大型海藻对氮磷吸收能力的初步研究
李赵嘉+曾昭春+贾佩峤+郭冉+夏辉+曹英昆+高炬
摘要：实验选取了经济价值较高、生态特征较为明显且研究较为深入的三种大型海藻：海带(Laminaria japonica Aresch)、鼠尾藻(Sargassum thunbergii)和龙须菜(Gracilaria lemaneiformis)作为实验材料，在模拟自然环境条件（14 ℃、1500 lx）和适宜的氮、磷浓度 (50 μmol/L、5 μmol/L)下，研究其在72 h内对氮、磷的吸收能力。实验数据测得，海带、鼠尾藻和龙须菜对氨氮吸收速率分别为0.397 μmol/g?h、0.317 μmol/g?h和0.300 μmol/g?h，吸收效率为66.3%、53.6%和51.2%；对磷的吸收速率分别为0.036 μmol/g?h、0.030 μmol/g?h和0.033 μmol/g?h，吸收效率为65.2%、55.7%和58.8%。结果表明，三种海藻对氮、磷均有明显的吸收效果，吸收能力顺序为：海带>龙须菜>鼠尾藻。
关键词：大型海藻；氮；磷；吸收速率；海带；鼠尾藻；龙须菜
近数十年来我国的海水养殖产业得到了快速发展，从70年代至今我国海水养殖产量年平均增长率为14%，从1980年的7.8×105t增加到1999年的9.74×106t，海水养殖业规模已连续多年居世界首位[1]。然而在养殖过程中过量投饵现象普遍存在，大量未被吸收的饵料以及养殖生物排泄物沉积在水底，使养殖水体中氮、磷等元素含量增加，水体呈现富营养化[2]。同时伴随大量养殖废水的排出，加之生活和工业污水的肆意排放，近海海域氮、磷等营养盐元素不断积累，使得近海海域富营养化现象不断的加重，对海洋环境造成了严重的危害[3]。
目前处理养殖废水和富营养化海水的方法多集中在物理、化学处理法、人工湿地处理方法、耐盐植物处理法、悬浮颗粒物的处理法和沉淀-贝类过滤-藻类吸附的综合处理方法等[4]，其中利用大型海藻进行富营养化海水修复作为新兴的方法得到了广大科学工作者的高度重视，最具发展前景。
大型海藻为一类多细胞海洋孢子植物，处于营养级第一层，有着很强的生产能力，在其生长过程中可大量吸收氮、磷等营养元素，因此可以用于解决养殖废水和富营养化海水的问题[5]。同时藻类吸附是一个自然发生过程，在适宜条件下自行生长，不需要外来施加能量，最重要的是不易带来二次污染，这是其它方法不可比拟的，也是该方法越来越成为研究热点最主要的原因[1]。除此之外，大型海藻生物修复法还有其它方法不可比拟的特点和优势。
首先，大型海藻本身是一种重要的水产品，可食用也可药用，同时也是饲料和工业生产的重要原料，国内外市场需求量很大。其中，海带系褐藻门、海带科，是我国食用最多的海藻种类[6]富含碘具有防治甲状腺肿、降压降脂等作用；龙须菜系红藻门、江蓠科的一种重要的产琼红藻，具有生长快、耐温广等特点，同时有着很高的经济价值和生态作用[7]；鼠尾藻隶属褐藻门、马尾藻科，富含褐藻多酚、多糖类等活性物质，其应用潜力极好的在医药、保健、化工等行业中极好的体现出来[8]。废水及富营养化的水体中，未被利用的氮和磷是一种饲料的浪费，增加成本的同时降低了投入产出比，大型海藻吸收这些多余营养物质然后以海藻食品和生化产品的形式采收，由此可以挽回一定损失，同时还可以得到另一种经济效益[1]。
此外，大型海藻可以直接吸收并利用海水中游离的二氧化碳，使二氧化碳的溶解平衡向海水方向移动[1]，减少大气二氧化碳的同时增加海洋初级生产力，有助于解决人类日益关切的温室效应问题；同时藻体还可以吸附水体中的重金属离子以及一些毒素因子，最新研究表明大型海藻具有抑制赤潮生物生长和降低其毒素的作用[9]，因此利用大型海藻修复净化水质具有多重生态效应。
目前所知能够用于处理养殖废水和富营养化海水的大型海藻种类还较少，对各种海藻去除氮、磷营养盐的能力了解也不够全面，没有介于实验室控制条件和自然海域条件之间的研究，使得利用大型海藻改善水质受到诸多限制。因此，本实验采集了海带、鼠尾藻、龙须菜三种比较常见的大型海藻，在自然状态（介于实验室控制条件和实际条件）和更高氮磷浓度下，分别考察它们的氨氮和无机磷的吸收速率及去除比例，对比三者对氮、磷营养盐的吸收效果，以更全面地了解大型海藻修复法去除氮磷的过程与效果，为进一步修复富营养化海域水体提供理论依据。
1材料与方法
1.1材料
1.1.1实验藻体实验用龙须菜采于昌黎七里海（北纬38.60°～39.00°，东经118.15°～118.17°），海带和鼠尾藻采于秦皇岛海港区东山浴场（北纬39.92°，东经119.72°），选择生长状态良好，长势相近的海藻，冷藏处理后，将其放入收纳箱中带回实验室。藻体表面用干净的纱布和细毛刷轻轻刷洗，以去掉泥沙、杂藻及其他附生物，并用消毒海水彻底冲洗数次，然后放入实验室水族箱内用过滤后海水中暂养7 d，使其适应实验室条件，以保证海藻能在正常生长情况下进行实验。暂养期间水温14 ℃，盐度30 ‰，光照强度500 lx，光周期12L:12D。
1.1.2培养水体称取0.7 mg的NH4Cl（50 μmol）和0.15 mg的KH2PO4（5μmol）加入到1 L的过滤海水中，配制成氮浓度为50 μmol/L磷浓度为5 μmol/L的培养水体。
1.1.3实验仪器UV-1700型紫外可见光分光光度计?岛津公司；VICTOR 1010A型自动量程数字照度计?深圳市胜利高电子科技有限公司；丹佛 TP系列 TP-1102型电子分析天平?美国（DENVER INSTRUMENT）。
1.2方法
1.2.1设计方案实验分为两组，一组为大型海藻对水体中磷的吸收实验，另一组为对氨氮的吸收实验；每组实验均选用三种藻类，每种藻类设三组重复及一组对照；分别称取1.5 g海带、龙须菜和鼠尾藻于装有1 000 mL上述培养水体的烧杯中，在室内环境下（14 ℃、1 500 lx）进行培养，每12 h取样50 ml测定氨氮及活性磷的含量，培养周期为72 h。
1.2.2测定方法水质分析方法参照GB12763.4-2007，氨氮的测定采用次溴酸盐氧化法，磷酸盐采用磷钼蓝分光光度法。根据上述方法测出每个水样的吸光度，依据标准曲线分别计算出氮磷浓度，然后按下述公式计算各时间段和最终各藻的吸收速率：
U=（Ct1-Ct2-△C0）?V/（t?G）
式中U为吸收速率，Ct1为实验开始时测得的三个培养组的平均氮、磷含量，Ct2为实验结束时测得的三个实验组的平均氮、磷含量，△C0为对照组的氨、氮含量的变化，V为所用培养液体积，t为培养时间，G为添加海藻的生物量。
1.3数据处理
实验数据用统计软件spss17.0进行分析，以P＜0.05作为差异显著水平。
2结果与分析
2.1对氨氮的吸收
数据分析结果显示，培养水体中氨氮的浓度随着时间的推移呈现下降趋势，72 h的浓度与初始浓度有显著差异（F=10.178 65，P<0.05）。如图1所示，海带对水体中氨氮的吸收能力最强，72 h内水体中氨氮的浓度从65 μmol/L下降到20 μmol/L，吸收效率为66.3 %；鼠尾藻，龙须菜培养水体中的初始氨氮浓度分别为64 μmol/L和63 μmol/L，经过72 h的藻类吸收后，培养水体中氨氮浓度分别降至28 μmol/L和29 μmol/L，吸收效率分别为53.6 %和51.2 %，因此三种海藻的去除能力顺序为：海带>龙须菜>鼠尾藻。
图1三种大型海藻培养水体中氨氮的浓度变化
数据分析结果显示，海带、鼠尾藻和龙须菜在0～12 h的时间段内吸收速率较低，12～14 h内吸收速率迅速升高达到最大值，随后缓慢降低，48～72 h吸收速率的变化趋于平缓。在72 h的培养周期中海带、鼠尾藻和龙须菜三者的平均吸收速率分别为0.397、0.317和0.300 μmol/g?h。从图2可以看出，海带的吸收速率始终高于鼠尾藻和龙须菜，但在随培养时间的增加这种差距逐渐减小；鼠尾藻和龙须菜的吸收速率差异不显著，在36 h前鼠尾藻略高于龙须菜，36 h后两者吸收速率几乎相同，在60~72 h间龙须菜的吸收速率（0.268 μmol/g?h）略高于鼠尾藻（0.260 μmol/g?h）。
图2三种大型海藻对氨氮的吸收速率
2.2对磷的吸收
数据分析结果显示，培养水体中活性磷的浓度随着时间的推移呈现下降趋势，72 h的浓度与初始浓度有显著差异（F=7.192 0，P<0.05）。如图3所示，海带对水体中活性磷的吸收能力最强，72 h内水体中活性磷的浓度从5.96 μmol/L下降到1.93 μmol/L，吸收效率为65.2 %；鼠尾藻，龙须菜培养水体中的初始活性磷浓度分别为5.90 μmol/L和5.98 μmol/L，经过72 h的藻类吸收后，培养水体中活性磷浓度分别降至2.48 μmol/L和2.32 μmol/L，吸收效率分别为55.7 %和58.8 %，三种海藻对磷的去除能力顺序为：海带>龙须菜>鼠尾藻。
图3三种大型海藻培养水体中活性磷的浓度变化
由图4可见，海带对磷的吸收速率变化平缓，在0～24 h内稍有增大，36 h后略有降低，在24～36 h内达到最大值（0.038 μmol/g?h）；鼠尾藻在36～60 h内吸收速率降低，60～72 h内吸收速率趋于平缓；与之相反，龙须菜的吸收速率在36～48h有明显增大，吸收速率最大值出现在36～60 h（0.035 μmol/g?h），12～24h内的吸收速率也接近最大值（0.034 μmol/g?h），在72 h的培养周期中三种大型海藻的平均吸收速率分别为0.036、0.030和0.033 μmol/g?h。
图4三种大型海藻对磷的吸收速率
3讨论
本实验结合相关文献中关于三种大型海藻适宜的氮磷浓度和富营养化水体的氮磷浓度的结果，为了更加适宜海藻生长，将培养水体中氮磷浓度分别设定为50 μmol/L（0.7 mg/L）和5 μmol/L（0.15 mg/L），略高于同类实验。其中，钱鲁闽等研究认为当培养水体中氮磷比为10∶1时大型海藻对磷吸收速率最高[10]；徐永健等在研究不同氮磷浓度及氮磷比对龙须菜生长的影响中，发现龙须菜在氨氮浓度为0～50 μmol范围内，随着浓度升高，其生长速率增加，氮磷比为10∶1条件下，龙须菜的生长速率达到最大[11]；李枫[12]、汤坤贤[13]、彭长连[14]等对龙须菜的研究结果表明在溶解无机氮浓度在20～100 μmol/L和溶解无机磷浓度5～20 μmol/L范围内，龙须菜会出现最适生长；当溶解无机氮浓度超过150 μmol/L或溶解无机磷浓度超过30 μmol/L时，龙须菜的生长受到抑制，甚至出现负增长[12]。目前，对鼠尾藻和海带的最适生长营养盐浓度的研究较少，其中姜宏波等认为在氮浓度200 μmol/L时鼠尾藻对氮的吸收速率最大，磷浓度为14 μmol/L时吸收速率最大，最佳的氮磷比为5∶1[15]。曲克明等在氮浓度0.6 mg/L的养殖水体下进行的海带对氮磷的吸收实验，取得了显著的效果[4]；李锦秀等研究认为水体中溶解氮达到0.5 mg/L，活性磷达到0.1 mg/L时已达到富营养化[3]。
本实验三种海藻对氮磷的吸收效率均在60 %左右，低于一般文献得研究结果，例如，王翔宇等研究得到的鼠尾藻、龙须菜吸收效率在70 %左右[16]，可能由于本实验为模拟北方特别是河北海域的自然状态，温度与光照强度均低于其最适条件，而这两者是大型海藻生长的关键环境因子，是造成藻体生化组成变化的主要因素，所以最终测得的吸收速率也略低于一般实验室条件下的速率，可推测在实验室条件下吸收速率会有所提高。此外，也可能与培养时间和初始浓度有关，本文培养的氮初始浓度为50 μmol/L（0.7 mg/L），磷为5 μmol/L（0.15 mg/L），高于王翔宇等人的研究初始浓度，根据图1和图3的吸收速率曲线变化趋势，若继续培养一段时间，吸收效率可能会提高。
为方便对比，本实验各组设置相同的藻体密度为1.5 g/L，是由于鼠尾藻和龙须菜更适合在较低浓度下生长，而曲克明等的研究中发现，海带在高密度（7.5 g/L）时吸收氮磷效果更好[4]。
图2中三种大型海藻在0～12 h对氨氮吸收速率较低，12～24 h内吸收速率迅速升高达到最大值，可能与某些海藻遇高氮环境时氮的机会主义储备有关，由于海藻从低氮或氮匮乏的环境转移到高氮环境时，经过短暂的适应和准备，对氮进行迅速大量吸收，储备在藻体内。24 h后吸收速率逐渐降低，推测是由于培养水体中的氨氮浓度的降低导致的（如图1），这与徐永健、彭长连和钱鲁闽等人的研究结果一致。图4中的三种大型海藻对磷的吸收速率随时间变化规律不统一，特别是龙须菜在磷浓度降低时，吸收速率反而有所增大，异于其他文献的研究，是否由于龙须菜更适宜低磷环境，还需进一步的研究。本实验研究发现海带对氨氮的吸收效果优于鼠尾藻和龙须菜，可能与其更能适应北方春季的较低水温与较弱光照强度有关联[17-18]。
综上所述，本实验选取的三种常见的代表海带、鼠尾藻和龙须菜，在实验室模拟适宜自然环境下的研究结果表明，大型海藻（海带、鼠尾藻和龙须菜），具有较强的吸收营养盐能力，海带吸收效果明显优于龙须菜和鼠尾藻，为海水环境改善和寻找工具藻提供了参考。但限于实验时间和条件，研究的海藻种类较少，如果要筛选出更加适宜不同水质条件的工具藻，还需在更多样的环境下研究和比较。
参考文献：
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Preliminary studies on the nitrogen and
phosphorus absorption capability of seaweeds
LI ZhaoJia, ZENG ZhaoChun, JIA PeiQiao, Guo Ran, XIA Hui, CAO YingKun, Gao Ju
( Ocean college of Hebei Agricultural University, qinghuangdao hebei066003 )
Abstract：This article has selected three more in-depth study on the ecological characteristics seaweed of high economic value:Laminaria japonica Aresch , thunbergii , Gracilaria lemaneiformis, Study on their absorptive capacity of nitrogen and phosphorus in 72h under the natural environment (14℃, 1500 lx ) and appropriate concentrations of nitrogen and phosphorusin (50μmol/L, 5μmol/L). The experiment measured, Laminaria japonica Aresch, Sargassum thunbergii ,Gracilaria lemaneiformiss absorption rate of ammonia nitrogen is 0.397 μmol/g?h 0.317 μmol/g?h and 0.300 μmol/g?h .Their removal ratio of ammonia nitrogen in the cultivation water is 66.3% 53.6% and 51.2%; The absorption rate of phosphorus is 0.036 μmol/g?h, 0.030 μmol/g?h and 0.033 μmol/g?h, the removal ratio of phosphorusin is 65.2%, 55.7% and 58.8%. Experimental results show that the three kinds of seaweed have typically absorbtion of nitrogen and phosphorus. Absorptive capacity order is Laminaria japonica Aresch >Gracilaria lemaneiformis>Sargassum thunbergii.
Key words：Seaweed；Nitrogen；Phosphorus；Absorption rates；Laminaria japonica Aresch；Sargassum thunbergii；Gracilaria lemaneiformis.
（收稿日期：2013-10-12；修回日期：2013-10-24）
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LI ZhaoJia, ZENG ZhaoChun, JIA PeiQiao, Guo Ran, XIA Hui, CAO YingKun, Gao Ju
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Abstract：This article has selected three more in-depth study on the ecological characteristics seaweed of high economic value:Laminaria japonica Aresch , thunbergii , Gracilaria lemaneiformis, Study on their absorptive capacity of nitrogen and phosphorus in 72h under the natural environment (14℃, 1500 lx ) and appropriate concentrations of nitrogen and phosphorusin (50μmol/L, 5μmol/L). The experiment measured, Laminaria japonica Aresch, Sargassum thunbergii ,Gracilaria lemaneiformiss absorption rate of ammonia nitrogen is 0.397 μmol/g?h 0.317 μmol/g?h and 0.300 μmol/g?h .Their removal ratio of ammonia nitrogen in the cultivation water is 66.3% 53.6% and 51.2%; The absorption rate of phosphorus is 0.036 μmol/g?h, 0.030 μmol/g?h and 0.033 μmol/g?h, the removal ratio of phosphorusin is 65.2%, 55.7% and 58.8%. Experimental results show that the three kinds of seaweed have typically absorbtion of nitrogen and phosphorus. Absorptive capacity order is Laminaria japonica Aresch >Gracilaria lemaneiformis>Sargassum thunbergii.
Key words：Seaweed；Nitrogen；Phosphorus；Absorption rates；Laminaria japonica Aresch；Sargassum thunbergii；Gracilaria lemaneiformis.
（收稿日期：2013-10-12；修回日期：2013-10-24）
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Key words：Seaweed；Nitrogen；Phosphorus；Absorption rates；Laminaria japonica Aresch；Sargassum thunbergii；Gracilaria lemaneiformis.
（收稿日期：2013-10-12；修回日期：2013-10-24）
