大型海藻孔石莼对海水中不同形态氮盐和磷酸盐的吸收研究

吕冬伟　刘欢　田鹏华　徐榕雪

摘要：将定量孔石莼藻体添加到模拟养殖废水中，研究孔石莼在不同营养盐浓度梯度下，对水体中氮、磷营养盐的吸收情况。结果表明，孔石莼对浓度越高的氮磷营养盐吸收率越快，但去除率越低;对铵态氮和磷酸盐的吸收效果明显，对硝态氮有所吸收，而对亚硝态氮的吸收不明显;对铵态氮吸收曲线分3个阶段分析后发现，其第一阶段符合一级动力学方程，第二阶段的吸收符合线性方程。这说明孔石莼在不同浓度营养盐养殖废水中均具有很好的水体净化作用，对防治水体富营养化有较好的应用前景。

关键词：孔石莼;养殖废水;铵态氮;硝态氮;亚硝态氮;磷酸盐;氮磷吸收比值

Study on Absorption of Different Forms of Nitrogen andPhosphate by Macroalgae Ulva pertusa in SeawaterLu Dongwei， Liu Huan， Tian Penghua， Xu Rongxue

Abstract The nitrogen and phosphate absorption of Ulva pertusa cultivated in the simulated piscatorialwastewater with different nutrient concentrations were studied in this paper. The experiment results showed thatthe higher the nitrogen and phosphate concentrations were ， the higher the uptake rates and the lower removalrates of Ulva pertu.sa were. The absorption effect of ammonia nitrogen and phosphate were obvious， and part ofnitrates nitrogen was absorbed， but the absorption of nitrite was not obvious. After dividing the ammonia nitro-gen absorption curve into three stages， it was found that the first stage curve accords with the first - order ki-netic equation and the second stage curve yielded a linear equation. The results showed that Ulva pertusa hadbetter effect on water purification， and showed better application prospect in preventing the eutrophication ofwater bodies.

Keywords

Ulva pertusa; Piscatorial wastewater; Ammonia nitrogen; Nitrate nitrogen; Nitrite nitrogen;Phosphate; N/P absorption ratio

孔石莼（Ulva pertusa）屬于绿藻门石莼属，广泛分布于西太平洋沿海，藻体鲜艳，味道鲜美，富含多种营养物质，并且生长快、质地薄可食用，还具有生物学和药用价值。近年来，对于孔石莼的开发利用引起了国内外的关注。

随着我国水产养殖规模化增加，高密度、高产量的工厂化循环水养殖逐渐成为未来水产养殖业发展的重要方向[1，2]，如何处理养殖废水渐渐引起人们的注意，如何高效和低成本地净化养殖水体是现代水产养殖工程的重要组成部分。国内外学者一致认为混养大型藻类是吸收、利用营养物质和延缓水质富营养化的有效措施之一[3，4]。国外已经有利用大型海藻吸收水中营养盐净化废水的报道[5]，国内近几年来也有一些利用大型海藻净化体系净化养殖水体、修复生态环境的报道[6-10]。石莼属大型海藻，能够快速利用营养物质从而延缓水体富营养化，是国内外学者的共识，其在大型海藻净化体系中的重要性得到多次验证[11-13]。但是孔石莼对不同浓度营养盐的吸收研究国内外尚少见报道。本试验通过研究孔石莼对模拟养殖废水中不同浓度营养盐的吸收状况以及几种营养盐的相互作用，探讨利用孔石莼处理养殖废水的可行性、高效性，以期为在循环水养殖系统中建立大型海藻净化体系提供重要依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料来源与培养条件

孔石莼与海水均取自山东烟台养马岛海域。孔石莼经室内（20±2）℃条件下驯化培养3天后，选取生长良好的孔石莼藻体进行试验。海水营养盐浓度分别为：铵态氮0.059 mg/L、硝态氮0.012mg/L、亚硝态氮0.073mg/L、磷酸盐0.067mg/L，经砂滤和消毒后抽取使用。

取5只相同规格（5L）锥形瓶，加入经过砂滤和消毒的海水，分别添加氯化铵、硝酸钠、亚硝酸钠、磷酸二氢钾，使瓶中各营养盐浓度依次分别为1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mg/L。由于海水中营养盐浓度很低，对试验结果所造成的影响可忽略不计。5个瓶中分别放人甩干的孔石莼，使海水中的生物量为4.0g/L，放于实验室中培养，温度为（20±2）℃，光照强度为3000 lx，光/暗周期为14h/10 h。根据设定时间取样，分析孔石莼对4种不同浓度梯度营养盐的吸收情况。同时设置5个营养盐浓度梯度海水不添加孔石莼藻体培养，作为空白对照。

1.2 测定项目及方法

铵态氮采用次溴酸盐氧化法测定;亚硝态氮采用磺胺乙二胺分光光度法测定;硝态氮采用镉柱还原法测定;磷酸盐采用磷钼蓝分光光度法测定。式中：A（ N03-）为两次测定的硝态氮吸光值平均值;Ai，（ N03-）为两次测定的空白平均值;A（ NOl-）为两次测定的亚硝态氮吸光值平均值;Ai，（ N02-）为两次测定的空白平均值。

当R小于95%时，还原柱需重新进行活化或重新装柱。铵态氮、硝态氮、亚硝态氮、总磷在水体中的含量具体测定方法采用《海洋监测规范》（GB 17378.5-2007）[14]中的标准方法进行。

1.3 曲线回归分析

吸收曲线的回归分析采用软件OriginPr0 8.0分析处理。

吸收速率计算公式：

v=（Cl - C2）×V/[（T2 - Ti）xM] .式中：v为吸收率，mg/（g·h）;V为海水体积，L;Cl、C2分别为T1、T2时刻的氮磷浓度，mg/L;M为生物量（鲜重），g。

2 结果与分析

2.1 孔石莼对营养盐的吸收与浓度的关系

2.1.1 孔石莼对铵态氮的吸收 5个浓度梯度的空白对照，铵态氮含量在试验周期内无显著性差异（P>0.05），因此由非孔石莼吸收造成的铵态氮浓度变化可以忽略不计。由图1可以看出，孔石莼对海水中浓度为1.0 mg/L的铵态氮吸收较彻底，第6天即近完全吸收，之后保持不变。与顾宏等[9]的研究结果相似。除此之外，孔石莼对其它4个浓度的铵态氮也有较好的吸收。随着铵态氮浓度的升高，吸收量增大，于第6天基本达到吸收平衡，之后浓度波动不大。孔石莼对1.0～5.0mg/L铵态氮前6天的平均吸收率分别为：0. 009、0.016、0.021、0.027、0.036mg/（g.h）.随着铵态氮加富浓度的提高，吸收率随之提高。

有研究表明，孔石莼对初始浓度为1.0 mg/L的NH4+的吸收分为3个阶段[9，10]。本研究中，孔石莼对5个浓度梯度铵态氮的吸收不能简单地用一级生化反应曲线来描述其整个过程，也应分为3个阶段：第一阶段快速吸收阶段（Vs），此阶段孔石莼处于“氮饥饿”状态，吸收NH4+的速率最快，是充盈细胞内营养库的阶段[13];第二阶段内部控制的吸收阶段（Vi），此阶段吸收趋于平稳，可能是充盈的细胞内氮库的反馈抑制作用[14];第三阶段外部控制的吸收阶段（Ve），是由介质营养盐浓度控制吸收[4]，即随着介质营养盐的消耗，吸收速率迅速下降而引起的，逐渐趋于零。依照Vi阶段快速平稳的特性来区分这3个阶段，可看出Vs阶段对于NH4+初始浓度为1.0 mg/L与2.0mg/L是0～1天，3.0 mg/L与5.0 mg/L为0～4天，4.0 mg/L为0～3天。对于Vi和Ve阶段的区分是当NH4+初始浓度为1.0 mg/L和4.0 mg/L时在第5天比较明显，当NH4+初始浓度为2.0mg/L和5.0 mg/L时在第6天明显，NH4+初始浓度为3.0 mg/L未出现明显转折。

对图中各浓度的前两个阶段进行分段曲线拟合，Vs阶段孔石莼对铵态氮的吸收基本符合一级生化反应动力学方程，Vi阶段孔石莼对铵态氮的吸收基本呈线性关系。NH4+初始浓度为5.0mg/L时，可能由于孔石莼吸收NH4+的速率小于细胞充盈氮库的速率，从而导致图像中Vs阶段中0.5～1天孔石莼对NH4+的吸收不能很好地符合一级生化反应动力学方程;铵态氮浓度为4.0mg/L与5.0 mg/L时Vi所包含的点较少。因而不对上述两个阶段进行拟合，结果见表1。

Vs阶段中孔石莼对1.0～5.0 mg/L的培养液中的铵态氮，每瓶吸收量分别为0.62、0.98、1. 85、2.26、3.36 mg，其差距很明显。孔石莼氮库的大小并不是固定的，其大小随铵态氮浓度的提高而变大。Vs阶段的分析结果与李秀辰等[15]论述的理论模型中自然对数e的指数方程大致相同但有些差异，主要原因可能在于光照强度、环境温度和孔石莼生物量对孔石莼吸收铵态氮均有较明显的影响。

2. 1.2 孔石莼对硝态氮的吸收从图2可以看出，孔石莼对硝态氮的吸收不如铵态氮，而且随着硝态氮浓度的升高，达到吸收稳定的时间逐渐缩短。初始浓度为1.0～4.0 mg/L时，3天后的浓度变化不大，而在初始濃度为5.0 mg/L时，培养后期浓度有波动。这可能是由于孑L石莼在高浓度硝态氮存在时的快速过量吸收，随后组织细胞又向介质释放有关。Brinkhuis等[16]同样观察到海带对硝态氮起始阶段快速吸收随后吸收率迅速下降的现象，主要原因为组织向介质释放硝态氮。

2.1.3 孔石莼对亚硝态氮的吸收 由图3可以看出，孔石莼在l～2天内对亚硝态氮有少量吸收，之后亚硝态氮浓度基本保持不变。三种形式的氮盐同时存在时，孔石莼对氮盐的吸收是有选择性的，对亚硝态氮的亲和性最低。

2.1.4 孔石莼对磷酸盐的吸收从图4中可以看出，在2.0、3.0、4.0、5.0 mg/L磷酸盐吸收曲线中，其图像大体可以分为3个阶段。第一阶段，第1天的吸收速率比较低;第二阶段，2～3天内吸收速率升高;第三阶段，吸收速率逐渐降低而接近于零。第一阶段吸收速率较第二阶段低可能是因为较高浓度的硝态氮与磷抢占传递受体，抑制对磷酸盐的吸收。在第1～2天之后硝态氮的浓度大幅下降，孔石莼对溶液中磷酸盐的吸收速率上升。与上述4个浓度磷酸盐吸收情况不同的是，1.0mg/L磷酸盐第1天即出现快速吸收，这与体系中氮盐含量低有关。

2.2 孔石莼对营养盐的去除效果与浓度的关系

孔石莼对铵态氮的吸收迅速，铵态氮浓度为1.0～5.0 mg/L时吸收率分别为0.2083、0.2764、0.3806、0.5696、0.8521 mg/（g·h），随着铵态氮浓度的升高孔石莼对铵态氮的吸收率也逐渐提高。孔石莼对亚硝态氮的吸收很慢，亚硝氮浓度为1.0～5.0 mg/L时吸收率分别0.00304、0. 00217、0.00243、0.00382、0.00503 mg/（g.h）.硝态氮和磷酸盐的浓度为1.0～5.0 mg/L时，对硝态氮吸收率分别为0. 00859、0.01146、0. 01606、0.01858、0.01901 mg/（g.h）;对磷酸盐吸收率分别为0.0375、0.0167、0.0149、0.0135、0. 0104 mg/（g·h）。

由图5可知，孔石莼对铵态氮去除效果非常好，初始浓度为1.0～5.0 mg/L时，前6天的去除率均超过80%;对硝态氮的去除效果较好，浓度为1.0～5.0 mg/L时去除率分别为99.0%、66.0%、61.7%、53.5%、43.8%;对亚硝态氮的去除效果稍差，浓度为1.0～5.0 mg/L时去除率分别为35.0%、12.5%、9.3%、11.0%、11.6%。水样氮盐初始浓度越低，孔石莼对其去除效果越好，即生物量与初始营养盐浓度比越大越好。比较孔石莼对铵态氮、亚硝态氮及硝态氮的吸收情况发现，孔石莼对硝态氮和亚硝态氮去除率远低于对铵态氮的去除率。原因在于，一是孑L石莼吸收铵态氮后，可以直接将铵态氮转化为可被直接利用的谷氨酸盐[16]，而硝态氮和亚硝态氮必须先被转化为铵态氮或低价态氨盐才能被藻体吸收利用;二是硝态氮和亚硝态氮的转化反应是吸热反应，热源主要来自室内光源和室温，因此在夜间硝态氮和亚硝态氮吸收量极少而氨态氮在夜间有一定量的吸收。本研究中在铵态氮浓度很高时，孔石莼对硝态氮和亚硝态氮依然有一定量吸收，这一点与羊栖菜和海带相似[17]。

磷酸盐在初始浓度为1.0～5.0 mg/L时，6天内孔石莼对其去除率分别为83.0%、65.5%、46.3%、47.5%、24.0%。孔石莼对磷酸盐的总体吸收情况是：初始浓度较低时，吸收效果最好，随着初始浓度的升高，达到吸收稳定的时间越来越短，吸收效果也越来越差。产生以上情况的原因，其一在于孔石莼对磷酸盐的吸收随着氮浓度的升高而变得不明显，即磷的吸收与氮的吸收有相互作用;其次在于初始磷酸盐浓度较低时，铵态氮的初始浓度也很低，铵态氮吸收很快，氮相对残留少，磷的吸收效果好，随着浓度升高，氮的浓度升高，残留氮（主要是硝态氮和亚硝态氮）相对逐渐升高;其三在于磷的吸收是主动吸收，因此孔石莼对磷酸盐的吸收还与温度及细胞内磷酸盐浓度有关;最后，在试验中孔石莼的生物量是固定的，影响了其吸收效果。

2.3 N/P吸收比值与浓度的关系

孔石莼对总溶解无机氮（ NH4+ -N、N03- -N、NO2- -N）与溶解无机磷（PO43-P）的吸收比值在6天的培养时间内变化幅度为4.3～23.0（图6）。尽管各浓度梯度的初始海水中N/P值都是6.0，但是孔石莼在不同浓度下，对N/P的吸收比值是不同的。孔石莼对N/P的吸收比值随着无机氮和无机磷浓度的增加而增加。浓度为5.0mg/L时培养第1天吸收比值最高，达23.0。浓度为1.0 mg/L时，6天的培养期间内，N/P吸收比值变化不显著（P>0.05），平均值为5.1。低N/P吸收比值说明本试验中低营养盐海水处于N限制。孔石莼在高氮磷浓度下的N/P吸收比值高于低氮磷浓度，表明孔石莼对氮、磷的吸收比值是随着环境中营养盐浓度的变化而变化的。Liu等[18]曾发现三种大型海藻刚毛藻（Cladophorasp.）、克里藻（Klebsormidium sp.）和假鱼腥藻（Pseudanabaena sp.）吸收N/P比值隨着初始氮、磷浓度的不同而变化。孔石莼在第一天对氮尤其是铵态氮的吸收对于提高N/P吸收比值有重要影响。Pedersen发现野生大型海藻石莼（Ulva lac-tuca）在放入高浓度铵态氮海水中的初始15 min内，对铵态氮的吸收比需求的N高出20倍[18]。培养1天后，高浓度营养盐海水中N/P的吸收比值迅速降低，这主要是因为海水中铵态氮浓度经过1天的吸收已迅速降低，孔石莼对氮的吸收减慢，对磷的吸收加快（图1～图4）。

3 讨论与结论

孔石莼对铵态氮的去除效果很好，吸收主要阶段是快速吸收阶段（Vs），这阶段铵态氮的吸收符合一级动力学方程，随后的第二阶段符合直线方程。孔石莼氮库的大小并不是恒定的，其大小随外界铵态氮浓度增大而变大。孔石莼对亚硝态氮和硝态氮的吸收效果远不如铵态氮，而且随着硝态氮和亚硝态氮浓度的升高，达到吸收稳定的时间逐渐缩短。当铵态氮、硝态氮和亚硝态氮同时存在且含量相当时，孔石莼优先吸收铵态氮。孔石莼对磷酸盐吸收效果总体来说较明显。但孔石莼对磷酸盐的吸收随着氮浓度的升高而降低。孔石莼对N/P的吸收比值是可变的，随着水环境中营养盐的浓度变化而变化。本试验表明孔石莼对水体中营养盐特别是铵态氮有快速和高效的去除作用，理论上可以应用于循环养殖废水处理系统。

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