首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 工程综合论文 > 环境科学论文 > 氮素对丹江口水库典型硅藻生长和光合特性的影响

氮素对丹江口水库典型硅藻生长和光合特性的影响

2024-10-22 9 上传者：管理员

摘要：以丹江口水库典型优势硅藻脆杆藻(Fragilaria sp.)、肘状针杆藻(Synedra ulna)和梅尼小环藻(Cyclotella meneghiniana)为研究对象，分别以硝酸钠(硝氮)、氯化铵(氨氮)为氮源，通过实验考察不同氮素条件下3种硅藻的生长特性和叶绿素荧光参数。结果表明，氮素可通过改变硅藻的光合作用效率影响其生长与繁殖，相比氨氮，硝氮作为氮源更能满足3种硅藻的生长需求。当硝氮为10 mg/L时，3种硅藻生长良好，藻细胞密度分别达到最大值136.13×10～4 cells/mL、82.88×10～4 cells/mL和159.40×10～4 cells/mL。通过测定叶绿素荧光参数，可监控丹江口水库水质富营养化情况。

关键词：
丹江口水库
光合特性
氮素
硅藻
荧光参数
加入收藏

浮游植物是整个水生食物链的基础[1],其中硅藻对栖息生境变化响应迅速，是环境营养状况的直接反应者和水质监测的指示物种[2-3]。不同类型硅藻具有不同的环境耐受性和偏好性，其营养响应研究能够为传统的水环境监测内容提供必要的补充。对于硅藻而言，氮素是其细胞内蛋白质等物质合成的基础，很大程度上决定了硅藻的生理状态[4],不同氮素浓度和氮源会对硅藻的代谢及群落结构特征产生重要影响[5-6]。

丹江口水库是南水北调的重要水源地，其水质的好坏决定了调水工程的成败[7]。近年来水库水质的监测结果显示，虽然总体水质较好，但总氮问题较为突出[8]。总氮参与评价时，水质为Ⅲ或Ⅳ类，其潜在的富营养化风险不容忽视[9]。有研究表明，丹江口水库浮游植物群落结构中，硅藻是优势类群，在稳定水库生态系统功能中发挥着重要作用[10-11]。今以3种典型丹江口水库优势硅藻为实验材料，研究其在不同氮素营养环境下生长情况和光合特性，在水中总氮问题突出的背景下，考察水库典型硅藻对水体氮素的响应，以期为丹江口水库氮素的监测与水华的防治提供支撑。

1、材料与方法

1.1 实验材料

脆杆藻分离自丹江口水库，肘状针杆藻(编号为FACHB-2826)和梅尼小环藻(编号为FACHB-2856),中国科学院淡水藻种库。藻类选用D1培养基培养，培养温度为23 ℃,培养光照强度为4 000 lx, 光暗比为12 h∶12 h。

1.2 实验设计

藻类静置培养，每天轻摇1次～ 3次，扩大培养至藻类进入对数生长期开始实验。参照丹江口水库近年来总氮质量浓度及《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅱ类水水质标准(0.5 mg/L)、Ⅳ类水水质标准(1.5 mg/L),以硝酸钠和氯化铵为氮源，设置低(0.5 mg/L)、中(1.5 mg/L)、高(10 mg/L)3种氮素处理组。取对数生长期的藻种，经5 000 r/min离心10 min, 收集藻细胞，置于D1培养基中饥饿培养3 d。在250 mL的三角瓶中加入200 mL不同氮素的培养基，将饥饿培养后的藻细胞进行接种，初始接种藻密度为16×104cells/mL,每组设置3个平行。接种后置于培养温度为23 ℃、培养光照强度为4 000 lx、光暗比为12 h∶12 h的培养箱内一次性培养，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2 d, 同一时间测定藻细胞密度和叶绿素的荧光参数。

1.3 测定与数据处理

藻细胞密度的测定：取少量混合均匀的藻液，在光学显微镜下用血细胞计数板计数两次。若两次计数相差超过20%,则进行第3次计数。取藻细胞密度平均值，比生长速率按μ=(lnX2-lnX1)/(T2-T1)计算，式中：X1为培养初始的藻细胞密度，cells/mL;X2为培养第T天时藻细胞密度，cells/mL;T2-T1为相邻两次测量间隔时间，d。叶绿素荧光参数的测定：向比色皿中加入20 μL藻液和3 mL蒸馏水混匀，暗适应5 min后采用DUAL-PAM-100型双通道叶绿素荧光仪测定。

使用Origin和Excel软件对实验获得的数据作图，绘制测定荧光诱导曲线及快速光曲线，得到最大光化学量子产量(Fv/Fm)、初始斜率(α)、最大电子传递速率(ETRmax)值和半饱和光强(IK),其中快速光曲线拟合采用Eilers-peeters模型。取生长期的3个阶段，即延滞期(第3天)、对数期(第9天)和稳定期(第15天)的荧光参数平均值比对分析。显著性分析采用SPSS软件的单因素方差分析和多重比较，当P< 0.05时表示差异显著。

2、结果与讨论

2.1 氮素对3种硅藻生长特性的影响

不同硝氮质量浓度下脆杆藻、肘状针杆藻、梅尼小环藻3种硅藻细胞密度随培养时间的变化情况分别见图1(a)(b)(c),不同氨氮质量浓度下脆杆藻、肘状针杆藻、梅尼小环藻3种硅藻细胞密度随培养时间的变化分别见图2(a)(b)(c)。

由图1、图2可见，除对照组外，不同氮素条件下3种硅藻细胞密度先随培养时间的增加而增大，在培养中后期，细胞密度趋于稳定。可能是随着培养时间延长培养基中氮素被逐渐消耗，而氮素缺乏则影响硅藻细胞蛋白质的合成能力，从而影响硅藻繁殖的速度[12]。

图1不同硝氮质量浓度下3种硅藻细胞密度随培养时间的变化

图2不同氨氮质量浓度下3种硅藻细胞密度随培养时间的变化

由图1可见，硝氮条件下，藻细胞密度随氮素质量浓度的增大而增大。由图2可见，氨氮条件下，高浓度组3种硅藻细胞密度在培养前中期低于中质量浓度组，第17天至结束，高浓度组又显著高于其他组(P< 0.05)。表明在 0 mg/L ～ 10 mg/L范围内，氮素质量浓度的增大有利于实验硅藻的生长。10 mg/L的氨氮在培养前中期有抑制作用，原因可能是氨氮质量浓度过高会在藻细胞体内产生有毒气体[13],且会抑制藻细胞谷氨酰胺合成酶的活性，从而影响藻细胞合成蛋白质，抑制藻细胞生长[14]。培养后期随着培养基中氨氮的消耗，高质量浓度组藻细胞密度又高于其他组，表明各藻逐渐适应。

从硅藻细胞密度来看，不同硝氮条件下，梅尼小环藻最大藻细胞密度均高于其他两种藻类，在高硝氮条件下能够达到159.40×104cells/mL,较脆杆藻和肘状针杆藻分别高14.60%和48.00%。同样在高氨氮条件下，梅尼小环藻最大细胞密度分别较脆杆藻和肘状针杆藻高44.84%和42.37%。表明梅尼小环藻的生长情况最优，其适应能力和繁殖能力均强于其他两种藻类。除此之外，高硝氮条件下梅尼小环藻细胞密度较氨氮培养组高，推断原因可能为该条件下梅尼小环藻细胞的硝酸还原酶活性更强，梅尼小环藻可作为富硝氮营养水体指示物种[15]。

从比生长速率来看，硝氮条件下，平均比生长速率随氮浓度的增加而增大，高浓度组3种硅藻平均比生长速率均最高，较低浓度组高35.52%、19.87%和27.19%。氨氮条件下，脆杆藻和梅尼小环藻比生长速率随着氨氮浓度的增加呈现先升后降的趋势，中浓度组比生长速率最高。以上结果表明，在0 mg/L ～ 10 mg/L范围内，提高氮素浓度可加快3种硅藻细胞增殖的速度，10 mg/L的氨氮抑制了脆杆藻和梅尼小环藻的细胞增殖速度。对比各藻对数期平均比生长率，低、中和高浓度硝氮条件下，脆杆藻平均比生长率较氨氮组分别高26.99%、10.24%和21.78%,最大藻细胞密度较氨氮组分别高26.93%、29.01%和53.92%;肘状针杆藻硝氮组平均比生长率较氨氮组分别高28.98%、10.49%和9.42%,最大藻细胞密度较氨氮组分别高10.25%、10.54%和17.77%;梅尼小环藻硝氮组平均比生长率较氨氮组分别高53.92%、17.74%和30.38%,最大藻细胞密度较氨氮组分别高21.74%、9.39%和30.39%。有研究表明，硅藻对硝氮的利用偏好性更强[16],硅藻拥有较强吸收并储存硝氮的能力，且细胞内的硝酸还原酶活性更强，可以提高同化硝酸盐的效率[17]。由此可知，硝氮较氨氮更能促进3种硅藻的生长。

2.2 氮素对3种硅藻光合特性的影响

不同质量浓度硝氮和氨氮对Fv/Fm、α、ETRmax、IK影响结果分别见表1和表2。由表1可知，各参数随硝氮质量浓度的增大而增大，接种后第3天各藻类Fv/Fm迅速增加至0.6左右。由表2可知，氨氮条件下，3种硅藻高浓度组Fv/Fm、α、ETRmax在延滞期和对数期显著低于中浓度组(P< 0.05),稳定期各藻高浓度组又显著高于其他组(P< 0.05),表明增大氮素质量浓度可提高实验硅藻的荧光参数值。这可能是由于增大氮素浓度可减少PS Ⅱ中处于还原态的原初电子受体(QA-)的还原量，促进QA到QB(PS Ⅱ中处于氧化态的电子受体)的电子传递，减少了QA-的积累量，有效增强了PS Ⅱ反应中心的活性，从而提高了微藻对光能的吸收能力[18]。高浓度氨氮会对PS Ⅱ反应中心造成一定的损伤，导致其失活，从而降低光能转换效率，而PS Ⅱ反应中心又具有一定的修复能力[19],故延滞期和对数期3种硅藻高浓度组荧光参数低于中浓度组，稳定期又高于其他组。

表1硝氮对3种硅藻荧光参数的影响

表2氨氮对3种硅藻荧光参数的影响

为明确不同氮源对实验硅藻的影响，荧光参数最大值被用来比对分析。低质量浓度条件下，硝氮组3种硅藻Fv/Fm、α、ETRmax均高于氨氮组，硝氮组各藻Fv/Fm较氨氮组分别提高了8.02%、3.63%和18.41%。高浓度条件下，硝氮组3种硅藻Fv/Fm数值较氨氮组分别提高了18.21%、13.34%和18.54%。结果表明，硝氮作为氮源更能提高各藻光合作用的能力，说明硝氮较氨氮更能增强PS Ⅱ反应中心的开放程度，更能提高实验硅藻光合作用的能力。

3、结语

以丹江口水库3种典型优势硅藻为研究对象，研究其响应氮素的生长特性和叶绿素荧光参数的变化。结果表明，水体氮素的改变可显著影响硅藻的光能吸收能力和PS Ⅱ反应中心活性，从而影响硅藻的生长状况，3种硅藻PS Ⅱ中心可对水体氮素的改变迅速做出反应，叶绿素荧光参数可有效检测浮游植物在水体不同营养状况下光能的分配和响应能力，可反映水体营养状况的动态变化。因此，密切关注丹江口水库典型硅藻叶绿素荧光参数可以为水库水体氮营养状况及水环境质量监测提供数据，未来可通过监测分析典型代表藻种响应氮素的生长特性和光合效率的变化，从多方面为水库环境的监测和治理提供理论依据。本研究仅考察了丹江口水库3种典型硅藻在无机氮源条件下的生长、生理特性，下一步研究将探讨有机氮源对其生长、生理特性的影响，有助于全面了解自然条件下水库水体氮素对浮游植物生长及光合作用的影响，为水库水环境保护和水华防治提供理论支撑。

参考文献:

[2]景明,陈瑜,高昕,等.太湖金墅港区域冬春季硅藻群落变化及其影响因素分析[J].环境监测管理与技术,2021,33(4):61-64.

[3]张琦,陈宇琛,林育青,等.澜沧江梯级水库浮游植物群落结构特征及其关键驱动因子[J].湖泊科学,2023,35(2):530-539.

[4]李强,张芹,南红岩.典型硅藻生长相关因素的灰色关联度研究与模型[J].环境监测管理与技术,2017,29(4):19-22.

[5]蒋鑫艳,李畅游,史小红,等.乌梁素海叶绿素a的时空分布及其与环境因子的关系[J].生态环境学报,2019,28(5):964-973.

[6]郑传坤,刘晓真,李卫国,等.不同氮素对冠盘藻生长和光合荧光特性的影响[J].水生态学杂志,2023,44(1):131-138.

[9]赵康平,杨文杰,沙健,等.丹江口水库水体营养状态空间特征分析[J].环境科学与技术,2020,43(3):51-58.

[10]王英华,陈雷,牛远,等.丹江口水库浮游植物时空变化特征[J].湖泊科学,2016,28(5):1057-1065.

[11]贺玉晓,郑永坤,李卫国,等.丹江口水库早春真核浮游植物群落结构特征及其与环境因子的关系[J].环境科学学报,2021,41(6):2192-2200.

[12]张芹,李强,南红岩.多因素综合作用对铜绿微囊藻生长的影响[J].环境监测管理与技术,2017,29(5):51-55.

[13]孟鸽,黄罗冬,高保燕,等.氮源类型和水平对3株球状绿藻生长､油脂和花生四烯酸积累的影响[J].微生物学通报,2018,45(12):2624-2638.

[14]蒋汉明,高坤山.氮源及其浓度对三角褐指藻生长和脂肪酸组成的影响[J].水生生物学报,2004,28(5):545-551.