高CO2條件下溫度和光照對銅藻吸收N、P的短期影響

楊安強(qiáng)，史定剛，陳少波，張 鵬，王鐵桿，關(guān)萬春*

(1.溫州醫(yī)科大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，浙江 溫州 325035； 2.浙江省海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖研究所，浙江 溫州 325005)

高CO2條件下溫度和光照對銅藻吸收N、P的短期影響

楊安強(qiáng)1，史定剛1，陳少波2，張 鵬2，王鐵桿2，關(guān)萬春1*

(1.溫州醫(yī)科大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，浙江 溫州 325035； 2.浙江省海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖研究所，浙江 溫州 325005)

探討在2種CO2濃度(0.76和1.96 μg·L-1)條件下，溫度和光照對銅藻(Sargassumhorneri)吸收N、P速率的影響。結(jié)果表明，培養(yǎng)液中通入空氣(LC，Low CO2)的情況下，銅藻對N、P的吸收速率與時(shí)間的關(guān)系符合指數(shù)衰減方程y=a+b×e-x/c。吸收速率在培養(yǎng)6 h后趨于穩(wěn)定，且該趨勢未受到溫度、光強(qiáng)的影響。通入高濃度CO2(HC，High CO2)后，銅藻對N、P的吸收速率也符合LC的規(guī)律，但HC處理1 h，可顯著提高銅藻對營養(yǎng)鹽的吸收速率，隨后HC的促進(jìn)作用逐漸消失。HC條件下，20 ℃培養(yǎng)的銅藻對營養(yǎng)鹽的吸收速率最高，10 ℃培養(yǎng)的銅藻對營養(yǎng)鹽N、P的吸收分別被抑制46.03%和73.93%，30 ℃培養(yǎng)的銅藻僅對P的吸收造成抑制，抑制率為31.46%。光照強(qiáng)度為70 μmol·m-2·s-1培養(yǎng)的銅藻營養(yǎng)鹽的吸收速率最高；升至280 μmol·m-2·s-1后，吸收速率分別下降65.51%(N)和28.04%(P)。因此，高濃度的CO2短期處理銅藻，可顯著提高銅藻對營養(yǎng)鹽的吸收速率，該促進(jìn)作用在試驗(yàn)開始的1 h內(nèi)最顯著。

CO2； 光強(qiáng)； 銅藻； 溫度

在全球氣候變化的背景下，人類活動(dòng)造成的CO2濃度升高是目前海洋面臨的生態(tài)環(huán)境問題之一[1]。隨著化石燃料燃燒和森林砍伐的日益加劇，大氣CO2濃度已由工業(yè)革命前的0.55 μg·L-1升至目前的0.76 μg·L-1左右，約高出40%，而大氣中30%的CO2是由海洋通過生物泵吸收的。據(jù)IPCC數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，預(yù)測到2100年，大氣CO2濃度將達(dá)到約1.96 μg·L-1[2]。這將導(dǎo)致海洋表層海水pH下降0.3～0.4個(gè)單位(7.8～7.9)，造成海水酸化，從而對具有光合固碳能力的藻類產(chǎn)生顯著影響。大型海藻對環(huán)境中無機(jī)碳的利用機(jī)制存在明顯種間差異，因此大型海藻對高CO2的響應(yīng)也不盡相同[3]。高CO2培養(yǎng)條件可促進(jìn)條斑紫菜(Porphvrayezoensis)[4]、酵母狀節(jié)莢藻(Lomentairaarticulata)[5]的生長，也有發(fā)現(xiàn)高CO2培養(yǎng)降低了紫菜屬中的P.leucostica[6]與P.linearis[7]的生長速率。但高CO2并未顯著提高石莼(Ulva)[8-9]和江蘺屬(Gracilariagaditana)[10]的生長。所以，高CO2培養(yǎng)對大型海藻的影響仍存在較大爭議，可能與不同大型海藻的種間差異和環(huán)境因子有關(guān)。有研究表明，高CO2提高了銅藻(Sargassum.horneri)的生長，且這一過程受到溫度和光強(qiáng)的調(diào)節(jié)[11]。因此，本文針對這一現(xiàn)象，探討銅藻在高CO2條件下對N、P的利用情況，并結(jié)合溫度和光強(qiáng)來分析高CO2對銅藻吸收營養(yǎng)鹽存在何種調(diào)節(jié)作用。

1 材料與方法

1.1 材料

銅藻經(jīng)合子培養(yǎng)成苗后在室內(nèi)水池培養(yǎng)成1～2 m長的藻植株。選擇健康藻體，除去表面附著物，藻體截成約3 cm小段，保持每段假莖長度相近，且在中部有2～3個(gè)假葉節(jié)，置于水箱中適應(yīng)培養(yǎng)。適應(yīng)期水溫(20±0.5)℃，鹽度24 PSU，光照強(qiáng)度50 μmol·m-2·s-1，光暗周期L∶D為12∶12，每3 d更換1次培養(yǎng)液，適應(yīng)培養(yǎng)6 d。培養(yǎng)液為過濾的天然海水，滅菌后以F/8培養(yǎng)基的溶解無機(jī)氮(dissolved inorganic nitrogen，DIN)和溶解無機(jī)磷(dissolved inorganic phosphorus，DIP)濃度加富海水(DIN 431.0±57.7 μmol·L-1；DIP 9.0±0.66 μmol·L-1)。藻體經(jīng)饑餓處理24 h后開始試驗(yàn)。

1.2 方法

1.2.1 高濃度CO2氣體調(diào)節(jié)

設(shè)定CO2培養(yǎng)箱(MGC-450BP，上海一恒)內(nèi)的CO2濃度約為1.96 μg·L-1(水體pH值約為7.80)，該濃度約為2100年大氣中CO2的濃度[2]。將所有藻體分置于培養(yǎng)箱中。一組置于CO2培養(yǎng)箱，通入培養(yǎng)箱中高CO2濃度氣體，定義為HC(High CO2，CO2濃度約為1.96 μg·L-1，pH為7.8左右)；另一組置于普通培養(yǎng)箱中(GTX-430E，江南儀器)，通入室外新鮮空氣，定義為LC(Low CO2，CO2濃度約為0.76 μg·L-1， pH為8.2左右)，通過此法可調(diào)節(jié)2種不同處理銅藻的培養(yǎng)液pH值，相差0.3～0.4。

1.2.2 高濃度CO2條件下溫度對銅藻N、P吸收的短期影響

1.2.3 高濃度CO2條件下光照對銅藻N、P吸收的短期影響

選取大小均一、長勢健康的銅藻，分成6組(每組重復(fù)2個(gè)，每重復(fù)鮮重為5±0.1 g)，分別置于12個(gè)3 L錐形瓶中進(jìn)行充氣(30 mL·s-1)培養(yǎng)，溫度20 ℃。其余試驗(yàn)處理為LLHC、MLHC、HLHC、LLLC、MLLC、HLLC，LL表示70 μmol·m-2·s-1低光，ML表示140 μmol·m-2·s-1中光， HL表示280 μmol·m-2·s-1高光，HC表示CO21.96 μg·L-1，LC表示CO20.76 μg·L-1。試驗(yàn)開始后于0、1、3、6、12 h取樣，每處理分別取200 mL培養(yǎng)液，用于測定DIN和DIP。

1.2.4 DIN、DIP測定和計(jì)算

U=(Co-Ct)·V/(t·G)。

式中，U為營養(yǎng)鹽吸收速率(μmol·g-1Fw·h-1)，Co為試驗(yàn)開始時(shí)海水中營養(yǎng)鹽含量(μmol·L-1)，Ct為試驗(yàn)開始t時(shí)海水中營養(yǎng)鹽含量(μmol·L-1)，V為海水體積(L)，t為試驗(yàn)時(shí)間(h)，G為銅藻鮮重(g)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用單因素方差分析(one-way ANOVA)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以P<0.05作為差異顯著水平。

2 結(jié)果與分析

銅藻利用N和P的吸收動(dòng)力學(xué)曲線符合指數(shù)衰減方程y=a+b×e-x/c(R2>0.87，a、b、c為調(diào)節(jié)參數(shù))，經(jīng)過6 h基本達(dá)到穩(wěn)定，且該規(guī)律不受到溫度、光強(qiáng)和CO2濃度的影響(圖1～2)，但溫度和光強(qiáng)可影響其絕對吸收速率。

2.1 溫度對銅藻DIN、DIP吸收的短期影響

由圖1可知，溫度20 ℃時(shí)，銅藻對氮和磷的吸收最快，1 h內(nèi)分別達(dá)到20.92和0.89 μmol·g-1·h-1(圖1中B、E)。且提高CO2濃度則顯著提升銅藻對氮和磷的吸收速率，1 h內(nèi)可分別提升38.77%和22.47%。而當(dāng)溫度降至10 ℃或升至30 ℃后，銅藻對氮的吸收速率分別下降46.03%和3.49%，對磷的吸收速率分別下降73.93%和31.46%。這一現(xiàn)象在高CO2條件下也存在，銅藻對氮的吸收速率分別下降49.74%和20.82%，對磷的吸收速率分別下降74.87%和27.47%。高CO2對銅藻利用營養(yǎng)鹽的促進(jìn)作用在3 h后消失。而LT條件下，HC對吸收磷的促進(jìn)作用不明顯。

2.2 光強(qiáng)對銅藻DIN、DIP吸收的短期影響

由圖2～3可知，隨著光強(qiáng)的增加，銅藻對氮的吸收速率都存在下降趨勢。在HC培養(yǎng)1 h、光強(qiáng)為LL時(shí)，對氮的吸收速率達(dá)到29.86 μmol·g-1·h-1，比ML和HL分別高出30.13%和189.59%；對磷的吸收速率達(dá)到0.88 μmol·g-1·h-1，比HL高出38.32%，而與ML相比差異不大。LC時(shí)也存在類似情況。HC處理1 h后，顯著提高了銅藻吸收氮的速率，對比3種光強(qiáng)，分別提高55.55%(LL)、42.68%(ML)、26.27%(HL)(圖2中A，B，C)，對磷的吸收速率分別提高22.59%(LL)，33.59%(ML)和12.84%(HL)。而HC對銅藻利用N、P的促進(jìn)作用，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長，經(jīng)過3 h后逐漸消失，并趨于穩(wěn)定。

*代表差異顯著(圖2同)圖1 2種CO2條件下銅藻的氮(A，B，C)、磷(D，E，F(xiàn))吸收速率曲線對溫度的響應(yīng)

3 討論

銅藻吸收氮和磷的速率受到溫度和光強(qiáng)的影響，且高CO2處理1 h后，除低溫(10 ℃)條件下銅藻對P的吸收以外，HC對銅藻利用營養(yǎng)鹽的促進(jìn)作用極其顯著，LC僅是HC的0.72～0.88倍，而隨后這個(gè)比值逐漸接近于1。

溫度可通過影響藻體酶的活性來影響細(xì)胞對營養(yǎng)鹽的吸收。20 ℃時(shí)，銅藻吸收氮磷營養(yǎng)鹽的速率最快，這是因?yàn)樵弩w培養(yǎng)溫度即為20 ℃，與該藻的最適生長溫度(22～24 ℃)較接近[12]。此時(shí)，細(xì)胞相關(guān)酶的活性高[13-14]，所以吸收速率最高。試驗(yàn)設(shè)定的低溫(10 ℃)抑制了光合作用暗反應(yīng)相關(guān)酶的活性，減少了ATP的生成，從而導(dǎo)致供給N、P代謝所需的能量減少[15]；而試驗(yàn)設(shè)定的高溫(30 ℃)會(huì)造成酶和膜載體蛋白失活[16]，也同樣影響營養(yǎng)鹽的代謝速率。

光照強(qiáng)度主要通過光合磷酸化調(diào)控ATP的轉(zhuǎn)換，從而影響N、P的吸收速率，適宜的光照強(qiáng)度能增加海藻中的還原酶活性，促進(jìn)藻體對N、P的吸收[13-14，17]。而過強(qiáng)的光照會(huì)使海藻光系統(tǒng)Ⅱ中的D1蛋白失活、裂解，從而降低光合速率，并間接導(dǎo)致N、P吸收速率的減慢[18]。本試驗(yàn)所用的銅藻培養(yǎng)于50 μmol·m-2·s-1的光照條件下，適應(yīng)低光環(huán)境，當(dāng)短期提高光照強(qiáng)度(140和280 μmol·m-2·s-1)，會(huì)對藻體造成光抑制，從而降低藻體

圖2 2種CO2條件下銅藻的氮(A，B，C)、磷(D，E，F(xiàn))吸收速率曲線對光的響應(yīng)

圖3 高CO2條件下1 h內(nèi)溫度、光強(qiáng)對銅藻氮(A，C)、磷(B，D)吸收速率比的影響

對N、P的吸收速率。但光背景對藻體營養(yǎng)鹽代謝的影響可以通過一定時(shí)間的光適應(yīng)而消除或減弱。

短期提高CO2濃度，顯著提升了銅藻對N、P的吸收速率，LC/HC<1。這可能是因?yàn)镠C條件下短期內(nèi)增加了藻體可利用的無機(jī)碳的緣故，光合速率加快，從而在短期內(nèi)提高了營養(yǎng)鹽代謝速率。而CO2的促進(jìn)作用在培養(yǎng)3 h后消失，是因?yàn)槎唐诟逤O2濃度并未造成N和P代謝相關(guān)酶數(shù)量和活性變化的緣故。然而在測定的12 h內(nèi)，藻體對N、P的吸收速率在培養(yǎng)1 h時(shí)，吸收速率最高，然后隨著培養(yǎng)時(shí)間延長，逐漸下降，最后趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)樵弩w經(jīng)24 h饑餓處理的緣故。處于饑餓狀態(tài)的藻體對營養(yǎng)鹽的吸收會(huì)存在被動(dòng)擴(kuò)散的過程，以便迅速補(bǔ)充細(xì)胞內(nèi)部營養(yǎng)庫的嚴(yán)重虧空[19]。所以，在開始的1 h可以看到吸收速率最高。而隨后藻體對營養(yǎng)鹽的吸收速率下降，并達(dá)到穩(wěn)定階段，這是由于藻體內(nèi)營養(yǎng)庫已經(jīng)充盈，對營養(yǎng)鹽的吸收速率產(chǎn)生了反饋調(diào)節(jié)作用[20]，這種現(xiàn)象在龍須菜和羊棲菜的研究中也存在相似規(guī)律[13-14]。

銅藻的營養(yǎng)鹽代謝受到溫度和光強(qiáng)的顯著調(diào)節(jié)，且短期升高CO2濃度，對銅藻的營養(yǎng)鹽代謝也存在一定得促進(jìn)作用。

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(責(zé)任編輯：張瑞麟)

2016-08-09

國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃(2014103343007)；浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014F10005)；溫州醫(yī)科大學(xué)大學(xué)生科研課題資助(wyx201501099)

楊安強(qiáng)(1994—)，哈尼族，本科生，E-mail: yanganqiang0426@126.com。

關(guān)萬春，副教授，博士，從事藻類學(xué)研究工作，E-mail: gwc@wmu.edu.cn。

10.16178/j.issn.0528-9017.20170236

Q949.2

A

0528-9017(2017)02-0303-05

文獻(xiàn)著錄格式：楊安強(qiáng)，史定剛，陳少波，等. 高CO2條件下溫度和光照對銅藻吸收N、P的短期影響[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，58(2)：303-307.