小檗碱对养殖池塘生态环境的影响

胡雪+姬玉+李唯民+张树林+张达娟

摘 要：为了探讨小檗碱在养殖池塘中实际应用的可能性及对环境的影响，选取一蓝藻爆发的养殖池塘为试验地，向全池泼洒小檗碱，监测小檗碱泼洒后192 h内养殖水体的主要水质理化指标、浮游生物组成及生物量的变化。结果表明，小檗碱对养殖池塘的溶解氧、亚硝酸态氮、氨态氮，有不同程度的抑制作用，对于COD和硝酸态氮有一定的促进作用；对蓝藻门生物量存在明显的抑制作用，而对绿藻门及硅藻门生物量均存在不同程度的促进作用。小檗碱可以作为抑制铜绿微囊藻大量爆发的生态调节剂，具有改善水质的作用，有着十分广泛的应用前景。

关键词：小檗碱；生态环境；铜绿微囊藻

中图分类号：S955 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.07.004

Abstract： In order to investigate the possibility of using berberine to inhibit the cyanobacteria blooms in the aquaculture ponds and effects on environmental conditions， a pond was chosen and splashed berberine solution into the pond water. The indexes of water quality and the composition of plankton and biomass were monitored. The results showed that the berberine inhibited the DO， NO2-N and NH4-N， and promoted the COD and NO3-N. The berberine also inhibited the biomass of cyanobacteria and enhanced biomass of Chlomphyta and Bacillariophyta. Berberine， as an ecological regulator， could inhibit cyanobacteria blooms， improve the water quality， showing broad application prospects.

Key words： berberine； ecological environment； Microcystis aeruginosa

淡水养殖池塘是一个较为复杂的生态系统，由于多种因素的影响与干扰，常常致使池塘水质发生明显的变化[1]，其中最为明显的即为营养盐含量的显著上升，很多养殖池塘由于不合理的饲养方式及饲养密度，使水质呈污染状态，且富营养化程度很高[2]。当温度、pH值等其他环境条件适宜时，铜绿微囊藻可以在富营养化的水体中快速繁殖、生长，且易爆发形成水华。铜绿微囊藻的爆发可以在短时间内破坏养殖水环境的平衡，造成养殖对象不同程度的死亡[3-4]。对于铜绿微囊藻水华的控制可以通过物理方法、化学方法和生物处理等方法来实现，但存在着成本高、作用水体小、易造成二次污染及作用缓慢等缺点[5]，不适宜规模化大面积应用，迫切需要提出新的抑藻技术。

近几年兴起的化感物质抑藻的研究受到广大关注，被认为是一种高效、安全的新型抑藻技术[6-8]。小檗碱又称黄连素、小蘖碱、小檗硷，是一种常见的异喹啉生物碱，可以在中草药黄连、黄柏等植物的根茎中大量提取，由于其具有安全性高、来源性广等特点，已经被广泛应用于养殖水环境的调控中[9-10]。实验室的研究结果表明，小檗碱对铜绿微囊藻具有显著的抑制作用，并且检测到其浓度在20 mg·L-1时，抑藻效果明显，且对模拟池塘的生态系统不产生显著影响，这使小檗碱抑制蓝藻的实际运用有了更深入的理论支持[11]。本试验拟通过在爆发蓝藻水华的泥鳅养殖池塘中运用小檗碱进行抑藻试验，旨在探讨小檗碱在养殖池塘实际应用的可能性。

1 材料和方法

1.1 试验池塘及基本条件

试验池塘为位于天津市汉沽区某养殖厂的泥鳅养殖池塘，长58.3 m，宽19 m，深1 m。

1.2 试验设计及方法

试验所需小檗碱为由天津马克生物技术有限公司提供的标准品，纯度97.89%，制成小檗碱母液，备用。

2014年6月27日铜绿微囊藻大量爆发，全池泼洒浓度为小檗碱，使其浓度达20 mg·L-1，泼洒后每48 h采样1次，共采样5次，对相应水质理化指标进行测定并对浮游生物种类组成进行鉴定分类。

1.2.1 水化学样本的采集及测定 水化学样本的采集及测定均按照《渔业生态环境监测规范》[12]执行。测定的主要指标有pH值、溶解氧（DO）、化学需氧量（COD）、硝酸态氮（NO3-N）、亚硝酸态氮（NO2-N）、氨氮（NH4-N）、磷酸盐（PO43-P）。每个指标的测定均重复3次，数据以平均值±标准差表示。

1.2.2 浮游生物样本的采集及分析 浮游生物样本的采集及分析均按照《渔业生态环境监测规范》[12]执行。每个样品重复计数3次，每次误差小于15%为有效。在浮游生物计数的基础上采用细胞平均湿重法推算生物量。

2 结果与分析

2.1 小檗碱对泥鳅养殖池塘生态系统主要水化学指标的影响

2.1.1 酸碱度（pH值） 小檗碱对养殖池塘酸碱度（pH值）的影响如图1所示，使用小檗碱后池塘pH值明显降低，96 h后pH值逐渐增大，192 h时pH值达到7.62。

2.1.2 溶解氧（DO） 泼洒小檗碱后，养殖水体DO呈下降趋势（图2），在48 h后下降较为剧烈，192 h水体平均DO含量为2.12 mg·L-1。单因素方差分析结果表明，小檗碱作用时间显著影响养殖水体DO含量（P<0.01）。

2.1.3 化学需氧量（COD） 泼洒小檗碱后，池塘养殖水体COD含量呈上升趋势（图3），且泼洒48 h以后上升十分明显。COD含量在4.24～5.25 mg·L-1之间，平均值为2.69 mg·L-1，单因素方差分析结果表明，小檗碱作用时间对养殖水体COD含量有显著影响（P<0.01）。

2.1.4 硝酸态氮（NO3-N） 试验池塘水体NO3-N含量介于0.13～0.15 mg·L-1之间，平均含量为0.14 mg·L-1。随着小檗碱泼洒时间的增加，养殖池塘NO3-N含量逐渐增大，至192 h时NO3-N含量达0.15 mg·L-1（图4）。单因素方差分析结果表明，小檗碱作用时间显著影响养殖池塘内NO3-N含量（P<0.01）。

2.1.5 亚硝酸态氮（NO2-N） 随着小檗碱作用时间的延长，养殖池塘内NO2-N的含量逐渐减小（图5），在192 h时NO2-N含量为0.015 mg·L-1，并且达到最小值，单因素方差分析结果表明，小檗碱可以显著降低养殖池塘水体NO2-N含量（P<0.01）。

2.1.6 氨态氮（NH4-N） 泼洒小檗碱后，养殖水体NH4-N含量逐渐降低（图6），在192 h时降到0.20 mg·L-1，单因素方差分析结果表明，小檗碱可以显著降低池塘水体的NH4-N含量（P<0.01）。

2.1.7 磷酸盐（PO43--P） 泼洒小檗碱后，养殖池塘水体PO43--P含量呈先下降再上升的趋势（图7），于48 h时达最低，为0.03 mg·L-1，于192 h时达到高，为0.04 mg·L-1。

2.2 小檗碱对养殖池塘浮游生物组成的影响

2.2.1 浮游植物种类组成 5次采样共鉴定出绿藻门（Chlomphyta）、蓝藻门（Cyanophyta）和硅藻门（Bacillariophyta）共3门浮游植物。其中绿藻门9个属（种），分别为四尾栅藻（Scenedesmus quadricauda）、纤维藻（Ankistrodesmus spp.）、蹄形藻（Kirchneriella sp.）、四角藻（Teraedrom sp.）、鼓藻（Cosmarium sp.）、十字藻（Crucigenia sp.）、盘星藻（Pediastrum sp.）、集星藻（Actinastrum sp.）、弓形藻（Schroederia sp.）；硅藻门4个属（种）：有舟形藻（Navicula sp.）、小环藻（Cylotella sp.）菱形藻（Nitzschia sp.）、直链藻（Melosira sp.）；蓝藻门有4个属（种）：铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）、平裂藻（Merismopedia sp.）、螺旋藻（Spirulina sp.）、席藻（Phormidium sp.）。优势种为蓝藻门铜绿微囊藻和席藻等。

2.2.2 浮游植物生物量 随着小檗碱作用时间的增加，蓝藻门浮游植物生物量逐渐减小（图8），由泼洒时的26.83 mg·L-1降低至192 h时的14.25 mg·L-1，下降了46.89%；硅藻门浮游植物生物量呈现先下降再上升的趋势，48 h时为10.85 mg·L-1，随后逐渐上升至192 h的15.30 mg·L-1；绿藻门浮游植物生物量随小檗碱作用时间的延长而增大，至192 h时为17.55 mg·L-1。

2.2.3 小檗碱对泥鳅养殖池塘铜绿微囊藻的影响 小檗碱对池塘铜绿微囊藻生物量的影响见图9，铜绿微囊藻生物量随小檗碱作用时间的延长而降低，在0 h时生物量为19.75 mg·L-1，192 h后生物量达到最小值为10.37 mg·L-1，单因素方差分析结果表明，铜绿微囊藻的生物量受到小檗碱作用时间的显著抑制作用（P<0.01）。

2.2.4 浮游动物组成及丰度 试验过程共鉴定浮游动物10属（种），小型浮游动物8属（种），为萼花臂尾轮虫（Brachionidae calyciflorus）、角突臂尾轮虫（Brachionidae angularis）、曲腿龟甲轮虫（Keratella ualga）、壶状臂尾轮虫（Brachionus aurceus）、螺形龟甲轮虫（Keratella cochlearis）和三肢轮虫（Filinia sp.）、侠盗虫（Halteria sp.）、拟铃壳虫（Tintinnopsis sp.），其中以角突臂尾轮虫为优势种；大型浮游动物2属（种），其中枝角类1属（种），为裸腹溞（Moiia sp.），桡足类1个属（种），为剑水蚤（Mesocyclops sp.）。

随着小檗碱作用时间的增加，浮游动物丰度逐渐减小（图10），变化范围为12.84～29.35 个·L-1，在192 h时丰度达到12.84 个·L-1，为最小值。单因素方差分析结果表明，小檗碱作用时间显著影响浮游动物的丰度（P<0.01）。

3 结论与讨论

3.1 小檗碱对养殖池塘主要水化学指标的影响

近年来，小檗碱作为一种新兴的药剂在养殖水体的生态调控中得到一定的应用。鱼虾对pH值的适宜范围是6.5～8.5之间。精养池塘一般控制在7～8.5之间，而此pH值范围恰好是微囊藻属种类大量繁殖的适宜pH值。本研究中泼洒小檗碱后水体的pH值逐渐下降至7.62，仍处在鱼类生长的适宜范围内，降低了微囊藻大量爆发的风险。水体DO含量对养殖对象的生存有着至关重要的作用，其含量往往是反映生物生长状况和污染状态的重要指标，而DO含量的多少主要是由池塘水中浮游植物光合作用的强弱决定。尽管在小檗碱泼洒后期，绿藻门和硅藻门浮游植物生物量有一定的上升，在一定程度上会加快光合放氧，但降解死亡浮游生物，尤其是大量铜绿微囊藻细胞需要消耗大量的氧气，导致泼洒小檗碱后池塘溶氧明显下降，COD含量明显上升。基于此，建议在利用小檗碱控制养殖池塘铜绿微囊藻水华时，需要辅以添加适宜的微生态制剂，降低COD的含量[11]。

亚硝酸态氮是氨转化为硝酸盐过程中的中间产物，同时也是氨氮的硝化产物，亚硝酸盐对鱼、虾的毒性较强，是养殖水域中诱发暴发性疾病的重要因素。本研究中，加入小檗碱后，水体的氨态氮和亚硝酸态氮含量明显降低，而硝酸态氮含量明显升高，说明小檗碱的加入使水体内的氮盐向着有益于浮游生物生长的方向变化。毕相东等[11]指出“小檗碱可以较好地降低养殖水体的NO2--N含量，促进水体健康养殖，提高养殖对象免疫力”与本研究结果一致。

3.2 小檗碱对泥鳅养殖池塘生态系统浮游生物的影响

黄连碱、小檗碱等8种生物碱对有害藻类的抑杀具有良好的作用效果，尤其对于蓝藻及绿藻的有害藻类生长均有一定的抑制作用[13]。20 mg·L-1的小檗碱对于泥鳅养殖池塘内的有害蓝藻具有一定的抑制作用，尤其对于铜绿微囊藻的丰度及生物量抑制效果十分明显，对于硅藻门及绿藻门存在不同程度的促进作用，由此可见，利用小檗碱治理或控制铜绿微囊藻的大量爆发对于生态环境的快速修复是十分可行的。蓝藻与细菌一样同属于原核生物，小檗碱通过破坏铜绿微囊藻的细胞超微机构、抑制DNA的转录及复制过程，从而使铜绿微囊藻细胞裂解[14]，削弱其光合作用等生理过程，小檗碱对于蓝藻的抑制效果较为明显[9]。在小檗碱作用下，浮游动物丰度逐渐减小，可能与由于养殖水体的DO含量随着小檗碱作用时间的延长而降低，使养殖水体DO含量不足，以及浮游植物光合作用的减弱有直接的关系。因此，在泼洒小檗碱后应适时增开增氧机，以维持养殖池塘良好的DO水平。

参考文献：

[1] 王瑞梅，何有缘，傅泽田. 淡水养殖池塘水质预警模型[J]. 吉林农业大学学报， 2011（1）：84-88，92.

[2] 杨传萍. 蓝藻水华对水产养殖的危害和防治措施[J]. 安徽农学通报， 2006（9）：132

[3] Pitois S， Jackson M H， Wood B J. Sources of the eutrophication problems associated with toxic algae： An overview[J]. Journal of Environmental Health， 2001， 64（5）：25-32.

[4] Anderson D M. Approaches to monitoring， control and management of harmful algal blooms （HABs） [J]. Ocean Coast Management， 2009， 52（7）： 342.

[5] Hu H Y， Hong Y. Algal-bloom control by allelopathy of aquatic macrophytes-A review[J].Front Environment Science and Engineering in China，2008，2（4）：421-438.

[6] 林娟，殷全玉，杨丙钊，等.植物化感作用研究进展[J].中国农学通报， 2007（1）：68-72.

[7] 鲜啟鸣，陈海东，邹惠仙，等.淡水水生植物化感作用研究进展[J]. 生态学杂志， 2005（6）：664-669.

[8] 彭少麟，邵华.化感作用的研究意义及发展前景[J].应用生态学报， 2001（5）：780-786.

[9] Zhang Shulin， Zhang Bo， Xing Kezhi， et al. Inhibitory effects of golden thread （Coptis chinensis） and berberine on Microcystis aeruginosa[J]. Water Science and Technology， 2010，61（3）：763-769.

[10] 张波，张树林，陈成勋.微囊藻化学防治研究综述[J].水生态学杂志，2009（4）：123-128.

[11] 毕相东，张树林，张波，等. 微宇宙法分析小檗碱对模拟池塘生态系统的影响[J]. 南开大学学报：自然科学版，2012（5）：58-64.

[12] 农业部.SC/T 9102.3—2007渔业生态环境监测规范（第3部分： 淡水）： 渔业生态调查[S].北京： 中国标准出版社，2007.

[13] 张树林. 中草药对铜绿微囊藻的抑制作用及机理研究[D]. 青岛：中国海洋大学，2011.

[14] Bi Xiangdong， Dai Wei， Zhang Shulin， et al. Inhibition of photosynthesis-related gene expression by berberine in Microcystis aeruginosa[J]. Allelopathy Journal， 2014， 34 （2）： 335-343.