響應(yīng)曲面法研究蓖齒眼子菜克藻效應(yīng)的環(huán)境因子

張 楠,孫長(zhǎng)虹,季 民(.北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院,北京 00037；.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,天津30007)

響應(yīng)曲面法研究蓖齒眼子菜克藻效應(yīng)的環(huán)境因子

張 楠1*,孫長(zhǎng)虹1,季 民2(1.北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院,北京 100037；2.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,天津300072)

利用響應(yīng)曲面法,評(píng)價(jià)了影響沉水植物蓖齒眼子菜對(duì)蛋白核小球藻產(chǎn)生克藻效應(yīng)的3個(gè)環(huán)境因子(溫度、光照強(qiáng)度、全鹽量)的交互作用.結(jié)果表明,蓖齒眼子菜對(duì)蛋白核小球藻的藻細(xì)胞個(gè)數(shù)相對(duì)抑制率在溫度為42℃、光照強(qiáng)度為2683lx、全鹽量為3706mg/L時(shí),達(dá)到最佳狀態(tài).方差分析顯示,其顯著性小于0.0001,相關(guān)系數(shù)為0.9800,模型擬合度較好.

響應(yīng)曲面法；環(huán)境因子；蓖齒眼子菜；蛋白核小球藻

Abstract：Response surface methodology (RSM) was used to optimize three environmental factors (temperature, light intensity and total dissolved solids) of allelopathic effects of submerged macrophytes against Chlorella vulgaris. By analyzing the response surface plots, the optimum ranges of the relatively inhibitory rate of algal cell number lied in 42,℃2683lx and total salt content of 3706mg/L. The significance level of the RSM model was less than 0.0001 and the correlation coefficient was 0.9800, which indicating the model was satisfactory and accurate.

Key words：response surface methodology；environmental factors；Potamogeton pectinatus；Chlorella pyrenoidosa

據(jù)報(bào)道[1-3]部分水生植物具有克藻效應(yīng),能抑制導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的單細(xì)胞藻類過度繁殖.但是水生植物克藻效應(yīng)受到多種環(huán)境因子影響,如溫度、光照、pH值、氮磷營(yíng)養(yǎng)元素水平等[4].關(guān)于沉水植物對(duì)高鹽度再生水體富營(yíng)養(yǎng)化藻類的克藻效應(yīng)受到何種環(huán)境因子影響的研究還鮮見報(bào)道.另外,關(guān)于克藻效應(yīng)環(huán)境因子的研究多為單因素研究,沒有考慮各因子之間交互作用,與實(shí)際情況有一定差距.

響應(yīng)曲面法(RSM)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種優(yōu)化生物過程的綜合性實(shí)驗(yàn)技術(shù),它將統(tǒng)計(jì)學(xué)與系數(shù)學(xué)相結(jié)合,不僅建立連續(xù)變量的曲面模型,而且對(duì)多個(gè)影響因子及其交互作用進(jìn)行評(píng)價(jià),與傳統(tǒng)的均勻設(shè)計(jì)、正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)相比,該實(shí)驗(yàn)方法偏差較小,可信度較高[5].目前, 響應(yīng)曲面法多用于食品、化工、制藥、建筑等行業(yè)的實(shí)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì),應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域,特別是用于沉水植物克藻效應(yīng)研究的尚少見報(bào)道.

本研究針對(duì)天津某再生水景觀河道水質(zhì)和植物生長(zhǎng)的實(shí)際情況,根據(jù)響應(yīng)曲面法中的Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,對(duì)影響該河道中的沉水植物——蓖齒眼子菜對(duì)蛋白核小球藻克藻效應(yīng)的3個(gè)環(huán)境因子及其交互作用進(jìn)行同步實(shí)驗(yàn),為研究沉水植物在再生水體中的克藻效應(yīng)機(jī)理提供理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1材料

蓖齒眼子菜(Potamogeton pectinatus)采自天津開發(fā)區(qū)再生水景觀河道.采回后迅速移栽到溫度(25±2)℃,光照強(qiáng)度(4000±100)lx的培養(yǎng)箱中,馴化培養(yǎng)5~7d.實(shí)驗(yàn)前取適量生長(zhǎng)良好的蓖齒眼子菜,用蒸餾水反復(fù)沖洗后吸干其表面的水分,稱重.

再生水取自天津開發(fā)區(qū)某再生水廠出水口.

藻種為蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa),購(gòu)自中科院水生所藻種庫(kù),于溫度(25±2)℃、光照強(qiáng)度(4000±100)lx、光暗比12h:12h的控溫光照培養(yǎng)箱培養(yǎng),藻種經(jīng)過3代穩(wěn)定轉(zhuǎn)接后用于實(shí)驗(yàn).采用藻細(xì)胞個(gè)數(shù)作為藻類生長(zhǎng)指標(biāo),血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù).數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析.藻細(xì)胞個(gè)數(shù)相對(duì)抑制率的計(jì)算公式為:式中:RI%為藻細(xì)胞個(gè)數(shù)相對(duì)抑制率,%; N0為對(duì)照組的藻細(xì)胞個(gè)數(shù); Nt為處理組的藻細(xì)胞個(gè)數(shù).

1.2響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)

采用Box-Behnken3因素3水平試驗(yàn)設(shè)計(jì),自變量分別定義為溫度(A)、光照(B)、全鹽量(C),每個(gè)自變量的3個(gè)水平值編碼分別為-1、0、1,自變量各編碼水平取值見表1.溫度和光照強(qiáng)度通過調(diào)節(jié)光照控溫培養(yǎng)箱達(dá)到編碼水平,全鹽量通過精確稱取NaCl加入營(yíng)養(yǎng)液達(dá)到編碼水平.換算公式為A=(培養(yǎng)溫度-25)/5;B=(培養(yǎng)光照強(qiáng)度-3000)/1000;C=(培養(yǎng)全鹽量-4000)/1000.

表1 實(shí)驗(yàn)自變量編碼值及其實(shí)際值Table 1 The coded and actual levels of variables chosen for the experiments

響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)采用蓖齒眼子菜與小球藻共培養(yǎng)的方式.于250mL錐形瓶中裝入100mL滅菌營(yíng)養(yǎng)液,無菌條件下接種藻液,使初始藻細(xì)胞個(gè)數(shù)約為3×105個(gè)/mL,加入蓖齒眼子菜,生物量約為(10.0±0.1)g/L.沒有加入蓖齒眼子菜的組設(shè)為對(duì)照(CK),處理組與對(duì)照組均做3個(gè)平行樣,每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行7d.根據(jù)Box-Behnken響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)要求共進(jìn)行17組實(shí)驗(yàn),以藻細(xì)胞個(gè)數(shù)的相對(duì)抑制率作為響應(yīng)值YRI%,模型和最小二乘法擬合.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Design Expert軟件進(jìn)行多元回歸擬合、方差分析,采用Matlab軟件進(jìn)行模型的分析和運(yùn)算.

2 結(jié)果與討論

2.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

環(huán)境因子對(duì)蓖齒眼子菜克藻效應(yīng)影響的響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)結(jié)果,通過回歸擬合得到響應(yīng)值與自變量(3個(gè)環(huán)境因子)的二次多項(xiàng)回歸方程為:

對(duì)模型進(jìn)行方差分析,該模型的顯著性高(P<0.0001),模型決定系數(shù)為 0.9543,這說明僅有5%的響應(yīng)值總變異不能由此模型解釋,其相關(guān)系數(shù)R=0.9800.線性影響中僅有全鹽量不顯著,其余2項(xiàng)均顯著;交互作用中,光照強(qiáng)度和全鹽量的交互作用不顯著,其他兩兩交互作用顯著.從交互作用項(xiàng)系數(shù)的符號(hào)看, AB、BC之間有協(xié)同作用, AC之間有拮抗作用.

利用Design Expert軟件做出模型的三維響應(yīng)曲面圖和等高線圖(圖1~圖6).等高線圖不僅說明單個(gè)因子的影響,而且能反映出交互作用強(qiáng)弱,曲線越陡,說明該因子影響效應(yīng)越大;圖形中曲面顏色越深的區(qū)域,說明結(jié)果越顯著[6-7].

由圖1和圖2可見,溫度(A)和光照強(qiáng)度(B)交互作用顯著,曲面呈雙曲面形;在等高線圖的右下方區(qū)域,即溫度≥30℃、光照強(qiáng)度≤3000lx時(shí),圖形顏色最深,說明抑制率較高.從圖3和圖4可見,等高線圖右側(cè)圖形顏色最深,藻細(xì)胞抑制率高;即溫度大于30℃、全鹽量3000~4000mg/L時(shí),克藻效果好.光照強(qiáng)度、全鹽量2個(gè)因子在光照較低、鹽度為4000mg/L左右時(shí)克藻效果較好,圖形中沿橫軸曲線變化較陡,說明光照強(qiáng)度的影響顯著,這與模型方差分析的結(jié)果吻合.

2.2模型分析

模型建立后作進(jìn)一步的模型分析,將二次多項(xiàng)式改寫成矩陣形式,用Matlab2006b軟件求解模型的二次項(xiàng)系數(shù)矩陣的特征值為λRI%=-32.4247、0.0099、19.3148.特征值符號(hào)相異,說明模型的最佳點(diǎn)是鞍點(diǎn)[8-9].

圖1 RI%響應(yīng)曲面圖(AB)Fig.1 AB Response surface of RI%

圖3 RI%響應(yīng)曲面圖(AC)Fig.3 AC Response surface of RI%

圖5 RI%響應(yīng)曲面圖(BC)Fig.5 BC Response surface of RI%

圖2 RI%等高線圖(AB)Fig.2 AB contour lines of RI%

圖4 RI%等高線圖(AC)Fig.4 AC contour lines of RI%

圖6 RI%等高線圖(BC)Fig.6 BC contour lines of RI%

對(duì)回歸模型取一階偏導(dǎo)數(shù)為零,整理得到藻細(xì)胞個(gè)數(shù)抑制率的最佳點(diǎn)方程組如下:

求解方程組(3)得出最佳點(diǎn)的編碼值,代入方程(2)反求自變量值,最后求得藻細(xì)胞個(gè)數(shù)相對(duì)抑制率在溫度、光照強(qiáng)度、全鹽量位于 (42℃、2683lx、3706mg/L)時(shí)達(dá)到最佳點(diǎn).將上述結(jié)果代入模型中,得到的理論相對(duì)最大抑制率YRI%為89.0%.

通過上述分析可知,在再生水處理的實(shí)際操作中可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論適當(dāng)調(diào)整再生水處理工藝,如調(diào)節(jié)反滲透處理水量使再生水全鹽量盡量達(dá)到克藻效應(yīng)的最佳條件,避免富營(yíng)養(yǎng)化大面積爆發(fā).根據(jù)實(shí)地觀察,該景觀河道在春末再生水全鹽量較低時(shí)富營(yíng)養(yǎng)化情況嚴(yán)重,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合.

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性,在3個(gè)自變量的實(shí)驗(yàn)水平范圍內(nèi)選擇進(jìn)行5組不同組合的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),結(jié)果實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差≤5%,說明模型具有一定的實(shí)用性.

3 結(jié)論

3.1通過響應(yīng)曲面法Box-Behnken中心組合實(shí)驗(yàn),得出蓖齒眼子菜對(duì)蛋白核小球藻克藻效應(yīng)的3個(gè)環(huán)境因子的二次多項(xiàng)式模型.模型顯著性高(P<0.0001),相關(guān)系數(shù)為0.9800.

3.2響應(yīng)曲面為雙曲面,最佳點(diǎn)是鞍點(diǎn),在溫度42℃、光照強(qiáng)度2683lx、全鹽量3706mg/L時(shí),蓖齒眼子菜的克藻效應(yīng)達(dá)到最佳.

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致謝：現(xiàn)場(chǎng)植物采集由王衛(wèi)紅博士協(xié)助完成,在此表示感謝.

Environmental factors of allelopathic effects against algae by response surface methodology.

ZHANG Nan1*, SUN Chang-hong1, JI Min2(1.Beijing Institute of Environmental Protection, Beijing 100037, China；2.School of Environmental Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China). China Environmental Science, 2010, 30(4)：483~ 486

X703.5

A

1000-6923(2010)04-0483-04

張 楠(1977-),女,天津人,助理研究員,博士,主要從事水污染控制方面研究.發(fā)表論文10余篇.

2009-09-07

國(guó)家“863”項(xiàng)目(2003AA601030)

* 責(zé)任作者, 助理研究員, tjunan@126.com