全 文 ：第 23卷第 4期 大 连 水 产 学 院 学 报 Vol.23No.4
2 0 0 8年 8月 JOURNALOFDALIANFISHERIESUNIVERSITY Aug.2 0 08
文章编号:1000-9957(2008)04-0283-05
Pb(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)对孔石莼吸收总氨氮的影响
魏 海峰 1、2、 3 , 　朱 学惠 1、 3 , 　刘 长发 1、 3 , 　曹　巍 1、 3 , 　何　洁1、3 , 　刘 恒 明1、3
(1.大连水产学院 海洋环境工程学院 ,大连 116023;2.中国水产科学院 渔业水体净化技术和系统研究重点开放实验室 ,上海 , 200092;
3.辽宁省省级高校近岸海洋环境科学与技术重点实验室 ,大连 , 116023)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
摘要:在实验室条件下研究了大型海藻孔石莼 Ulvapertusa在 Pb(Ⅱ)、 Zn(Ⅱ )胁迫下对不同浓度总氨
氮的吸收过程。总氨氮的设计水平为 0、 0.25、 0.5、 1.0、 1.5、 2.0 mg/L, Pb(Ⅱ )、 Zn(Ⅱ)的质量浓度为
0.5、 1.0 mg/L, 持续时间为 12 h。结果表明:对照组在 0 ～ 1 h内 , 孔石莼对总氨氮的吸收速率显著高于
之后的时间段 , 有明显的快吸收过程;在 Pb(Ⅱ)、 Zn(Ⅱ)的胁迫下 , 这种初期快速吸收的现象减弱;
两种重金属都能对孔石莼吸收总氨氮产生抑制作用 , 其中 Pb(Ⅱ)、 Zn(Ⅱ)对孔石莼吸收总氨氮初期阶
段 (0 ～ 1 h)的胁迫作用显著 , 抑制率达 40% ～ 70%;高浓度 (1mg/L)的 Pb(Ⅱ)、 Zn(Ⅱ)对孔石莼
吸收总氨氮的胁迫作用大于低浓度 (0.5mg/L);Zn(Ⅱ)对孔石莼吸收总氨氮的抑制作用强于 Pb(Ⅱ)。
关键词:重金属;胁迫;孔石莼;总氨氮;吸收
中图分类号:Q948.1　　　　文献标志码:A
　　城市生活污水和工业废水的排放以及农田面源
污染 , 使近海生态环境日益恶化 , 其中总氨氮是重
要的污染物之一 , 也是造成水体富营养化的重要物
质基础 。同时总氨氮也是水产动物代谢的主要产
物 。当水体中的总氨氮达到一定浓度后将对生物产
生毒害作用 , 因此 , 如何消除过量总氨氮成为亟待
解决的问题 。利用大型海藻修复海洋富营养化是一
种利用植物吸收 、转移污染物 , 使其对环境无害 ,
并让环境得到修复和治理的一项技术 。由于大型海
藻吸收营养元素 (N、 P)的效率高 , 并能产生一
定的经济效益 , 因而受到国内外学者的关注。
近年来 , 国内外加强了对大型藻吸收营养盐的
研究 , 并取得了一定的研究成果 。刘静雯等[ 1-2]研
究了温度 、 盐度和饥饿对几种大型藻类吸收总氨氮
的吸收动力学特征;岳维忠等 [ 3]则以吸收速率为
指标 , 筛选出蛎菜和草叶马尾藻作为净化水质的优
良材料;钱鲁闽等 [ 4] 在实验室条件下研究了环境
因子对龙须菜和菊花江篱吸收 N、 P速率的影响;
李飞等 [ 5]研究了废水中 N、 P的浓度 、 温度 、 藻密
度 、光照和 pH等诸多环境因素对微藻去除 N、 P
的影响 。Fujimoto等 [ 6]研究了室内条件下不同 N/P
值和温度相互作用对藻类种群的影响 , 结果表明 ,
不同的藻类对 N、 P的吸收特征明显不同 。大量研
究表明[ 7] , 藻类生长受到许多因素的限制 , 如光
照强度 、 藻类密度 、温度 、 pH等。孔石莼是一种
重要的大型经济海藻 , 具有适应性广 、 生长快 、 营
养储存库大 、 经济价值高和改善生态环境等优点 ,
因而成为用于修复养殖污染海域的研究热点 [ 8] 。
目前 , 国内外大多数研究主要集中在孔石莼对受
N、 P污染富营养化海域的生物修复方面 , 而关于
重金属对孔石莼的毒性效应 、致毒机理以及孔石莼
对重金属的耐受能力及修复机制等方面的研究报道
甚少 。为此 , 本试验中 , 作者着重研究了重金属
Pb(Ⅱ)和 Zn(Ⅱ)对孔石莼 Ulvapertusa吸收总
氨氮速率的影响 , 旨在为今后利用孔石莼改善海洋
环境提供科学依据 。
1　材料与方法
1.1　材料
试验用孔石莼 Ulvapertusa取自辽宁大连黑石
礁海域 , 经室内培养一段时间后 , 选取生长良好的
部分用于试验 。海水取自大连黑石礁海域 , 经砂滤
后使用 , 盐度为 30, pH为 8.0 ～ 8.1。
　收稿日期:2007-10-23
　基金项目:国家 “ 863” 高技术研发项目 (2007AA10Z410);辽宁省自然科学基金资助项目 (20072141);中国水产科学院渔业水体净化
技术和系统研究重点开放实验室开放基金资助项目 (FWT-200703)
　作者简介:魏海峰 (1978-), 男 , 讲师 , 硕士。 E-mail:weihaifeng@dlfu.edu.cn
DOI :10.16535/j.cnki.dlhyxb.2008.04.001
1.2　方法
试验在 500mL烧杯中进行 , 其中试验海水体
积为 500 mL。以 NH4 Cl为氮源 、 KH2 PO4为磷源 。
总氨氮浓度设为 0、 0.25、 0.5、 1.0、 1.5、 2.0
mg/L, 海水中总氨氮本底平均值为 0.324 mg/L。
加入磷酸盐使 PO4 -P质量浓度均为 0.5mg/L, 保
证磷过量。每组浓度下设置 3个平行 , 按 1 mL/L
浓度向每个烧杯里加 f/2配方 。将经过驯化培养的
孔石莼取出 , 用滤纸吸去表面水分 , 切成 1 cm2大
小的藻片 , 按照 1 g/L生物量放入烧杯中 , 随后定
量加入 Zn(Ⅱ)或 Pb(Ⅱ)(均设两个浓度梯度 ,
分别为 0.5、 1.0mg/L), 开始对总氨氮吸收试验。
试验从上午 8:00开始 , 持续时间为 12 h, 期
间采用自然光照 (实验室屋顶为半透明板材)。取
样时间为试验开始后的 0、 1、 3、 6、 12 h, 每次取
样 10 mL, 然后置于冰箱中保存 。采用 BRAN
LUBEE公司生产的 AutoAnalyzer3型流动注射分析
仪测定样品中总氨氮的含量。
1.3　数据处理
孔石莼对总氨氮的吸收速率用下列公式计算:
　　　　v= (ρ0 -ρt)V/ (B· t),
其中:v为吸收速率 (mg/ (g· h));ρ0为试验开
始时水中营养盐的浓度 (mg/L);ρt为试验结束时
水中营养盐的浓度 (mg/L);V为培养器皿中水体
积 (L);B为生物量 (g);t为培养时间 (h)。
2　结果与分析
2.1　无金属胁迫下孔石莼对总氨氮的吸收情况
静态条件下 , 海藻培养液中营养盐浓度变化可
用一级反应动力学来描述[ 9] , 即
　　　　-dρdt=kρ, (1)
其中:ρ为水中营养盐浓度 (mg/L);t为滞留时
间 (h);k为去除速率常数 (1 /h)。对式 (1)积
分得
　　　　ρt=ρ0e-kt, (2)
其中:ρt为 t时刻培养液中某营养盐的浓度
(mg/L);ρ0为理想状态下该营养盐的初始浓度
(mg/L)。采用式 (2)拟合孔石莼吸收总氨氮的
速率 , 结果如表 1所示 。
表 1　不同总氨氮初始浓度下对照组孔石莼对总氨氮的吸收速率(n=3)
Tab.1　AmmoniumuptakebyUlvapertusaindifferentTNH
3
-Nconcentrationincontrolgroup
ρ(TNH3 -N)/(mg· L-1) 总氨氮吸收速率 v/(mg· g-1· h-1) 总氨氮平均吸收速率的动力学方程 TheequationofTNH3 -Nuptakerates
0.25 0.0208 v= 0.0318e-0.0068t, 　R2 =0.826
0.5 0.0415 v= 0.0654e-0.0058t, 　R2 =0.7736
1.0 0.0833 v= 0.2749e-0.0062t, 　R2 =0.8093
1.5 0.1247 v= 0.8045e-0.0081t, 　R2 =0.9555
2.0 0.1660 v= 1.1782e-0.0075t, 　R2 =0.9579
　　从图 1可见:孔石莼对总氨氮的平均吸收速率
为 0.0208 ～ 0.1660 mg/ (g· h);试验开始的 1 h
内有个较快的吸收过程 , 但在之后的几个小时内 ,
孔石莼对总氨氮的吸收速率大大下降 。这验证了前
人提出的大型藻吸收总氨氮的过程一般可分为 3个
阶段 , 即快速吸收阶段 (surgeuptake)、 内部控制
的吸收阶段 (internalycontroleduptake)和外部控
制的吸收阶段 (externalycontroleduptake)[ 10] 。
吸收率随时间而变化的原因 , 可能是当海藻处于氮
限制时 , 细胞内的氮库较小 , 开始的快速吸收
(10 ～ 60 min)是用于充盈细胞内营养库的阶段;
吸收率下降至稳定阶段则可能是充盈细胞内 N库
的反馈抑制作用;接着是由介质营养盐浓度控制的
吸收 , 随着介质营养盐的消耗 , 吸收速率迅速下
降 。可见在选择测定营养盐吸收速率方法时 , 时间
段的选择是非常重要和必要的 [ 11] 。
图 1　对照组孔石莼对总氨氮的吸收速率
Fig.1　TNH3 -NuptakeratesbyU.pertusaincontrol
group
284 大 连 水 产 学 院 学 报　　　　　　　　　　　　第 23卷
2.2　Pb(Ⅱ)胁迫下孔石莼对总氨氮的吸收情况
由图 2可见:在浓度为 0.5mg/LPb(Ⅱ)的
胁迫下 , 孔石莼吸收总氨氮的速率变化规律与对照
组较为相似 , 即开始阶段是一个快速吸收过程 , 对
总氨氮的吸收速率较高 , 之后几个时间段对总氨氮
的吸收速率显著下降;在浓度为 1.0 mg/LPb
(Ⅱ)的胁迫下 , 孔石莼对总氨氮在初始阶段 (0
～ 1 h)的快速吸收大大下降 , 与其它时间段的吸
收速率差距缩小。
图 2　在 0.5、 1.0 mg/LPb(Ⅱ)胁迫下孔石莼对总氨氮的吸收速率
Fig.2　TNH3 -NuptakeratesbyU.pertusaunderPb(Ⅱ)(0.5 mg/L, 1.0 mg/L)stress
　　由图 3可见:与对照组相比 , 0.5、 1.0 mg/L
Pb(Ⅱ)处理组的吸收速率均有显著差异 (P<
0.05);在 0 ～ 1 h内 , 对照组孔石莼对不同浓度总
氨氮的吸收速率分别为 0.221、 0.4365、 0.734、
0.8805、1.076 mg/(g· h), 而 0.5、 1.0 mg/LPb
(Ⅱ)处理组孔石莼对总氨氮吸收速率明显减慢 ,
分别为 0.2 ～ 0.8mg/L和 0.18 ～ 0.30 mg/(g· h)。
0.5mg/LPb(Ⅱ)处理组最高吸收速率仅为对照
组的 68%。
2.3　在 Zn(Ⅱ)胁迫下孔石莼对总氨氮的吸收
由图 4可见:随着总氨氮浓度的增加 , 孔石莼
在 0 ～ 1、 1 ～ 3、 3 ～ 6、 6 ～ 12 h4个时间段内对总
氨氮的快速吸收现象几乎消失 , 与对照组 (图 1)
相比有很大的差异。在 0.5 mg/LZn(Ⅱ)的胁迫
下 , 孔石莼对总氨氮一开始仍有一个快吸收阶段 ,
而在 1.0 mg/LZn(Ⅱ)的胁迫下 , 孔石莼对总氨
氮的快速吸收过程完全消失 , 说明 Zn(Ⅱ)浓度
越高 , 对孔石莼产生的毒性越大。
由图 5可见:在 0 ～ 1h内 , 0.5、 1.0mg/LZn
(Ⅱ)处理组孔石莼对总氨氮的吸收速率分别为
0.1 ～ 0.4、 0.1 ～ 0.3 mg/ (g· h), 最大吸收速率
仅为对照组的 32%, 说明 Zn(Ⅱ)对孔石莼吸收
总氨氮速率的影响随着 Zn(Ⅱ)浓度的增大而增
强 。与对照组 (图 1)比较 , 孔石莼对总氨氮的吸
收速率显著减慢 (P<0.05)。
注:＊表示与对照组差异显著 , 下同。
Note:＊ indicatesthatthereissignificantdifer-
encebetweenthecontrolgroupandtheoth-
ers, etsequentia.
图 3　Pb(Ⅱ)处理组和对照组孔石莼在 0 ～ 1 h内对
总氨氮的吸收速率
Fig.3　TNH3 -NuptakeratesbyUlvapertusaincon-
trolgroupandstressedbyPb(Ⅱ)
　　由图 3和图 5可知 , Zn(Ⅱ)对孔石莼吸收
总氨氮的胁迫作用要大于 Pb(Ⅱ)。重金属对海藻
营养代谢抑制的原因 , 可能是重金属的毒性能阻止
海藻细胞分裂 , 破坏细胞内含物 , 降低酶的活性 ,
285第 4期　　　　　　　　　魏海峰 ,等:Pb(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)对孔石莼吸收氨氮的影响
从而对孔石莼吸收总氨氮产生抑制作用。
图 4　在 0.5、 1.0 mg/LZn(Ⅱ)胁迫下孔石莼对总氨氮的吸收速率
Fig.4　TNH
3
-NuptakeratesbyUlvapertusaunderZn(Ⅱ)(0.5 mg/L, 1.0 mg/L)stress
图 5　Zn(Ⅱ )处理组和对照组孔石莼在 0 ～ 1 h内对
总氨氮的吸收速率
Fig.5　TNH
3
-NuptakeratesbyUlvapertusaincon-
trolgroupandinstressedbyZn(Ⅱ)
3　讨论
3.1　Pb(Ⅱ)、 Zn(Ⅱ)对藻类毒性作用的机理
Zn(Ⅱ)是藻类生长的必需微量元素 , 适量
的 Zn(Ⅱ)对藻类生长有利 , 但超过一定浓度时
就会对藻类产生毒性 , 抑制藻类生长 , 影响光合作
用 , 使叶绿素含量下降 , 从而影响藻类对营养盐的
吸收[ 12] 。导致重金属对藻类毒性差异的主要因素
包括藻类种类 、 生理和环境条件及重金属的形
态 [ 13] 。重金属对藻类毒性大小的顺序随藻类种类
和试验条件发生变化 , 一般来说 , Hg(Ⅱ)>Cd
(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)>Zn(Ⅱ)>Pb(Ⅱ)>Cr(Ⅵ )[ 14] ,这
与本试验中 Zn(Ⅱ)对孔石莼的毒性大于 Pb
(Ⅱ)的结果一致 。有研究表明 [ 15] :较低浓度的
Zn(Ⅱ)可使海生浮游植物天然群落的光合作用
能力下降;降低普通小球藻 50%生长率的 Zn
(Ⅱ)质量浓度为 2.4μg/mL;当 Zn(Ⅱ)质量浓
度为 20μg/mL时 , 小球藻的生长完全停止;当 Zn
(Ⅱ)质量浓度为 0.8 μg/mL时 , 可使藻类的 CO2
吸收率下降 69%;Zn(Ⅱ)还能导致藻类的渗透
率增加 , 使电介质漏失 , 甚至引起藻类的形态变
异。
Pb(Ⅱ)影响孔石莼吸收总氨氮的原因 , 可
能是 Pb(Ⅱ)与蛋白质中的巯基相结合 , 从而使
蛋白质活性改变 , 或使生物膜发生过氧化作用 , 植
物吸收运输功能下降 , 导致吸收总氨氮能力下
降[ 16] 。王修林等 [ 17]认为 , 高浓度的 Pb(Ⅱ)对
海藻赤潮的生长表现为抑制作用 , 这可能是由于高
浓度 Pb(Ⅱ)能抑制藻细胞的光合作用 , 并能与
藻细胞内的谷氨酸 、半胱氨酸络合形成生物螯合物
PbPC2 , 降低藻细胞的生长速率 , 从而抑制藻类的
生长 。重金属对藻类产生抑制作用的原因 , 还有可
能是重金属影响了藻类的酶活性 , 这主要有两种可
能:一是由于重金属的作用使作为酶辅助因子的金
属离子的吸收和利用受阻;二是由于重金属与酶蛋
白的某些基团结合形成螯合物 , 使酶的结构与构型
发生变化而影响酶的活性。同时 , 大型藻具有降低
重金属毒性或增加自身耐受力的机制 , 藻类的胞外
产物在细胞外结合金属离子 , 以达到解毒的作用。
此外 , 结合到细胞壁上的多糖可对金属离子产生排
286 大 连 水 产 学 院 学 报　　　　　　　　　　　　第 23卷
斥作用 , 或改变了细胞膜上金属离子的运输通道 ,
细胞内的多糖可使金属离子改变价态或转变成无毒
性的有机金属化合物 , 以达到解毒作用。
3.2　在 Zn(Ⅱ)、 Pb(Ⅱ)胁迫下孔石莼对总氨
氮的吸收特点
本试验的对照组中 , 在试验开始的 6 h内 , 孔
石莼可以吸收总氨氮量的 80%;当总氨氮浓度为
0.25 ～ 2.0 mg/L时 , 孔石莼对总氨氮的平均吸收
速率为 0.021 ～ 0.166mg/ (g·h), 而 0 ～ 1h时间
段吸收速率显著高于其他时间段 (P<0.05)。这
表明孔石莼在高浓度总氨氮介质中存在初期快速吸
收现象 。
Zn(Ⅱ)对孔石莼吸收总氨氮的胁迫作用比
Pb(Ⅱ)要明显。在 1 mg/LZn(Ⅱ)的胁迫下 ,
试验开始阶段孔石莼对总氨氮的快速吸收现象就不
明显 , 说明高浓度的 Zn(Ⅱ)对孔石莼吸收总氨
氮有明显的抑制作用 , 其他试验时间段内 Zn(Ⅱ)
对孔石莼吸收总氨氮的的平均抑制率为 20%左右;
但在 0.5 mg/LZn(Ⅱ)的胁迫下 , 其抑制效果并
不明显 , 当总氨氮初始浓度为 0.25 ～ 1.0mg/L时 ,
其抑制率仅为 5%左右。在 Pb(Ⅱ)胁迫的情况
下 , 试验开始阶段 (0 ～ 1 h)孔石莼对总氨氮吸收
速率与对照组有显著性差异 (P<0.05), 抑制率
达 40% ～ 70%。
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EfectsofPb(Ⅱ)andZn(Ⅱ)stressonammonianitrogen
uptakebysealetuceUlvapertusa
WEIHai-feng1, 2, 3 , 　ZHUXue-hui1, 3 , 　LIUChang-fa1, 3 , 　CAOWei1, 3 , 　HEJie1, 3 , 　LIUHeng-ming1, 3
(1.SchoolofMarineEnvironmentalEngineering, DalianFisheryUniv., Dalian116023, China;2.Keylaboratoryoffisherywatertreatment, CAFS,
Shanghai200092, China;3.LiaoningProvinceKeyLaboratoryofNearshoreMarineEnvironmentalScienceandTechnology, Dalian116023, China)
Abstract:TheTNH3 -NuptakebysealetuceUlvapertusaunderstressofdiferentconcentrations(0.5, and1.0
mg/L)ofPb(Ⅱ)andZn(Ⅱ)weredeterminedatammonianitrogenconcentrationsof0, 0.25, 0.5, 1.0, 1.5, and
2.0 mg/Lfor12hoursinalaboratory.Theuptakeratewasfoundtobesignificanthigherin0-1hthanininterval
time, andsignificantsurgeuptakeoccuredatbeginningoftheexperimentsinthecontrolgroup, butthesurgeup-
takedecreasedsignificantlybystressofPb(Ⅱ)andZn(Ⅱ).Significantinhibitionwasobservedwhentheconcen-
trationofPb(Ⅱ)andZn(Ⅱ)was0.5and1.0mg/Linthe0-1hour.Zn(Ⅱ)showedstrongerinhibitionofthe
uptakeratesthanPb(Ⅱ).
Keywords:heavymetals;stress;Ulvapertusa;ammonianitrogen;uptake
287第 4期　　　　　　　　　魏海峰 ,等:Pb(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)对孔石莼吸收氨氮的影响