当前，我国近海海水富营养化和重金属污染问题日益严重，大型藻类是重要的初级生产者，具有吸收利用水体营养盐和增加溶解氧、吸附重金属离子的功能，可用于海洋生态系统富营养化和重金属污染的生物修复。

海水中营养盐存在的主要形式是氨氮、硝氮和活性磷，其中氨氮在动物养殖水体中含量较高(胡海燕等, 2003)，而硝氮是水体中无机氮的主要存在形式，且极易被藻类和植物利用，无机正磷酸盐为大部分海藻的主要P源。海藻吸收N、P营养盐已有不少研究(韩婷婷等, 2018; 包杰等, 2008; Liu et al, 2016; 李恒等, 2013)。刘静雯等(2001)研究了细基江蓠繁枝变型(Gracilari tenuistipitata var. liui)、孔石莼(Ulva pertusa)和蜈蚣藻(Grateloupia filicina)在不同温度和盐度下对氨氮的吸收情况；徐智广等(2011)以龙须菜(Gracilariopsis lemaneiformis)为材料，研究温度、光照强度和硝氮浓度下龙须菜对无机磷吸收的影响。在海藻对各种重金属去除效果方面，朱明等(2011)、郭赣林等(2011)证实了浒苔(Enteromorpha prolifera)对重金属Cu、Cd、Pb均有去除效果，可用于含Cu²⁺和Pb²⁺废水的生物修复；黄鹤忠(2013)也发现江蓠对Cu、Cd、Ni、Pb等也有较好的去除效果。因此，开发新型经济海藻，用于去除N、P等富营养盐和吸附重金属离子，对当前近海富营养化和重金属污染的修复有重要参考依据。

极北海带(Laminaria hyperborea)属于褐藻纲(Phaeophyceae)、海带目(Laminariales)、海带科(Laminariaceae)、海带属(Laminaria)，广泛分布于大西洋东北海域、底质类型为岩礁的潮下带，其自然分布海域南到葡萄牙北至挪威、俄罗斯(Kain, 1967、1971; Bekkby et al, 2009)。极北海带藻体较大，藻体明显分为叶(呈掌状，完整藻体一般分叉形成30片叶)、柄和固着器，柄和叶的最大长度一般分别为1~3 m和1~2 m (Kain, 1971)。因此，多年生的极北海带可为其他海洋生物提供索饵场、产卵场或栖息地，在维护多样性、海洋生物修复等方面有重要价值，尤其是其极耐低光，光补偿点可低至4.6 μmol/m²·s，适应在较深的水域生长(梁洲瑞等, 2018)。当前，我国正在积极推进海洋牧场建设，海藻场是关键的组成部分，由于我国近海透明度普遍较低，投放的人工鱼礁水层较深，由于光照限制很难增殖起规模化的“海藻森林”，而极北海带的“个体大、多年生、耐低光”的三大特征，可作为构建海藻场的优良藻种。本研究以极北海带为对象，分析其对N、P吸收和对砷、Cd²⁺、铅吸附的能力，评价其在海洋生物修复方面的潜力，为近海生态环境修复和海洋牧场建设提供参考。

实验所用极北海带幼苗通过配子体克隆技术培育约3个月左右获得，叶片长度约为5~10 cm，极北海带配子体来源于法国布列塔尼半岛海区。幼苗培养条件：温度为11℃~13℃，光合有效照射度(Photosynthetically active radiation, PAR)为40~50 μmol/m²·s，光周期为12 L︰12 D，天然海水经过滤、高压灭菌冷却后，作为培养液，添加营养盐(PO₄^3–-P: 0.4 mg/L, NO₃^–-N: 4 mg/L)。

实验在1 L的玻璃瓶中进行，分别在5℃、9℃、13℃和17℃下充气培养，每个玻璃瓶中分别添加1 L培养液、PO₄^3–-P (0.3 mg/L)、NO₃^–-N (3 mg/L)、NH₄⁺-N (3 mg/L)、(1.00±0.05) g的极北海带叶片，其他培养条件：光合有效照射度为40~ 50 μmol/(m²·s)，光周期为12 L︰12 D，每个温度组3个平行。实验开始后分别在0、24、48和72 h取水样冻存，使用Nitrate Test in Seawater (Spectroquant, 德国)测定水样中的NO₃^–-N，Ammonium Cell Test (Spectroquant, 德国)测定水样中的NH₄⁺-N，Phosphate Test (Spectroquant, 德国)测定水样中的PO₄^3–-P，测定操作按照说明书进行，计算各时间点水样中营养盐的百分含量，营养盐百分含量=各时间点的营养盐浓度×体积/(初始营养盐浓度×体积)

海藻吸附重金属，一部分吸附在藻体表面，一般是可逆的，能与强络合剂EDTA(乙二胺四乙酸)形成稳定的络合物，进而从藻体表面解吸附(雷鸣等, 2008)；一部分吸收进藻体里，一般不可逆。基于上述理论，设置以下4个实验。(1)每个瓶子称量(2.00±0.05) g的极北海带叶片(海带大小均匀，长度5 cm×10 cm，选取的海带假根尽量小)，记录该重量数值。培养条件：1 L海水，温度13℃，光照60 μmol/m²·s，硝酸氮3 mg/L，磷酸盐0.3 mg/L。(2)对照组不加重金属，处理组添加单一重金属离子，分别加Cd²⁺ 0.1 mg/L，Pb²⁺ 0.5 mg/L，As⁵⁺ 0.5 mg/L，培养液中重金属离子浓度以实际测定为主，每组均为3个重复。培养液中重金属离子的最终浓度是按照第四类海水标准(GB3097- 1997)重金属离子浓度的10倍计算得到的。(3)实验在GXZ智能光照培养箱中进行，各组在培养0、2、4、6 d后，取25 ml海水保存。第4天取海水保存后，不更换培养液，但在瓶子中补充一定量(N 1 mg/L，P 0.1 mg/L)的营养盐继续培养海带。(4)培养6 d后，分别把极北海带取出，用蒸馏水冲洗3次。吸干极北海带表面的水分，称鲜重，记录该重量数值，计算各处理条件下极北海带6 d的相对生长速率。每组极北海带分成2份(每份1 g以上)。其中1份放进0.1 mol/L的EDTA钠盐溶液中浸泡30 min，使表面的重金属离子被吸附下来，然后用蒸馏水把极北海带冲洗干净，用来测定藻体内重金属离子的含量。另外1份不经EDTA钠盐溶液的浸泡，用来测定藻体内外重金属离子的总量。将2份极北海带分别包进锡箔纸或离心管中，放入鼓风干燥箱，60℃下烘干24 h或更长时间，直至恒重后分开保存在自封袋中待检测。

相对生长率(RGR, %/d)采用以下公式计算：

式中，W₀为起始时的鲜重，W_t为t d后的鲜重，t为时间，本实验t为6 d。

水样中重金属含量的测定采用US EPA 200.7: 2001，藻体中As^5-的测定采用GB 5009.11-2014第一法，Cd²⁺、Pb²⁺分别采用GB 5009.15-2014、GB 5009.12- 2010规定的方法测定。

采用SPSS 18.0数据统计软件进行单因素方差分析(One-way ANOVA)、Duncan多重比较，以P < 0.05作为显著性差异，使用Excel软件绘制图形。

如图 1a所示，温度显著影响极北海带对P的吸收，其中，24 h时9℃、13℃、17℃培养液中P营养盐含量显著低于5℃(P < 0.05)，且13℃组的P含量显著低于9℃组(P < 0.05)，其他组无显著性差异(P > 0.05)。48 h和72 h时9℃、13℃组的P含量显著低于5℃、17℃组(P < 0.05)，且17℃组显著低于5℃组(P < 0.05)，9℃、13℃组的P含量无显著性差异(P > 0.05)。各温度组的P含量在48和72 h时无显著性差异(P > 0.05)，但均显著低于0和24 h(P < 0.05)。总的来说，温度为9℃~13℃时，极北海带对P的吸收率较高，达到了95%~98%。

图 1(Fig. 1)

图 1 不同温度、不同时间下培养液中磷(a)、硝酸氮(b)、氨氮(c)的百分含量 Fig.1 Percentage of phosphorus (a), nitrate nitrogen (b) and ammonia nitrogen (c) in culture medium at different temperatures and different times

如图 1b所示，同一时间点各温度下硝酸氮含量均无显著性差异(P > 0.05)。各温度组不同时间点的分析结果如下：温度在5℃和9℃下各时间点间均有显著性差异(P < 0.05)。温度在13℃和17℃时，0 h时硝酸氮含量均显著高于其他3个时间点(P < 0.05)，24 h时显著高于72 h (P < 0.05)，其他各点间均无显著性差异(P > 0.05)。温度对极北海带吸收硝酸氮无显著性影响，相对而言，9℃~13℃为其适宜温度，吸收率约为42%。

图 1c为相同营养盐、不同温度条件下培养液中氨氮含量的变化情况。同一温度不同时间点间培养液中的氨氮含量均有显著性差异(P < 0.05)。各时间点不同温度下的分析结果如下：24 h时5℃培养液中氨氮含量显著高于17℃(P < 0.05)，其他温度间无显著性差异(P > 0.05)。48 h时5℃下氨氮含量显著高于其他3个温度(P < 0.05)，72 h时5℃和17℃氨氮含量显著高于9℃、13℃(P < 0.05)，其他无显著性差异(P > 0.05)。9℃~13℃为极北海带吸收氨氮的适宜温度，吸收率达到了96%。综合图 1b和图 1c可知，同等条件下极北海带优先吸收利用氨氮。

As⁵⁺、Cd²⁺、Pb²⁺对极北海带相对生长速率的影响如图 2所示，其中，As⁵⁺对极北海带生长的抑制作用最显著(P < 0.05)，处理6 d后，极北海带的相对生长速率为–0.92%/d，质量低于初始时的质量，极北海带在0.46 mg/L的As⁵⁺离子溶液中不能正常生长。0.06 mg/L Cd²⁺处理6 d后，极北海带的相对生长速率为5.78%/d，显著低于对照组7.59%/d(P < 0.05)，说明，此Cd²⁺对极北海带生长有显著的抑制作用。极北海带在0.09 mg/L的Pb²⁺溶液中的相对生长速率为6.73%/d，此浓度的Pb²⁺溶液对极北海带的生长无显著影响(P > 0.05)。

图 1(Fig. 1)

图 2 As5+、Cd2+、Pb2+处理6 d后极北海带的相对生长速率 Fig.2 Relative growth rate of L. hyperborea treated with arsenic, cadmium and lead ions for 6 days 不同字母表示差异性显著，下同 Different letters denoted significant differences. The same as below

培养液和藻体As⁵⁺含量变化如图 3所示。图 3a为培养液中As⁵⁺含量变化，0 h时培养液中As⁵⁺含量显著高于2 d(P < 0.05)，极北海带在2 d内对As⁵⁺进行了较多的吸收，大量的As⁵⁺对极北海带藻体造成了一定的损害，2 d后吸收效果不显著(P > 0.05)，说明极北海带对As⁵⁺的吸收在2 d接近饱和。图 3b为As⁵⁺在极北海带藻体的含量分布，藻体表面吸附的As⁵⁺和藻体内部吸收的As⁵⁺含量无显著差异(P > 0.05)，分别占As⁵⁺总量的55%和45%。极北海带在此浓度的As⁵⁺溶液中不能正常生长，As⁵⁺能对藻体造成伤害(图 2)。

图 1(Fig. 1)

图 3 不同时间下培养液As5+离子含量(a)和培养6 d后极北海带藻体内外As5+离子含量(b) Fig.3 The arsenic ions content in culture medium at different time and the arsenic ions content of surface and internal of L. hyperborea after 6 days

培养液和藻体Cd²⁺含量变化如图 4所示，图 4a为培养液中Cd²⁺含量变化，0 h时培养液中Cd²⁺含量显著高于2、4和6 d(P < 0.05)，且后3个时间点间无显著性差异(P > 0.05)，说明极北海带对Cd²⁺的吸收在2 d接近饱和。图 4b为极北海带藻体内外的Cd²⁺含量分布，其中，91%的Cd²⁺位于藻体表面，9%的Cd²⁺位于藻体内部。极北海带对Cd²⁺的吸附主要在2 d内，且主要是通过物理吸附而存在于藻体表面，通过生物吸收进入藻体内部的量很少，但依然会显著抑制极北海带的正常生长(P < 0.05, 图 2)。

图 1(Fig. 1)

图 4 不同时间下培养液Cd2+含量(a)和培养6 d后极北海带藻体内外Cd2+含量(b) Fig.4 The cadmium ions content in culture medium at different time and the cadmium ions content of surface and internal of L. hyperborea after 6 days

培养液和藻体Pb²⁺含量变化如图 5所示，图 5a为培养液Pb²⁺含量变化，其中，0 h时培养液Pb²⁺含量显著高于6 d(P < 0.05)，其他各时间点间无显著性差异(P > 0.05)，说明极北海带对Pb²⁺的吸收不同于对As⁵⁺和Cd²⁺的吸收，其吸收过程相对平缓，而非2 d内即接近吸收的饱和值。图 5b为Pb²⁺在极北海带藻体的分布情况，其中，96.5%的Pb²⁺被吸附于藻体表面，3.5%的Pb²⁺位于极北海带藻体内部。培养液中的Pb²⁺主要被吸附在藻体表面，且在实验阶段内吸附速率趋于稳定持续，0.1 mg/L的Pb²⁺浓度对极北海带的生长状态影响不显著(P > 0.05，图 2)。

图 1(Fig. 1)

图 5 不同时间下培养液Pb2+含量(a)和培养6 d后极北海带藻体内外Pb2+含量(b) Fig.5 The lead ions content in culture medium at different time and the lead ions content of surface and internal of L. hyperborea after 6 days

N、P等是大型海藻生长所必需的营养元素，影响海藻的生长和光合作用等生理活动(Lapointe, 1987)，温度对海藻呼吸作用及光合作用有影响(凌晶宇等, 2016; 姚海芹等, 2016)。本研究中，极北海带在温度为9℃~13℃时，对P、氨氮和硝酸氮的吸收率均最高；梁洲瑞等(2018)研究了不同温度对极北海带幼苗生长及光合特性的影响，证实在9℃~15℃时极北海带幼苗的相对生长速率、光系统Ⅱ最大荧光产量(F_v/F_m)、光合作用和呼吸作用速率等均高于其他温度，本研究中，极北海带在温度为9℃~13℃时具有最大的N、P营养吸收率，这说明9℃~15℃是极北海带幼苗生长的最适温度范围。王翔宇等(2011)研究了6种大型海藻吸收N、P营养盐的能力，其中，日本马泽藻(Mazzaella japonica)对活性磷和氨氮的吸收率最高，分别为90.8%和98%，本研究中，适宜温度范围内极北海带对活性磷和氨氮的吸收率分别为95%~98%和96%，稍高于日本马泽藻；而其对硝酸氮的吸收率较低(42%)，低于孔石莼(82%)和日本马泽藻(76.9%)。

海带对Cd²⁺、Pb²⁺、As⁵⁺等重金属离子均有较好的富集作用，肖君等(2010)证实海带对Cd²⁺、Pb²⁺的吸附量大于很多其他藻类吸附剂，可用于重金属化水质的改善。本研究中，极北海带2、4和6 d对0.06 mg/L Cd²⁺的吸收率分别为26.0%、28.2%和30.5%；在2 d内的吸附速率较高，吸附量较多，占总吸附量的85.2%，此后吸附速率减慢，吸附量也较少；极北海带对Cd²⁺的富集量为15 mg/kg，富集后的Cd²⁺主要分布在极北海带藻体表面，占吸附总量的91%。0.1 mg/L Pb²⁺溶液中，极北海带2、4和6 d的吸收率分别为13.8%、20.7%和31.0%，吸收速率较稳定，藻体对Pb²⁺的富集量为320 mg/kg，被富集的Pb²⁺主要分布在藻体表面，占总吸附量的96.5%。推测，极北海带对Cd²⁺和Pb²⁺的富集主要是其细胞表面的吸附作用，相对而言，Cd²⁺和Pb²⁺对极北海带生长的影响较小。海藻中砷大多以有机态存在，无机态砷含量较少，但在海水中，砷大多以有毒的砷盐的形式存在(范晓等, 1997; Andreae et al, 1978)。聂新华等(2013)研究表明，威海市俚岛和崮山海带养殖区中的海带对无机砷的富集量分别为0.20和0.24 mg/kg，远低于本研究中极北海带对As⁵⁺的富集量(168.33 mg/kg)，其原因可能是本研究中的培养液砷浓度远高于自然海区的砷浓度。

综上所述，极北海带对N、P营养盐具有较强的吸收能力，72 h对P的吸收率达到了95%~98%，对氨氮的吸收率为96%，对硝酸氮的吸收率约为42%，在一定程度上吸附As⁵⁺、Cd²⁺、Pb²⁺重金属离子。同时，极北海带还具有“多年生、个体大、耐低光”的特征，可形成“海底森林”，因此有望成为我国海洋藻场建设和生态修复的潜力藻种。