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由于生物法-尤其是水生植物化感控藻方法在治理水体富营养化及水华现象中具有多方面的优势,近年来该领域的理论和技术研究备受世界各国关注,但水生植物化感控藻研究尚处起步阶段,对其影响因素和机理的研究亟待进一步突破。本研究选取10种水生植物(粉绿狐尾藻、大藻、凤眼莲、黄花荇菜、苦草、海菜花、金边富贵竹、金鱼藻、穗状狐尾藻、黑藻),采用初始添加法、连续添加法及共培法等3种实验方法供试植物对铜绿微囊藻、集胞藻及滇池混合藻样的化感抑藻效应,明确了不同植物及其不同组合、不同季节等因素对供试植物化感抑藻效果及稳定性的影响,筛选出优势抑藻植物-粉绿狐尾藻,并通过对逐层剖析藻细胞吸收光谱和特征吸收峰、离体藻胆蛋白吸收光谱以及藻蓝蛋白(PC)、别藻蓝蛋白(APC)、叶绿素a(Chla)三者相对含量等指标的变化态势,探讨了粉绿狐尾藻对藻细胞光合系统的化感作用机制;在定量、定性的比对研究的基础上,阐释植物种植密度、藻种及其接种浓度、EDTA-Fe等因素对粉绿狐尾藻化感抑藻效应的影响。研究结果表明:
(1)水生植物化感抑藻效应具有较大的种间差异性,即因植物种类及藻种的不同,其化感抑藻效应存在较大的差异。除海菜花对供试藻种(集胞藻)具有略微的促进作用外,其余9种对2种供试藻种(铜绿微囊藻和集胞藻)均具有显著的化感抑制作用,其中粉绿狐尾藻、凤眼莲及金鱼藻等3种植物具有较好化感抑藻效果(处理至第9天时,对铜绿微囊藻抑藻率达到88%以上)。
(2)水生植物化感抑藻具有明显的季节性,夏、秋两季,4种供试植物(除金边富贵竹外)对铜绿微囊藻、集胞藻均表现出非常强烈的化感抑制作用;春季、冬季4种供试植物的化感抑藻效应有所下降,且植物不同其化感抑藻效应对季节变化响应的程度不同。与凤眼莲、水浮莲等植物相比,粉绿狐尾藻在4个季节化感抑藻效应的波动程度最小、效果最好,对集胞藻、铜绿微囊藻的抑制率均在90%以上,这可能与植物在不同季节的生长情况及其体内化感物质含量变化密切相关。 (3)粉绿狐尾藻单独栽培时的化感抑藻率较其与其它植物组合或其他植物组合的抑藻效果好,是相应组合中起主要化感抑藻作用的植物,其在水体中的栽植密度对水生植物化感抑藻潜能具有决定性影响。因此,粉绿狐尾藻是供试植物中最佳的化感控藻材料。
(4)粉绿狐尾藻化感物质可能于叶片处合成,并直接分泌或向下转运至根、茎等部位后分泌到外界水环境中,进而实现化感抑藻效应。其化感抑藻效应具有累积性,化感抑藻过程是通过连续分泌某些化感物质持续作用于藻细胞而实现。
(5)粉绿狐尾藻化感抑藻具有“浓度效应”,一般表现为随植物种植密度增加而增强,随藻种接种浓度增加而降低。对铜绿微囊藻、集胞藻而言,种植密度在20g/L以上及藻液光吸收值(OD663)在0.28以下,粉绿狐尾藻均可表现出显著且强烈的化感抑藻效应,若藻种浓度处于较低水平时(OD值≤0.1),种植密度在10g/L左右,粉绿狐尾藻即可表现出强烈的化感抑藻效应;对滇池混合藻样而言,混合藻样叶绿素a在321.67mg/m3~506.90mg/m3之间及种植密度在20g/L以上,粉绿狐尾藻即可表现出强烈的化感抑制作用,其抑藻率达95%以上。因而,粉绿狐尾藻化感控藻的具有广阔的前景。
(6)粉绿狐尾藻的分泌物(即化感抑藻物质)可与Fe-EDTA发生某种明显耦合反应,从而影响粉绿狐尾藻对铜绿微囊藻、集胞藻及滇池混合藻的化感抑制效应,其中粉绿狐尾藻化感抑藻效应与Fe-EDTA浓度问呈明显的正相关关系,即随Fe-EDTA浓度升高,粉绿狐尾藻化感抑藻效应增强;耦合后的抑藻效应均明显高于Fe-EDTA或粉绿狐尾藻化感物质单一因素的抑藻效应,尤其是在Fe-EDTA处于极端浓度下(即Fe-EDTA缺乏或过高情况下)表现得更为强烈,其中粉绿狐尾藻化感抑藻效应对耦合抑藻效应的贡献率远大于Fe-EDTA抑藻效应。
(7)藻种及其存在浓度、供体植物的种植密度等生物因素是影响粉绿狐尾藻化感抑藻潜力的关键性因子,而营养盐EDTA-Fe的存在浓度、季节变化、遮光等非生物因素对粉绿狐尾藻化感抑藻效应的影响远小于生物因素。
(8)粉绿狐尾藻对铜绿微囊藻光合系统的化感抑制作用是一个多路径同时发生的过程,但对铜绿微囊藻藻细胞内不同目标物,其作用的强度或程度是不一致的。与叶绿素a相比,藻胆蛋白(尤其是APC)对粉绿狐尾藻分泌的化感物质更为敏感、更易于受损(处理5d后,Chl a、PC、APC的相对含量分别降至52.7%、15.3%、7.6%),是粉绿狐尾藻化感物质抑制铜绿微囊藻的关键靶点,故粉绿狐尾藻释放的化感物质可直接破坏铜绿微囊藻的捕光天线,阻断藻胆蛋白对光电子的捕获和传递并抑制或杀死藻类的重要途径之一。