兩種不同氮磷比下的藻類生長曲線

張 歡，劉德富，2，張佳磊，嚴廣寒，2，葉海松

兩種不同氮磷比下的藻類生長曲線

張 歡1，劉德富1，2，張佳磊1，嚴廣寒1，2，葉海松1

（1湖北工業(yè)大學土木建筑與環(huán)境學院，河湖生態(tài)修復與藻類利用湖北省重點實驗室，湖北武漢430068；2三峽大學水利與環(huán)境學院，三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心，湖北宜昌443002）

針對有關學者研究氮磷比對浮游藻類生長及群落結構的影響所得出的不同結論，選取有代表性的氮磷比，探究氮磷比對藻類生長曲線的影響，為治理湖泊富營養(yǎng)化提供理論基礎，同時也為富營養(yǎng)化水體的水華控制提供依據。通過室內控制試驗，設置兩組氮磷比40∶1和16∶1，研究兩種不同氮磷比下的藻類生長曲線。研究結果表明：當環(huán)境中的磷充足時，藻類生長的最佳條件氮磷比40∶1要優(yōu)于氮磷比16∶1；氮磷比在40∶1條件下，TP與Chla的關系曲線為：Y＝5.6196 X－1.201（R2＝0.871，P＜0.057）；TN與Chl－a的關系曲線為：Y＝173.87 e－0.16x（R2＝0.9154，P＜0.05）；TP與TN的關系曲線為：Y＝15.18 X＋8.1567（R2＝0.9297，P＜0.05）。氮磷比在16∶1條件下，TP與Chla的關系曲線為：Y＝－37.365 X＋31.501（R2＝0.799，P＜0.05）。

氮磷比；營養(yǎng)鹽；浮游藻類；生長曲線

水華的爆發(fā)從本質上講，就是隨著營養(yǎng)鹽（氮、磷、硅）質量濃度的增長，藻類快速生長增殖超過一定限值，在適宜的水文氣象條件下，上浮聚集到水體表層為肉眼所見的現象［1］。通常情況下，限制浮游植物生長的主要營養(yǎng)元素為N、P［2－3］，如Michael Neill［4］研究表明，在鹽度低的水體中，P對浮游植物的生長起限制作用，在鹽度為35‰左右時，N、P同時會限制浮游植物生長，而在鹽度大于30‰時，N對浮游植物生長起限制作用［3，5］。關于氮磷營養(yǎng)限制對藻類生長的影響已有許多研究，早年對海洋浮游植物的研究就已經開始注意營養(yǎng)比率對浮游植物生長的影響［6］。氮磷比率直接影響藻類生長、細胞組成及其對營養(yǎng)的攝取能力［7－10］。國內外眾多研究者收集比值變化范圍相當廣泛［11－13］，Pick等［14］報道，氮磷質量比從10降低到5，藻類總生物量隨之減少。John等［15］發(fā)現，亞歷山大藻的生長情況在不同氮磷質量濃度配比下有很大差異。Zohary等［16］提升總氮對總磷的比率后發(fā)現，銅綠微囊藻數量減少。Stockner等［17］報道，試驗中氮磷質量濃度比值從15提高到25，試驗水體中的魚腥藻逐漸向聚球藻演化。

由A.C.Redfield（1958）提出的藻類健康生長及生理平衡所需的16∶1［6，18］的適宜氮磷比率已經在很多文獻中提到，而且已經被廣大學者所接受［19］，但不同種類藻細胞的元素組成存在著差異［20］，對各類營養(yǎng)物質的需求也不盡相同［21］，而環(huán)境則會優(yōu)先選擇與之相適應的特征藻種形成適者生存的群落［22］。豐茂武在不同氮磷比對藻類生長的影響中表明，當環(huán)境中的磷充足時，藻類生長的最佳條件是m（N）∶m（P）＝40∶1［22］。

因此，本文設置16∶1和40∶1兩組不同質量濃度的氮磷比，通過室內分析實驗，來探究兩組不同質量濃度的氮磷比對藻類生長曲線的影響，為治理湖泊富營養(yǎng)化提供理論基礎，同時也為富營養(yǎng)化水體的水華控制提供依據。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗器材與材料

UV－1700紫外分光光度計（上海美析）、抽濾機、玻璃棒、量筒、燒杯、移液管、上海博迅立式壓力蒸汽滅菌鍋、玻璃煤油溫度計（河北華光）、濾紙、布氏漏斗、真空干燥箱、50mL離心管、25mL離心管、注射器、分析天平、TDZ4－WS長沙湘智離心機等。

1.2 實驗方法

1.2.1 培養(yǎng)液的配置 實驗所需培養(yǎng)液：以BG11培養(yǎng)基為基礎，控制總氮（或總磷）質量濃度保持不變，且其質量濃度均在藻類生長閾值之上。以K2HPO4為磷源，NaNO3為氮源，Na2SiO3為硅源。

表1 培養(yǎng)液組成

表2 BG11培養(yǎng)基配方

表3 A5藥品配方

1.2.2 接種藻的來源 將原水（香溪河）中的藻種實驗前期擴大培養(yǎng)一周，饑餓培養(yǎng)2d后，取適量藻類在離心機上以5 000r／min離心5min，去掉上清液；用15mg／L NaHCO3溶液洗滌，離心，去上清液，去除吸附性的營養(yǎng)；重復離心1次；應用缺氮和缺磷的饑餓培養(yǎng)基稀釋至接種所需的藻細胞濃度。

1.2.3 采樣時間及監(jiān)測指標 在透明水框（40cm ×30cm×70cm）里加入30L培養(yǎng)液，將接種的藻液加入到培養(yǎng)液中，實驗設定2組平行實驗組，光照強度為4500lx，光暗比為12∶12，溫度為24℃。于每天21∶00取樣，每次取樣100mL，取樣后用純水補充至原水位。監(jiān)測頻率為1d／次；實驗周期為9 d；監(jiān)測指標包括總氮（TN）、NO3、NH4、總磷（TP）、PO4、Chla。

2 實驗結果與分析

2.1 N的消耗曲線

藻類在兩組不同氮磷比營養(yǎng)鹽情況下，N氮的消耗趨勢如圖1—圖3所示。N、P質量濃度在試驗期間均保持在浮游植物生長閾值之上。

從圖1可知，氮磷比16∶1和40∶1的實驗組的測量結果，與它們各自平行樣測得結果大致相同，誤差并不太大，兩組實驗組TN質量濃度的總體趨勢都是呈降低趨勢。氮磷比為40∶1的實驗組，總磷質量濃度由初始值最高的19.839mg／L降到11.011mg／L，降低了8.828mg／L，平均每天降低了1.104mg／L。而氮磷比為16∶1的實驗組，總氮質量濃度由初始值最高的2.833mg／L降到1.973mg／L，降低了0.86mg／L，平均每天降低了0.108mg／L。由圖6可知，整個實驗期間，藻類均在生長，并沒有到達衰亡期，說明藻類對總氮的消耗吸收，氮磷比40∶1的條件比氮磷比16∶1的條件快。

圖1 不同氮磷比TN消耗曲線

從圖2可知，氮磷比16∶1和40∶1的實驗組的測量結果，與它們各自平行樣測得結果也大致相同，誤差并不是太大，兩組實驗組NO3質量濃度的總體趨勢都是呈降低趨勢。氮磷比為40∶1的實驗組，NO3質量濃度由初始值最高的19.807mg／L降到11.937mg／L，降低了7.87mg／L，平均每天降低了0.984mg／L。而氮磷比為16∶1的實驗組，NO3濃度由初始值最高的2.349mg／L降到1.330mg／L，降低了1.019mg／L，平均每天降低了0.127mg／L。與總氮一樣，藻類對NO3的消耗吸收，氮磷比40∶1的條件比氮磷比16∶1的條件快。

圖2 不同氮磷比NO3消耗曲線

從圖3可知，與TN和NO3不同，NH4兩組不同氮磷比的實驗組的測量結果，與它們各自平行樣測得結果總體趨勢大致一致，但是各自平行實驗組的誤差較大，可能是由于實驗過程中操作不當造成的。并且從NH4的變化曲線圖中，看不出來藻類在氮磷比40∶1和16∶1的條件下對營養(yǎng)鹽消耗吸收的快慢，也無法確定藻類更適合在那種條件下生長，需要后期實驗加以驗證。

圖3 不同氮磷比NH4消耗曲線

2.2 磷的消耗曲線

從圖4可知，氮磷比16∶1的實驗組的測量結果，與它平行樣測得結果大致相同，誤差并不是太大；氮磷比40∶1的實驗組的測量結果，與它平行樣測得有一定的誤差，但是兩組實驗組TP質量濃度的總體趨勢都是呈降低趨勢。氮磷比為40∶1的實驗組，TP質量濃度由初始值最高的0.838mg／L降到0.261mg／L，降低了0.577mg／L，平均每天降低了0.072mg／L。而氮磷比為16∶1的實驗組，TP質量濃度由初始值最高的0.607mg／L降到0.267 mg／L，降低了0.34mg／L，平均每天降低了0.043 mg／L。與TN和NO3的一樣，藻類在氮磷比40∶1的條件比氮磷比16∶1的條件下，對TP的消耗吸收的快。

圖4 不同氮磷比TP消耗曲線

從圖5可知，氮磷比16∶1和40∶1的實驗組的測量結果，與它各自平行樣測得結果總體趨勢大體相同，但各自的實驗組與平行組存在較小的誤差；氮磷比40∶1的總體趨勢與TP都是呈降低趨勢，而氮磷比16∶1的則是先升高后降低。氮磷比為40∶1的實驗組，PO4質量濃度由初始值最高的0.441mg／L降到0.164mg／L，降低了0.277mg／L，平均每天降低0.035mg／L。而氮磷比為16∶1的實驗組，PO4質量濃度由初始值的0.301mg／L升到最高值0.417mg／L，然后再降到0.211mg／L，降低了0.206mg／L，平均每天降低0.034mg／L。

洪華生［23］等研究發(fā)現，當水體溶解無機磷降低到一定濃度時，浮游植物體堿性磷酸酶活力可突增，它提供了浮游植物直接利用DOP的條件。黃世玉［24］等研究發(fā)現，藻類可能存在兩條溶解有機磷化合物（DOP）利用途徑，一條是直接被藻類吸收利用，另一條是被諸如堿性磷酸酶等水解后吸收。即對于小分子DOP化合物，藻類為直接吸收，對較大分子的DOP，則經堿性磷酸酶降解后再吸收利用。所以在氮磷比16∶1條件下，磷的含量相對于氮磷比40∶1的條件，磷的含量較低，磷成為限制因素，促使植物體堿性磷酸酶活力可突增，水體中大分子DOP化合物經堿性磷酸酶降解，使得PO4質量濃度出現一個小峰值，1月15日之后大分子DOP化合物消耗殆盡，使PO4質量濃度又慢慢降低，全過程都是磷形態(tài)的一個轉化過程，所以TP的含量并沒有較大波動。從圖5可知，與TP一樣，藻類在氮磷比40∶1的條件比氮磷比16∶1的條件下，對PO4的消耗吸收的快。

圖5 不同氮磷比PO4消耗曲線

2.3 藻類生長曲線

從圖6可知，氮磷比16∶1和40∶1的實驗組的測量結果，與它們各自平行樣測得結果大致相同，誤差并不是太大，兩組實驗組TN質量濃度的總體趨勢都是先平穩(wěn)變化然后再逐漸上升。氮磷比為40∶1的實驗組，Chla質量濃度由初始值最低的7.52mg／L升到30.9mg／L，升高了23.38mg／L，平均每天升高了2.92mg／L。而氮磷比為16∶1的實驗組，Chla質量濃度由初始值9.68mg／L升到21.22mg／L，升高了11.54mg／L，平均每天升高了1.44mg／L。

圖6 不同氮磷比Chla消耗曲線

實驗組與平行組前期（1月12—15日）Chla質量濃度變化不大，可能是剛接種的藻種對環(huán)境有個適應階段，并且Chla質量濃度低，可能藻細胞還在生長期，并沒有開始繁殖。從氮磷營養(yǎng)鹽消耗的曲線圖可以看出，前期營養(yǎng)鹽變化較小，相對于前期，后期（1月17—20日）變化要更明顯一些。實驗中期（1月15—16日）氮磷比16∶1和40∶1兩組實驗Chla質量濃度都有一個陡增的過程，可能是經過適應期和生長期后，第一批生長的藻種開始繁殖所致，之后趨于平穩(wěn)又進行下一次的生長。并且由圖6可知，氮磷比40∶1的條件要優(yōu)于氮磷比16∶1的條件先進入繁殖期，并且后期Chla質量濃度，氮磷比40∶1的條件也比氮磷比16∶1的條件下高，這說明氮磷比40∶1的條件更適應藻類的生長。

2.4 相關性分析

運用IBM SPSS Statistics 21對TP、TN、Chla做雙變量相關性分析，可知，在氮磷比16∶1的情況下，TP與Chla呈現出極顯著負相關（P＜0.01，r＝－0.892），而TN與Chla，TN與TP相關性不顯著。在氮磷比40∶1的情況下，TP與Chl－a呈現出極顯著負相關（P＜0.01，r＝－0.872）；TN與Chla也呈現出極顯著負相關（P＜0.01，r＝－0.944）。而TN與TP呈現出極顯著正相關（P＜0.01，r＝0.964）。

2.5 氮磷與葉綠素關系曲線

運用IBM SPSS Statistics 21分析出，在氮磷比40∶1的條件下，TP與Chla、TN與Chla以及TN與TP之間都存在極顯著相關；在氮磷比16∶1的條件下，只有TP與Chla存在極顯著相關。根據測量數據做出各自的散點圖并添加趨勢線（圖7—10）。

圖7 氮磷比40∶1TP與Chl－a相關性曲線

圖8 氮磷比40∶1TN與Chl－a相關性曲線

由圖可知，氮磷比在40∶1條件下：TP與Chl－a的關系曲線為Y＝5.6196 X－1.201；（R2＝0.871，P＜ 0.05）；TN與Chl－a的關系曲線為Y＝173.87 e－0.16x；（R2＝0.9154，P＜0.05）；TP與TN的關系曲線為Y＝15.18x＋8.1567；（R2＝0.9297，P＜0. 05）。氮磷比在16∶1條件下：TP與Chl－a的關系曲線為Y＝－37.365x＋31.501；（R2＝0.797，P＜0.05）。

圖10 氮磷比16∶1TP與Chl－a相關性曲線

3 結論

1）氮磷比與浮游藻類的生長關系密切。藻類的生長并不單單依賴于某一種營養(yǎng)元素，當環(huán)境中的磷充足時，藻類生長的條件，氮磷比40∶1要優(yōu)于氮磷比16∶1。

2）氮磷比在40∶1條件下，TP與Chl－a的關系曲線為：Y＝5.6196 X－1.201（R2＝0.871，P＜0.05）；TN與Chla的關系曲線為：Y＝173.87 e－0.16x（R2＝0.9154，P＜0.05）；TP與TN的關系曲線為：Y＝15.18x＋8.1567（R2＝0.9297，P＜0.05）。

3）氮磷比在16∶1條件下，TP與Chl－a的關系曲線為：Y＝－37.365x＋31.501（R2＝0.797，P＜0.05）。

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Algae Growth Curves under Two Different Ratios of Nitrogen to Phosphorus

ZHANG Huan1，LIU Defu1，2，ZHANG Jialei1，YAN Guanghan1，2，YE Haisong1
（1 School of Civil Engineering，Architecture and Environment，Hubei Univ.of Tech.，Key Laboratory of Hubei Province for Lake Restoration and Algae in the Laboratory of Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China；2 Water Conservancy and Environment Institute，The Three Gorges University，The Ecological Environment Engineering Research Center of The Ministry of Education of The Three Gorges University，Yichang443002，China）

According to the different conclusions about the impact studies of nitrogen phosphorus ratio on phytoplankton growth and community structure，in order to explore the effects of nitrogen phosphorus ratio on the growth curve of algae，selecting a representative of the ratio of nitrogen and phosphorus，it aims to solve eutrophication of lakes and provide a theoretical basis for governance，but also for eutrophication water bloom and provide a theoretical basis for the some control.Through indoor control experiment，two groups of nitrogen and phosphorus ratio 40：1and 16：1were set up to study the growth curves of algae under two different ratios of nitrogen and phosphorus.The results show that，（1）when the phosphorus in the environment is sufficient，the optimum conditions for the growth of nitrogen and phosphorus than 40：1are better than the nitrogen to phosphorus ratio 16：1.（2）Under the condition of 40：1，the relationship curve between TP and Chl A：Y＝5.6196X＾（1.201）.The relationship curve between TN and Chl A：Y＝173.87e＾（0.16x），and the relationship curve between TP and TN：Y＝15.18x＋8.1567.Under the condition of 16：1，the relationship curve between TP and Chl A：Y＝37.365x＋31.501.

nitrogen phosphorus ratio：nutrient salt：planktonic algae：growth curve

X52

A

［責任編校：張 眾］

1003－4684（2017）04－0075－05

2017－04－18

國家科技合作與交流專項（2014DFE70070）；國家自然科學基金青年科學基金項目（51209190，51509086）；國家自然重大計劃項目（91647207）；國家水體污染控制與治理科技重大專項（2014ZX07104－005－02）

張 歡（1992－），男，湖北武穴人，湖北工業(yè)大學碩士研究生，研究方向為生態(tài)水工學