CN113462576B - 一种利用水生植物培养淡水硅藻的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用水生植物培养淡水硅藻的方法，包括：1、利用水生植物或其粉碎加工后的茎和/或叶堆积腐烂至释放出明显的氨臭味；粉碎后颗粒物的最大长度控制在5cm以下；2、将步骤1得到的呈腐烂状态的水生植物用水稀释后放在透明容器中，稀释后水中水生植物残体的湿重占水总体积的比例为4～30g/L；3、进行水动力扰动，促进水生植物残体尽量悬浮在水体中，提高水体中的溶解氧水平至3mg/L以上，防止水生植物残体厌氧堆积；4、水动力扰动至水生植物残体上出现较多细菌或藻类细胞；5、继续水动力扰动至水生植物残体上出现更多硅藻生长；6、培养过程中，通过进行适度遮光以控制环境光照条件。

Description

一种利用水生植物培养淡水硅藻的方法

技术领域

本发明涉及藻类培养技术领域，尤其涉及淡水硅藻培养技术，具体来说，涉及一种利用水生植物培养淡水硅藻的方法。

背景技术

目前我国水环境面临很多的问题，其中最主要的是水体富营养导致的藻类水华，尤其是有害藻类水华的大量暴发，严重威胁水环境及水的多种功能的发挥。那么其中根本的原因在于水环境中物质和能量的迁移转化途径受到影响，导致水环境中物质、能量向有害藻类水华传递，并且有害藻类水华中聚集的物质和能量不能通过水环境中正常的食物链向下一个消费者传递。水环境中物质和能量的传递受到多种因素的影响，如何创造合适的条件，促进物质和能量的正常传递是一个重要研究方向。

水环境中藻类水华有多种，除了主要的蓝藻水华，还有裸藻水华、绿藻水华、硅藻水华等，相对而言，硅藻由于具有较高的营养价值，往往在水产养殖中具有重要饵料价值。淡水硅藻具有多方面重要意义。淡水硅藻是水生动物，如鱼、虾、蟹、蚌特别是其幼体的营养丰富的生物饵料。硅藻除了被广泛的应用在水产饵料方面外，硅藻在生物医药、生物修复、化工材料、纳米技术、硅藻土等方面都有广泛的应用，具有极其广阔的研究和应用前景。

现有技术中有较多海水硅藻大量培养研究的报道，且目前硅藻的培养技术主要体现在海水硅藻培养，比如深圳市兆凯生物工程研发中心有限公司研发的海水硅藻的大规模开放培养方法和系统，其获得的硅藻可以有多种用途，但是其在淡水硅藻培养方法和技术方面仍比较缺乏。一般硅藻更容易在富营养、弱光照的环境条件下生长。关于淡水硅藻的自然增殖和培养方法较少。

实际生产中，我国的一些浅水湖泊，如河北的白洋淀、山东的南四湖，均存在一定区域中沉水植物大量生长，春季时菹草大量生长，具备巨大的生物量，这些菹草往往自行腐烂在水中，腐烂形成的营养盐又被释放到水中，被水中细菌、浮游植物、水生植物等进一步利用。其中沉水植物季节更替时，老化的沉水植物腐烂后产生的营养盐仍被释放到水中，没有被更好地利用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种利用水生植物培养淡水硅藻的方法，以丰富水环境中物质和能量传递的途径，丰富淡水硅藻的培养方法，可为淡水硅藻生长机理提供解析，丰富淡水硅藻生态学理论研究，培养的硅藻还具有环境保护、开发新能源等多方面的意义。

其所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实施。

一种利用水生植物培养淡水硅藻的方法，包括如下步骤：

(1)、利用水生植物的茎、叶，主要是沉水植物、漂浮植物粗纤维含量相对低的叶，如浮萍、苦草、伊乐藻、荇菜、菹草、金鱼藻等，对伊乐藻、菹草等粗纤维含量相对高或者茎叶相对长的水生植物种类，可适当进行粉碎，粉碎后颗粒物的最大长度控制在5cm以下为宜，有利于其在水动力条件下悬浮、不易大量堆积，然后进行堆积腐烂至一定程度，腐烂程度的控制以堆积后释放出明显的氨臭味为宜，一般在我国南方的冬春季(平均气温变化范围为—10℃～18℃时)时腐烂30-50天，我国南方的夏秋季(平均气温变化范围为18℃～40℃时)高温时腐烂15-30天；

(2)、然后将这些腐烂状态的水生植物的茎、叶利用自来水稀释至一定程度，放置在透明容器中，稀释后水中水生植物残体的湿重占水总体积的比例为4～30g/L；

(3)、然后进行曝气扰动或者其他方式的水动力扰动，促进水生植物残体尽量悬浮在水体中，并提高水体中的溶解氧水平至3mg/L以上，以防止水生植物残体厌氧堆积；

(4)、水动力扰动7～10天后，水生植物残体上出现细菌生长，有些出现较多丝状蓝细菌和其他一些藻类细胞；

(5)、继续扰动10～25天后，水生植物残体上出现更多藻类生长，尤其是出现大量硅藻附着生长，附着生长的硅藻种类有多种，如菱形藻属、舟形藻属、针杆藻属、脆杆藻属、羽纹藻属、异极藻属、卵形藻属、桥弯藻属；

但是，水生植物上附着生长的硅藻密度不均匀，有的区域细胞密集些，有的区域细胞稀疏些，水生植物残体上附着硅藻密集处的硅藻细胞密度可以达到2.7×10⁵～7.1×10⁵cells/cm²，若按水体积计算硅藻细胞的密度，即换算为单位水体积中硅藻的密度达到1.2×10⁵～3.2×10⁵cells/mL，出现了硅藻优势，实现了水生植物中物质和能量向硅藻的转化；

(6)、培养过程中，控制好环境光照条件，主要需进行适度遮光，与室外太阳光的自然辐射强度相比，遮光率为80％～98％，防止光照过强造成水生植物的光降解，并防止光照过弱出现藻类过少，导致细菌生长优势。

本发明的技术方案中，初始时，水生植物的厌氧堆积腐烂、透明容器、控制水生植物的含量、维持水动力条件、防止厌氧堆积、环境光照条件这6个因素是实现该培养过程的关键条件，其中任何一个因素的变化都会影响培养硅藻的效果。初始时对水生植物进行堆积腐烂，腐烂的程度需要控制好，水生植物腐烂后需仍然维持原有的形状，获得处于腐烂过程中的水生植物，即营养盐仍主要聚集在腐烂状态的水生植物上，而非完全溶解在水中，从而形成以水生植物为载体的高浓度营养盐的聚集体，利于后续硅藻的附着生长。需防止过度腐烂，防止水生植物上的营养盐全部腐烂后释放到水体中使用透明容器是为了让水中各个方向均有合适的光照条件，如果使用不透明容器，会导致随着水深而光照明显减弱，导致底部光照不足。控制水生植物的含量是为了提供合适的营养盐浓度，并且水生植物粉碎后的颗粒物浓度合适时可以形成合适的光照条件，也防止因为水生植物含量过高而引起水生植物腐烂后水体中细菌浓度过高，影响硅藻的生长；如果水生植物的含量过低，会引起水生植物腐烂释放的营养盐浓度过低，不利于藻类的生长。

提供水动力条件是为了让水生植物能够尽量悬浮在水体中，并为水体中提供适宜的溶解氧条件，还可以防止沉底堆积而形成厌氧堆积、腐烂，出现不利的菌群条件，并可以防止生长的硅藻沉底而不利于继续高浓度生长。水动力条件可以同时实现供氧、悬浮的功能。环境光照条件同样非常重要，环境光照条件过高，导致容易出现喜好强光照条件的绿藻、蓝藻等非硅藻生长；环境光照条件过弱，容易导致完全变成细菌生长，没有藻类生长。并且在初始水生植物的堆积腐烂过程，硅藻生长需要足量的硅元素，水生植物中本来就含有丰富的硅元素，水生植物在腐烂过程中会释放碳、氮、磷、硅等多种元素，满足硅藻的生长需求，实现利用水生植物培养附着硅藻的目的。

该方法的基本原理是有机颗粒物在腐烂过程中释放营养盐，并且形成了固体颗粒物为硅藻的附着生长提供物理基质。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、将水生植物中储备的物质和能量转化为硅藻形式，硅藻附着生长在水生植物粉碎后的残体上，增加了水生植物作为水产养殖饵料生物的价值。

2、可以在不同的季节实现水生植物培养淡水硅藻的目的，突破了自然条件下硅藻仅容易在冬春季节形成优势的限制。

3、为一些草型水体，如河北省白洋淀的草型湖区、山东省南四湖的草型湖区中泛滥的水生植物的利用提供了一种方法，即可利用草型湖区中割除的水生植物培养硅藻，实现废弃的水生植物的资源化利用。

4、本发明方法获得的淡水硅藻生长形式为着生，即附着生长在水生植物腐烂后的残体上(不是硅藻浮游在水中生长)，硅藻细胞生长密度大，单位水体积中细胞密度远大于浮游态生长的硅藻。

5、本发明方法不需要在初始时添加硅藻作为种源，培养过程中硅藻在藻类的演替过程逐渐成为优势。

6、本发明方法所需的光照条件比较弱，一般室内的自然光照强度满足所需的弱光照，为在一般的室内光照条件下进行规模化的硅藻培养提供了方法。

附图说明

图1～图10为实施例1中浮萍叶片及上面的藻类生长情况(均为光学显微镜下放大400倍)。其中出现的硅藻主要是个体较小的羽纹藻(Pinnularia)和舟形藻(Navicula)为主，细胞长度一般为5～10μm，也有少量个体较大的硅藻种类，如针杆藻(Synedra)、脆杆藻(Fragilaria)等；其中图1至图8为浮萍浓度为8、13g/L的瓶中浮萍叶片上附着生长的相对密集的硅藻，能从这些照片中清楚观察到浮萍叶片本身的植物纤维脉络；图3中硅藻细胞沿着浮萍的纤维脉络密集生长。图9、图10为3g/L浮萍叶片瓶中附着生长的藻类情况，硅藻很少。

图11～图30为实施例2中浮萍叶片上生长的硅藻的照片(均为光学显微镜下放大400倍)，可见有的叶片上硅藻细胞密集生长，有的叶片上硅藻细胞生长较稀疏；并能从这些照片中清楚观察到浮萍叶片本身的植物纤维脉络。硅藻的种类有多种，如舟形藻、菱形藻、辐节藻、异极藻、脆杆藻等，细胞大小也不一致，小细胞长度仅5～10μm(图11～图26)，大细胞长度达到15～30μm(图27～图30)。图3中硅藻细胞沿着浮萍的纤维脉络密集生长。图28～图30能明显看到有些硅藻细胞的一端附着在浮萍叶片上，而另一端悬浮在水中。

图31～图41为实施例3中腐烂苦草叶片上面的藻类生长情况(均为光学显微镜下放大400倍)。优势种类是硅藻门的卵形藻属(Cocconeis)(图31～图38)(卵形藻属属于硅藻门、羽纹纲、曲壳藻目、卵形藻科)，这些卵形藻的细胞长度一般为10～20μm；叶片上有些区域还生长有较多的针杆藻(图37～图38)，这些针杆藻细胞的长度为约35～50μm。而苦草叶片湿重的浓度为40g/L的玻璃缸中，腐烂的苦草叶片上生长的硅藻密度明显比较低，并且有其他门类藻类(如绿藻)和细菌较多(图39～图41)。

其中，实施例中所有藻类照片均是在光学显微镜下放大400倍后拍摄而得，为腐烂后水生植物叶片上附着生长的藻类照片，照片中水生植物叶片上的藻类没有稀释也没有浓缩。

具体实施方式

基于现有技术的现状，本申请的发明人发现了利用微囊藻水华培养硅藻的方法，其主要特点是利用蓝藻水华中储备的物质和能量，在水动力扰动条件下获得蓝藻水华演替为硅藻优势。其他方面的硅藻培养技术主要利用硅藻容易附着生长的特点，通过投用硅藻种源，实现硅藻附着在一定基质上生长，并作为水产养殖对象的优质生物活饵料。水产养殖常用的附着硅藻培养方法是贝类饵料的开放式培养方法。而如果有更多的天然淡水硅藻的培养方法，将更有利于自然界物质的有益转化和硅藻的大规模开发利用。

于是发明人在已有研究的基础上，进一步围绕水环境中物质和能量的传递，研究硅藻的更多培养方法，以拓展淡水硅藻的培养方法和技术。

下面结合具体实施例和附图，以更具体的实施方式进行进一步的详细说明和阐述本发明。

实施例1

在温度仍比较低的2月份，获取温室大棚中生长的浮萍，将大量浮萍堆积40天后，出现腐烂发臭。在自来水中添加腐烂中的浮萍，其中浮萍的添加量以浮萍的湿重或者浮萍的体积表示，采用10L的无色广口玻璃瓶进行培养，共6瓶，其中添加的腐烂状态浮萍的浓度梯度分别为具体为3、8、13g/L，每个梯度2个瓶。每个瓶中均进行空气曝气，曝气量约0.3m³/h，维持水中溶解氧浓度在4mg/L以上，在温室大棚中进行培养。

水动力扰动下培养5天后，3个梯度中均出现了浮萍逐渐发白；培养10天后，3个梯度中浮萍逐渐变浅黄，在显微镜下观察，出现了大量细菌生长；继续培养20天后，浮萍逐渐变绿，后来又变黄绿，在显微镜下检查，发现浮萍浓度为8、13g/L浮萍上出现大量硅藻附着生长，硅藻的种类以细胞较小的羽纹藻(Pinnularia)和舟形藻(Navicula)为主，细胞长约5～10μm，也有少量个体较大的硅藻种类，如针杆藻(Synedra)、脆杆藻(Fragilaria)等。其中浮萍浓度为8、13g/L的瓶中浮萍叶片上附着生长的硅藻相对密集(图1至图8)，并且还能清楚观察到浮萍叶片本身的植物纤维脉络，有时候硅藻细胞沿着浮萍的纤维脉络密集生长(图3)。而3g/L瓶中浮萍叶片上附着生长的硅藻比较稀疏(图9、图10)。

经取样计数浮萍叶片上硅藻细胞的密度，可得浮萍浓度为13g/L的实验瓶的浮萍叶上硅藻密集生长处的硅藻密度达到3.1×10⁵cells/cm²，换算为单位水体积中硅藻的密度为：1.4×10⁵cells/mL。

培养期间的冬春季的气温变化范围为6℃～22℃。

实施例2

于高温的7月在温室大棚中利用浮萍培养附着硅藻的实验。先捞取温室内培养的浮萍，浮萍堆积后的体积为5L，与2L自来水一起放置在10L广口玻璃瓶中堆积、腐烂。初始的浮萍叶片的长度一般为4～6mm，堆积腐烂7天后，浮萍发臭，表面的浮萍长了一些白霉。然后将腐烂状态的浮萍取出，此时的浮萍叶片仍带绿色，稍偏黄色。

其中浮萍的添加量以浮萍的湿重表示，采用10L的广口玻璃瓶培养，共3个浓度梯度，每瓶中添加腐烂状态中的浮萍湿重分别为100、150和200g，添加自来水至10L，每个梯度2瓶，共6瓶，则其中浮萍的质量浓度分别为10、15和20g/L。每个瓶中均利用空气泵进行空气曝气，曝气量约0.45m³/h，以促进浮萍大量悬浮在水中，而不是漂浮在水面或者沉积在水底，维持水中溶解氧浓度在5mg/L以上。于温室大棚中培养。

曝气扰动15天后，各浮萍添加浓度的浮萍叶片上均可见硅藻生长；继续曝气扰动，至曝气扰动30天后，各浓度中浮萍叶片上均大量生长硅藻细胞，各添加浓度的玻璃瓶中浮萍叶片上生长的硅藻种类、数量没有明显的差异，均是有的叶片上硅藻细胞生长密集，有的叶片上硅藻细胞生长较稀疏，具体见图11～图30，硅藻的种类有多种，如舟形藻、菱形藻、辐节藻、异极藻、脆杆藻等。

经取样计数浮萍叶片上硅藻细胞的密度，可得浮萍叶上硅藻密集生长处的硅藻细胞密度达到7.1×10⁵cells/cm²，换算为单位水体积中硅藻的密度为：3.2×10⁵cells/mL。

同期，利用粉碎的樟树叶进行培养实验。

获取新鲜的樟树叶，利用粉碎机粉碎成长度约1～2mm的细颗粒，然后放置到广口玻璃瓶中，共2个瓶，每个瓶中放置粉碎后的樟树叶的体积分别为50、100ml，然后补充自来水至10L总体积，进行空气曝气。樟树叶中含有色素较多，粉碎后添加到瓶中后水中很快呈现棕褐色，形成明显的遮光。

2个樟树叶瓶中取样均没有发现硅藻附着生长在樟树叶上。

樟树叶是不同于水生植物叶片，樟树叶比水生植物含水量低，并且粗纤维含量大，樟树叶中的纤维素难以分解释放无机态的营养盐。因此也很难出现樟树叶粉碎后硅藻的附着生长。

培养期间的夏秋季的气温变化范围为20℃～38℃。

实施例3

于寒冷的12月份获取新鲜的和逐渐枯萎的苦草叶片，新鲜的苦草叶片仍然保持自然的绿色，枯萎的苦草叶片绿色变浅或者绿色褪去，甚至变黄绿或者变暗绿。苦草叶片在枯萎后有变薄。在常温下将新鲜的和枯萎的苦草叶片堆积，堆积腐烂40天后，将腐烂中的苦草叶片用自来水稀释，放置在30cm×30cm×30cm的无色玻璃缸中，每个缸中水和苦草的总体积为25L，共设置2个梯度的苦草叶片湿重浓度，苦草叶片湿重的浓度分别为30、40g/L，每个梯度2个重复。在玻璃温室中进行培养。

为防止苦草叶片下沉、堆积，在玻璃缸中利用空气泵进行空气曝气，以促进苦草叶片悬浮在水体中，在冬季的常温条件下，苦草叶片逐渐腐烂变黄、释放营养盐，苦草叶片的纤维上逐渐生长出藻类，在曝气后20～35天，苦草叶片湿重的浓度分别为30g/L的玻璃缸中，腐烂的苦草叶片上长出大量的硅藻，优势种类是硅藻门的卵形藻属(Cocconeis)(图31～图38)(卵形藻属属于硅藻门、羽纹纲、曲壳藻目、卵形藻科)，这些卵形藻的细胞长度一般为10～20μm；叶片上有些区域还生长有较多的针杆藻(图37～图38)，这些针杆藻细胞的长度为约35～50μm。而苦草叶片湿重的浓度为40g/L的玻璃缸中，腐烂的苦草叶片上生长的硅藻密度明显比较低，并且有其他门类藻类(如绿藻)和细菌较多(图39～图41)。

培养期间冬春季的气温变化范围为—5℃～18℃。

本发明提供的利用水生植物培养淡水硅藻的方法，通过将水生植物厌氧堆积、腐烂一段时间，然后利用水稀释至4～30g/L后在弱光条件下进行水动力扰动，控制水中溶解氧浓度，促进水生植物叶片在水中的悬浮，培养17～35天后即可出现大量硅藻附着生长在水生植物叶片上，其中水生植物叶片上附着生长的硅藻细胞密度可达到2.7×10⁵～7.1×10⁵cells/cm²，换算为单位水体积中硅藻的密度达到1.2×10⁵～3.2×10⁵cells/mL。该方法实现了利用水生植物培养附着态生长的硅藻，将水生植物中储备的物质转化为硅藻，进一步拓展了淡水硅藻的培养理论和方法。

Claims (8)

1.一种利用水生植物培养淡水硅藻的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）、利用水生植物的茎和/或叶，或者粉碎加工后的茎和/或叶进行堆积腐烂，堆积腐烂至释放出明显的氨臭味；

粉碎加工后，茎和/或叶的颗粒物的最大长度控制在5cm以下；

（2）、将步骤（1）得到的呈腐烂状态的水生植物，利用水稀释后放置在透明容器中，稀释后水中水生植物残体的湿重占水总体积的比例为4~30 g/L；

（3）、进行水动力扰动，促进水生植物残体尽量悬浮在水体中，并提高水体中的溶解氧水平至3 mg/L以上，防止水生植物残体厌氧堆积；

（4）、水动力扰动7~10天后，水生植物残体上出现细菌、藻类细胞生长；

（5）、继续水动力扰动10~25天后，水生植物残体上出现更多藻类生长，其中，按水体积计算时，所述藻类中硅藻的细胞密度达到1.2×10⁵~3.2×10⁵ cells/mL；

（6）、培养过程中，通过进行适度遮光以控制环境光照条件，以防止光照过强造成水生植物的光降解，以及光照过弱时出现的藻类过少。

2.根据权利要求1所述的利用水生植物培养淡水硅藻的方法，其特征在于，所述水生植物选自浮萍、苦草、伊乐藻、荇菜、金鱼藻和菹草中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的利用水生植物培养淡水硅藻的方法，其特征在于，步骤（1）中，堆积腐烂的时间，在平均气温变化范围为—10℃~18℃时控制在30-50天，在平均气温变化范围为18℃~40℃时控制在15-30天。

4.根据权利要求1所述的利用水生植物培养淡水硅藻的方法，其特征在于，步骤（2）中，稀释用的水为常规的自来水。

5.根据权利要求1所述的利用水生植物培养淡水硅藻的方法，其特征在于，步骤（4）中的细菌包括丝状蓝细菌。

6.根据权利要求1所述的利用水生植物培养淡水硅藻的方法，其特征在于，步骤（5）中的硅藻为菱形藻属、舟形藻属、针杆藻属、脆杆藻属、羽纹藻属、异极藻属、卵形藻属和桥弯藻属中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的利用水生植物培养淡水硅藻的方法，其特征在于，步骤（6）中，在进行遮光控制时，与室外太阳光的自然辐射强度相比，遮光率控制在80%~98%。

8.根据权利要求1所述的利用水生植物培养淡水硅藻的方法，其特征在于，所述水动力扰动为曝气扰动、转动或循环流动。

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