不同營養(yǎng)條件下銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa)和小球藻(Chlorella vulgaris)的生長競爭行為*

張晶晶　周　進(jìn)　張懷瑾　汪　翔　宋俊廷　蔡中華①

(1. 清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院　北京　100084; 2. 清華大學(xué)深圳研究生院　深圳　518055)

有害藻華是全球面臨的三大水生生態(tài)環(huán)境問題之一(Paerl,2014)。我國是世界上藍(lán)藻水華暴發(fā)最嚴(yán)重、分布最廣泛且藍(lán)藻種類最多的國家之一(吳慶龍等,2008),太湖、巢湖、滇池、洱海等內(nèi)陸湖泊是藍(lán)藻藻華的高頻發(fā)生區(qū)(王丹等,2013)。藻華的頻繁出現(xiàn)對水體生態(tài)健康都構(gòu)成巨大威脅,也對生態(tài)景觀和人類生活帶來潛在風(fēng)險(xiǎn)(陳楠,2015)。以內(nèi)陸四大淡水湖泊為例,藍(lán)藻藻華災(zāi)害不僅導(dǎo)致周邊城市嚴(yán)重的供水危機(jī)(陳衛(wèi)民等,2010; Yuet al,2014); 而且藻毒素經(jīng)食物鏈傳遞積累于水產(chǎn)品中,對公眾健康構(gòu)成威脅(例如誘發(fā)人體肝臟腫瘤和性腺功能障礙)(Liet al,2014)。藻華事件一直是學(xué)者、公眾和社會共同關(guān)心的議題(Paerl,2014)。

過去30年里圍繞藍(lán)藻藻華展開的工作主要集中兩大方面: 一是形成機(jī)制(孔繁翔等,2005; 許海等,2011); 二是防控措施(孔繁翔等,2006; 王志富等,2014)。營養(yǎng)作為藻類生長的重要物質(zhì)條件,被多數(shù)學(xué)者認(rèn)為是藻類生物量增加和藻華暴發(fā)的重要原因(Wanget al,2015; Liet al,2014; Scaviaet al,2014;O’Neilet al,2013),所以治理藻華的主要方向也是圍繞控制富營養(yǎng)化而展開(孔繁翔等,2006; 朱廣偉,2008)。但是單純進(jìn)行營養(yǎng)控制治理藻華的效果并不理想,大規(guī)模藻華的暴發(fā)并未得到有效遏制(Paerlet al,2013)。

從生態(tài)平衡來看,藻華的暴發(fā)除了表現(xiàn)出生物量大量增加這一特點(diǎn)外,還有另一個顯著的特點(diǎn): 即單一物種占主導(dǎo)、多樣性偏低(潘克厚等,2004)。目前控制藻華的主要方法是針對第一個特點(diǎn),多采用降低藻類生物量和水體中葉綠素的方式(王明翠等,2002)。然而針對第二個特點(diǎn)卻關(guān)注不多。從生態(tài)學(xué)角度來看,單一物種的大量生長不僅與營養(yǎng)相關(guān),也與物種之間對資源的競爭利用相關(guān)(Grover,1991a,b)。一個良好的生態(tài)系統(tǒng)中不同藻之間存在競爭,藻類跟浮游動物之間也存在捕食,呈現(xiàn)此消彼長的態(tài)勢,多樣性指數(shù)處在動態(tài)平衡中,而當(dāng)平衡打破時,則有可能引發(fā)生態(tài)事件或者生態(tài)災(zāi)害(如藻華)(Steinberget al,1988; Qinet al,2013)。另外,藻華物種也通常是較為固定的幾類,如藍(lán)藻藻華中的微囊藻屬,魚腥藻屬,顫藻屬等(Paerl,2014),這也表明治理藻華不僅要降低藻類生物量,還要從根本上防止藻華生物在暴發(fā)的各個階段獲得相對的競爭優(yōu)勢,才能減少藻華的暴發(fā)幾率。因此,提高共生藻的競爭優(yōu)勢和藻類的多樣性是利用生態(tài)學(xué)原理防治藻華的可能策略。

本文結(jié)合營養(yǎng)和生物競爭兩個方面,考察了不同營養(yǎng)水平下藻類的生長競爭; 隨后模擬自然水體環(huán)境,從整體營養(yǎng)水平和單一重要元素(N、P)限制方式下,探討了藻類的競爭表現(xiàn)和適應(yīng)行為,以期更深入地認(rèn)識藻類的營養(yǎng)競爭策略,為藻華的防控提供借鑒思路。

1　材料與方法

1.1　藻種與培養(yǎng)基

實(shí)驗(yàn)所用銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa)和小球藻(Chlorella vulgaris,FACHB-8),均來自中國科學(xué)院水生生物研究所淡水藻種庫(FACHB)。培養(yǎng)基為BG11 (NaNO3: 1.50g/L; K2HPO4·3H2O: 0.04g/L;MgSO4·7H2O:0.075g/L;CaCl2·7H2O:0.036g/L;Na2EDTA: 0.001g/L; Na2CO3: 0.02g/L; 檸檬酸:0.006g/L; 檸檬酸鐵銨: 0.006g/L; 微量元素 A5溶液:1mL/L)。為避免外源營養(yǎng)源的干擾,所用玻璃器皿用10%鹽酸浸泡48h,清水沖洗后并用蒸餾水潤洗3遍。實(shí)驗(yàn)過程中為保證培養(yǎng)基中的營養(yǎng)成分不被高壓滅菌條件所破環(huán),采用0.22μm孔徑過濾的方式進(jìn)行除菌。

1.2　營養(yǎng)等級的設(shè)置

整體營養(yǎng)水平下藻類的競爭實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所用的基礎(chǔ)培養(yǎng)基為 BG11,首先根據(jù)湖泊富營養(yǎng)化等級標(biāo)準(zhǔn)(王明翠等,2002)中總氮(TN)和總磷(TP)的濃度,將配好的BG11培養(yǎng)基用蒸餾水稀釋到超富營養(yǎng)、富營養(yǎng)、中營養(yǎng)、貧營養(yǎng)四個營養(yǎng)等級,具體稀釋倍數(shù)見表1。

表1　整體營養(yǎng)水平設(shè)置Tab.1　The setting of nutrition concentration levels

N或P限制下藻類的競爭實(shí)驗(yàn)。單獨(dú)改變BG11中N或者P的濃度,其它成分不變,設(shè)計(jì)不同初始N梯度(247.05mg-N/L,61.89mg-N/L,20.63mg-N/L,6.88mg-N/L)和 P梯度(7.12mg-P/L,1.78mg-P/L,0.6mg-P/L,0.2mg-P/L)。每個梯度均設(shè)置三種培養(yǎng)方式: 銅綠微囊藻單培養(yǎng)、小球藻單培養(yǎng)、以及兩種藻共生培養(yǎng),每組均設(shè)兩個平行。

接種。分別將培養(yǎng)至對數(shù)期的銅綠微囊藻和小球藻接種至250mL錐形瓶中(培養(yǎng)體積為150mL),接種前將銅綠微囊藻和小球藻用無菌水洗滌 5遍去除細(xì)胞表面吸附的營養(yǎng)鹽。兩種藻的初始接種濃度均為7×105cells/mL。培養(yǎng)期間溫度為 25℃,光照強(qiáng)度為3000 lx,光暗周期為12h : 12h。實(shí)驗(yàn)周期中每天定時搖動3次,為保證光照均勻,每天隨機(jī)交換培養(yǎng)瓶的位置。

1.3　藻類生物量的測定

參照陳慧婷等(2013)及譚嘯等(2006)的方法,采用 BD FACSCalibur?流式細(xì)胞儀進(jìn)行藻細(xì)胞計(jì)數(shù)。用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)微珠作為內(nèi)參進(jìn)行標(biāo)定,利用 FlowJo軟件對流式結(jié)果進(jìn)行藻細(xì)胞密度的分析統(tǒng)計(jì)。

1.4　培養(yǎng)基中總氮、總磷的測定

總氮和總磷的測定分別采用硫酸肼還原法和鉬藍(lán)法(國家海洋局,2007)。采用間斷化學(xué)分析儀(德國DeChem-Tech/Cleverchem380)進(jìn)行測定。測定前,總氮和總磷分析用堿性過硫酸鉀和過硫酸鉀高溫消解30min。

1.5　培養(yǎng)基中總氮、總磷的測定

藻細(xì)胞內(nèi)主要元素 C、N、S的測定采用元素分析儀(德國Element/vario MACRO cube)。首先離心收集藻細(xì)胞,并用超純水清洗 5遍去除培養(yǎng)基的干擾,再將收集到的細(xì)胞進(jìn)行冷凍干燥,稱取一定質(zhì)量的干燥樣品用元素分析儀進(jìn)行測定。P元素測定用 1.4中消解的方法,稱取一定量冷凍干燥的藻細(xì)胞在過硫酸鉀高溫消解后進(jìn)行測定。

1.6　數(shù)據(jù)分析

1.6.1銅綠微囊藻和小球藻的比增長率銅綠微囊藻和小球藻的比增長率計(jì)算公式參照文獻(xiàn)進(jìn)行(Amanoet al,2012):

式中,μ表示比增長率(d-1),t表示培養(yǎng)天數(shù)(d),N1、N2分別表示在培養(yǎng)t1、t2天后的細(xì)胞密度(cells/mL),取對數(shù)期的比增長率作為該營養(yǎng)濃度下的比增長率。

1.6.2半飽和常數(shù)的計(jì)算營養(yǎng)濃度對藻類比增長率的影響可用Monod方程(Zhanget al,2014)描述,即:

式中,Cs為某一限制性營養(yǎng)的濃度,μ為在該濃度下的比增長率,μmax為最大比增長率,Ks為半飽和常數(shù),即當(dāng)比增長率達(dá)到最大比增長率的一半μmax/2時所需要的營養(yǎng)濃度。參照 Hanes-Woolf方法(崔啟武,1991)將方程(2)整理成:

令y=Cs/μ,x=Cs,以最小二乘法對上述方程進(jìn)行線性回歸分析,求出斜率1/μmax和截?fù)?jù)Ks/μmax。斜率的倒數(shù)即為最大比增長率μmax,斜率的倒數(shù)與截?fù)?jù)的乘積即為半飽和常數(shù)Ks。

2　結(jié)果與分析

2.1　不同營養(yǎng)等級中兩種藻單獨(dú)培養(yǎng)下的生長特性

圖1所示為單獨(dú)培養(yǎng)的兩種微藻在超富營養(yǎng)(A)、富營養(yǎng)(B)、中營養(yǎng)(C),和貧營養(yǎng)(D)四個水平下的生長曲線。表2為不同營養(yǎng)等級中兩種藻的最大生物量和比增長率。由圖1和表2可知,隨著營養(yǎng)水平的下降,兩種藻的最大生物量和比增長率整體呈現(xiàn)明顯下降趨勢。在超富營養(yǎng)條件下,銅綠微囊藻和小球藻最大生物量分別為255×105和123×105cells/mL,在富營養(yǎng)和中營養(yǎng)情況下生物量下降到(30—40)×105cells/mL,最為顯著的變化出現(xiàn)在貧營養(yǎng)組,兩種藻的生物量急劇減少,僅為超富營養(yǎng)狀態(tài)下的百分之一(P＜0.01)。這表明兩種藻類對營養(yǎng)有直接的依賴性,營養(yǎng)是決定其生物量的重要因素。

圖1　銅綠微囊藻與小球藻在不同營養(yǎng)水平中的生長曲線(單培養(yǎng))Fig.1　Growth curves of M. aeruginosa and C. vulgaris at different concentrations of nutrients (uni-culture)

表2　銅綠微囊藻與小球藻在不同營養(yǎng)水平中的最大生物量、比增長率(單培養(yǎng))Tab.2　The maximum biomasses and specific growth rate of M.aeruginosa and C. vulgaris at different concentrations of nutrients (uni-culture)

在超富營養(yǎng)水平下銅綠微囊藻的比增長率及最大生物量均顯著高于小球藻,表明銅綠微囊藻在超富營養(yǎng)狀態(tài)下可能具有競爭優(yōu)勢。但是隨著營養(yǎng)水平的下降,銅綠微囊藻的比增長率大幅下降,而小球藻的比增長率下降趨緩。在富營養(yǎng)和中營養(yǎng)下,小球藻的最大生物量和比增長率均大于銅綠微囊藻。在貧營養(yǎng)下,銅綠微囊藻接種后就呈現(xiàn)負(fù)增長,而小球藻仍能實(shí)現(xiàn)生物量不同程度的增殖,表明小球囊藻在低營養(yǎng)環(huán)境中的耐受能力更強(qiáng),體現(xiàn)一定的優(yōu)勢。

2.2　不同營養(yǎng)等級中藻類共培養(yǎng)的生長規(guī)律

圖 2所示為共培養(yǎng)的兩種微藻在超富營養(yǎng)(A)、富營養(yǎng)(B)、中營養(yǎng)(C)、貧營養(yǎng)(D)四個水平下的生長曲線。表3為共培養(yǎng)下,兩種藻的最大生物量、比增長率。

由圖2可知,在共培養(yǎng)下兩種藻的生長規(guī)律與單培養(yǎng)時的趨勢基本一致:隨著營養(yǎng)水平的下降,兩種藻的生物量呈現(xiàn)數(shù)量級水平的下降,呈現(xiàn)極顯著差異(P＜0.01); 表明在共培養(yǎng)條件下營養(yǎng)的充裕程度依舊是生物量的決定因素,并且銅綠微囊藻的最大生物量和比增長率都比小球藻的下降得更顯著。銅綠微囊藻的生物量和比增長率在超富和富營養(yǎng)條件下均高于小球藻,而在中營養(yǎng)和貧營養(yǎng)條件下又低于小球藻。需要指出的是,銅綠微囊藻和小球藻共培養(yǎng)時的最大生物量并非都小于單培養(yǎng)條件,說明共培養(yǎng)環(huán)境中原因除了營養(yǎng)源本身,藻類之間的也有相互作用。

2.3　兩種藻在不同營養(yǎng)等級下胞內(nèi) C、N、P、S元素的含量

圖2　銅綠微囊藻和小球藻在不同營養(yǎng)水平中的生長曲線(共培養(yǎng))Fig.2　Growth curves of M. aeruginosa and C. vulgaris at different concentrations of nutrients (co-culture)

表3　銅綠微囊藻與小球藻在不同營養(yǎng)等級中的最大生物量、比增長率(共培養(yǎng))Tab.3　The maximum biomasses and specific growth rate of M. aeruginosa and C. vulgaris at different concentrations of nutrients(co-culture)

圖3　銅綠微囊藻和小球藻在不同營養(yǎng)水平中胞內(nèi)碳、氮、磷、硫的百分含量(%)Fig.3　The intracellular element content (%) of C,N,P,S of M. aeruginosa and C. vulgaris at different concentrations of nutrients

圖3為單培養(yǎng)15d后,銅綠微囊藻和小球藻胞內(nèi)C、N、P、S四種主要元素占藻細(xì)胞質(zhì)量的百分比。由圖可知隨著營養(yǎng)等級的下降,兩種藻細(xì)胞內(nèi)C的百分含量較為穩(wěn)定; S的百分含量呈現(xiàn)不穩(wěn)定性波動; N和P均呈現(xiàn)下降趨勢,這說明隨著營養(yǎng)等級下降,兩種藻主要受到了N和P的限制。此外,小球藻在超富營養(yǎng)條件下,P所占百分比較高,在富營養(yǎng)、中營養(yǎng)和貧營養(yǎng)條件下迅速下降,說明小球藻對P的依賴性比銅綠微囊藻高。

2.4　兩種藻在不同營養(yǎng)等級下N、P的消耗

單位細(xì)胞消耗元素的量C= (C0–C1)/(N1–N0),其中C0和C1分別表示培養(yǎng)基中初始和培養(yǎng)15d后的營養(yǎng)濃度,N0和N1分別表示初始和培養(yǎng)15d后藻的數(shù)量,結(jié)果如圖4所示。需要指出的是: 實(shí)驗(yàn)中由于在貧營養(yǎng)條件下接種后銅綠微囊藻逐漸消亡,培養(yǎng)基中TN、TP濃度有所上升,因此該濃度下的結(jié)果未呈現(xiàn)。其它組別的結(jié)果顯示(圖 4),隨著營養(yǎng)梯度的下降,銅綠微囊藻和小球藻單位細(xì)胞對TN、TP的消耗量均呈現(xiàn)下降趨勢。此外,在各營養(yǎng)等級下,兩種藻對TN、TP的消耗量也呈現(xiàn)出差異: 單位細(xì)胞N的消耗量,銅綠微囊藻＞小球藻(P＜0.05); 單位細(xì)胞P的消耗量,小球藻＞銅綠微囊藻(P＜0.05)。

2.5　銅綠微囊藻和小球藻的對N、P的生長動力學(xué)參數(shù)

兩種藻在不同 N和 P梯度下的比增長率如表 4所示,以Cs/μ對Cs作圖,以最小二乘法求出斜率和截?fù)?jù),計(jì)算出銅綠微囊藻和小球藻在N限制和P限制下的半飽和常數(shù)Ks和最大比增長率μ,結(jié)果如表 5所示。半飽和常數(shù)Ks是指當(dāng)比增長率到達(dá)最大比增長率一半時所需要的底物濃度。

在 N限制時,銅綠微囊藻的半飽和常數(shù)遠(yuǎn)大于小球藻,表明銅綠微囊藻對 N的親和能力沒有小球藻高,小球藻在較低 N濃度時依然可以保持較高的比增長率。從圖5也可看出,在N濃度小于20mg/L時,銅綠微囊藻受到N限制的影響更大,其比增長率低于小球藻,此時小球藻具有競爭優(yōu)勢; 當(dāng)N濃度大于20mg/L時,此時N對銅綠微囊藻的限制逐漸解除,其比增長率大于小球藻,此時的銅綠微囊藻具有競爭優(yōu)勢。

圖4　銅綠微囊藻和小球藻在不同營養(yǎng)水平下單位細(xì)胞N、P消耗量(單培養(yǎng))Fig.4　The consumption of N and P per cell of M. aeruginosa and C. vulgaris at different concentrations of nutrients (uni-culture)

表4　銅綠微囊藻和小球藻在不同N、P濃度下的比增長率Tab.4　The specific growth rate of M. aeruginosa and C. vulgaris at different concentrations of N and P

表5　銅綠微囊藻和小球藻對N、P最大比增長率及半飽和參數(shù)Tab.5　The specific growth rate and semi-saturation constants of M. aeruginosa and C. vulgar to N and P

圖5　銅綠微囊藻和小球藻在N限制和P限制下Monod方程曲線Fig.5　The Monod functions for M. aeruginosa and C. vulgar under N or Plimitation

在P限制時,銅綠微囊藻的半飽和常數(shù)小于小球藻,說明銅綠微囊藻對P的親和力更高,并且銅綠微囊藻的最大比增長率大于小球藻,因此銅綠微囊藻在P限制時具有競爭優(yōu)勢。

2.6　基于競爭結(jié)果的模型預(yù)測

為了探究野外條件下的競爭結(jié)果,我們借助模型預(yù)估了自然水體中的競爭行為。相比于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模,湖泊生態(tài)系統(tǒng)尺度更大,可以近似認(rèn)為藻類對湖泊中N和P的消耗對整個湖泊而言未產(chǎn)生顯著影響。因此藻類在湖泊中的生長可以認(rèn)為是在一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)中。根據(jù)2.5中兩種藻單培養(yǎng)計(jì)算出的動力學(xué)參數(shù)Ks和ρmax,預(yù)測輸入不同N和P濃度時,混合培養(yǎng)的銅綠微囊藻和小球藻競爭結(jié)果,如圖6所示。

競爭預(yù)測結(jié)果顯示,N或者P任何一種營養(yǎng)較低時,兩種藻均不能較好生長(圖 6A); N 濃度恒定為4mg/L,而 P處在偏低條件下時,兩種藻所受到的限制都主要來自于 P,由于Ks(P): 銅綠微囊藻＜小球藻,因此銅綠微囊藻表現(xiàn)出優(yōu)勢(圖6B)。隨著P濃度的升高,小球藻主要限制因子仍然是 P,而銅綠微囊藻受限因子由 P變成了 N,由于Ks(N): 小球藻＜銅綠微囊藻,因此兩種藻競爭呈現(xiàn)出共存(圖6C/D)。當(dāng)P更高時,兩種藻的受限因子演變?yōu)镹,此時小球藻具有優(yōu)勢。

同樣的,當(dāng) P濃度恒定為 0.5mg/L,N濃度由0.05mg/L到15mg/L時,兩種藻受限的先決因子是N隨后銅綠微囊藻在一定范圍依然受 N限制,而小球藻則主要受限于P,到N濃度足夠富余時,此時兩種藻的限制因子都變成了 P,因此呈現(xiàn)出的總體生長行為是: 首先是小球藻具有優(yōu)勢,然后是共存,最后是銅綠微囊藻勝出,占據(jù)生態(tài)位優(yōu)勢(圖6F—J)。

3　討論

競爭是群落結(jié)構(gòu)組建的主導(dǎo)因子,也是決定物種進(jìn)化模式的重要因素(Choiet al,2005)。競爭在浮游植物群落中的重要性及其作用機(jī)制一直是生態(tài)學(xué)工作者討論的焦點(diǎn)(金相燦等,2007)。浮游植物間因爭奪有限的空間和資源存在競爭現(xiàn)象,進(jìn)而導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)群落生物多樣性的改變。作為衡量生態(tài)系統(tǒng)是否穩(wěn)定的重要指標(biāo),生物多樣性常用來評估水體的生態(tài)健康(Borjaet al,2008)。一般而言,水體中浮游藻類種類越多樣,生態(tài)系統(tǒng)越趨于穩(wěn)定(李果等,2011),而當(dāng)多樣性降低或某一種藻類占據(jù)絕對優(yōu)勢時,生態(tài)穩(wěn)定性趨于臨界狀態(tài),存在藻華暴發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。以往對于藻華形成原因的研究多關(guān)注于營養(yǎng)鹽,認(rèn)為富營養(yǎng)化是導(dǎo)致藻華的成因(秦伯強(qiáng),2009)。事實(shí)上,不同的藻類對營養(yǎng)源的需求存在差異,有數(shù)量上的閾值和種類上的偏好(Hansson,1988; Milleret al,2005),這使得我們考慮: 營養(yǎng)條件是誘發(fā)藻華的必要條件還是充要條件。因此,研究營養(yǎng)與種間競爭關(guān)系能幫助我們對藻華的營養(yǎng)學(xué)理論有更多的認(rèn)識,豐富對藻華形成機(jī)制的理解。

此次實(shí)驗(yàn)中,我們發(fā)現(xiàn)在單獨(dú)培養(yǎng)條件下,銅綠微囊藻和小球藻對營養(yǎng)鹽存在明顯的濃度依賴性,在超富營養(yǎng)環(huán)境中分別能到達(dá)最大生物量 250×105cell/mL和 100×105cell/mL,當(dāng)營養(yǎng)下降為原來的1/4時,銅綠微囊藻和小球藻的生物量分別下降了88.3%和72.4%。在貧營養(yǎng)條件下,銅綠微囊藻幾乎不能生長,而小球藻能實(shí)現(xiàn)緩慢穩(wěn)定的增殖。說明營養(yǎng)限制時,銅綠微囊藻受到的影響更大。銅綠微囊藻對營養(yǎng)濃度的高度依賴也吻合藍(lán)藻作為原核生物對環(huán)境變化敏感的特點(diǎn)。

在共生培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中,兩者在生長特征上呈現(xiàn)與單獨(dú)培養(yǎng)不同的特點(diǎn),體現(xiàn)競爭互作的特征。小球藻對營養(yǎng)濃度的改變表現(xiàn)得相對穩(wěn)定。在貧營養(yǎng)水平下營養(yǎng)極度缺乏,而小球藻依然呈現(xiàn)較為緩慢增長的狀態(tài),說明在同等條件下小球藻能耐受營養(yǎng)臨界值,顯示出比銅綠微囊藻更強(qiáng)的耐饑餓能力。值得注意的是,兩種藻的競爭過程是交互的。我們推測這種現(xiàn)象的形成一方面來自營養(yǎng)的供給受限,另一方面也來自于銅綠微囊藻產(chǎn)生的藻毒素對小球藻的影響(Bittencourt-Oliveiraet al,2015)。

N、P 元素為藻類進(jìn)行光合作用、合成有機(jī)物提供物質(zhì)基礎(chǔ),N、P 的賦存狀態(tài)和濃度共同影響著藻類的生長(陳蕾等,2016)。因此,N、P 被認(rèn)為是藻類生長競爭的重要影響因子。本次工作中通過對不同營養(yǎng)等級中兩種藻胞內(nèi)C、N、P、S的百分含量測定發(fā)現(xiàn)隨著營養(yǎng)等級的降低N、P的百分含量顯著下降。說明 N、P對兩種藻的生長具有較大影響。對 N、P的消耗情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),兩種藻對N、P的需求和同化能力呈現(xiàn)出較大差異。Tilman等(1981)認(rèn)為最大比增長率(μmax)和半飽和常數(shù)(Ks)是評價(jià)藻類競爭能力的重要指標(biāo); 當(dāng)資源有限時,具有較小Ks和較大μmax的物種將會獲得競爭優(yōu)勢。本文通過N、P限制實(shí)驗(yàn)得出了銅綠微囊藻和小球藻在N限制和P限制下的Monod方程曲線及半飽和常數(shù)、最大比增長率。由于銅綠微囊藻對 N具有較高的半飽和常數(shù)以及較大的最大比增長率,因此我們推測當(dāng) N充足時銅綠微囊藻將處于競爭優(yōu)勢,隨著N濃度的下降,小球藻將超越銅綠微囊藻成為優(yōu)勢種。Yue等(2015)通過對銅綠微囊藻在N缺乏和P缺乏的下的生長和蛋白組學(xué)分析表明,銅綠微囊藻受N缺乏的影響更大,而缺P條件下依然可以生長7天。本次實(shí)驗(yàn)從半飽和常數(shù)和比增長率的角度進(jìn)一步佐證了前人的觀點(diǎn)。

圖6　不同N和P濃度下銅綠微囊藻和小球藻的競爭結(jié)果預(yù)測Fig.6　The Prediction of competition results between M. aeruginosa and C. vulgaris at different concentrations of N and P

P限制實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),銅綠微囊藻比小球藻具有更低的半飽和常數(shù)和較高的最大比增長率,因此銅綠微囊藻無論是否受到P的限制都將具有競爭優(yōu)勢。Fernández等(2015)的研究結(jié)果也顯示 P對微囊藻屬的生長并沒有限制作用。這說明藍(lán)綠藻對 N的需求量大于P,N是藍(lán)藻門的生長限制因子。本次實(shí)驗(yàn)中計(jì)算得出銅綠微囊藻類對N : P的消耗比在10—20之間,這也符合浮游植物生長的 Redfield指數(shù)(C∶N∶P=106∶16∶1) (Redfieldet al,1958)。對P的需求中,小球藻對P的依賴更為明顯,Belkoura等(1994)的研究表明缺N和缺P小球藻的葉綠素分別下降了44%和83%,這進(jìn)一步印證了小球藻對P的需求性。根據(jù)兩種藻對N和P利用的動力學(xué)參數(shù)和生長行為,借助模型可以對藻類競爭結(jié)果進(jìn)行預(yù)測,從而幫助我們從N源和P源這兩個營養(yǎng)角度來認(rèn)識藻華的成因以及提出相關(guān)的建議。

4　結(jié)論

銅綠微囊藻和小球藻的競爭結(jié)果與營養(yǎng)水平相關(guān),整體營養(yǎng)水平的降低,兩種藻的生物量均呈現(xiàn)顯著下降,但是銅綠微囊藻對營養(yǎng)的依賴程度更強(qiáng),下降程度更明顯。共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明在營養(yǎng)降低時,銅綠微囊藻在低營養(yǎng)水平時優(yōu)勢作用消失,而小球藻優(yōu)勢作用凸顯; 銅綠微囊藻更容易在高營養(yǎng)濃度條件下暴發(fā)。

通過對兩種藻胞內(nèi)元素百分含量以及對N、P的消耗發(fā)現(xiàn),N、P是影響兩種藻競爭的重要原因。進(jìn)一步對兩種藻的N、P營養(yǎng)動力學(xué)參數(shù)的測定發(fā)現(xiàn),不同營養(yǎng)水平下的競爭結(jié)果與兩種藻對N、P營養(yǎng)動力學(xué)特征相關(guān)。銅綠微囊藻對 N具有較高的半飽和常數(shù)和較大的比增長率,而小球藻對P具有較高的半飽和常數(shù)和較小的比增長率,因此我們預(yù)測限制水體中 N的濃度一方面能夠有效降低銅綠微囊藻的生物量,另一方面也能提高小球藻的競爭優(yōu)勢,消耗水體中的營養(yǎng),從而能夠更有效地降低銅綠微囊藻藻華的風(fēng)險(xiǎn); 限制水體中的P雖然能夠降低水體中銅綠微囊藻的生物量,但是銅綠微囊藻依然處于優(yōu)勢地位,當(dāng)高 N濃度下依然具有再次暴發(fā)銅綠微囊藻藻華的可能。本次試驗(yàn)中觀察到的競爭行為能幫助我們: 1)更深入地了解藻華優(yōu)勢種的形成原因及藻華發(fā)生與營養(yǎng)鹽的關(guān)系,重新審視營養(yǎng)控制學(xué)說的必要性和充分性; 2) 指導(dǎo)藻華的治理,控制N濃度或適當(dāng)增加P濃度能體現(xiàn)生物競爭行為,發(fā)揮生物“相生相克”的原理,從而遏制藍(lán)藻藻華。

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