混盐条件下藻类生长特性及磷营养盐动力学分析*

焦继东 郑剑锋,2# 李付宽 孙力平,2

(1.天津城建大学环境与市政工程学院,天津 300384；2.天津市水质科学与技术重点实验室，天津 300384)

混盐条件下藻类生长特性及磷营养盐动力学分析*

焦继东1郑剑锋1,2#李付宽1孙力平1,2

(1.天津城建大学环境与市政工程学院,天津 300384；2.天津市水质科学与技术重点实验室，天津 300384)

选择天津滨海地区混盐水体，研究不同盐度下藻类演替及生长规律，并探究混盐条件下磷营养盐对藻类生长的影响，以Monod方程为理论基础，构建混盐条件下藻类生长—磷营养盐动力学模型，为混盐水体水华防治提供依据。结果表明：在盐度(以质量浓度计)<10 000mg/L的情况下，卵囊藻(Oocystissp)和铜绿微囊藻(Microcystisaeruginosa)为优势种；当盐度≥10 000mg/L时，铜绿微囊藻为优势种。盐度为10 000～20 000mg/L时，藻类适宜生长繁殖；当盐度<10 000mg/L或盐度>20 000mg/L时，藻类生长繁殖受到不同程度的抑制。当盐度为15 000mg/L的条件下，适宜藻类生长的磷营养盐(以磷计)为0.20～1.50mg/L；当磷营养盐为1.50mg/L时，比生长率最大。通过藻类生长—磷营养盐动力学分析，确定混盐条件下藻类最大比生长率为0.877d-1，半饱和常数为0.914mg/L。

盐度 优势藻 磷 动力学分析

Abstract: Aiming at the mesohalinous water bodies in coastal region of Tianjin,the growth characteristics of algae in different salinities and phosphorus nutrient concentration were studied,and a dynamic model of algae growth-phosphorus nutrient for mesohalinous water based on the theory of Monod equation was built. The research results showed that：when the salinity (calculated at mass concentration) was <10 000 mg/L,OocystisspandMicrocystisaeruginosawere predominant algae；when the salinity was ≥10 000 mg/L,Microcystusaeruginosaoccupied absolutely dominant position. Algae growth was always active in condition of the salinity range from 10 000 mg/L to 20 000 mg/L. When the salinity was less than 10 000 mg/L or more than 20 000 mg/L,the algae growth was inhibited to some extent. The phosphorus nutrient concentration ranged from 0.20 mg/L to 1.50 mg/L was suitable for algae growth with salinity of 15 000 mg/L. Algae growth reached the maximum while the phosphorus nutrient concentration (calculated by phosphorus) was 1.50 mg/L. Through the analysis of the dynamic model,the maximum specific growth rate of algae was 0.877 d-1,and the semi-saturation constant was 0.914 mg/L.

Keywords: salinity; predominant algae; phosphorus; dynamic analysis

受高盐度地下水和土壤的影响，天津滨海地区地表混盐水体(盐度(以质量浓度计)为500～30 000 mg/L)众多[1-2]。通常认为，盐度对藻类生长有抑制作用[3]，但通过对天津滨海地区地表水水质调查发现，这些混盐水体中依然存在着由藻类过度生长而导致的水华问题。许多研究成果表明，盐度对藻类演替及生长规律均有较大影响。BARRON等[4]通过不同营养条件下盐度对浮游植物特别是固氮蓝藻生长的影响研究发现，在高营养水平下盐度对浮游植物生长的影响更明显。钱振明等[5]研究发现，盐度在一定程度上影响着硅藻的渗透压、营养盐吸收及其悬浮性。赵水东[6]研究表明，东海原甲藻(Prorocentrumdonghaiense)比生长率随着盐度升高而升高。有学者提出将盐度纳入营养物基准指标体系中[7]，但目前缺乏盐度对不同藻类生长影响的量化研究成果。此外，控制水体中营养盐浓度是预防水华发生的基本途径[8-10]，有关混盐条件下营养盐对藻类的影响依然不明确，这不利于混盐水体水华的防治。因此，本研究以天津滨海地区混盐水体中4种常见藻类为对象，对不同盐度下藻类的演替及生长规律进行分析，并考察混盐条件下不同磷营养盐浓度对藻类生长的影响，构建混盐条件下藻类生长—磷营养盐动力学模型，以期为混盐水体水华的防治提供依据。

1 材料与方法

1.1 实验设计

图1为天津滨海地区典型混盐水体——清净湖的藻类观察结果。经坚定，研究区藻类以席藻(Phormidium)、卵囊藻(Oocystissp)、绿球藻(Chlorellavulgaris)、铜绿微囊藻(Microcystisaeruginosa)为主。将上述4种藻类用于实验接种，进行混盐条件下的藻类生长模拟。

图1 藻类观察结果(×800)Fig.1 Observation results of algae (×800)

1.1.1 盐度影响实验

根据清净湖水样检测结果，水体盐分的主要组成为NaCl，故实验设计盐度采用NaCl配制，设置7种不同盐度条件(见表1)，用母液配置7组培养基(母液按照BG-11培养液配方配制)。

每组培养基接种藻类后初始藻细胞密度均为5.5×104个/mL，依照清净湖水样中藻类组成比例，设置卵囊藻、绿球藻、席藻、铜绿微囊藻接种比例分别为33.33%、33.33%、16.67%、16.67%。在光照培养箱内培养，温度为25 ℃，光照强度为3 000 lx，每天光、暗时间均为12 h。

1.1.2 混盐条件下磷营养盐影响实验

根据盐度影响实验结果，设定盐度为15 000 mg/L的混盐条件。根据郑剑锋等[11]的研究结果，清净湖属于磷限制性水体，参考清净湖实际氮磷含量，在氮营养盐(以氮计)为15 mg/L的情况下，用KH2PO4调节实验用水磷营养盐(以磷计)分别为0.05、0.20、0.50、1.00、1.50、2.00 mg/L，另配制无磷培养液作为对照组，其他实验条件与盐度影响实验相同。磷营养盐浓度水平设计方案见表2。

1.2 研究方法

藻细胞密度采用血球计数板在倒置荧光显微镜下进行计数，具体操作参考文献[12]。

藻类比生长率计算公式为：

(1)

式中：μ为藻类的比生长率，d-1；F1为初始藻细胞密度，个/mL；F2为培养结束时的藻细胞密度，个/mL；t为培养时间，d。

动力学分析以Monod方程[13]为基础，为应用Lenweaver-Burk作图法，将Monod方程式转变为式(2)。

(2)

式中：μmax为藻类的最大比生长率，d-1；c为限制藻类增殖的底物(本研究中为磷营养盐)质量浓度，mg/L；KS为半饱和常数,mg/L，KS对应μ=μmax/2时的底物质量浓度。

2 结果与分析

2.1 盐度对藻类演替的影响

图2展示了Y0～Y6实验组在中期和后期的藻类演替形态。从图2可以看出：Y0和Y1实验组在后期以卵囊藻和铜绿微囊藻为主，说明盐度低于10 000 mg/L条件下，藻类就发生了演替，以卵囊藻和铜绿微囊藻为优势种；Y2、Y3和Y4实验组中期以铜绿微囊藻为主，还含有部分绿球藻，但到后期均为铜绿微囊藻，并且分布密集，说明盐度为10 000～20 000 mg/L有利于藻类生长，但以铜绿微囊藻为优势种；Y5和Y6实验组在中期和后期基本都以铜绿微囊藻为主，但分布稀疏，说明盐度大于20 000 mg/L条件下，铜绿微囊藻为优势种，但藻类生长状况欠佳。当培养基盐度增大时，渗透压增加，铜绿微囊藻细胞壁有很好的抗压能力[14-15]，所以竞争能力强于其他藻类，易于形成优势种。

表1 不同盐度水平设计方案

表2 不同磷营养盐水平设计方案

图2 Y0～Y6实验组中期和后期藻类演替形态(×200)Fig.2 Algae succession formation of Y0-Y6 experimental group in middle and late stages (×200)

2.2 盐度对藻类生长状况的影响

从图3可以看出，培养1～3 d时，各实验组的藻类生长状况基本相同，均处于静滞适应阶段。培养3 d后，不同实验组的藻类生长状况相差甚大。Y2、Y3和Y4实验组在培养3～13 d时均处于指数期，藻细胞密度迅速增大；培养13 d后进入稳定期，最高藻细胞密度分别为1.85×107、2.33×107、2.17×107个/mL，其中Y3实验组的比生长率最大，为0.266 d-1。Y0和Y1实验组藻类生长趋势相近，培养1～9 d时，藻细胞密度缓慢上升至稳定；培养9 d后，藻细胞密度开始下降，且培养11～15 d时，Y0实验组的藻细胞密度下降幅度大于Y1实验组，说明盐度是藻类生长的重要影响因子。Y5和Y6实验组的藻类能生长繁殖，但藻细胞密度明显低于Y2～Y4实验组，其比生长率分别为0.204、0.221 d-1，可能因为高盐度的培养液渗透压较大，影响藻细胞生长。可见，盐度过低或过高都会阻碍藻类的生长，本研究中藻类生长的适宜盐度为10 000～20 000 mg/L。

图3 不同盐度水平对藻细胞密度的影响Fig.3 Effects of different salinity levels on the cell density of algae

2.3 混盐条件下磷营养盐对藻类生长的影响

从图4可以看出，在无磷营养盐(P0实验组)的情况下，藻类生长缓慢，在培养19 d时，藻类几乎全部死亡，说明藻类生长明显受到磷营养盐的影响。P1实验组在相对较低的磷营养盐下培养，藻细胞密度总体较低，最高值为5.50×105个/mL，相对P0实验组藻细胞密度有所提高。可见，将磷营养盐浓度控制在0.20 mg/L以下，可降低混盐水体水华爆发的风险。P2～P6实验组最大藻细胞密度依次为9.35×105、1.12×106、1.20×106、1.26×106、9.80×105个/mL。受磷营养盐浓度的影响，藻细胞密度存在明显差异，培养19 d时表现为：P5>P4>P3>P6>P2>P1>P0。可见，藻类生长需要适宜的磷营养盐浓度。当磷营养盐为0.20～1.50 mg/L时，对藻类生长具有促进作用，且磷营养盐为1.50 mg/L时最有利于藻类生长，在此条件下藻类比生长率达到0.434 d-1。通过该实验，将藻类生长的磷营养盐阈值确定为1.50 mg/L。

图4 不同磷营养盐水平对藻细胞密度的影响Fig.4 Effects of different phosphorus nutrient levels on the cell density of algae

2.4 动力学分析

以混盐条件下磷营养盐实验结果为依据，进行藻类生长—磷营养盐动力学分析，按照式(1)计算各实验组的比生长率，结果见表3。

表3 不同磷营养盐水平下藻类的1/μ

按照式(2)对实验结果进行回归分析，依据回归方程的截距和斜率分别计算出藻类μmax及KS，回归分析结果如图5所示。

图5 藻类生长—磷营养盐动力学回归分析结果Fig.5 Regression analysis of algae growth-phosphorus nutrient dynamics

由图5可以看出，1/c与1/μ有很好的相关性。根据图5可求得，μmax为0.877 d-1，KS为0.914 mg/L，将其带入式(2)可得到式(3)。

(3)

本研究中μmax相对较低，说明该混盐水体水华暴发风险较小。KS通常用于衡量生物种群对营养物质的亲和性：KS越小，表示亲和性越好，低浓度营养物质就能使种群比生长率达μmax/2；KS越大，则亲和性越差，需要较高浓度的营养物质才能使种群比生长率达到μmax/2[16]。本研究中KS相对较小，说明藻类对磷营养盐有很好的亲和性。

3 结 论

(1) 在不同盐度条件下，4种藻类接种后均发生了演替。当盐度<10 000 mg/L时，最终以卵囊藻和铜绿微囊藻为优势种；当盐度≥10 000 mg/L时，铜绿微囊藻最终成为优势种。适宜于藻类生长的盐度为10 000～20 000 mg/L。当盐度为15 000 mg/L时，藻类比生长率最大可达0.266 d-1。当盐度小于10 000 mg/L或大于20 000 mg/L时，藻类生长受到不同程度的抑制。

(2) 在盐度为15 000 mg/L的条件下，适宜藻类生长的磷营养盐为0.20～1.50 mg/L。当磷营养盐为1.50 mg/L时，比生长率最大，为0.434 d-1。将磷营养盐控制在0.20 mg/L以下，可降低混盐水体水华爆发的风险。

(3) 盐度为15 000 mg/L的混盐条件下，藻类最大比生长率为0.877 d-1，半饱和常数为0.914 mg/L，表明混盐条件下藻类对磷营养盐有良好的亲和性，但水华暴发风险不大。

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Analysisforgrowthcharacteristicsandphosphorusnutrientdynamicsofalgaeinmesohalinouswater

JIAOJidong1,ZHENGJianfeng1,2,LIFukuan1,SUNLiping1,2.

(1.SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,TianjinChengjianUniversity,Tianjin300384;2.TianjinKeyLaboratoryofAquaticScienceandTechnology,Tianjin300384)

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.07.007

2016-03-14)

焦继东，男，1990年生，硕士研究生，主要从事水污染控制理论与技术方面的研究。#

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*国家水体污染控制与治理科技重大专项(No.2012ZX07308-002)；天津市自然科学基金资助项目(No.15JCYBJC49100)；天津市水质科学与技术重点实验室开放基金资助项目(No.TJKLAST-2015)。