在模擬條件下光強對底泥藻類遷移至水柱的影響

周起超李 林熊 倩, 3閃 錕, 3宋立榮

(1. 中國科學院水生生物研究所, 淡水生態(tài)與生物技術國家重點實驗室, 武漢 430072; 2. 云南省環(huán)境科學研究院(中國昆明高原湖泊國際研究中心), 高原湖泊流域污染過程與管理云南省重點實驗室, 昆明 650034; 3.中國科學院大學, 北京 100049)

在模擬條件下光強對底泥藻類遷移至水柱的影響

周起超1, 2李 林1熊 倩1, 3閃 錕1, 3宋立榮1

(1. 中國科學院水生生物研究所, 淡水生態(tài)與生物技術國家重點實驗室, 武漢 430072; 2. 云南省環(huán)境科學研究院(中國昆明高原湖泊國際研究中心), 高原湖泊流域污染過程與管理云南省重點實驗室, 昆明 650034; 3.中國科學院大學, 北京 100049)

發(fā)生于太湖、巢湖、滇池及一些水庫、池塘等水體的藻類水華因其對飲用水安全與景觀的影響而受科學家與大眾普遍關注。水華發(fā)生是物理、化學、生物及藻類自身的綜合作用結果, 基于微囊藻生活史特征[1], 孔繁翔和高光[2]將長江中下游湖泊藍藻水華的發(fā)生過程劃分為休眠、復蘇(底泥藻類恢復活性與生長并向水柱遷移)、生長、上浮和聚集4個階段。底泥是藍藻等藻類休眠與復蘇的重要場所[3], 藍藻等藻類的復蘇或遷移至水柱的過程常受多種環(huán)境因子影響[4—11], 光照被認為是引起藻類從底泥遷移到水柱的重要因素[6, 11]; 然而, 此前的研究主要關注有無光照兩種條件[6, 9], 或對所需光強高低持不同觀點[1, 4], 故而有必要研究底泥藻類向水柱遷移所需的光強大小問題。

同時, 在水華發(fā)生過程中浮游植物組成結構往往會發(fā)生變化, 如太湖梅梁灣中藍藻晚于硅藻、綠藻到夏季才占據(jù)優(yōu)勢[12, 13], 但水柱中藻類演替的種源來自哪里的問題仍難以說明。根據(jù)野外觀測, 太湖底泥中藻類豐度高,水華早期藻類光合活性先于水柱中升高, 底泥中某種藻類的生物量與水柱中亦有一定規(guī)律性, 如底泥中微囊藻減少, 隨之水柱中增多。換言之, 底泥可能為水柱中藻類的演替提供了種源, 不同藻類從底泥遷移至水柱中的順序可能有異, 且不同藻類發(fā)生遷移與否還可能與光強大

小有關[6, 11]。

此外, 水華早期水柱中的藻類生物量有限, 而對水華早期的監(jiān)測對于水華的預警預測尤為重要, 亦即利用一種快速有效的能監(jiān)測水柱藻類生物量及其組成的方法顯得很有必要。傳統(tǒng)的葉綠素測定方法具有快速與重復性好等優(yōu)點, 但其步驟繁瑣、耗時較長[14], 且不能對藻類進行有效分類, 而基于Phyto-PAM的方法或許可行[14, 15]。因此, 本文通過模擬試驗研究了基于 Phyto-PAM 檢測的不同光強對藻類從底泥向水柱遷移及不同藻類的遷移順序的影響, 旨在揭示水華早期光強與底泥藻類遷移至水柱及其提供演替種源的關系。

1 材料與方法

1.1 材料及其預處理

底泥和湖水分別用彼得森采泥器和柱狀有機玻璃采水器于2012年7月采自于太湖竺山灣(31.45° N, 120.03° E)湖底和水面以下 0.5 m處, 鏡檢發(fā)現(xiàn)底泥中含藍藻(微囊藻)、綠藻、硅藻等, 水柱中以微囊藻為主。將底泥于20℃、黑暗條件下處理數(shù)日, 預處理后底泥中藍藻、綠藻、硅藻的光系統(tǒng)Ⅱ最大光化學量子產(chǎn)量(Fv/Fm)分別為 0.03、0.09、0.38。將湖水用GF/C濾膜(Whatman, UK)抽濾備用。1.2 模擬試驗

模擬裝置: 圓柱體, 材料為有機玻璃, 僅下底面封閉,底面內(nèi)徑15 cm、外徑16 cm, 高70 cm。

試驗設計: 將預處理后的底泥充分混勻后注入模擬裝置底部, 高4 cm, 并將經(jīng)GF/C濾膜抽濾的湖水小心注入(墊以泡沫, 不翻動底泥), 約10 L; 為避免水柱表層生長微生物膜, 且為避免對底泥的擾動, 以可調(diào)式水族充氣泵在水柱中部進行持續(xù)充氣; 通過可調(diào)光強節(jié)能燈(20 W、cool daylight, Philips, 中國)使光照垂直入射, 使水面入射光強分別為0、5、30和90 μE/(m2·s)(根據(jù)本過濾湖水實測光強數(shù)據(jù)進行指數(shù)擬合得出的漫射衰減系數(shù)約為 0.893/m, 經(jīng)計算, 實驗開始時各處理組底泥表面的光強分別為0、3.0、18.1和54.3 μE/(m2·s), 光暗比12L︰12D, 在空調(diào)房中控制培養(yǎng)水溫約20 , ℃ 每組設三個平行。本實驗在暗室中開展, 其中無光照組四周及模擬裝置上方均用黑色透氣遮光材料包裹, 且各處理組間均用黑色透氣遮光材料分隔以避免環(huán)境漫射光及各光強條件的相互影響。

1.3 樣品測定

使用YSI Professional Plus多參數(shù)水質(zhì)分析儀(Yellow Springs Instruments, USA)測定水柱水溫、pH、電導率和礦化度, 濁度使用Hach 2100Q(Hach, USA)測定, 因進行通氣培養(yǎng), 故未測定溶解氧濃度; 溶解態(tài)總氮與溶解態(tài)總磷濃度根據(jù)《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》[16]測定。

為提高相對較小體系的葉綠素濃度測定精度且不因取樣量過大而影響培養(yǎng)體系, 利用調(diào)制葉綠素熒光儀Phyto-PAM(Walz, Effeltrich, Germany)分類測定葉綠素熒光活性與生物量[14, 17], 測定前將樣品暗適應10min。在測定過程中, 儀器連接好后開機并打開Phyto Win軟件, 每次測定時在樣品杯中放入樣品 3 mL, 蓋上蓋子后調(diào)節(jié)Gain至最適信號強度。在Setting窗口中設置Meas. Freq. 為2, 切換到Algae窗口; 點擊SAT-Pulse測定Fv/Fm, 并從對應的Blue、Green、Brown下讀取數(shù)據(jù); 在Setting窗口中設置 Meas. Freq.為 32, 切換到 Algae窗口; 點擊Chl[MF32]測定葉綠素濃度, 并從對應的 Blue、Green、Brown下讀取數(shù)據(jù); 因對水樣的鏡檢中并未觀察到其他雜色藻類, 故而可認為本研究中Blue、Green、Brown分別代表藍藻、綠藻、硅藻。

1.4 數(shù)據(jù)分析

非參數(shù)分析Nonparametric Tests-K Independent Samples (Kruskal-Wallis H)由SPSS 16.0完成, P＜0.05表示顯著性。

2 結果

2.1 水體理化參數(shù)

不同光強下水柱中理化參數(shù)如表 1所示, 各參數(shù)均未表現(xiàn)出組間的顯著性差異。

2.2 藻類葉綠素熒光活性

各門藻類 Fv/Fm變化如圖 1所示: 黑暗和低光強[5 μE/(m2·s)]的兩個處理組中, 均未檢測到藍藻、綠藻的值, 且硅藻的值維持在較低水平。藍藻(圖1a), 90 μE/(m2·s)時檢測到活性早于 30 μE/(m2·s), 且隨著培養(yǎng)時間延長其活性逐步升高; 綠藻(圖1b), 90 μE/(m2·s)時檢測到活性早于30 μE/(m2·s); 硅藻(圖1c), 起初90 μE/(m2·s)處理組的活性高于30 μE/(m2·s), 24d后反之。

2.3 藻類葉綠素相對含量

當入射光強小于或等于 5 μE/(m2·s)時, 均未檢測到藍藻和綠藻, 硅藻生物量維持較低水平, 硅藻葉綠素相對濃度均小于2.0 μg/L (圖2a、b); 當入射光強達到30 μE/(m2·s) 時, 水柱中第24天出現(xiàn)綠藻、第36天出現(xiàn)藍藻(圖2c); 當入射光強為90 μE/m2·s時, 水柱中第9天出現(xiàn)綠藻、第18天出現(xiàn)藍藻(圖2d)。30、90 μE/(m2·s)光強下, 藻類生物量的明顯降低或與水柱中觀察到的浮游動物出現(xiàn)(主要為Daphina spp.)及其捕食作用有關。

表1 不同光強下水柱理化參數(shù)Tab. 1 Parameters of water column under different light intensity

圖1 水柱中藻類Fv/Fm變化Fig. 1 Variation of Fv/Fmin water column during the experiment

圖2 水柱中藻類葉綠素a相對含量及其組成變化Fig. 2 Variation of relative Chl.a concentration and composition of algae in water column during the experiment

3 討論

無論是純種的藍藻、綠藻或硅藻, 還是其混合樣品, Phyto-PAM 測定葉綠素的方法與傳統(tǒng)方法均有很好的線性關系[15], 且該方法應用于自然水體進行浮游植物分類測定的靈敏度、精密度與準確度較好[14]。在本研究中, 雖不是以傳統(tǒng)方法測定的葉綠素濃度與藻類組成為表征參數(shù), 但 Phyto-PAM 測定的相對含量并不影響分析光強對底泥藻類遷移至水柱的影響, 如水柱中不同門藻類從無到有的現(xiàn)象。

Karlsson-Elfgren等[6]認為光照和溫度是促進藍藻Gloeotrichia echinulata萌發(fā)的最重要因子, 也有人認為底泥擾動及被動懸浮比光照和溫度對藻類復蘇的影響更大[9, 18]; 藍藻水華的發(fā)生亦會隨著溫度、日照時長與總輻射的增加以及風速的減小而提前[19], 增加營養(yǎng)鹽對復蘇的生物量亦有貢獻[10]。本研究設置的 20℃被認為是底泥藻類生長與復蘇的適宜溫度[10, 20], 溶解態(tài)氮磷濃度較高且不具組間顯著性差異(或與底泥釋放有關); 其他理化因子亦不具組間顯著性差異; 因而, 各處理組間的差異可認為是由光強引起的。

光照能引起底泥藻類向水柱遷移[11], 有人認為低光強是引起復蘇的條件之一[4], 也有人認為相比黑暗或低光強, 光照與相對高的光強更利于收集泥水界面的群體微囊藻[1], 李闊宇等[20]發(fā)現(xiàn)光強為 30 μE/(m2·s) 時(其試驗所設的最高入射光強)更利于底泥藻類的生長與向水柱中遷移, 本研究的結果與微囊藻復蘇及向水柱中遷移更易發(fā)生于淺水區(qū)的現(xiàn)象吻合[11, 18, 21], 即不考慮風浪對底泥的再懸浮等作用對光衰減系數(shù)的影響, 淺水區(qū)入射至底泥表層的光強高于深水區(qū), 即使淺水區(qū)域的藻類復蘇亦可歸于光強與風浪的聯(lián)合作用[22]。本研究初始底泥中的硅藻光合活性明顯高于綠藻和藍藻, 且黑暗與低光強處理組水柱中仍可檢測到一定的硅藻, 或是因為黑暗條件下藻類可通過調(diào)節(jié)浮力上浮[23], 如有些硅藻可通過調(diào)節(jié)細胞內(nèi)脂質(zhì)成分進而調(diào)節(jié)浮力, 還可能與被動懸浮有關[9], 而光照與底泥懸浮對復蘇的影響有累積效果[24]。

盡管有時并不能在底泥中檢測到發(fā)生水華的藍藻[25],且底泥藻類對水柱中藻類生物量與水華程度的貢獻大小方面有不同觀點[10, 26, 27], 但底泥為水柱中藻類提供種源是毋庸置疑的。Cao等[28]對太湖梅梁灣藻類復蘇情況的研究表明, 3—5月份的前四周綠藻與總浮游植物復蘇量高于藍藻, 第 5周開始轉變?yōu)樗{藻復蘇加快且其占浮游植物總復蘇量的比例逐漸升高; 張曉峰等[3]的研究亦表明綠藻的復蘇最大量要早于藍藻。雖然藍藻復蘇晚于硅藻和綠藻的時間差異被認為與溫度的逐漸升高有關[29], 但本研究中各處理組的差異主要為光照強度, 較高光強的兩個試驗組均表現(xiàn)出硅藻先于綠藻先于藍藻遷移至水柱的現(xiàn)象, 且入射光強更高的組別綠藻與藍藻光合活性于更早時間表現(xiàn)出升高趨勢且被檢測到的時間更早, 說明光強對不同藻類從底泥中遷移至水柱的時間與順序均有重要影響。

相比真核的綠藻與硅藻, 藍藻更耐低光強[30], 其中硅藻在 14—20℃時對高光強的抵抗能力最強[30], 多地水華的優(yōu)勢種銅綠微囊藻顯示出對“微光”的適應性要強于“低光”[31]; 20℃時, 若光照減弱(黑暗)可導致藍藻的細胞鎮(zhèn)重物降低與偽空胞增多, 進而引起藍藻上浮[23]。在本研究中, 可能是因為硅藻、綠藻上浮至水柱中生長后形成了一定的遮蔽效果, 并為藍藻的上浮與生長創(chuàng)造了相對較低的光強條件。然而, 入射光強越高, 綠藻、藍藻出現(xiàn)的時間越提前, 可能是相對更耐高光強的硅藻、綠藻先后上浮于水柱中生長后, 并一定程度上為在底泥中完成生活史部分階段的浮游動物進入水柱(試驗期間觀察到浮游動物進入水柱的現(xiàn)象, 數(shù)據(jù)未顯示)提供了食物, 進而對底泥產(chǎn)生一定的生物擾動作用而使藍藻遷移至水柱[32]。

4 結論

底泥中的硅藻是否會遷移至水柱與光強大小無關;入射光強達30 μE/(m2·s)[底泥表面的初始光強為18.1 μE/ (m2·s)]及以上時, 底泥中的綠藻、藍藻先后遷移至水柱,且水柱中出現(xiàn)綠藻、藍藻的時間隨光強的升高而提前; 該遷移現(xiàn)象應是光照(光強)與生物擾動共同作用的結果, 并可為水柱中浮游植物的群落演替提供種源。

致謝:

感謝長江流域水環(huán)境監(jiān)測中心提供儀器使用。

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IMPACTS OF LIGHT INTENSITY ON ALGAL MIGRATION FROM SEDIMENT TO WATER COLUMN UNDER SIMULATED CONDITIONS

ZHOU Qi-Chao1, 2, LI Lin1, XIONG Qian1, 3, SHAN Kun1, 3and SONG Li-Rong1
(1. State Key Laboratory of Freshwater Ecology and Biotechnology, Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072, China; 2. Yunnan Key Laboratory of Pollution Process and Management of Plateau Lake – watershed, Yunnan Institute of Environmental Science (Kunming China International Research Center for Plateau Lake), Kunming 650034, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

光強; 藻類水華; 底泥; 遷移; 演替

Light intensity; Algal blooms; Sediment; Migration; Succession

Q178.1

A

1000-3207(2015)04-0845-05

10.7541/2015.111

2014-09-23;

2015-02-03

國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目(No.2008CB418000); 國家水體污染控制與治理科技重大專項(No.2013ZX07102-005)資助

周起超(1985—), 男, 浙江松陽人; 博士; 主要從事藻類生理生態(tài)學與湖泊生態(tài)環(huán)境研究。E-mail: qchzhou@gmail.com

宋立榮, E-mail: lrsong@ihb.ac.cn