不同NO3--N_NH4%2B-N配比对丹江口水库脆杆藻生长和叶绿素荧光的影响.pdf

2023 年 第 16 期 广 东 化 工 第 50 卷 总第 498 期 19 不同不同 NO3-N/NH4+-N 配比对配比对 丹江口水库脆杆藻生长和叶绿素荧光的影响丹江口水库脆杆藻生长和叶绿素荧光的影响 刘晓真，李园园，马甜莹(河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作 454003)摘 要通过模拟丹江口水库总氮浓度 1.5 mg/L，以硝酸钠和氯化铵作为氮源，研究了硝铵配比为 0100、2575、5050、7525、1000 条件下脆杆藻细胞密度和叶绿素荧光参数的变化。结果表明：随着硝氮比例的增加，脆杆藻的藻细胞密度呈逐渐增高的趋势，且 1000 组的比生长速率(0.174)明显大于其他各组(p0.05)。Fv/Fm、ETRmax值均表现出高比例硝氮组大于低比例硝氮组，与其生长趋势较为一致。研究表明，在 1.5 mg/L 总氮浓度下提高硝氮比例可促进脆杆藻的生长以及提高其对光能利用效率。关键词脆杆藻；NO3-N/NH4+-N；生长特性；叶绿素荧光 中图分类号X172 文献标识码A 文章编号1007-1865(2023)16-0019-03 Effects of Different NO3-N/NH4+-N on the Growth and Chlorophyll Fluorescence of Fragilaria sp.in Danjiangkou Reservoir Liu Xiaozhen,Li Yuanyuan,Ma Tianying(Institute of Resources and Environment,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China)Abstract:The effects of different NO3-N/NH4+-N(0100,2575,5050,7525,1000)on the cell density and chlorophyll fluorescence parameters of Fragilaria tenuistipitata were studied by simulating the total nitrogen concentration of 1.5 mg/L in Danjiangkou Reservoir with sodium nitrate and ammonium chloride as nitrogen sources.The results showed that with the increase of nitrate nitrogen ratio,the algal cell density of brittle rod algae increased gradually,and the specific growth rate of 1000 group(0.174)was significantly higher than that of other groups(p0.05).Fv/Fm,and ETRmax values showed that the high proportion of nitrate nitrogen group was greater than the low proportion of nitrate nitrogen group,which was consistent with its growth trend.Studies have shown that increasing the ratio of nitrate to nitrogen at 1.5 mg/L total nitrogen concentration can promote the growth of brittle rod algae and improve its light energy utilization efficiency.Keywords:Fragilaria sp.；NO3-N/NH4+-N；growth；chlorophyll fluorescence parameters 浮游植物作为水体中主要的初级生产者，是水生态系统中最重要的组成部分，对保持水域生态系统平衡、物质循环与能量流动具有十分重要的作用1-3。氮素作为水环境中最主要的营养元素之一，对整个水生态系统的平衡和稳定具有重要的作用，是评价水环境健康的重要因素4。硝氮和氨氮是存在于淡水生态系统中两种主要可溶性无机氮素形态，其组成与比例对浮游植物及生态系统生产力均具有很大影响5。丹江口水库是南水北调中线工程水源地，其水质关系到库区居民和沿线几亿人民的生产、生活及生态用水安全，是保障南水北调工程顺利运行的重中之重6-8。长期以来，丹江口水库的水质安全及水环境健康受到环境生态学研究领域的广泛关注。近年来，随着丹江口水库蓄水位升高，水文情势变化，水库水体的营养盐容易积累，以总氮作为评价指标时，丹江口水库水质呈 IV 类水质，潜在的富营养化风险不容忽视9。贺玉晓等10对丹江口水库七个采样点硝氮、氨氮进行测定发现各点 NO3-N/NH4+-N 均有所不同，其中属黑鸡嘴和宋岗最高，库心最低。因此，研究浮游植物响应不同 NO3-N/NH4+-N 的生长生理变化对丹江口水库水环境质量的监测具有十分重要的意义。脆杆藻(Fragilaria sp.)作为常见的硅藻种类，生长于池塘、沟渠、湖泊、缓流的河流中，被认为是广泛分布的硅藻水华种之一11-13。近年来，有许多学者对丹江口水库浮游植物群落结构进行了调查研究，显示脆杆藻为丹江口水库硅藻优势种14。目前，关于丹江口水库脆杆藻的相关研究报道都集中在浮游植物群落组成方面，作为丹江口水库硅藻优势种，对于其响应不同 氮 素 的 相 关 研 究 未 见 报 道。本 研 究 通 过 研 究 不 同NO3-N/NH4+-N 配比对脆杆藻生长及叶绿素荧光的影响，以期为丹江口水库硅藻水华的防治提供一定的参考。1 材料与方法材料与方法 1.1 样品采集 样本于 2021 年 10 月采集自丹江口水库淅川库区宋岗。1.2 实验设置 培养温度 23，培养光照 3780 lux，光暗比 12 h12 h，初始接种藻密度为 16104 cells/mL，接种于硝铵比为 0100、2575、5050、7525、1000 的培养基中，每组 3 个平行，试验周期为 21 d，期间每天定时摇晃 3 次，防止藻细胞贴壁生长。以接种第 1 天为第 1 次，试验周期内每隔两天，同一时间测定藻细胞密度和叶绿素荧光参数。1.3 藻细胞密度的测定 取对数生长期的藻液，将藻种用纯水稀释成一个标系，用紫外分光光度计在 663 nm 的波长下测量其吸光度，同时在显微镜下用血球计数板计数，建立藻细胞密度与吸光度之间的标准方程。1.4 叶绿素荧光参数的测定 使用双通道叶绿素荧光仪(DUAL-PAM-100，德国)测定。1.5 数据的统计分析 数据采用 Excel 2006 和 SPSS 23 进行整理和统计分析，p0.05 表示差异显著，使用 Origin 8 作图。2 结果分析结果分析 2.1 不同 NO3-N/NH4+-N 配比对脆杆藻生长的影响 在不同的硝氮、氨氮比例条件下，各组脆杆藻藻密度有所不同(图 1)。如图所示，随着培养时间的增加，各比例组呈现出先快速增长后趋于平稳的状态，各比例组均在第 5 天进入指数生长期。总体上，随着硝氮比例的增加，藻密度依次增大。收稿日期 2023-02-22 作者简介 刘晓真(1996-)，女，河南洛阳人，硕士，主要研究方向为环境修复与生态重建。广 东 化 工 2023 年 第 16 期 20 第 50 卷 总第 498 期 图图 1 不同硝氮、氨氮比例对脆杆藻细胞密度的影响不同硝氮、氨氮比例对脆杆藻细胞密度的影响 Fig.1 Effects of different ratios of nitrate and ammonia nitrogen on cell density of Fragilaria sp.2.2 不同NO3-N/NH4+-N配比对脆杆藻叶绿素荧光参数的影响 最大光化学量子产量(Fv/Fm)是光系统(PS)的最大光化学量子产量。不同硝氮、氨氮比例条件下，脆杆藻的Fv/Fm如图2(A)所示，7525、1000总体呈现先升高后趋于平稳的趋势，0100组在第13天迅速升高，在第35天呈下降趋势。在培养第5天，0100、2575、5050、7525、1000的Fv/Fm分别为0.410、0.607、0.662、0.692、0.719，其中1000组分别高出0100、2575、5050、7525组43.0%、15.6%、7.9%、3.8%。是快速光曲线的初始斜率，能够反映藻细胞对光能的利用效率。如图 2(B)所示，不同硝氮、氨氮比例下，脆杆藻 值总体呈先增高后降低的趋势。第 13 天，值迅速升高，第515 天，除 0100 组外，各组呈轻微波动。培养第 5 天，0100、2575、5050、7525、1000 各组的 值分别为 0.128、0.171、0.217、0.216、0.207，2575、5050、7525、1000 四组与 0100 组之间差异显著(p0.05)。最大电子传递速率(ETRmax)反映藻细胞单位时间内光合电子传递链中电子传递的速度。如图 2(C)所示，实验过程中第 13 天，各组均呈现升高趋势，第 311 天，各组依次下降。培养第 5 天，0100、2575、5050、7525、1000 组的 ETRmax分别为 24.2、37.5、48.6、55.9、55.5，1000 和 7525组明显高于其他三组(p0.05)。Ik为半饱和光强，反映藻类对强光的耐受程度。如图 2(D)所示，培养第 13 天，Ik值迅速下降；第 317 天，Ik值总体平稳，有轻微波动。在培养第 5 天，0100 显著低于 7525和 1000(p0.05)。图图 2 不同硝氮、氨氮比例对脆杆藻叶绿素荧光参数的影响不同硝氮、氨氮比例对脆杆藻叶绿素荧光参数的影响 Fig.2 Effects of different ratios of nitrate and ammonia nitrogen on chlorophyll fluorescence parameters of Fragilaria sp.3 讨论讨论 3.1 不同 NO3-N/NH4+-N 配比对脆杆藻生长的影响 氮素是维持藻类生长的重要营养元素之一。有研究表明，当水体氮素主要以硝态氮形式存在时，硅藻具有更高的生长能力，其对硝氮有一定的吸收利用偏好性15。本研究中，随着培养基中硝氮比例的增加，脆杆藻细胞密度逐渐增大。全硝氮条件下的脆杆藻最大细胞密度最高，为 86104 cells/mL，说明增加硝态氮的比例更有利脆杆藻细胞的增殖分化，脆杆藻对硝氮具有利用偏好性。李斌等研究发现，在以硝酸钠为氮源时，微藻的生长情况最好，硝酸还原酶活性最大16。这些都可能是在硝氮比例较高的条件下脆杆藻生长较快的原因。从能量利用的角度来说氨氮是硅藻优先利用的氮源，韩非尔等17通过15N 稳定同位素添加实验得出微藻对氨氮具有更高的吸收速率。但在高浓度氨氮条件下，包括舟形藻、菱形藻在内的大部分硅藻的生长均显著受到抑制。在本研究中，0100、2575组的藻细胞密度最大值显著低于其他三组(p0.05)，也表现出了与之相似的结果。宋玉芝等研究表明硅藻在较高氨氮浓度条件下相对丰度更低18。随着藻细胞对氨氮的摄取，氨同化产生大量质子降低 pH，导致细胞酸化，会对藻细胞产生毒害作用，抑制细胞生长。pH 的变化，导致细胞需要转移一部分能量用于调节适应环境，这可能也是高氨氮比例条件下的藻细胞密度显著低于其他组的原因之一19。总的来说，脆杆藻对两种氮素均能够有效利用，其中对硝氮具有一定的利用偏好性。同时脆杆藻对于氮素的响应特征在一定程度上能够反映水体氮素的营养状况，对水环境的健康起到一定的指示作用。3.2 不同NO3-N/NH4+-N配比对脆杆藻叶绿素荧光参数的影响 叶绿素荧光参数是衡量浮游植物响应环境变化光能利用效率的重要指标，能够客观地反映其本身的光合特性及其对环境变化的适应能力。本研究发现，不同硝氮和氨氮比例培养条件下，脆杆藻 Fv/Fm、ETRmax等叶绿素荧光参数均存在较大差异，表明不同形态氮素对脆杆藻光能的吸收、传递、耗散和分配具有显著影响。2023 年 第 16 期 广 东 化 工 第 50 卷 总第 498 期 21 作为藻类叶绿素荧光重要参数之一，Fv/Fm反映了其进行光合作用的最大潜力。在营养充足的条件下，大多数藻类的Fv/Fm大约为 0.65，而在胁迫条件该数值会显著降低。本研究中，脆杆藻在培养第 5 天时，2575、5050、7525、1000四个处理组 Fv/Fm均在 0.6070.719 之间，而 0100 组的 Fv/Fm低至 0.410，表明高比例的氨氮对光化学效率产生了抑制。氨氮虽然是藻类优先利用的氮源，但是较高浓度氨氮对 PSII 反应中心会造成一定的损伤，导致其失活，从而降低光能转换效率，也有研究表明，PSII 反映中心有一定的修复能力20。随着培养时间的延长，0100 组的 Fv/Fm逐渐恢复到 0.6 左右的水平，说明 PS反应中心也得到了一定恢复，然而修复过程会增加微藻的能量负担，可能是较高比例氨氮不利于脆杆藻生长的原因之一。ETRmax是最大电子传递速率，反映了藻细胞单位时间内光合电子传递链中电子传递的速度21。本研究中，硝酸钠比例较高的 1000、7525 组的 ETRmax均高于其他三组，表明硝氮条件下脆杆藻有着较高的电子传递速率，其可能通过加快光能的转化，为硝氮的利用提供能量。叶绿素荧光技术是一种利用生物体内叶绿素荧光研究和探测光合生理状况以及外界环境对其细微影响的活体测定技术，不但可以反映生物对光能的利用效率，同时也可以反映其响应环境变化的光合动态特征。本研究通过分析不同氮素形态对丹江口水库脆杆藻的生长和光合特性的影响，发现不同NO3-N/NH4+-N 条件对脆杆藻的生长及叶绿素荧光参数的影响存在较大差异。通过叶绿素荧光技术测定浮游植物叶绿素荧光参数，可有效检测出浮游植物在水体不同营养状况下光能的分配和响应能力，在很大程度上可反映出水体营养状况的动态变化。因此，密切关注丹江口水库脆杆藻的藻细胞密度及叶绿素荧光参数可以为丹江口水库水体硝氮、氨氮的动态分布情况及水环境质量监测提供一定的参考。值得注意的是，硝氮比例的提高，脆杆藻有着较高的光合速率以及生长潜力。由此推测，水体短时间输入大量硝氮可能引发脆杆藻水华现象。从脆杆藻水华防治的角度来说，预防硝氮的输入是目前丹江口水环境管理工作之一。4 结论结论(1)在低浓度下，随着硝氮比例的增加，脆杆藻藻细胞密度及比生长速率均有逐渐增大的趋势，表明脆杆藻对硝氮更具有偏好性。(2)硝氮比例的增加更利于脆杆藻的光化学反应，促进其生长，而较高比例的氨氮对脆杆藻叶绿素荧光有抑制作用。参考文献参考文献 1朱为菊，庞婉婷，尤庆敏，等淮河流域春季浮游植物群落结构特征及其水质评价J湖泊科学，2017，29(3)：637-645 2申恒伦，徐耀阳，王岚，等丹江口水库浮游植物时空动态及影响因素J植物科学学报，2011，29(06)：683-690 3周广杰，况琪军，胡征宇，等香溪河库湾浮游藻类种类演替及水华发生趋势分析J水生生物学报，2006(01)：42-46 4石峰，魏晓雪，冯剑丰，等不同无机氮条件下一种硅藻的氮吸收动力学及模型预测分析J农业环境科学学报，2018，37(09)：1833-1841 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