海水淡化浓海水对海洋浮游植物的影响研究

寇希元，苗英霞，陈进斌，任华峰，邱金泉，韩家新

(国家海洋局 天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192)

近年来，随着淡水资源的日益紧缺，海水淡化已成为解决我国沿海地区淡水供给问题的重要途径之一[1-2]。海水淡化在脱除海水中的盐分，生产淡水的过程中，不可避免的产生高盐度的浓海水[3-4]，浓海水的排放可能对海洋生态环境产生影响[5-7]。目前，浓海水综合利用技术和零排放技术(制盐、提钾、提溴、提镁等)[8-11]尚不够成熟，存在占地面积大、投资成本和运行维护费用较高等缺点，很难在大规模生产中得到应用。海水淡化浓海水排海对海洋生态环境的影响研究，正在受到越来越多的关注[12-15]。

海水淡化浓海水的温度、盐度及其所产生的腐蚀产物和化学物质可能对海水水质、海洋生物和海洋生态环境产生影响[16-18]。浮游植物是海洋生态系统中最主要的初级生产者，其对海洋生态系统的物质循环和能量流动具有重要意义[19-20]。盐度是海洋生态环境中最重要的生态因子之一，其对生物的生长、发育、生殖、行为和分布均有直接或间接的影响[5,21]。盐度升高可导致海水渗透压改变，影响浮游植物体内渗透压和离子浓度的调节及其水—盐代谢，进而影响浮游植物的群落组成和分布，有必要研究海水淡化浓海水排水对海洋浮游植物的生理生态影响。目前，关于海水淡化浓海水对海洋浮游植物生态影响的研究工作较少，而关于盐度对海洋微藻生态影响的研究主要集中于低盐度范围[22-23]，高盐度对海洋微藻影响的研究尚不多，而在海水淡化浓海水排放口附近海域，盐度可以达到原海水的2倍左右。

1 材料和方法

1.1 实验材料

浓海水样品取自浙江省舟山市六横岛海水淡化浓海水排放口，原海水取自远离浓海水排放口的六横岛附近海域。根据海水淡化浓海水排海现场调查结果，选择中肋骨条藻(Skeletonemacostatum)、旋链角毛藻(Chaetoceroscurvisetus)、多列拟菱形藻(Pseudo-nitzschiamultiseries)和隐秘小环藻(Cyclotellacryptic)共4种海洋微藻进行培养试验。藻种由上海光语生物科技有限公司提供。

1.2 实验方法

1.2.1 海水水质分析

海水中盐度和pH值采用便携式YSI-556MPS型多参数水质测量仪现场测定，浊度采用哈希2100P浊度仪现场测定。海水经0.45 μm滤膜过滤后按照海洋监测规范的规定测定各项营养盐和重金属。

1.2.2 海洋微藻培养方法

向原海水中加入不同体积浓海水，配制盐度为32‰～60‰的一系列盐度梯度。设计6个盐度梯度(32‰、36‰、42‰、48‰、54‰、60‰)，接种实验藻种，培养液为f/2，在温度为(20±1) ℃，光暗比为12 h ∶12 h，光照强度为(4 000～4 400)Lux的条件下进行培养。定期取样用鲁哥氏液固定后于生物显微镜下进行细胞计数。

藻细胞比生长率根据公式:

(1)

式中:μ——细胞比生长率，Nt、N0——t时刻和初始状态的细胞数量，t——生长的时间。做出不同盐度下海藻的生长曲线和最大比生长率曲线，考察浓海水盐度对海藻生长的影响。

2 结果与讨论

2.1 海水淡化浓海水的常规水质指标及其重金属含量

海水淡化浓海水的水质和重金属测定结果分别见表1和表2。

表1 六横海水淡化厂排放浓海水水质Tab.1 The principal properties of brine discharged from seawater desalination plant in Liuheng island

表2 六横海水淡化厂排放浓海水中重金属含量Tab.2 The content of the heavy metals in the concentrated seawater from seawater desalination plant in Liuheng island μg·L-1

从表2可知，海水淡化浓海水的重金属含量相比原海水明显增加，Cu、Pb、Cr、Ni、Mn、Cd、Zn、Fe、As分别是原海水的23.0倍、2.3倍、12.4倍、1.5倍、1.1倍、2.5倍、1.6倍、1.5倍和2.5倍，这可能是由于海水淡化过程中管路腐蚀溶出金属造成的,其中，Cu和Cr的含量相对较高，可能与反渗透海水传热管的材质(含铜、铬等)有关。

2.2 浓海水盐度对海洋微藻生长的影响

2.2.1 浓海水盐度对中肋骨条藻的影响(图1、图2)

图1 中肋骨条藻的生长曲线Fig.1 Growth curve of Skeletonema costatum

图2 中肋骨条藻的最大比生长速率Fig.2 Maximum specific growth rate of Skeletonema costatum

图1表示不同盐度下中肋骨条藻的生长情况。在中肋骨条藻的培养初期，各个盐度条件下的中肋骨条藻都有不同程度的增长，高盐度培养液中的藻细胞密度偏低，但之后迅速增长，其藻细胞密度接近甚至稍高于低盐度培养液中的藻细胞密度，分析这可能是由于浓海水中较高含量的N、P等营养盐和金属离子对中肋骨条藻的生长有促进作用，而随着时间的增长，藻细胞逐渐死亡，藻密度随之减小，在盐度大于48‰时，藻密度减小的速度更快。在盐度不大于42‰时，中肋骨条藻生长良好，但在盐度达到48‰以后，培养的中后期藻细胞有死亡现象。

从图2可以看出，中肋骨条藻的比生长率在盐度为36‰以下时，随盐度增加其最大比生长略有升高,盐度达到42‰后，最大比生长率随盐度的升高呈减小趋势，在48‰以上的高盐度时,下降较为平缓,可见，中肋骨条藻有一定的耐盐性，与Sung Jin Yoon等[13]的报道一致。

2.2.2 浓海水盐度对旋链角毛藻生长影响(图3、图4)

图3 旋链角毛藻的生长曲线Fig.3 Growth of Chaetoceros curvisetus

图4 旋链角毛藻的最大比生长速率Fig.4 Maximum specific growth rate of Chaetoceros curvisetus

由图3、图4可知，在高盐度条件下旋链角毛藻生长和繁殖都受到严重影响。海藻的最高密度比自然海水中低了很多,达到最高密度后，海藻开始死亡，在盐度54‰、60‰的培养液中，藻细胞大量死亡,藻细胞生长受到抑制。在高盐度条件下，培养初期藻细胞密度较高，与中肋骨条藻相似，可能是浓海水中的营养盐与金属离子对微藻生长有促进作用。

旋链角毛藻的最大比生长速率随盐度增加而下降，在48‰以上的高盐度区，其最大比生长下降趋势加快,在盐度为60‰时，虽然最大比生长速率降低很多，但藻细胞并未全部死亡，依然存在活体藻细胞。

2.2.3 浓海水盐度对多列拟菱形藻生长的影响(图5、图6)

图5 多列拟菱形藻的生长曲线Fig.5 Growth curve of Pseudo-nitzschia multiseries

图6 多列拟菱形藻的比生长速率Fig.6 Specific grwoth rate of Pseudo-nitzschia multiseries

由图5、图6可知,多列拟菱形藻在盐度为32‰时生长正常,当盐度升到36‰后，海藻仍能进行生长，但是藻密度与正常海水相比明显减小。当盐度继续升高到48‰、54‰、60‰时，其生长差异不是很明显，在高盐抑制的同时仍有一定程度的生长。而在54‰、60‰盐度条件下，在其生长初期,与中肋骨条藻和旋链角毛藻类似,浓海水中的营养盐和金属离子促进海藻生长,随后海藻密度随时间增加而减小，高盐度抑制海藻的生长。

对于多列拟菱形藻，比生长率随盐度升高呈现明显的下降趋势，尤其当盐度升高到54‰时，比生长率下降迅速，盐度为60‰时，基本停止生长，可以看出它对盐度的升高是非常敏感的。

2.2.4 浓海水盐度对隐秘小环藻生长的影响(图7、图8)

图7 隐秘小环藻的生长曲线Fig.7 Growth curve of Cyclotella cryptic

图8 隐秘小环藻的比生长速率Fig.8 Specific growth rate of the Cyclotella cryptic

由图7、图8可知，隐秘小环藻在盐度48‰以下时生长良好，在盐度高于48‰时，其生长和繁殖受到严重影响，藻细胞大量死亡，在盐度为60‰时，其藻密度只有海水培养液的1/10，高盐度时隐秘小环藻生长差异不大。从实验结果来看，与中肋骨条藻、旋链角毛藻和多列拟菱形藻不同的是，浓海水中的营养盐和重金属离子在生长过程中并没有对隐秘小环藻产生促进作用。

隐秘小环藻与中肋骨条藻相似，都属于耐盐型微藻，最大比生长率随盐度的升高呈现比较平缓的变化。在盐度为42‰时，隐秘小环藻的最大比生长率相比正常海水有了明显下降，在盐度达到54‰时，其最大比生长率降至0.1 d-1以下，说明隐秘小环藻不能在高盐度海水中生长。

3 主要结论

1) 海水淡化浓海水的营养盐以及重金属含量均明显高于原海水。这可能与海水淡化过程中所使用的絮凝剂、缓蚀阻垢剂和消泡剂等添加剂有关，海水淡化过程中管路腐蚀溶出金属及传热管的材质等有关。

2) 盐度升高对4种海藻的生长和繁殖能力有不同影响。中肋骨条藻、旋链角毛藻、隐秘小环藻的生长盐度范围可达到48‰以上。多列拟菱形藻对盐度较为敏感，但其对高盐度仍有一定的忍耐性。总体来看，个体较大的藻细胞对盐度升高更敏感。

3) 在高盐度海水条件下培养初期，浓海水中的营养盐及重金属对中肋骨条藻、旋链角毛藻和多列拟菱形藻的生长具有促进作用。这可能是因为个体较大的藻细胞对金属离子有较强的吸附能力，但吸附的金属离子可能使藻细胞内蛋白质凝固，破坏酶的活性，造成藻细胞结构的破坏和功能的丧失而死亡[24-26]，随着时间的延长，藻细胞密度逐渐减小。