角毛藻对营养盐的吸收／释放速率常数的测定

第 2 2卷第 2 期 2 0 0 1年 6 月 海洋水产研究 M AR1 NE F I S HERI E S RES E AR CH VoI 2 2 NO 2 J u n 2 0 0 1 角毛藻对营养盐的吸收 释放速率常数的测定 韩秀荧 王修林 祝陈坚 青 岛海洋大学化学化工学院 2 6 6 0 0 3 摘要 采用 1次培养的实验方法 测定 了角毛藻对氮 磷等营养盐的吸收情况 并根据王修林等提 出的生态动力学模型 测定了该藻种对营养盐吸收 释放的动力学参数 其中 对 NO 的吸收速率常 数和释放速率常数分别为 0 4 2 d和 0 1 5 d 对 P 0 的吸收速率常数和释放速率常数分别为1 7 2 d 和 0 7 7 d 这表明 角毛藻对 P 0l 的吸 收和释放均大于 N Oa 关键词 角毛藻 营养盐 动力学模型 吸收 释放 De t e r m i na t i o n o f r a t e c o n s t a nt s f o r u pt a k e a n d r e l e a s e o f nu t r i e n t s b y Ch a e t o c e r o s s p HAN Xi u r o n g WANG Xi u l i n Z HU C h e n j i a n Co l l e g e o f Ch e mi s t r y a n d C h e mi c a l En g i n e e r i n g Oc e a n Un i v e r s i t y o f Qi n g d a o 2 6 6 0 0 3 AB S TRAC T Up t a k e a n d r e l e a s e o f n u t r i e n t s b y Ch a e t o c e r o s s p we r e s t u d i e d b y u s i n g b a t c h c u l t u r e me t h o d i n t h e l a h o r a t o r y B a s e d o n t h e e c o l o g i c a l k i n e t i c mo d e l f o r u p t a k e a n d r e l e a s e o f n u t r i e n t b y p h y t o p l a n k t o n d e v e l o p e d b y W a n g e t a 1 t h e k i n e t i c p a r a me t e r s we r e d e t e r mi n e d Th e u p t a k e a n d r e e a s e r a t e c o n s t a n t s we r e 0 4 2 d a n d 0 1 5 d f o r n i t r a t e r e s p e c t i v e l y wh i l e 1 7 2 d a n d 0 7 7 d f o r p h o s p h o r u s I t s u g g e s t s t h a t t h e k i n e t i c p a r a me t e r s o f p h o s p h o r u s a r e h i g h e r t h a n t h o s e o f n i t r a t e KEYW 0RDS Ch a e t o c e r o s s p Nu t r i e n t Ki n e 6 c mo d e l Up t a k e Re l e a s e 据报道 无机氮和无机磷排海 邑量有逐年加重的趋势 国家海洋局1 9 9 9 从而造成了中国沿海富营养化 程度逐年增加 赤潮频发 李永祺等1 9 9 1 研究海洋浮游植物的营养盐动力学 可以深入 了解营养盐对海洋 初级生产力的调控机制 建立适合中国海域特点的生态动力学模型 为赤 潮治理提供理论上的支持 王 辉 1 9 9 8 王修林等1 9 9 8 一 般人们都应用米氏方程来表示海洋浮游植物对营养盐的吸收 米氏方程是稳态情况下浮蝣植物对营养 盐吸收的动力学描述 D o d d s 1 9 9 5 I s t v a n o v i c s a n d He r o d e k 1 9 9 5 但方程参数 Ks 与 在一定条件下 并不是常数 其大小与测定方法和步骤相关 P r o b y n e t a 1 1 9 8 2 C o l l o s 1 9 8 4 Mi c h a e l e t a 1 1 9 9 6 特别 当营养盐浓度很低时 营养盐的吸收速率与浓度并不遵循米氏方程 Mi e r l e 1 9 8 5 此外 米氏方程没有考虑 藻体内营养盐的释放 实际上 D r o o p方程表明 浮游植物细胞内有储存营养盐的功能 而且浮游植物还会通过 呼吸作用 排泄作用等向介质中释放营养盐 E R S E M 1 9 9 6 因此 在浮游植物营养盐动力学模型中应当同 时考虑浮游植物对营养盐的吸收和释放 为此 王修林等 2 0 0 0 提 出了新的浮游植物对营养盐吸收 释放的 国家 自然科学基金和跨世纪优秀 才培养计划基金项 I1 4 9 9 7 6 0 2 7 资助 收稿 日期 2 0 0 0 0 7 0 6接受 阿期 2 0 0 1 一 O i 一 0 3 维普资讯 第 2期 韩秀荣等 茸毛藻对营养盐 的吸收 释放遵率常数的测定 动力学模型 其方程的具体形式为 1 1 P 1 kl m 一 十 f 干 1 二 二 u 一 I 干 卢 二 l f z g 2 k 2 g e l 一 一 f g 一2 k g 2 J 各参数的含义见表 该模型考虑了浮漪植物的生长 对营养盐的吸收和释放以及沉降作用 较之文献中 的模型更为完善和台理 本文研究角毛藻对营养盐的吸收情况 并利用该模型 测定角毛藻对氮的吸收速率常数 释放速率常数 对磷 的吸收速率常数 释放速率常数 k 表 l 模型中各参数的意义 Ta b l e 1 Lis t o f p a r a me t e r s a n d v a r i a bl e s i n t he mo d e l 1 实验 1 1 实验材料 uv 7 5 4分光光度计 上海市第三分析仪器厂 T R H 2 5 0 G光照培养箱 广东省医疗器械厂 T e c h n i c o n 营养盐 自动 分析 仪 A d i v i s i o n o f Te c h n i c o n I n s t r u me n t s C o r p o r a t i o n T a r r y t o wn N Y 角毛 藻 藻种 C h a e t o c e r o s s p j 由青岛海洋大学水产学院微藻种库提供 1 2 实验方法 1 2 1 角毛藻的培养 角毛藻的培养采用 f 2营养液配方 p H 为 8 1 8 2 盐度为 3 1 2 0 1 温度 2 2 1 明暗周期 l 2 h 1 2 h 光源为白色 日光灯 光照强度约为 6 0 0 0 I x 在整个培养过程中 各操作步骤均注意灭菌处理 1 2 2 营养盐 的测定 培养液用 G F c滤膜过滤 滤液中的 P N Oa No NH4用 Te c h n i c o n营养盐 自动分析仪测定浓度 总 氮 TN 总溶解氮 T DN 总磷 TP 和总溶解磷 TDP 的测定为碱性过硫酸钾 消化法 Gr a s s h o f f e t a 1 1 9 9 9 总磷 总氯 差减掉总溶解磷 溶解氯 即为藻体内的磷 氮 D o r c h 1 9 8 2 1 2 3 角毛藻 生物量的 测定 藻液摇匀后 测定 5 0 0 n m下的吸光度 再根据浮游植物细胞 内的碳含量 P C 与吸光度 A 的关系曲线 将吸光度校正为碳量 其中 细胞碳量与吸光度的关系曲线见图 1 韩秀荣2 0 0 0 维普资讯 海洋水产研究 第2 2卷 1 2 4 角毛藻吸收营养盐的动 力学实验 将长势 良好的藻种接入 已灭菌的过滤海水中培 养 1 d 加入一定浓度的 NOa P 0 培养液中 其他 元素按 f e 配方加入 定时取样 少量样品测定 5 0 0 D m波长下的吸光度 一部分样品直接冷冻保存 测 定其总氮 T N 和总磷 T P 浓度 另一部分样品用 Wh a t ma n GF C滤膜过滤后冷冻保存 测定其总溶 解 氮 T D N 总溶解 磷 T DP P o NOa NOa NH 的浓度 颗粒态的氮 P N TN TD N 颗粒态 的磷 P P TP T D P 沉降的颗粒 态氮 P N 一T N T N 沉降 的颗 粒态 磷 P P 一T P 一T P t 其 中 T N T P 和 T N T P 分别表示初始的总氮 总磷 浓度和 t 时刻时的总氮 总磷 浓度 2 结果与讨论 蚓 0 O3 0 O 4 0 O5 0 0 fi 0 07 0 0 8 0 0 9 0 1 0 吸光度 A bS O r b e nc y 图 1 角毛藻的细胞碳量 P c 与吸光度 A 的关系曲线 F i g 1 Re l a t i o n s h i p b e t we e n p a r t i c u l a t e c a r b o n i n Ch a e t o v e r o s p c e l t PC a n d a b s o r b e n c y A 2 1 介质 中营养盐浓度的变化 实验测得各形态的营养盐浓度随时间的变化曲线如图 2 培养时间 d j I n c u b a t i o n t i e d 图 2 介质 中营养盐 浓度 随时间变化的曲线 Fi g 2 Ti me c u r v e o f n u t r i e n t c o n c e n t r a t i o n s i n t h e c u l t u r e me d i a 从 实验结果可以看出 介质中 No 和 P 0 的浓度随时间的延长而下降 颗粒 态的氮和磷开始随时间增 加 到实验后期略有下降 这主要是角毛藻死亡后的沉降作用所致 颗粒氮和颗粒磷的浓度变化与介质中 N0 和 P o i 的变化相对应 在整个实验周期内 同 N0 的浓度相比 NH 和 NO 的浓度一直很低且基本保持不 变 这说 明实验条件下 所选藻种主要吸收 NOa而不是 NH4作为氮源 实际上 尽管海洋浮游植物一般以 NH 作为氮源 D u g d a l e a n d Wi l k e r s o n 1 9 8 6 但当 N o 的浓度远大于 NH4 且 N H4 浓度很低时海洋浮游 植物则以 No 作为氮源 C o l l o s 1 9 8 9 2 2 角毛藻对营养盐吸收 释放的动力学参数的测定 根据王修林等提出的动力学模型 浮 蔚植物生长过程中生物量 以细胞碳量表示 随时间的变 化可用 F分 维普资讯 第 2 期 韩 秀荣等 角毛藻对营 养盐的吸收 释放速率常数的测 定 布函数表示 即 PC m f 式中 t f g为方程参数 而营养盐的沉降过程可用指数方程表示 pS p e 式中 P 为沉降的 或 P P 和 五 为常数 P c和 P 随时间的变化如图 3所示 2 5 2 0 0 1 1 0 5 0 培荐时 d c u b a i o l t d 图 3 细胞碳 量 P C 沉降氯量 P N 沉降磷量 P P 随时间的变化 曲线是拟 合结果 Fi g 3 Ti me c u r v e o f p a r fic u a t e c a r b o n c o n c e n t r a t i o n i n p h y t o p l a n k t o n c e l l P C s e d i me n t a t i o n p a r t i c u l a t e n i t r o g e n c o n c e n t r a ti o n P N s e d i m e n t a t i o n p a r ti c u l a t e p h o s p h o r u s c o n c e n t r a t i o n P P T h e l i n e s r e p r e s e n t t h e mo d e l fi t tin g r e s u k 由图 3可知 所假定的方程是合理的 根据藻体 内的营养盐浓度的倒数与时间的关系 由模型方程可进一 步拟台测定吸收速率常数 和释放速率常数 k 结果见图 4 各参数值列于表 2 由测定的参数值的大小可以看出 角毛藻对磷酸盐的吸收和释放速率常数均大于硝酸 说明对磷的吸收和 释放均大于氮 这与图 2所示的结果是一致的 在图 2中 P O 的浓度在短时间内 约 0 5 d 即被吸收完毕 而 N0 7的浓度则是缓慢下降的 对营养盐的吸收动力学参数 k 大于释放动力学参数 表明浮游植物吸收氮 磷 等营养盐而生长 同时 一部分氮 磷又释放出 表 明浮游植物的生长代谢过程 表 2 角毛藻对 N O j P o 的嗳收速牢常数及释放速率常数 Ta b l e 2 Up t a k e a nd r e l e a s e r a t e c o n s t a n t s of n i t r a t e a n d ph o s p h a t e b y s p 总之 作者采用 1次培养的实验方法测定了角毛藻对营养盐 的吸收 释放情况 并测定 了相应的动力学参 数 和 结果表明 实验条件下 角毛藻对营养盐的吸收大于对营养盐的释放 这说明生物生长过程中吸收 营养盐并用于 自身的新陈代谢 这 也是生物能够持续生长的主要原 囤 角毛藻对 P 的吸收和释放均大于 N O7 说明该藻较易受到 P 0i 一浓度变化的影响 所测参数的单位是 d 该参数在一定条件下 比如光照 温度 和藻种 是常数 因此 比文献中的某些以浓度为单位的参数 如半饱和常数 更有意义 该研究结果对于赤潮机 理的研究 中国海域 生态动力学模型的建立都具有一定的参考价值 维普资讯 5 6 海洋水产研究 第2 2卷 2 5 0 亡 l 2 0 0 I 5 0 g l 0 5 i l l l L 一 培养 时间 L d I n c u b a t i o n t i m e d 图 4 浮赫植物细胞 内氮 碳 比 q N 和磷 碳 比 q P ff 2 倒数随时间的变化 曲线是模 型拟音结果 Fi g 4 Ti me c o u r s e o f r e c i p r o c a l o f n n r o g e n c a r b o n a n d p h o s p h o r u s c a r b o n i n p h y t o p l a n k t o n c e l l Th e l i n e s r e p r e s e n t t h e mo d e l f i t t i n g r e s u l t 参考文献 王辉 i 9 9 8 海洋生态系统模型研究的几十 问题 海洋与瑚擂 2 9 4 3 4 i 3 4 6 王修林 等1 9 9 8 影响海洋环境质量的重要海洋过程哥 c 究 见 1 9 9 8年青年海洋论坛论文集 i 2 i 1 2 5 李永棋 丁美丽 i 9 9 1 海洋污染生态学 北京 海洋 出版社 薜秀荣a O 0 0 海洋浮游植物聍营养盐吸收 释放的动力学研究 青岛海洋大学硬士沦文 2 0 2 1 国家海洋局 1 9 9 9 1 9 9 8 年中国海洋环境年报 An op ha g e f f e r e n s CHRYS OPHYCEAE 1 9 9 5 As a f u n c t i o n o 1 inc u b a t io n d r a t io n s u bs t r a t e c o n c e n t r a t i o n L i g h t a n d t e mp e r a t u r e J Ph y c o 3 2 9 9 7 9 1 5 Co 1 o s Y 1 9 8 9 A l i n e a r mo d e l o f e x t e r t l i n t e r a c t i o n s du r i n g u p t a k e o f d i f f e r e n t f o r ms o f in o r g a n i c n i t r o g e n b y r r d c r o a l g a e J P l a n kt o n Re s 1i 5 2 i 5 9 3 Dod d s W K 1 9 9 5 A a i l a b i i t y u p t a k e a n d r e ge t t e r a t i o n o f p h o s ph at e i n m s o c o s ms wi t h v a r i e d l e v e l s o f P d e f i c ie n c y Hy d r o b i o o g i a 8 9 7 l q Du gd a l e R C F P W i i k e r s o n 1 9 8 6 Th e u s e o f s u p e r I 5 N t O n l e a s ur e n i t r o ge n u p t a k e i n e u t r o ph ic O c e a n s e x pe r i me nt a l c o ns i d e r a t i o ns Li mn o 1 Oc e a no gr 3 i 6 7 3 6 8 9 ERSEM 1 9 9 5 Th e Mo du l e s o t h e Eu r o p e a n Re g i o n a l S e a s Ec o s y s t e m Mo d e l 1 1 Co n t r a c t n u mb e r M AS2 CT9 2 0 0 3 2 C Gr a s s h o ff K M Eh r h a r ht K Kr e ml i n g 1 9 9 9 M e t h o d s o f S e a wa t e r An a L y s i s W I LEY VCH Ve r L a g Gmb h 1 6 9 4 6 9 W e i r t h e i m 2 0 5 8 0 6 I s t v a n o v i c s V 一 S He r o d e k 1 9 9 5 Es tima t i o n o f n e t u p t a k e a n d l e a k a g e r a t e s o f o r t ho p h0 s p h a t e f r o m 39 P u p t a k e k i n e t i c s by a Li n e a r f or c e f l o w mo d e t Li mn o 1 Oe e a n o g r 4 0 1 1 1 7 3 2 M i c h a e L W Lo ma s e t a 1 1 9 9 6 Ch a r a c t e r i z a t i o n of n i t r o ge n u p t a k e h y n a t ur e 1 p o p u a t i o o f Au r e o e o c c us M i e r e G i 9 8 5 Ki n e t i c s o f p h o s p h a t e t r a n s p or t h y Sy n e c h o c c u s I e o po l j s i s Cy a n o p hy t a Ev i d e nc e f o r d i f f us i o n l i mi t a t i o n o f ph o s p h a t e u p t a k e J Pk y c o i 2 i 2 1 7 7 1 8 1 Pr o b y n T A e t a l 1 9 88 Ni t r o g e n u p t a k e c ha r a c t e r is t i c o f c h a r d a r i a f l a g dl i f o r n i s p h a e o p h y t a i n b a t c h mo d e a n d c o m i n s mo d e e x