稀土对藻类生长影响的研究进展

王志如 孙艳秋

（天津师范大学天津市水资源与水环境重点实验室，天津 300387）

稀土对藻类生长影响的研究进展

王志如 孙艳秋

（天津师范大学天津市水资源与水环境重点实验室，天津 300387）

三十年来，针对稀土对藻类的生长影响已经得到了较多研究．它主要表现在两个方面：一是针对防治水体富营养化而开展的稀土元素对藻类的生长影响研究；另一方面是以养殖经济藻类为目的而开展的研究工作．文章从这两个角度出发，综述稀土对藻类生长的影响研究进展，并在此基础上指出今后重点研究方向．

稀土；藻类；研究进展

稀土元素是指钇和镧系元素，由于其特殊的物理化学性质，被广泛地应用于化工、冶金、材料、农业等多个领域．其中，就稀土农用技术来说，中国走在了世界前列．从1986年我国成为世界上第一个把稀土作为一种商业性产品“益植素”应用于农业生产起至今，稀土微肥在我国年施用面积超过5 000万亩，累计年消耗稀土1 300吨[1-2]．但是，有研究表明稀土在土壤中本身残留很少，绝大部分都以径流颗粒物的形式输出到湖泊或水库中[3-4]．随着淡水湖泊富营养化的日益严重，人们针对水体富营养化而开展了大量的稀土元素对藻类的生长影响研究．同时，由于稀土对一些农作物能够起到增产增收的作用，部分学者也尝试通过添加稀土的办法来养殖经济藻类．

到目前为止，许多学者已经从不同领域和方向对稀土元素的研究进展进行了总结和评述．稀土对藻类生长的影响研究作为稀土元素在环境科学和农业科学的重要内容，本文从这两个角度出发，对稀土元素对藻类生长的影响进行简要概述．

1 稀土元素在水环境中对藻类的生长影响

稀土元素对藻类的生长研究最早可以追溯到20世纪80年代，北京大学王兰仙等于1985年首先研究了稀土元素（La、Ce、Pr）对固氮鱼腥藻生长的影响，研究结果表明[5]：LaCl3（30 µmol/L，60 µmol/L，120 µmol/L）和PrCl3（40 µmol/L，80 µmol/L，160 µmol/L）表现出明显促进作用，其生长与LaCl3、PrCl3浓度呈正相关关系，而CeCl3具有明显抑制作用．随后，石进元等研究了La3+和Ce3+对衣藻生长的影响，结果表明浓度在5～20 mg/L时有明显促进作用；达到50 mg/L时La3+促进作用不明显，Ce3+在这一浓度时则抑制作用较强[6]．这一时期的研究结果普遍认为稀土元素对微囊藻的生长有非常明显的促进作用，不同的稀土元素生物有效性有明显差别．与王兰仙等研究结果不同：石进元等研究认为稀土元素的浓度与藻类生长的促进作用并不成正比，而是有个最佳浓度值，浓度过高就会起抑制作用，并且Ce3+对藻类的生长同样有着促进作用．

20世纪90年代中期以来，由于农用稀土的广泛应用，其对水体富营养化的潜在影响及生态环境效应逐渐引起关注．王晓蓉等研究了La3+对淡水小球藻生长的影响，研究结果表明低浓度（0.1～1.0 mg/L）La3+有促进作用，高浓度（2.0 mg/L）则有抑制作用；La-EDTA配合物在所研究的浓度范围内（0.1～2.0 mg/L）均有抑制作用[7]．胡勤海等则认为稀土元素在浓度2 mg/L时对淡水小球藻的生长影响并不大[8-9]．而沈颂东等认为Eu3+在0.5 mg/L时有短期促进作用，当浓度大于或等于1.0 mg/L迅速抑制藻类生长[10]，从这一研究结果来看Eu3+和La3+这两种稀土元素对同一种藻类生长影响区别明显．这一时间的研究结果与1980年代有所不同．

2000年，宋凌云等研究了稀土元素对固氮蓝藻满江红鱼腥藻生长的影响[11]，部分研究内容与王兰仙等的重复，却得出不同结论．宋凌云等的研究结果显示：低浓度（＜ 5 mg/L）La3+有轻微促进作用，随着La3+浓度的增大促进作用增强，5 mg/L时促进作用最明显，10 mg/L时促进作用减弱，浓度增至20 mg/L时表现出抑制作用[11]．而王兰仙等认为La3+在120 µmol/L促进作用最明显，两组实验数据中稀土La起最大促进作用的浓度相差3.34倍．

近年来，随着湖泊水体富营养化日益严重，铜绿微囊藻作为“水华”优势藻种之一，稀土元素对它生长影响的研究逐渐增多．2003年，钱芸等发表了关于硝酸镧对铜绿微囊藻生长特性影响的成果，结果显示硝酸镧浓度在12.5～12 500 µg/L可以明显刺激其生长，当浓度达到125 000 µg/L时对铜绿微囊藻表现出明显抑制作用[12]；而林俊等认为当La3+浓度小于2 mg/L时其被促进（1 mg/L为最佳浓度），浓度大于2 mg/L时生长受到抑制[13]；Jin等的研究成果与上述两组研究也有区别：元素La3+的浓度低于7.2 µmol/L时有轻微促进作用（或没有促进作用），达到72 µmol/L时抑制作用明显[14]．上述三组研究在La3+对铜绿微囊藻的促进作用上形成两种观点：Jin等认为La3+对藻类生长仅仅有轻微促进作用；钱芸等和林俊等则认为有明显促进作用，但是他们两组研究在浓度范围上也有明显差别；三组研究均认为高浓度La3+会对藻类生长产生抑制作用，但浓度值相差几十倍．林俊等和王应军等还分别研究了Ce4+、Y3+和Nd3+对铜绿微囊藻的生长影响，结果表明：当Ce4+和Y3+的浓度小于0.2 mg/L时有促进作用，浓度大于或等于0.5 mg/L时产生强烈抑制作用；Nd3+浓度在0.01～0.05 mg/L时有轻微促进作用，在0.1～1.0 mg/L时表现出明显促进作用，在1.0 mg/L时能最大限度地促进生长，大于5 mg•L-1对藻细胞增殖开始起抑制作用[15-17]．

此外，刑少璟等和巩东辉等分别研究镧对亚历山大藻和钝顶节旋藻的生长影响时也发现一定浓度（0.1～0.5 mg/L和5.3～7.5 mg/L）的稀土元素对微藻生长具有促进作用[18-19]．

上述研究主要通过选取确定的藻种，通过添加单一种类稀土，利用固定培养液来开展的科研工作．除此之外，部分学者利用野外水体作为培养液，通过添加不同剂量的种类稀土的方法，对野外水环境中存在的藻类生长影响开展了研究．胡勤海等研究了稀土对杭州华家池水体中藻类的影响，研究结果表明：1 mg/L和5 mg/L的Nd及混合稀土对藻类种类数及个体总数、生物多样性指数等总体呈一定抑制作用；1 mg/L稀土在试验初期略有刺激作用；相对而言，单一稀土元素Nd的毒性要比混合稀土略大[20]．尹大强等在太湖五里湖区水样中通过分别添加不同浓度La(轻)、Gd (中)、Y (重)三种稀土元素与3种稀土混合物来研究稀土元素对富营养化水体中藻类增长的影响，结果表明：单独添加La、Gd和Y在低浓度水平（0.2 mg/L）能显著促进羊角月芽藻的增长，而添加混合稀土元素无明显促长作用[21]．于玲红等对包头引黄水库中的藻类研究认为稀土元素Ce对藻种类和生物多样性有抑制作用；低浓度（1 mg/L）Ce对藻类个体总数具有明显刺激作用；高浓度（20 mg/L）Ce对藻类的数量有抑制作用；低浓度稀土元素对藻类的刺激作用可能是包头引黄水库水富营养化的影响因素之一[22]．

2 稀土元素在藻类养殖中对其生长的影响

螺旋藻是一种光自养的蓝藻，因富含蛋白质和维生素，作为健康食品备受欢迎．张爱琴等于1988年首先研究了稀土元素对钝顶螺旋藻生长的影响，研究表明：不同浓度LaCl3、CeCl3和NdCl3均有不同程度的促进作用，其中40 µmol/L La3+、20 µmol/L Ce3+和100 µmol/L Nd3+的作用最明显[23]．2000年，鞠宝等选择了轻、中、重稀土，研究结果显示：La3+、Er3+、Y3+这三种稀土元素在浓度为5～30 µg/L之间都能明显促进藻类繁殖，其中La3+和Y3+在15 µg/L、Er3+在25 µg/L时促进作用最明显[24]．对比上述两组研究：仅就稀土元素La而言，对藻类生长最佳浓度的研究结果相差达370倍．

曲克明等研究了La、Gd、Y和混合稀土（La、Ce和Nd）对牟氏角毛藻和球等鞭金藻生长的影响[25-28]．研究结果显示：轻、中、重和混合稀土对这两种藻类促进作用相同，但最佳浓度范围不同．在牟氏角毛藻的藻类增长潜力实验中，最佳浓度范围分别为7.28～50.98μmol/L， 19.08～44.52 μmol/L，5.78～28.89μmol/L和0.37-7.3mg/L；在球等鞭金藻的藻类增长潜力实验中，最佳浓度范围分别为36. 42～65. 55 μmol/L，19. 08～57. 23 μmol/L，5. 78～17. 34 μmol/ L和1.66～6.50 mg/L．辛福言等研究了镧-脯氨酸和镧-苯丙氨酸络合物对牟氏角毛藻和球等鞭金藻的影响，结果表明：镧的氨基酸络合物在浓度1～15 mg/L时对牟氏角毛藻有明显促进作用， 5 mg/L为最佳浓度．在浓度为5～20 mg/L时对球等鞭金藻有明显促进作用，浓度为10 mg/L浓度最佳，镧的氨基酸络合物对牟氏角毛藻、球等鞭金藻的作用效果与镧相比是等同的[29-30]．

李哲等研究了Ce3+对雨生红球藻生长的影响，低浓度Ce3+促进作用较明显，其中0.1 mg/L时促进效果最好；高于10 mg/L时起抑制作用，高于40mg/L时生长完全被抑制[31]．张敏等利用静态荧光光谱法研究了稀土对杜氏盐藻生长的影响，结果显示硝酸镧和硝酸钐在2～60 mg/L内促进作用不同，其中硝酸镧在2 mg/L和硝酸钐在20 mg/L时表现的促进作用稍明显[32]．梅志刚等利用稀土元素对隐甲藻生长影响进行研究，结果表明:低浓度（20 mg/L和50 mg/L）的La3+、Nd3+对隐甲藻生物量有显著提高，Ce3+略有提高，Sm3+影响不大，高浓度时均抑制生长[33]．杨革等研究了不同浓度的La3+和Nd3+对隐甲藻生长的影响，他们认为LaCl3在30和60 mg/L时有轻微刺激作用；当浓度高于90 mg/L时有抑制作用，浓度提高，抑制作用增强；NdCl3在30 mg/L和60 mg/L时有轻微抑制作用，高于90 mg/L时抑制作用明显增强[34]．梅志刚等实验结果显示低浓度镧和钕对隐甲藻生长有明显促进作用，而杨革等认为稀土元素对藻类生长影响作用轻微．与杨革持相同观点的还有刘志伟等，他们在培养转基因鱼腥藻时发现即使是低浓度的稀土元素也不会促进藻类生长，且随着浓度的增大对生长的抑制作用增强[35]．

3 结 语

通过几十年的发展，稀土元素对藻类生长的影响研究发表了大量的成果，但现有的研究结果来看仍存在以下几点不足之处：

（1）前期的很多研究成果中对稀土元素是否能促进藻类生长或促进藻类生长的最佳浓度范围存在多重矛盾之处，对于争议之处尚缺少权威的实验论证．

（2）目前的研究多是针对轻稀土开展的，对于很多中稀土和重稀土对藻类的生长影响尚且没有开展，它们的生物有效性研究处于空白状态．

（3）前期的研究工作中添加的稀土元素浓度大多都在1 ppm以上，稀土添加水平比自然水体高出1 000倍以上，对于低浓度水平稀土元素对藻类生长影响的研究严重不足．

（4）前期的研究工作多注重于研究现象和结果，对于稀土促进藻类生长的机理研究尚没有开展．

上述几点不足之处，也是未来研究稀土元素对藻类生长影响的发展趋势．通过对上述几个方面的研究可以完善稀土元素的环境科学理论体系，同时对经济藻类的培养也具有一定的帮助．

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（责任编辑：郑宗荣）

The Effects of Rare Earth Elements on Algae-growth

WANG Zhiru SUN Yanqiu
(Tianjin Key laboratory of Water Resources and Water Environment, Tianjin Normal University, Tianjin 300387, China)

The effects of rare earth elements (REEs) on algae-growth have been frequently researched in the past three decades. It is mainly manifested in two aspects: the influence of REEs on the growth of algae for the prevention of eutrophication, and the study on the purpose of farming economy algae. In this paper, the effects are reviewed from these two perspectives, the influence of rare earth elements on algae-growth research is reviewed and the direction of research in the future is pointed out.

rare earth elements; algae; research progress

Q936

A

1009-8135（2015）03-0119-04

2015-01-25

王志如（1990-），女，内蒙古乌兰察布凉城人，天津师范大学在读硕士研究生，主要研究大气干湿沉降．

天津市应用基础与前沿技术研究计划（一般项目）（14JCYBJC22400）阶段性成果