（环境科学与工程专业论文）响应曲面法优化铜绿微囊藻生长条件研究.pdf

北京化工大学硕士学位论文 作用。硝态氮为氮源时，铜绿微囊藻的最佳生长条件是：温度为2 9 。c ， k 2 h p 0 4 为0 0 5 7m m o l l - l , n a n 0 3 为1 0 5 9m m o l l 1 ，f e c i t r a t e h 2 0 为0 0 2 4 m m o l l 1 ；氨态氮为氮源时，铜绿微囊藻的最佳生长条件是：n h 4 c i 为1 0 5 9 m m o l l 1 ，f e c i t r a t e h 2 0 为0 0 1 6m m o l l 1 ，温度为2 6 ，光照强度为7 1 i t m o l ( m 2 s ) 一。 模型验证的结果显示：在室内实验的条件下，以统计学为基础的实验 方法能够更快更有效地揭示了环境因子对铜绿微囊藻生长的影响。 关键词：铜绿微囊藻，响应曲面法，筛选设计，优化，生长条件 i i 摘要 o p t i m i z a t i o no fg r o w t hc o n d i t i o n so f m i c r o c y s t i sa e r u g i n o s au s i n gr e s p o n s e s u r f a c em e t h o d o l o g y a b s t r a c t a c c o r d i n g t ot h ei t e mn a m e d c h i n al a k en u t r i e n tc r i t e r i aa n d e u t r o p h i c a t i o nc o n t r o ls t a n d a r dr e s e a r c h ，t h et h e s i st o o km i c r o c y s t i s a e r u g i n o s a a sa ne x a m p l e ，a n ds t u d i e dt h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n8 e n v i r o m e n t a lf a c t o r s ( i n c l u d i n gt e m p e r a t u r e ，l i g h ti n t e n s i t y , p h ，n ，p ，f e ，m g a n d c a ) a n d c e l l g r o w t hu s i n gr e s p o n s e s u r f a c e m e t h o d o l o g y s i m u l t a n e o u s l yt h ei n f l u e n c ei nd i f f e r e n tn i t r o g e nf o r m s ( n 0 3 - na n dn h 4 + n ) w a sc o n s i d e r e d t h i sw o u l db eh e l p f u lf o re s t a b l i s h i n gr e f e r e n c ec o n d i t i o n so f l a k en u t r i e n t s t h em a i n e f f e c tf a c t o r sw e r es e l e c t e di na c c o r d a n c ew i t ht w o 1 e v e l p l a c k e t t - b u r m a n s c r e e n i n gd e s i g n f o u rs i g n i f i c a n tv a r i a b l e s ( n a n 0 3 ， k a h p 0 4 ，f e c i t r a t e 。h 2 0 ，a n dt e m p e r a t u r e ) w e r es c r e e n e df o ro p t i m i z e ds t u d i e s u s i n gn 0 3 一n ，i nw h i c ht e m p e r a t u r ew a st h em o s ts i g n i f i c a n tf a c t o rw i t h 。胖= 3 9 7 0 8 h i g h e rc o n c e n t r a t i o no f k 2 h p 0 4c o u l di n h i b i tt h eg r o w t ho f m i c r o c y s t i sa e r u g i n o s a ，a n do t h e rf a c t o r sh a v ep o s i t i v ee f f e c t st oc e l lg r o w t h w h e nn h 4 + nw a su s e d ，c e l lg r o w t hw a si n f l u e n c e db yt h ef a c t o r sw i t h i i i 北京化工大学硕士学位论文 d e c r e a s i n g o r d e ro f i m p o r t a n c e a s t e m p e r a t u r e l i g h t i n t e n s i t y f e c i t r a t e h 2 0 n h 4 c 1c o m p a r i n g t h ev a l u e so fe f f e c t s ( 瓦唧= 2 7 3 4 0 ，i n t 劬= 1 1 4 6 5 ， w h i c hn h 4 c 1c o u l di n h i b i tm i c r o c y s t i sa e r u g i n o s ag r o w t h a f t e rt h em a i n - e f f e c tf a c t o r sw e r ec o n f i r m e d ，t h r e e - l e v e lb o x b e h n k e n d e s i g nw e r eu s e dt oo p t i m i z ec e l lg r o w t hc o n d i t i o n s t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t c e l lm a x i m u mb i o m a s sw e r ei n f l u e n c e db ym a i n e f f e c tf a c t o r si n d i v i d u a l l yi n b o t hn 0 3 - na n dn h 4 + - n t h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nm a i n e f f e c tf a c t o r sw e r e n o ta ss i g n i f i c a n ta st h e i ri n d i v i d u a li n f l u e n c e s ，b u ts o m eo ft h ei n t e r a c t i o n s w e r er e l a t i v e l ys i g n i f i c a n t ，s u c ha si n t e r a c t i o nb e t w e e nn a n 0 3a n dk 2 h p 0 4 ， a n di n t e r a c t i o nb e t w e e nk 2 h p 0 4a n df e c i t r a t e h 2 0u s i n gn 0 3 - n ；i n t e r a c t i o n b e t w e e nt e m p e r a t u r ea n dl i g h ti n t e n s i t yu s i n gn h 4 + - n t h er e s u l t sh a v ea l s o r e v e a l e dt h a tm i c r o c y s t i sa e r u g i n o s aw a si no p t i m u m g r o w t hw h e nt h e c r i t i c a l b o r d e rv a l u e so ft h ev a r i a b l e sw e r ed e t e r m i n e da st e m p e r a t u r e2 9 。c ，k 2 h p 0 4 0 0 5 7m m o l l 1 ，n a n 0 31 0 5 9m m o l l ，f e c i t r a t e h 2 00 0 2 4m m o l l 。1 ； s i m i l a r l y a s n h 4 c 1 1 0 5 9 m m o l l ，f e - c i t r a t e h 2 0 0 016 m m o l l ， t e m p e r a t u r e2 6 ，l i g h ti n t e n s i t y71i t m o l ( m 2 s ) 一 3 t h ev a l i d a t e dr e s u l t so fm o d e li n d i c a t e dt h a tt h ei n f l u e n c e so f e n v i r o n m e n t a lf a c t o r st og r o w t ho fm i c r o c y s t i sa e r u g i n o s aw e r ee f f e c t i v e l y a n dq u i c k l yr e v e a l e du s i n gs t a t i s t i c a le x p e r i m e n t a ld e s i g n i v 摘要 k e y w o r d s ：m i c r o c y s t i sa e r u g i n o s a ，r e s p o n s e s u r f a c e m e t h o d o l o g y , s c r e e n i n gd e s i g n ，o p t i m i z a t i o n ，g r o w t hc o n d i t i o n s v 北京化工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：塑室蒸叁 日期：兰型丝彭：三 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名： 导师签名： 丛墨藿叁日期：兰丝丝：矽：_ 北京化工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 富营养化( e u t r o p h i c a t i o n ) 最初是指营养物浓度增加对水生生态系统所产生的影 响。后来，湖泊富营养化的定义演变为【l 】：湖泊接纳了外来的n 、p 等营养物质，引 起水体中藻类和其它水生植物大量繁殖，不但造成湖泊溶解氧和透明度降低，还对整 个湖泊生态系统的结构和功能造成破坏。湖泊富营养化主要是由自然因素和人为因素 引起水体衰老的一种现象，自然因素主要包括：地表径流、天然降雨带来的营养物质 使湖泊中氮、磷含量增加，导致湖泊生态系统自然老化，最终向陆生生态系统演替的 一个过程，这个过程可能很短，也可能持续几百万年；人为因素是指由于人类活动产 生的各种废物中含有大量营养物质，这些物质未经处理或未完全处理直接排放到水体 中，使得湖泊中营养物水平在短时间内迅速增加，湖泊生态系统被迅速破坏，引起水 体的富营养化。自工业革命以来，人口快速增长、社会经济迅猛发展，未经处理的含 氮、磷的工业废水、生活污水以及农业灌溉废水的排放使得世界范围内的水体富营养 化程度日益加剧。其中，人口增加导致对粮食生产的需求加大，围湖造田现象日益严 重，加剧了对湖泊资源的开发。化肥的大量使用加剧了农业土壤中营养盐的流失，尤 其是氮肥的流失量增长更快。此外，含磷洗衣粉的大量使用也是湖泊富营养化的主要 原因。 就目前的科技手段而言，自然因素引起的富营养化很难得到控制，因此，这种水 体自然衰老的过程往往是不可逆的。但人为因素却可以得到有效的控制，因此，目前 的很多研究都是集中在人为因素所引起的富营养化。上世纪六、七十年代，欧美发达 国家开展了大量关于湖泊富营养化的研究，从不同方向、不同视角深入地研究了湖泊 富营养化的成因、危害及控制手段等，并成功划分了以氮、磷等营养物质为基本指标 的水体营养等级，即贫营养一中营养一富营养一超富营养的分级系统。湖泊的营养状态 不是一成不变的，随着外界营养物质的输入，湖泊可由贫营养化型逐渐演变为富营养 化型的模式。加拿大政府【2 】在该国的试验湖泊中，其中一部分加入了一系列营养物质， 而另外一些湖泊作空白对比。结果证明：加入无机磷酸盐和硝酸盐的水体，其水质由 原来的贫营养状态很快演变成为富营养状态，藻类的生物量具有富营养化湖泊的特 征。现阶段，国际上最新的水体富营养化进程研究已经从微观尺度、单因子的机理研 究逐渐转向宏观尺度、多因子甚至整个水体生态系统的水平上。我国对湖泊富营养化 的研究也取得了很大的进步，建立了一系列湖泊生态系统的模型【3 】、湖泊生态系统评 价方法【4 1 、湖泊富营养化指标体系的制定方法【5 ，6 】等，还开展了万亩试验田的研究，并 取得了不错的成绩。 第一章绪论 我国是一个湖泊众多的国家，全国约有2 万多个湖泊，1k m 2 以上的湖泊有2 7 5 9 个，总面积达9 1 0 1 9k m 2 ，其中绝大多数为浅水湖泊，主要分布在东部沿海和长江中 下游地区【7 】。这些湖泊在工农业用水、水产养殖、防洪、漕运等方面发挥着巨大作用。 2 0 0 3 年对5 2 个湖泊进行评价，2 6 个湖泊水污染严重，中营养状态和富营养状态各占 5 0 。我国富营养化湖泊主要集中在东部平原和云贵高原湖区，调查的2 0 0 多个湖泊 中7 5 以上富营养化，湖泊水质受到不同程度的污染。太湖从2 0 世纪8 0 年代开始， 每隔1 0 年富营养化的级别就上升一个水平，进入9 0 年代后，太湖水华更是频繁发生， 近些年来，这种现象日益严重。特别是在每年的6 月份以后，湖面出现密集藻类，厚 度达2c m ，可向周围延伸2 3k m 左右。 水体富营养化的直接后果就是导致水华的发生，当蓝藻在水华中占据绝对优势 时，即可认为蓝藻水华暴发。蓝藻水华的形成必须具备以下三个条件：一是水体中蓝 藻能在与其它藻类的竞争中形成优势；二是蓝藻能够形成较大的生物量；三是具备合 适的环境条件。蓝藻对环境条件的要求是低光照、高温、流速缓慢的碱性水体中嗍， 这使得蓝藻能在种间竞争中占据优势。与其它藻类相比，蓝藻对氮、磷具有较强的亲 和力、能高效吸收利用外源无机碳、部分蓝藻还具有固氮能力，这使得它们能够维持 较大的生物量。此外，蓝藻本身所具有的伪空胞结构，使得蓝藻更容易在水面聚集。 蓝藻水华的高生物量会导致水体中溶解氧含量降低，对水环境中其它生物造成威 胁；使水体浊度下降，水质变坏；蓝藻死亡分解后，释放出来的有机物导致水体发臭， 造成水体二次污染；一些有毒微囊藻，在藻细胞破裂后会向水体中释放藻毒素，对人 类和水环境中其它生物造成危害。在有毒蓝藻水华中，微囊藻是最常见的藻种。太湖 夏季暴发的水华都是微囊藻水华，夏秋季节以铜绿微囊藻为主。根据毒性水平的不同 【9 】，蓝藻水华可分为三种：( 1 ) 不产生毒素，但会消耗水体中大量氧气，使得鱼类和 其他无脊椎动物无法生存；( 2 ) 能产生毒素，但所产毒素只会对水生动物产生危害， 而不会对人类健康产生影响；( 3 ) 能够产生毒素并对人类和其他生物造成危害。 水华的暴发是藻类生物量逐渐增加的过程，当条件满足时，分散在水中的藻类群 体上浮、聚集而使得湖泊某个局部区域出现大量聚集的藻类，而非生物量的“暴发”。 蓝藻水华的发生不仅与水质条件有关，而且也与湖泊的地理特征、地形地貌、气候条 件以及自身的水力条件、水生态系统等因素相关。这些因素不是独立存在而是相互作 用的，且在不同情况下对蓝藻水华的影响程度不同。因此，深入研究蓝藻水华的形成 机制，将为我国湖泊富营养化的控制和流域水质的综合管理提供依据。 1 2 影响蓝藻生长的环境因子 蓝藻( 或蓝细菌c y a n o b a c t c 奠i a ) 是地球上最早出现的光能自养原核生物，它们用 h 2 0 作为电子供体，在类囊体中利用光能将c 0 2 合成有机物【9 1 。它们一般形体较小、 2 北京化工大学硕士学位论文 结构简单、没有根茎叶的分化，又称叶状体植物【l o l 。在富营养化湖泊中，蓝藻通常是 优势物种，常见的水华蓝藻有微囊藻属( m i c r o c y s t i s ) 、浮丝藻属( p l a n k t o t h i x ) 、鱼腥 藻属( a n a b a e n a ) 、湖生蓝丝藻属( l i m n o t h r i x ) i t 】。根据蓝藻在水体中的活动，蓝藻 可被分为4 种生态型【1 2 】： 1 】固氮类，如：水华束丝藻( 彳p h a n i z o m e n o nf l o s a q u a e ) 、 拟柱孢藻( c y l i n d r o s p e r m o p s i sr a c i b o r s k i i ) 。【2 】分层类，如：浮丝藻( p l a n k t o t h r i x r u b e s c e n s ) ，这种生态型可以依靠浮力调节作用在最佳深度繁殖( 通常是变温层) 。 3 】 紊流类( 如：湖丝藻、阿氏浮丝藻) ，这些藻类通常生活在混合较好的温跃层中( 分 层湖泊的最上水层) ，这些种类不能固氮，也不能在水体中分层和迁移。【4 群体或复 合种类( 如：微囊藻，束丝藻) ，由于尺寸较大，可以每天在温跃层中穿梭。其中有 些物种兼有两个或两个以上特点。如：束丝藻既能固氮又能形成复合种群，而且可以 作为单独的细状体繁殖。在这种情况下，只有进一步了解各藻类之间的生理差异，才 能从本质上明确它们的生长机理。 蓝藻水华一般出现在高温、强光的夏季，扰动较小的水体中，此前由于积累了大 量群体生物量，一旦水文和气象条件满足时，随着藻类群体的上浮、聚集就会在水表 面形成水华。影响蓝藻生长及水华暴发的环境因子包括：物理因子( 温度、光照毛水 滞留时间和水体的扰动和垂直分层等) 、化学因子( 氮和磷、微量元素、有机质等) 、 生物因子( 牧食压力、与微生物和浮游动植物之间的交互作用等) 1 3 , 1 4 】。大部分蓝藻 在2 5 以上能获得较高的生长速度，而在2 0 以下时蓝藻水华很少发生【l6 1 。优越的 能量代谢平衡机制使得蓝藻既能在较低的光照条件下维持正常细胞功能和结构，也可 以耐受强光的照射【1 7 , 1 8 】，使得它们在与其它藻类的竞争中占据优势。氮、磷的富集有 利于非固氮蓝藻的生长，较低的n p 有利于蓝藻的生长和繁殖【1 5 , 1 9 】，尽管微量元素不 太可能成为蓝藻生长和水华形成的限制因子，但每种元素在藻细胞的功能和结构，各 种生化反应中也发挥着独特的作用。水体中大量有机质的存在，为蓝藻进行呼吸作用 和能量代谢提供了足够的碳源，而蓝藻对c 0 2 的高效吸收利用使得其能保持稳定的增 长【1 6 】。湖泊生态系统中，浮游动物对蓝藻的牧食作用、其它浮游植物与蓝藻的竞争、 一些微生物与蓝藻的共生、高等植物的化感作用等都会对其生长、繁殖产生重要影响 2 0 - 2 2 1 。各环境因子对蓝藻生长和水华形成的影响见表1 1 。 第一章绪论 表1 1 影响蓝藻生长和水华形成的环境因子 t a b l e l 1e n v i r o n m e n t a lf a c t o r si n f l u e n c i n gc y a n o b a c t e r i a lg r o w t ha n db l o o mf o r m a t i o n 因素影响和蓝藻效应 物温度蓝藻喜高温，许多种类适宜温度大于2 0 理 光照 蓝藻能够适应较大的光照范围 因扰动和混合低扰动和较弱的混合条件有利于大多数蓝藻水华的形成 子水滞留时间水滞留时间越长，水华暴发的可能性越大 主要营养盐( 氮和磷)n 、p 是蓝藻生长的必需元素和水华形成的关键因子 化 微量元素微量元素辅助参与藻细胞内各种代谢、生长、繁殖过程 学 溶解性c 0 2某些水华蓝藻具有高效浓缩c 0 2 的能力 因 溶解性有机物( d o m )许多蓝藻能利用d o m ，水华常出现在富含d o m 的水体中 子 盐度本质上不限制蓝藻生长，但盐度过高藻类无法生存 牧食作用一些浮游动物、高等动物的牧食有利于控制蓝藻水华 至 蓝藻细菌的相互作用可能促进或抑制蓝藻生长和水华形成，既 物 微生物作用存在一些蓝藻一原生动物的互惠作用，也存在蓝藻微生物对营养 盐的竞争 因 其它浮游植物与蓝藻的竞争，化感作用以及蓝藻在一些蕨类植物 子 其它动植物的作用 和维管植物附生或内共生等都会对蓝藻生长产生影响 1 2 1 氮、磷的影响 在适宜的环境条件下，水体中天然藻类利用光合作用合成自身的物质，其反应方 程式为： 1 0 6 c 0 2 + 1 6 n o f + h p o ；一+ 1 2 2 h 2 d + 1 8 h + + 能量+ 微量元素一c 1 0 4 h 2 6 3 n 1 6 p + 1 3 8 0 2 根据利比特最小定律，植物的生长取决于它所能获得的最缺乏元素量，由藻类分 子式可以看出，限制藻类生长的物质是碳、氮、磷，蓝藻可直接利用大气和水体中 c 0 2 作为碳源合成有机物，这就使得氮、磷的限制作用更显著。氮、磷营养元素是藻 类生长的必需因素，也是水华形成的关键因子。在一定条件范围内，随着湖泊水体中 氮、磷含量的升高，藻细胞的生长速度逐渐增大，但当二者的浓度超过一定范围时， 藻类的生长就不再受氮、磷含量的限制。 氮是藻类用于合成蛋白质的必需元素，对蓝藻的生长繁殖起着重要作用。铵态氮 是蓝藻可直接利用的氮形态，铵盐进入藻细胞后经谷氨酸合成酶和谷氨酰胺合成酶， 在碳骨架的协助下产生了细胞内含氮代谢物；而硝酸盐态氮若想被细胞利用，必须先 4 北京化工大学硕士学位论文 主动运输至细胞内，然后经硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶还原为铵盐才能进行下面 的步骤【2 3 2 5 1 。无机氮被吸收还原后，在细胞内迁移、转化，参与各种生理活动过程， 与蛋白质代谢共同构成其生命活动的基本过程。不同初始浓度，不同形态氮对藻细胞 比增殖速率和最大现存量的影响显著；随着氮浓度的增加，水体中叶绿素a 含量和藻 细胞生物量随着生长周期的延长而增大【2 6 捌】。 磷的影响主要表现在对细胞光合作用的控制，从而影响藻细胞分裂速度。有研究 表吲冽：水体中的磷含量是改变水生态系统初级生产力的关键因子，过量的磷输入是 水体富营养化的主要驱动因子。另外，由于藻细胞对磷的需求量不高，使得其含量的 微小变化往往会对整个湖泊水生植物的生长产生重大影响。因而有学者认为【2 9 1 ，磷是 湖泊水体中藻类生长的第一限制因子。美国在1 9 7 2 1 9 7 3 年对4 6 6 个湖泊的调查结果 也表明，磷为限制因子的湖泊占6 5 ，我国对太湖的调查报告也发现了类似的结果【3 0 】。 正磷酸盐是藻细胞可直接利用的唯一磷形态，其它形态磷都要经过碱性磷酸酶水解后 才能被利用【3 l 】。磷还是藻细胞进行三羧酸循环，在活体条件下依赖光合磷酸化和氧化 磷酸化合成a t p ，实现能量代谢的必需元素【3 2 1 。与氮相比，磷对藻类生长繁殖的影响 似乎更显著，磷的影响取决于细胞内磷的浓度，且对磷的吸收利用存在积累性，在生 长初期，摄取各种形态磷的速率较快，随着时间的延长速率减慢。磷缺乏时，增加水 体中碳、氮含量，水体的初级生产力没有显著变化；磷富集时，藻类能够利用大气中 碳和氮而使初级生产力明显增加。当然，输入到水体中的营养物质并不会全部被蓝藻 等具有生物膜的生命体同化3 3 1 ，沉积物颗粒【3 4 , 3 5 】及有机体表面的吸附，土地利用的 变化1 3 7 1 等都会影响蓝藻对营养盐的吸收。有研究表明【3 8 】：河流中生命体对磷的吸收仅 占3 0 ，磷浓度很高时，非生命体对磷的吸收比生命体更有效。 此外，不同氮、磷形态和浓度还会影响藻毒素的产生。v e z i e 等人【3 9 】考虑培养基 中不同浓度n ，p 对m c 产量的影响，发现当氮浓度较高时，m c 的产量较大。d a i 等1 4 0 研究了6 种氨基酸对m c 产生的影响，结果显示，有些氨基酸可迅速被细胞吸收 来维持细胞增长和产毒；而有些氨基酸虽然能很快透过细胞膜进入细胞，却不能被细 胞快速吸收。这是因为这些氨基酸能对细胞吸收、代谢过程产生抑制作用。 在湖泊沉积物中，氮素主要来自水生植物残体及流域侵蚀带来的陆生植物碎屑， 也有少量来自大气沉斛4 1 1 。而磷可以与c a 、f e 、砧等络合形成金属矿物或吸附在金 属化合物表面随其沉降到湖底。当满足一定条件时，沉积物中的营养元素就会重新释 放到水体中，从而为藻类的生长繁殖提供营养元素。沉积物中氮、磷的释放受到多种 物理、化学、生物因素的影响，但氮的释放主要取决于含氮化合物的氧化分解程度， 而磷的释放与其存在的化学沉淀形态有关。如：在强碱性条件下，f e p 络合物中磷的 释放主要受到p 0 4 孓和o h 。对沉积物中f e ( i i i ) 的配位竞争的控制，随着上覆水p h 的升 高，p 0 4 3 。与铁化合物的结合越弱，磷元素越容易被释放出来【4 2 】。宋春雷等【4 3 】研究了 池塘水华与沉积物中磷营养的关系，厌氧状态和碱性磷酸酶活性的增强加快了沉积物 第一章绪论 中磷的释放，促进了微囊藻水华的发生。s e i t z i n g e r 等】研究发现当淡水湖泊中p h 在 9 5 1 0 0 之间时会引起沉积物中磷的释放。x i e 等【4 5 】也发现，微囊藻的大量增殖会导 致沉积物中磷的迅速释放，而光合作用引起的高p h 值和硝态氮浓度的降低会阻碍磷 的释放。然而，沉积物中释放出来的氮、磷形态在进入水体后，由于物理、化学、生 物作用的影响，可能发生变化。如氮释放时要受到表面水层含氧量的影响。当表面水 层含氧量较低时，以氨态氮溶出为主；当表层含氧量较高时，以硝态氮为主。 1 2 2 无机碳的影响 水体中无机碳( 主要是溶解性c 0 2 和h c t 3 0 3 3 是浮游植物进行光合作用和有机合成 的主要碳源。相对于其它浮游植物来说，蓝藻形成了一种能够提高细胞内c 0 2 浓度， 以保证有足够的碳源进行光合作用的生理机制，称为c 0 2 浓缩机制( c 0 2c o n c e n t r a t i n g m e c h a n i s m ，c c m ) t 4 6 1 ，在该机制作用下，蓝藻可以提高羧体内c 0 2 浓度以补偿其 r u b i s c o 对c 0 2 亲和力的不足【4 7 1 。由于蓝藻没有叶绿体等细胞器，c c m 形成的无机碳 只能储存于细胞质中。由于c 0 2 是非极性分子，在细胞膜内外的扩散速率较快，而位 于细胞膜上的无机碳转运系统所能达到的输入通量仅能维持很小的c 0 2 浓度梯度，即 细胞质中不可能贮存高浓度的c 0 2 。早期观点认为，蓝藻高效浓缩c 0 2 的能力来源于 其细胞膜的特殊结构。但b a d g e r 等研究发现【4 3 】：细胞膜对c 0 2 的渗透系数约为1 0 。5 咖s 以( 普通生物膜对c 0 2 的渗透系数越为1 0 2c m s 1 ) ，单靠细胞膜构造的特殊性来 解释很难说得通。r e i n h o l d 提出的梭化体模型【4 9 】和e s p i e 的整体平衡模型【5 0 】i 艮好的解 释了蓝藻c c m 的运行机理，解决了c 0 2 外溢的问题。梭化体模型是目前已被普遍接 受的蓝藻c c m 的基本框架，许多研究结果也证实梭化体在c c m 中起着非常重要的 作用【5 卜5 3 】。其基本原理是：无机碳经主动运输进入细胞内以h c 0 3 - 形式积累，经位于 梭化体内的碳酐酶催化在n c 0 3 - 和c 0 2 之间快速转化，并不断被r u b i s c o 固定而最终 难以逸出。整体平衡模型认为细胞内很多过程都对c 0 2 外溢有贡献【5 0 1 ，如：细胞膜和 类囊体膜对c 0 2 外溢的阻挡，无机碳泵对外溢c 0 2 的重吸收等。尽管目前争论很多， 但更多的实验证据支持梭化体模型。 1 2 3 有机碳的影响 随着工业化进程的加快，工业废水中大量有机物如多环芳烃，残留农药等排放到 湖泊和河流中，它们对人类和水环境中其它生物有潜在的毒性，并对水体生态系统的 结构和功能产生很大影响。蓝藻作为一种重要的初级生产者，它的种类多样性和生产 力水平直接影响生态系统的结构和功能。近些年来，关于有机物对蓝藻的影响已经引 6 北京化工大学硕士学位论文 起了人们的重视，很多研究发现，就单一因子的影响而论，一般来说，低浓度有机物 可作为藻细胞生长的营养源，而较高的浓度会在一定程度上抑制蓝藻的生长【肄5 6 1 。此 外，水体中有机物还在一定范围内影响藻毒素的产生。w a n g 等瞰】的研究表明，当水 体中壬基酚浓度在0 0 5 0 5 0m g l 1 之间时，铜绿微囊藻毒素的产量明显增加，且藻毒 素向水体中的释放速率增加了7 5 。p a n 等【5 5 】发现，赤霉素a 3 能够会增加铜绿微囊 藻细胞色素的产生，促进藻毒素的积累。 近些年来蓝藻水华的日益严重引起社会的广泛关注，在实验研究中，人们也试图 寻找一种能够抑制蓝藻生长的有机物以解决水华问题，并尽可能少的对环境产生影 响。有些水生植物可产生一种化感物质，它是一种非营养物质，能对藻类的生长、健 康、环境化学行为等产生影响。有一种化感物质被称作e m a ，它能引起金属离子从 细胞内泄漏，降低抗氧化酶的活性，增加细胞中不饱和脂肪酸的比例，从而对蓝藻生 长的产生抑制作用。李锋民等【5 7 】发现e m a 可使铜绿微囊藻细胞壁脱落，细胞膜破裂， 细胞内含物泄漏，细胞核和线粒体结构损坏。h o n g 等【5 8 】研究发现，当芦苇提取物中 e m a 的浓度大于0 5m g l 1 时，铜绿微囊藻脱氢酶的活性开始显著下降，e m a 会引 起活性氧分子的氧化从而对微囊藻的生长产生抑制作用。b a l l 等【5 9 】研究发现，大麦提 取液中含有丰富的木质素，即使在较低的浓度下( 0 0 0 5 ) 也能够对铜绿微囊藻的生长 产生抑制作用。花铭唧】等研究表明，邻苯三酚和咖啡酸能够抑制超氧化物歧化酶 ( s o d ) 的活性，使藻细胞收缩，生长速度减慢。 1 2 4 微量元素的影响 藻细胞生长除了需要c 、h 、o 、n 、p 等大量元素外，还需要f e 、m n 、c u 、z n 、 m o 、v 、c o 等微量元素。铁是植物进行光合作用、呼吸作用、能量转移、氮固定等 多种生化反应的必需元素，对浮游植物的生长产生重要影响【矧。吕秀平等【6 l 】研究发现， 当f e 浓度较低时，细胞分裂缓慢，铜绿微囊藻的生长受到抑制；随着铁浓度的升高， 藻细胞生长速度加快；但当铁浓度达到很大时，又会再次抑制铜绿微囊藻的生长。在 自然水体中，铁的生物可利用性受到多种因素的影响，如铁的形态和浓度、其他金属、 光照、水体中有机物含量等。金相灿等【6 2 】研究发现，当水体中f e ( i i ) 浓度高于e d t a 浓度时，f c ( i i i ) 以胶体和沉淀形态存在，但铜绿微囊藻可利用的铁形态浓度依然很高， 铜绿微囊藻的生长良好；反之，f e ( i i i ) 可与e d t a 形成稳定的螯合物，抑制其生长。 王海明等【6 3 】的研究却得出了相反的结果，他认为有机络合态铁比羟基配合态更有利于 铜绿微囊藻的生长。这可能是由于二者实验条件的不同，也在一定程度上说明了藻细 胞的生长是多种因素综合作用的结果。缺铁可以诱导蓝藻分泌铁载体，在低f e 环境 下富集f e ，使得蓝藻在与其他真核藻类竞争中更具优势l 6 4 】。铜是蓝藻光合作用中电 7 第一章绪论 子传递及酶合成的关键因子，低浓度的c u 2 + 会促进藻类生长，浓度过高则产生毒害作 用。c u 2 + 浓度过高时，蓝藻逐渐产生耐受能力，尤其是群体微囊藻的耐受能力更强【6 5 】， 有些微囊藻在铜胁迫下会繁殖出特殊的藻细胞，它比常规细胞要小，能够有效阻止铜 离子进入细胞内【6 6 1 。另外，铜绿微囊藻可分泌出高分子有机物与铜离子复合，这种配 位作用会降低铜的生物可利用性和毒性，但有些物质在与铜结合后会加强铜透过细胞 膜的能力，对藻细胞产生毒害作用【6 引。 除了铁和铜之外，其它无机金属元素如：z n 、c o 、m n 等也在蓝藻的各种生理活 动中扮演着重要的角色【6 7 】。但是在大多数水生生态系统中，微量元素能够满足藻类的 生长需要，因而通过调节微量元素的含量来控制蓝藻水华似乎不太可能。有些重金属 元素如：c r l 6 引、c d 6 9 、n i t 7 0 】等会阻碍细胞正常的新陈代谢，产生致癌和致突变作用， 而有些蓝藻具有较强的外排和胞内解毒能力。z h o u 等【6 9 j 发现，当c d 浓度达到4 g m o l l 1 时，微囊藻的生物量就会受到抑制，而低于20 t o o l l - 1 时则不会产生影响。 而微囊藻为了适应这种变化，开始加快电子传递速率，强化无光照时的呼吸作用，减 少藻胆蛋白的合成，逐渐适应c d 的胁迫效应。某些藻类还具有较强的物理吸附能力， 且生物量较大，从理论上讲，完全可以取代其它化学吸附剂以去除重金属。s i n g h 等 7 0 】研究发现，在p h 为6 0 和6 4 时，铜绿微囊藻对n i ( i i ) 和c r ( v i ) 的吸附效率较高。 c h e n 等【7 i 】也发现在饱和状态下，铜绿微囊藻对p b 、c d 、h g 有较强的吸附力，它们 的去除率分别为9 0 、9 0 、8 0 。l i 等【7 2 】也发现铜绿微囊藻对铀有很强的吸附力。 藻细胞对重金属离子的吸附是发生在细胞表面的一种物理吸附过程，由于重金属离子 具有亲水带电性，而微囊藻的细胞膜又有强烈的疏水特性，使得这一吸附过程变得非 常迅速，可以在较短的时间内完成。因此，在不久的将来，微囊藻很有可能作为一种 生物吸附剂用于含重金属废水的生物处理之中。 1 2 5 温度的影响 蓝藻喜高温，这一特性来源于蓝藻本身一系列特殊的生物、化学调控机制或特性， 如类囊体不同脂肪酸比例的变化、d n a 和蛋白质合成系统及光合系统的热稳定性 4 2 1 。 正是这一特性使得蓝藻在地球6 0 亿年的演变中占据了举足轻重的地位，也是蓝藻水 华易发生在春末和夏季的主要原因，更多野外观测的结果也证实了这一点【j 7 3 1 。 b u t t e r w i e k 掣7 4 】研究了几种浮游植物的生长速率与温度的关系，结果表明：一些蓝藻 在3 0 以下不能持续生长。r e n a u d 等【_ 7 5 】发现：球等鞭金藻在1 5 下细胞内的e p a 和d h a 等多不饱和脂肪酸的百分比最大，温度升至2 0 时e p a 和d h a 含量开始明 显下降。也有研究表明：当营养盐充足时，温度越高蓝藻对其它藻类的竞争优势越大。 一般而言，在适宜的温度范围内，随着温度的升高，藻细胞生长繁殖速率加快。朱伟 北京化工大学硕士学位论文 等发现【7 6 1 ，3 5 条件下，微囊藻生长最好，其最大现存量随营养盐质量浓度的升高 而增大。j i a n g 等【7 7 】研究表明：磷酸盐和温度的交互作用对铜绿微囊藻生长影响较大。 l i u 等【7 8 】还发现：温度变化会影响某些藻类脂肪酸含量和饱和度，发菜( n o s t o c f l a g e l l i f o r m e ) 脂肪酸的饱和度在1 5 时最大，且随着温度的升高饱和度下降，不同生 长阶段藻细胞内脂肪酸的饱和度不同。 温度升高会提高藻细胞光合作用速率【7 9 】。大部分蓝藻的最适温度为2 5 3 5 【8 0 1 ， 高于绿藻和硅藻，这使得其在夏季更具有竞争优势。淡水生态系统中，当温度在l o 3 0 之间变化时，浮游植物种群以最大的生长速率从硅藻转向绿藻，再向蓝藻转化。更 重要的是，8 3 的实验结果显示：温度每升高4 ，有毒微囊藻细胞的增长速率提高 t 2 2 1 1 5 8 l 】。同时，1 3 的实验结果也显示：无毒微囊藻的生长速率更快。c h e n 等【8 2 】 对太湖多年的监测结果显示微囊藻水华多出现在水温为1 8 2 3 2 5 之间，在5 1 0 月之 间。温度较低的冬季，微囊藻会沉积于底泥中贮藏，待春季回暖时复苏和生长【8 3 1 。此 外，环境温度升高还会加快底泥中有机污染物向间隙水中释放的速掣8 4 1 ，对藻类生长 产生影响。此外，温度的影响不是孤立存在的，温度和营养盐、光照强度等因子间的 交互作用也会影响蓝藻的生长。同时，温度还会改变水体中浮游动植物的分布，营养 盐在水中的垂直迁移，藻细胞对营养盐的吸收等，这些都会影响蓝藻水华的暴发。 1 2 6 光照条件的影响 蓝藻具有较宽的光捕获特性及较好的低光利用效率，在低光照强度下，蓝藻能在 与其他藻类的竞争中形成压倒的生态优势；蓝藻具有的藻蓝蛋白能捕获5 0 0 6 5 0 1a m 波长范围的绿、黄和橙光，而这些光很难被其他藻类利用【4 2 舶】。光照强度、光质和光 照时间都会对蓝藻的生长产生影响。有些蓝藻具有伪空胞能够浮在水面，当外界光强 发生变化时，它们能够通过调节细胞内伪空胞的数量来控制自身浮力，从而改变其在 水体中的位置，以满足自身生长对光强的需求。此外，光照还会影响藻细胞呼吸强度、 能荷水平，对细胞的某些产物如类胡萝卜素的形成产生诱导作用【s 5 1 。实验发现，铜绿 微囊藻在较低的光强下仍能生长并最终导致水华的发生，而颤藻在光强超过2 0 0 0l x 条件下培养相当困难，而绿藻和斜生栅藻则需要较高的光强才能生长。蓝藻虽然能在 相对低的光照强度下生存，但光照强度过低也会产生抑制作用。陈雪初掣s 6 】研究了低 光强对源水中铜绿微囊藻增殖的影响，结果发现，在2 3 时光强小于5 0 0l x 时，铜 绿微囊藻生长受到明显的抑制，比增殖速率为负数。苏玉萍等【8 7 】的研究也发现，最初 随着光照强度的增加，水华微囊藻s z 2 0 0 3 0 7 的生长加快，但当光强超过5 0 0 0l x 时， 它的增殖速率反而减缓。此外，不同光质也会对其生长产生影响。如：s a k a i 等【8 8 】用 紫外灯做替代光源照射铜绿微囊藻时发现，一段时间后，藻细胞数量下降，光合作用 9 第一章绪论 活性降低，d n a 严重损坏。 光合作用会产生活性氧分子，当吸收的光能过量时，活性氧产量增加，会对光合 器官造成伤害。与其它放氧光合生物不同，某些蓝藻可以通过改变浮力或通过垂直迁 移离开水表层，避免吸收过多的光而造成光损伤；或通过改变色素天线的大小来调节 对光能的吸收，如：产生类胡萝卜素来淬灭3 c h l 和1 0 2 ，防止膜脂的过氧化，维持膜 结构的稳定【8 9 】；或通过各种途径散发掉过多的激发能。如：在光氧化条件下，铜绿微 囊藻会释放大量芳香烃、萘、1 3 一环柠檬酸、1 3 一紫罗兰酮等挥发性带臭味化合物 ( v o c s ) 。w a l s h 等凹】研究发现，光照和高浓度的铁会加速v o c s 的释放，而在铁浓 度较低时，v o c s 的释放相对较少。d r a b k v o a 等【9 1 】研究发现：在高光照条件下，0 2 7 m g l 1 的h 2 0 2 会使铜绿微囊藻的生物量减少5 0 。 1 2 7 水文气象条件的影响 水华暴发是蓝藻内在的生理学特性在适宜的生长条件下引起生物量激增，并在合 适的气象与水文条件下，大量蓝藻群体开始积聚并上浮到水面的结果。有证据表明： 水力停留时间较长的区域会延缓下游浮游植物的移动并支持其生长【8 9 】。有研究表明， 不同的水动力学条件会影响和改变河流中鱼类种群的动力学规律。j e o n g 等【9 6 】通过对 n a k d o n g 河的观测发现，通过对上游大坝排水量的控制，进而调节河流的流速，可减 少水华的发生。国内关于水动力学条件下水中藻类生长情况的研究很多，包括水质模 型的建立，实地观澳l j 9 2 , 9 3 】，实验模拟【9 4 ，9 5 1 等，并取得了初步的成效。高月香等 9 5 】 研究发现，适合微囊藻生长的最佳流速为3 0c m s 一，大于或小于该流速藻类生长都受 到不同程度的抑制，当流速大于5 0c i i l s 。时，藻类生长受到明显抑制。在湖泊的维护 和管理中，水体的水文学、水动力学变化会对水中溶解氧及营养物质的迁移转化，浮 游植物的生长、繁殖乃至整个湖泊的生态系统产生影响，尤其是在夏季和冬季，这种 影响更加明显。 1 3 蓝藻水华的优势理论 人类活动增加是水体富营养化的主要原因，富营养化导致蓝