（植物学专业论文）稀土元素—镧、钕对两种淡水浮游藻类增殖的影响.pdf

首都师范大学硕士学位论文 中文摘要 随着稀土在农业等领域的大规模使用，天然水体中稀土元素的积累越来越多。作为初 级生产者的藻类，不仅在水生生态系统的生物地球化学循环和能量流动中占有重要地位， 而且对外来的刺激也是非常敏感的。这就需要我们尽快着手研究稀土元素对藻类生长生理 和生态环境的影响，从环境科学与生态学观点出发，阐明稀土对整个水生生态系统的效应 及对水体富营养化的作用。 本文通过藻类增长潜力实验( a g p 实验) ，对叶绿素a 含量、光密度值、细胞密度等 指标的分析和比较，研究了不同的稀土元素镧( h ) 和钕( n d ) 在不同培养体系中， 对两种常见的淡水浮游藻类斜生栅藻和铜绿微囊藻增殖和竞争的影响，以期为农业生 产、水生生态系统保护、预防或减缓水体富营养化等方面提供科学依据。 a g p 实验结果显示： 中、低浓度( 1 0 0 0 0 m u l ) 的镧和钕对斜生栅藻的增殖无明显促进或抑制作用，高 浓度( 1 0 0 0 0 0 m g l ) 则有强烈抑制或毒害作用。 低浓度( o 1 0 0 0 r a g l ) 的镧对铜绿微囊藻增殖有轻微促进作用，且浓度与促进作用 成正相关。而低浓度的钕，随浓度增大，对铜绿微囊藻的增殖由轻微促进转为轻微抑制。 中、高浓度( 1 0 0 0 0 r a g l ) 的镧和钕对铜绿微囊藻的增殖都有强烈抑制或毒害作用。 在中、低浓度镧的条件下，对于斜生栅藻和铜绿微囊藻初始比例为l ：l 和1 ：1 0 的 两个共培养体系，斜生栅藻在竞争中均占有明显优势。 进一步对比研究发现： 铜绿微囊藻对低浓度稀土的适应能力要强于斜生栅藻。而斜生栅藻对中等浓度 ( 1 0 0 0 0 m g l 左右) 稀土的耐受能力则明显强于铜绿微囊藻。 镧和钕对藻类增殖影响的差异不太明显，镧的作用略大于钕。 在一定的镧浓度范围内( 1 0 0 0 0 m g l ) ，在有藻类竞争的条件下，培养液中的藻类 增长率随镧浓度增大而增大，随竞争激烈程度增大而增大。 本研究成果可作为农业生产中如何正确、安全地使用稀土元素的科学依据，为预防稀 土过量对水生生态系统的毒害作用提供可借鉴的依据，为预防和减缓水体富营养化提供一 个新思路。 关键词：藻类增长潜力实验、稀土、镧、钕、斜生栅藻、铜绿微囊藻、竞争 l 首韶师范大学硕士学位论文 e f f e c t so fl a x n do nt h ec e l lm u l t i p i f i c a t i o no f t w o p h y t o p l a n k t o n si nf r e s hw a t e r a u t h o r ：c u iy i - c h u ut u t o r ：d ug n i - s e np r o f e s s o r c o l l e g eo fl i f es c i e n c e so ft h ec a p i t a ln o r m a lu n i v e r s i t y a b s t r a c t b e i n gw i d e l ya p p l i e di na g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n , 矗们e a r t he l e m e n t s ( g e e ) a c c u m u l a t e di n n a t u r a lw a t e rw i t ht h et i m ep a s s i n gb y a l g a e , a st h ep r i m a r yp r o d u c e r , n o to n l ya r eo fg r e a t i m p o r t a n c emb i o g e o c h e m i c a lc y c l ea n de n e r g yc i r c u l a t i o no fe c o s y s t e m b u ta l s os h o wg r e a t s e n s i t i v i t yt o w a r do u t s i d ei n c i t a t i o n a sar e s u l t , i ti sv e r yn e c e s s a r yf o ru st om a k er e s e a r c hi n t o t h ei n f l u e n c eo f r e e u p o na l g a - g r o w t h - m e c h a n i s ma n de c o s y s t e m , a n di l l u m i n a t et h ei m p a c to f r e eo nt h ew h o ma q u a t i ce c o s y s t e ma n d e u t r o p h i c a t i o no f t h ew a t e rb o d y i nt h i sp a p e r , a l g a lg r o w t hp o t e n t i a lt e s t s ( a g p ) i nw h i c hp a r a m e t e r ss u c ha sc h l 扎c o n t e n t s o p t i c a ld e n s i t ya n dc e l ld e n s i t yw e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e dw e r ec o n d u c t e d i nd i f f e r e n tc u l t u r e s y s t e m ，t w ok i n d so fr e e0 e n t h a n u ml aa n dn e o d y m i u mn d ) w e r ei n v e s t i g a t e do nt h e i re f f e c t u p o nt h em u l t i p l i c a t i o na n dc o m p e t i t i o no ft w oe n n l n l o np h y t o p l e n k t o n si n 舭s hw a t e r ( s c e n e d e s m u so b 幻u ma n dm i c r o c y s t i s 口盯昭伽口) w i t ht h eg u i d a n c eo ft h er e s u l t s ，s c i e n t i f i c e v i d e n c ew a sp r o v i d e df o ra g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n , a q u a t i ce c o s y s t e mp r o t e c t i o n , w a t e ri x ) d y e u t r o p h i c a t i o nd e c e l e r a t i o no rp r e v e n t i o n i tw a si n d i c a t e db yt h ea g pr e s u l t st h a tu n d e rm i d d l e - l o wc o n c e n t r a t i o n ( 1 0 0 0 0 m g l ) ， l a n t h a n u ma n dn e o d y m i u md i dn o ts h o wo b v i o u sa c c e l e r a t i o no rd e c e l e r a t i o ne f f e c to n m u l t i p l i c a t i o no fs c e n e d e s m u so b i q u u s h o w e v e r , i n t e n s er e s t r a i n i n ga n dp o i s o n i n gi m p a c tw a s d e t e c t e du n d e rh i 曲l a n t h a n u mo rn e o d y m i u mc o n c e n t r a t i o n ( 1 0 0 0 0 0 m g l ) l a n t h a n u mu n d e rl o wc o n c e n t r a t i o n ( o 1 0 0 0 m g l ) s l i g h t l ya c c e l e r a t et h em u l t i p l i c a t i o n o fm i c r o c y s t i sa e r u g i n o s aa n dt h ea c c e l e r a t i n gi n f l u e n c es h o w e dp o s i t i v ec o r r e l a t i o nw i t ht h e c o n c e n t r a t i o n n e o d y m i u mw i t h l o wc o n c e n t r a t i o ns l i g h t l yp r o m o t e dt h em u l t i p l i c a t i o no f m i c r o c y s t i sa e r u g i n o s a , b u tt h ei m p a c tc h a n g e di n t os l i g h t l yr e s t r a i n tw i t ht h ec o n c e n t r a t i o n 2 首都师范大学硕士学位论文 i n c r e a s i n g b o t hl a n t h a n u ma n dn e o d y m i u mi nh i g hc o n c e n t r a t i o n ( 1 0 0 0 0 r a g l ) e x h i b i t e d i n t e n s i v e l yr e s t r a i n i n ga n dp o i s o n i n ge f f e c tu p o nt h em u l t i p l i c a t i o no f m i c r o c y s t i sa e r u g i n o s a u n d e rm i d d l e - l o w a n m a n u mc o n c e n t r a t i o n ，s c e n e d e s m u ao b i q u 懈h e l do b v i o u sc o m p e t i t i o n p r e d o m i n a n c ei nt h et w oc o - c u l t u r es y s t e m sw h e r et h ei n i t i a lr a t i ob e t w e e ns c e n e d e s m u s i tw a ss h o w nb yf u r t h e ri n v e s t i g a t i o nt h a tm i c r o c y s t i sa e r u g i n o s ah a ds t r o n g e rt o l e r a n c e a b i l i t ya g a i n s tl o w - c o n c e n t r a t i o nr e et h a nt h a to fs c e n e d e s m u so b i q u u a a tt h es a m et i m e ， s c e n e d e s m u ao b i q u u s a p p a r e n t l ys h o w e ds t r o n g e rt o l e r a n c ea b i l i t ya g a i n s tm i d d l e c o n c e n l r a t i o n r e e ( a r o u n d1 0 0 0 0 m g l ) t h a nt h a to f m i c r o c y s t i sa e r u g i n o a a 【 t h e mw a sn oo b v i o u sd l f f e r a n c cb e t w e e nt h ei n f l u e n c e so fl a n t h a n u ma n dn e o d y m i u m u p o nt h ea l g am u l t i p l i c a t i o n , a n dt h ee f f e c to fl a n t h a n u mw a sa p p r e c i a b l ys 仰o n g e rt h a nt h a to f u n d e rg i v e n | a n t h a n u mc o n c c u t r a t i o n r a n g e ( 1 0 0 0 0 m g l ) a n dc o m p e t i t i o no f o t h e ra l g a e ， t h e a l g am u l t i p l i c a t i o nr a t ei n c r e a s e dw i t ht h ea u g m e n to fl a n t h a n u mc o n c e n t r a t i o na n d s t r a n g t h e n i n go f c o m p e t i t i o n t h er e s u l t sc o u l db ee m p l o y e da ss c i e n t i f i cb a s i sf o rp r o p e ra n ds a f ea p p l i c a t i o no fr e ei n a g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n ，a n dp r o v i d er e a s o n a b l ee v i d e n c et op r e v e n tt h ep o i s o n i n go fo v e r - d o s e d r e eo na q u a t i ce c o s y s t e m ，a n do f f e ran e ww a i no ft h o u g h t si np r e v e n t i n ga n dd e c e l e r a t i n g e u t r o p h i c a t i o ni nw a t e rb o d y k e y w o r d s ：a l g a lg r o w t hp o t e n t i a lt e s t ( a g p ) ，r a r ee a r t he l e m e n t ( r e e ) ，l a , n d , s c e n e d e s m u so b i q u u s , m i c r o c y s t i sa e r u g i n o s c lc o m p e t i t i o n 3 首都师范大学硕士学位论文 首都师范大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。 学位论文作者签名： 崔宜痞日期：刁年占月夕日 首都师范大学位论文授权使用声明 本人完全了懈首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文 并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利 目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据 库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规 定。 学位论文作者签名： 疰宦喜 日期：口年岳月岁日 首都师范大学硬士学位论文 第一章引言 1 1 稀土元素应用所带来的生态环境效应 稀土是一组性质相近的元素，由元素周期表中i i i b 族的1 5 种镧系元素( 即：镧l a 、 铈c e 、锴p r 、钕n d 、钷p m 、钐s m 、铕e u 、钆g d 、铽n 、镝d y 、钬h o 、铒e r 、铥 t m 、镱y b 、镥l u ) ，以及与镧系元素性质极为相似的钪( s c ) 、钇( y ) 共1 7 种元素组成， 统称为稀土或稀土元素( 张若桦，1 9 8 7 ) 。 其实，稀土在自然界中并不“稀有”，稀土元素( r a r ee a r t he l e m e n t 简称p o s e ) 在地壳中 的比例约0 0 1 5 3 ，其含量甚至比人们熟悉的微量营养元素b 、z n 、m o 和c u 还要多， 它们的性质活跃，与氧具有很强的亲和力，主要集中在岩石圈中( 王立刚等，1 9 8 9 ) 。 我国是世界上稀土最多的国家，储量约为4 3 0 0 万吨( 以r e 2 0 3 计) ，约占世界总量的 4 1 3 。自1 9 8 4 年以来，我国稀土的年产量增长率均在2 0 以上( 胡勤海等，2 0 0 3 ) 。丰 富的稀土矿物资源，为各行业提供了得天独厚的物质基础。目前，稀土元素被广泛应用于 冶金、石油化工、玻璃陶瓷、电子光学材料、磁性材料、医药及农业等现代科学技术领域， 尤以石化、印染、制革及农业应用与发展最为迅速( 李振宏等，1 9 9 6 ) 。 1 9 1 7 年，我国钱崇澍与美国o s t e n h o u t 发表了钡、锶、铈对水绵生理作用的研究结果， 从而开创了稀土元素的生物活性研究。我国从2 0 世纪7 0 年代以来，通过深入的试验研究 与反复的生产实践，成为世界上第一个把稀土元素作为一种商业性产品应用于农业生产的 国家( 王咏梅等，2 0 0 4 ) 。 1 1 1 农用稀土的使用现状 我国至今己在农用技术、土壤学、植物生理学、卫生毒理学、分析检测方法和产品工 艺等稀土应用方面取得了较大的进展，在国际上处于领先地位。 在稀土肥料的施用方面，主要呈现以下三个趋势： 首都师范大学硕士学位论文 施用范围、对象不断扩大。 已从单一粮食作物的田间试验扩展到蔬菜、水果和林业种植的大范围施用，并且作为 添加剂在畜牧业和渔业方面也有较广泛的使用。同时，稀土的应用向提高经济类作物产量 和品质、加速林业、畜牧业和养殖业发展方向发展。 施用量不断增加，经济效益显著。 目前全国各地都在推广和使用稀土微肥，施用面积已达8 0 0 0 万亩年，累计推广面积 约1 3 6 亿亩，累计施用稀土达1 万余吨，施用稀土的农业作物、牧草、林茁种类己扩展 到近1 2 0 种，增产粮棉瓜果等农产品上百亿公斤，年增经济效益1 0 亿元以上( 陈怀满主 编，2 0 0 2 ) 。 施用方法有所变化。 农用稀土肥料一般采用较易溶解于水的硝酸盐类或稀土碳铵复合肥( 章健等，1 9 9 7 ) 。 从1 9 9 6 年开始，稀土添加至复合肥的用量已占稀土农用总量的7 0 以上。施用方法多为土 施、浸种和喷施，此外还发展了叶面喷施、拌种等方法( 王咏梅等，2 0 0 4 ) 。 根据国家稀土“十五”发展规划，到“十五”末期，我国稀土肥料施用面积将达 到2 亿亩年，稀土农用消费量将达到5 2 0 0 吨年左右( 陈怀满主编，2 0 0 2 ) 。 1 1 2 稀土的生态环境效应 ( 1 ) 环境中稀土的分布和影响 由于稀土在农业生产中的使用范围和使用量不断增大，特别是稀土与大量营养元素 ( 如n 、p 、k 等) 作为基肥进行混合施肥技术的推广，使进入土壤的稀土显著增加。稀 土元素本身具有纵向淋溶与侧向迁移流动的双向性，加之雨水的径流和淋溶作用，加速了 稀土元素由岩土圈向水圈和生物圈的转移。 通过大量测定发现，土壤中可溶态稀土一般只占总量的1 0 以下；农用稀土进入土壤 后约有9 9 被土壤快速吸收，在一般条件下解析及扩散较慢，不会对正常条件下的非酸性 土壤下水层产生污染。但在酸雨及红土地区，稀土的迁移速度随降雨p h 值的降低及淋洗 量的增加而加快( 彭安等主编，2 0 0 3 ) ，更容易显现对水环境和生态环境的影响。 2 首都师范大学硕士学位论文 有关资料表明，我国河水稀土元素浓度分布呈现两大特点：一是含量较高，如镧、铈、 钕等平均浓度均比世界淡水平均浓度高2 倍以上；二是分布不均匀，如：嘉陵江支流稀土 浓度比其他支流高出l 2 倍；赣江的稀土背景值也明显高于鄱阳湖水系其它支系嘉陵江 和赣江所在地四川省和江西省都是我国稀土资源大省( 王咏梅等，2 0 0 4 ) 因此在这 些地区工、农业生产中应用稀土时，应特别注意对水生生态系统的潜在影响 稀土元素在环境中具有累积效应，在水体食物链中易富集、迁移并具有一定的生物放 大作用( 尹大强等，1 9 9 8 ) ，并有可能最终影响人体健康。 ( 2 ) 稀土的生物效应 稀土元素的生物学效应受到了人们的广泛关注。国内外的研究者开展了关于稀土元素 的基本生化性质、对生物大分子、细胞和组织的作用、以及在生物体内的代谢和毒理作用 等多方面的研究。 稀土的植物生理效应 大量研究表明，稀土元素可促进种子萌发和根系生长，提高座花、座果率，提高植物 硝酸还原酶、固氮酶、淀粉酶、蛋白酶、过氧化物酶和酯酶等酶的活性，从而促进植物的 新陈代谢和生长发育。在适当稀土浓度下，植物体内的生长素、赤霉素、细胞分裂素等激 素的含量均有不同程度的增加( 沈博礼等，1 9 9 4 ) ，植物对氮、磷等养分的吸收，运转和 利用能力有所提高，土壤中氮素损失减少。 同时，一定浓度下的稀土元素对植株的叶绿素含量和光合反应速率有明显的促进作 用，并可促进植株光合产物向籽实的运转。一定浓度的稀土还可促进植物p s 蛋白质复 合体的活性并加快光合电子传递的速率，从而促进整个光能转换和光化学反应过程( 储钟 稀等，1 9 9 4 ) 。 稀土还能提高植物抗寒、抗旱、抗病、保水、耐高温及抗酸雨胁迫能力。稀土离子能 与植物细胞膜的磷脂结合，调节钙的代谢，并取代c a 2 + 、m f + ，维持细胞膜的通透性和稳 定性，提高细胞膜的保护功能，增强作物对不良环境的抵抗能力( 倪天华等，2 0 0 3 ) 。同 时稀土还可激发植物体内过氧化物酶活性并诱导酚类物质的增加而衍生植保素，从而有效 3 苜都师范大学硕士学位论文 地抑制病原体的侵染，提高作物的抗病性( 郜红建等，2 0 0 3 ) 。 研究结果表明，低浓度稀土元素能对粮食作物增产1 5 ，油料作物增产1 0 ，蔬菜作 物、水果增产5 0 ，并改善其品质，从而提高经济效益。 但高浓度稀土，对植物生长和光合作用均具抑制作用，能降低和破坏植株的抗逆、抗 病能力。一般认为高浓度稀土离子与m 矿+ 发生竞争、吸附，取代m 矿+ ，从而影响叶绿素 的合成；高浓度稀土可与a t p 形成络合物，从而抑制已糖激酶的催化反应，使糖酵解受阻， 导致细胞内可溶性糖增加，质膜通透性增大，电解质和细胞质外渗，使抗逆能力降低。 稀土的动物生理效应 在养殖业上的稀土应用试验表明，给畜禽饲喂适量的稀土能促进畜禽生长，并有一定 的抑瘤、抗诱变及预防癌症发生等作用。此外，由于稀土还对多种细菌的生长、繁殖有抑 制作用，故稀土饲料添加剂还可起到防治畜禽疾病、提高成活率的作用等。 但稀土对动物的促进作用受剂量大小的限制，高浓度稀士对动物的生长生理有一定毒 害作用。稀土的毒性作用遍及动物体各系统。其中，主要是对肝的损害，还影响血液的凝 固，降低平滑肌和心脏的收缩能力，降低血压，最后引起心脏休克、甚至急性中毒死亡等。 此外，稀土核素的放射性可诱发骨髓细胞突变，形成多畸变细胞( 杨维东等，2 0 0 0 ) 。有 关调查表明，长期吸入稀土粉尘的作业工人与非稀土作业者相比，细胞免疫功能明显降低。 2 0 0 2 年“稀土农用的环境化学行为及生态、毒理效应”课题组提出稀土对大鼠的最低毒作 用剂量为2 m g k g ( 彭安等主编，2 0 0 3 ) 。 小结 有人将稀土元素在低剂量时对生物机体产生有益反应( 刺激作用) ，而高剂量时产生 有害反应( 抑制作用) 的现象，称为h o r m e s i s 效应。其产生机理尚未定论( 张信连等，2 0 0 4 ) 。 1 1 3 稀土元素对藻类的影响 近年来，有关稀土元素对水生生物影响的研究报道日渐增多。藻类作为水生生态系统 的初级生产者，对外来物质的刺激反应是非常敏感的，从而易出现种群结构及生物多样性 的变化。 4 首都师范大学硕士学位论文 胡勤海等人先后就多种稀土元素对多种藻类的生长、生理及叶绿体结构等影响进行了 中、短期试验研究，结果显示：低浓度稀土元素有促进作用，但随着处理浓度的提高和时 间的延长，这种作用逐渐减弱或消失，甚至转化为抑制作用，高浓度时藻死亡，叶绿体结 构被破坏。各实验结果按时间顺序总结见表1 1 。 表1 1 稀土元素对藻类生长影响的研究一览 t a b 1 - lt h eb r i e f o f s t u d i e sa b o u tt h er e e se f f e c t so i lt h ea l g a lc e l lm u l 印l i e a t i o n 差鱼旦董蔓坚! 鱼! ： ! ：垫型生星盔堡箜：! 丝! 堂垩塾鱼堡翌垫! ：! ：! ! ! ! 竖! 些! ! ：! ! 竖! 些室壅墨：! 塑! 小球藻7y ，s m 2 5 m g ，l ( y ) 4 5 。g ，l 胡勤海等，2 0 0 l l 6 m ， 3 0 、6 0 m g l 隐甲藻 ( 轻微抑制) 杨革等，2 0 0 2 n d 9 0 m g ，l ( 强烈抑制) 铜绿微囊藻l a 1 2 5 0 0 0 i g l钱芸等，2 0 0 3 墼查! ! 堡蔓坠! ：! 墨吐至! ：! 磐吐婆塑查量：! ! ! ! 塑堡垡壅壅坚三! 璺吐 三! 里g 尘 签堕篁：! 塑! 铜绿微囊藻 c e o 2 m g l 林俊等，2 0 0 4 此外，一些实验结果强调了稀土元素对藻的促长作用。曲克明( 1 9 9 8 ) 研究发现对牟 氏角毛藻的最佳浓度分别为镧7 2 8 5 0 9 8i im o l l ，钆1 9 0 8 4 4 5 2pm o l l ，镱5 7 8 2 8 8 9 pm o l l 。辛福言( 1 9 9 8 ) 研究发现镧脯氨酸和镧一苯丙氨酸对球等鞭金藻的细胞繁殖及叶 绿素的合成有明显的促进作用。邢少瑗( 2 0 0 2 ) 研究发现在0 1 o 5m g l 范围内镧对亚历 山大藻生长的促长作用越来越明显，浓度越高，促长作用越大。 同时，另一些实验结果则强调了稀土元素对藻的抑制作用。章健等( 1 9 9 7 ) 试验发 现镧对水体中混合藻细胞生长均表现为抑制作用，且随稀土浓度的增加，抑制作用加大( 藻 细胞密度、叶绿素a 含量降低) 。当浓度达n 4 0 0m g l 时，混合藻的生长几乎完全被抑制。 首都师范大学硕士学位论文 尹大强等( 1 9 9 8 ) 试验发现添加混合稀土，各浓度组均没有明显的促长作用。胡勤海等 ( 2 0 0 3 ) 认为5 m g l 的钕及混合稀土对藻类的抑制作用较明显。刘志伟( 2 0 0 4 ) 试验发现 镧浓度低于5 0 0 l lg l ，对鱼腥藻生长基本无影响，但随着浓度的增大，抑制作用逐渐明显。 还有一些实验则涉及到稀土元素对藻的生理生态影响。尹大强等( 1 9 9 8 ) 实验表明， 镧( o 2 r a g l ) 和磷对藻表现出明显的协同促长作用，而钆和钇与磷对藻增长则不具有协 同促长作用。宋凌云等( 2 0 0 0 ) 发现低浓度镧促进满江红鱼腥藻的光合放氧和叶绿素a 合成， 而高浓度时起抑制作用。杨革等( 2 0 0 2 ) 发现镧和钕在3 0 m g l 和6 0 m g l 时对隐甲藻的二十 二碳六烯酸( d h a ) 生成有刺激作用。高于9 0 m g l 贝o 有抑制作用。镧在0 1 2 0m e t e ，钕在 o 9 0m g l 对n 氮酶活性有刺激作用，超过此范围则有抑制作用，并随浓度的增高，抑制作 用明显增强。刘志伟( 2 0 0 4 ) 发现镧对转基因鱼腥藻7 1 2 0 蛋白含量和t n f 表达水平的影响 相似，低于2 0 0p 扎，没有影响。随浓度升高，二者均降低。这表明在转基因鱼腥藻培养 过程中应避免高浓度的稀土元素存在。胡勤海等( 2 0 0 3 ) 在研究外源性稀土对淡水藻类生 物多样性的影响时发现，低浓度稀土( 1 i n g l ) 在试验初期对藻的种类数及个体总数均呈 一定的刺激作用，但后期则转为抑制作用。 胡勤海等( 1 9 9 6 ) 认为镧、铈、镨、钕4 种稀土元素及其混合物对小球藻的毒性尚属 中等。胡勤海等( 2 0 0 1 ) 认为钇对小球藻的毒性要大于钐的毒性，但总体尚属中等。胡勤 海等( 2 0 0 3 ) 认为单一稀土元素钕的毒性要比混合稀土略大。尹大强等( 1 9 9 8 ) 认为轻、 中、重3 类稀土对藻增长的影响具有一定的差异性，其顺序为轻稀土 中稀土和重稀土。 彭安等( 2 0 0 3 ) 认为稀土元素的原子半径越大，毒性越大。 另有一些研究表明，稀土对水生藻类等水生植物生长的影响，一般取决于稀士元素种 类本身，而与其化合物类型则关系不大。辛福言( 1 9 9 8 ) 在研究镧脯氨酸和镧苯丙氨酸 对球等鞭金藻的作用时，发现有明显的促进作用，并认为这种促进作用并非由氨蓼黪引入 造成的，因为镧氨基酸络合物的作用效果与镧的作用效果是等同的。 6 首都师范大学硕士学位论文 1 2 富营养化过程中的藻类竞争能力 1 2 1 富营养化问题 随着环境的变迁，自然界的湖泊必然经历发生、发展、衰老和消亡的缓慢演变过程， 往往需要几千年，甚至更长的时间。现代文明社会，由于人类活动影响的加剧，湖泊富营 养化的过程大大加快，往往几十年甚至更短的时间就能完成。中国湖泊富营养化中定 义湖泊富营养化为：在自然因素和人为因素影响下，大量营养盐输入湖泊水体，使湖泊由 低的营养状态逐步向生产力较高的营养状态转化的现象，这是一个营养状态连续发展的过 程( 金相灿等，1 9 9 0 ) 。 我国各类水体富营养化发展速度惊人、趋势严峻。如：富营养化湖泊比例由2 0 世纪 7 0 年代末的4 1 发展到8 0 年代后期的6 1 ，至2 0 世纪9 0 年代后期已升到7 7 。 水体富营养化是一个刻不容缓的问题，它严重破坏水生态系统的生态平衡。湖泊蓝藻 水华的暴发是湖泊富营养化发展到最高阶段的一种重要现象( 马祖友，2 0 0 5 ) 。蓝藻大量 生长改变了水体的理化环境，透明度降低，水体散发腥臭昧，溶解氧减少。当水体中的营 养素被蓝藻耗尽时，蓝藻大量死亡，各种有害气体及藻毒素大量释放，最终导致水生态系 统的迅速崩溃。尤其是藻毒素对水生生物、家畜以及对人类的危害已引起人们的重视：高 浓度微囊藻毒素可影响水生植物种群的多样性；使鱼卵变异、蚤类死亡、鱼类行为及生长 异常；它具有明显的肝毒性，在较低剂量下可引起靶器官肝脏细胞的线粒体和内质网受损， 以及血液中l d h 、g p t 和肝细胞谷胱甘肽的改变，可明显促进已知的肿瘤产生癌变作用。 调查结果表明我国南北几省市的各种水体均有不同程度的藻毒素污染，有学者认为蓝藻毒 素是引起我国南方肝癌高发的主要危险因素之一。世界卫生组织制定了饮用水中蓝藻毒 素的控制标准为1u l ( 王扬才等，2 0 0 4 ) 。富营养化还会给水处理造成困难：水中藻类 会大大提高化学需氧m ；( c o d ) 、生物需氧量( b o d ) 、悬浮固体( s s ) 等的浓度；会严重影响水 厂的工艺运行、腐蚀管网、恶化出水水质。同时蓝藻水华也给水产养殖业、供水及旅游业 带来极大的危害。 一旦水体发生富营养化，其治理极其棘手，不仅要花费大量的人力、物力去进行治理， 7 首都师范大学硕士学位论文 更重要的是同时造成宝贵水资源的大量浪费，使区域资源的持续利用及经济、社会的可持 续发展受到严重制约。 1 2 2 藻类竞争 竞争关系是一种负相互作用的种间关系，指两个物种间通过共同利用一种有限的资源 ( 常包括空间、营养物质、光等) 而发生的一种间接的相互关系。随着湖泊水体富营养化 的加剧，有关藻类之间竞争关系的研究越来越受到关注，因为它在富营养化的水生生态演 替中具有重要作用。张冬鹏等( 2 0 0 0 ) 认为藻间相互作用在赤潮发生中可能起重要作用。 h o l m 等( 1 9 8 1 ) 报道了硅藻和微囊藻种间的相互作用，认为硅元素的减少，营养物的 增加是导致微囊藻取代硅藻并成为优势种的重要因素。刘世枚等( 1 9 9 1 ) 研究了两种蓝藻 种群间的作用。陈德辉( 1 9 9 9 ) 认为微囊藻对栅藻的抑制能力是栅藻对微囊藻抑制能力的 7 倍，并以此作为微囊藻可能爆发成为“水华”的理由之一马祖友( 2 0 0 5 ) 在模拟太湖 水的竞争实验( 磷分别为0 0 1 2 、0 1 1 2 、0 4 1 2 和1 6 1 2m g l ) 中发现，四尾栅藻均形成优 势。他还通过实验证明合适的低光照、高温和磷浓度有利于蓝藻获得竞争优势。 研究污染条件下的种间竞争关系，不易进行直接观察和测定，有较大的难度，或者很 难得出明确的结论。但污染对竞争结果的影响也是值得重视的问题。目前认为，污染对竞 争的影响体现在以下两个方面：( 1 ) 污染可以改变或逆转种间竞争关系。在正常的非污染环 境中具有竞争优势的物种，当环境受到污染后其优势地位可能被削弱，而原先处于竞争劣 势地位的物种则取而代之成为优势种。( 2 ) 污染引起物种摄取能力的改变，从而间接影响 竞争关系。参与竞争的物种在污染物胁迫下的摄食率敏感性差异将改变种间竞争关系，最 敏感( 即摄食行为最易受污染物影响) 的物种被淘汰，而抗性最强的物种将成为优胜者( 牛 明改，2 0 0 3 ) 。 1 3 研究目的和内容 微型浮游植物在水生生态系统的生物地球化学循环和能量流动中占有重要地位。稀土 元素的大规模使用，必然提高水环境中的稀土含量，这就需要我们尽快掌握稀土元素对藻 8 首都师范大学硕士学位论文 类生长生理和生态环境的影响，从环境科学与生态学观点出发，阐明稀土对整个水生生态 系统的效应及对水体富营养化的影响。 尽管关于稀土对藻类的影响研究活动已经有所开展，但所涉及的浓度梯度较少，范围 较小，单位不够统一，藻种各异，且都是针对单一藻类，有关稀土元素对种问竞争关系的 影响研究未见报道。故本文将浓度梯度扩大至1 0 的数量级，设计6 个不同浓度的处理组， 以我国最常见的浅水湖泊水华蓝藻和绿藻铜绿微囊藻和斜生栅藻为实验对象，研究镧 和钕两元素对藻类增殖和竞争的影响。以期对其机理进行一些科学探索，积累一些实验证 据。这将对探明稀土元素对藻类生理、生态，以及整个水生生态系统的影响，对制定稀土 的生物监测及排放标准，对研究稀土作用下的富营养化过程中，群落演替的规律和机制等 均具有重要意义。 首都师范大学硕士学位论文 2 1 实验材料 第二章材料与方法 本课题所选用的藻种是绿藻门( c h l o r o p h y t a ) 的斜生栅藻( & 肼p 如脚淞o b i q u u s ( t u r p ) k i l t z ) 和蓝藻门( c y a n o p h y t a ) 的铜绿微囊藻( m i c r o c y s t i sa e r u g i n o a ak l l t z f a c h b - 4 6 9 ) 。 均购于中国科学院水生生物研究所藻种库。为论述方便，将斜生栅藻和铜绿微囊藻分别简 写为“s ”和“m ”。 铜绿微囊藻属蓝藻门、色球藻科、微囊藻属。幼体为球形或椭圆形的实心群体，后长 成为网络状的中空囊状体或胶群体。群体胶被透明无色。细胞球形或近球形( 原核) ，直 径3 7 微米，蓝绿色。一般具伪空胞( 似液泡构造体) 。生长于静水或环流中，在春及夏 季生长茂盛，是许多湖泊水华的主要藻种。 斜生栅藻属绿藻门、栅藻科、栅藻属。多由2 、4 、8 个细胞组成，呈直线或略作交互 排列。细胞为纺锤形，两端尖细，宽3 9 微米，长1 0 2 1 微米，细胞壁平滑。为很常见 的浮游种类，易大量培养。 分别用t a ( c l l h 7 0 3 ) 4 ( c 1 2 h s n 2 ) k h 2 0 和n d ( c l l h ，0 3 ) 4 ( c 1 2 h s n 2 ) 2 k h 2 0 进行藻类增长 潜力试验( a l g a lg r o w t hp o t e n t i a lt e s t ，简称a g p 试验) 。 2 2 实验方法和条件 ( 1 ) a g p 实验流程 本实验严格按a g p 实验流程进行，如图2 1 所示。 1 0 首都师范大学硕士学位论文 囊种 i i 培猫 i 卿磷 l i 上 i l i i 殴i 戳州i l 姐i 1 i i 麓种一l i 一一 一 i 轿i l l光蠹既叶缘素量 i 譬_ 囊醐鲫侮羰 图2 一l 藻类生长潜力实验( a g p ) 流程简图 f i g 2 - 1t h ee x p e r i m e n t a lf l o wo f a l g a lg r o w t hp o t e n t i a l ( a g p ) ( 2 ) 玻璃器皿的准备 将洗净的锥形瓶( a p p r o x 2 5 0 m 1 ) 及5 0 m l 、1 0 0 m l 量简放入1 0 的h c i 溶液中2 4 b 时，取出用清水冲洗5 遍，蒸馏永冲洗2 遍后，放在干燥箱中干燥，备用。 ( 3 ) 藻种驯化与培养的条件 将藻种在m g c 3 0 0 b 型微电脑控制光照培养箱中进行无菌驯化和培养。斜生栅藻和铜 绿微囊藻均选用b g l l 培养基。培养条件为：光照强度：2 5 0 0 3 0 0 0l u x ；温度：2 24 - 1 2 5 士1 ；光暗比：1 4 h ：1 0 h 。 在准备a g p 试验前约l 2 星期，将保存的藻种转移到锥形瓶中进行扩大培养。培养2 3 天后，再将藻种转接到新培养基中，按同样培养条件培养。所有转接均应在无菌条件下进 行。这样的连续转接预培养共进行2 3 次。用显微镜检查有无杂藻和藻类生长情况，如生 l l 首都师范大学硕士学位论文 长良好，达到同步生长，就可作为进行试验时的藻种液。 在培养中，为减少因光照不均匀可能造成的影响，每隔2 3 h 摇动并更换各实验组锥形 瓶的位置一次。每日定时在t z 3 0 型摇床上，在2 5 0 0l u x 光照条件下摇动培养2 - 3 h ，转速： 1 3 5 r a i n 。保持实验液的p h i l 8 5 。 2 3 培养基的配制 ( i ) 基础培养基b g l l 培养基 母液配方 ( a ) s t o c k l 营养盐类 浓度( m g l ) n a n 0 3 3 0 0 0 0 k 2 肿0 4 3 - 1 2 0 8 n a 2 c 0 3 4 0 0 d i s t i l l e dw a t e r1 0 0 0 m l ( b ) s t o c k 2 营养盐类 浓度( m g l ) c i l r i ca c i d3 0 0 f e r r i ca m m o n i u mc i t r a t e3 0 0 n a 2 e d t a 5 0 d i s t i l l e dw a t e l 1 0 0 m l ( c ) s t o c k 3 营养盐类 浓度( r a g l ) c a c l 2 2 h 2 0 1 8 0 0 d i s t i l l e dw a t e r1 0 0 m l ( d ) s t o c k 4 营养盐类 浓度( m g ，l ) m g s 0 4 7 h 2 0 3 7 5 0 d i s t i l l e dw a t e r1 0 0 m l 首都师范大学硕士学位论文 ( e ) s t o g k 5 营养盐类 浓度( m g l ) h 3 b 伤 2 8 6 0 m n c l 2 4 h 2 0 1 8 1 0 z n s 0 4 - 7 h 2 0 2 2 2 c i i s o 5 i 2 0 7 9 n a 2 m 0 0 2 2 h 2 0 3 9 1 c 0 0 2 ，6 h 2 0 4 9 d i s t i l l e dw a t e r1 0 0 0 m l 工作液配方 母液体积 、 s t o c k l5 0 s t o c k 2 2 s t o c k 32 s t o c k 42 s t o c k 5 1 d i s t i l l e dw a t e rl 0 0 0 ( 2 ) 含稀土元素浓度梯度的培养基配制 纯培养实验 分别用l a ( c n h 7 ) 4 ( c 1 2 h s n 2 ) k h 2 0 和n d ( c i i h 7 0 3 ) 4 ( c , 2 i - i , n 2 ) 2 k ，h 2 0 配置系列l a 、n d 浓度梯度的液体培养基，见表2 1 。 表2 1 纯培养实验培养基中l a (