全 文 ：第 6G期 Environmental Science & Technology
第 34卷 第 6G期
2011年 6月
Vol. 34 No.6G
June 2011
月牙藻、四尾栅藻生长的氮营养动力学特征
石瑞雪， 何连生 *， 孟睿， 徐东耀， 席北斗
（中国矿业大学，北京 100083）
摘 要：文章通过分批培养试验比较研究了在水产养殖废水处理中的相对优势的藻种——月牙藻和四尾栅藻在磷浓度一定的前
提下，对不同初始氮浓度生长的响应，并应用Monod方程计算了两种受试藻种对氮的生长动力学参数：最大比增殖速率（μmax）及半饱和
常数（Ks）。结果显示，月牙藻的最大比增殖速率为 0.410 d-1，半饱和常数为 0.297 mg/L；四尾栅藻的最大比增殖速率为 0.328 d-1，半饱和
常数为 0.471 mg/L。据此可以预测，当磷浓度一定时，无论是在低氮还是高氮浓度下，月牙藻比四尾栅藻更容易形成优势藻。
关键词：月牙藻； 四尾栅藻； 生长动力学； 最大比增殖速率； 半饱和常数
中图分类号：X172 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1003-6504.2011.6G.006 文章编号：1003-6504(2011)6G-0023-04
Dynamic Study on the Effect of Nitrogen on the Growth of
Selenastrum capricornutum and Scenedesm us quadricauda
SHI Rui-xue，HE Lian-sheng*，MENG Rui，XU Dong-yao，XI Bei-dou
（China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China）
Abstract：This paper studied the effects of nitrogen on the growth of Selenastrum capricornutum and Scenedesm us
quadricauda，which were used in the treatment of aquaculture wastewater,with bulk culture in the condition of constant
phosphrus concentration,and calculated the maximum special growth rate(μmax) and semi-saturation constant(Ks) of them to
nitrogen using the Monod Equation.The reasults show that the maximum special growth rate and the semi -saturation
constant of Selenastrum capricornutum were 0.410 d-1 and 0.297 mg/L respectively; The maximum special growth rate and
the semi-saturation constant of Scenedesm us quadricauda were 0.328 d-1 and 0.471 mg/L respectively. According to these
dynamics constants, when the concentration of the phosphrus is constant, it can be expected that Selenastrum
capricornutum will be dominant whenever introgen is scarce or abundant.
Key words: Selenastrum capricornutum; Scenedesm us quadricauda;growth dynamics; the maximum special growth ratel;
semi-saturation constant
《环境科学与技术》编辑部：（网址）http://fjks.chinajournal.net.cn（电话）027-87643502（电子信箱）hjkxyjs@126.com
收稿日期：2010-12-21；修回 2011－01－19
基金项目：国家自然科学基金项目（50908219）
作者简介：石瑞雪（1987-），女，硕士研究生，研究方向为水污染控制，（电话）15210573856（电子信箱）ruixue1008@126.com；*通讯作者，副研究员，博
士，研究方向为生态水处理工程，（电话）010-84916117（电子信箱）heliansheng08@126.com。
石瑞雪，何连生，孟睿，等.月牙藻、四尾栅藻生长的氮营养动力学特征[J].环境科学与技术，2011，34(6G):23- 26.Shi Rui- xue，He Lian- sheng，Meng
Rui，et al. Dynamic study on the effect of nitrogen on the growth of Selenastrum capricornutum and Scenedesm us quadricauda [J]. Environmental Science
&Technology,2011,34(6G):23- 26.
近年来，全球水产养殖业迅速发展，但由于大量
饵料投入、大量用药和大量换水，出现水环境污染负
荷日益加重、病害频繁发生、养殖产品质量下降的现
象。特别对于高密度养殖的水体，由于养殖密度大，养
殖面积有限及水体的自净能力有限，到了养殖的中后
期，常常会因为水质的变坏导致疾病的发生[1]。某些藻
类是水生态体系中调节水质的重要微生物，它们吸收
氮、磷等无机营养盐而合成有机物，并能够向周围释
放氧气。将某些藻类应用于水产养殖废水的处理，不
仅能够有效控制养殖水体中氨态氮、亚硝态氮等有害
物含量，改善水质，且具有无毒副作用、不污染环境的
特点，符合健康养殖的要求[2]。
斯托姆提出藻类的经验分子式为 C106H263O100N6P[3]，
其生产量主要取决于环境中营养盐的供应量，当营养
盐供应充足时，藻类便充分增殖。氮作为藻类生长所
必须的营养盐，其供应状况会导致水体藻类群落结构
的演替[4]。根据孟睿等[5]的研究，月牙藻和四尾栅藻是
经筛选得出的用于净化水产养殖废水的优势藻种，在
第 34卷
利用菌―藻体系（由月牙藻、四尾栅藻、硝化细菌和地
衣芽孢杆菌组成）净化水产养殖废水中，月牙藻是去
除氨态氮的最主要因素，四尾栅藻是去除亚硝态氮的
最主要因素。
Monod方程是研究藻类种群动态变化的基本动
力学方程，它将营养盐的可利用性与微生物生长直接
联系起来[6]。有些研究者已经应用Monod方程分析了
营养盐浓度对铜绿微囊藻(Microcystisaeruginosa)、斜
生栅藻(Scendesmus obliquus)、普通小球藻(Chlorella
vulgaris)、赤潮异湾藻(Heterosigma akashiwo)、新月菱
形藻(Nitzswhia closteztuma)等藻类生长的影响[7-11]。
比增殖速率 μmax和半饱和常数 Ks是藻类在浮游
植物群落种间竞争能力和演替顺序的指标[12]。通过比
较不同藻类的 μmax和 Ks可以推测营养限制条件下藻
类竞争的结果。本文以月牙藻(Selenastrum capricor－
nutum)和四尾栅藻(Scenedesm us quadricauda)为研究
对象，比较研究当磷浓度一定时，不同初始氮浓度条
件下两种藻的 μmax和 Ks，为以后这两种藻在水产养殖
废水处理中的进一步应用提供理论基础。
1 材料与方法
1.1 主要仪器与设备
光照培养箱、离心机、电子显微镜、血球计数板
等。试验所用的玻璃仪器先经清水冲洗，后在稀盐酸
中浸泡一夜，然后以灭菌水冲洗，烘干，备用。
1.2 藻种及培养基
实验用藻种为月牙藻和四尾栅藻，取自中国环境
科学研究院湖泊环境研究基地的藻种库。培养基采用
m11培养基 [13]：NaNO3 100 mg/L，K2HPO4 10 mg/L，
MgSO4·7H2O 75 mg/L，CaCl2·2H2O 40 mg/L，Na2CO3
20 mg/L，柠檬酸铁 6 mg/L，乙二胺四乙酸二钠 1 mg/L。
试验以上述培养基为基础，以 NaNO3为氮源，先
配制无氮培养基，按试验所需浓度在其中加入相应量
的氮，其质量浓度设定为 0.0，0.5，1.0，2.0，4.0，8.0，
16.0，32.0 mg/L。
1.3 接种
试验前将藻种扩大培养 1周，再在无氮的 m11培
养基中饥饿培养 3 d。取一定量的藻液以 5 000 r/min
的速度离心 15 min，弃掉上清液，用 15 mg/L的碳酸
氢钠溶液洗涤后再离心，重复操作 3次，用灭菌水稀释
后用于接种，起始藻密度控制在 5×104 个/mL左右[14]。
培养条件：本试验采用动力学中的“分批培养试
验”，在 250 mL三角瓶中盛装培养基 100 mL，每组做
3个平行样；实验过程中将所有三角瓶置于光照培养
箱中，条件设置为温度 26 ℃，光照强度 3 500 lx左
右，光暗比 12∶12；每天人工摇动 3次。每天取样测定
生物量（即藻细胞密度）。由于取样量极少（约 0.5
mL），相对于培养液总体积可以近似认为符合分批培
养试验“试验过程中无底物和菌体的供应和移走”的
要求。
1.4 生物量的测定和比增殖速率的计算
生物量的测定采用血球计数板在显微镜下镜检
计数每单位体积藻液中藻的个数的方法。当每组试验
的藻每天的平均增长值低于 5%时，认为该组试验已
达到最大现存量，即可停止测定[14]。
比增殖速率（μ）指在某一时间间隔内藻类生长的
速率，计算公式为：
μ= ln (X2 /X1 )t2- t1
（1）
式（1）中，X2为某一时间间隔终结时的藻类现存
量；X1为某一时间间隔开始时的藻类现存量；t2-t1为
某一时间间隔。
1.5 动力学参数的计算
将Monod方程式 μ= cμmaxcKs
变形为式（2）[15]：
1
μ =
Ks
cμmax
+ 1μmax
（2）
式（2）中：μ 为微生物的比增殖速率（d-1）；μmax 为
在饱和浓度中微生物最大比增殖速率（d-1）；c为溶液
中限制微生物增殖的底物浓度；Ks为半饱和常数，其
值为 μ=μmax /2时底物浓度。以 1/μ 对 1/c作图，通过
最小二乘法求得 μmax 和 Ks值。
2 结果与分析
2.1 初始氮浓度对月牙藻和四尾栅藻生长的影响
月牙藻和四尾栅藻对氮浓度的响应见图 1、2。从
图中可以看出，两种藻都表现出随氮浓度的升高生物
量增加的趋势。当氮浓度低于 4 mg/L时，藻类密度的
变化幅度不大。4 mg/L以上浓度对两种藻生长的促进
作用比较明显。另外，月牙藻的生长随着氮浓度的升
高而持续增大；四尾栅藻在氮浓度高于 16 mg/L后生
物量无显著变化。此结果表明，月牙藻对氮适应的浓
度范围较广，在月牙藻和四尾栅藻共存的情况下，当
氮的浓度高于 4 mg/L时，月牙藻较易形成优势藻。
2.2 初始氮浓度对月牙藻和四尾栅藻比增殖速率的
影响
比增殖速率是指在某一时间间隔内藻类生长的
速率。按照式（1）计算月牙藻和四尾栅藻在不同初始
氮浓度下的比增殖速率，结果见表 1。以初始氮浓度为
横坐标，比增殖速率为纵坐标作图，可以看出两种藻
比增殖速率随初始氮浓度的增加而增加。当氮浓度在
24
第 6G期
氮初始浓度 CN /mg·L-1 月牙藻 μ/d-1 四尾栅藻 μ/d-1
0.0 0.232 0.149
0.5 0.268 0.173
1.0 0.310 0.220
2.0 0.315 0.245
4.0 0.330 0.258
8.0 0.413 0.294
16.0 0.433 0.363
32.0 0.458 0.380
表 1 不同初始氮浓度下两种藻的比增殖速率
藻类 回归方程 显著性检验 μmax/d-1 Ks /mg·L-1
月牙藻 y=0.724x+2.438 R2=0.747(p<0.01) 0.410 0.297
四尾栅藻 y=1.438x+3.051 R2=0.896(p<0.01) 0.328 0.471
表 2 月牙藻和四尾栅藻对氮的最大生长率及半饱和常数
10 mg/L以下时，月牙藻和四尾栅藻的增殖速率较大；
当氮浓度超过 10 mg/L后，两种藻的比增殖速率趋于
平缓，其生长受到限制（图 3）。结合不同初始氮浓度下
月牙藻的生长情况可知，尽管月牙藻的生长随氮浓度
的升高而增大，但当氮浓度超过一定浓度时，其对月
牙藻生长的促进作用较小。
对两种藻的比增殖速率进行比较可以看出，无论
是在低浓度氮还是在高浓度氮的情况下，月牙藻的比
增殖速率均高于四尾栅藻，说明月牙藻比四尾栅藻在
竞争中更能占据优势。
2.3 月牙藻和四尾栅藻的生长动力学参数
按照式（2）对试验结果进行回归分析，并根据回
归方程计算两种受试藻对氮的最大比增殖速率和半
饱和常数，结果见表 2。经计算得出，月牙藻的最大比
增殖速率为 0.410 d-1，半饱和常数为 0.297 mg/L；栅
藻的最大比增殖速率为 0.328 d-1，半饱和常数为0.471
mg/L。最大比增殖速率 μmax为当限制性底物浓度趋向
无穷大时生物的比增殖速率；半饱和常数 Ks值通常
用来衡量生物物种对营养物质的亲和性。Ks值小，表
示亲和性好，只要很小的营养物浓度就可使种群增殖
速率达 μmax /2；Ks值大，则亲和性差，需要很高的营养
物浓度才能使种群增殖速率达 μmax /2[16]。通过比较不
同藻类的 μmax和 Ks可以推测营养限制条件下藻类竞
争的结果：若 μmax1=μmax2，Ks1
短缺时，藻 l可以迅速占优势；若 μmax1>μmax2，Ks1>Ks2，
那么在营养丰富的时候藻 l占优势，而营养短缺时藻
2将占优势[17]。
通过比较月牙藻和四尾栅藻的半饱和常数和最
大比增殖速率可以看出，无论是在氮营养相对缺乏的
情况下，还是在氮营养充足的情况下，月牙藻比四尾
栅藻具有更强的氮亲合能力，月牙藻对氮的竞争能力
更强，容易在竞争中占据优势。
3 结论
（1）在 0～32 mg/L的氮浓度范围内，两种藻都表
现出随氮浓度的升高生物量增加的趋势，高浓度氮更
有利于促进月牙藻的生长，而当氮浓度高于 16 mg/L
时，氮对四尾栅藻生长的影响不明显。
（2）月牙藻对氮的半饱和常数（0.297 mg/L）小于
四尾栅藻对氮的半饱和常数（0.471 mg/L），说明月牙
藻对氮的亲和性高于四尾栅藻。月牙藻的比增殖速率
也始终高于四尾栅藻。
（3）在系统中只有月牙藻和四尾栅藻两种微生物
存在的情况下，无论在低氮还是高氮条件下，月牙藻
都易在竞争中形成优势藻。
[参考文献]
石瑞雪,等 月牙藻、四尾栅藻生长的氮营养动力学特征 25
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