綠藻滸苔對浮游植物群落結(jié)構(gòu)影響研究

張 雪 , 欒青杉, 孫堅強(qiáng), 王 俊

(1. 上海海洋大學(xué) 水產(chǎn)與生命學(xué)院, 上海 201306; 2. 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院 黃海水產(chǎn)研究所 海洋可捕資源評估與生態(tài)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室 山東省漁業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071)

滸苔(Enteromorpha prolifera)在分類學(xué)上屬于綠藻門、石莼目、石莼科、滸苔屬, 廣泛分布于河口、海灣等淺水區(qū)以及海陸結(jié)合部的咸淡水交匯的生境中[1-2]。在水體富營養(yǎng)化等適宜的環(huán)境條件下,滸苔極易大量繁殖并暴發(fā)形成“綠潮”[3], 給近海的生態(tài)環(huán)境和漁業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來不利的影響[4]。浮游植物主要由單細(xì)胞的藻類組成, 在水體中大量繁殖時會形成水華, 近年來有害藻華頻繁發(fā)生, 規(guī)模不斷擴(kuò)大, 如何進(jìn)行有效的預(yù)測和防治, 實(shí)現(xiàn)海洋生物資源的可持續(xù)利用, 成為亟待解決的重要科學(xué)問題[5]。

植物之間可以通過向環(huán)境中釋放化學(xué)物質(zhì)而產(chǎn)生直接或間接的相生相克作用。大型藻對單細(xì)胞浮游植物克生作用的研究已有很多報道[6-12], 涉及的浮游植物都是我國近海赤潮的主要肇事物種,比如硅藻門的三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)和中肋骨條藻(Skeletonema costatum), 甲藻門的塔瑪亞歷山大藻(Alexandrium tamarense)、前溝藻(Amphidinium hoefleri)、米氏凱倫藻(Karenia mikimotoi)、東海原甲藻(Prorocentrum donghaiense)、海洋原甲藻(P. micans)和錐狀施克里普藻(Scrippsiella trochoidea), 金藻門的球等鞭金藻(Isochrysis galbana)以及黃藻門的赤潮異彎藻(Heterosigma akashiwo)等。這些研究在開展赤潮的生物防治以及赤潮發(fā)生海域的生態(tài)修復(fù)等方面都有著積極的意義。

大型藻與浮游植物的相互作用研究, 多為針對單一物種的室內(nèi)受控模擬實(shí)驗(yàn), 在浮游植物群落水平上的研究相對較少[13-14]。本研究擬在前人工作的基礎(chǔ)上, 選取青島近海習(xí)見大型綠藻滸苔和采樣點(diǎn)海水中浮游植物群落, 進(jìn)行室內(nèi)的共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn), 從物種組成、細(xì)胞豐度和多樣性的變化等方面探討綠藻滸苔對浮游植物群落結(jié)構(gòu)的影響, 以期為近海的生態(tài)系統(tǒng)健康和環(huán)境修復(fù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用大型綠藻滸苔于2011年7月采自山東青島第三海水浴場附近海域。采集的樣品去除雜藻后, 用Whatman GF/F濾膜過濾的海水沖洗干凈, 于過濾海水中在合適的培養(yǎng)條件下適應(yīng)1～2 d。

實(shí)驗(yàn)所用浮游植物群落采自滸苔取樣點(diǎn)附近海水, 經(jīng)150 μm孔徑篩絹過濾去除捕食者, 過濾后海水避光暫存。

采集滸苔取樣點(diǎn)附近的海水, 經(jīng)GF/F濾膜過濾后煮沸冷卻, 按照f/2配方添加營養(yǎng)元素[15], 配制成50倍的f/2營養(yǎng)液母液備用。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

為了觀察滸苔鮮組織對浮游植物群落結(jié)構(gòu)的影響, 于7月29日至8月8日進(jìn)行了10天的滸苔和浮游植物群落共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計4個不同的處理,包括1個對照組和3個實(shí)驗(yàn)組, 每組分別設(shè)置3個平行樣。對照組為未添加滸苔的浮游植物群落, 實(shí)驗(yàn)組滸苔鮮組織用濾紙吸干表面水分, 分別按照 0.8(低添加組)、2.4(中添加組)和7.2 g /L(高添加組)的濕質(zhì)量添加到浮游植物群落中進(jìn)行共培養(yǎng)。

實(shí)驗(yàn)使用2 L的玻璃三角瓶進(jìn)行, 培養(yǎng)體系為1 L的浮游植物群落, 培養(yǎng)溫度設(shè)置為采樣點(diǎn)附近海水的溫度(24.0±0.5 )℃, 光照強(qiáng)度為3 000 lx, 光暗比L∶D為12 h∶12 h。營養(yǎng)元素添加按照f/2配方進(jìn)行。

培養(yǎng)瓶每天搖勻 1～2次, 使用雷磁 PHS-3C型pH計(上海精科)測定培養(yǎng)體系的pH, 取出20 mL浮游植物樣品, 加入終濃度 2%～5%的甲醛水溶液固定保存, 然后向培養(yǎng)瓶中加入20 mL的50倍f/2營養(yǎng)液母液以補(bǔ)充營養(yǎng)。每2天將滸苔取出, 用濾紙吸干藻體表面水分, 稱質(zhì)量后放回原來的培養(yǎng)瓶中繼續(xù)培養(yǎng)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后, 浮游植物樣品的分析使用倒置顯微鏡(COIC IBE2000)于 160×倍下進(jìn)行, 根據(jù)物種在形態(tài)學(xué)上的差異進(jìn)行分類鑒定和數(shù)量統(tǒng)計[16]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

滸苔的相對增長率參照如下公式計算[17]:

式中,Ki表示滸苔兩次取樣之間每天的相對增長速率;Wi表示第i次取樣的滸苔濕質(zhì)量生物量;Wi+1表示第i+1次取樣的滸苔濕質(zhì)量生物量;t為兩次取樣間隔時間(d)。

浮游植物群落多樣性指數(shù)采用 Margalef物種豐富度指數(shù)(dMa)、Shannon-Weaver物種多樣性指數(shù)(H)和Pielou物種均勻度指數(shù)(J)計算[18]。

方差分析(ANOVA)使用IBM SPSS Statistics 20軟件進(jìn)行, 采用LSD法和Dunnett法進(jìn)行不同處理之間均值的多重比較。

2 結(jié)果

2.1 浮游植物物種組成

實(shí)驗(yàn)期間共檢出浮游植物28屬37種, 其中硅藻24屬31種, 甲藻 3屬5種, 金藻1屬1種(表 1)。在共培養(yǎng)體系中形成優(yōu)勢的物種有: 利瑪原甲藻(Prorocentrum lima)、長菱形藻(Nitzschia longissima)、活動齒狀藻(Odontella mobiliensis)和新月柱鞘藻(Cylindrotheca closterium)。

共培養(yǎng)期間, 滸苔的濕質(zhì)量生物量呈現(xiàn)顯著的下降趨勢, 平均相對增長率在低、中、高3個滸苔添加組分別為(–8.99±4.54)%/d、(–8.63±4.26)%/d 和(–4.92±2.47 )%/d, 且未發(fā)現(xiàn)顯著性的差異。

2.2 滸苔鮮組織對浮游植物細(xì)胞豐度的影響

在10 d的共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)期間, 浮游植物總細(xì)胞豐度, 在實(shí)驗(yàn)組和對照組之間沒有顯著性差異(表 2)。在第 7天, 總豐度相對高低的變化趨勢發(fā)生了改變,在對照組豐度繼續(xù)保持增加, 而在實(shí)驗(yàn)組則開始降低(圖1)。高添加組的總豐度, 在實(shí)驗(yàn)第 3天高達(dá)對照組的90倍, 而在第10天則降低到對照組的1.4%。硅藻在整個培養(yǎng)期間, 細(xì)胞豐度表現(xiàn)出逐步升高的趨勢, 硅藻的生長受到滸苔明顯的抑制, 在3個不同的實(shí)驗(yàn)組細(xì)胞豐度顯著降低(P＜0.05), 降幅分別達(dá)到84.1%、92.1%和 95.3%, 高添加組的硅藻豐度在第10天只有對照組的0.78%。甲藻在共培養(yǎng)期間, 細(xì)胞豐度表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢, 甲藻豐度在實(shí)驗(yàn)組高于對照組, 在高添加組增加顯著(P＜0.05), 細(xì)胞豐度平均為對照組的 21.8倍, 特別是在第 3天達(dá)到了對照組的98.6倍。硅甲藻比在3個實(shí)驗(yàn)組亦出現(xiàn)顯著的降低(P＜0.05), 在對照組, 硅藻占有絕對的優(yōu)勢, 而在中添加和高添加2個實(shí)驗(yàn)組, 硅甲藻比被抑制在＜1的水平。

表1 共培養(yǎng)期間的浮游植物物種組成Tab. 1 Phytoplankton species composition during the cocultivation period

表2 不同處理共培養(yǎng)中浮游植物群落結(jié)構(gòu)的變化Tab.2 Changes of phytoplankton community structure in cocultures with different treatment

圖1 不同處理共培養(yǎng)中浮游植物細(xì)胞豐度的變化Fig. 1 Changes of phytoplankton cell abundance in cocultures with different treatment

2.3 滸苔鮮組織對浮游植物優(yōu)勢種的影響

在共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)期間, 浮游植物優(yōu)勢種豐度, 在實(shí)驗(yàn)組和對照組之間也表現(xiàn)出不同的變化趨勢。利瑪原甲藻細(xì)胞豐度在共培養(yǎng)期間先升高后降低(圖2),高添加組實(shí)驗(yàn)期間平均細(xì)胞豐度為(6.76±3.61)×105個/L, 顯著高于對照組平均豐度(P＜0.05), 在第 3天更是高達(dá)對照組豐度的98.7倍。長菱形藻在培養(yǎng)期間, 對照組細(xì)胞豐度表現(xiàn)出逐步升高的趨勢, 而在實(shí)驗(yàn)組長菱形藻的生長受到滸苔明顯的抑制, 在 3個不同的滸苔添加組細(xì)胞豐度顯著降低(P＜0.05),降幅都在 95%以上, 高添加組的平均細(xì)胞豐度只有(0.08±0.01)×105個/L, 在第 10天細(xì)胞豐度更是低至對照組的0.38%?；顒育X狀藻在共培養(yǎng)期間細(xì)胞豐度一直保持升高的趨勢, 高添加組平均細(xì)胞豐度顯著低于對照組平均豐度(P＜0.05), 在第3天只有對照組豐度的4.2%。新月柱鞘藻的生長也受到了滸苔明顯的抑制, 在 3個不同的添加組細(xì)胞豐度顯著降低(P＜0.05), 高添加組的細(xì)胞豐度降幅達(dá)到 96.1%, 在第10天只有對照組的0.99%。

2.4 滸苔鮮組織對物種豐度組成的影響

在共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)期間, 浮游植物物種細(xì)胞豐度的百分比組成出現(xiàn)了較大的改變(圖 3)。對照組中, 利瑪原甲藻豐度比例由實(shí)驗(yàn)初始的 75.3%逐漸降低到 0.67%,而長菱形藻豐度比例則由實(shí)驗(yàn)初始的4.4%逐漸增加到71.4%。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時, 利瑪原甲藻豐度比例在低、中、高3個滸苔添加組分別降低到13.8%、30.5%和44.4%;長菱形藻豐度比例在實(shí)驗(yàn)組沒有明顯的變化; 活動齒狀藻豐度比例明顯增加, 在低、中、高3個實(shí)驗(yàn)組的第10天分別達(dá)到了68.1%、55.7%和21.8%。

2.5 滸苔鮮組織對物種多樣性的影響

在整個共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)期間, 滸苔添加也影響到了浮游植物群落的多樣性水平(圖4)。物種豐富度在滸苔高添加組平均為 0.54±0.06, 較對照組顯著降低(P＜0.05)。物種多樣性和物種均勻度的實(shí)驗(yàn)期間平均水平, 在實(shí)驗(yàn)組和對照組之間沒有顯著的變化, 但是從共培養(yǎng)的第2天到第6天, 實(shí)驗(yàn)組的物種多樣性和物種均勻度皆出現(xiàn)了顯著的降低。在第3天, 高添加組的物種多樣性和物種均勻度水平分別只有對照組的4.4%和4.6%。

3 討論

圖2 不同處理共培養(yǎng)中浮游植物優(yōu)勢種豐度的變化Fig. 2 Cell abundance changes of predominant phytoplankton species in cocultures with different treatment

本研究實(shí)驗(yàn)期間, 每天向共培養(yǎng)體系中補(bǔ)充營養(yǎng)液, 并且去除了捕食者的攝食壓力, 這使得對照組浮游植物細(xì)胞豐度處于良好的指數(shù)增長狀態(tài)。但是滸苔添加組的浮游植物豐度卻表現(xiàn)出了先升高后降低的現(xiàn)象。甲藻豐度在共培養(yǎng)前3天迅速增加, 而后出現(xiàn)回落, 且主要為優(yōu)勢種利瑪原甲藻所控制。從培養(yǎng)條件來看, 光照和溫度處于受控狀態(tài), 且 f/2培養(yǎng)液對于原甲藻生長屬于富營養(yǎng)化的狀態(tài)[19], 因此原因可能是實(shí)驗(yàn)組前 3天 pH較低的培養(yǎng)液環(huán)境所致(圖 5)。已有資料顯示[20-22], 甲藻對 pH的變化極其敏感, 適宜的pH范圍很小, 在7.5～8.0有較高的生長速率。在滸苔與浮游植物群落共培養(yǎng)期間, 3個實(shí)驗(yàn)組的滸苔濕質(zhì)量生物量呈現(xiàn)下降的趨勢, 平均相對增長率的結(jié)果也表明實(shí)驗(yàn)期間滸苔處于負(fù)增長的狀態(tài)。因培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)所用水體較小, 滸苔藻體的分解會使培養(yǎng)體系的 CO2含量升高, 降低了培養(yǎng)體系的酸堿度, 使甲藻處在了適宜的生長環(huán)境, 導(dǎo)致優(yōu)勢種利瑪原甲藻大量繁殖, 細(xì)胞豐度較對照組顯著升高。

圖3 不同處理共培養(yǎng)中浮游植物細(xì)胞豐度百分比組成的變化Fig. 3 Percentage composition changes of phytoplankton cell abundance in cocultures with different treatment

圖4 不同處理共培養(yǎng)中浮游植物多樣性的變化Fig. 4 Changes of phytoplankton diversity in cocultures with different treatment

共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 滸苔通過影響浮游植物優(yōu)勢種的生長和演替, 改變了浮游植物的群落結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)組的硅甲藻比在整個培養(yǎng)期間一直處于較低的水平,硅藻始終沒有占到絕對的優(yōu)勢。滸苔添加組的物種豐富度和多樣性水平, 在培養(yǎng)開始后的第2～6天, 處在較低的水平, 這表明滸苔的存在使得浮游植物優(yōu)勢種組成趨于單一, 多樣性程度大為降低, 不利于維持健康穩(wěn)定的群落結(jié)構(gòu)。在自然海域, 滸苔的過量繁殖形成“綠潮”, 導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變和生物多樣性的喪失[3,23], 也給近海的生態(tài)環(huán)境帶來了有害的影響。

圖5 不同處理共培養(yǎng)中pH的變化Fig. 5 Changes of pH value in cocultures with different treatment

大型藻與單細(xì)胞浮游植物之間的相互作用, 除了營養(yǎng)競爭(光、營養(yǎng)鹽等)以外, 還存在相生相克作用, 即通過向環(huán)境中釋放化學(xué)物質(zhì), 彼此之間直接或間接地產(chǎn)生有利或有害的現(xiàn)象[6-7,10,24-25]。實(shí)驗(yàn)期間, 硅藻豐度略有升高后, 即一直處于相比對照組較低的水平, 特別是在培養(yǎng)的中后期這種差異更為明顯。硅藻優(yōu)勢種長菱形藻的細(xì)胞豐度在實(shí)驗(yàn)組有很大程度的降低, 這表明滸苔的存在對硅藻的生長產(chǎn)生了明顯的抑制作用。由于共培養(yǎng)體系在實(shí)驗(yàn)期間一直處于受控的狀態(tài), 而且中后期甲藻豐度逐漸回落, 對硅藻不會產(chǎn)生明顯的營養(yǎng)競爭, 因此推測滸苔鮮組織內(nèi)存在克生物質(zhì), 對單細(xì)胞的硅藻產(chǎn)生了明顯的克生作用。對于水體富營養(yǎng)化程度較高的自然海區(qū), 適宜密度的滸苔可以有效地抑制赤潮藻的過度繁殖, 這在赤潮的生物防治和水域環(huán)境的生態(tài)修復(fù)等方面都有著重要的作用。

[1]Tseng C K. Common seaweeds of China [M]. Beijing:Science Press, 1983.

[2]丁蘭平, 欒日孝. 滸苔(Enteromorpha prolifera)的分類鑒定、生境習(xí)性及分布 [J]. 海洋與湖沼, 2009, 40(1): 68-71.

[3]Fletcher R L. The occurrence of “green tides”: a review[C]//Schramm W, Nienhuis P H. Marine benthic vegetation: recent changes and the effects of eutrophication. Berlin: Springer, 1996: 7-43.

[4]唐啟升, 張曉雯, 葉乃好, 等. 綠潮研究現(xiàn)狀與問題[J]. 中國科學(xué)基金, 2010, 1: 5-9.

[5]周名江, 朱明遠(yuǎn). 我國近海有害赤潮發(fā)生的生態(tài)學(xué)、海洋學(xué)機(jī)制及預(yù)測防治研究進(jìn)展 [J]. 地球科學(xué)進(jìn)展,2006, 21(7): 673-679.

[6]Jin Q, Dong S, Wang C. Allelopathic growth inhibition ofProrocentrum micans(Dinophyta)byUlva pertusaandUlva linza(Chlorophyta)in laboratory cultures [J].European Journal of Phycology, 2005, 40: 31–37.

[7]許妍, 董雙林, 于曉明. 緣管滸苔對赤潮異彎藻的克生效應(yīng) [J]. 生態(tài)學(xué)報, 2005, 25(10): 2681–2685.

[8]張善東, 宋秀賢, 王悠, 等. 大型海藻龍須菜與錐狀斯氏藻間的營養(yǎng)競爭研究 [J]. 海洋與湖沼, 2005,36(6): 556-561.

[9]王蘭剛, 徐姍楠, 何文輝, 等. 海洋大型綠藻條滸苔與微藻三角褐指藻相生相克作用的研究 [J]. 海洋漁業(yè), 2007, 29(2): 103-108.

[10]霍元子, 田千桃, 徐姍楠, 等. 滸苔對米氏凱倫藻生長的克生作用 [J]. 海洋環(huán)境科學(xué), 2010, 29(4): 496-508.

[11]孫穎穎, 劉筱瀟, 王長海. 滸苔提取物對4種赤潮微藻生長的抑制作用 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2010, 31(6): 1662-1669.

[12]張建恒, 霍元子, 王陽陽, 等. 滸苔與球等鞭金藻相互抑制的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 [J]. 上海海洋大學(xué)學(xué)報, 2011,20(2): 211-216.

[13]邱東茹, 吳振斌, 況琪軍, 等. 不同生活型大型植物對浮游植物群落的影響 [J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 1998, 17(6): 22-27.

[14]李宵, 楊宇峰, 陳偉洲. 大型海藻龍須菜對浮游植物群落結(jié)構(gòu)影響的實(shí)驗(yàn)研究 [J]. 生態(tài)科學(xué), 2009, 28(2): 102-106.

[15]Guillard R R L, Ryther J H. Studies on marine planktonic diatoms. I.Cyclotella nanaHustedt andDetonula confervaceae(Cleve)Gran [J]. Canadian Journal of Microbiology, 1961, 8: 229-239.

[16]Tomas C R. Identifying marine phytoplankton [M]. San Diego: Academic Press, 1997.

[17]李瑞香, 吳曉文, 韋欽勝, 等. 不同營養(yǎng)條件下滸苔的生長 [J]. 海洋科學(xué)進(jìn)展, 2009, 27(2): 211-216.

[18]孫軍, 劉東艷. 多樣性指數(shù)在海洋浮游植物研究中的應(yīng)用 [J]. 海洋學(xué)報, 2004, 26(1): 62-75.

[19]張淑雯, 歐林堅, 呂頌輝, 等. 光照及營養(yǎng)鹽對3種赤潮甲藻吞噬營養(yǎng)行為的影響 [J]. 海洋科學(xué), 2011, 35(4): 94-99.

[20]Schmidt L E, Hansen P J. Allelopathy in the prymnesiophyteChrysochromulina polylepis: effect of cell concentration, growth phase and pH [J]. Marine Ecology Progress Series, 2001, 216: 67-81.

[21]鄧光, 李夜光, 胡鴻鈞, 等. 溫度、光照和pH值對錐狀斯氏藻和塔瑪亞歷山大藻光合作用的影響及光暗周期對其生長速率和生物量的影響 [J]. 武漢植物學(xué)研究, 2004, 22(2): 129-135.

[22]Hansen P J, Lundholm N, Rost B. Growth limitation in marine red-tide dinoflagellates: effects of pH versus inorganic carbon availability [J]. Marine Ecology Progress Series, 2007, 334: 63-71.

[23]Valiela I, McClelland J, Hauxwell J, et al. Macroalgal blooms in shallow estuaries: Controls and ecophysiological and ecosystem consequences [J]. Limnology and Oceanography, 1997, 42(5): 1105-1118.

[24]Keating K I. Allelopathic influence on blue-green bloom sequence in a eutrophic lake [J]. Science, 1977, 196: 885-887.

[25]俞子文, 孫文浩, 郭克勤, 等. 幾種高等水生植物的克藻效應(yīng) [J]. 水生生物學(xué)報, 1992, 16(1): 1-7.