呂冬偉　劉歡　田鵬華　徐榕雪

摘要：將定量孔石莼藻體添加到模擬養(yǎng)殖廢水中，研究孔石莼在不同營(yíng)養(yǎng)鹽濃度梯度下，對(duì)水體中氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收情況。結(jié)果表明，孔石莼對(duì)濃度越高的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽吸收率越快，但去除率越低;對(duì)銨態(tài)氮和磷酸鹽的吸收效果明顯，對(duì)硝態(tài)氮有所吸收，而對(duì)亞硝態(tài)氮的吸收不明顯;對(duì)銨態(tài)氮吸收曲線分3個(gè)階段分析后發(fā)現(xiàn)，其第一階段符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，第二階段的吸收符合線性方程。這說(shuō)明孔石莼在不同濃度營(yíng)養(yǎng)鹽養(yǎng)殖廢水中均具有很好的水體凈化作用，對(duì)防治水體富營(yíng)養(yǎng)化有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：孔石莼;養(yǎng)殖廢水;銨態(tài)氮;硝態(tài)氮;亞硝態(tài)氮;磷酸鹽;氮磷吸收比值

Study on Absorption of Different Forms of Nitrogen andPhosphate by Macroalgae Ulva pertusa in SeawaterLu Dongwei， Liu Huan， Tian Penghua， Xu Rongxue

Abstract The nitrogen and phosphate absorption of Ulva pertusa cultivated in the simulated piscatorialwastewater with different nutrient concentrations were studied in this paper. The experiment results showed thatthe higher the nitrogen and phosphate concentrations were ， the higher the uptake rates and the lower removalrates of Ulva pertu.sa were. The absorption effect of ammonia nitrogen and phosphate were obvious， and part ofnitrates nitrogen was absorbed， but the absorption of nitrite was not obvious. After dividing the ammonia nitro-gen absorption curve into three stages， it was found that the first stage curve accords with the first - order ki-netic equation and the second stage curve yielded a linear equation. The results showed that Ulva pertusa hadbetter effect on water purification， and showed better application prospect in preventing the eutrophication ofwater bodies.

Keywords

Ulva pertusa; Piscatorial wastewater; Ammonia nitrogen; Nitrate nitrogen; Nitrite nitrogen;Phosphate; N/P absorption ratio

孔石莼（Ulva pertusa）屬于綠藻門(mén)石莼屬，廣泛分布于西太平洋沿海，藻體鮮艷，味道鮮美，富含多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并且生長(zhǎng)快、質(zhì)地薄可食用，還具有生物學(xué)和藥用價(jià)值。近年來(lái)，對(duì)于孔石莼的開(kāi)發(fā)利用引起了國(guó)內(nèi)外的關(guān)注。

隨著我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)?；黾?，高密度、高產(chǎn)量的工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖逐漸成為未來(lái)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的重要方向[1，2]，如何處理養(yǎng)殖廢水漸漸引起人們的注意，如何高效和低成本地凈化養(yǎng)殖水體是現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖工程的重要組成部分。國(guó)內(nèi)外學(xué)者一致認(rèn)為混養(yǎng)大型藻類(lèi)是吸收、利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和延緩水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化的有效措施之一[3，4]。國(guó)外已經(jīng)有利用大型海藻吸收水中營(yíng)養(yǎng)鹽凈化廢水的報(bào)道[5]，國(guó)內(nèi)近幾年來(lái)也有一些利用大型海藻凈化體系凈化養(yǎng)殖水體、修復(fù)生態(tài)環(huán)境的報(bào)道[6-10]。石莼屬大型海藻，能夠快速利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)從而延緩水體富營(yíng)養(yǎng)化，是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的共識(shí)，其在大型海藻凈化體系中的重要性得到多次驗(yàn)證[11-13]。但是孔石莼對(duì)不同濃度營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收研究國(guó)內(nèi)外尚少見(jiàn)報(bào)道。本試驗(yàn)通過(guò)研究孔石莼對(duì)模擬養(yǎng)殖廢水中不同濃度營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收狀況以及幾種營(yíng)養(yǎng)鹽的相互作用，探討利用孔石莼處理養(yǎng)殖廢水的可行性、高效性，以期為在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中建立大型海藻凈化體系提供重要依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料來(lái)源與培養(yǎng)條件

孔石莼與海水均取自山東煙臺(tái)養(yǎng)馬島海域?？资唤?jīng)室內(nèi)（20±2）℃條件下馴化培養(yǎng)3天后，選取生長(zhǎng)良好的孔石莼藻體進(jìn)行試驗(yàn)。海水營(yíng)養(yǎng)鹽濃度分別為：銨態(tài)氮0.059 mg/L、硝態(tài)氮0.012mg/L、亞硝態(tài)氮0.073mg/L、磷酸鹽0.067mg/L，經(jīng)砂濾和消毒后抽取使用。

取5只相同規(guī)格（5L）錐形瓶，加入經(jīng)過(guò)砂濾和消毒的海水，分別添加氯化銨、硝酸鈉、亞硝酸鈉、磷酸二氫鉀，使瓶中各營(yíng)養(yǎng)鹽濃度依次分別為1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mg/L。由于海水中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度很低，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果所造成的影響可忽略不計(jì)。5個(gè)瓶中分別放人甩干的孔石莼，使海水中的生物量為4.0g/L，放于實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)，溫度為（20±2）℃，光照強(qiáng)度為3000 lx，光/暗周期為14h/10 h。根據(jù)設(shè)定時(shí)間取樣，分析孔石莼對(duì)4種不同濃度梯度營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收情況。同時(shí)設(shè)置5個(gè)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度梯度海水不添加孔石莼藻體培養(yǎng)，作為空白對(duì)照。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

銨態(tài)氮采用次溴酸鹽氧化法測(cè)定;亞硝態(tài)氮采用磺胺乙二胺分光光度法測(cè)定;硝態(tài)氮采用鎘柱還原法測(cè)定;磷酸鹽采用磷鉬藍(lán)分光光度法測(cè)定。式中：A（ N03-）為兩次測(cè)定的硝態(tài)氮吸光值平均值;Ai，（ N03-）為兩次測(cè)定的空白平均值;A（ NOl-）為兩次測(cè)定的亞硝態(tài)氮吸光值平均值;Ai，（ N02-）為兩次測(cè)定的空白平均值。

當(dāng)R小于95%時(shí)，還原柱需重新進(jìn)行活化或重新裝柱。銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、總磷在水體中的含量具體測(cè)定方法采用《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》（GB 17378.5-2007）[14]中的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行。

1.3 曲線回歸分析

吸收曲線的回歸分析采用軟件OriginPr0 8.0分析處理。

吸收速率計(jì)算公式：

v=（Cl - C2）×V/[（T2 - Ti）xM] .式中：v為吸收率，mg/（g·h）;V為海水體積，L;Cl、C2分別為T(mén)1、T2時(shí)刻的氮磷濃度，mg/L;M為生物量（鮮重），g。

2 結(jié)果與分析

2.1 孔石莼對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收與濃度的關(guān)系

2.1.1 孔石莼對(duì)銨態(tài)氮的吸收 5個(gè)濃度梯度的空白對(duì)照，銨態(tài)氮含量在試驗(yàn)周期內(nèi)無(wú)顯著性差異（P>0.05），因此由非孔石莼吸收造成的銨態(tài)氮濃度變化可以忽略不計(jì)。由圖1可以看出，孔石莼對(duì)海水中濃度為1.0 mg/L的銨態(tài)氮吸收較徹底，第6天即近完全吸收，之后保持不變。與顧宏等[9]的研究結(jié)果相似。除此之外，孔石莼對(duì)其它4個(gè)濃度的銨態(tài)氮也有較好的吸收。隨著銨態(tài)氮濃度的升高，吸收量增大，于第6天基本達(dá)到吸收平衡，之后濃度波動(dòng)不大?？资粚?duì)1.0～5.0mg/L銨態(tài)氮前6天的平均吸收率分別為：0. 009、0.016、0.021、0.027、0.036mg/（g.h）.隨著銨態(tài)氮加富濃度的提高，吸收率隨之提高。

有研究表明，孔石莼對(duì)初始濃度為1.0 mg/L的NH4+的吸收分為3個(gè)階段[9，10]。本研究中，孔石莼對(duì)5個(gè)濃度梯度銨態(tài)氮的吸收不能簡(jiǎn)單地用一級(jí)生化反應(yīng)曲線來(lái)描述其整個(gè)過(guò)程，也應(yīng)分為3個(gè)階段：第一階段快速吸收階段（Vs），此階段孔石莼處于“氮饑餓”狀態(tài)，吸收NH4+的速率最快，是充盈細(xì)胞內(nèi)營(yíng)養(yǎng)庫(kù)的階段[13];第二階段內(nèi)部控制的吸收階段（Vi），此階段吸收趨于平穩(wěn)，可能是充盈的細(xì)胞內(nèi)氮庫(kù)的反饋抑制作用[14];第三階段外部控制的吸收階段（Ve），是由介質(zhì)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度控制吸收[4]，即隨著介質(zhì)營(yíng)養(yǎng)鹽的消耗，吸收速率迅速下降而引起的，逐漸趨于零。依照Vi階段快速平穩(wěn)的特性來(lái)區(qū)分這3個(gè)階段，可看出Vs階段對(duì)于NH4+初始濃度為1.0 mg/L與2.0mg/L是0～1天，3.0 mg/L與5.0 mg/L為0～4天，4.0 mg/L為0～3天。對(duì)于Vi和Ve階段的區(qū)分是當(dāng)NH4+初始濃度為1.0 mg/L和4.0 mg/L時(shí)在第5天比較明顯，當(dāng)NH4+初始濃度為2.0mg/L和5.0 mg/L時(shí)在第6天明顯，NH4+初始濃度為3.0 mg/L未出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折。

對(duì)圖中各濃度的前兩個(gè)階段進(jìn)行分段曲線擬合，Vs階段孔石莼對(duì)銨態(tài)氮的吸收基本符合一級(jí)生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，Vi階段孔石莼對(duì)銨態(tài)氮的吸收基本呈線性關(guān)系。NH4+初始濃度為5.0mg/L時(shí)，可能由于孔石莼吸收NH4+的速率小于細(xì)胞充盈氮庫(kù)的速率，從而導(dǎo)致圖像中Vs階段中0.5～1天孔石莼對(duì)NH4+的吸收不能很好地符合一級(jí)生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程;銨態(tài)氮濃度為4.0mg/L與5.0 mg/L時(shí)Vi所包含的點(diǎn)較少。因而不對(duì)上述兩個(gè)階段進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)表1。

Vs階段中孔石莼對(duì)1.0～5.0 mg/L的培養(yǎng)液中的銨態(tài)氮，每瓶吸收量分別為0.62、0.98、1. 85、2.26、3.36 mg，其差距很明顯?？资坏獛?kù)的大小并不是固定的，其大小隨銨態(tài)氮濃度的提高而變大。Vs階段的分析結(jié)果與李秀辰等[15]論述的理論模型中自然對(duì)數(shù)e的指數(shù)方程大致相同但有些差異，主要原因可能在于光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和孔石莼生物量對(duì)孔石莼吸收銨態(tài)氮均有較明顯的影響。

2. 1.2 孔石莼對(duì)硝態(tài)氮的吸收從圖2可以看出，孔石莼對(duì)硝態(tài)氮的吸收不如銨態(tài)氮，而且隨著硝態(tài)氮濃度的升高，達(dá)到吸收穩(wěn)定的時(shí)間逐漸縮短。初始濃度為1.0～4.0 mg/L時(shí)，3天后的濃度變化不大，而在初始濃度為5.0 mg/L時(shí)，培養(yǎng)后期濃度有波動(dòng)。這可能是由于孑L石莼在高濃度硝態(tài)氮存在時(shí)的快速過(guò)量吸收，隨后組織細(xì)胞又向介質(zhì)釋放有關(guān)。Brinkhuis等[16]同樣觀察到海帶對(duì)硝態(tài)氮起始階段快速吸收隨后吸收率迅速下降的現(xiàn)象，主要原因?yàn)榻M織向介質(zhì)釋放硝態(tài)氮。

2.1.3 孔石莼對(duì)亞硝態(tài)氮的吸收 由圖3可以看出，孔石莼在l～2天內(nèi)對(duì)亞硝態(tài)氮有少量吸收，之后亞硝態(tài)氮濃度基本保持不變。三種形式的氮鹽同時(shí)存在時(shí)，孔石莼對(duì)氮鹽的吸收是有選擇性的，對(duì)亞硝態(tài)氮的親和性最低。

2.1.4 孔石莼對(duì)磷酸鹽的吸收從圖4中可以看出，在2.0、3.0、4.0、5.0 mg/L磷酸鹽吸收曲線中，其圖像大體可以分為3個(gè)階段。第一階段，第1天的吸收速率比較低;第二階段，2～3天內(nèi)吸收速率升高;第三階段，吸收速率逐漸降低而接近于零。第一階段吸收速率較第二階段低可能是因?yàn)檩^高濃度的硝態(tài)氮與磷搶占傳遞受體，抑制對(duì)磷酸鹽的吸收。在第1～2天之后硝態(tài)氮的濃度大幅下降，孔石莼對(duì)溶液中磷酸鹽的吸收速率上升。與上述4個(gè)濃度磷酸鹽吸收情況不同的是，1.0mg/L磷酸鹽第1天即出現(xiàn)快速吸收，這與體系中氮鹽含量低有關(guān)。

2.2 孔石莼對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的去除效果與濃度的關(guān)系

孔石莼對(duì)銨態(tài)氮的吸收迅速，銨態(tài)氮濃度為1.0～5.0 mg/L時(shí)吸收率分別為0.2083、0.2764、0.3806、0.5696、0.8521 mg/（g·h），隨著銨態(tài)氮濃度的升高孔石莼對(duì)銨態(tài)氮的吸收率也逐漸提高?？资粚?duì)亞硝態(tài)氮的吸收很慢，亞硝氮濃度為1.0～5.0 mg/L時(shí)吸收率分別0.00304、0. 00217、0.00243、0.00382、0.00503 mg/（g.h）.硝態(tài)氮和磷酸鹽的濃度為1.0～5.0 mg/L時(shí)，對(duì)硝態(tài)氮吸收率分別為0. 00859、0.01146、0. 01606、0.01858、0.01901 mg/（g.h）;對(duì)磷酸鹽吸收率分別為0.0375、0.0167、0.0149、0.0135、0. 0104 mg/（g·h）。

由圖5可知，孔石莼對(duì)銨態(tài)氮去除效果非常好，初始濃度為1.0～5.0 mg/L時(shí)，前6天的去除率均超過(guò)80%;對(duì)硝態(tài)氮的去除效果較好，濃度為1.0～5.0 mg/L時(shí)去除率分別為99.0%、66.0%、61.7%、53.5%、43.8%;對(duì)亞硝態(tài)氮的去除效果稍差，濃度為1.0～5.0 mg/L時(shí)去除率分別為35.0%、12.5%、9.3%、11.0%、11.6%。水樣氮鹽初始濃度越低，孔石莼對(duì)其去除效果越好，即生物量與初始營(yíng)養(yǎng)鹽濃度比越大越好。比較孔石莼對(duì)銨態(tài)氮、亞硝態(tài)氮及硝態(tài)氮的吸收情況發(fā)現(xiàn)，孔石莼對(duì)硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮去除率遠(yuǎn)低于對(duì)銨態(tài)氮的去除率。原因在于，一是孑L石莼吸收銨態(tài)氮后，可以直接將銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為可被直接利用的谷氨酸鹽[16]，而硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮必須先被轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮或低價(jià)態(tài)氨鹽才能被藻體吸收利用;二是硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，熱源主要來(lái)自室內(nèi)光源和室溫，因此在夜間硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮吸收量極少而氨態(tài)氮在夜間有一定量的吸收。本研究中在銨態(tài)氮濃度很高時(shí)，孔石莼對(duì)硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮依然有一定量吸收，這一點(diǎn)與羊棲菜和海帶相似[17]。

磷酸鹽在初始濃度為1.0～5.0 mg/L時(shí)，6天內(nèi)孔石莼對(duì)其去除率分別為83.0%、65.5%、46.3%、47.5%、24.0%?？资粚?duì)磷酸鹽的總體吸收情況是：初始濃度較低時(shí)，吸收效果最好，隨著初始濃度的升高，達(dá)到吸收穩(wěn)定的時(shí)間越來(lái)越短，吸收效果也越來(lái)越差。產(chǎn)生以上情況的原因，其一在于孔石莼對(duì)磷酸鹽的吸收隨著氮濃度的升高而變得不明顯，即磷的吸收與氮的吸收有相互作用;其次在于初始磷酸鹽濃度較低時(shí)，銨態(tài)氮的初始濃度也很低，銨態(tài)氮吸收很快，氮相對(duì)殘留少，磷的吸收效果好，隨著濃度升高，氮的濃度升高，殘留氮（主要是硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮）相對(duì)逐漸升高;其三在于磷的吸收是主動(dòng)吸收，因此孔石莼對(duì)磷酸鹽的吸收還與溫度及細(xì)胞內(nèi)磷酸鹽濃度有關(guān);最后，在試驗(yàn)中孔石莼的生物量是固定的，影響了其吸收效果。

2.3 N/P吸收比值與濃度的關(guān)系

孔石莼對(duì)總?cè)芙鉄o(wú)機(jī)氮（ NH4+ -N、N03- -N、NO2- -N）與溶解無(wú)機(jī)磷（PO43-P）的吸收比值在6天的培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)變化幅度為4.3～23.0（圖6）。盡管各濃度梯度的初始海水中N/P值都是6.0，但是孔石莼在不同濃度下，對(duì)N/P的吸收比值是不同的。孔石莼對(duì)N/P的吸收比值隨著無(wú)機(jī)氮和無(wú)機(jī)磷濃度的增加而增加。濃度為5.0mg/L時(shí)培養(yǎng)第1天吸收比值最高，達(dá)23.0。濃度為1.0 mg/L時(shí)，6天的培養(yǎng)期間內(nèi)，N/P吸收比值變化不顯著（P>0.05），平均值為5.1。低N/P吸收比值說(shuō)明本試驗(yàn)中低營(yíng)養(yǎng)鹽海水處于N限制?？资辉诟叩诐舛认碌腘/P吸收比值高于低氮磷濃度，表明孔石莼對(duì)氮、磷的吸收比值是隨著環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的變化而變化的。Liu等[18]曾發(fā)現(xiàn)三種大型海藻剛毛藻（Cladophorasp.）、克里藻（Klebsormidium sp.）和假魚(yú)腥藻（Pseudanabaena sp.）吸收N/P比值隨著初始氮、磷濃度的不同而變化?？资辉诘谝惶鞂?duì)氮尤其是銨態(tài)氮的吸收對(duì)于提高N/P吸收比值有重要影響。Pedersen發(fā)現(xiàn)野生大型海藻石莼（Ulva lac-tuca）在放入高濃度銨態(tài)氮海水中的初始15 min內(nèi)，對(duì)銨態(tài)氮的吸收比需求的N高出20倍[18]。培養(yǎng)1天后，高濃度營(yíng)養(yǎng)鹽海水中N/P的吸收比值迅速降低，這主要是因?yàn)楹Ｋ袖@態(tài)氮濃度經(jīng)過(guò)1天的吸收已迅速降低，孔石莼對(duì)氮的吸收減慢，對(duì)磷的吸收加快（圖1～圖4）。

3 討論與結(jié)論

孔石莼對(duì)銨態(tài)氮的去除效果很好，吸收主要階段是快速吸收階段（Vs），這階段銨態(tài)氮的吸收符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，隨后的第二階段符合直線方程?？资坏獛?kù)的大小并不是恒定的，其大小隨外界銨態(tài)氮濃度增大而變大?？资粚?duì)亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮的吸收效果遠(yuǎn)不如銨態(tài)氮，而且隨著硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮濃度的升高，達(dá)到吸收穩(wěn)定的時(shí)間逐漸縮短。當(dāng)銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮同時(shí)存在且含量相當(dāng)時(shí)，孔石莼優(yōu)先吸收銨態(tài)氮?？资粚?duì)磷酸鹽吸收效果總體來(lái)說(shuō)較明顯。但孔石莼對(duì)磷酸鹽的吸收隨著氮濃度的升高而降低。孔石莼對(duì)N/P的吸收比值是可變的，隨著水環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度變化而變化。本試驗(yàn)表明孔石莼對(duì)水體中營(yíng)養(yǎng)鹽特別是銨態(tài)氮有快速和高效的去除作用，理論上可以應(yīng)用于循環(huán)養(yǎng)殖廢水處理系統(tǒng)。

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