葡萄糖添加对太湖水体浮游植物生长的影响

王小冬， 刘兴国， 顾兆俊， 时 旭， 朱 浩， 刘 翀

(农业部渔业装备与工程技术重点试验室 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092)



葡萄糖添加对太湖水体浮游植物生长的影响

王小冬， 刘兴国， 顾兆俊， 时 旭， 朱 浩， 刘 翀

(农业部渔业装备与工程技术重点试验室 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092)

葡萄糖；碳源；浮游植物；氮、磷营养盐

随着工农业的快速发展和城镇化进程的加快，我国的湖泊、河流、池塘等多种水域出现了富营养化，水质下降，并导致水质性缺水现象加剧。其实质是水体营养盐水平过高，水体浮游植物尤其是有害浮游植物大量繁殖，从而导致水体多种使用功能受到严重损害[1]。因此，如何降低水体中的氮、磷等营养盐水平和浮游植物浓度已经成为目前我国治理水体富营养化的一个重要方向。已有研究表明，通过增加有机碳可以增加水体中的异养细菌数量，提高其降解有机物的作用，从而改变水体中无机氮、磷营养盐的去向[2]。这为富营养化水体控制提供了一种新思路，即通过增加水体中的有机碳，促进异养细菌繁殖生长，使异养细菌与浮游植物竞争氮、磷等营养盐，达到控制浮游植物的目的。

目前，水产养殖中一般通过人工添加有机碳，如葡萄糖、蔗糖等，以提高水体中的碳氮比，加速氮形态的转变，并改变水体中氮、磷营养盐吸收利用的途径[3-4]。但是在河流、湖泊等非养殖水体中添加葡萄糖是否会影响系统中浮游植物对氮、磷营养盐的吸收利用，以及对控制浮游植物是否起作用，这方面的探讨还比较少。本研究试图探讨葡萄糖添加对太湖浮游植物生长的影响。

1 材料与方法

1.1 试验方案

试验于2015年7月30日—8月6日在中国科学院太湖湖泊生态系统研究站(太湖梅梁湾)进行。设置3个处理，每个处理3个重复，每个处理均添加相同水平的氮、磷营养盐；而各处理中形成了梯度浓度的溶解性总有机碳。碳的添加质量浓度分别为0 mg/L(对照组)、51 mg/L(低碳组)和102 mg/L(高碳组)。试验容器为总体积100 L的白色塑料桶，桶高60 cm。试验初始水体积为70 L，其中添加的碳、氮、磷形态分别为无水葡萄糖(C6H12O6)、硝酸钾(KNO3)和磷酸二氢钾(KH2PO4)。

1.2 氮、磷营养盐状况和曝气措施

各个桶均使用空气泵曝气，曝气强度为水体中溶氧饱和度约在90%～110%。试验过程中每隔2 d补充蒸发水，使桶中水体积恢复至70 L，选用的补充水是试验初始时获取的曝气但不添加营养盐的湖水。试验水体来源：2015年7月15日从太湖梅梁湾岸边取水置于2个1 000 L的塑料桶中，7月29日傍晚将其转入100 L塑料桶中，7月30日上午正式开始试验。

1.3 指标测定及方法

1.4 数据分析与比较

2 结果

2.1 WT、DO、pH

试验期间的天气以晴朗为主，WT、DO、pH的变化如图1所示。

图1 不同时间各处理的WT、DO、pH变化Fig.1 Changes in WT,DO,and pH values of each treatment at different time

WT：14:00左右比7:00左右的高7 ℃左右，7:00左右各处理间没有显著差异(P>0.05)，14:00左右高碳组和低碳组的WT没有显著差异(P>0.05)，但这两个处理均高于对照组(P<0.05)；DO：7:00左右与14:00左右各处理间均没有显著差异(P>0.05)；pH：无论7:00左右还是14:00左右，均是对照组高于低碳组(P<0.05)，而低碳组高于高碳组(P<0.05)(表1)。

2.2 N、P营养盐

表1 对试验各指标方差分析时得到的F和P值Tab.1 The F and P values of ANOVA results for each item

注：上标“*”表示差异显著(P<0.05)

图2 试验期间各处理和SRP营养盐质量浓度的变化Fig.2 Changes in -N,and SRP of each treatment during the experiment

表2 试验过程中-N、SRP质量浓度的降低速率Tab.2 The reduction rate of -N and SRP concentration during the experiment

注：每列数据上不同字母表示相互间差异显著(P<0.05)

2.3 Chl-a与TSS

各处理的Chl-a与TSS质量浓度变化见图3。方差分析结果显示，对照组与低碳组间，Chl-a没有显著差异(P>0.05)，而二者均显著高于高碳组(P<0.05)；而3个处理间的TSS质量浓度没有显著差异(P>0.05)(表1)。

图3 试验期间各处理Chl-a与TSS的变化Fig.3 Changes in Chl-a and TSS of each treatment during the experiment

3 讨论

3.1 水质因子对浮游植物生长的作用

各处理间，WT、DO、pH在一定程度上表现出差异(图1)，并且14:00左右的平均水温近37℃，比同期测定的太湖水体温度高约1～2℃，这与2015年夏季高温及试验桶放置在太湖梅梁湾岸边而不是湖水中有关。

由3个处理的Chl-a质量浓度波状变化(图3)及在第1、3、5、7天均添加了相同的氮、磷营养盐可见，3个处理中，每次添加营养盐均能促进浮游植物Chl-a质量浓度的升高，而随着营养盐的消耗与未及时补充，Chl-a质量浓度会下降，这表明无机氮、磷营养盐的添加的确对促进浮游植物的生长起作用。3个处理间，Chl-a的差异(图3，表1)表明无机氮、磷营养盐对浮游植物的促生长作用受到了葡萄糖添加的影响，并且随着葡萄糖添加的增多，即有机碳浓度的升高，浮游植物的生长受到抑制。而目前很少有利用有机碳源添加来控制浮游植物生长的研究。

各处理浮游植物浓度的变化趋势也在TSS质量浓度上反映出来(图3)，但3个处理间TSS质量浓度没有显著差异(P>0.05)(表1)。这表明在本试验条件下，添加葡萄糖的2个处理中没有形成大量的生物絮团，而据文献报道[11-12]，添加碳源后往往容易形成生物絮团。本试验中没有形成大量的生物絮团可能与没有持续稳定的有机碳源供应有关，而相关文献[11-12]中均是持续供应有机碳以利于生物絮团的形成。

在营养盐方面，各处理间的TN、TP、SRP质量浓度没有显著差异(P>0.05)(图2，表1)，这主要是各处理添加的氮、磷质量浓度是一样的；但对照组的DTN、DTP质量浓度显著高于低碳组(P<0.05)，低碳组的又显著高于高碳组(P<0.05)(图2，表1)。这恰好反映了由于不同质量浓度的碳添加，导致了溶解性氮、磷不同程度地被水体生物吸收利用，而罗文等[12]、Luo等[13]的研究中也发现添加一定质量浓度碳源后均有利于水体溶解性氮质量浓度的降低。

3.2 碳源添加对浮游植物生长的影响

本试验中，由有机碳质量浓度升高而降低水体无机氮、磷的机理，很可能与有机碳促进了异养细菌的生长有关。如Hari等[14]在虾养殖池塘中通过添加碳源增加碳氮比(C/N)促进异养细菌生长，而异养细菌生长利用碳的同时，也利用了水体中的氮，降低了无机氮质量浓度。另外，异养细菌将水体中的氨氮转化为细菌的生物量，达到降低水体氨氮的目的[15]。有研究认为细菌吸收比硝化作用能更快地降低氨氮浓度[16]。水体中碳和氮处于较好平衡状态时，氨氮和有机态氮将会转化为细菌的生物量[2,17-18]。Crab等[19]认为通过对水体添加有机碳促进异养细菌生长，是改变池塘养殖中氮循环途径的一个好方法。

国内也有相应的研究：如适当添加碳源可促进异养细菌繁殖，吸收转化无机氮，从而降低水体中无机氮质量浓度[20]；异养细菌在利用有机碳的同时能够利用无机氮、磷[21]。因此，本试验中添加高浓度葡萄糖的处理，浮游植物生物量受到明显抑制，这很可能是有机碳质量浓度升高后促进了异养细菌的生长，也促进了异养细菌与浮游植物竞争氮、磷营养盐的缘故。本试验由于没有测定试验过程中的溶解性总有机碳质量浓度(DOC)，因而不能确定试验过程中有机碳的具体利用情况，这是个缺陷。

碳源供应是微生物生长尤其是细菌生长的一个重要物质条件。而目前在水体富营养研究及控制中往往只特别关注氮、磷营养盐，而忽略了碳素的影响，这与空气中含有大量二氧化碳可作为浮游植物的碳源有关。目前，富营养水体，尤其是富营养湖泊中有机碳质量浓度相对较低，如2009年太湖水体DOC水平为1.0～10.1 mg/L[22]。而富营养水体中易形成水华的蓝藻即蓝细菌，属于自养细菌，与异养细菌的物质利用特点有差异，对碳源的利用也有特点。淡水方面相关的研究比较少，有蓝藻腐烂对有机碳的影响研究[23]，或者是水体中有色溶解有机物(CDOM)的分布特征研究[24]，而不是有机碳质量浓度对蓝藻生长的影响。不同碳源浓度对海水浮游植物与异养细菌的研究表明，有外源碳提供时，异养细菌对无机磷酸盐的吸收明显高于藻类[25]。因此，需加强富营养化河流、湖泊等非养殖水体中有机碳对浮游植物利用氮、磷营养盐影响的研究。

由本研究结果可知，在富营养湖泊水体中添加有机碳可控制浮游植物生长，建议先在小范围内应用；在实际湖水中氮、磷营养盐的增加远没有本实验多，碳源对浮游植物控制的效果应该会更明显。但有研究认为[26],水体中添加有机碳源后，可能增加水体中的生物固氮作用，从而增加水体中的氮素含量，说明碳源添加在水体氮、磷营养盐控制方面需要一定的平衡。这在实际应用时要特别注意。

4 结论

溶解性的无机氮、磷营养盐在夏季水体中很容易被吸收或者吸附，导致难以在水体中监测到高浓度溶解性的无机氮、磷。浮游植物的快速生长都是由一定浓度的、可被直接吸收的氮、磷营养盐供应的结果。以葡萄糖为碳源添加(如51 mg/L和102 mg/L的碳源质量浓度)控制了浮游植物生长，这种控制主要是通过降低水体中可被浮游植物利用的无机氮、磷浓度来实现的。可以通过对水体添加葡萄糖之类的有机碳源，在短期内达到控制浮游植物生长的目的。

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(KeyLaboratoryofFisheryEquipmentandEngineering,MinistryofAgriculture,FisheryMachineryandInstrumentResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Shanghai200092,China)

glucose; carbon source; phytoplankton; nitrogen and phosphorus nutrient

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.05.002

2016-06-26

2016-09-17

国家自然科学基金项目(41401580)；国家科技支撑计划项目(2012BAD25B01)；国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2015CB150703)；农业部渔业装备与工程技术重点试验室开放课题(2012007)

王小冬(1981—)，女，博士，副研究员，研究方向：水生态环境与工程。E-mail:wangxd1201@163.com

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1007-9580(2016)05-006-07