黑藻对岩溶水中DIC的利用及其生长的响应(环保)
胡刚1，2， 王培2,3， 曹建华2， 张春来2， 莫碧琴1,2
（1．桂林理工大学环境科学与工程学院，广西桂林541006; 2.中国地质科学院岩溶地质研究所，国土资源部岩溶动力学重点实验室，广西桂林541004；3．中国地质大学地球科学与资源学院，北京100083）
摘要：文章以岩溶水生生态系统中典型的沉水植物黑藻为研究对象，探讨了在室内条件下封闭体系中黑藻对水中溶解性无机碳( DIC)的利用能力以及其生长情况。实验数据显示，岩溶水中游离CO2.HCO3-和Ca2+量急剧减少，溶解氧含量增加。结果表明，黑藻不仅能利用水中的游离CO2，而且还可以利用HCO3进行光合作用，且岩溶水中的HCO3-减少了29.27%, Ca2降低了33.34%；与配制的营养液相比，岩溶水中黑藻的分支和假根数量更多，生物量更大，促进了黑藻的生长，岩溶水表现出了一种施肥效应。
关键词：HCO3-；黑藻； 沉水植物；碳汇； 岩溶水
中图分类号：X173 doi：10.3969/j .issn.1003-6504.2 016.05.006 文章编号：1003-6504(2016)05-0034-04
水生植物是水生生态系统中的重要组成部分，是岩溶碳汇探讨中的重要研究点。当碳酸钙发生溶蚀时，岩溶作用表现为碳汇效应；当碳酸钙沉积时，岩溶作用表现为碳源效应，即发生如下可逆反应：
而当有水生植物利用溶解性无机碳(DIC)时会促使发生以下反应：
岩溶作用与水生植物的光合作用相结合将表现为碳的净汇效应。因此对于岩溶生态系统中的水生植物的代谢作用是非常值得关注的。
大多数沉水植物具有生理生化特性能改善低浓度CO2所造成的影响，如像CAM植物一样在黑暗中固定无机碳和像C4光合作用过程一样能增强对CO2的亲和力以及对HCO3-的利用能力。张彦辉等通过在不同无机碳浓度下对8种沉水植物的生长生理比较研究表明金鱼藻、穗花狐尾藻、篦齿眼子菜、光叶眼子菜、微齿眼子菜、伊乐藻、菹草和黑藻均能利用HCO3-作为光合无机碳源。有研究显示，藻类如单生卵囊藻可以利用岩溶水中的HCO3--4。王培等通过实验表明土著小球藻、念珠藻和色球藻分别能将岩溶水中的40.625%、54.375%和76.22%的HCO3-转化为有机物进人生态系统中。在全球碳循环研究中，岩溶碳汇效应受到了广泛的重视。许多研究者用不同方法对水生植物固碳量进行了估算。诸如利用二端元模型估算出的桂林会仙岩溶湿地水生植物固碳量为4 466.27U(km2.a)；以碳同位素模型估算出草海水生植物固定了岩溶作用产生溶解性无机碳DIC中的58.8%(677.33t/a)。
水生植物是岩溶碳汇研究中不可忽视的问题。水生植物利用HCO3-已经得到大多数专家公认，但其利用率还有待进一步研究，尤其是沉水植物，尚少见有文章报道。为了能够进一步精确计算沉水植物固定碳的量，本文以典型沉水植物黑藻为研究对象，探讨其对岩溶水中DIC的利用能力以及研究岩溶水对黑藻生长的影响。
1 材料与方法
1.1 岩溶水来源和黑藻植物样
岩溶水样取自桂林市灵川县海洋乡和潮田乡境内的中国地质科学院岩溶地质研究所海洋一 寨底实验研究基地地下河系统出口处( 
)，其水化学特征见表1。黑藻植物样是采自寨底地下河地表明流段，黑藻经过简单清洗后迅速放入水桶中带回实验室，接着将黑藻先后用自来水和纯水冲洗后放人含有1/10的Hoagland's营养液的玻璃缸中进行驯化培养3d。
1.2 培养实验
首先将采回来的岩溶水水样用孔径为0.22μm的微孔滤膜进行抽滤（去除水中的微生物以及泥沙等杂质）。用双蒸水配制改进的Hoagland's营养液，配方如表2所示。使用前将其稀释为1/10培养液。
实验时设计2个实验组（一组放人过滤的岩溶水，另一组放入双蒸水配制的营养液，分别编号为KG、DD)，每组3个平行样。将每个锥形瓶中放入1000 m L的培养液，然后将截取10 cm长势一致的黑藻顶枝放在锥形瓶中用MGC-800BPY-2型光照培养箱进行培养。培养条件为：温度(25±1)℃，光强为2 000 Lx，全天光照培养。每隔24 h进行相关指标检测，连续测7d。
铁盐溶液配方为：FeSO4．7H2O 278gEDTANa23.73g蒸馏水500 m L、pH为5.5;微量元素液配方为： KI0.83 mg/L、硼酸6.2 mg/L、MnS04 22.3 n g/L、ZnSO4 8.6 mg/L、钼酸钠0.25 mg/L、CuSO4 0.025 mg/L、氯化钴0.025 mg/L。
1.3 使用仪器及检测指标
利用WTW3401多功能水质参数分析仪来测量温度(t)、pH和溶解氧(DO)。用德国Merck公司生产的硬度试剂盒和碱度试剂盒来分别检测Ca2+和HCO2浓度。游离的CO2用标定的Na OH溶液进行滴定。用电子天平（万分级）称量黑藻湿重。
14 数据处理
利用2010版EXCEL和Origin 8.0软件对数据进行分析处理。
2 结果与讨论
2.1 黑藻对水中HCO3-的利用
如图1，培养初期，各封闭体系中的HCO3-的浓度分别为4.1和0.2 m mol/L，岩溶水(KG)的HCO3-浓度从开始的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)，减少了29.27%的HCO3-；而双蒸水配制的营养液(DD)中的HCO3-浓度从开始就一直降低，到第2天后几乎为O2对于水中的溶解氧(DO)含量（图2），KG中的DO从第1天的7.77 mg/L
一直上升到第7天9.83 mg/L，DD中的DO浓度从开始的8.26 mg/L升到第7天的8.62 mg/L，变化不大。对于水中游离CO2(图3)，KG和DD中都减少，但KG中到第4天含量就减少到0，之后含量一直为0。
CO2是水生植物光合作用中最易利用的无机碳源形式，而与陆生植物相比，沉水植物还具有利用环境中HCO3-的潜力。所以水中游离CO2含量不断降低，尤其是KG中的CO2。黑藻能够利用水中的HCO3-10。在封闭体系中，碳酸化合物形态是随着pH变化而变化。KG中初始pH为7.68，随着黑藻对水中CO2的利用，到第1天pH升为7.90，由于是在封闭体系，随着pH升高，HCO3-略有升高（图1，从0到第1天），直到黑藻主要利用HCO3-，HCO2-才明显下降。张彦辉等通过实验发现HCO3-的浓度达到2.5 m mol/L能提高黑藻光合速率，并促进其生长。当水中存在的无机碳源主要形式为HCO3-时，沉水植物会更多地利用HCO3-。在岩溶水生生态系统中，沉水植物对HCO3-的利用会促进反应式(2)中有机物的生成，当HCO3-被利用得越多，氧气产生的量也越多，这正好符合图1和图2所示。数据分析可知，在封闭体系中，黑藻在进行光合作用时不仅吸收利用了水中的CO2，而且还利用了水中的HCO3-。这与王培等对2种小球藻利用无机碳的研究有相似的结果。
2.2 黑藻对水中Ca2+的利用
钙是植物生长所必需大量元素之一。Ca2+是控制生命生长和死亡的重要信号因子。在细胞分化的过程中，Ca2+信号蛋白可以通过调控细胞分化从而控制生命体的生长和凋亡。Ca2+也能够提高细胞膜的疏水性，使膜的稳定性增强。足量的钙还可以与细胞壁和胞间果胶质形成交联结构，从而维持细胞正常形态和生理过程，并且能抵抗真菌的侵染。而岩溶水(KG)和双蒸水配制的营养液(DD)中Ca2+的初始浓度分别为92、19 mg/L。培养7d，2组Ca2+浓度都不断降低，到第7天，KG和DD的分别达到了61.33和14.33mg/L。岩溶水中Ca2+含量最高，被吸收利用的也最多，Ca2+减少了33.34%，而DD的减少了24.58%(图4)。在岩溶水生生态系统中，水生植物的光合作用会促进钙的沉积(如反应式(2)，而呼吸作用则相反。王培
等通过对岩溶地表河流中沉水植物调查发现黑藻叶片表面上有碳酸钙沉积物。此实验中也发现黑藻叶片上有少量白色结晶体，而对于钙沉积的量还有待进一步实验研究探讨。所以对于岩溶水中Ca2+减少，一方面是由于植物吸收利用，另一方面则是由于钙沉积。
2.3 黑藻生物量、株长、分支和假根的变化
如图5，在岩溶水(KG)中，黑藻生物量增加了32.6%，双蒸水配的营养液(DD)中黑藻生物量增加了2.5%; KG中，黑藻株长长度增长率为1%，而DD中的黑藻株长没变化。图6中，KG和DD中黑藻平均分支数分别为0.67和0.33，假根数量分别为1.67和0。对于沉水植物，水中溶解性无机碳的含量常常是其光合作用的限制因素。由于CO2在水中溶解度较低，所
以水中其可利用含量比较少。与双蒸水配的营养液相比，岩溶水表现出了明显的优势，其中含有大量的HCO3-和Ca2+，这为水生植物光合作用和生长提供了丰富的无机碳源和矿质元素。从黑藻生物量、株长长度、平均分支数和假根数量统计来看，岩溶水促进了黑藻分支和假根生长，增加了黑藻的生物量，促进了它的生长。王培等通过实验发现岩溶水对水生微藻的生长也具有促进作用，岩溶水表现出一种施肥效应。
3 结论
(1)黑藻在进行光合作用时不仅吸收利用了水中的CO2，而且还可以利用水中的HCO3-，并减少了岩溶水中29.27%的HCO3-。
(2)黑藻降低了岩溶水中33.34%的Ca2+，而双蒸水配的营养液中只降低了24.58%，岩溶水中Ca2+量减少得更多。
(3)与配制的营养液相比，岩溶水中黑藻的分支和假根数量更多，生物量更大，更有利于黑藻的生长，岩溶水表现出了一种施肥效应。
