光照強(qiáng)度對(duì)浮游植物豐度及吸收鐵的影響1)

于洪賢 張瑩瑩 馬成學(xué) 鞠永富

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

光照強(qiáng)度對(duì)浮游植物豐度及吸收鐵的影響1)

于洪賢 張瑩瑩 馬成學(xué) 鞠永富

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

在小興凱湖采集水樣，濾掉浮游動(dòng)物，對(duì)浮游植物進(jìn)行為期12 d的實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)。試驗(yàn)設(shè)置了4個(gè)光照梯度和5個(gè)Fe濃度，分別進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明：隨著Fe濃度的增加，浮游植物對(duì)Fe的吸收量也相應(yīng)的增加。在低光照強(qiáng)度下，浮游植物對(duì)Fe的吸收規(guī)律不明顯。在光強(qiáng)為4 000 lx時(shí)，浮游植物吸收Fe量為0的培養(yǎng)瓶中浮游植物豐度降低了63.6 ind·L-1。在光強(qiáng)為8 000 lx條件下，浮游植物豐度與吸收Fe量呈正相關(guān)關(guān)系。在光強(qiáng)為12 000 lx時(shí)，吸收Fe量為0.091 mg·L-1的培養(yǎng)瓶中浮游植物豐度增加了2 791.2 ind·L-1，說(shuō)明了光照強(qiáng)度對(duì)藻類生長(zhǎng)的限制作用明顯高于培養(yǎng)液中營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)藻類生長(zhǎng)的限制作用。

光照強(qiáng)度；浮游植物；豐度；吸收鐵；小興凱湖

淡水浮游植物是引發(fā)水華的主要生物類型，水華不僅破壞水域的正常生態(tài)系統(tǒng)，而且直接危及水產(chǎn)養(yǎng)殖和漁業(yè)資源。因此，探究引發(fā)水華的原因和尋找治理水華的途徑是非常必要的。通過(guò)研究光照強(qiáng)度與藻細(xì)胞密度和葉綠素含量間，以及光照強(qiáng)度與光合作用之間的關(guān)系[1-2]，證實(shí)了光照強(qiáng)度是控制藻類生長(zhǎng)的主要因素之一。在自然條件下，光照強(qiáng)度的改變?cè)诤艽蟪潭壬峡梢愿淖冊(cè)宓姆N類組成[3]。鐵在藻細(xì)胞的呼吸作用、光合作用、氮的固定和許多酶觸反應(yīng)過(guò)程中都起著關(guān)鍵的作用[4-6]。當(dāng)浮游植物缺鐵時(shí)，葉綠素?cái)?shù)量減少，細(xì)胞體積變小，藻細(xì)胞內(nèi)微量元素的成分也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生改變。浮游植物對(duì)可利用鐵的需求除了受遺傳因素的影響外還受環(huán)境的影響。同時(shí)，在光限制條件下，F(xiàn)e的利用效率會(huì)降低，主要原因是由于捕光色素的含量有了較大的提高。本研究以小興凱湖水樣作為研究對(duì)象，通過(guò)模擬光照強(qiáng)度，研究藻類在不同光照強(qiáng)度下的生長(zhǎng)情況，探索光照強(qiáng)度對(duì)藻類吸收Fe的影響，從而為小興凱湖水域保護(hù)提供有利的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣地點(diǎn)

2013年5月選擇小興凱湖管理委員會(huì)樣點(diǎn)水樣作為試驗(yàn)水樣，分別采取等量的上、中、下3個(gè)水層的水樣混合，用13號(hào)浮游生物網(wǎng)過(guò)濾除去浮游動(dòng)物。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前，首先對(duì)試驗(yàn)藻種進(jìn)行了預(yù)培養(yǎng)，當(dāng)藻細(xì)胞進(jìn)入指數(shù)生長(zhǎng)期后開始進(jìn)行分裝。將500 mL的等量水樣分裝于消毒過(guò)的三角燒瓶中，并放置在ZGX-258C型智能光照培養(yǎng)箱中。以日光燈為光源，設(shè)置不同光照強(qiáng)度并用TES1330照度計(jì)測(cè)定光強(qiáng)。因三角燒瓶透明，用照度計(jì)分別測(cè)定三角燒瓶?jī)?nèi)外光照強(qiáng)度無(wú)變化，可以忽略三角燒瓶擋光的影響。光照條件分別設(shè)置為1 000、4 000、8 000、12 000 lx。每個(gè)光照條件下分別加入鐵螯合劑(Fe-EDTA)，濃度分別為3、5、7、9 μmol·L-1。每個(gè)光照條件下設(shè)置一組不加鐵的樣品進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。調(diào)控溫度與現(xiàn)場(chǎng)水溫相同(22±1)℃，光暗比為12∶12，分別在培養(yǎng)期的第1天和第12天測(cè)定培養(yǎng)液中Fe質(zhì)量濃度、鑒定浮游植物并計(jì)算細(xì)胞豐度。

1.3 浮游植物定性、定量分析與Fe質(zhì)量濃度測(cè)定

藻細(xì)胞計(jì)數(shù)：取樣前晃動(dòng)錐形瓶使藻細(xì)胞均勻分布，然后用移液管吸取50 mL放置在塑料瓶中，再加入適量的魯哥氏液固定藻細(xì)胞。再把50 mL已固定的水樣放入型號(hào)GT10-1離心機(jī)中離心，1 000 r·min-1離心10 min。吸出上層清液49 mL，留取1 mL。再用膠頭滴管吸取0.1 mL樣品放在浮游植物計(jì)數(shù)框中，加蓋玻片，在16×40倍OLYMPUS倒置顯微鏡下觀察計(jì)數(shù)[7]。

Fe質(zhì)量濃度測(cè)定：取10 mL藻細(xì)胞培養(yǎng)液，用混合纖維素濾膜過(guò)濾，用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定培養(yǎng)液中Fe的質(zhì)量濃度。

2 結(jié)果與分析

由表1可以得出，在相同光照條件下隨著培養(yǎng)液中Fe濃度的增加，浮游植物對(duì)Fe的吸收量也隨之增加。在光強(qiáng)為1 000 lx、Fe濃度為9 μmol·L-1的培養(yǎng)瓶中，F(xiàn)e吸收量為0.128 mg·L-1，浮游植物豐度只增加了109.2 ind·L-1。在每個(gè)光照條件下，未加Fe的培養(yǎng)瓶中Fe濃度為小興凱湖本底值(4 μmol·L-1)與其他培養(yǎng)瓶中鐵濃度相比為缺鐵。但在光照強(qiáng)度為1 000 lx、Fe濃度為0 μmol·L-1的培養(yǎng)瓶中，浮游植物豐度竟增長(zhǎng)了242.4 ind·L-1。在光強(qiáng)為4 000 lx、Fe濃度為0 μmol·L-1的培養(yǎng)瓶中，第12天浮游植物豐度下降了63.6 ind/L，F(xiàn)e吸收量為0 mg·L-1。在光強(qiáng)為4 000 lx光強(qiáng)下，5瓶培養(yǎng)液中Fe消耗量的總和高達(dá)0.534 mg·L-1，浮游植物豐度共增加了325.2 ind·L-1。在光強(qiáng)為8 000 lx條件下，浮游植物Fe吸收量明顯高于1 000 lx光強(qiáng)。除在小興凱湖本底值時(shí)浮游植物豐度生長(zhǎng)穩(wěn)定外，浮游植物豐度與Fe吸收量呈正相關(guān)關(guān)系，均隨著Fe吸收量的增加而增加且總豐度值也比1 000 lx和4 000 lx光強(qiáng)下高。在12 000 lx光強(qiáng)下，浮游植物對(duì)Fe的總吸收量達(dá)0.509 mg·L-1，均小于在4 000 lx和8 000 lx光強(qiáng)下的吸收量，但浮游植物總豐度卻增加了3 354 ind·L-1。

表1 小興凱湖浮游植物豐度及其Fe吸收量

3 結(jié)論與討論

本研究通過(guò)設(shè)置4個(gè)光照梯度和5個(gè)Fe濃度的試驗(yàn)，來(lái)研究光照強(qiáng)度對(duì)浮游植物豐度及吸收Fe的影響，結(jié)果表明：①隨著Fe濃度的增加，浮游植物對(duì)Fe的吸收量也相應(yīng)地增加。在低光照條件下，浮游植物豐度與Fe的吸收量間無(wú)規(guī)律。浮游植物對(duì)Fe的吸收量大，但浮游植物的豐度未必增大。②在光強(qiáng)為8 000 lx條件下，浮游植物豐度與Fe吸收量呈正相關(guān)關(guān)系，均隨著Fe吸收量的增加而增加且總豐度值也比1 000 lx和4 000 lx光強(qiáng)下高出很多。說(shuō)明8 000 lx的光照條件是最適宜藻類生長(zhǎng)的。③在光強(qiáng)為12 000 lx條件下，浮游植物對(duì)Fe的吸收量少于8 000 lx和4 000 lx且浮游植物豐度很高，說(shuō)明光照強(qiáng)度對(duì)藻類生長(zhǎng)的限制作用明顯高于培養(yǎng)液中Fe對(duì)藻類生長(zhǎng)的限制作用。

在光強(qiáng)為1 000 lx、Fe濃度為9 μmol·L-1的培養(yǎng)瓶中得到的結(jié)論表明，在低光照條件下，細(xì)胞對(duì)鐵需求的增高是因?yàn)椴豆馍貙?duì)光合作用反應(yīng)中心的比率升高，以及和胞內(nèi)葉綠素含量的增高與含鐵反應(yīng)中心和電子傳遞鏈的增多有關(guān)[8]。這些額外的細(xì)胞內(nèi)的鐵是為了滿足適應(yīng)低光照時(shí)合成光合單位(PSU)的需求[8]。但在光照強(qiáng)度為1 000 lx、Fe濃度為0 μmol·L-1(小興凱湖本底值4 μmol·L-1)的培養(yǎng)瓶中的浮游植物豐度增長(zhǎng)趨勢(shì)可推斷，這可能是由于鐵限制引起藻細(xì)胞中吸收營(yíng)養(yǎng)鹽的機(jī)理發(fā)生一定變化，比如可能加強(qiáng)了對(duì)除鐵的其它營(yíng)養(yǎng)鹽以及微量金屬的更大吸收，或者對(duì)吸收的鐵的利用率加大?？傊?，在光照強(qiáng)度較低的1 000 lx條件下，F(xiàn)e吸收量與浮游植物的豐度關(guān)系規(guī)律不明顯。

在光強(qiáng)為4 000 lx、Fe濃度為0 μmol·L-1(小興凱湖本底值4 μmol·L-1)的培養(yǎng)瓶中，浮游植物豐度培養(yǎng)到第12天時(shí)下降了63.6 ind·L-1，F(xiàn)e吸收量為0 mg·L-1，浮游植物在生長(zhǎng)過(guò)程中得不到Fe微量元素的供應(yīng)而裂解。在光強(qiáng)為4 000 lx下，5瓶培養(yǎng)液中Fe消耗量的總和高達(dá)0.534 mg·L-1，浮游植物豐度共增加了325.2 ind·L-1。這說(shuō)明，光照強(qiáng)度加大，浮游植物對(duì)Fe的吸收量增大，但浮游植物的豐度未必增大。

在光強(qiáng)為8 000 lx條件下，浮游植物Fe吸收量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于1 000 lx，說(shuō)明在自然水體中，有高價(jià)態(tài)Fe(Fe3+)和低價(jià)態(tài)Fe(Fe2+)，高價(jià)態(tài)Fe離子及其絡(luò)合形態(tài)不能直接被藻細(xì)胞利用，需要被還原成低價(jià)態(tài)Fe的生物活性形式才能被藻細(xì)胞所吸收。為了深入了解藻細(xì)胞吸收鐵元素的可能過(guò)程，本研究在模擬試驗(yàn)中施加了Fe鰲合劑EDTA[9-10],這時(shí)培養(yǎng)液中存在復(fù)雜的Fe3+-EDTA和Fe2+-EDTA之間的氧化還原過(guò)程，而光照能夠進(jìn)一步促進(jìn)高價(jià)Fe離子的還原。由此可見，光照強(qiáng)度的增加，不僅有利于藻類的生長(zhǎng)，而且也加速了培養(yǎng)液中三價(jià)Fe還原為二價(jià)Fe的過(guò)程，從而使培養(yǎng)體系中增加的生物可利用性Fe被藻細(xì)胞所消耗。因此，培養(yǎng)液中Fe的消耗量隨光照強(qiáng)度的增加而增加，實(shí)質(zhì)上是由于光照有利于藻類生長(zhǎng)和促進(jìn)三價(jià)Fe還原雙重作用的綜合結(jié)果。

在12 000 lx光強(qiáng)下，浮游植物對(duì)Fe的總吸收量均小于在4 000 lx和8 000 lx光強(qiáng)下的吸收量，但浮游植物總豐度卻有所增加。這說(shuō)明，在高光照條件下藻細(xì)胞對(duì)Fe的吸收量相對(duì)減少，是由于這時(shí)在細(xì)胞膜上Fe還原酶的活性要比在低光照強(qiáng)度時(shí)強(qiáng)得多，因而使Fe的吸收率降低[3]。表明了在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)滿足藻類生長(zhǎng)需要，不存在Fe限制的條件下，光照強(qiáng)度對(duì)藻類生長(zhǎng)的限制作用并不會(huì)因?yàn)橛辛素S富的必需營(yíng)養(yǎng)要素而減弱，進(jìn)一步證明了在自然界，光照強(qiáng)度對(duì)水華藻生長(zhǎng)產(chǎn)生影響的重要性和不可取代性。

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Effect of Light Intensity on the Absorption of Iron and the Phytoplankton Abundance

Yu Hongxian, Zhang Yingying, Ma Chengxue, Ju Yongfu(Northeast Forestry University, Harbin150000, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2015,43(1)：93-95.

We collected water samples, filtered planktonic animal, cultured the phytoplankton in the Small Xingkai Lake for 12 d in the laboratory. We set four light gradients and five different Fe concentrations by comparative experiments. With the increase of Fe concentration, absorption of phytoplankton on Fe increased correspondingly. In low light intensity, the absorption amount of Fe had no regular law. In 4 000 lx of light intensity, the phytoplankton abundance reduced by 63.6 ind/L in 0 of phytoplankton Fe uptake. In 8 000 lx, the phytoplankton abundance was positively correlated with Fe uptake. In 12 000 lx, the phytoplankton abundance increased by 2 791.2 ind/L in 0.091 mg/L of Fe uptake. The light intensity on the restriction of algae growth in nutrient solution culture was more obvious in the algae growth restriction.

Light intensity; Phytoplankton; Abundance; Iron absorption; Small Xingkai Lake

1) 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41271106)；科技部國(guó)家基礎(chǔ)性工作項(xiàng)目(2013FY111800)。

于洪賢，女，1962年1月生，東北林業(yè)大學(xué)野生動(dòng)物資源學(xué)院，教授。E-mail:china.yhx@163.com。

2014年4月29日。

Q17

責(zé)任編輯：程 紅。