水体氟污染对微藻氮营养吸收的影响研究

姜泉良

(宿州学院 环境与测绘工程学院, 安徽 宿州 234000)

0 引言

氟及其化合物是重要的工业原料, 被广泛用于钢铁、炼铝、化学、磷肥、玻璃、陶瓷、氟化工等工业生产中. 与此同时, 大量的含氟“三废”被排放进入环境, 由此引发的环境和生态问题, 已经引起了人们的广泛关注[1]. 目前学者开展的氟污染生物学效应研究, 主要集中在F-对人体的健康危害、对高等植物的危害、对温血动物和水生植物的生理生化影响等方面[2-4]. 国内外有关卤族元素的生物和生态效应研究主要集中在对温血动物的毒理作用, 以及对鱼类等水生动物的影响方面[5-6]. 作为低等水生植物的藻类, 其个体及种群结构对外界刺激的反应是非常敏感的[7]. 而有关F-对水生藻类的生物学效应研究还较少[8], 尤其对微藻营养吸收的影响研究还未见报道. 微藻作为低等水生植物, 是水生生态系统的初级生产者, 对维持生态系统平衡起着至关重要的作用, 它具有种类多、分布广、繁殖快、对环境污染响应敏感等特点[9]. 因此, 研究F-对藻类生长的影响, 对探明F-对藻类的生态毒理效应以及对氟污染的环境影响评价具有重要的意义.

本研究选取环境中广泛存在、对生长条件要求简单、环境耐受性强、繁殖速率快且易于人工培养的蛋白核小球藻(简称球藻)和莱茵衣藻(简称衣藻)作为受试生物, 开展F-对微藻氮营养吸收的影响研究.

1 材料与方法

1.1 材料与设备

材料:蛋白核小球藻和莱茵衣藻均购自中科院水生生物研究所淡水藻种库. 实验所需药剂主要包括:氟化钠, 氯化钠, 95%乙醇, 硝普钠, 硫酸铵, 硝酸钾, 水杨酸钠, 氢氧化钠, 柠檬酸钠, 月桂醚, 磺胺, 浓硫酸, 硝酸钠, 硫酸铜标液, 磷酸, 硫酸肼, 盐酸. 所用试剂均为分析纯.

设备:主要仪器设备见表1.

表1 实验所需的主要仪器设备

1.2 实验方法

1.2.1 藻的扩培

土壤提取液的配制方法:取未施过肥的花园土200 g, 置于三角瓶中, 加入蒸馏水1 000 mL, 瓶口用透气塞封口, 在水浴中沸水加热3 h, 冷却, 沉淀24 h. 此过程连续进行3次, 然后过滤, 取上清液, 于高压灭菌锅中灭菌后, 于4 ℃冰箱中保存备用.

配制藻生长所需培养基(土壤培养液), 密封, 放入高温灭菌锅中, 于0.1 Mpa, 121 ℃灭菌30 min, 冷却, 紫外灯灭菌30 min后进行微藻的接种. 然后放入光照培养箱中, 培养温度为25 ℃左右, 在光照强度为 2 500 lux, 光暗比为12 h∶12 h的条件下培养. 每天人工摇瓶2～3次. 3～5 d添加一次营养, 一周转接一次, 直至达到实验所需的藻数量.

1.2.2 氮饥饿藻体培养

配制以SE培养液为基础的无氮培养液(不添加NaNO3、NH4Cl和土壤提取液), 封口, 灭菌后备用. 取一定体积的扩培对数期藻液, 离心(3 000 r/min, 5 min), 弃去原培养液后, 接入10个盛有已灭菌的500 mL三角瓶中, 置于光照培养箱中, 在25 ℃, 2 500 lux和连续光照的条件下, 饥饿培养48 h.

1.2.3 硝态氮和铵态氮的吸收处理

1.2.4 氮含量的测定

(1)硝态氮的测定

(2)铵态氮的测定

1.2.5 数据处理

采用SPSS 2.0和Origin 8.0处理数据, 绘制相应的数据图.

2 结果分析

2.1 F-对微藻硝态氮营养吸收的影响

2.1.1 F-对蛋白核小球藻硝态氮营养吸收的影响

不同浓度F-对蛋白核小球藻硝态氮营养吸收处理期间, 藻液中硝态氮浓度变化结果见图1.

图1 蛋白核小球藻硝态氮消耗曲线

由图1可知, 在无F-处理时(CK), 以初始氮含量为20 mg/L的硝酸盐作为球藻氮营养源, 在0～24 h时间段, 球藻硝态氮消耗随处理时间的增加, 藻液中的氮浓度逐渐减小, 说明此时球藻正处于生长状态. 24～27 h是极速下降阶段, 说明该时间段球藻达到对数生长期, 生长最为旺盛. 在27 h后呈缓慢下降趋势, 说明球藻对数生长期已过; 在F-浓度为0.05和5 mmol/L时, 球藻硝态氮消耗曲线的变化趋势与CK曲线基本一致, 说明低浓度F-对球藻硝态氮的吸收没有明显影响; 当F-浓度为50 和200 mmol/L时, 从球藻硝态氮消耗曲线可知, 也出现了球藻的对数生长期(24～27 h), 但氮浓度与CK和低浓度F-处理组相比更高, 说明F-对球藻的生长起到抑制作用. 在27 h后氮消耗速度变慢, 直至66 h后藻液中的氮浓度又缓慢提高, 说明球藻已经死亡, 所以66 h为球藻硝态氮浓度上升的临界点. 因此, 高浓度F-(≥50 mmol/L)抑制球藻硝态氮营养吸收, 甚至导致其死亡. 处理时间也是F-抑制球藻硝态氮营养吸收的重要因素.

2.1.2 F-对莱茵衣藻硝态氮营养吸收的影响

不同浓度F-对莱茵衣藻硝态氮营养吸收处理期间, 藻液中硝态氮浓度的变化结果见图2.

图2 莱茵衣藻硝态氮消耗曲线

由图2可知, 当不加F-时(CK), 以硝酸盐作为氮营养源培养的衣藻, 在0～24 h时间段呈现为生长状态, 说明衣藻生理活性较好. 24～27 h是极速下降阶段, 说明该时间段衣藻达到对数生长期; 当F-浓度为0.05和5 mmol/L时, 与CK相比, 在对数生长期后(>27 h)藻液中氮浓度更高, 说明低浓度F-(≤ 5 mmol/L)对衣藻硝态氮的吸收产生抑制作用; 当F-为50 和200 mmol/L时, 氮消耗曲线比低浓度F-处理组的氮消耗曲线更高, 在27 h时, 藻液中的氮浓度分别达到14.0 和14.6 mg/L, 说明高浓度F-对衣藻的生长抑制作用更强. 同时, 在42 h后藻液中的氮浓度逐渐提高, 说明衣藻已经死亡, 因此42 h为衣藻硝态氮浓度上升的临界点. 与球藻相比, 氮浓度升高的时间提前了, 说明球藻对F-具有更高的耐受性. 与球藻相比, 相同处理时间下衣藻藻液中的氮浓度比较高(见图1), 说明球藻对硝态氮吸收能力强于衣藻, 尤其是当F-浓度较高(≥50 mmol/L)时, 这种差异更加明显.

2.2 F-对微藻铵态氮营养吸收的影响

2.2.1 F-对蛋白核小球藻铵态氮营养吸收的影响

不同浓度F-对蛋白核小球藻铵态氮营养吸收处理期间, 藻液中铵态氮浓度变化结果见图3.

由图3可知, 在无F-处理时(CK), 在0～27 h时间段, 球藻铵态氮消耗随处理时间的增加, 藻液中的氮浓度逐渐减小, 说明此时球藻正处于生长状态. 在27～30 h时间段, 藻液中铵态氮浓度急剧下降, 该时间段为球藻的对数生长期. 与图1中的CK曲线相比, 球藻的生长时间延迟, 浓度更高, 说明球藻对硝态氮的吸收能力强于对铵态氮的吸收能力; 当F-处理浓度为0.05和5 mmol/L时(低浓度处理), 氮浓度消耗曲线的变化趋势与CK曲线类似. 但与CK相比, 在相同处理时间下, 低浓度F-处理后的藻液氮浓度更高, 说明低浓度F-对球藻的铵态氮浓度吸收具有抑制作用. 与图1的低浓度硝态氮处理相比, 相同处理时间下的藻液的铵态氮浓度更高, 和CK的结果一致; 当F-处理浓度为50 和200 mmol/L时(高浓度处理), 在处理时间≥30 h时, 藻液中氮浓度逐渐升高, 说明球藻出现死亡情况. 因此30 h为球藻铵态氮浓度上升的临界点, 与图1中球藻硝态氮浓度上升的临界点相比提前了, 但相同处理时间下的藻液的铵态氮浓度更高, 说明球藻铵态氮吸收更易受氟的影响.

2.2.2 F-对莱茵衣藻铵态氮营养吸收的影响

不同浓度F-对莱茵衣藻铵态氮营养吸收处理期间, 藻液中铵态氮浓度变化结果见图4.

图4 莱茵衣藻铵态氮消耗曲线

由图4可知, 与球藻类似, 在无F-处理时(CK), 衣藻铵态氮消耗随处理时间的增加, 藻液中的氮浓度逐渐减小, 说明此时衣藻正处于生长状态. 在27～30 h时间段, 藻液中铵态氮浓度急剧下降, 该时间段为衣藻的对数生长期. 与图2中的CK曲线相比, 衣藻的生长时间延迟, 浓度更高, 说明衣藻对硝态氮的吸收能力强于对铵态氮的吸收能力; 当F-处理浓度为0.05和5 mmol/L时(低浓度处理), 氮浓度消耗曲线的变化趋势与CK曲线类似, 但与CK相比, 在相同处理时间下, 低浓度F-处理后的藻液氮浓度更高, 说明低浓度F-对衣藻的铵态氮浓度吸收具有抑制作用. 与图2的低浓度硝态氮处理相比, 相同处理时间下的藻液的铵态氮浓度更高, 和CK的结果一致; 当F-处理浓度为50和200 mmol/L时(高浓度处理), 在高浓度处理时间≥30 h时, 藻液中氮浓度逐渐升高, 说明衣藻出现死亡情况, 因此30 h为衣藻铵态氮浓度上升的临界点, 与图2中衣藻硝态氮浓度上升的临界点相比提前了, 但相同处理时间下的藻液的铵态氮浓度更高, 说明衣藻铵态氮吸收更易受氟的影响. 与图3中的球藻相比, 相同时间下, 衣藻藻液的氮浓度高于球藻藻液的氮浓度, 说明球藻对铵态氮吸收能力强于衣藻, 尤其是当F-浓度较高(≥50 mmol/L)时, 这种差异更加明显, 说明球藻具有更高的F-耐受性.

3 结语

实验结果表明, F-影响蛋白核小球藻和莱茵衣藻对硝态氮和铵态氮的营养吸收, 但影响程度与氟浓度有关, 具体表现为低浓度F-对衣藻的铵态氮浓度吸收具有抑制作用, 但影响不大, 高浓度F-明显抑制两种藻的氮营养吸收, 且高浓度F-容易造成球藻和衣藻死亡. 藻种类不同, 对不同形态氮的吸收能力和受F-的影响不同. 在处理条件相同的情况下, 蛋白核小球藻对硝态氮的吸收能力好于莱茵衣藻, 而蛋白核小球藻对硝态氮的吸收能力弱于莱茵衣藻, 尤其是当F-浓度较高(≥50 mmol/L)时, 这种差异更加明显. 且莱茵衣藻藻液残留硝态氮含量上升的临界点明显早于蛋白核小球藻, 说明蛋白核小球藻对F-的耐受性更强, 而莱茵衣藻对F-更敏感, 其氮营养吸收能力更易受F-的影响. 蛋白核小球藻和莱茵衣藻的铵态氮含量上升的临界点一致, 均为30 h, 所以两者对F-的敏感度一致. 此外, 无论是衣藻还是球藻的藻液残留铵态氮含量上升的临界点(30 h)明显早于硝态氮含量上升的临界点(66 h和42 h), 说明铵态氮吸收更易受F-的影响.