高温条件下营养盐对江蓠生长与氮、磷去除效率的影响

姜 绪，李佳蕙，李 斌，白艳艳，乔洪金，冯艳微，曹体宏，刘义豪

( 山东省海洋资源与环境研究院, 山东省海洋生态修复重点实验室, 山东 烟台 264006 )

近岸水体作为我国海水养殖池塘用水的主要来源，受到海水养殖活动无序增加、近岸污染情况加剧等因素的影响，水体富营养化程度不断加深。而在池塘养殖活动中，富营养化水体的重复利用加剧了水质问题，同时严重妨害了池塘养殖业的可持续发展。如何开展合理的养殖活动，减缓水体富营养化是亟待解决的问题。当前防治水体富营养化的主要方法是控制和减少水体中氮、磷的水平[1]，大型海藻因其既可大量吸收水体中氮、磷元素，还可释放氧气，提高水体溶解氧含量[2]，并对微藻数量产生抑制作用[3]，已被认为是一种合理有效地防控水体富营养化的措施。

菊花江蓠(Gracilarialichenoides)和脆江蓠(G.chouae)均属红藻门、江蓠科，生长速度快、经济价值高，能主动大量吸收外界营养盐，并在组织内贮存[4]，已在我国南方广泛栽培。目前，菊花江蓠和脆江蓠相关研究较多，如钱鲁闽等[5-6]开展了菊花江蓠吸收效应的相关研究；卢晓等[7-8]研究了温度和光照对脆江蓠氮、磷吸收速率和生长情况的影响。但针对夏季北方海水养殖池塘水体富营养化的问题，即高温条件下高含量营养盐时菊花江蓠和脆江蓠对氮、磷去除效率的影响尚未见报道。因此笔者研究了高温及高含量营养盐条件下脆江蓠和菊花江蓠的生长及其对硝态氮和无机磷的去除情况，旨在为防治池塘海水富营养化提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用菊花江蓠与脆江蓠购自福建漳州，置于4～8 ℃泡沫箱中，运至试验地点。挑选健康藻体，去除藻体表面杂质，放入室内暂养池中暂养7 d。盐度30±1，水温(25±2) ℃，光照度3000～5000 lx，每周换水1次。

1.2 试验方法

试验时间为2016年7月23日至8月22日。试验用水为经沉淀后砂滤的自然海水，参考养殖废水可达到的营养盐含量和其他相关研究[9-10]，设置5个营养盐梯度。通过向水体中添加硝酸钠和磷酸二氢钾调整水体氮(磷)质量浓度，即试验组A：1.65(0.23) mg/L、试验组B：4.12(0.57) mg/L、试验组C：8.24(1.14) mg/L、试验组D：12.35(1.71) mg/L、试验组E：16.47(2.28) mg/L。将配置好的试验用水分别注入5 L锥形瓶中，每个试验组设置3个平行，每瓶中放入10 g藻体。以自然海水同时放入等量江蓠作为对照组。盐度30±1，水温(25±2) ℃，光照度用遮阳网控制为3000～5000 lx，试验期间不换水。

1.3 分析项目与方法

试验期间，每隔10 d测定藻类养殖水体硝态氮和磷的质量浓度[11]；每10 d测量藻体质量，测量前用吸水纸吸净藻体表面水分。

1.3.1 相对生长速率的计算

相对生长速率/%·d-1=ln(mt/m0)×1/t×

100%

式中，t为培养时间(d)，m0为各试验节点对应的江蓠质量(g)，mt为相应节点培养t时间后的江蓠质量(g)。

1.3.2 营养盐吸收速率和去除效率的计算

营养盐的吸收速率/mg·(g·d)-1=(C0V0-CtVt)/(t×G)

式中，C0为各试验节点对应的营养盐质量浓度(mg/L)，V0为相应节点培养液体积(L),Ct为相应节点培养t时间后的营养盐质量浓度(mg/L)，Vt为相应节点培养t时间后的培养液体积(L)，t为试验时间(d)，G为各试验节点的藻类湿质量(g)。

累积去除效率/%=(CsVs-CtVt)/CsVs×

100%

式中，Cs试验开始时培养液中营养盐质量浓度(mg/L)，Vs为试验开始时培养液体积(L)；Ct为相应节点培养t时间后的营养盐质量浓度(mg/L)，Vt为相应节点培养液体积(L)。

1.3.3 数据分析方法

试验数据用单因素方差分析和独立样本t检验进行统计分析，以0.05作为差异的显著性水平。

2 试验结果

2.1 营养盐质量浓度对江蓠生长的影响

在试验过程中，菊花江蓠正常生长；而脆江蓠在20 d后开始衰败，因此对20 d内脆江蓠的数据进行了统计分析(下同)，两种江蓠在0～10 d、10～20 d、20～30 d内的分段相对生长速率见图1，两种江蓠在10、20、30 d内的累积相对生长速率见图2。

在相同营养盐质量浓度条件下，菊花江蓠和脆江蓠各组相对生长速率均随着时间的增加出现下降的趋势。菊花江蓠对照组在0～10 d的相对生长速率显著高于10～20 d和20～30 d的(P<0.05)，而试验组在0～10 d的相对生长速率显著高于20～30 d的(P<0.05)；脆江蓠各组在0～10 d的相对生长速率均显著高于10～20 d的(P<0.05)(图1)。

比较相同时段不同营养盐质量浓度条件下菊花江蓠和脆江蓠的相对生长速率发现，菊花江蓠仅在10～20 d时，对照组相对生长速率显著低于各试验组(P<0.05)；脆江蓠在0～10 d时段12.35(1.71) mg/L和16.47(2.28) mg/L试验组已显著低于其他各组(P<0.05)，在10～20 d时段8.24(1.14) mg/L、12.35(1.71) mg/L、16.47(2.28) mg/L试验组均表现出负增长趋势，其相对生长速率均显著低于其他3组(P<0.05)。

图1 不同营养盐质量浓度下两种江蓠的分段相对生长速率A：1.65(0.23) mg/L；B：4.12(0.57) mg/L；C：8.24(1.14) mg/L；D：12.35(1.71) mg/L；E：16.47(2.28) mg/L.其他图同.字母不同表示相同质量浓度不同时段条件下相对生长速率存在显著性差异(P<0.05)；*表示不同质量浓度相同时段条件下差异显著(P<0.05).

菊花江蓠试验组相对生长速率均高于对照组，但差异不显著(P>0.05)，其中以8.24(1.14) mg/L试验组达到最高值，为1.43%/d；对照组相对生长速率最低为0.92%/d(图2a)。脆江蓠相对生长速率变化为0.03%/d～0.70%/d，12.35(1.71) mg/L和16.47(2.28) mg/L试验组脆江蓠相对生长速率显著低于其他各组(P<0.05)，分别为0.06%/d和0.03%/d；而8.24(1.14) mg/L试验组脆江蓠相对生长速率显著低于对照组和1.65(0.23) mg/L、4.12(0.57) mg/L试验组(P<0.05)；4.12(0.57) mg/L试验组脆江蓠相对生长速率表现为最高，为0.70%/d(图2b)。

图2 不同营养盐质量浓度下两种江蓠的相对生长速率字母不同表示相对生长速率存在显著性差异(P<0.05)

2.2 营养盐质量浓度对江蓠氮磷累积去除效率的影响

对不同质量浓度营养盐影响下两种江蓠的氮累积去除效率(表1)的分析发现，各试验组氮累积去除效率均显著高于对照组(P<0.05)；营养盐质量浓度对两种江蓠氮累积去除效率产生了显著影响(P<0.05)，10 d时菊花江蓠8.24(1.14) mg/L试验组显著低于各试验组(P<0.05)，12.35(1.71) mg/L、16.47(2.28) mg/L试验组显著低于试验组1.65(0.23) mg/L、4.12(0.57) mg/L(P<0.05)，脆江蓠试验组8.24(1.14) mg/L、12.35(1.71) mg/L、16.47(2.28) mg/L显著高于1.65(0.23) mg/L、4.12(0.57) mg/L试验组(P<0.05)；10 d后菊花江蓠氮累积去除效率在试验组间差异均不显著，脆江蓠氮累积去除效率12.35(1.71) mg/L、16.47(2.28) mg/L试验组显著低于1.65(0.23) mg/L、4.12(0.57) mg/L、8.24(1.14) mg/L试验组(P<0.05)。在不同质量浓度营养盐影响下，菊花江蓠和脆江蓠对氮的去除主要集中在前10 d，其中菊花江蓠氮去除效率超过91%，脆江蓠则超过82%。

对比菊花江蓠和脆江蓠的氮累积去除效率发现，10 d时且氮质量浓度为1.65 mg/L和4.12 mg/L条件下，菊花江蓠氮累积去除效率显著高于脆江蓠(P<0.05)，其他组间差异均不显著。

不同质量浓度营养盐影响下两种江蓠的磷累积去除效率见表2。菊花江蓠和脆江蓠各试验组的磷累积去除效率均显著高于对照组(P<0.05)。在20 d时，菊花江蓠12.35(1.71) mg/L、16.47(2.28) mg/L试验组显著低于1.65(0.23) mg/L、4.12(0.57) mg/L、8.24(1.14) mg/L试验组(P<0.05)，在其他时段内，各组间未出现显著性差异(P>0.05)。在相同营养盐质量浓度及相同时段的条件下，菊花江蓠对磷的累积去除效率显著高于脆江蓠(P<0.05)。试验结束时菊花江蓠各试验组磷累积去除效率均超过99%，脆江蓠则集中在86%～90%。

2.3 营养盐质量浓度对江蓠氮、磷吸收速率的影响

菊花江蓠试验组在0～10 d氮、磷的吸收速率均显著高于10～20 d及20～30 d(P<0.05)(图3)；0～10 d氮、磷的吸收速率随营养盐质量浓度的升高而显著增大(P<0.05)；在10～20 d内，各试验组氮的吸收速率差异不显著(P>0.05)，而磷的吸收速率在试验组间出现显著差异，8.24(1.14) mg/L和16.47(2.28) mg/L试验组显著高于1.65(0.23) mg/L试验组及对照组的吸收速率(P<0.05)；在20～30 d时，吸收速率16.47(2.28) mg/L试验组最高，显著高于对照组、试验组1.65(0.23) mg/L及4.12(0.57) mg/L的吸收速率(P<0.05)。

脆江蓠在0～10 d同样表现为较高的吸收速率，试验组在0～10 d，氮、磷吸收速率均显著高于10～20 d的吸收速率(P<0.05)，0～10 d内氮、磷吸收速率均随营养盐质量浓度的升高而显著升高(图3)。在10～20 d内氮吸收率在4.12(0.57) mg/L试验组中表现为最高，显著高于1.65(0.23) mg/L、16.47(2.28) mg/L试验组及对照组(P<0.05)；而磷吸收速率在各组间差异均不显著(P>0.05)。

表1 不同营养盐质量浓度对江蓠氮累积去除效率的影响 %

注：同列字母不同为差异显著(P<0.05)，下同.

表2 不同营养盐质量浓度对江蓠磷累积去除效率的影响 %

图3 不同营养盐质量浓度下两种江蓠的分段吸收速率字母不同表示相同时段不同质量浓度下试验组吸收速率差异显著(P<0.05)；*表示相同质量浓度不同时段条件下各组吸收速率差异显著(P<0.05).

通过对比不同营养盐质量浓度下菊花江蓠和脆江蓠氮、磷的吸收速率(图4)发现，两种江蓠氮、磷的吸收速率均随营养盐质量浓度的升高而增大，营养盐质量浓度已对菊花江蓠和脆江蓠氮、磷的吸收速率产生显著影响(P<0.05)。菊花江蓠16.47(2.28) mg/L与12.35(1.71) mg/L试验组组差异不显著(P>0.05)，但显著高于其他各组(P<0.05)；脆江蓠8.24(1.14) mg/L、12.35(1.71) mg/L和16.47(2.28) mg/L试验组差异不显著(P>0.05)，但均显著高于对照组(P<0.05)。

图4 不同营养盐质量浓度下两种江蓠的总吸收速率字母不同为差异显著(P<0.05).

3 讨 论

3.1 营养盐对两种江蓠生长的影响

氮、磷在藻类体内参与了氨基酸和藻红蛋白的合成、酶的转化及生殖细胞的形成等生理活动，是大型藻类生长的必要成分。现有研究表明，海水中营养盐含量对藻类的生长具有重要的影响[10，12]。从本次试验结果可以看出，高质量浓度营养盐对菊花江蓠和脆江蓠的生长产生了影响，但由于种类的不同，产生的影响并不相同。

在试验期间，菊花江蓠保持生长，而脆江蓠在20 d时部分试验组已出现衰败现象，在30 d时全部衰败。相关报道中，在25 ℃条件下菊花江蓠相对生长速率可达2.3%～3.02%[13]；卢晓等[7]研究表明，25 ℃时脆江蓠相对生长速率约为2.6%；金玉林等[14]研究发现，26 ℃时脆江蓠相对生长速率达5%以上。而分析本试验中江蓠的生长数据得知，江蓠在10 d时表现出最大相对生长速率，脆江蓠为1.15%，菊花江蓠为2.09%，均低于同类报道中的数值，且脆江蓠相对生长速率低于菊花江蓠，表明在25 ℃时高质量浓度营养盐对两种江蓠的生长产生了影响，且在此条件下菊花江蓠的生长能力高于脆江蓠。同时，菊花江蓠和脆江蓠相对生长速率随试验时间的增加出现显著性下降，脆江蓠在10～20 d且氮(磷)质量浓度超过8.24(1.14) mg/L时更是出现负增长，并随着营养盐质量浓度的升高出现负增长趋势上升的现象，表明高质量浓度营养盐对脆江蓠的生长具有显著的抑制性。

相关研究发现，在外界营养盐水平过高时，部分藻类能够吸收过量的营养盐，以藻红蛋白和聚磷酸颗粒的形式贮存[15-16]；而藻体利用硝态氮是经酶作用先后转化为亚硝态氮及氨氮，当藻红蛋白释放过多的硝态氮时，细胞内亚硝态氮或氨氮水平过高，对藻体产生毒害作用，影响藻类正常生长[17]。同时，卢晓等[7]研究发现，25 ℃时脆江蓠细胞受害程度较高，而高质量浓度营养盐引起的藻体内亚硝态氮或氨氮离子水平过高这一问题，加剧了对脆江蓠的损害，致使脆江蓠最终全部衰败；而菊花江蓠则以较低的相对生长速率维持正常生长。综合分析试验结果，在25 ℃及高质量浓度营养盐的条件下，菊花江蓠能够在较长时间内维持正常生长。

3.2 营养盐对两种江蓠氮、磷吸收去除的影响

大型藻类吸收环境中的氮和磷，用于自身的生长及生理活动的消耗，最终通过大型海藻的收获去除了水环境中的氮、磷，达到了净化水体的目的。利用大型海藻净化吸收水体中的营养盐，提高水体环境质量已有较多研究，如邵飞等[18]发现，条斑紫菜(Porphyrayezoensis)对氮、磷的去除率分别超过95%和90%；在郑辉[19]的研究中，经6周的静态培养试验，龙须菜(Gracilarialemaneiformis)对硝态氮的净化率约为90%，磷的净化率为88.34%。而本次试验中，在25 ℃及高质量浓度氮、磷水平影响下，菊花江蓠氮、磷累积去除效率均超过99%，而脆江蓠氮累积去除效率则为95%～99%，磷累积去除效率为86%～89%。研究结果还发现，两种江蓠对氮、磷的吸收速率均随着底物含量的增加而增大，这一研究与詹冬梅等[8,20-21]对大型藻类的研究结果一致。但在试验过程中，脆江蓠全部死亡，并未达到有效去除氮、磷的作用。

通过对不同时段的研究发现，江蓠对氮、磷的吸收主要在前10 d内完成，这一试验结果符合江蓠机会种这一特性，即当环境中有大量的营养物质如氮、磷存在时，能快速地吸收，并在体内贮存[5]。研究发现，菊花江蓠对氮、磷的最大吸收速率为0.458 μmol/(g·h)和0.03 μmol/(g·h)[5]；脆江蓠对氮、磷的最大吸收速率分别为0.648 μmol/(g·h)和0.018 μmol/(g·h)[12]。本研究中，当营养盐质量浓度超过8.24(1.14) mg/L时，两种江蓠在0～10 d的氮、磷吸收速率全部高于上述数值，推测在试验初期受大量离子存在的影响，江蓠细胞内外离子含量差过大，如钠离子等大量进入细胞内，破坏了细胞膜完整性，对离子的选择透过性变差[22]，表现为菊花江蓠在0～10 d时氮去除率在营养盐质量浓度为8.24(1.14) mg/L时出现最低值，但营养盐质量浓度超过8.24 mg/L时氮去除效率仍继续提高，其生理状况应处于非正常状态；脆江蓠在25 ℃条件下，受高含量营养盐的影响，细胞受损程度进一步加深，因此在0～10 d时氮、磷去除率均随营养盐含量的升高而升高。10 d后受环境中营养盐被大量吸收去除的影响，两种江蓠的吸收速率和去除效率均明显降低。综合以上研究结果表明，在25 ℃及营养盐质量浓度低于8.24(1.14) mg/L时菊花江蓠对水体中的氮、磷营养盐有很好的去除效果，且能维持正常生长。