賈 妍，朱昱輝，梁熙文,彭趙旭

(鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001)

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，我國內(nèi)陸水體頻繁出現(xiàn)藻類在短期內(nèi)大量繁殖，導(dǎo)致水體生物缺氧死亡, 引起水體嚴(yán)重富營養(yǎng)化.因此加強藻類濃度的實時檢測，對防治水華尤為重要[1].目前，藻濃度監(jiān)測系統(tǒng)大多采用基于藻類葉綠素a的熒光檢測技術(shù)[2]和基于流式細(xì)胞攝像系統(tǒng)技術(shù)[3]的監(jiān)測方法.但是這些檢測方法成本昂貴，針對性不強，且效率低下，不能實現(xiàn)實時準(zhǔn)確地檢測藻濃度.鑒于此，尋找能夠?qū)崟r靈敏反映藻濃度變化且易于檢測的指標(biāo)，對開發(fā)高效藻濃度檢測系統(tǒng)尤為重要.本文探索基于電導(dǎo)率和吸光度的水體藻濃度傳感器的原理，探討開發(fā)便捷準(zhǔn)確藻濃度監(jiān)測方法的可行性.該系統(tǒng)具有檢測指標(biāo)多樣(電導(dǎo)率和吸光度[4]雙重檢測指標(biāo))，檢測方法新穎準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)真實可靠，應(yīng)用范圍廣泛(考察對象為廣泛分布于世界各地且易引起水華的銅綠微囊藻[5])的特點.

1 實驗材料與方法

1.1 藻種培養(yǎng)

采用銅綠微囊藻(藻種來源于中科院淡水藻種庫，型號FACHB-315)，初始藻細(xì)胞濃度為105cell/mL.首先在光強5 000 lx和黑暗各交替12 h的環(huán)境下培養(yǎng)3 d，然后將藻種按照藻液和培養(yǎng)液量為1∶3的比例接種到BG-11培養(yǎng)基中，并放置在25 ℃光照強度7 000 lx的光照恒溫培養(yǎng)箱GZY-250中進行富集培養(yǎng)14 d，每天2次搖勻直到藻溶液出現(xiàn)明顯的絮狀物為止，接種培養(yǎng)過程如圖1所示.隨后用XB-K-25血球計數(shù)板計算得到此時藻細(xì)胞的濃度為3.5×108cell/mL.

圖1 藻種的接種及培養(yǎng)流程

1.1.1 BG-11培養(yǎng)基

藻種采用BG-11培養(yǎng)基進行培養(yǎng)[6]，按照中國科學(xué)院淡水藻種庫的配方配制母液：稱取NaNO375 g、K2HPO42 g、MgSO4·7H2O 3.75 g、CaCl2·2H2O 1.8 g、Citric acid 0.3 g、Ferric ammonium citrate 0.3 g 、EDTANa20.05 g、Na2CO31.0 g；微量金屬(Trace mental solution)：H3BO31.43 g、MnCl2·4H2O 0.93 g、ZnSO4·7H2O 0.11 g、Na2MoO4.2H2O 0.2 g、CuSO4. 5H2O 0.04 g、Co(NO3)2.6 H2O 0.03 g.用蒸餾水稀釋得到母液500 mL，試驗藥品均為分析純.用1 mol/L的NaOH和HCl調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的pH在7.1左右.高壓鍋滅菌20 min后冷卻至室溫[7].

1.1.2 藻細(xì)胞計數(shù)

當(dāng)藻溶液出現(xiàn)明顯白色絮狀沉淀物時，按照計數(shù)板標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程2013SOP03-228-007[8]，用CX23LEDRFS1C顯微鏡、XB-K-25血球計數(shù)板觀察和計算藻細(xì)胞密度，公式如式(1)所示[9]：

(1)

顯微鏡下計數(shù)得到80個小方格藻細(xì)胞總數(shù)為70、稀釋倍數(shù)為100倍，帶入公式(1)計算得到培養(yǎng)完成后的藻細(xì)胞初始濃度為3.5×108cell/mL.

1.1.3 藻溶液配置

根據(jù)相關(guān)文獻，水華爆發(fā)時銅綠微囊藻的初始細(xì)胞濃度為3.41×106cell/mL[10]，基于此，設(shè)置不同細(xì)胞濃度的純凈藻溶液，細(xì)胞濃度分別為3.5×106、3.0×106、2.5×106、2.0×106、1.5×106cell/mL及空白對照組(蒸餾水)；稱取氯化鈉(分析純)0.001 0、0.015 0、0.020 0、0.025 0、0.030 0 g各5份；無水硫酸鎂(分析純)0.001 0、0.015 0、0.020 0、0.025 0、0.030 0 g各5份分別溶于10 mL不同質(zhì)量濃度的50瓶純藻溶液中，攪拌均勻，得到NaCl、MgSO4質(zhì)量濃度為100、150、200、250、300 mg/L的無機鹽離子藻溶液.

1.2 檢測方法

采用EC215電導(dǎo)率測試儀監(jiān)測不同濃度下藻溶液的電導(dǎo)率[11].采用UV752型紫外可見分光光度計[12]，檢測440、645 nm和750 nm波長下藻溶液的吸光度.用Matlab軟件的plot函數(shù)、Curve Fitting應(yīng)用程序作圖；用SAS軟件進行數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析[13]，耦合藻濃度與三個波長下吸光度的關(guān)系式.

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 藻濃度與電導(dǎo)率的關(guān)系

純銅綠微囊藻濃度與電導(dǎo)率之間的關(guān)系如圖2所示，電導(dǎo)率與藻濃度的二次方成正比(相關(guān)系數(shù)R2=0.994 4)，隨著藻濃度的增大而加速上升，在爆發(fā)預(yù)警值(藻濃度為3.5×106cell/mL)附近達(dá)到23.7 μs/cm.

圖2 藻濃度與水體電導(dǎo)率關(guān)系圖

圖3 藻濃度與電導(dǎo)率關(guān)系圖(Cl-質(zhì)量濃度：100、150、200 mg/L)

圖4 藻濃度與電導(dǎo)率關(guān)系圖質(zhì)量濃度：100、150 mg/L)

2.2 藻濃度與吸光度的關(guān)系

銅綠微囊藻濃度與在440、645、750 nm波長下的吸光度如圖5所示，從中可見不同波長下的吸光度均隨著藻濃度的增加而上升.在440 nm下與藻濃度的三次方成正比(R2=0.990 0)，在645 nm和750 nm下與藻濃度的四次方成正比(R2=0.981 4、R2=0.993 7).

圖5 藻濃度與在440、645、750 nm波長下吸光度關(guān)系

3 結(jié) 論

2)耦合藻濃度與三個波長下的吸光度，建立藻濃度預(yù)測的數(shù)學(xué)模型：y=35.52×106x1+66.47×106x2+2 200.78×106x32(R2=1).該模型預(yù)測值的相對誤差在0.45%內(nèi).

本文通過建立藻濃度與水體電導(dǎo)率和吸光度函數(shù)關(guān)系來確定藻濃度，該方法與其他檢測藻類濃度的方法相比具有預(yù)測精準(zhǔn)、檢測指標(biāo)多樣、應(yīng)用范圍廣泛等優(yōu)良特性.但在水華初始爆發(fā)的藻濃度水平上，預(yù)測值與實際值還有偏差，需要進一步的研究.