2 種曝氣條件對附著硅藻生長的影響

王小冬，劉興國，田 億，吳含含，車 軒，朱 林

（1. 中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，上海 200092；2. 湖南農業大學動物科學技術學院，湖南 長沙 410128）

藍藻、綠藻和硅藻是浮游植物主要的3 個門類。自然條件下，浮游植物有明顯的季節演替，硅藻通常在冬、春季的弱光照和低溫度條件下形成優勢[1]，而藍藻優勢或藍藻水華喜好高溫天氣[2]。這種機制與不同藻類對光照、溫度、營養鹽等理化因子的需求差異有關。河流型硅藻優勢主要是浮游態生長的硅藻。對河流型硅藻水華發生規律的研究表明，水文狀況是河流硅藻水華最重要的影響因子，水文狀況會影響光照、營養鹽的吸收等，而且水動力攪動可能造成河流中不同河段藻類群落結構的差異[3]。

硅藻除了以浮游態生長外，還喜好附著在多種基質上生長[4]。附著硅藻的變化與多種因素有關，比如營養鹽、溫度、光照、水動力條件等[5]。對河道型水庫中附著硅藻群落的研究表明，溫度是影響浮游植物、浮游硅藻和附著硅藻的關鍵變量，溶解氧（DO）和硝態氮也是影響附著硅藻的變量[6]。淺水湖泊中附著硅藻群落組成和水文湖沼條件有關[7]。對海洋底棲硅藻的研究表明，氧含量和附著面積影響海洋底棲硅藻的生長，在氧含量高、可附著面積大的條件下，硅藻的生長繁殖速率快[8]。農業地區中的強水流和高溶氧特征直接影響附著硅藻的密度和種類豐度[9]。

可見除了溫度、光照、營養鹽等基本因素外，水動力擾動以及形成的溶氧條件也是影響藻類變化的重要因素。為此，在冬季保證合適營養鹽和溫度的條件下，進行不同的曝氣擾動試驗，旨在探尋藻類生長的變化規律，為有效培養藻類提供有益借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于冬季在玻璃溫室中進行，試驗時間持續34 d。試驗設1 個對照組和1 個處理組，各3 個重復，均進行曝氣，對照組為空氣曝氣，處理組為高純氮氣曝氣，以促進水中形成不同的溶解氧（DO）水平。采用60 cm×35 cm×40 cm 的玻璃缸進行試驗，試驗期間的水深為36 cm，每3 d 左右以自來水補充蒸發耗水。玻璃缸中均不添加沉積物。試驗期間各玻璃缸均使用一支300 W 加熱棒持續加熱，預設溫度為28℃，由于氣溫變化，實際水溫有波動。其中第15天至第27 天由于沒有控制好高純氮氣曝氣，導致處理組水中DO 增高。

試驗初始用水為少量飼料腐爛液、少量的微囊藻水華和自來水混合而成。初始水中葉綠素a（Chl-a）濃度為112.04 μg/L，其中微囊藻細胞濃度為6.33×107cells/L。試驗初始的微囊藻來自太湖梅梁灣，在玻璃溫室中以高濃度保存至試驗時使用。飼料腐爛液為魚類配合飼料與自來水混合腐爛4 個月后獲得的黑褐色液體，已基本無臭味。

試驗過程中第7 天、第12 天各添加一次300 目過濾后的飼料腐爛液作為促進藻類生長的營養鹽，具體添加情況見表1。

表1 試驗期間2 次添加飼料腐爛液后各容器中養分的瞬時增加量 （mg/L）

1.2 水質指標測定

試驗期間檢測水質，包括水溫、DO、pH 值、氧化還原電位（ORP），這4 個指標大約每天9：00 和14：00 各測定1 次；總氮（TN）、總磷（TP）、溶解性總氮（DTN）、溶解性總磷（DTP）、活性磷（SRP）、硝態氮（NO3--N）、氨氮（NH4+-N）、溶解性有機碳（DOC）等，這8 個指標每7～10 d 測定1 次。

水溫、DO、pH 值、ORP 的測定采用多參數水質分析儀（Professional plus，YSI，美國）原位測定；水樣過Whatman GF/F（0.7 μm 孔徑，英國）膜后，采用過硫酸鉀聯合消解法[10]測定DTN、DTP、TN 和TP；水樣過Whatman GF/F 膜后，采用磷鉬藍分光光度法測定[11]SRP，采用納氏比色法[11]測定NH4+-N；NO3--N 依據行業標準HJ/T 346—2007 采用紫外分光光度法測定；DOC 使用Multi N/C 2100（analytikjena，德國）儀測定。

1.3 浮游植物和附著藻類的鑒定

浮游植物生物量以Chl-a 表示，每2 d 左右使用浮游植物熒光儀（PHYTO-PAM，Walz GmbH，德國）測定1 次。由于試驗過程中對照組和處理組均未出現藍藻和硅藻大量浮游生長的現象，于是僅在試驗結束時檢測浮游植物的種類組成，種類鑒定參考胡鴻鈞等[12]的方法進行。沒有計算浮游植物的具體細胞濃度和生物量。

由于試驗過程中出現了藻類的附著生長，試驗結束時，測算對照組和處理組各玻璃缸內壁的藻類附著面積，并選取對照組和處理組內壁上藻類生長密實處，刮取附著藻類后計算其附著密度和生物量。附著藻類的生長不是均勻的，往往先在內壁上某處隨機出現少量藻類的附著生長，然后擴散生長。因此，該研究采用網格法測算藻類附著面積，具體步驟為：先將一側玻璃面以“田”字法平均分為4份，然后對每個格以“田”字法再平均分為4 份，依此類推地細分3 次，測算藻類附著面積的大小，并計算附著面積占水中內壁面積的百分比。附著藻類的獲取方法：將缸內水適當移除部分后，利用干凈牙刷刷洗一個3～4 cm 直徑的圓形區域內附著藻類，并利用純水定容到10 mL，每個缸選取3 處藻類密集處進行取樣。

使用光學顯微鏡奧林巴斯CX41（Olympus, Japan）在400 倍下進行附著藻類的種類鑒定[12]，用0.1 mL浮游生物計數框計數，再根據附著的面積換算成附著藻類的密度。附著藻類的生物量以濕質量表示，藻體積與濕質量的轉換標準為1 mm3等于1 mg濕質量[13]。

1.4 數據處理

對照組和處理組的水溫、DO、pH 值、ORP、Chl-a、TN、DTN、TP、DTP、SRP、N-N、NH4+-N和DOC 的比較，采用SPSS 16.0 軟件針對2 個因子變量（采樣時間和處理）的一般線性分析模型（GLM）進行分析，并且先開平方以增加數據齊性[14]，其中ORP 是負值，故取相反值后再開平方。對藻類附著面積的比例和附著密度進行比較時，先開平方以增加數據齊性[14]，然后進行單因素方差分析，差異顯著水平選擇 α=0.05。采用Sigmaplot 10.0 軟件作圖，其中各圖所用數據形式為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 水 質

試驗期間所有水缸的平均水溫為26.3℃，對照組和處理組間的水溫沒有顯著差異（P＞0.05）。試驗中后期對照組和處理組的pH 值、ORP 均逐漸升高，對照組上午和下午的DO、ORP 均顯著高于處理組（P＜0.05），對照組上午和下午的pH 值均顯著低于處理組（P＜0.05）（圖1），即：處理組進行高純氮氣曝氣，顯著降低了水中的DO 和ORP 值，其中15～27 d 由于沒有控制好高純氮氣曝氣量，導致處理組DO 明顯增高（圖1）。

圖1 對照組和處理組中水溫、DO、pH 值和ORP 的變化

從圖2 中可以看出，試驗期間水池中的TN、TP濃度范圍分別為4.5～9.0 mg/L、1～4 mg/L。對照組的TN、DTN、NO3--N 含量均顯著高于處理組（P＜0.05），而對照組和處理組間的TP、NH4+-N、DOC 濃度均無顯著差異（P＞0.05）。這說明不同的曝氣處理對水中營養鹽水平造成了一定的影響。

圖2 對照組和處理組的營養鹽隨時間的變化

2.2 Chl-a 和浮游植物

由圖3 可知，試驗過程中對照組和處理組間的Chl-a 濃度均無顯著差異（P＞0.05）。試驗結束時，對照組和處理組的浮游植物組成接近，主要是綠藻門的種類，具體有柵藻屬（Scenedesmus）、小球藻屬（Chlorella）、衣藻屬（Chlamydomonas）、微芒藻屬（Micractinium）、膠網藻屬（Dictyosphaerium），另外還有隱藻門的隱藻屬（Cryptomonas）、少量硅藻門的異極藻屬（Gomphonema）以及一些未知的細絲狀體，幾乎沒有微囊藻。

圖3 對照組和處理組中Chl-a 隨時間的變化

2.3 附著藻類

試驗期間對照組和處理組均出現了棕褐色藻類的附著生長，至試驗結束時，對照組和處理組各缸內壁上均附著大量的棕褐色藻類（試驗期間的水深為36 cm），在顯微鏡下觀察為硅藻，除細菌外，沒有其他藻類，且對照組和處理組中附著生長的硅藻種類相同。取新鮮的附著藻類樣品直接在顯微鏡下觀察，發現附著硅藻的優勢類群為硅藻門的菱形藻屬（Nitzschia）和異極藻屬（Gomphonema），硅藻細胞大小比較均勻，單個硅藻細胞的長度約25～30 μm，最寬處約7～10 μm（圖4）。

圖4 試驗結束時對照組（A、B）和處理組（C、D）玻璃缸內壁的附著硅藻

硅藻在玻璃缸內壁上呈斑塊狀逐漸擴大生長，附著密度不均勻。由表2 可知，對照組的硅藻附著面積顯著小于處理組的（P＜0.05）；而生長密實處附著硅藻的密度、濕質量之間對照組與處理組均無顯著差異（P＞0.05）。

表2 試驗結束時玻璃缸內壁上硅藻附著生長的面積占比、密度、濕質量

3 結論與討論

冬季將水溫控制在26.3℃，通過曝氣擾動形成不同的溶解氧環境，硅藻容易大量附著生長，而且溶解氧濃度低時，硅藻附著面積更大；附著硅藻的優勢類群為菱形藻和異極藻，其中富營養條件為TN 濃度4.5～9.0 mg/L，TP 濃度1～4 mg/L。

試驗處理組純氮氣曝氣后的DO 顯著低于空氣曝氣的對照組，并且DO 水平的差異導致了ORP 和pH值的差異，但水溫、Chl-a 無顯著差異。浮游植物響應方面，對照組和處理組中均未出現藍藻和硅藻大量浮游生長的現象，優勢藻類為綠藻，但容器內壁上均出現了大量附著硅藻。這表明冬季在玻璃溫室環境中對高度富營養且含微囊藻的水加溫（平均水溫為26.3℃）、曝氣處理未能讓微囊藻取得優勢，浮游植物以綠藻為優勢，但促進了硅藻大量附著生長。因此，出現附著硅藻優勢時并不一定出現浮游硅藻優勢，硅藻附著生長優勢比浮游硅藻優勢更容易形成。

該試驗的附著藻類全是硅藻，優勢類群為菱形藻屬和異極藻屬，這2 個屬為常見的富營養硅藻，是野外環境中常見的優勢硅藻。比如，異極藻 （Gomphonema parvulum）經常生長在污染較嚴重的水中，而谷皮菱形藻（Nitzschia palea）等藻類是磷污染的指示種[15]；據 Besse-Lototskaya 等[16]統計，谷皮菱形藻是一種生活在富營養水體中的藻類；廣東鑒江水系和華南地區東江及其支流增江的底棲硅藻優勢類群為舟形藻屬、菱形藻屬和異極藻屬[17-19]；東江惠州河流段人工基質附著硅藻的主要優勢屬成員為異極藻屬和菱形藻屬[20]；海洋赤潮研究中甚至發現菱形藻屬硅藻附著生長在衰老的球形棕囊藻囊體和泡沫上[21]。筆者的試驗結果表明，自然水體中常見的附著硅藻種類——菱形藻和異極藻在人工富營養條件下也容易附著生長并形成優勢。

附著硅藻的生長同樣受到多種理化因素的影響，如光照、營養鹽、溫度、水動力等。對東江惠州河流段人工基質附著硅藻群落的季節性動態研究表明，研究區域內河流中的大多數硅藻適合在春秋季生長，季節性變化趨勢較明顯，水溫、DO、N-N、PO43--P、電導率、pH 值等對附著硅藻群落結構有重要影響；相對而言，其中許多藻類都喜好在透明度較好、溶解氧較高及溫度相對較低的春、秋季節的水環境中生長[20]；并且電導率是影響東江流域附著硅藻群落最大的環境變量[22]。對河道型水庫中附著硅藻群落的研究表明，除了溫度的影響外，DO 和硝態氮也是影響附著硅藻的變量[6]。Winter 等[23]發現底棲硅藻種群與總磷濃度有顯著相關性。筆者試驗測定的各水質指標中，對照組和處理組之間有顯著差異的指標包括DO、pH值、ORP 以 及TN、DTN、DTP、NO3--N、SRP， 其他指標沒有顯著差異。雖然該試驗中處理組和對照組的附著密實處硅藻的附著密度之間沒有顯著差異，但是高純氮氣曝氣后DO 水平低的處理組中附著硅藻的面積顯著大于對照組（P＜0.05），表明在該試驗條件下，低水平DO 有利于附著硅藻的生長擴散。這可能與處理組中DO 水平降低后，相應形態營養鹽的可利用性發生變化有關。

對照組和處理組中均出現了硅藻的附著生長，表明對照組和處理組均滿足了硅藻附著生長的基本條件；盡管硅藻的附著面積有差異，但對照組和處理組之間DO 水平的差異并不是影響硅藻附著生長的根本原因，影響硅藻附著生長的基本條件可能還是光照、營養鹽、水動力擾動等。該試驗在冬季加溫條件下使用透明玻璃缸進行自來水曝氣處理（水動力擾動），處理前添加飼料腐爛液營造了富營養條件，這些因素很可能滿足了附著硅藻生長對溫度、光照、營養鹽和水動力條件的需求。但是浮游植物沒有出現硅藻優勢，可能是由浮游硅藻和附著硅藻對環境因子需求的差異引起的，也表明在溫度、光照、營養鹽等條件合適時，與浮游態生長相比，硅藻更容易以附著態生長并形成優勢。

同一水體中浮游植物和附著藻類的種類組成會有較大差異[24]。對河道型水庫浮游植物和附著硅藻群落的研究表明，水體中的浮游硅藻和附著硅藻的種類差異很大，浮游硅藻主要是顆粒直鏈藻，而附著硅藻主要是舟形藻和菱形藻[6]。對白洋淀3 大典型水體附著藻類群落結構的研究表明，白洋淀的浮游植物與附著藻類的群落結構差異很大，其中附著硅藻所占比例遠遠大于浮游硅藻，附著硅藻種類數目多于浮游硅藻種類數目；同時浮游植物與附著藻類之間存在一定的競爭排斥關系[24]。因此，在富營養水體中，通過附著藻類的生長來控制藻類水華可能是水體富營養治理的一條新途徑[25]。筆者的試驗中沒有出現大量浮游態生長的硅藻，其中的機理還需要進一步研究。

近年來，對硅藻的研究主要是針對天然水體中硅藻的自然生長，而在人工模擬條件下重現硅藻優勢的研究比較少[4]。淡水附著硅藻或者底棲硅藻的研究主要從群落結構研究藻類的相對豐度[6,20]，很少關于絕對生物量的研究；在自然條件下，硅藻容易附著生長在自然基質上，且往往與其他藻類間雜生長[4]，不是單純的硅藻生長。而筆者的試驗中附著生長的基本只有硅藻。關于附著硅藻的人工培養研究主要集中在海水貝類的餌料培養，因為附著硅藻是水產養殖對象優質的生物活餌料。例如，對1 株熱帶底棲硅藻——雙眉藻（Amphora sp. HN08）的附著培養發現，該雙眉藻在玻璃板和 PVC 塑料板上的生物質產量最高，細胞干重達到3. 64 g/m2[26]；利用人工培養基在實驗室條件下培養雙眉藻時，附著細胞濃度可達1.33×106cells/cm2；室外培養時，細胞附著濃度可達1.00×106cells/cm2[27]，稍低于筆者試驗中對照組和處理組附著密實處的硅藻密度（1.14×106和1.27×106cells/cm2）。由此可見，細胞附著密度方面，筆者試驗中附著密實處的硅藻附著密度與室內純培養的密度接近，藻類附著效果好。硅藻在水產養殖中具有重要的生物餌料價值，尤其是附著硅藻，它是魚、蝦、貝類幼體的重要生物活餌料，而且底棲硅藻形成的生物膜有助于貝類幼蟲附著變態過程的順利完成，也有利于生態、高效的商業化貝類種苗培育[28]。因此，附著硅藻的培養在水產養殖中具有重要意義[24]。從淡水硅藻附著培養的角度出發，該研究為淡水硅藻的附著培養提供了方法參考，在冬季弱光照條件下，適宜加溫、曝氣擾動可促進富營養水體中硅藻的附著生長。