物迅速繁殖.图4是浒苔投加量对总磷去除效果的影响.可以看出:

① 当浒苔藻体密度为2.50 g/L时,4 h、10 h原水中总磷浓度(0.06 mg/L)分别降低到约0.058 mg/L、0.050 mg/L,总磷去除率分别约为3%、17%,说明浒苔对海水中总磷的吸收具有比较明显的效果.

② 当吸收时间为10 h、浒苔藻体密度由2.50 g/L增加到7.50 g/L时,原水中总磷浓度(0.06 mg/L)由0.050 mg/L进一步降低到0.034 mg/L,总磷去除率由17%提高到43%,增幅为26%,说明浒苔藻体密度介于2.50 ～7.50 g/L之间时,藻体密度的增加有助于提高海水中总磷的去除率.在吸收时间10 h、浒苔藻体密度7.50 g/L的实验条件下,总磷最大去除率可达43%.

③ 当浒苔藻体密度为2.50、3.75、5.00、6.25、7.50 g/L,吸收时间由4 h增加到10 h时,总磷去除率分别提高14%、20%、0%、2%、6%,说明浒苔在藻体密度介于2.50～3.75 g/L之间时,吸收时间对总磷去除率的提高具有比较明显的影响,而当浒苔藻体密度≥5.00 g/L时,吸收时间对总磷去除率的影响则可以忽略不计.

图4 浒苔投加量对总磷的去除效果

4 结论

通过室内培养实验,研究了浒苔在不同藻体密度和吸收时间下,浒苔生长对富营养化海水中氨氮、亚硝酸氮、总氮和总磷等营养盐的吸收情况.在实验条件下,研究结果表明:

(1)浒苔对富营养化海水中氨氮、亚硝酸氮、总氮和总磷均具有比较好的吸收效果和去除作用.在藻体密度为7.50 g/L、吸收时间10 h条件下,浒苔对氨氮、亚硝酸氮、总氮和总磷的最大去除率可分别达到83%、35%、83%和43%.

(2)在吸收时间≤10 h、藻体密度≤7.50 mg/L时,在富营养化海水中,浒苔藻体密度对富营养化海水中氨氮和总氮的吸收具有重要影响、对亚硝酸氮和总磷的吸收影响不大;低藻体密度(≤3.75 g/L)时,吸收时间对氨氮和总磷去除率提高的影响比较大,而高藻体密度(>5.00 g/L)时,吸收时间对氨氮和总磷去除率提高的影响不明显;吸收时间对亚硝酸氮和总氮去除率提高的影响不明显.

[1]中华人民共和国环境保护部.2015中国环境状况公报[R/OL].(2016-06-02)[2017-03-01].http://www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/qt/201606/W020160602413860519309.pdf

[2]王晓菲.水生动植物对富营养化水体的联合修复研究[D].重庆:重庆大学,2012.

[3]姜培霞.近海富营养化水体综合生物修复技术研究[D].青岛:中国海洋大学,2012.

[4]庞秋婷.富营养化对东海两种赤潮优势藻种演替及黄海海区浒苔生长的影响[D].青岛:中国海洋大学,2013.

[5]丛珊珊.环境因子对浒苔(Enteromorphaprolefera)生长、生存状态和营养吸收影响的实验研究[D].青岛:中国海洋大学,2011.

[6]矫新明,袁广旺,毛成责.2015年南黄海海域浒苔时空分布特征[J].杭州师范大学学报(自然科学版):2017,16(1):51-55.

[7]李信书,徐军田,姚东瑞,等.富营养化与生长密度对绿潮藻浒苔暴发性生长机制的影响[J].水产学报,2013,37(8):1206-1210.

[8]齐明燕,石晓勇,韩秀荣.浒苔(Ulvaprolifera)及缘管浒苔(Ulvalinza)对不同形态氮营养盐的吸收利用硏究[D].青岛:中国海洋大学,2015.

[9]王翔宇,吴海一.浒苔的营养盐吸收及生长特性研究[J].广西科学院学报,2015,31(4):243-246.

[10]李俭平,赵卫红.浒苔对氮营养盐的响应及其氮营养盐吸收动力学和生理生态研究[D].北京:中国科学院研究生院,2011.

[11]杜锦,石晓勇,韩秀荣.浒苔对营养盐吸收特性及与赤潮藻竞争关系的初步研究[D].青岛:中国海洋大学,2014.

[12]吴婷,赵乐毅,刘浩涤.浒苔对营养盐影响的初步研究[J].海洋环境科学,2013,32(3):347-352.

[13]齐衍萍,郭莉莉,尹维翰,等.黄海浒苔绿潮防控对策研究[J].海洋开发与管理,2016,33(8):90-92.

Enteromorpha’sN-PRemovalEfficiencyintheEutrophicatedSeawater

HU Jin-zhao,QI Dan, XU Gong-di

(School of Ocean Science and Technology, Hainan Tropical Ocean University, Sanya Hainan 572022, China)

In this paper, through an indoor incubated test, the removal efficiency on the NH4-N, NO2-N, TN-N and TP was studied under the conditions of different algal density and absorption time.The results showed enteromorpha has certain absorption effect on the NH4-N, NO2-N, TN-N and TP in the eutrophicated seawater.On the condition of absorption time ≤10h and algal density≤7.5mg/L, on one hand, the algal density of enteromorpha has an important influence on the absorption of NH4-N and TN, but little influence on the absorption of NO2-N and TP; on the other, the absorption time has little influence on the removal efficiency of NO2-N and TN.However, the absorption time has an important influence on the removal efficiency of NH4-N and TP under the low algal density(≤3.75 mg/L), but little influence on the removal efficiency of NH4-N and TP under the high algal density(>5.00 mg/L).

enteromorpha; eutrophication of seawater; nitrogen and phosphorus

格式：胡劲召,齐丹,徐功娣.浒苔对富营养化海水中氮磷去除效果的研究[J].海南热带海洋学院学报,2017,24(5):27-30+41.

2017-03-08

海南省科技厅科技兴海专项(XH201419); 三亚市院地科技合作项目(2015YD13);2015年全国大学生创新创业训练计划项目(201511100012)

胡劲召(1968-),男,河南南阳人,海南热带海洋学院海洋科学技术学院副教授,硕士,研究方向为环境污染控制.

徐功娣(1964-),女,黑龙江虎林人,海南热带海洋学院海洋科学技术学院教授,博士,研究方向为环境污染控制与生态修复.

X55

A

2096-3122(2017) 05-0027-04

10.13307/j.issn.2096-3122.2017.05.05

(编校李由明)