光照強度對水華微囊藻(Microcystis flos-aquae)群體大小增長的影響*

張艷晴，楊桂軍＊＊，秦伯強，周 健，許慧萍，王 穎，吳雅麗

(1:江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，無錫214122)

(2:中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室，南京210008)

伴隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，大量污染物的產(chǎn)生和排放致使水體富營養(yǎng)化日趨嚴(yán)重.由于水體富營養(yǎng)化，太湖最近每年的5-10月都會出現(xiàn)微囊藻水華，給太湖周邊人們的社會生活和生產(chǎn)造成重大影響和損失［1－2］.盡管眾多學(xué)者對微囊藻水華進行了研究［3－4］，然而，到目前為止微囊藻水華暴發(fā)機理還不清楚.

在自然水體中，微囊藻水華暴發(fā)時，大量微囊藻以群體狀態(tài)漂浮在水體表層［3－5］.微囊藻群體的大小對微囊藻在水體中的遷移速度［6－8］、抗捕食壓力［9］和比表面積有重要的影響.Wu等［10］發(fā)現(xiàn)太湖微囊藻水華暴發(fā)時，因為微囊藻大群體更容易克服水體擾動產(chǎn)生的包裹力，同時微囊藻大群體對太陽輻射的晝夜變化反應(yīng)不敏感，所以無論是有風(fēng)還是無風(fēng)的情況，大于120 μm的微囊藻大群體總是聚集于水體表面.

在野外條件下，微囊藻主要以群體形態(tài)存在［3］，而轉(zhuǎn)入室內(nèi)培養(yǎng)后以單細(xì)胞和雙細(xì)胞形態(tài)為主［11－12］.微囊藻單細(xì)胞如何轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒛以迦后w這一問題引起了很多關(guān)注.有研究顯示，很多因素都可以誘導(dǎo)微囊藻單細(xì)胞形成微囊藻群體，包括生物因子，如鞭毛蟲的攝食［3，13－15］、后生浮游動物攝食［16］、異養(yǎng)菌的誘導(dǎo)作用［17］;化學(xué)因子，如微囊藻毒素［18］;物理因子，如高光照強度［19］.盡管有關(guān)微囊藻單細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒛以迦后w的研究已經(jīng)取得了很多進展，然而到目前為止，其機理還不是很清楚.

微囊藻大群體都是由微囊藻小群體生長而來.影響微囊藻群體生長的因素有很多，包括營養(yǎng)鹽、光照、溫度等.光照是影響藻類生長最重要的生態(tài)因子之一［20－21］.有關(guān)光照強度對微囊藻生長的影響，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量研究［22－26］，但這些研究都是探討光照強度對微囊藻單細(xì)胞生長的影響，有關(guān)光照強度對微囊藻群體大小增長的研究國內(nèi)外未見報道.水華微囊藻(Microcystis flos-aquae)是太湖微囊藻水華的優(yōu)勢種之一［27］.本研究以水華微囊藻為研究對象，通過設(shè)置不同的光照強度和模擬野外變化光照強度，探討各光強強度以及變化光照強度對水華微囊藻群體大小增長的影響，有助于了解太湖微囊藻水華暴發(fā)機理.

1 材料與方法

實驗藻種水華微囊藻1028購于中國科學(xué)院水生生物研究所，藻種培養(yǎng)在1.5 L錐形瓶中，培養(yǎng)基為BG－11［28－29］，培養(yǎng)溫度 25℃，光暗比 12 h ∶12 h.藻種在 BG－11 培養(yǎng)基中培養(yǎng)一段時間后，藻種中含有一定量的水華微囊藻單細(xì)胞、雙細(xì)胞以及小群體后開始正式實驗(藻種中含22.1%小群體，平均大小為3.8 cells/群體).分別取10 ml藻液加入250 ml錐形瓶中，用TN=10 mg/L、TP=0.5 mg/L的BG－11培養(yǎng)基定容至100 ml.以上操作均在無菌操作臺中進行.使用多個光照培養(yǎng)箱，將光照強度設(shè)置到實驗要求強度，然后將錐形瓶放入培養(yǎng)箱中，培養(yǎng)溫度設(shè)置為25℃，光暗比為12 h∶12 h.本實驗共設(shè)置5個不同光強處理組:G1:2000 lx、G2:4000 lx、G3:8000 lx、G4:16000 lx、G5:變化光強，具體見表1.

表1 實驗中5個處理組的不同光強設(shè)置Tab.1 Different light intensities in five treatments in this experiment

實驗用水華微囊藻1028按上述培養(yǎng)條件培養(yǎng)21 d，每天搖1次.每3天采樣1次，采用顯微鏡(尼康E200)記數(shù)藻細(xì)胞密度和群體大小.對于野外緊密型的微囊藻群體，通常直接測定群體的直徑來表示群體大小.但在室內(nèi)培養(yǎng)下的微囊藻群體呈現(xiàn)較松散的立體空間結(jié)構(gòu)，且群體沒有一定的固定形態(tài)，使用通常的直徑測定大小誤差較大.為避免這樣的誤差，本實驗通過測定單個群體的細(xì)胞數(shù)來表示群體的大小.為便于表達(dá)，本研究選取了單細(xì)胞、雙細(xì)胞、3～10細(xì)胞群體、10～100細(xì)胞群體以及100+細(xì)胞(＞100細(xì)胞)群體進行計數(shù)［30］.細(xì)胞計數(shù)時要求單細(xì)胞、雙細(xì)胞至少取100個視野;測定群體大小時至少測定50個群體，然后取平均值.另外，溶解性胞外多糖(sEPS)和固著性胞外多糖(bEPS)含量均采用蒽酮硫酸法［31］測定.取每個培養(yǎng)瓶中的中上層藻液10 ml，12000轉(zhuǎn)/min離心15 min后，取出上清液，放入25 ml比色管中，用0.45 μm濾膜過濾，用于測定溶解性胞外多糖含量.上述離心獲得的藻團加去離子水搖勻至10 ml，加NaOH調(diào)節(jié)pH為10，置于45℃溫水水浴提取4 h，然后進行離心，取上清液用0.45 μm濾膜過濾，用于測定固著性胞外多糖含量.把所獲得的多糖各取出1 ml，加入4 ml蒽酮溶液，沸水水浴10 min，冷卻后在620 nm處比色.總胞外多糖(tEPS)含量為溶解性胞外多糖含量和固著性胞外多糖含量的總和.

2 統(tǒng)計分析

不同處理組的微囊藻群體大小和密度(包括單細(xì)胞、雙細(xì)胞、3～10細(xì)胞群體、10～100細(xì)胞群體以及100+細(xì)胞群體)差異采用單因素方差進行統(tǒng)計分析.所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析都采用SPSS 18.0軟件進行.

3 結(jié)果

3.1 不同光照強度對水華微囊藻群體大小增長的影響

隨著光照強度增強，水華微囊藻群體大小增大，其中變化光照強度組水華微囊藻形成的群體比低光強組G1、G2和G3都要大(圖1).每個光照強度處理下均有大于100細(xì)胞的群體出現(xiàn)，隨著光照強度增大，大于100細(xì)胞群體的平均大小增大.光照強度為16000 lx的處理組大于100細(xì)胞的群體最大，平均細(xì)胞數(shù)達(dá)到763 cells/群體，光照強度為2000、4000、80000 lx處理組的大于100細(xì)胞的群體平均細(xì)胞數(shù)分別為255、480和630 cells/群體，模擬野外變化光照強度處理組的大于100細(xì)胞的群體平均細(xì)胞數(shù)為662 cells/群體.統(tǒng)計分析顯示，對于大于100細(xì)胞群體，各光照強度處理組之間均有顯著差異(P＜0.05).其中，G1、G2、G4和G5組有極顯著差異(P＜0.01).所有光照強度處理組中10～100細(xì)胞的群體差別不大，G1～G5組10～100細(xì)胞的群體的平均細(xì)胞數(shù)分別為 40、42、43、46 和47.G1、G3、G4 和 G5 組有顯著差異(P ＜0.01)，G1、G2 和 G3組差異不顯著(P＞0.05)，G4和G5組也沒有顯著差異(P＞0.05)(圖2).

圖1 不同光照強度處理組微囊藻群體大小的比較Fig.1 Contrast on the size of M.flos-aquae colonies of different light intensity treatments during the experiment

隨著光照強度的增加和實驗時間的增長，每個處理組中微囊藻的群體都在增大.實驗第21 d，各處理組中，光強對大于100細(xì)胞的群體大小的影響最為明顯，G1組大于100細(xì)胞的群體大小由150 cells/群體增大到380 cells/群體;G2組大于100細(xì)胞的群體大小由150 cells/群體增大到650 cells/群體;G3組大于100細(xì)胞的群體大小由150 cells/群體增大到850 cells/群體;G4組大于100細(xì)胞的群體大小由150 cells/群體增大到900 cells/群體;G5組大于100細(xì)胞的群體大小由150 cells/群體增大到800 cells/群體(圖3).方差分析顯示所有處理組之間大于100細(xì)胞的群體大小均有顯著差異(P＜0.01)，這說明光照強度對于微囊藻大于100細(xì)胞的群體大小影響較大.

圖2 不同光照強度處理組微囊藻群體的平均大小Fig.2 The mean colony size of M.flos-aquae in the different light intensity treatments during the experiment

圖3 不同光照強度處理組微囊藻群體大小隨時間的變化Fig.3 The size changes of M.flos-aquae colonies in different light intensity treatments during the experiment

3.2 不同光強對水華微囊藻藻密度的影響

G5組(模擬野外變化光照強度)水華微囊藻密度最高，其它處理組隨著光照強度增大，水華微囊藻的密度也有所增加(圖4).這一結(jié)果表明，變化光照強度比恒定光強更有利于水華微囊藻的生長.所有處理組中10～100細(xì)胞群體和大于100細(xì)胞群體的藻密度均占總藻密度的絕大部分(圖4、圖5).結(jié)果表明在含有水華微囊藻單細(xì)胞、雙細(xì)胞和群體的混合體中，大的微囊藻群體在競爭光照中都處于有利地位.

3.3 胞外多糖的含量與微囊藻群體大小的關(guān)系

G1、G2、G3、G4 和 G5 處理組水華微囊藻胞外多糖的含量分別為 0.014、0.018、0.037、0.038 和 0.036 mg/L，隨著光照強度的增強，微囊藻胞外多糖的含量也隨之增加.單個細(xì)胞的胞外多糖含量分析結(jié)果也同樣證實了這一結(jié)論，G1、G2、G3、G4 和 G5 單細(xì)胞胞外多糖的含量分別為 2.829 ×10－9、3.443 ×10－9、5.169 ×10－9、5.332 ×10－9和4.863 ×10－9mg/cell.統(tǒng)計分析顯示，G1、G2 分別與 G3、G4、G5 之間胞外多糖濃度有顯著差異(P＜0.05).對不同處理組單細(xì)胞胞外多糖含量的顯著性差異分析結(jié)果同樣顯示，G1、G2分別與G3、G4、G5 之間有顯著性差異(P ＜0.05).G1 與 G2之間無顯著性差異(P＞0.05)，G3、G4和 G5之間也無顯著性差異(P＞0.05).結(jié)果表明低光照強度與高光照強度對水華微囊藻群體胞外多糖含量及單細(xì)胞胞外多糖含量的影響均有顯著差異，而低光照組之間和高光照組之間沒有顯著差異.

圖4 不同光強處理組水華微囊藻的平均密度Fig.4 The mean density of different units of M.flos-aquae in the different light intensity treatments during the experiment

4 討論

本研究表明低光照強度不利于太湖水華微囊藻群體大小的增長，變化光照強度和高光照強度有利于太湖水華微囊藻群體大小增長.研究證實，環(huán)境的變化幾乎會對所有有機體的顯型產(chǎn)生影響［32－33］，微囊藻細(xì)胞同樣具有表型可塑性，微囊藻細(xì)胞聚集成群體的現(xiàn)象可能是微囊藻應(yīng)對外界環(huán)境改變的一種方式.藻類群體中各細(xì)胞的聚集主要依靠的是具有粘性的胞外多聚糖，因此，浮游植物群體的形成與胞外多聚糖的含量有著直接的關(guān)系［34－38］.楊桂軍［39］研究發(fā)現(xiàn)銅綠微囊藻群體形成后胞外多聚糖要顯著多于單細(xì)胞胞外多聚糖.張民等［40］研究也發(fā)現(xiàn)群體微囊藻比單細(xì)胞微囊藻具有更多的胞外多聚糖.大量研究表明，細(xì)胞胞外多糖的分泌與生物和非生物因子(如:光照、營養(yǎng)鹽和溫度等)有重要關(guān)系.楊州等［13］研究發(fā)現(xiàn)原生動物的強牧食壓力下銅綠微囊藻胞外多聚糖分泌量明顯增加.魚腥藻的胞外多聚糖的釋放受到溫度的影響［41］.de Philippis等［35］研究發(fā)現(xiàn)N限制條件下能促進藍(lán)藻體內(nèi)胞外多糖的合成，而在P饑餓或P缺乏時，一些藻類的多聚糖含量也會升高［42－43］.

光照強度是影響藻類胞外多糖分泌的重要因素之一.Friedman等［20］研究光強對海水紫球藻(Porphyridium sp.)和淡水銅綠紫球藻(Porphyridium aerugineum)多聚糖生產(chǎn)的影響時發(fā)現(xiàn)，銅綠紫球藻的多聚糖含量隨著光強的增加而增加.Moreno等［41］發(fā)現(xiàn)魚腥藻(Anabaena sp.ATCC 33047)胞外多聚糖的含量在一定的光照強度范圍內(nèi)隨著光強的增加而增加.Otero等［44］在研究氮源和光強對3種株系的念珠藻(Nostoc sp.)胞外多聚糖合成的影響時發(fā)現(xiàn)，高光強能全面提高藻類胞外多聚糖的合成.施軍瓊等［45］在研究環(huán)境因子對銅綠微囊藻PCC 7820胞外多糖的影響時發(fā)現(xiàn)，較高的pH和光強均顯著提高胞外多糖的合成.本研究結(jié)果也顯示隨著光照強度增強，水華微囊藻胞外多糖含量也增加;高光強處理組的胞外多糖含量明顯高于低光強處理組.胞外多糖含量增加有利于水華微囊藻細(xì)胞的聚集，這可能也是本實驗中水華微囊藻群體尤其是大于100細(xì)胞群體隨著光照強度的增強而增大的原因.

研究表明太湖藍(lán)藻水華尤其是微囊藻水華主要發(fā)生在5-10月之間［1］，其中，水華微囊藻是太湖微囊藻水華優(yōu)勢種之一.影響太湖微囊藻水華形成的因素很多，包括水溫、營養(yǎng)鹽、光照、生物因素等［46］.其中，光照是影響微囊藻水華的重要因素之一.與室內(nèi)光照不同的是，太湖夏季野外光照強度是變化的，從早晨的弱光強到中午光強達(dá)到最高值，隨后下午光強又逐漸變?nèi)?研究發(fā)現(xiàn)太湖湖面光強最高可達(dá)10000～70000 lx之間［47］，但隨著深度變大，光強會逐漸減弱.有研究顯示群體微囊藻比單細(xì)胞微囊藻具有更強的光合作用能力和耐受高光強的能力［14］.本實驗也發(fā)現(xiàn)高光強和變化光照強度有利于水華微囊藻群體大小的增長，而低光強不利于水華微囊藻群體大小的增長.太湖夏季的高光強和變化光照強度有利于水華微囊藻群體大小增大，大的微囊藻群體更容易漂浮聚集于水體表面，從而形成微囊藻水華.本研究結(jié)果解釋了太湖夏季野外變化光照強度和高光照強度有利于微囊藻水華形成的原因.

圖5 不同光強處理組水華微囊藻藻密度隨時間的變化Fig.5 The density variation of M.flos-aquae in the different light intensity treatments during the experiment

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