全 文 ：第 31 卷 第 4 期 海 洋 环 境 科 学 Vol ． 3 1 ，No ． 4
2 0 1 2 年 8 月 MARINE ENVIRONMENTAL SCIENCE August 2 0 1 2
基于碳氮稳定同位素组成分析的
孔石莼对氨氮的吸收
王海霞1，刘 瑀1，鲍惠铭1，2，刘保占1，刘 苓1
(1．大连海事大学 环境科学与工程学院，辽宁 大连 116026;2．路易斯安那州立大学 地质与地球物理学院，路易斯安那州 巴
吞鲁日 70803)
摘 要:氨氮(NH4-N)是水体中能被藻类直接吸收利用的无机氮。利用稳定同位素技术研究了不同浓度下孔石莼(Ulva
pertusa)对 NH4-N的吸收，藻类体内 δ15N、δ13 C的变化。结果显示:试验初始阶段，孔石莼大量吸收水体中的14 NH4-N、12 CO2
用于自身组织的合成，导致水体中氨氮浓度、δ15N和 δ13 C 急剧下降，约在 5 ～ 25 h，这一阶段水体中氨氮浓度变化很小，藻
体15N缓慢降低，达到平缓期;约在 25 h后，氨氮浓度缓慢下降，海水中的底物浓度很低，水体中14 NH4-N 几乎被吸收殆尽，
孔石莼开始大幅吸收15NH4-N，δ15N上升。δ13 C在 4 h后呈现无规律波动。
关键词:孔石莼;氨氮;δ15N;δ13 C
中图分类号:Q331 文献标识码:A 文章编号:1007-6336(2012)04-0591-03
Uptake of ammonium by Ulva pertusa based on carbon and
nitrogen stable isotope analyses
WANG Hai-xia1，LIU Yu1，BAO Hui-ming1，2，LIU Bao-zhan1，LIU Ling1
(1． Environmrntal Science and Engineering College，Dalian Maritime University，Dalian 116026，China;2． Department of Geology
and Geophysics，Louisiana State University，Baton Rouge 70803，America)
Abstract:Ammonia(NH4-N)is thought to be the preferred source of fixed nitrogen for algae in waters． This paper studied the uptake
of ammonium by Ulva pertusa based on carbon and nitrogen stable isotope analyses． The result showed that，the assimilation of 14NH4-
N and 12CO2 by U． pertusa in order to satisfy their nitrogen demand for growth in the initial test phase，which lead to the concentration
of ammonia，δ15N and δ13 C sharp decline in waters． About 5 ～ 25 h，it was very small change of concentration of ammonia in water，
δ15N slowly decreased to moderate phase． After about 25 h，the concentration of ammonia decreased slowly，and the substrate concen-
tration in seawater was very low，U． pertusa assimilated a grate quantity of 15NH4-N when14NH4-N in waters was almost exhausted，
however，δ15N rised． 4h later，δ13 C took on erratic fluctuations．
Key words:Ulva pertusa;ammonium;δ15N;δ13 C
氮(N)是影响浮游植物生产力的主要因素之一，在各
种形式的氮化合物中，能被海洋浮游植物直接利用的是
溶解无机氮化合物(dissolved inorganic nitrogen，DIN) ，包
括硝酸盐、亚硝酸盐和铵盐［1］，氨氮(NH4-N)是藻类直接
利用的 N主要形态［2］。研究藻类对对 N吸收的传统方法
主要是通过测定不同时间溶液中 N 含量的变化来计
算［3-4］，但有研究发现，培养过程中藻类除了消耗溶液中
的 N外，也会向溶液中释放 N［5-6］，所以该方法并不能很
好的反映藻类对 N的吸收情况。随着稳定同位素技术的
飞速发展，越来越多的学者开始利用 δ15 N 稳定同位素研
究藻类对 N的吸收［6-7］。目前我国利用稳定同位素技术
研究藻类对 NH4-N的吸收及其 δ
15 N、δ13 C 的研究鲜有报
道。为此，本文以孔石莼为研究对象，通过设置不同浓度
的水体试验组，利用稳定同位素技术研究孔石莼对 NH4-
N的吸收及藻体的 δ15N、δ13C变化，探讨同位素的分馏效
应和 N源对孔石莼 δ13C的影响，从而揭示 NH4-N对藻类
收稿日期:2011-12-09;修订日期:2012-03-07
作者简介:王海霞，(1982-) ，女，山东梁山人，博士研究生，研究方向:海洋环境化学，E-mail:wangdlmu@ hotmail． com
通讯作者:刘 瑀，(1965-) ，男，陕西西安人，教授，博士生导师，E-mail:ylsibo@ gmail． com
592 海 洋 环 境 科 学 第 31 卷
群落结构的影响机理，以期对近海海洋生态环境影响等
方面提供理论依据。
1 材料方法
1． 1 材 料
孔石莼(Ulva pertusa)取自辽宁大连黑石礁海域，清
洗藻体并仔细除去表面附着物，在 19 ～ 22℃室内藻池内
训化培养 3 d后，从中选取优质海藻进行试验。
试验用海水取自大连黑石礁海域，经砂滤，并用大量
的非试验用孔石莼吸收 3 ～ 4 d，使海水中的 N 几乎完全
被吸收。
1． 2 方 法
在 4 个水槽中定量加入经过砂滤的海水，分别投入
氯化铵溶液，使水槽中 NH4-N 的起始浓度分别为 0． 5、
1． 0、2． 0、5． 0 mg·L-1，同时为了避免因 P 元素的缺乏影
响孔石莼的生长，进而影响其对氮的吸收，也在每个水槽
中投入 KH2 PO4溶液，使 HPO4-P 的浓度为 2． 0 mg·L
-1，
同时设置平行组，见表 1。每个水槽里均放入 45． 0 g经甩
干的孔石莼以及适量的海水，使水体中的藻细胞数为 1． 0
mg·L-1。藻片取样时间间隔分别为 0． 5、1、2、4、10、24、33
h，在每次取出 2． 0 g藻时同时取出 2． 0 g 水，以使水槽中
的藻密度保持为 1． 0 mg·L-1。试验温度(20 ± 1)℃，以日
光灯为光源，光照强度为 4 750 lx，12 h光照，12 h无光照
循环。
将取出的孔石莼，60℃烘干 24 h，研磨，过筛，称取适
量的样品用元素分析仪(Flash EA 1112，Thermo Fisher
Scientific，美国)和稳定同位素比质谱仪(Delta V Advan-
tage，Thermo Fisher Scientific，美国)测定孔石莼的 δ15 N、
δ13C。
在试验开始后 0． 5、1、2、3、4、6、10、24、27、33 h，采用
靛酚蓝分光光度法，用营养盐自动分析仪测定水体中
NH4-N浓度。
表 1 试验组设置
Tab． 1 The setting of experimental group
编号
第一组
NH4-N /mg·L-1 HPO4-P /mg·L-1
第二组
NH4-N /mg·L-1 HPO4-P /mg·L-1
1# 0． 5 2． 0 0． 5 2． 0
2# 1． 0 2． 0 1． 0 2． 0
3# 2． 0 2． 0 2． 0 2． 0
4# 5． 0 2． 0 5． 0 2． 0
2 结果与讨论
2． 1 孔石莼对 NH4-N的吸收
图 1 水中 NH4-N浓度随时间的变化
Fig． 1 The variability of ammonia with the time
NH4-N是藻类可直接利用的无机氮主要形态
［2］，因
为其同化过程不涉及氧化还原反应，且需要很少的能量，
可以认为 NH4-N能作为浮游植物生长的唯一氮源
［8］。
试验发现，水中 NH4-N浓度变化可以分 3 个阶段，见
图 1，即开始的快速降低阶段，约在 4 h 之内，水中 NH4-N
浓度急剧下降，因为此时的孔石莼处于“氮饥饿”状态，而
底物 NH4-N处于高浓度，孔石莼快速、大量吸收 NH4-N，
其结果在藻体细胞中形成营养库，使得水体中 NH4-N 浓
度急剧下降，约在 5 ～ 25 h，营养库的充盈程度反过来影
响孔石莼对 NH4-N的吸收，所以 NH4-N 浓度随时间的增
加达到中间的平稳阶段，这一阶段 NH4-N浓度变化很小，
是藻内细胞氨控制阶段;约在 25 h后，NH4-N浓度缓慢下
降，海水中的底物浓度很低，是藻外 NH4-N控制阶段
［9］。
2． 2 孔石莼的 δ15N变化
不同 NH4-N浓度下孔石莼 δ
15N的变化，见图 2。结果
显示，δ15N的变化可分为三个阶段，4 h 内，孔石莼快速的
吸收14NH4-N，δ
15N值急剧下降。δ15N在 5 ～24 h内呈现缓
慢下降的趋势，而在 24 h之后，δ15N有缓慢上升的趋势。
图 2 不同 NH4-N浓度下孔石莼的 δ
15N
Fig． 2 δ15N variability of U． pertusa in different ammonia con-
centration
在 4 h之内，不同浓度下的孔石莼 δ15 N值迅速降低，
一是因为试验开始时孔石莼经驯化处于“饥饿”状态，能
快速吸收水体中的 NH4-N，二是 NH4-N浓度比较高，孔石
莼优先吸收14N，造成同位素分馏效应，使得孔石莼体内的
δ15N值急剧下降。随着时间的增加，海水中剩余的15 N /14
N比例逐渐上升，14NH4-N的比例逐渐降低，
15 NH4-N的比
第 4 期 王海霞，等:基于碳氮稳定同位素组成分析的孔石莼对氨氮的吸收 593
例逐渐增多，吸收14 N 的速率受到抑制，故孔石莼的 δ15 N
值在 5 ～ 24 h 内呈现缓慢下降的趋势。25 h 之后，水体
中15NH4-N的比例增多，孔石莼逐步吸收不易被吸收利用
的15NH4-N，
15N在孔石莼体内富集，使得孔石莼的 δ15N值
逐步上升。
2． 3 孔石莼的 δ13C变化
本次试验中，并没有额外加入其它的碳源，根据汽液
平衡理论，海水 －大气存在着一个 CO2平衡体系，确保了
海水中的碳源充足，孔石莼吸收利用的碳源是来自海水
中的自然碳源，假设溶解于水体中的 CO2气体是孔石莼光
合作用的唯一碳源。
当 NH4-N作为 N源时，孔石莼同化作用如下
［10］:
16CO2 + 16NH
+
4 + HPO
2-
4 + 48H2O + 14OH
-→C106H175-
O42N16P + 118O2
C106H175O42N16P表示浮游植物有机质的平均组成。
不同 NH4-N浓度下，孔石莼 δ
13C的变化，见图 3。在
试验初始阶段，水体中有大量的溶解12CO2，孔石莼能快速
的吸收12 C 合成新组织。随着时间的推移，水体中溶解
12CO2降低，
13CO2富集，孔石莼吸收利用
13 C 合成新组织，
孔石莼的 δ13C值应呈现上升趋势，但在 5 h 后呈现无规
律波动。随着时间的增加，不同浓度下孔石莼的 δ13 C 值
呈现下降的趋势，5 h之后呈现无规律的波动。在低浓度
(NH4-N浓度为 0． 5 mg·L
-1、1． 0 mg·L-1) ，孔石莼的 δ13
C在 4 ～ 24 h 呈上升趋势，而在 24 h 后下降。高浓度
(NH4-N浓度为 2． 0 mg·L
-1、5． 0 mg·L-1) ，孔石莼的 δ13
C呈现先上升后下降的趋势。NH4-N浓度为 2． 0 mg·L
-1
的孔石莼 δ13C值在 10 ～ 24 h缓慢上升，24 h之后上升趋
势大幅增加。NH4-N 浓度为 5． 0 mg·L
-1的孔石莼 δ13 C
值在 4 ～ 10 h缓慢上升，之后缓慢下降。出现这种情况很
有可能采取了孔石莼不同的部位，不同的部位固定无机
碳的能力是不同的，且新生组织的固碳能力比老化的组
织要快得多［11］。
图 3 不同 NH4-N浓度下孔石莼的 δ
13C值
Fig． 3 δ13 C variability of Ulva pertusa in different ammonia
concentration
3 结 论
本试验利用稳定同位素技术研究了不同浓度下孔石
莼对 NH4-N的吸收，以及藻体的 δ
15N、δ13C的变化。结果
表明:
(1)水体中 NH4-N浓度变化可以分 3 个阶段:试验初
始阶段，约在 4 h之内，孔石莼大量吸收的 NH4-N 用于自
身的合成，导致水中 NH4-N 浓度急剧下降。约在 5 ～ 25
h，这一阶段 NH4-N浓度变化很小，是藻内细胞氨控制阶
段;约在 25 h后，NH4-N 浓度缓慢下降，海水中的底物浓
度很低，是藻外 NH4-N控制阶段。
(2)试验初期(4 h 之内) ，水体中的14 NH4-N 被“饥
饿”的孔石莼大幅吸收，用于自身生物体的合成，藻体的
δ15N 值急剧下降;随着时间的增加14 NH4-N 浓度降低，
15NH4-N在水体中富集，藻体开始吸收利用
15 NH4-N，在 5
～ 24 h 藻体内的 δ15 N 缓慢降低，达到平缓期;约在 25 h
后，水体中14NH4-N几乎被吸收殆尽，孔石莼开始大幅吸
收15NH4-N，δ
15N上升。试验表明，孔石莼优先吸收14 NH4-
N，产生同位素分馏效应。
(3)孔石莼 δ13C值在前 4 h快速下降，4 h后，δ13C呈
现无规律波动。在没有额外碳源加入的情况下，试验初
始阶段，孔石莼能快速的吸收水体中的12C，随着时间的增
加，13C在水体中富集，孔石莼的新老组织出现对12 C 吸收
的竞争，新生组织的固碳能力高于老化的组织，δ13 C 呈现
不规律变化。
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