姜小玉 趙閃閃 褚一凡 陳 艷 李杲光 靳同霞 馬劍敏

(河南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 新鄉(xiāng) 453007)

水體富營養(yǎng)化已成為世界上大多數(shù)淡水和近海海洋生態(tài)系統(tǒng)的主要水質(zhì)問題[1], 并導(dǎo)致藍(lán)藻水華頻發(fā)。研究表明[2], 生態(tài)修復(fù)是有效控制水華的最佳途徑。生態(tài)修復(fù)方法中利用水生植物[3]和生物操縱[4]技術(shù)控制藻類水華取得了明顯成效。

大型水生植物與浮游植物同為水生生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)者, 兩者生態(tài)位高度重合, 對(duì)光照、空間、營養(yǎng)等資源競爭激烈[5]。大型水生植物還能通過化感作用抑制藻類的生長[6]。姚遠(yuǎn)等[7]通過微宇宙實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水體中的沉水植物能使浮游植物的生物量顯著降低。生物操縱是利用浮游動(dòng)物的攝食控制藻類。陳濟(jì)丁等[8]發(fā)現(xiàn), 可以直接添加大型溞等大型植食性浮游動(dòng)物, 使其達(dá)到并保持一定的密度, 從而有效抑制藻類的暴發(fā)式增殖。

氮磷濃度直接影響重建水生植被的可能性和生物操縱的有效性。根據(jù)Liebig[9]最小因子定律,對(duì)限制浮游植物增長的氮磷等營養(yǎng)鹽加以控制是減輕水體富營養(yǎng)化的重要基礎(chǔ)[10]。研究發(fā)現(xiàn), 內(nèi)陸水體(湖泊等)一般是磷限制[11]; 外源水體(海灣等)通常是氮限制[12, 13]。限制因子會(huì)因周圍環(huán)境和人類干預(yù)而發(fā)生轉(zhuǎn)換, 還存在共同限制的情況[14—16]。當(dāng)?shù)坠餐拗苹蛳拗菩砸蛩夭淮_定時(shí), 單一減少氮或磷輸入并不能有效防治水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象[17]。美國中西部因種植玉米引發(fā)過高的氮濃度排入水體, 導(dǎo)致藻類水華大面積暴發(fā), 漁業(yè)損失慘重[18],另考慮到海灣和湖泊、河流之間可能存在的相互影響, 所以即使我國富營養(yǎng)化湖泊主要以磷為限制因子[11], 也必須采取以控磷為主, 控氮為輔的措施以減緩富營養(yǎng)化現(xiàn)象, 不可過度放寬對(duì)氮的控制[19, 20]。

本實(shí)驗(yàn)室先前做了一系列氮磷濃度影響溞-草-藻控藻效果的研究[21—23], 結(jié)果發(fā)現(xiàn)水生植被的恢復(fù)重建與生物操縱相結(jié)合可以取得極佳抑藻(藍(lán)藻)效果的磷濃度范圍為0.2—0.5 mg/L, 但其氮濃度閾值范圍仍未可知。為了進(jìn)一步弄清楚水體氮濃度對(duì)實(shí)施生物操縱和重建水生植物的影響, 本實(shí)驗(yàn)選用銅綠微囊藻、金魚藻和大型溞為實(shí)驗(yàn)材料, 研究不同氮濃度對(duì)生物操縱和草-藻競爭的影響, 為藍(lán)藻水華的防治提供依據(jù)與參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa, FACHB 573): 購自中國科學(xué)院淡水藻種庫, 采用BG-11培養(yǎng)基[24], 置于恒溫光照培養(yǎng)箱(溫度25℃, 光強(qiáng)2600 lx,光暗比14h∶10h)培養(yǎng), 選擇指數(shù)生長期的藻種用于實(shí)驗(yàn)。

大型溞(Daphnia magna): 采自新鄉(xiāng)市牧野湖,純化培養(yǎng)后, 置于恒溫光照培養(yǎng)箱馴化, 選擇同一母體繁殖三代以上的體型相似的幼齡大型溞用于實(shí)驗(yàn)。

金魚藻(Ceratophyllum demersum): 采自新鄉(xiāng)市牧野湖, 反復(fù)沖洗干凈, 培養(yǎng)于BG-11培養(yǎng)基, 置于實(shí)驗(yàn)室靠窗實(shí)驗(yàn)臺(tái)。選擇生長良好、長勢一致的0.1 g的頂枝用于實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

培養(yǎng)液的配置 以BG-11培養(yǎng)基為基礎(chǔ), 用檸檬酸鐵代替檸檬酸鐵銨, 用CoCl2·6H2O代替Co(NO3)2·6H2O, 配置無氮磷的培養(yǎng)液。因?yàn)檫m合銅綠微囊藻生長的最佳磷濃度范圍為1.0—1.5 mg/L[25], 為保證磷源充足, 用磷標(biāo)液(磷酸二氫鉀)將培養(yǎng)液磷濃度調(diào)節(jié)為1.5 mg/L; 結(jié)合水華程度判別的氮、磷參考標(biāo)準(zhǔn)[26]和已有研究[25, 27], 用氮標(biāo)液(硝酸鉀)將培養(yǎng)液氮濃度梯度調(diào)節(jié)為0.5、2、4、8和16 mg/L, 包含從輕度到重度水華的范圍。培養(yǎng)液初始pH為7.5, 均為無菌環(huán)境。

接種方法 實(shí)驗(yàn)前將藻種擴(kuò)大培養(yǎng)7d, 在無N、P的BG-11培養(yǎng)液中饑餓處理48h, 以去除藻細(xì)胞中蓄積的N、P, 取一定量體積的藻種離心(4000 r/min, 10min)后, 棄上清液, 再用15 mg/L的NaHCO3洗滌2次, 離心棄上清液, 無菌水稀釋后用于接種。

實(shí)驗(yàn)設(shè)置 實(shí)驗(yàn)采用1000 mL的錐形瓶, 裝800 mL不同氮濃度的培養(yǎng)液, 每個(gè)氮濃度設(shè)3個(gè)重復(fù), 置于恒溫光照培養(yǎng)箱(溫度25℃, 光強(qiáng)2600 lx,光暗比14h∶10h)培養(yǎng), 每天定時(shí)搖晃每錐形瓶3次,實(shí)驗(yàn)周期15d。每3天取10 mL藻液, 測定藻液的OD680值, 計(jì)算藻細(xì)胞密度。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后測定藻液的OD680值、大型溞數(shù)目和金魚藻質(zhì)量, 計(jì)算各自的增長率; 并測定培養(yǎng)液中的氮、磷濃度, 計(jì)算氮磷削減率。采用溞-草-藻搭配組合, 設(shè)置4個(gè)不同處理組合和1個(gè)空白對(duì)照。根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[22], 接種銅綠微囊藻初始密度為1.0×105cells/mL, 金魚藻頂枝0.1 g, 大型溞5只。

具體組合方式如下:

組合 0: 銅綠微囊藻單獨(dú)培養(yǎng)(空白對(duì)照);

組合 1: 溞-藻共培養(yǎng);

組合 2: 草-藻共培養(yǎng);

組合 3: 金魚藻種植水培養(yǎng)銅綠微囊藻(用配置好的5種氮濃度梯度的培養(yǎng)液培養(yǎng)金魚藻, 15d后,取出金魚藻, 補(bǔ)充培養(yǎng)液氮磷至初始濃度, 然后接種銅綠微囊藻);

組合 4: 溞-草-藻共培養(yǎng)。

1.3 測定指標(biāo)

銅綠微囊藻細(xì)胞密度: 實(shí)驗(yàn)前, 每2天測定藻液的OD680, 用血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)藻細(xì)胞, 為期14d, 創(chuàng)建OD680值與藻細(xì)胞密度回歸方程:y=1522.2x-4.6892,R2=0.9984; 其中,y是藻細(xì)胞密度(×105cells/mL),x是OD680值。實(shí)驗(yàn)中, 每3天測定藻液的OD680值,換算得到藻細(xì)胞密度。

大型溞數(shù)目: 肉眼計(jì)數(shù)。

金魚藻質(zhì)量: 吸水紙吸干表面水分, 稱重。

培養(yǎng)液中的氮、磷濃度(指水中的氮磷濃度,不包括生物體吸收、吸附的氮磷): 藻液經(jīng)離心(4000 r/min, 10min)后, 取上清液, 采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法測定氮濃度, 鉬銻抗分光光度法測定磷濃度[28]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

銅綠微囊藻生長速率:μ=(lnX2-lnX1)/(T2-T1)。式中,X1和X2分別為實(shí)驗(yàn)初期和結(jié)束后銅綠微囊藻的細(xì)胞密度; (T2-T1)為培養(yǎng)天數(shù), 為15d。

采用Monod方程[29]探討銅綠微囊藻單獨(dú)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中, 藻生長速率與氮濃度的關(guān)系, 方程如下:μ=μmax·x/(x+Ks)。式中,μmax為藻的最大生長速率;x為氮濃度;Ks為半飽和速率常數(shù)。

銅綠微囊藻、大型溞和金魚藻的增長率計(jì)算方法見靳萍等[30]。

培養(yǎng)液中氮、磷削減率:R=(C0-Ct)/C0×100%。式中,C0和Ct分別為實(shí)驗(yàn)初期和結(jié)束后培養(yǎng)液中的氮磷濃度。

用EXCEL 2013處理數(shù)據(jù)并作圖, 其中Monod方程擬合曲線用Origin 8.0制得, 用SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果

2.1 銅綠微囊藻單獨(dú)培養(yǎng)

如圖 1所示, 氮濃度為16 mg/L時(shí), 在培養(yǎng)周期內(nèi)銅綠微囊藻生長曲線呈“J”型, 其他各濃度下則呈“S”型。實(shí)驗(yàn)?zāi)┢? 氮濃度為4—8 mg/L時(shí), 銅綠微囊藻生長速率減慢, 但藻細(xì)胞密度仍在3×107cells/mL以上; 氮濃度為0.5—2 mg/L時(shí), 銅綠微囊藻細(xì)胞密度不再增加, 藻類無法持續(xù)增長。

如圖 2所示, Monod方程對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合度良好,R2=0.99699。由擬合方程可知, 磷濃度為1.5 mg/L, 氮濃度為0.5—16 mg/L時(shí), 銅綠微囊藻最大表觀生長速率為2.15/d, 氮的半飽和濃度為1.97 mg/L。故當(dāng)培養(yǎng)液中磷濃度較高時(shí), 應(yīng)將氮濃度降低到1.97 mg/L以下, 以控制藻類短期內(nèi)暴發(fā)性增殖, 與生長曲線所得結(jié)果一致。

2.2 溞-藻共培養(yǎng)

在溞-藻共培養(yǎng)時(shí), 銅綠微囊藻的生長曲線如圖 3所示, 與對(duì)照組(圖 1)相比, 各氮濃度處理組銅綠微囊藻的細(xì)胞密度較低, 表明在大型溞的攝食下,微囊藻的密度增長均受到了抑制。氮濃度為8—16 mg/L時(shí), 銅綠微囊藻的增長率遠(yuǎn)大于大型溞(圖4), 呈現(xiàn)暴發(fā)式增長, 實(shí)驗(yàn)?zāi)┢谠寮?xì)胞密度在1.5×107cells/mL以上, 且持續(xù)增加(圖 3), 培養(yǎng)液呈藍(lán)綠色, 抑藻效果差。氮濃度為0.5—4 mg/L時(shí), 銅綠微囊藻的增長率顯著低于其他氮濃度處理組(P＜0.05), 大型溞的增長率則與之相反(P＜0.05)(圖4), 實(shí)驗(yàn)?zāi)┢? 銅綠微囊藻生長速率減慢, 藻細(xì)胞密度不再上升(圖 3), 培養(yǎng)液較清澈, 抑藻效果好。故利用大型溞控制銅綠微囊藻的有效氮濃度范圍為0.5—4 mg/L。

圖 1 銅綠微囊藻單獨(dú)培養(yǎng)時(shí)的生長曲線Fig. 1 Growth curve of M. aeruginosa when cultured individually

圖 2 銅綠微囊藻生長速率與氮濃度的關(guān)系Fig. 2 The relationship of growth rate and nitrogen concentration for M. aeruginosa

圖 3 與大型溞共培養(yǎng)時(shí), 銅綠微囊藻的生長曲線Fig. 3 Growth curve of M. aeruginosa when co-cultured with D.magna

圖 4 實(shí)驗(yàn)?zāi)┢? 大型溞和銅綠微囊藻的增長率Fig. 4 Growth rate of M. aeruginosa and D. magna at the end of the experiment

2.3 銅綠微囊藻和金魚藻的相互作用

在草-藻相互作用時(shí), 銅綠微囊藻的生長曲線如圖 5所示, 不論是草-藻共培養(yǎng), 還是用草的種植水培養(yǎng)銅綠微囊藻, 與對(duì)照組相比, 各氮濃度處理組銅綠微囊藻的細(xì)胞密度均較低, 表明金魚藻或金魚藻種植水的加入可以抑制微囊藻的增長。

在草-藻共培養(yǎng), 氮濃度為4—16 mg/L時(shí), 銅綠微囊藻的增長率隨氮濃度的增大而增大, 金魚藻的增長率則隨之減小(圖 6, 組合2), 且高氮濃度(8—16 mg/L)處理組藻細(xì)胞密度持續(xù)增加(圖 5, 組合2),抑藻效果差。在氮濃度為0.5—2 mg/L時(shí), 銅綠微囊藻的增長率顯著低于高氮濃度處理組(P＜0.05), 金魚藻的增長率顯著高于高氮濃度處理組(P＜0.05)(圖 6, 組合2), 實(shí)驗(yàn)?zāi)┢? 藻細(xì)胞密度開始下降(圖 5,組合2), 培養(yǎng)液較清澈, 抑藻效果顯著。實(shí)驗(yàn)?zāi)┢?氮濃度為0.5和2 mg/L時(shí), 草-藻共培養(yǎng)的藻細(xì)胞密度分別是溞-藻共培養(yǎng)的23.89%和21.51%, 表明處于有效控藻的氮濃度范圍, 草-藻競爭的控藻效果好于溞-藻共培養(yǎng)。

圖 5 與金魚藻相互作用時(shí), 銅綠微囊藻的生長曲線Fig. 5 Growth curve of M. aeruginosa when co-cultured with C.demersum

圖 6 實(shí)驗(yàn)?zāi)┢? 金魚藻和銅綠微囊藻的增長率Fig. 6 Growth rate of C. demersum and M. aeruginosa at the end of the experiment

用草的種植水培養(yǎng)銅綠微囊藻時(shí), 銅綠微囊藻的增長率隨氮濃度的增大而增大(圖 6, 組合3), 但遠(yuǎn)低于對(duì)照組。氮濃度為8—16 mg/L時(shí), 實(shí)驗(yàn)?zāi)┢谠寮?xì)胞密度在7×106cells/mL以上, 控藻效果差; 氮濃度為0.5—4 mg/L時(shí), 實(shí)驗(yàn)?zāi)┢谠寮?xì)胞密度不再增加(圖 5, 組合3), 培養(yǎng)液較清澈, 抑藻效果較好, 氮濃度越低, 抑藻效果越好。實(shí)驗(yàn)?zāi)┢? 氮濃度為0.5和2 mg/L時(shí), 藻-草共培養(yǎng)的藻細(xì)胞密度分別是種植水培養(yǎng)方式下的23.89%和41.35%, 表明處于有效控藻的氮濃度范圍, 草-藻競爭的控藻效果好于草的種植水。

2.4 溞-草-藻共培養(yǎng)

在溞-草-藻共培養(yǎng)時(shí), 銅綠微囊藻的生長曲線如圖 7所示, 與對(duì)照組相比, 各氮濃度處理組中銅綠微囊藻的細(xì)胞密度較低, 表明在大型溞和金魚藻共同存在的情況下, 微囊藻的增殖均受到了抑制。銅綠微囊藻的增長率隨氮濃度的增大而增大, 各氮濃度處理組, 銅綠微囊藻的增長率均小于大型溞, 控藻效果良好; 氮濃度為0.5—4 mg/L時(shí), 大型溞、金魚藻和銅綠微囊藻的增長率依次降低(P＜0.05), 銅綠微囊藻的增長率均為負(fù)值(圖 8), 實(shí)驗(yàn)?zāi)┢? 藻細(xì)胞密度急劇下降至1.0×105cells/mL以下(圖 7), 抑藻效果最佳。

2.5 不同組合培養(yǎng)液中的氮、磷削減率

圖 7 三者共培養(yǎng)時(shí), 銅綠微囊藻的生長曲線Fig. 7 Growth curve of M. aeruginosa when three species were co-cultured together

如表 1和表 2所示, 氮濃度為16 mg/L時(shí), 氮、磷營養(yǎng)鹽充裕, 在各處理?xiàng)l件下氮磷削減率沒有顯著差異。銅綠微囊藻單獨(dú)培養(yǎng)(組合0), 用金魚藻種植水培養(yǎng)銅綠微囊藻(組合3)的氮、磷削減率低于其他實(shí)驗(yàn)組, 說明溞-藻, 草-藻和溞-草-藻的組合方式可以提高水中的氮磷削減率, 降低水中營養(yǎng)鹽濃度。氮濃度為2—8 mg/L時(shí), 草-藻(組合2)和溞-草-藻(組合4)共培養(yǎng)時(shí), 對(duì)氮、磷的削減率最大, 說明氮和磷的削減率具有協(xié)同性, 且主要受水生植物的影響。

3 討論

3.1 氮濃度對(duì)銅綠微囊藻生長的影響

圖 8 實(shí)驗(yàn)?zāi)┢? 大型溞、金魚藻和銅綠微囊藻的增長率Fig. 8 Growth rate of D. magna, C. demersum and M. aeruginosa at the end of the experiment

根據(jù)Redfield[31]值, 海洋浮游植物對(duì)碳、氮、磷的需求為C∶N∶P=106∶16∶1, 該比例被普遍應(yīng)用于淡水浮游植物營養(yǎng)鹽限制研究中; 當(dāng)研究水體中的N∶P＞20時(shí), 常判定為磷限制; 當(dāng)N∶P＜10時(shí), 常判定為氮限制; 在居于兩者之間時(shí), 則無法判定限制性因素[32]。在本實(shí)驗(yàn)中, 磷濃度設(shè)置為1.5 mg/L, 氮濃度梯度為0.5、2、4、8和16 mg/L, 對(duì)應(yīng)N、P原子個(gè)數(shù)比分別是0.74、2.95、5.90、11.81和23.62。實(shí)驗(yàn)中, 銅綠微囊藻的增長率隨氮濃度的升高而升高,表征為氮限制, 支持Redfield值的判定; 當(dāng)?shù)谞I養(yǎng)過剩時(shí), 藻細(xì)胞生理代謝所需營養(yǎng)物質(zhì)的比例與水體內(nèi)相應(yīng)比例不相關(guān), Redfield值不再適用[32]。當(dāng)?shù)獫舛冗M(jìn)一步升高達(dá)到高氮濃度(8和16 mg/L), 隨著氮濃度從不足到過量, 銅綠微囊藻生長速率趨于平緩(圖 2), 氮限制作用越來越小, 驗(yàn)證了這一結(jié)果。

氮可以合成藻細(xì)胞的蛋白質(zhì)、核酸、葉綠素等生物大分子, 影響著微藻的光合效率、光呼吸和暗反應(yīng)的主要酶[33], 是限制浮游植物生長的重要因子之一[34]。研究發(fā)現(xiàn), 以單一元素為限制底物時(shí),氮濃度低于4 mg/L時(shí), 銅綠微囊藻不能正常生長[25];也有學(xué)者提出應(yīng)將氮濃度控制在1 mg/L以下, 可以有效降低水體浮游植物的繁殖[29]。本研究認(rèn)為當(dāng)培養(yǎng)液中磷濃度較高時(shí), 將氮濃度降低到1.97 mg/L以下, 可以有效控制銅綠微囊藻的暴發(fā)性增殖, 該值處于前人研究區(qū)域之間, 結(jié)果更為精確。

表 1 實(shí)驗(yàn)?zāi)┢诓煌幚斫M的培養(yǎng)液中氮削減率分析Tab. 1 Nitrogen reduction rate (%) for different mediums from different treatment groups at the end of the experiment (%)

表 2 實(shí)驗(yàn)?zāi)┢诓煌幚斫M的培養(yǎng)液中磷削減率分析Tab. 2 Phosphorus reduction rate (%) for different mediums from different treatment groups at the end of the experiment (%)

3.2 不同組合方式抑藻效果的差異

實(shí)驗(yàn)表明, 在大型溞、金魚藻單獨(dú)存在或二者同時(shí)存在的情況下, 都會(huì)抑制銅綠微囊藻的增長,培養(yǎng)液中氮、磷削減率均會(huì)提高。草-藻共培養(yǎng)的控藻效果比草的種植水更好。因?yàn)椴?藻共培養(yǎng)時(shí),金魚藻會(huì)持續(xù)分泌活性物質(zhì)[35], 而金魚藻的種植水是一次添加而不是連續(xù)添加的, 隨時(shí)間延長, 揮發(fā)油濃度降低, 抑藻效果減弱[36], 且前者還具有競爭作用。在同等氮濃度的實(shí)驗(yàn)條件下, 最終藻細(xì)胞密度對(duì)比為: 溞-藻＞草-藻＞溞-草-藻, 抑藻效果則為相反順序; 需要說明的是, 對(duì)于溞-藻和草-藻組合二者的抑藻順序, 這與用什么草、用什么藻有關(guān), 但二者單獨(dú)的抑藻能力一定小于溞-草-藻組合。大型溞主要通過攝食作用達(dá)到控制藻類增長的目的, 其作用效果的好壞由大型溞的牧食速度和藻的增長速度差決定; 金魚藻主要依靠生存競爭和分泌化感物質(zhì)(可破壞藻細(xì)胞的葉綠素a, 引起膜脂質(zhì)過氧化,進(jìn)而導(dǎo)致銅綠微囊藻死亡)而抑藻, 但是銅綠微囊藻也會(huì)對(duì)金魚藻的生長起到一定的脅迫作用[37]。所以, 大型溞和金魚藻的抑藻效果與它們各自的初始生物量密不可分。本實(shí)驗(yàn)室先前研究[22]表明, 最適宜大型溞繁殖的銅綠微囊藻細(xì)胞密度約為1.0×105cells/mL, 所以生物操縱初始生物量的選擇是合適的, 同時(shí)輔以大型水生植物的重建(為浮游動(dòng)物提供棲息地和氧氣, 與藻類競爭營養(yǎng)、光照,分泌化感物質(zhì)等), 兩者同時(shí)控藻, 相輔相成, 構(gòu)建健康的水生態(tài)系統(tǒng), 可以將控藻效果發(fā)揮得更好。實(shí)驗(yàn)表明, 有金魚藻存在的組合, 氮磷削減率顯著高于其他實(shí)驗(yàn)組, 說明大型沉水植物有利于凈化水中的氮磷污染, 減少淺水湖泊營養(yǎng)鹽含量[38], 維持清水穩(wěn)態(tài)[39]。藻細(xì)胞吸收吸附的氮磷、大型溞攝食藻細(xì)胞所固定的氮磷、以及大型沉水植物所吸收的氮磷均可以通過食物鏈流向更高營養(yǎng)級(jí)的生物。而生命周期較長的大型沉水植物和高營養(yǎng)級(jí)水生動(dòng)物可以較長時(shí)間固定氮磷, 有效減少水中氮磷含量, 在一定程度上減少夏季高溫時(shí)藍(lán)藻水華暴發(fā)的機(jī)率。光照溫度等氣候條件不再適宜的時(shí)候,即使固定的氮磷被重新釋放進(jìn)入水體, 也不再會(huì)大面積暴發(fā)藍(lán)藻水華。因此, 溞-草-藻系統(tǒng)對(duì)水中氮磷的削減也是反映系統(tǒng)凈水能力的一項(xiàng)參考指標(biāo),對(duì)水體富營養(yǎng)化的治理具有一定的參考意義。

3.3 氮濃度對(duì)生物操縱和草-藻競爭的影響

在溞-藻共培養(yǎng)時(shí), 實(shí)驗(yàn)條件下, 氮濃度為0.5—4 mg/L時(shí), 大型溞增長率隨氮濃度的升高而上升, 且顯著高于其他氮濃度處理組, 銅綠微囊藻的增長率顯著低于其他氮濃度處理組, 加上大型溞的迅速增殖對(duì)其攝食作用增強(qiáng), 實(shí)驗(yàn)?zāi)┢? 藻細(xì)胞密度不再增加, 說明大型溞可以有效控藻。氮濃度為0.5 mg/L時(shí), 銅綠微囊藻的增長率最低, 且有大型溞的牧食壓力, 藻細(xì)胞密度急劇下降。氮濃度為4 mg/L時(shí), 大型溞的增長率最高, 這是因?yàn)樵谝欢I養(yǎng)鹽濃度下, 浮游動(dòng)物的密度隨總氮濃度的增加而增加[40]。但是, 在氮磷營養(yǎng)鹽濃度過高時(shí), 不利于生物操縱技術(shù)控藻, 在高氮濃度條件下, 由于營養(yǎng)鹽充足, 生存條件合適, 銅綠微囊藻暴發(fā)性繁殖, 對(duì)大型溞增殖不利, 控藻效果差。本文設(shè)計(jì)溞-藻共培養(yǎng), 旨在找出利用大型溞等浮游動(dòng)物抑藻的有效氮濃度范圍, 為實(shí)際水體水華的防治提供參考。在本實(shí)驗(yàn)條件下, 生物操縱的有效控藻氮濃度范圍為低于4 mg/L, 在這個(gè)范圍內(nèi), 可以通過直接向水體投加浮游動(dòng)物或利用食物鏈關(guān)系控制并維持浮游動(dòng)物的密度來達(dá)到控藻目的; 但當(dāng)?shù)獫舛瘸? mg/L時(shí),生物操縱難以奏效。

在草-藻共培養(yǎng)時(shí), 氮濃度為0.5—2 mg/L時(shí), 金魚藻增長率顯著高于其他氮濃度處理組, 銅綠微囊藻的增長率顯著低于其他氮濃度處理組, 金魚藻在草-藻競爭中占優(yōu)勢。隨著氮濃度進(jìn)一步升高, 金魚藻增長率隨之下降, 甚至在高氮濃度組出現(xiàn)枝葉裂解現(xiàn)象, 其釋放的營養(yǎng)會(huì)促進(jìn)藻類生長。這是因?yàn)闋I養(yǎng)鹽濃度過高時(shí), 不利于金魚藻的正常生理代謝, 使其抗逆性弱化[41]; 而高營養(yǎng)鹽濃度卻促進(jìn)藻類生長, 對(duì)金魚藻的生長起到一定的脅迫作用[37],使金魚藻在與藻類競爭中處于劣勢。

在溞-草-藻共培養(yǎng)時(shí), 氮濃度為0.5—16 mg/L時(shí), 銅綠微囊藻的增長率均小于大型溞, 因?yàn)榻痿~藻和銅綠微囊藻的生長耗費(fèi)很多氮磷等養(yǎng)分, 大型溞攝食銅綠微囊藻, 把營養(yǎng)轉(zhuǎn)化為大型溞的生物量,減輕了高營養(yǎng)鹽對(duì)金魚藻的脅迫, 大型溞和金魚藻共同抑藻, 效果顯著。溞-草-藻三者結(jié)合有效控藻氮濃度范圍的增大, 表征物種多樣性和生物群落復(fù)雜性的加大, 有助于維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性, 加強(qiáng)生物操縱和草-藻競爭的抑藻效果。氮濃度為0.5—4 mg/L時(shí), 大型溞的增長率最大, 銅綠微囊藻的增長率最小(均為負(fù)值), 銅綠微囊藻被顯著抑制,大型溞和金魚藻明顯占優(yōu)勢, 控藻效果最好。這說明生物操縱和草-藻競爭的聯(lián)合作用, 可以明顯提高控藻效果。研究發(fā)現(xiàn), 必須在實(shí)施生物操縱后恢復(fù)水生植被, 才能維持清潔型穩(wěn)態(tài)水生態(tài)系統(tǒng)[42]。

上述結(jié)果是實(shí)驗(yàn)室條件下所得的氮濃度閾值,可以看成是理論值, 實(shí)際應(yīng)用時(shí), 該閾值應(yīng)該會(huì)縮小, 尚需進(jìn)一步驗(yàn)證。將研究結(jié)果應(yīng)用于水體生態(tài)修復(fù)工程前, 建議首先了解水體營養(yǎng)鹽濃度和水環(huán)境條件, 在營養(yǎng)鹽條件不具備、或缺乏沉水植物的水域, 用單一的經(jīng)典生物操縱技術(shù)來控藻, 難以達(dá)到長期的良好效果; 要盡量建立草-溞-藻共存的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng), 以達(dá)到較好的控藻效果。

4 結(jié)論

生物操縱、草-藻競爭、以及溞-草-藻三者結(jié)合對(duì)藻類的抑制效果均與水體氮濃度有關(guān); 在同一氮濃度條件下, 就抑藻效果來說, 溞-藻＜草-藻＜溞-草-藻。生物操縱有效控藻的氮濃度范圍為0.5—4 mg/L; 草-藻競爭有效控藻的氮濃度為0.5—2 mg/L; 生物操縱和草-藻競爭相結(jié)合的有效控藻的氮濃度范圍為0.5—16 mg/L, 氮濃度為0.5—4 mg/L時(shí), 大型溞的增長率最大, 銅綠微囊藻的增長率最小(均為負(fù)值), 銅綠微囊藻被顯著抑制。