全 文 ：铜绿微囊藻和斜生栅藻生长的氮营养动力学特征
许 海1, 2 , 杨林章2 , 刘兆普1*
1.南京农业大学 资源与环境科学学院 ,江苏 南京 210095
2.中国科学院 南京土壤研究所 生态室 ,江苏 南京 210008
摘要: 利用批量培养试验比较研究了氮限制条件下铜绿微囊藻 ( Microcystis aerugiuosa)和斜生栅藻( Scendesmus obliquus )对氮的
生长反应,并应用 Monod 方程计算了 2种藻的营养动力学参数( Lmax和 K s ) . 结果表明, Q(氮)为 0~ 21 00 mgPL时铜绿微囊藻比
增长率快速增长;Q(氮)为 0~ 41 00 mgPL时斜生栅藻比增长率快速增长. 铜绿微囊藻的最大比增长率( Lmax)为 0123 d- 1 , 半饱
和常数(K s )为 01 14 mgPL; 斜生栅藻的 Lmax为01 41 d- 1 , K s 为 0124 mgPL. 根据生长动力学参数可以预测, 当氮缺乏时,铜绿微囊
藻容易形成优势,当氮丰富时, 斜生栅藻容易形成优势.
关键词: 氮; 铜绿微囊藻; 斜生栅藻; 生长动力学
中图分类号: X524 文献标识码: A 文章编号: 1001 - 6929( 2008) 01 - 0069 -05
Dynamics Study on the Effect of Nitrogen on the Growth of Microcystis a eruginosa
and Scendesmus obliquus
XU Hai
1, 2
, YANG Lin-zhang
2
, LIU Zhao-pu
1
1. College of Resources and Environmental Science, Nanjing Agricultural University , Nanjing 210095, China
2. Institute of Soil Science, Chinese Academy of Science, Nanjing 210008, China
Abstract: The effects of nitrogen on the growth of Microcystis aeruginosa and Scendesmus obliquus were investigated with bulk culture, and the
maximum special growth rate ( Lmax ) and semi-saturation constant ( K s ) of them to nitrogen were calculated using the Monod Equation. The
results show that the special growth rate of Microcystis aeruginosa and Scendesmus obliquus increased rapidly when the concentrations of nitrogen
ranged from 0 to 21 00 mgPL, and from 0~ 41 00 mgPL respectively. Lmax and K s of Microcystis aeruginosa and Scendesmus obliquus to nitrate
were 0123 d- 1 , 01 14 mgPL and 0141 d - 1, 0124 mgPL respectively. According to dynamics constants, it can be expected that Microcystis
aeruginosa will be dominant when nitrogen is scarce, while Scendesmus obliquus will be dominant when nitrogen is abundant.
Key words: nitrogen; Microcystis aeruginosa ; Scendesmus obliquus; growth dynamics
收稿日期: 2007- 05- 18 修订日期: 2007 - 07 - 06
基金项目: 国家/ 十五0重大科技攻关计划项目(2002AA601O12)
作者简介: 许海 ( 1978 - ) , 男, 安 徽 蚌埠 人, 博士 研 究生,
xuhai78@ 163. com.
* 责任作者, sea@njau. edu. cn
蓝藻水华在淡水水体频频暴发,成为灾害,其中
以腐烂分解时产生异味, 含有毒素, 甚至引起人、畜
中毒的微囊藻/水华0最为引人关注 [1 ] . 全国湖泊富
营养化调查及其他文献报道都表明 [2 ] , 并不是所有
富营养型湖泊或同一湖泊的每年都出现以微囊藻为
优势的浮游植物群落. 有关蓝藻水华大量出现的机
理,国内外都进行了广泛的研究 [3-4] , 认为主要由于
营养元素的增多引起, 其中主要物质是氮和磷. 氮
是藻细胞体内蛋白质、磷脂和叶绿素等的基本元素,
没有氮源的供给, 藻细胞就不能生长. 自然界中除
少数蓝藻具有自身固氮能力外, 微藻必须从环境中
吸收一定的氮源以满足其生长、繁殖的需要,且不同
的藻种对氮的种类和浓度需求不同,因此氮的供应
状况会导致水体藻类群落结构的演替. 最大比增长
率( Lmax )和半饱和常数( K s)是藻类在浮游植物群落
种间竞争能力和演替顺序的指标 [5 ] . 通过比较不同
藻类的 Lmax和 K s 可以推测营养限制条件下藻类竞
争的结果. 笔者以铜绿微囊藻和斜生栅藻为研究对
象,比较研究了氮限制条件下 2种藻的生长反应和
生长动力学常数( Lmax和 K s ) , 对 2 种藻的竞争结果
作了预测,以期为揭示水华暴发机理提供理论依据.
1 材料与方法
1. 1 藻种及培养基
试验用铜绿微囊藻 ( Microcystis aerugiuosa )和斜
生栅藻( Scendesmus obliquus)均购自中国科学院武汉

第 21 卷 第 1期
环 境 科 学 研 究
Research of Environmental Sciences

Vol. 21, No. 1, 2008
DOI：10.13198/j.res.2008.01.75.xuh.010
水生生物研究所.
整个试验以 BG - 11 培养基为基础, 配制成无
氮培养基, 按试验所需质量浓度加入相应量的氮
( NaNO3 ) , Q(氮) 设置为 0, 0150, 1100, 2100, 4100,
8100, 16100, 32100 mgPL. 试验所用玻璃器皿均在 3
molPL HCl 中浸泡过夜,并用去离子水洗涤.
1. 2 接种 [6]
藻种试验前扩大培养 1周, 再饥饿培养 3 d. 取
一定体积的藻种以5 000 rPmin的速度离心, 弃掉上
清液, 用 15 mgPL的碳酸氢钠溶液洗涤后离心, 重复
3次, 用无菌水稀释后用于接种. 起始藻密度为
510 @ 104 mL- 1左右.
采用动力学中的/分批培养试验0, 在 500 mL
锥形瓶中装 100 mL培养基, 每组做 3个平行样;光
照强度3 000 lx 左右, 光暗比 12 h: 12 h; 温度28 e ;
每天人工摇动 3~ 4次. 每天取样检测生物量(藻密
度) ,由于取样量极少(约 015 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0的要求.
1. 3 生物量的测定和比增长率的计算 [6 ]
采用血球计数板计数的方法测定生物量. 当每
组试验每天生物量的平均增长率低于 5%时, 认为
该组试验已达到最大现存量, 停止测定.
比增长率计算公式:
L= ln( X2PX 1 )P( t2 - t1 ) ( 1)
式中, 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. 4 动力学参数的计算 [7]
将Monod方程式 L= LmaxCP( C+ K s)变成:
CPL = K sPLmax + CPLmax ( 2)
式中, Lmax为在饱和浓度中微生物最大比增长率; C
为溶液中限制微生物增殖的底物浓度; K s 为半饱和
常数,其值为 L= LmaxP2时的底物浓度. 以统计学的
最小二乘法的程序求出式( 2)的斜率( 1PLmax )和截距
( K sPLmax ) , 斜率的倒数为 Lmax, 其与截距的乘积即为
半饱和常数( K s ) .
2 结果与分析
2. 1 初始 Q(氮)对铜绿微囊藻和斜生栅藻最大生
物量的影响
不同初始Q(氮)培养下铜绿微囊藻和斜生栅藻
的最大现存量如表 1 所示. 铜绿微囊藻在初始
Q(氮)为0~ 2100 mgPL时,各处理组的最大现存量存
在显著差异, 初始 Q(氮)高于 2100 mgPL后, 各处理
组间差异不显著;斜生栅藻在初始Q(氮)为0~ 16100
mgPL时,各处理组的最大现存量存在显著差异,初始
Q(氮)高于16100 mgPL后, 各处理组间差异不显著.
与铜绿微囊藻相比,斜生栅藻在生长过程中需要消
耗更多的氮来维持细胞增殖, 从而获得更高的最大
现存量. 将最大现存量与初始Q(氮)进行相关分析,
结果显示,铜绿微囊藻在初始Q(氮)为0~ 2100 mgPL
时, 最大现存量随初始Q(氮)的增加而快速增加, 二
者呈较好的线性关系(见图 1( a) ) ;斜生栅藻在初始
Q(氮)为 0~ 4100 mgPL时, 最大现存量随初始Q(氮)
的增加而快速增加, 呈线性相关(见图 1( b) ) , 初始
Q(氮)高于 4100 mgPL时,尽管最大现存量继续增长,
但比增长率变缓, 已经不存在线性关系. 图 2更直
观地显示不管是铜绿微囊藻还是斜生栅藻, 初始
Q(氮)在一定范围内对最大现存量影响较大, 而当
初始Q(氮)超出该范围后, 其增加或降低对最大现
存量基本无太大影响.
表 1 不同初始 Q(氮)下铜绿微囊藻、
斜生栅藻的最大现存量
Table 1 Extant quantity of Microcystis aerugiosa and Scendesmus
obliquus at different initial concentrations of nitrogen
初始 Q(氮)P
( mg#L - 1)
最大现存量( X max )P104 mL- 1
铜绿微囊藻 斜生栅藻
0 63. 75 ? 5. 30 a 50. 25? 2. 47 a
0. 50 106. 25 ? 8. 84 b 78. 00 ? 6. 36 b
1. 00 202. 50 ? 3. 54 c 109. 50 ? 9. 90 c
2. 00 296. 25 ? 8. 84 d 240. 00 ? 7. 07 d
4. 00 310. 00 ? 28. 28d 386. 25? 15. 91 e
8. 00 290. 00 ? 14. 14d 428. 75 ? 12. 37 f
16. 00 298. 50 ? 26. 52d 508. 75? 12. 37 g
32. 00 311. 25 ? 15. 91d 510. 00? 14. 14 g
注:表中数据为 3个平行的平均值,数据后相同字母表示在 P <
0105水平上无显著差异.
2. 2 初始 Q(氮)对铜绿微囊藻和斜生栅藻比增长
率的影响
按照式( 1)求得对数生长期铜绿微囊藻和斜生
栅藻在不同初始Q(氮)下的比增长率, 结果见表 2.
初始Q(氮)为 0~ 2100 mgPL时,铜绿微囊藻各处理组
的比增长率存在显著差异; 初始 Q(氮)为 0~ 4100
mgPL时斜生栅藻各处理组的比增长率存在显著差
异. 可见斜生栅藻比铜绿微囊藻需要更高的初始
Q(氮)来维持较高的比增长率, 这体现了营养盐的
强度因素. 对初始Q(氮)和比增长率作图,可以更直
观地看出铜绿微囊藻和斜生栅藻的生长均在一定范
70 环 境 科 学 研 究 第 21卷
图 1 初始 Q(氮)与铜绿微囊藻和斜生栅藻最大现存量间的线性关系
Fig. 1 Curve of liner function between nitrogen mass concentration and extant quantity of
Microcystis aerugiosa and Scendesmus obliquus
图 2 铜绿微囊藻和斜生栅藻最大现存量随初始 Q(氮)的变化
Fig. 2 Change of extant quantity of Microcystis aerugiosa and
Scendesmus obliquus along with the change of nitrogen mass concentrations
围内受氮的限制, 比增长率随初始Q(氮)的增加而
增加,超过浓度阈值, 比增长率趋与平稳(见图 3) .
因此并不是初始Q(氮)越高, 藻生长得越快, 每种藻
的生长都有其合适的浓度范围,超过该范围, 营养盐
含量继续增加对比增长率的促进作用并不显著.
表 2 不同初始 Q(氮)下铜绿微囊藻和
斜生栅藻的比增长率
Table 2 Specific growth rate of Microcystis aerugiosa and
Scendesmus obliquus at different concentrations of nitrogen
初始 Q(氮)P
(mg#L- 1 )
比增长率( L)Pd - 1
铜绿微囊藻 斜生栅藻
0 0. 14 ? 0. 01a 0. 21 ? 0. 02a
0. 50 0. 17 ? 0. 01b 0. 27? 0. 02b
1. 00 0. 21 ? 0. 00c 0. 31 ? 0. 01c
2. 00 0. 24 ? 0. 01d 0. 34? 0. 00d
4. 00 0. 23 ? 0. 01d 0. 38 ? 0. 01e
8. 00 0. 24 ? 0. 01d 0. 41 ? 0. 00e
16. 00 0. 23 ? 0. 01d 0. 41 ? 0. 01e
32. 00 0. 24 ? 0. 01d 0. 41 ? 0. 01e
注:表中数据为 3个平行的平均值,数据后相同字母表示在 P <
0105水平上无显著差异.
比较 2种藻的比增长率可以看出,无论在高氮
还是低氮情况下铜绿微囊藻的比增长率均低于斜生
栅藻,这揭示铜绿微囊藻能够在竞争中取得优势,形
成水华, 并不是依靠快速地生长.
2. 3 铜绿微囊藻和斜生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 2种藻对氮的最大比增长率及半饱和常
数, 结果见表3. 铜绿微囊藻的最大比增长率为 0123
d
- 1
,半饱和常数为 0114 mgPL;斜生栅藻的最大比增
长率为 0141 d- 1 ,半饱和常数为 0124 mgPL. 该试验
得到的氮限制下铜绿微囊藻生长的半饱和常数与金
相灿等 [8]得到的数值( 0114 mgPL)相差不大, 在相关
文献中没有查到氮限制下斜生栅藻生长的半饱和常
数. 最大比增长率为当限制性底物浓度趋向无穷大
时生物的比增长率;半饱和常数( K s)通常用来衡量
生物物种对营养物质的亲和性, K s 值小表示亲和性
好,只要很小的营养物浓度就使种群增殖率达到最
大比增长率的一半. 通过比较不同藻类的 Lmax和 K s
71第 1期 许 海等: 铜绿微囊藻和斜生栅藻生长的氮营养动力学特征
图 3 初始 Q(氮)对铜绿微囊藻和斜生栅藻比增长率的影响
Fig. 3 The effect of nitrogen mass concentrations on specific growth rate of Microcystis aerugiosa and Scendesmus obliquus
可以推测营养限制条件下藻类竞争的结果: 若
Lmax1= Lmax2 , K s1 < K s2 , 那么 2种藻在营养较丰富的
时候可以共同生长, 互不占优势, 但是在营养短缺
时,藻 1可以迅速占优势;若 Lmax1 > Lmax2 , K s1 > K s2 ,
那么在营养丰富的时候藻 1占优势, 而营养短缺时
藻2将占优势,这就是确定最大比增长率和半饱和
常数的意义. 比较铜绿微囊藻和斜生栅藻的半饱和
常数可以看出, 铜绿微囊藻比斜生栅藻具有更强的
氮亲合能力,因此在氮营养相对缺乏的情况下,铜绿
微囊藻对资源的竞争能力更强,容易在竞争中取得
优势. 在氮营养充足的情况下, 斜生栅藻生长不受
限制,其最大比增长率远高于铜绿微囊藻,因而容易
在竞争中取得优势.
表 3 铜绿微囊藻和斜生栅藻对氮的最大比增长率
及半饱和常数
Table 3 Maximum growth rate and semi-saturation constants of
Microcystis aerugiosa and Scendesmus obliquus with nitrogen
藻名 回归方程 R2 LmaxPd - 1 K sP( mg#L- 1)
铜绿微囊藻 y = 4. 264 5 x+ 0. 603 0. 999 5 0. 23 0. 14
斜生栅藻 y = 2. 432 3 x+ 0. 578 0. 999 7 0. 41 0. 24
3 讨论
一般认为, 水华的发生首先是水体中的营养物
质过量增加,致使水体达到富营养化状态,这是发生
水华现象的最重要的物质基础 [9 ] . 但不只是在富营
养的水体中产生蓝藻水华, 中营养水平的水体如千
岛湖也暴发过蓝藻水华 [ 10 ] . Bucka[ 11 ]在总结几种能
引起水华的浮游藻类的生态特征时提到, 微囊藻水
华暴发与氮、磷等营养盐含量并无直接关系. 微囊
藻水华的出现常伴有营养物的充盈, 但其绝对需要
量并不比其他藻类高, 有时经常是氮和磷含量处在
低谷时的优势种. 该试验通过动力学参数的比较可
以预测:在氮缺乏的情况下,铜绿微囊藻容易形成优
势; 在氮丰富的情况下, 斜生栅藻容易形成优势. 这
符合上述微囊藻在低营养情况下会形成优势的观
点. 许海等 [12]在磷限制条件下对铜绿微囊藻和斜生
栅藻的生长动力学进行了研究,同样支持这一观点.
万蕾等 [13]研究了微囊藻和四尾栅藻在贫营养、
富营养和超富营养水体中的生长竞争情况, 发现铜
绿微囊藻更适宜于中等偏低的营养水平, 而四尾栅
藻适宜于中等偏高的营养水平. 秦伯强 [14-15]指出,
蓝藻水华是湖泊富营养化过程中某阶段的产物, 该
阶段很可能是当水体中营养盐达到一定程度, 但又
不十分充分的情况下,其他藻类生长受到限制, 蓝藻
由于某些生理上的优势,成为该阶段的优势种; 当水
中营养盐继续增加,达到充分的情况下,原先具有优
势的蓝藻会逐渐失去竞争优势.
研究表明, 许多种类的蓝藻细胞中具有气囊,
使得它们能够悬浮在水中, 同时可以通过调节浮力
来控制它们在水体中的垂直分布、昼夜迁移,这种功
能有助于它们从湖底沉积物中吸取营养 [16-17 ] , 因为
水 -沉积物界面上的营养盐含量通常比湖水高. 这
种生理、生态上的特点使它较之其他藻类在环境营
养盐含量不太高时也能形成优势种. 因此, 在许多
氮、磷含量较低的水体中, 也时常可以见到蓝藻的
水华. 对于生长在大型湖泊中的蓝藻而言, 由于湖
泊内部的营养盐循环、水 -沉积物界面的交换、微生
物过程等使得它们生长所需的营养盐往往可以得到
再生、补充,而不必完全依赖于外界的输入 [18] .
可见蓝藻水华暴发不能仅从营养盐含量升高解
释,其自身的生理生态特征对其竞争优势具有更为
重要的意义. 但也不能忽视营养盐的作用, 在湖泊
水体营养不充分的情况下, 湖泊内源释放为蓝藻生
长提供了持续不断的氮、磷营养, 对蓝藻水华的暴发
具有重要贡献,因此在湖泊富营养化治理过程中仅
靠外源截流难以奏效,必须外源与内源同时治理,降
低整个湖泊系统的营养水平,才会起到良好的效果.
72 环 境 科 学 研 究 第 21卷
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(责任编辑: 孔 欣)
73第 1期 许 海等: 铜绿微囊藻和斜生栅藻生长的氮营养动力学特征