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水培彩叶草抑制藻类繁殖的试验研究



全 文 :书第一作者:赵欣胜,男,1973年生,博士,助理研究员,研究方向为湿地恢复学。#通讯作者。
*国家自然科学基金资助项目(No.50809005);中央级公益性科研院所基本科研业务专项资金资助项目(No.CAFINT2010C10);林业公
益性行业科研专项“太湖流域湿地生态系统功能作用机理及调控与恢复技术研究”(No.200904001)。
水培彩叶草抑制藻类繁殖的试验研究*
赵欣胜1,2 崔丽娟1# 摆亚军2 田魁详2 李伟强2
(1.中国林业科学研究院湿地研究所,北京100091;2.中国科学院遗传与发育生物所农业资源中心,河北 石家庄050021)
  摘要 通过人为控制光照、温度和培养液体积栽种水培彩叶草(简称彩叶草),并对彩叶草的抑藻能力进行测定,分析了彩叶
草抑藻过程中营养物质浓度变化,并与凤眼莲的抑藻效果进行对比。结果表明,在不同培养条件下,彩叶草均能明显抑制藻类的过
度生长;在保持培养液营养物质自然变化的条件下,栽种彩叶草与不栽种彩叶草培养液的营养物质浓度均直线下降,且下降趋势始
终保持基本一致,说明彩叶草并不是通过吸收水体中的营养元素来抑制藻类生长的。彩叶草与凤眼莲抑藻效果对比试验结果显示,
彩叶草和凤眼莲一样具有显著的抑藻效果。
  关键词 水培试验 彩叶草 藻类 富营养化
Experimental study on the inhibition effect of Coleus blumei on algagrowth ZHAO Xinsheng1,2,CUI Lijuan1,BAI
Yajun2,TIAN Kuixiang2,LI Weiqiang2.(1.Wetland Research Centre,Chinese Academy of Forest,Beijing
100091;2.Center for Agricultural Resources Research,Institute of Genetics and Developmental Biology,Chinese A-
cademy of Sciences,Shijiazhuang Hebei 050021)
Abstract: The inhibition effect of Coleus blumei on the growth of alga was investigated by the artificial control
of nutrition,light and temperature of the laboratory test.The variation of soluble phosphorus in the test was detected,
and the inhibition effect of Coleus blumei and Eichhornia crassipes to algae was compared.The experiment results
showed that the hydroponics Coleus blumei significantly reduced the algae density in culture medium,the variation of
soluble phosphorus in culture medium with hydroponics Coleus blumei was in consistent with that without hydropo-
nics Coleus blumei,which indicated that inhibition effect of hydroponics Coleus blumei was not due to the nutrient ab-
sorption.The comparative test revealed that hydroponics Coleus blumei presented similar algal inhibitory effect with
Eichhornia crassipes.
Keywords: hydroponics experiment;Coleus blumei;alga;eutrophication
  有害藻类“水华”过后极易产生藻毒素及羟胺、
硫化氢等异味物质,直接影响水体环境质量和人类
饮用水安全[1-3],威胁人类健康。如何有效控制富营
养化水体中藻类“水华”现象的发生,已经成为目前
环境科学领域的研究热点[4-7]。为此,科研人员研发
了多种抑制藻类繁殖的生物学方法,如直接栽种梭
鱼草(Pontederia cordata)、石菖蒲和眼子菜(Pota-
mogeton nodosus)等抑藻植物 [8-10];投放凤眼莲
(Eichhornia crassipes)、水花生、紫萍、马蹄莲等植
物化感抑藻物质的提取物等[11-14]。
  彩叶草(Coleus blumei)原产于爪哇岛,广泛分
布于非洲和亚洲,对温度有狭适性[15],不耐低温,耐
淹水环境,是一种喜湿的旱生植物。在抑藻植物种
类筛选过程中发现,彩叶草这种喜湿的旱生植物也
具有抑制藻类繁殖的能力。笔者通过栽种水培彩叶
草(以下简称彩叶草)抑制藻类繁殖,分析了彩叶草
抑藻过程中营养物质浓度变化,并与凤眼莲的抑藻
效果进行对比,研究结果对水体藻类“水华”控制,特
别是对静态的、面积较小的水体藻类“水华”控制具
有一定的科学意义。
1 材料与方法
1.1 试验材料
1.1.1 彩叶草
选取植株健壮、大小一致的扦插培育彩叶草,固
定于47cm×19cm×1cm的泡沫板上,在见光的试验
室临窗下栽种于50cm×20cm×25cm的透明玻璃培
养缸中。保持室温25~30℃,湿度70%~80%。
1.1.2 淡水藻种
试验用藻种采自于石家庄市民心河和大浪淀水
·1·
赵欣胜等 水培彩叶草抑制藻类繁殖的试验研究
DOI:10.15985/j.cnki.1001-3865.2011.08.002
库,采集后放入2L藻种繁育玻璃培养缸内。试验
开始前观察并计数,藻类种类主要为铜绿微囊藻
(Microcystis aeruginosa)、水华鱼腥藻 (Anabaena
flos-aquae)、水华束丝藻 (Aphanizomenon flos-
aquae)、水华微囊藻 (Microcystis flos-aquae)、栅列
藻 (Scenedesmus)、颠藻 (Oscillatoria)和盘星藻
(Pediastrum)。当这些藻类的数量占藻类总量的
90%以上时,可用作彩叶草抑藻试验藻种液。
1.1.3 藻类培养液
按每升蒸馏水中加入土壤浸提液20mL、硝酸
钙0.812g、硝酸钾0.506g、磷酸二氢钾0.136g、硫
酸镁0.120g、酒石酸铁0.005g的比例配制藻类培
养液(简称培养液)。
1.2 试验方案
在玻璃培养缸内盛入培养液4L,加入藻种液3
~5mL,使玻璃培养缸内的藻密度基本维持在
1.0×104个/L左右。
  试验分2组进行,第1组保持试验过程培养液
营养物质浓度一致,即试验过程中始终保持营养物
质浓度不变,当营养物质(可溶性磷)浓度降低时,人
为添加营养物质至初始值。第2组培养液营养物质
自然变化,即试验开始时一次性配好培养液后不再
继续添加营养物质。2组试验中均设有栽种彩叶草
与不栽种彩叶草(对照组)的对比试验,对比试验中
保持光照、温度、培养液体积等内外条件一致,每种
处理各做10个平行样。彩叶草与凤眼莲的抑藻对
比试验中保持营养物质浓度一致。值得说明的是,
在不加彩叶草或凤眼莲的对照试验中要模拟彩叶草
及凤眼莲的遮光作用。
1.3 分析测定
试验观测周期为50d,试验过程中培养液全氮
和可溶性磷分别采用过硫酸钾氧化—紫外分光光度
法和过硫酸钾氧化—钼锑抗分光光度法测定,每3
天测定一次;试验过程中藻密度每3天观测并计数
一次。
1.4 数据分析
所有试验数据用 Microsoft Excel录入处理。利
用SPSS 11.0对试验结果进行显著性检验分析。
2 结果与讨论
2.1 营养物质浓度保持一致时的抑藻效果
当培养液营养物质浓度保持一致时,彩叶草的
抑藻效果见图1。
图1 营养物质浓度一致时彩叶草抑藻效果
Fig.1 The inhibitory effect of Coleus blumei under nutrient
content constant solution
  图1表明,从试验开始到培养第13天,栽种彩
叶草的培养液中的藻密度呈直线增长趋势,随后,培
养液中藻密度逐渐减少,直至试验结束,培养液中藻
密度降至0.6×104个/L。而对照组,在培养液营养
物质浓度保持一致的条件下,由于未栽植彩叶草,藻
类密度一直呈直线增长趋势,试验结束后培养液中
藻密度高达6.1×104个/L。
  经SPSS 11.0统计分析,2种情况下藻密度差
异显著(P<0.01),可以得出在营养物质充分保证
的情况下,栽种彩叶草可以显著抑制藻类过度增长,
说明培养液中具有抑制藻类生长的因素。
2.2 营养物质自然变化的抑藻效果
当培养液营养物质自然变化时,彩叶草的抑藻
效果见图2。
图2 营养物质自然变化下彩叶草的抑藻效果
Fig.2 The inhibitory effect of Coleus blumei to algae
under nutrient content decreasing solution
  图2显示,栽种彩叶草和对照组在第7天前藻密
度基本相等。第7天后,栽种彩叶草的藻密度略有增
加,而对照组藻密度迅速上升。至培养第10天,栽种
彩叶草的培养液藻密度增加到1.4×104个/L,对照组
培养液藻密度增加到3.5×104个/L。从图2总的变
化趋势来看,栽种彩叶草的培养液中藻密度变化趋势
相对缓慢,第34天藻密度达到最大值(3.2×104
个/L),随后藻密度开始缓慢下降,至试验结束,藻密
度下降至2.4×104个/L,整个过程藻密度变化不大。
而对照组培养液中藻密度变化波动较大,第34天藻
·2·
 环境污染与防治 第33卷 第8期 2011年8月
密度达到最大值5.4×104个/L,然后开始下降,到试
验结束藻密度降到3.9×104个/L。
  经SPSS 11.0统计分析,2种情况下藻密度差异
显著(P<0.01),可以得出在营养物质自然变化的情
况下,栽种彩叶草可以显著抑制藻类的过度增长。
2.3 彩叶草抑藻过程中可溶性磷的变化
  培养液营养物质自然变化的试验中,栽种彩叶
草与对照组培养液内可溶性磷的变化见图3。
图3 培养液中可溶性磷的变化
Fig.3 Dissolved phosphorus content in culture solution
  图3表明,2种处理下的培养液中可溶性磷均
呈下降趋势,其中栽种彩叶草的培养液中可溶性磷
质量浓度由最初的1.0mg/L下降到0.6mg/L左
右,而对照组培养液中可溶性磷的质量浓度由最初
的1.0mg/L下降到0.5mg/L左右。两者下降幅
度经统计检验无明显差异(P>0.05),栽种彩叶草
的培养液中可溶性磷含量下降主要与彩叶草以及藻
类生长吸收有关,对照组可溶性磷含量下降主要与
藻类生长吸收有关。2种处理下的可溶性磷含量始
终保持基本一致,而对照组的藻类密度并未因可溶
性磷含量的降低而下降,反而增长较快(见图2)。
这一结论说明了彩叶草的抑藻效应并不是由于吸收
水体中的营养元素导致的。
2.4 彩叶草与凤眼莲抑藻效果对比试验
  凤眼莲被证实具有显著的抑藻效果。为了检验
彩叶草水培抑藻性能,设计了彩叶草与凤眼莲抑藻
效果对比试验。试验过程中,培养液中营养物质浓
度始终保持恒定,彩叶草与凤眼莲抑藻效果见图4。
  图4表明,试验进行到第13天,彩叶草同凤眼
莲处理中的藻密度从1.0×104个/L增加到2.5×
104个/L左右。13d后,随着彩叶草和凤眼莲的逐
渐生长,2个处理藻密度均开始下降,到培养第50
天时,彩叶草处理的藻密度降低到约0.3×104
个/L,而凤眼莲处理的藻密度降低到约0.8×104
图4 彩叶草和凤眼莲抑藻能力对照
Fig.4 Comparison the inhibition effect of Coleusblumeiand
Eichhornia crassipes to algal
个/L。2个处理抑藻效果经SPSS 11.0检验无显著
差异(P>0.05),说明彩叶草具有和凤眼莲一样的
抑藻效果。
3 结 论
(1)在始终保持培养液营养物质浓度一致的条
件下,栽种彩叶草50d后,培养液藻密度降至0.6×
104个/L,对照组培养50d后培养液藻密度达6.1×
104个/L;培养液营养物质浓度自然变化的条件下,
栽种彩叶草50d后,培养液藻密度降至2.4×104
个/L,对照组培养50d后培养液藻密度达3.9×104
个/L,说明彩叶草能显著抑制藻类的过度生长。
(2)在培养液营养物质自然变化的条件下,栽
种彩叶草与对照组培养液的营养物质浓度均直线下
降,且下降趋势始终保持基本一致,说明彩叶草并不
是通过吸收水体中的营养元素而抑制藻类生长。
(3)彩叶草与凤眼莲抑藻效果对比试验结果显
示,彩叶草和凤眼莲一样具有显著的抑藻效果。
参考文献:
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(下转第17页)
·3·
赵欣胜等 水培彩叶草抑制藻类繁殖的试验研究
表6 微波水解的正交实验结果
Table 6 Result of microwave hydrolysis orthogonal test
项目 A  B  C  D
复合氨基酸
/(mg·g-1)
1  1  1  1  1  89.12
2  2  2  2  1  106.16
3  3  3  3  1  110.48
4  2  3  1  2  94.44
5  3  1  2  2  108.74
6  1  2  3  2  107.63
7  3  2  1  3  98.93
8  1  3  2  3  101.67
9  2  1  3  3  90.12
K1 298.42  287.98  282.49  305.76
K2 290.72  312.72  316.57  310.81
K3 318.15  306.59  308.23  290.72
k1 99.47  95.99  94.16  101.92
k2 96.91  104.24  105.52  103.60
k3 106.05  102.20  102.74  96.91
R  9.14  8.25  11.36  6.70
Sj 133.44  110.66  210.39  72.81
F  1.21  1.00  1.90  0.66
显著性 不显著 不显著 不显著 不显著
优化方案 A3 B2 C2 D2
表7 最佳工艺条件下超声波水解、微波水解
与酸水解的效果比较
Table 7 Performance of ultrasonic hydrolysis,microwave
hydrolysis and traditional acid hydrolysis
unser optimal condition
水解时间/h
复合氨基酸/(mg·g-1)
酸水解 超声波水解 微波水解
0.2  30.12  35.42  42.16
0.4  65.31  55.86  68.30
0.6  76.29  81.24  91.67
0.8  83.17  108.27  110.39
1.0  94.32  115.68  112.46
1.2  98.37  108.73
1.4  108.46  62.74
1.6  96.40  60.96
达1.4、1.0、0.8h左右。与酸水解相比,超声波水
解、微波水解可以缩短水解时间0.5h左右。从耗
酸量上看,酸水解的最佳硫酸质量分数为50%,而
超声波水解、微波水解的最佳硫酸质量分数分别为
40%、30%。可见,超声波水解和微波水解能降低耗
酸量,减少设备腐蚀,降低生产成本。
3 结 论
(1)酸水解的最佳工艺条件:水解时间为2.0
h、固液比为5∶1、硫酸质量分数为50%、水解温度
为100℃。超声波水解的最佳工艺条件:水解时间
为0.5h、固液比为4∶1、硫酸质量分数为40%、超
声时间为40min。微波水解的最佳工艺条件:水解
时间为0.6h、固液比为4∶1、硫酸质量分数为
30%、微波功率为350W。
(2)与酸水解相比,超声波水解和微波水解能
缩短水解时间,降低耗酸量,减少设备腐蚀,降低生
产成本,因此具有良好的应用前景。
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编辑:卜岩枫 (修改稿收到日期:2011-04-07
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