微生物作用下的微囊藻降解试验研究

冯　胜　刘　义　余广彬

摘要水体富营养化造成的蓝藻暴发已成为浅水水体的主要危害，蓝藻的大规模反复出现伴随着水体营养盐的释放与吸收。通过模拟试验，对太湖微囊藻进行为期24d的有氧降解试验，结果表明：在微囊藻残体的降解过程中，细菌数量的增加与水体DOC含量显著呈正相关（R2=0.48）；有机磷分解菌是水体中生物活性磷含量增加的驱动者（R2=0.80），微囊藻残体的微生物降解使得湖泊水体中溶解性活性磷大量增加。在水华发生季节微囊藻残体分解产生的营养盐含量增加对二次水华的发生起重要作用。

关键词微囊藻；降解；营养盐释放

中图分类号TQ085+.413文献标识码A文章编号 1007-5739（2009）01-0253-03

近几十年来，无论在淡水水体还是沿海水域，由于生源物质的大量输入水体，造成了世界范围内的水体富营养化，有关浮游植物暴发而导致水质恶化的报道越来越多[1，2]。大面积蓝藻暴发不仅导致水生生态系统的破坏[2]，同时也造成重要的经济损失。在海洋沿岸、湖泊、海湾和三角洲地区，无论是漂浮或附着的存在状态，都积累了大量浮游植物的生物量[3]。研究表明，水体中有40%以上的有机碳是由这些藻类产生的[4]，这些溶解性有机碳进入微食物网，并进而提高生化需氧量。这种间歇性的白天夜间交替的溶解氧含量的改变将增加水体缺氧事件的发生，并能够显著改变营养元素在水体及沉积物间的迁移[5，6]。大量藻类的分解导致的水体营养盐含量增加，促进新一轮水华的暴发，这将进一步使水体的富营养状态恶化，因而使得整个浅水生态系统趋于脆弱化。

太湖是典型的浅水富营养化湖泊，有关太湖水华暴发的报道自1990年起，每年都有，且有愈演愈烈之势。随着太湖富营养化的日趋加剧，在每年4~10月的温暖季节，整个湖区都可见到水华分布，以微囊藻为优势种群，浮游植物占领了整个水体。研究表明，微囊藻对太湖的初级生产力有较大贡献，特别在夏季具有较高的生物量和生产力，叶绿素浓度一般可达30~50μg/L[7]。微囊藻死亡分解后会释放大量营养盐，这些营养盐一部分沉到底泥中，另一部分会直接被藻类吸收利用，为更多藻类的生长提供养分，尤其在蓝藻水华大量暴发的季节，这一过程可能对营养盐循环起着重要作用，促进新一轮水华的形成。笔者通过试验模拟水体微囊藻分解过程营养盐的动态变化，分析了水体微生物与营养盐的耦合关系，探讨微生物作用下微囊藻降解的营养盐释放对二次水华发生的贡献。

1材料与方法

1.1试验用水

2006年8月，于中国科学院太湖湖泊生态系统研究站栈桥采集原水样，经0.45μm孔径的滤膜过滤，除去水中杂质，取30L试验用水，平均加入3个好氧降解瓶中。

1.2微囊藻的采集

用浮游生物网收集太湖梅梁湾水域的微囊藻，带回实验室后立即离心（4 500rpm）。由于活体微囊藻具有假空液泡，故活体藻离心后会浮于表层，取上浮微囊藻，于每一降解瓶中添加湿重25g藻体作试验用。经镜检90%为微囊藻（主要是铜绿微囊藻和水华微囊藻）。

1.3细菌的采集

用彼得生采泥器采集太湖梅梁湾上层底泥，称湿重100g，于无菌条件下加入500mL试验用水和灭菌玻璃珠，振荡2h，静置45min，用灭菌移液器于每一降解瓶中接种菌种液50mL。

将上述所得试验用水、微囊藻和接种菌体加入10L降解瓶中，每隔3h注入洁净空气（空气经1∶14的H2SO4溶液和蒸馏水过滤），环境温度维持在白天33℃左右，夜间23℃左右，自然光照条件。试验装置见图1。

1.4取样及分析

在试验开始0h时和第3天、第6天、第9天、第12天、第15天、第18天、第21天、第24天分别取样。其中叶绿素、TOC、PO43-、溶解性磷的测定参照金相灿等[8]采用的方法，总细菌数量的测定参照冯胜等[9]采用的方法进行，有机磷分解细菌数量采用MPN法测定。

2结果与分析

2.1微囊藻降解过程中水体叶绿素动态

试验初始，由于微囊藻假空液泡的作用，加入降解瓶内的微囊藻全部浮于水体表层，注入空气时，则悬浮在水中。从图2可以看出，微囊藻在前3d降解速度较快，水体中叶绿素含量从最初的0.41mg/L迅速下降到0.23mg/L；在降解试验的第15天，水体叶绿素含量达最低，为0.18mg/L，此时，水体中基本无颗粒藻体，微囊藻基本完全分解。连续观测结果表明，自试验的第10天起水体中已没有可见的悬浮藻类，静止状态的水体中呈现出黄色悬浮的粘絮状物。试验后期，水体变清，降解瓶底有少量黄色沉淀出现，在试验进行至第21天时，发现降解瓶上层颜色变绿，伴随有部分新的浮游藻类产生，在试验的第21~24天叶绿素测定结果分别为0.21mg/L和0.23mg/L，也验证了这一现象。

2.2微囊藻降解过程水体中细菌及DOC含量的变化

细菌是有机体分解的主要作用者。在试验中，笔者重点关注了微囊藻降解过程中细菌数量的动态变化。从图3可以看出，在细菌接种初期，水体中细菌数量为6.3×107个/mL，这是由于细菌是在好氧条件下培养的，但经过短时间的停滞期，随后很快就进入快速生长的过程，降解瓶中的细菌数量在试验的第6天，达到生长的最高峰，荧光直接计数的细菌数量达8.1×107个/mL，随后菌体生长进入缓慢的衰亡期，数量逐渐下降，在试验末期，水体中细菌数量有所回升，第21天测定值为4.1×107个/mL，第24天的测定值为4.3×107个/mL。

从图4可以看出，降解瓶中水体溶解性有机碳含量的变化随培养时间的延长呈逐渐增加的趋势。在试验初期，水体DOC含量仅为9.1mg/L，为整个试验周期中的最低值；到试验进行至第18天时，水体中DOC的含量达到最高，为33.4mg/L，随后则呈现下降的趋势。说明细菌的活动为水体溶解性有机物的再生起到了明显的促进作用，水体中细菌数量与DOC含量的相关分析表明，两者存在显著的相关性（One-Way ANOVA，P<0.001）。

2.3水体中磷酸根和有机磷分解细菌动态

试验瓶中磷酸根和有机磷分解细菌数量在试验过程中的变化见图5和图6。水体中有机磷分解细菌的数量在分解前期有略微的下降，随后就进入快速增殖期，在分解反应的第11天，有机磷分解细菌的数量达最大，为5.7×105个/mL。水体中生物活性磷（PO43-）的含量与磷分解细菌呈现协同变化的趋势。由于细菌的降解作用，水体中活性磷含量大幅度增加，特别在第6~12天的变化最为显著，在试验的第10天，水体生物活性磷含量达最高为0.11mg/L。这显然是这一时期大量有机磷分解细菌生命活动的结果。

3讨论

前人的研究表明：在不同的环境条件下，不同藻体的分解速率有明显不同，完全分解大致时间变化范围是3.7~256.0d的幅度[10]；不同的降解过程产生不同的生化反应机制，容器中溶解性有机碳等物质的产生在试验过程中的变化也显著不同[11]。本试验中，微囊藻在前3d分解的速率最高，有氧分解完全需18d左右，属于分解速度比较快的类型。这可能与太湖地处亚热带地区，当时的高温（白天平均气温33℃，夜间平均气温24℃）和充足供氧有关。由于快速的降解过程，水体中溶解性有机碳含量在前期快速的增加。而Otsuki等研究认为微囊藻好氧降解过程中，有机碳化合物的降解速率比有机氮快的多[12]。

细菌对藻类产生多方面的影响，一方面细菌吸收藻类产生的有机物质，并为藻类的生长提供营养盐和必要的生长因子，从而调节藻类的生长；另一方面，细菌也可以通过直接或间接的作用抑制藻类的生长，裂解藻细胞，从而表现为杀藻效应[13]。由于这些错综复杂的关系，使人们在研究浮游植物水华和赤潮的发生、发展、衰落与消亡机理时，不能不考虑细菌的重要性，本研究的结果发现，在微囊藻降解过程中，水体细菌和DOC含量呈现协同变化的趋势（见图7），也进一步验证了细菌对水体营养盐循环的作用。

解磷细菌数量与各种磷形态的关系：磷被认为是水体浮游藻类性营养元素，其含量与湖泊的营养程度密切相关。藻类的繁盛与湖泊（水体和沉积物）中营养元素的生物地球化学循环有重要联系[14]。在淡水水体的磷循环过程中，微生物起着重要的作用。一方面，它们是湖泊生态系统的重要组成部分，其数量和种类影响着磷元素的生物地球化学循环，其体内的缩合磷酸盐最高可占沉积物有机磷的50%左右[15]；另一方面，微生物可对环境中各种形态的磷进行转化，分散于湖泊中各种形态的磷，包括离子态、无机盐类、有机化合物（生物体内的磷蛋白、磷酯、核酸等）及矿物态（各种磷灰石、胶磷矿）等形式，无论是无机还是有机的一切形式的不溶性磷，都可以在解磷微生物的作用下不同程度地转化为可溶性磷[16]。细菌通过消耗氧而降低水体中的氧化还原电位，以加大铁磷的释放。在磷降解菌的作用下，三价铁被直接还原为二价铁，原来吸附在铁氧表面的磷被释放[17]。在微囊藻分解过程中，由于碳水化合物分解比较快，为水体细菌的生长提供了充足的碳源，磷分解细菌的数量随即出现了生长的高峰期，水体活性磷的含量也明显增加（见图8）。

4结论

微囊藻分解过程中释放出大量营养元素为淡水水体藻类二次暴发提供了一定的物质基础。细菌降解作用是水质发生变化的最根本因素，在藻类好氧降解过程中，细菌数量的变化与水体DOC和生物活性磷的动态呈现协同变化的规律。

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