黑藻對巖溶水中DIC的利用及其生長的響應(環保)
黑藻對巖溶水中DIC的利用及其生長的響應(環保)
胡剛1，2， 王培2,3， 曹建華2， 張春來2， 莫碧琴1,2
（1．桂林理工大學環境科學與工程學院，廣西桂林541006; 2.中國地質科學院巖溶地質研究所，國土資源部巖溶動力學重點實驗室，廣西桂林541004；3．中國地質大學地球科學與資源學院，北京100083）
摘要：文章以巖溶水生生態系統中典型的沉水植物黑藻為研究對象，探討了在室內條件下封閉體系中黑藻對水中溶解性無機碳( DIC)的利用能力以及其生長情況。實驗數據顯示，巖溶水中游離CO2.HCO3-和Ca2+量急劇減少，溶解氧含量增加。結果表明，黑藻不僅能利用水中的游離CO2，而且還可以利用HCO3進行光合作用，且巖溶水中的HCO3-減少了29.27%, Ca2降低了33.34%；與配制的營養液相比，巖溶水中黑藻的分支和假根數量更多，生物量更大，促進了黑藻的生長，巖溶水表現出了一種施肥效應。
關鍵詞：HCO3-；黑藻； 沉水植物；碳匯； 巖溶水
中圖分類號：X173 doi：10.3969/j .issn.1003-6504.2 016.05.006 文章編號：1003-6504(2016)05-0034-04
水生植物是水生生態系統中的重要組成部分，是巖溶碳匯探討中的重要研究點。當碳酸鈣發生溶蝕時，巖溶作用表現為碳匯效應；當碳酸鈣沉積時，巖溶作用表現為碳源效應，即發生如下可逆反應：
而當有水生植物利用溶解性無機碳(DIC)時會促使發生以下反應：
巖溶作用與水生植物的光合作用相結合將表現為碳的凈匯效應。因此對于巖溶生態系統中的水生植物的代謝作用是非常值得關注的。
大多數沉水植物具有生理生化特性能改善低濃度CO2所造成的影響，如像CAM植物一樣在黑暗中固定無機碳和像C4光合作用過程一樣能增強對CO2的親和力以及對HCO3-的利用能力。張彥輝等通過在不同無機碳濃度下對8種沉水植物的生長生理比較研究表明金魚藻、穗花狐尾藻、篦齒眼子菜、光葉眼子菜、微齒眼子菜、伊樂藻、菹草和黑藻均能利用HCO3-作為光合無機碳源。有研究顯示，藻類如單生卵囊藻可以利用巖溶水中的HCO3--4。王培等通過實驗表明土著小球藻、念珠藻和色球藻分別能將巖溶水中的40.625%、54.375%和76.22%的HCO3-轉化為有機物進人生態系統中。在全球碳循環研究中，巖溶碳匯效應受到了廣泛的重視。許多研究者用不同方法對水生植物固碳量進行了估算。諸如利用二端元模型估算出的桂林會仙巖溶濕地水生植物固碳量為4 466.27U(km2.a)；以碳同位素模型估算出草海水生植物固定了巖溶作用產生溶解性無機碳DIC中的58.8%(677.33t/a)。
水生植物是巖溶碳匯研究中不可忽視的問題。水生植物利用HCO3-已經得到大多數專家公認，但其利用率還有待進一步研究，尤其是沉水植物，尚少見有文章報道。為了能夠進一步精確計算沉水植物固定碳的量，本文以典型沉水植物黑藻為研究對象，探討其對巖溶水中DIC的利用能力以及研究巖溶水對黑藻生長的影響。
1 材料與方法
1.1 巖溶水來源和黑藻植物樣
巖溶水樣取自桂林市靈川縣海洋鄉和潮田鄉境內的中國地質科學院巖溶地質研究所海洋一 寨底實驗研究基地地下河系統出口處( 
)，其水化學特征見表1。黑藻植物樣是采自寨底地下河地表明流段，黑藻經過簡單清洗后迅速放入水桶中帶回實驗室，接著將黑藻先后用自來水和純水沖洗后放人含有1/10的Hoagland's營養液的玻璃缸中進行馴化培養3d。
1.2 培養實驗
首先將采回來的巖溶水水樣用孔徑為0.22μm的微孔濾膜進行抽濾（去除水中的微生物以及泥沙等雜質）。用雙蒸水配制改進的Hoagland's營養液，配方如表2所示。使用前將其稀釋為1/10培養液。
實驗時設計2個實驗組（一組放人過濾的巖溶水，另一組放入雙蒸水配制的營養液，分別編號為KG、DD)，每組3個平行樣。將每個錐形瓶中放入1000 m L的培養液，然后將截取10 cm長勢一致的黑藻頂枝放在錐形瓶中用MGC-800BPY-2型光照培養箱進行培養。培養條件為：溫度(25±1)℃，光強為2 000 Lx，全天光照培養。每隔24 h進行相關指標檢測，連續測7d。
鐵鹽溶液配方為：FeSO4．7H2O 278gEDTANa23.73g蒸餾水500 m L、pH為5.5;微量元素液配方為： KI0.83 mg/L、硼酸6.2 mg/L、MnS04 22.3 n g/L、ZnSO4 8.6 mg/L、鉬酸鈉0.25 mg/L、CuSO4 0.025 mg/L、氯化鈷0.025 mg/L。
1.3 使用儀器及檢測指標
利用WTW3401多功能水質參數分析儀來測量溫度(t)、pH和溶解氧(DO)。用德國Merck公司生產的硬度試劑盒和堿度試劑盒來分別檢測Ca2+和HCO2濃度。游離的CO2用標定的Na OH溶液進行滴定。用電子天平（萬分級）稱量黑藻濕重。
14 數據處理
利用2010版EXCEL和Origin 8.0軟件對數據進行分析處理。
2 結果與討論
2.1 黑藻對水中HCO3-的利用
如圖1，培養初期，各封閉體系中的HCO3-的濃度分別為4.1和0.2 m mol/L，巖溶水(KG)的HCO3-濃度從開始的4.1 m mol/L上升到4.23 m moI/L(第1天)后降低至2.9 m mol/L(第7天)，減少了29.27%的HCO3-；而雙蒸水配制的營養液(DD)中的HCO3-濃度從開始就一直降低，到第2天后幾乎為O2對于水中的溶解氧(DO)含量（圖2），KG中的DO從第1天的7.77 mg/L
一直上升到第7天9.83 mg/L，DD中的DO濃度從開始的8.26 mg/L升到第7天的8.62 mg/L，變化不大。對于水中游離CO2(圖3)，KG和DD中都減少，但KG中到第4天含量就減少到0，之后含量一直為0。
CO2是水生植物光合作用中最易利用的無機碳源形式，而與陸生植物相比，沉水植物還具有利用環境中HCO3-的潛力。所以水中游離CO2含量不斷降低，尤其是KG中的CO2。黑藻能夠利用水中的HCO3-10。在封閉體系中，碳酸化合物形態是隨著pH變化而變化。KG中初始pH為7.68，隨著黑藻對水中CO2的利用，到第1天pH升為7.90，由于是在封閉體系，隨著pH升高，HCO3-略有升高（圖1，從0到第1天），直到黑藻主要利用HCO3-，HCO2-才明顯下降。張彥輝等通過實驗發現HCO3-的濃度達到2.5 m mol/L能提高黑藻光合速率，并促進其生長。當水中存在的無機碳源主要形式為HCO3-時，沉水植物會更多地利用HCO3-。在巖溶水生生態系統中，沉水植物對HCO3-的利用會促進反應式(2)中有機物的生成，當HCO3-被利用得越多，氧氣產生的量也越多，這正好符合圖1和圖2所示。數據分析可知，在封閉體系中，黑藻在進行光合作用時不僅吸收利用了水中的CO2，而且還利用了水中的HCO3-。這與王培等對2種小球藻利用無機碳的研究有相似的結果。
2.2 黑藻對水中Ca2+的利用
鈣是植物生長所必需大量元素之一。Ca2+是控制生命生長和死亡的重要信號因子。在細胞分化的過程中，Ca2+信號蛋白可以通過調控細胞分化從而控制生命體的生長和凋亡。Ca2+也能夠提高細胞膜的疏水性，使膜的穩定性增強。足量的鈣還可以與細胞壁和胞間果膠質形成交聯結構，從而維持細胞正常形態和生理過程，并且能抵抗真菌的侵染。而巖溶水(KG)和雙蒸水配制的營養液(DD)中Ca2+的初始濃度分別為92、19 mg/L。培養7d，2組Ca2+濃度都不斷降低，到第7天，KG和DD的分別達到了61.33和14.33mg/L。巖溶水中Ca2+含量最高，被吸收利用的也最多，Ca2+減少了33.34%，而DD的減少了24.58%(圖4)。在巖溶水生生態系統中，水生植物的光合作用會促進鈣的沉積(如反應式(2)，而呼吸作用則相反。王培
等通過對巖溶地表河流中沉水植物調查發現黑藻葉片表面上有碳酸鈣沉積物。此實驗中也發現黑藻葉片上有少量白色結晶體，而對于鈣沉積的量還有待進一步實驗研究探討。所以對于巖溶水中Ca2+減少，一方面是由于植物吸收利用，另一方面則是由于鈣沉積。
2.3 黑藻生物量、株長、分支和假根的變化
如圖5，在巖溶水(KG)中，黑藻生物量增加了32.6%，雙蒸水配的營養液(DD)中黑藻生物量增加了2.5%; KG中，黑藻株長長度增長率為1%，而DD中的黑藻株長沒變化。圖6中，KG和DD中黑藻平均分支數分別為0.67和0.33，假根數量分別為1.67和0。對于沉水植物，水中溶解性無機碳的含量常常是其光合作用的限制因素。由于CO2在水中溶解度較低，所
以水中其可利用含量比較少。與雙蒸水配的營養液相比，巖溶水表現出了明顯的優勢，其中含有大量的HCO3-和Ca2+，這為水生植物光合作用和生長提供了豐富的無機碳源和礦質元素。從黑藻生物量、株長長度、平均分支數和假根數量統計來看，巖溶水促進了黑藻分支和假根生長，增加了黑藻的生物量，促進了它的生長。王培等通過實驗發現巖溶水對水生微藻的生長也具有促進作用，巖溶水表現出一種施肥效應。
3 結論
(1)黑藻在進行光合作用時不僅吸收利用了水中的CO2，而且還可以利用水中的HCO3-，并減少了巖溶水中29.27%的HCO3-。
(2)黑藻降低了巖溶水中33.34%的Ca2+，而雙蒸水配的營養液中只降低了24.58%，巖溶水中Ca2+量減少得更多。
(3)與配制的營養液相比，巖溶水中黑藻的分支和假根數量更多，生物量更大，更有利于黑藻的生長，巖溶水表現出了一種施肥效應。
