基于电导率和吸光度的水体藻类浓度监测研究

贾 妍，朱昱辉，梁熙文,彭赵旭

(郑州大学 水利科学与工程学院，郑州 450001)

随着工业的快速发展，我国内陆水体频繁出现藻类在短期内大量繁殖，导致水体生物缺氧死亡, 引起水体严重富营养化.因此加强藻类浓度的实时检测，对防治水华尤为重要[1].目前，藻浓度监测系统大多采用基于藻类叶绿素a的荧光检测技术[2]和基于流式细胞摄像系统技术[3]的监测方法.但是这些检测方法成本昂贵，针对性不强，且效率低下，不能实现实时准确地检测藻浓度.鉴于此，寻找能够实时灵敏反映藻浓度变化且易于检测的指标，对开发高效藻浓度检测系统尤为重要.本文探索基于电导率和吸光度的水体藻浓度传感器的原理，探讨开发便捷准确藻浓度监测方法的可行性.该系统具有检测指标多样(电导率和吸光度[4]双重检测指标)，检测方法新颖准确，数据真实可靠，应用范围广泛(考察对象为广泛分布于世界各地且易引起水华的铜绿微囊藻[5])的特点.

1 实验材料与方法

1.1 藻种培养

采用铜绿微囊藻(藻种来源于中科院淡水藻种库，型号FACHB-315)，初始藻细胞浓度为105cell/mL.首先在光强5 000 lx和黑暗各交替12 h的环境下培养3 d，然后将藻种按照藻液和培养液量为1∶3的比例接种到BG-11培养基中，并放置在25 ℃光照强度7 000 lx的光照恒温培养箱GZY-250中进行富集培养14 d，每天2次摇匀直到藻溶液出现明显的絮状物为止，接种培养过程如图1所示.随后用XB-K-25血球计数板计算得到此时藻细胞的浓度为3.5×108cell/mL.

图1 藻种的接种及培养流程

1.1.1 BG-11培养基

藻种采用BG-11培养基进行培养[6]，按照中国科学院淡水藻种库的配方配制母液：称取NaNO375 g、K2HPO42 g、MgSO4·7H2O 3.75 g、CaCl2·2H2O 1.8 g、Citric acid 0.3 g、Ferric ammonium citrate 0.3 g 、EDTANa20.05 g、Na2CO31.0 g；微量金属(Trace mental solution)：H3BO31.43 g、MnCl2·4H2O 0.93 g、ZnSO4·7H2O 0.11 g、Na2MoO4.2H2O 0.2 g、CuSO4. 5H2O 0.04 g、Co(NO3)2.6 H2O 0.03 g.用蒸馏水稀释得到母液500 mL，试验药品均为分析纯.用1 mol/L的NaOH和HCl调节培养基的pH在7.1左右.高压锅灭菌20 min后冷却至室温[7].

1.1.2 藻细胞计数

当藻溶液出现明显白色絮状沉淀物时，按照计数板标准操作规程2013SOP03-228-007[8]，用CX23LEDRFS1C显微镜、XB-K-25血球计数板观察和计算藻细胞密度，公式如式(1)所示[9]：

(1)

显微镜下计数得到80个小方格藻细胞总数为70、稀释倍数为100倍，带入公式(1)计算得到培养完成后的藻细胞初始浓度为3.5×108cell/mL.

1.1.3 藻溶液配置

根据相关文献，水华爆发时铜绿微囊藻的初始细胞浓度为3.41×106cell/mL[10]，基于此，设置不同细胞浓度的纯净藻溶液，细胞浓度分别为3.5×106、3.0×106、2.5×106、2.0×106、1.5×106cell/mL及空白对照组(蒸馏水)；称取氯化钠(分析纯)0.001 0、0.015 0、0.020 0、0.025 0、0.030 0 g各5份；无水硫酸镁(分析纯)0.001 0、0.015 0、0.020 0、0.025 0、0.030 0 g各5份分别溶于10 mL不同质量浓度的50瓶纯藻溶液中，搅拌均匀，得到NaCl、MgSO4质量浓度为100、150、200、250、300 mg/L的无机盐离子藻溶液.

1.2 检测方法

采用EC215电导率测试仪监测不同浓度下藻溶液的电导率[11].采用UV752型紫外可见分光光度计[12]，检测440、645 nm和750 nm波长下藻溶液的吸光度.用Matlab软件的plot函数、Curve Fitting应用程序作图；用SAS软件进行数据的相关性分析[13]，耦合藻浓度与三个波长下吸光度的关系式.

2 实验结果与讨论

2.1 藻浓度与电导率的关系

纯铜绿微囊藻浓度与电导率之间的关系如图2所示，电导率与藻浓度的二次方成正比(相关系数R2=0.994 4)，随着藻浓度的增大而加速上升，在爆发预警值(藻浓度为3.5×106cell/mL)附近达到23.7 μs/cm.

图2 藻浓度与水体电导率关系图

图3 藻浓度与电导率关系图(Cl-质量浓度：100、150、200 mg/L)

图4 藻浓度与电导率关系图质量浓度：100、150 mg/L)

2.2 藻浓度与吸光度的关系

铜绿微囊藻浓度与在440、645、750 nm波长下的吸光度如图5所示，从中可见不同波长下的吸光度均随着藻浓度的增加而上升.在440 nm下与藻浓度的三次方成正比(R2=0.990 0)，在645 nm和750 nm下与藻浓度的四次方成正比(R2=0.981 4、R2=0.993 7).

图5 藻浓度与在440、645、750 nm波长下吸光度关系

3 结 论

2)耦合藻浓度与三个波长下的吸光度，建立藻浓度预测的数学模型：y=35.52×106x1+66.47×106x2+2 200.78×106x32(R2=1).该模型预测值的相对误差在0.45%内.

本文通过建立藻浓度与水体电导率和吸光度函数关系来确定藻浓度，该方法与其他检测藻类浓度的方法相比具有预测精准、检测指标多样、应用范围广泛等优良特性.但在水华初始爆发的藻浓度水平上，预测值与实际值还有偏差，需要进一步的研究.