氮和磷對藻類的抑制研究

張 亮,張震斌,于德貴,田 蕊,肖偉男

(遼寧工業大學,遼寧 錦州 121001)

1 引言

近幾十年來，水體富營養化問題日趨嚴重，導致藻華的發生頻率和總體規模逐年上升。其中有毒藻種在自然水體中，將部分毒素予以釋放，導致飲用水的安全性無法得到有效保障，與此同時，加劇了水體富營養化現象，導致水環境問題日益突出[1]。還有一部分常見的有害藻類，其釋放的毒素將危害人體的健康。藻類的生長必須具有適宜的溫度、營養與光照，有害藻類也不例外，藻類的生長情況與環境因子息息相關。對于藻類而言，生長過程中離不開氮磷這兩項營養因子，因此，藻類的生長狀況受到自然水體中二者的比例、含量與構成等的直接影響，決定了藻華的規模與程度[2]。自然水體中氮磷二者的存在形態種類繁雜，對于有害藻類而言，各種形態的氮磷營養物質均可被吸收與利用，從而加快自身的代謝速度，最終以藻華的形式呈現。因而，深入探討有害藻類與氮磷營養物質二者的相關性，明確有害藻類生長受到氮磷形態與含量的實際作用，明確導致藻華發生的實際原因，以從理論層面探討怎樣對藻類的生長進行有效管控。

2 氮對藻類生長的影響

在藻類生長的過程中，氮作為不可或缺的重要因子存在，既要滿足藻類代謝與生長過程中對自身的攝入需求，也是藻類體內多種部分的主體構成元素[3]。過低或過高的氮濃度都會對藻類的生長產生影響，與此同時，受到氮的存在形式差異化的影響，藻類的吸收程度也會發生一定改變。部分有害藻類的氮源選為DIN，并在該環境下始終處于良好生長狀態。在進行藻類培養基的制造過程中，最常選用的氮源就是硝氮。通過研究了水中藻類在不同濃度硝氮情況下的實際生長狀態，得出結論，隨著硝氮濃度的顯著提升，亞硝酸鹽在藻類體內大量積累，大大減緩了藻類的生長速度，且對藻類光合作用的發生產生一定抑制作用。但針對大量的天然水體進行檢測，發現氮濃度相對較低，因此，在進行研究的過程中，依據現實水體中的氮濃度加以模擬[4]，根據實驗結果可知，調節硝氮濃度在0～12.0 mg/L區間內，可知當硝氮濃度為3.5 mg/L 時，藻類的細胞生長量為最大值。當銨氮濃度較低時，藻類可針對銨氮予以快速吸收利用，但氮含量無法滿足細胞生長需求，因而生長十分緩慢；反之，過高的銨氮濃度，對谷氨酰胺具有一定抑制作用，藻細胞的生長受到一定程度的阻礙，也處于較為緩慢的狀態[5]。亞硝氮作為氮形態循環過程中的中間產物，在自然水體中也十分常見。分別研究了水藻分別在0 mg/L、5 mg/L、10 mg/L、15 mg/L的亞硝氮含量的生長狀態，根據實驗結果顯示，亞硝氮濃度逐漸提升的同時，藻細胞生長速度反而逐漸減緩，因此，藻類生長之所以會受到亞硝氮的抑制作用，其實際原因就是一定程度上抑制了光合反應的發生，且增強了氧化應激反應。從實際角度出發，藻類不僅能夠吸收利用無機態氮，也能夠吸收部分溶解性有機氮，并將其轉化為促進自身生長的碳與氮源。根據實驗成果可知，4種十分具有代表性的藻類均可受到尿素和氨基酸的促進作用，部分也可利用混合氨基酸促進自身生長，還有一部分藻類則明顯更易利用尿素[6]。另外，部分微小藻在酵母浸出粉的作用下，生長速率得以顯著提升[7]。在酵母浸出粉中，始終將蛋白質等其中具備氨基酸的物質作為提供給藻類的主要氮源，簡言之，藻類生長會受到氨基酸等含氮有機物的促進作用。當天，部分藻類無法對尿素予以吸收利用，一旦藻類生長環境中，僅具有氨基酸這唯一氮源，勢必會受到一定的抑制作用。從整體角度來看，大多藻類均可吸收無機態或有機態含氮化合物，從而滿足自身的生長需求。相較于銨氮而言，硝氮對藻類的促進作用更加明顯，因而易于被藻類吸收，同時，過高的銨氮對藻類的生長產生一定抑制作用，甚至形成毒性效應[8]。此外，藻類可在有機氮源的作用下，加快代謝速度。

3 磷對藻類生長的影響

對于藻類而言，磷作為其生長必不可少的一項營養物質存在，既屬于磷脂、核酸與蛋白質的重要組成部分，也是葉綠素合成的必備物質。在進行實驗的過程中，無機磷源選做磷酸鈉、焦磷酸鈉、三聚磷酸鈉、偏磷酸鈉時，藻類仍能保持穩定生長狀態[9]。不同品種的藻類對DIP的實際需求量存在一定區別，且藻類的實際生長狀況也隨著無機磷濃度的變化而發生改變[10]。當6.5 mg/L為磷酸鹽濃度時，藻類的生長速度達到最高值，再繼續提升磷的濃度，就會對藻類的生長產生一定抑制作用[11]。根據本次試驗成果顯示，若想使水藻處于穩定生長狀態，就必須保證磷酸鹽濃度高于0.20 mg/L[12]，而1.1～5.3 mg/L為藻類生長的最佳濃度區間。除此之外，深入剖析藻類的生物質成分，并以此作為磷濃度變化時產生的作用，該實驗結果顯示，限制磷濃度，將導致藻類體內的碳水化合物的含量顯著提升[13]。藻類能夠利用甘油磷酸進行生長，但生長速率低于無機態磷存在的情況。綜上可知，在不同磷營養鹽形態下，藻類的利用具有顯著的種間差異。相較而言，磷源處于DIP形態最易被藻類吸收，且水體中過高的磷濃度也會對藻類的生長產生一定抑制作用[14]。

4 氮磷比對藻類生長的影響

設置兩組初始磷濃度為0.05和5.0 mg/L 的培養液，并確保各個培養液的氮磷比為5∶1，10∶1，20∶1，50∶1，100∶1。在各個培養液中進行藻類細胞的培養，并對比各個培養液中的藻細胞生長情況，根據實驗現象可知，氮磷比并未對藻細胞生長率造成較大影響，相較而言，磷濃度對其生長速率造成較大影響[15]；即便氮磷比值始終處于較低水平，也不會對藻類的生長造成較大影響，只有確保磷處于充足狀態下，才能夠發現藻類細胞受到氮磷比的作用，發生一定改變。當磷濃度為5 mg/L時，氮磷比為20∶1，只有滿足上述兩者的條件，方能使水藻處于最佳生長狀態[16]。氮磷比值對水藻生長與水體氮磷的絕對濃度具有一定的相關性，并不能夠在某一確定值上顯現。只要能夠保證氮磷比=4.5這一前提條件，就能達到最佳生長狀態，并不受混合培養體系、純培養體系的影響。氮磷比對藻類的抑制參數能夠產生明顯影響[17]。

5 小結和展望

藻類的生長與代謝都離不開氮磷2種元素。藻細胞內DNA與蛋白質的合成過程中，氮元素作為必不可少的營養物質。細胞內三磷酸腺苷(ATP)的合成和轉化以及細胞新陳代謝過程中的酶促反應，均離不開磷元素的參與[18]。本項目通過給與不同生長條件發現不同的氮磷濃度對藻類生長影響不同，在高濃度磷低濃度氮條件下對藻類生長有一定的抑制性作用。在實驗過程中，通過精密稱量天平依次在不同氮磷濃度下培養藻類，培養后的藻類物質通過顯微觀察其細胞變化情況，經多次調試得出低的氮磷比會抑制藻類生長。水是生命之源，抑制藻類生長能控制藻華的形成，可以讓水質提升，豐富水資源，提高環境質量，在生活中人們要盡量避免氮磷直排水體中的情況，這樣就可以防止水華等現象產生，讓水環境更加美好，讓生活得更加安全。