四因素对淡水微藻的抑制效应

陈娟 黄敏 王洋

(哈尔滨师范大学 生命科学与技术学院生态系，黑龙江 哈尔滨 150025)

四因素对淡水微藻的抑制效应

陈娟 黄敏 王洋*

(哈尔滨师范大学 生命科学与技术学院生态系，黑龙江 哈尔滨 150025)

探讨水上培养绿色植物、水体pH值、活性炭及六价铬的添加对淡水微藻的抑制效应。结果表明，绿植可有效抑制绿藻的生长，效果不低于金属铬对绿藻的抑制；活性炭的添加对藻类的抑制并未显示出优势；水体呈酸性也会抑制微藻的生长，但这些藻类会改变水体偏向碱性。结论：较低的pH值(6)和绿植的添加(绿萝和水葫芦)以及适当铬(5mg·L-1)的存在可有效抑制藻类的增殖。

微藻；抑制作用；绿植；活性炭；六价铬

由于工业废水和生活污水的不合理排放所引起的水体富营养化已在全球引起重视，一些城市水体产生水华和赤潮，特别是一些有毒的微藻大量繁殖，这极大地影响了水环境的生态平衡。水体中藻类的生物量已经成为景观水体评价的重要指标[1]，人为抑制这些藻类的生长是治理水体富营养的重要环节，绿色植物(绿植)可有效吸收水体中的N和P元素，从而达到抑制藻类的效果[2]。利用植物修复是生态修复的重要手段，由于成本低廉、效果显著和操作方便更易被人们接受，但是北方生长季节相对较短，对植物修复水环境的时效性将提出更快更高的要求。本研究利用水葫芦和水培绿萝作为绿植培养来抑制淡水微藻，同时探讨了重铬酸钾和活性炭以及水体pH值三因素对淡水微藻的抑制效应，以期找到适合于北方的高效、快速治理淡水水体富营养的方法。

1 材料与方法

样品水取自某人工镜面湖湖水，水体呈绿色偏碱性，水中无可见动植物生长，无臭味，光学显微镜下可见大量单细胞微藻和原生动物存在。用Hydrolab DS5X水质监测仪于2016年5月26日测定水体参数为pH 9.82，Tem(温度) 21.41℃，DO(溶解氧)6.72，SPC(电导率)234.9，ORP(氧化还原电位)387，Tur(浊度)4.0，CHL(叶绿素)39.98。

实验采用500ml烧杯作为水培容器，每烧杯内装约400ml样品水进行室内培养，通光通气性良好，培养5d后移除植物后添加蒸馏水至400ml，再添加蒸馏水稀释一倍进行水质检测及溶液光密度检测，考察绿植、水体酸碱度、活性炭和K2Cr2O7的添加四个因素对水中藻类的抑制情况，同时考察其对水质的影响。实验设计如表1，为四因素三水平正交实验，实验共9个处理并设置对照，每处理重复三次。绿植因素的三个水平分别是：绿萝和水葫芦及无绿植。绿植的选用标准为植株健壮、根须健康、无机械损伤和病虫害并且水培已生根。活性炭选用约4mm直径的颗粒，设置0g、2g和4g三个水平。水体pH值设置6、7和9.8三个水平，代表酸性、中性和碱性。K2Cr2O7浓度设置0、5、10 mg·L-1三个水平。实验数据均采用SPSS 22.0统计软件进行数据差异性检验(采用方差分析、交互作用分析、回归分析)、差异性水平设置为α=0.5。

表1 实验设计

1.1 水体光密度测定

采用L5S紫外可见光光度计测定水体OD值，分别测定了OD560、OD650和OD680下水体的光密度变化。水的光密度值可以表示水中藻类的生物量，吸光值与藻类的生物量成正相关，吸光值越大代表水中生物量越大。不同的藻类的吸收峰值不同，OD680代表小球藻[3]，OD560代表螺旋藻[4]，OD650代表其他藻类[4]。数据变化用以衡量水体藻类的生物量变化。

1.2 叶绿素及其他水体水质指标检测

叶绿素含量是水体中生物量多少的重要指标[1]，本研究采用Hydrolab DS5X水质监测仪测定了叶绿素和溶解氧等水体指标，利用叶绿素含量的测定值衡量水体中藻类的含量变化。

2 结果与讨论

2.1 水体光密度变化

OD560读数可用来衡量螺旋藻的生物量，水体在560nm波长下的吸光度变化如图1所示。编号0代表对照(CK)，正交实验的9个处理结果差异显著，其中只有组合5的OD560的数值小于CK，说明只有实验5组合中的微藻得到了抑制，实验组合为pH7+水葫芦+活性炭(4g)+Cr(0mg·L-1)。

其他实验组合的OD560值均大于CK，说明绿植、水体pH值和活性炭及6价铬四因素的三个水平并不能抑制水体螺旋藻的增殖；实验组合7的OD560值最大，实验条件为pH9.8+无绿植+活性炭4+Cr5，说明此条件有效促进了螺旋藻的生长。对数据进行SPSS方差分析后可知，各影响因素的主次顺序为植物>Cr>pH>活性炭。

OD680读数可代表小球藻生物量，水体在680nm波长下的吸光度变化如图2所示。正交实验的9个实验组合处理结果差异显著，仅组合2和组合5的OD680值比对照小，说明2(pH6+水葫芦+活性炭2+Cr5)和5(pH7+水葫芦+活性炭4+Cr0)的组合处理对小球藻的增殖起到抑制作用，而组合5的抑制效果最明显。对数据进行SPSS方差分析后可知，影响藻类生物量的因素主次顺序为植物>pH>Cr>活性炭。

OD650代表非螺旋藻的其他藻类，水体在650 nm波长下的吸光度变化如图3所示。9个实验组合结果差异显著，组合2和组合5的OD650值比对照小，说明2和5的组合处理中，其他藻类的增殖得到了抑制，而组合5的抑制效果仍然最明显。对数据进行SPSS方差分析后可知，四因素影响藻类生物量的主次顺序为植物>Cr>pH>活性炭。

各组合实验结果差异显著，SPSS方差分析四因素影响藻类生物量的主次顺序为植物>Cr>pH>活性炭，组合5在650nm、680nm和560nm光波下微藻水溶液的吸收值最小，说明组合5对水中微藻有最好的抑制效果，植物的抑制作用高于金属铬、水体pH值和活性炭。有研究表明六价铬对藻类生长抑制效应强，不同藻类的96h-EC50浓度为4.96—20.89mg·L-1[4]。本实验中也设置了较高的K2Cr2O7浓度，结果表明K2Cr2O7对淡水微藻确实有较高的抑制效果，但是绿植的抑制作用更强。

2.2 水体叶绿素a的含量变化

数据经过平均数计算并求得标准差，结果如图4所示。除编号为1和5的实验组外，其余7个小组的叶绿素测定值均比CK小。对数据进行SPSS方差分析后可知，四因素对藻类的增殖均具有显著性抑制作用。编号为6的叶绿素测定数值最小，实验组合为pH7+绿萝+活性炭0+Cr5，统计分析理论最优实验组合应该是pH9.8+绿萝+活性炭0+Cr10，说明水中较高的pH值、采用绿植且为绿萝和适当的化学试剂(重铬酸钾5mg·L-)有利于对水中藻类的抑制，而活性炭的添加作用对藻类的抑制作用并不明显。统计分析后可以看出，四因素中对叶绿素的抑制作用最强的是D(重铬酸钾)，其次依次为B(绿植)、C(活性炭)、A(pH)。

编号为1(pH6+无绿植+活性炭0+Cr0)、5(pH7+水葫芦+活性炭4+Cr0)的实验叶绿素含量比对照增加，可能与重铬酸钾浓度为0有关。

植物对微藻的抑制作用不可忽视。本研究认为原因并不是植物根系吸附了水体中的大部分藻类，使得水溶液中藻类减少。水葫芦根系较绿萝更发达，5号组合抑制效果应该最佳，事实恰恰相反，5号组合水溶液的叶绿素含量最高，而含绿萝的6号组合水溶液叶绿素含量最少，抑制效果最佳。因此绿植的根系吸附微藻导致水中微藻减少的说法并不成立，而原因应该是植物能有效吸收富营养元素，对营养物产生竞争，从而抑制藻类的繁殖。所以本研究认为水上种植绿色植物可有效抑制藻类的繁殖。

2.3 水体电导率变化

实验所得到的SPC值如图5所示。实验组的SPC值均高于对照组，进一步用SPSS 20.0统计软件分析，可以看出活性炭对水体中的SPC存在较大的相关性，并且对水体中的SPC影响显著，而相反绿植的种植没有上述影响。说明水体中SPC值的改变是因为A(pH)、C(活性炭)、D(重铬酸钾)这三个实验因素处理对水体的阴阳离子浓度和水中的溶解性固体的改变而引起，再进一步用极差分析这三个因素中其影响作用，排序为C(活性炭)、D(重铬酸钾)、A(pH)。

2.4 水体DO及pH值变化

在该实验中我们同时测量了DO值，如图6所示。各组DO值分布于5.00—6.00之间，变化幅度不大，与实验初始DO值6.65相比，溶解氧有所减少。SPSS 20.0对数据进行方差分析显示，四个因素对水体中DO均没有显著作用，说明四因素不会引起水体中DO值发生显著变化。

2.5 水体酸碱性变化

由图7可见，培养5d后对照和9个处理中水体pH值均在7.8—8.2之间，都呈碱性，可见微藻具有调节水体偏向碱性的能力。有报道淡水微藻水体pH呈碱性，微水环境呈现弱碱性(pH7.2—8.2)[5，6]。刘春光等[7]报道，在pH8.0—9.5下淡水微藻生长状况最好，人为改变水体pH值会使藻类生长受到抑制。陈家长[8]在2014年报道pH值对藻类种间竞争抑制参数能够产生显著影响，建议水体富营养化的过程中，可以通过调节水体pH值控制鱼腥藻的生长。许海等[9]报道藻类对水体pH值有较强的缓冲能力，可以通过自身增殖活动改变水体的pH值，因而不同初始pH值对藻类生长的影响不明显。Young和Gobler报道在富营养化的河口，酸化促进了大型藻类的过度生长[10]。本研究认为在治理大型藻类富营养化水体时，可以人为引入这些微型藻类，通过这些藻类的增殖达到调节水体偏碱性，以抑制大型藻类的大量繁殖，这将是一个治理水体富营养的生物有效修复措施。

3 结论

(1)以水体光密度为指标衡量水体藻类生物量时，四个因素对藻类的抑制作用明显，抑制藻类的最优组合为5号组合(pH7+水葫芦+活性炭4+Cr0)，绿色植物是四个因素中对藻类抑制作用最明显的，而活性炭的添加并没有显著抑制藻类。

(2)以水体叶绿素a含量为指标来衡量水体藻类生物量时，四个因素对藻类的抑制作用明显，抑制藻类的最优组合为6号组合(pH 7+绿萝+活性炭0+Cr 5)。不同的衡量指标得出不同的结论：5号组合光密度测定值最小，但叶绿素测定值却最大；6号组合叶绿素测定值最小，光密度测定值却不是最小，究其原因可能是水体中不同的藻类会产生不同的吸收峰值，单纯的某波长下的水溶液光密度值不能反映水中各种微藻的整体含量，而水体的叶绿素a值能更好地反映微藻的含量。但本研究中不同的衡量指标都可以明确的是：绿色植物的存在明显抑制了藻类的增殖，而活性炭的添加不能明显抑制藻类的增殖。

(3)综合来看，对于北方淡水镜面湖水体中的微藻抑制方法，本研究将选择6号组合来抑制淡水微藻的增殖，原因是该组合抑制叶绿素效果最佳，光密度抑制效果也比较好，水中溶解氧明显高于对照，水体电导率也没有显著高于对照，说明该组合对水质影响不大。

(4)水体较高的pH值有利于微型藻类的繁殖，较低的pH值有利于对淡水微型藻类的抑制；藻类的繁殖导致水体偏碱性，微藻有改变水体偏向碱性的能力。

(5)水上种植绿色植物可有效抑制藻类的繁殖。

(6)绿植不会改变水体的电导率，而其他三因素对水体SPC值影响显著，影响作用排序为活性炭>K2Cr2O7>pH值。

(7)四因素不会引起水体中DO值发生显著变化。

[1]陈丽芬,郑锋.叶绿素荧光技术快速测定水体藻类生物量的应用[J].城镇供水,2007(6):51—52.

[2]汤仲恩,种云霄,朱文玲,等.几种观赏型沉水植物对富营养化蓝绿藻类的抑制作用[J].生态环境学报,2007,16(6):1 637—1 642.

[3]朱晓明，刘德富，杨正健,等.不同浓度培养液对小球藻生长的影响[J].环境科学与技术，2014，37(S2)：51—57.

[4]陈海柳,潘纲,闫海，等.六价铬抑制淡水蓝绿藻生长的毒性效应[J].环境科学,2003,24(3):13—18.

[5]张丽君，杨汝德.小球藻细胞的异养生长及培养条件优化[J].广西植物，2001,21(4):353—357.

[6]聂利华,李训仕,刘亚群,等.温度、光照、盐度与pH对淡水蓝藻拟柱胞藻生长的影响[J].生态科学,2016(4).

[7]陈家长,王菁,裘丽萍,等.pH对鱼腥藻和普通小球藻生长竞争的影响[J].生态环境学报,2014,23(2):289—294.

[8]刘春光,金相灿,孙凌,等.pH值对淡水藻类生长和种类变化的影响[J].农业环境科学学报,2005,24(2):294—298.

[9]许海,刘兆普,袁兰,等.pH对几种淡水藻类生长的影响[J].环境科学与技术,2009,32(1):27—30；102—108.

[10]Young C S, Gobler C J. Ocean Acidification Accelerates the Growth of Two BloomForming Macroalgae[J/OL].Plos One, 2016,11(5).

责任编辑：富春凯

Study on the Four Factors of the Inhibition of Freshwater Microalgae

CHEN Juan, HUANG Min, WANG Yang

(College of Life Science and Technology, Harbin Normal University, Harbin 150025, China)

Study and explore the inhibitory effect on freshwater microalgae from plants of water culture, pH of the system,acticarbon, and hexavalent chromium. As the results showed, the plants could effectively inhibit the growth of green algae,and the effectiveness of plant was no less than chromium. Adding acticarbon to inhibit the growth of algae did not show superiority. Acidic water body also inhibited the growth of micro-green algae,but the algae tended to turn the water alkaline. Result: a lower pH value (6) ,added plants (green dill and water hyacinth) and the appropriate chromium (5mg/L) could effectively inhibit the proliferation of the algae.

microalgae; inhibition; hydroponic macrophytes; active carbon; hexavalent chromium

10.3969/j.issn.1674-6341.2017.02.010

2017-02-27

哈尔滨师范大学博士启动基金项目(901/220601083)

陈娟(1993—)，女，四川人。研究方向：植物生态学。*通讯作者：王洋(1979—)，女，湖南隆回人，博士研究生，讲师。研究方向：污染生态学。

Q949

A

1674-6341(2017)02-0024-04