海水淡化濃海水對海洋浮游植物的影響研究

寇希元，苗英霞，陳進斌，任華峰，邱金泉，韓家新

(國家海洋局 天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

近年來，隨著淡水資源的日益緊缺，海水淡化已成為解決我國沿海地區(qū)淡水供給問題的重要途徑之一[1-2]。海水淡化在脫除海水中的鹽分，生產淡水的過程中，不可避免的產生高鹽度的濃海水[3-4]，濃海水的排放可能對海洋生態(tài)環(huán)境產生影響[5-7]。目前，濃海水綜合利用技術和零排放技術(制鹽、提鉀、提溴、提鎂等)[8-11]尚不夠成熟，存在占地面積大、投資成本和運行維護費用較高等缺點，很難在大規(guī)模生產中得到應用。海水淡化濃海水排海對海洋生態(tài)環(huán)境的影響研究，正在受到越來越多的關注[12-15]。

海水淡化濃海水的溫度、鹽度及其所產生的腐蝕產物和化學物質可能對海水水質、海洋生物和海洋生態(tài)環(huán)境產生影響[16-18]。浮游植物是海洋生態(tài)系統(tǒng)中最主要的初級生產者，其對海洋生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)和能量流動具有重要意義[19-20]。鹽度是海洋生態(tài)環(huán)境中最重要的生態(tài)因子之一，其對生物的生長、發(fā)育、生殖、行為和分布均有直接或間接的影響[5,21]。鹽度升高可導致海水滲透壓改變，影響浮游植物體內滲透壓和離子濃度的調節(jié)及其水—鹽代謝，進而影響浮游植物的群落組成和分布，有必要研究海水淡化濃海水排水對海洋浮游植物的生理生態(tài)影響。目前，關于海水淡化濃海水對海洋浮游植物生態(tài)影響的研究工作較少，而關于鹽度對海洋微藻生態(tài)影響的研究主要集中于低鹽度范圍[22-23]，高鹽度對海洋微藻影響的研究尚不多，而在海水淡化濃海水排放口附近海域，鹽度可以達到原海水的2倍左右。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

濃海水樣品取自浙江省舟山市六橫島海水淡化濃海水排放口，原海水取自遠離濃海水排放口的六橫島附近海域。根據(jù)海水淡化濃海水排?，F(xiàn)場調查結果，選擇中肋骨條藻(Skeletonemacostatum)、旋鏈角毛藻(Chaetoceroscurvisetus)、多列擬菱形藻(Pseudo-nitzschiamultiseries)和隱秘小環(huán)藻(Cyclotellacryptic)共4種海洋微藻進行培養(yǎng)試驗。藻種由上海光語生物科技有限公司提供。

1.2 實驗方法

1.2.1 海水水質分析

海水中鹽度和pH值采用便攜式YSI-556MPS型多參數(shù)水質測量儀現(xiàn)場測定，濁度采用哈希2100P濁度儀現(xiàn)場測定。海水經0.45 μm濾膜過濾后按照海洋監(jiān)測規(guī)范的規(guī)定測定各項營養(yǎng)鹽和重金屬。

1.2.2 海洋微藻培養(yǎng)方法

向原海水中加入不同體積濃海水，配制鹽度為32‰～60‰的一系列鹽度梯度。設計6個鹽度梯度(32‰、36‰、42‰、48‰、54‰、60‰)，接種實驗藻種，培養(yǎng)液為f/2，在溫度為(20±1) ℃，光暗比為12 h ∶12 h，光照強度為(4 000～4 400)Lux的條件下進行培養(yǎng)。定期取樣用魯哥氏液固定后于生物顯微鏡下進行細胞計數(shù)。

藻細胞比生長率根據(jù)公式:

(1)

式中:μ——細胞比生長率，Nt、N0——t時刻和初始狀態(tài)的細胞數(shù)量，t——生長的時間。做出不同鹽度下海藻的生長曲線和最大比生長率曲線，考察濃海水鹽度對海藻生長的影響。

2 結果與討論

2.1 海水淡化濃海水的常規(guī)水質指標及其重金屬含量

海水淡化濃海水的水質和重金屬測定結果分別見表1和表2。

表1 六橫海水淡化廠排放濃海水水質Tab.1 The principal properties of brine discharged from seawater desalination plant in Liuheng island

表2 六橫海水淡化廠排放濃海水中重金屬含量Tab.2 The content of the heavy metals in the concentrated seawater from seawater desalination plant in Liuheng island μg·L-1

從表2可知，海水淡化濃海水的重金屬含量相比原海水明顯增加，Cu、Pb、Cr、Ni、Mn、Cd、Zn、Fe、As分別是原海水的23.0倍、2.3倍、12.4倍、1.5倍、1.1倍、2.5倍、1.6倍、1.5倍和2.5倍，這可能是由于海水淡化過程中管路腐蝕溶出金屬造成的,其中，Cu和Cr的含量相對較高，可能與反滲透海水傳熱管的材質(含銅、鉻等)有關。

2.2 濃海水鹽度對海洋微藻生長的影響

2.2.1 濃海水鹽度對中肋骨條藻的影響(圖1、圖2)

圖1 中肋骨條藻的生長曲線Fig.1 Growth curve of Skeletonema costatum

圖2 中肋骨條藻的最大比生長速率Fig.2 Maximum specific growth rate of Skeletonema costatum

圖1表示不同鹽度下中肋骨條藻的生長情況。在中肋骨條藻的培養(yǎng)初期，各個鹽度條件下的中肋骨條藻都有不同程度的增長，高鹽度培養(yǎng)液中的藻細胞密度偏低，但之后迅速增長，其藻細胞密度接近甚至稍高于低鹽度培養(yǎng)液中的藻細胞密度，分析這可能是由于濃海水中較高含量的N、P等營養(yǎng)鹽和金屬離子對中肋骨條藻的生長有促進作用，而隨著時間的增長，藻細胞逐漸死亡，藻密度隨之減小，在鹽度大于48‰時，藻密度減小的速度更快。在鹽度不大于42‰時，中肋骨條藻生長良好，但在鹽度達到48‰以后，培養(yǎng)的中后期藻細胞有死亡現(xiàn)象。

從圖2可以看出，中肋骨條藻的比生長率在鹽度為36‰以下時，隨鹽度增加其最大比生長略有升高,鹽度達到42‰后，最大比生長率隨鹽度的升高呈減小趨勢，在48‰以上的高鹽度時,下降較為平緩,可見，中肋骨條藻有一定的耐鹽性，與Sung Jin Yoon等[13]的報道一致。

2.2.2 濃海水鹽度對旋鏈角毛藻生長影響(圖3、圖4)

圖3 旋鏈角毛藻的生長曲線Fig.3 Growth of Chaetoceros curvisetus

圖4 旋鏈角毛藻的最大比生長速率Fig.4 Maximum specific growth rate of Chaetoceros curvisetus

由圖3、圖4可知，在高鹽度條件下旋鏈角毛藻生長和繁殖都受到嚴重影響。海藻的最高密度比自然海水中低了很多,達到最高密度后，海藻開始死亡，在鹽度54‰、60‰的培養(yǎng)液中，藻細胞大量死亡,藻細胞生長受到抑制。在高鹽度條件下，培養(yǎng)初期藻細胞密度較高，與中肋骨條藻相似，可能是濃海水中的營養(yǎng)鹽與金屬離子對微藻生長有促進作用。

旋鏈角毛藻的最大比生長速率隨鹽度增加而下降，在48‰以上的高鹽度區(qū)，其最大比生長下降趨勢加快,在鹽度為60‰時，雖然最大比生長速率降低很多，但藻細胞并未全部死亡，依然存在活體藻細胞。

2.2.3 濃海水鹽度對多列擬菱形藻生長的影響(圖5、圖6)

圖5 多列擬菱形藻的生長曲線Fig.5 Growth curve of Pseudo-nitzschia multiseries

圖6 多列擬菱形藻的比生長速率Fig.6 Specific grwoth rate of Pseudo-nitzschia multiseries

由圖5、圖6可知,多列擬菱形藻在鹽度為32‰時生長正常,當鹽度升到36‰后，海藻仍能進行生長，但是藻密度與正常海水相比明顯減小。當鹽度繼續(xù)升高到48‰、54‰、60‰時，其生長差異不是很明顯，在高鹽抑制的同時仍有一定程度的生長。而在54‰、60‰鹽度條件下，在其生長初期,與中肋骨條藻和旋鏈角毛藻類似,濃海水中的營養(yǎng)鹽和金屬離子促進海藻生長,隨后海藻密度隨時間增加而減小，高鹽度抑制海藻的生長。

對于多列擬菱形藻，比生長率隨鹽度升高呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，尤其當鹽度升高到54‰時，比生長率下降迅速，鹽度為60‰時，基本停止生長，可以看出它對鹽度的升高是非常敏感的。

2.2.4 濃海水鹽度對隱秘小環(huán)藻生長的影響(圖7、圖8)

圖7 隱秘小環(huán)藻的生長曲線Fig.7 Growth curve of Cyclotella cryptic

圖8 隱秘小環(huán)藻的比生長速率Fig.8 Specific growth rate of the Cyclotella cryptic

由圖7、圖8可知，隱秘小環(huán)藻在鹽度48‰以下時生長良好，在鹽度高于48‰時，其生長和繁殖受到嚴重影響，藻細胞大量死亡，在鹽度為60‰時，其藻密度只有海水培養(yǎng)液的1/10，高鹽度時隱秘小環(huán)藻生長差異不大。從實驗結果來看，與中肋骨條藻、旋鏈角毛藻和多列擬菱形藻不同的是，濃海水中的營養(yǎng)鹽和重金屬離子在生長過程中并沒有對隱秘小環(huán)藻產生促進作用。

隱秘小環(huán)藻與中肋骨條藻相似，都屬于耐鹽型微藻，最大比生長率隨鹽度的升高呈現(xiàn)比較平緩的變化。在鹽度為42‰時，隱秘小環(huán)藻的最大比生長率相比正常海水有了明顯下降，在鹽度達到54‰時，其最大比生長率降至0.1 d-1以下，說明隱秘小環(huán)藻不能在高鹽度海水中生長。

3 主要結論

1) 海水淡化濃海水的營養(yǎng)鹽以及重金屬含量均明顯高于原海水。這可能與海水淡化過程中所使用的絮凝劑、緩蝕阻垢劑和消泡劑等添加劑有關，海水淡化過程中管路腐蝕溶出金屬及傳熱管的材質等有關。

2) 鹽度升高對4種海藻的生長和繁殖能力有不同影響。中肋骨條藻、旋鏈角毛藻、隱秘小環(huán)藻的生長鹽度范圍可達到48‰以上。多列擬菱形藻對鹽度較為敏感，但其對高鹽度仍有一定的忍耐性?？傮w來看，個體較大的藻細胞對鹽度升高更敏感。

3) 在高鹽度海水條件下培養(yǎng)初期，濃海水中的營養(yǎng)鹽及重金屬對中肋骨條藻、旋鏈角毛藻和多列擬菱形藻的生長具有促進作用。這可能是因為個體較大的藻細胞對金屬離子有較強的吸附能力，但吸附的金屬離子可能使藻細胞內蛋白質凝固，破壞酶的活性，造成藻細胞結構的破壞和功能的喪失而死亡[24-26]，隨著時間的延長，藻細胞密度逐漸減小。