三峽水庫香溪河庫灣擬多甲藻(Peridiniopsis)水華對環(huán)境中磷的響應機制

吳興華，李 翀，陳 磊，趙 熒，王 浩

(1：中國長江三峽集團公司，北京 100038)(2：中國水利水電科學研究院，北京 100038)

三峽水庫香溪河庫灣擬多甲藻(Peridiniopsis)水華對環(huán)境中磷的響應機制

吳興華1，李 翀1，陳 磊1，趙 熒1，王 浩2

(1：中國長江三峽集團公司，北京 100038)(2：中國水利水電科學研究院，北京 100038)

于2015年春季擬多甲藻水華暴發(fā)期在香溪河支流高嵐河、南陽河與干流設置9個采樣點，探討浮游植物種群與水體總磷濃度等環(huán)境因子的相關性；同時，分離純化擬多甲藻后，設置5個不同磷濃度(0、0.005、0.020、0.100、0.600 mg/L)對其進行實驗室培養(yǎng)，分別測定其比生長速率；在對數(shù)生長期，檢測不同磷濃度培養(yǎng)下的藻細胞的快速光曲線及其參數(shù)；檢測不同磷濃度培養(yǎng)下的藻細胞對外源無機碳的吸收效率及其參數(shù). 結(jié)果表明，水體中總磷濃度越高的河段，擬多甲藻細胞密度越高；培養(yǎng)基中磷濃度越高，擬多甲藻的比生長速率越大，光合效率越高，其對外源無機碳的吸收能力越強. 這些結(jié)果表明高磷的水環(huán)境可能是促使擬多甲藻形成水華的關鍵因素之一.

擬多甲藻；磷；三峽水庫；光合作用；生理響應

三峽水庫香溪河流域是我國三大磷礦儲備區(qū)之一，流域內(nèi)以磷化工為主的企業(yè)分布廣泛，長久缺乏監(jiān)管的磷礦開采和加工形成大量的磷礦廢棄地和礦渣堆積，經(jīng)雨水淋溶和地表徑流，持續(xù)成為香溪河水體磷的主要來源. 近年來，在三峽水庫香溪河庫灣冬、春季常暴發(fā)擬多甲藻(Peridiniopsissp. )水華，水華期大面積水域呈現(xiàn)醬油色，影響庫灣沿岸工農(nóng)業(yè)用水，持續(xù)引發(fā)社會關注[1-2].

本研究通過在擬多甲藻水華期對香溪河庫灣水體中浮游植物種群和水體磷濃度進行監(jiān)測，結(jié)合實驗室研究擬多甲藻對環(huán)境中磷的生理學響應，分析擬多甲藻水華暴發(fā)與水體中磷濃度的關系，揭示磷在其暴發(fā)過程中的生理學機制.

圖1 香溪河庫灣采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling sites in Xiangxi River Bay

1 材料與方法

1.1 采樣點布設

于2015年2月22日-3月5日擬多甲藻暴發(fā)期，對三峽水庫香溪河庫灣水華區(qū)域采集水樣與浮游植物樣品，其中南陽河支流由北向南設置5個采樣點(X1、X2、X3、X6、X7)，高嵐河支流由東向西設置2個采樣點(X4、X5)，香溪河干流設置2個采樣點(X8、X9)(圖1). 采樣期間，三峽水庫水位在167.73～169.07 m之間，采樣區(qū)域都處于回水區(qū).

1.2 樣品的采集與測定

水質(zhì)樣品采集時取表層水樣. 使用YSI-650多參數(shù)水質(zhì)分析儀現(xiàn)場測定溶解氧(DO)、電導率和pH值. 將水樣帶回實驗室后，按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》測定水樣中總磷(TP)、總氮(TN)和氨氮濃度等指標[10].

浮游植物的定性樣品采用25#浮游生物網(wǎng)進行采集. 取表層水樣1 L，用魯哥試劑固定后，以沉降器將樣品沉淀96 h，虹吸上清液后，將水樣濃縮到30 ml，保存并計數(shù). 浮游植物的定量、定性分析均使用Olympus BX43光學顯微鏡，定性分析鑒定其所屬門類，定量分析采用浮游植物計數(shù)框，獲得細胞密度.

1.3 藻種的分離與培養(yǎng)

使用酒精噴燈拉伸滅菌過的巴斯德毛細管到極細并可虹吸的程度，在Olympus BX4光學顯微鏡下以毛細管虹吸水樣中的單個擬多甲藻細胞，將其轉(zhuǎn)移到盛有滅菌Carefoot培養(yǎng)基[11]的12孔真空包裝細胞培養(yǎng)板中，放入光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，培養(yǎng)條件為：溫度15±1℃、光暗比12 h∶ 12 h、光強25 μE/(m2·s). 約2周取少量分離的藻種培養(yǎng)鏡檢，選取無污染、單一培養(yǎng)的擬多甲藻轉(zhuǎn)接到含150 ml新鮮Carefoot培養(yǎng)基的三角瓶中擴大培養(yǎng)，培養(yǎng)條件同上. 在多次傳代培養(yǎng)中持續(xù)多次鏡檢以確保為純種擬多甲藻.

將分離成純種的擬多甲藻擴大培養(yǎng)后，取對數(shù)期藻液去上清液，藻細胞用無磷Carefoot培養(yǎng)基清洗5次，轉(zhuǎn)入無磷Carefoot培養(yǎng)基7 d以消耗細胞內(nèi)貯藏的磷. 7 d后，將藻液離心，使用無磷Carefoot培養(yǎng)基清洗3次，分別轉(zhuǎn)接到磷終濃度為0、0.005、0.020、0.100和0.600 mg/L的Carefoot培養(yǎng)基里，培養(yǎng)條件同上. 因兩處水華發(fā)生位于磷化工廠和磷礦采集聚集地的下游，考慮高磷背景，將最高磷濃度設置到0.600 mg/L.

1.4 測定指標與方法

1.4.1 比生長速率的測定 通過細胞計數(shù)來表征擬多甲藻的生長情況. 按下式計算比生長速率(μ)：

μ=(lnx2-lnx1)/(t2-t1)

(1)

式中，x1和x2分別表示對數(shù)期起始時(t1)和結(jié)束時(t2)的藻細胞密度.

1.4.2 快速光反應曲線(rapid light curves，RLC)的測定 取對數(shù)生長期的5種磷濃度梯度培養(yǎng)的擬多甲藻，將藻細胞暗適應20 min后，以浮游植物熒光分析儀(PHYTO-PAM, Waltz 公司，德國)測定其快速光反應曲線，光強梯度設定為1、32、64、192、320、512、704、960、1088和1216 μmol photons/(m2·s)等[12]. 快速光反應曲線通過以下公式擬合[13]：

rETR=ETRmax(1-e-α·PAR/ETRmax)e-β·PAR/ETRmax

(2)

式中，ETRmax是最大電子傳遞速率，α是快速光反應曲線的初始斜率，PAR是光合活性輻射(μmol photons/(m2·s))，β是PSII衰減時候快速光反應曲線的斜率值.

1.4.3 光合放氧測定無機碳吸收效率(P-C曲線) 配制無碳緩沖液(Ci-free buffer)：將Bis-tris propane(BTP)加入到無碳的Carefoot培養(yǎng)基中，配制成終濃度為30 mmol/L的緩沖液，用1 mol/L的HCl調(diào)節(jié)pH值至1.0，然后通高純氮氣30 min，最后用新鮮飽和NaOH溶液將pH值調(diào)至8.0，貯存?zhèn)溆肹14].

離心搜集5個不同外源磷濃度梯度培養(yǎng)的對數(shù)生長期擬多甲藻細胞，去上清液，重懸浮于無碳緩沖液中，沖洗3次. 取3 ml清洗后無碳的藻液于Clark氧電極型光合放氧儀(Chlorolab 2，Hansatech Instruments Ltd.，Norfolk，UK)的反應槽內(nèi)，循環(huán)水浴控溫在15℃，在光強為500 μE/(m2·s)條件下，利用藻細胞光合固碳能力使胞內(nèi)無機碳枯竭，當藻細胞光合放氧達到0，即CO2補償點時，通過微量進樣針從加樣孔加入不同濃度的微量NaHCO3溶液，測定藻細胞的光和放氧速率. 通過以下方程對實驗數(shù)據(jù)進行非線性擬合，其中K0.5為藻細胞的光合作用無機碳親和力的表觀半飽和常數(shù)，即為光合速率達到最大值的一半時的無機碳濃度[15]：

v=Vmax[DIC]/(K0.5+[DIC])

(3)

式中，v是光合速率，Vmax是無機碳飽和狀態(tài)下的光合速率，[DIC]是無機碳濃度，K0.5是表觀無機碳親和力常數(shù)，是光合活性達到最大值一半時對應的無機碳濃度值.

1.5 統(tǒng)計分析方法

現(xiàn)場采樣與實驗室均取樣3份，重復實驗檢測3次. 實驗數(shù)據(jù)用Origin軟件分析，并用均值±標準差表示. 利用SPSS 13.0軟件進行Pearson相關性分析(雙側(cè)檢驗).

2 結(jié)果與分析

2.1 香溪河庫灣水華期浮游植物與環(huán)境因子的相關性分析

圖2 香溪河庫灣浮游植物群落組成(*表示差異顯著，P<0.05,下同)Fig.2 Community composition of phytoplankton in Xiangxi River Bay

2.1.1 香溪河庫灣水華期浮游植物與水體磷的分布 對香溪河庫灣擬多甲藻水華暴發(fā)時期9個采樣點的浮游植物進行分析，結(jié)果表明，南陽河支流的X1、X2、X3、X6點位的浮游植物優(yōu)勢種為擬多甲藻，其密度占浮游植物總密度的比例超過了90%，X7點位處TP濃度最低，采樣時表層水未發(fā)生甲藻水華，其優(yōu)勢種為硅藻；高嵐河支流的X4、X5點位也是水華暴發(fā)的重點區(qū)域，優(yōu)勢種擬多甲藻的細胞密度在107cells/L左右，其密度占浮游植物總密度的比例也超過了90%(圖2).

從圖3可以看出，香溪河庫灣X3、X4、X5點位的TP濃度較高，分別達到了0.20、0.17和0.14 mg/L；X1與X2點位的TP濃度低于0.15 mg/L，這是因為X1和X2點位位于南陽河支流沿岸磷化工廠上游，磷化工廠向水體貢獻的營養(yǎng)鹽為下游點位X3、X6的擬多甲藻提供了迅速生長所需的磷源；X8、X9點位在香溪河干流上，由于春季水位較高，長江干流來水的頂托作用稀釋了水體TP濃度[16]，因此X8和X9點位水體TP濃度不高，低于0.1 mg/L，也并未發(fā)生水華.

2.1.2 香溪河庫灣水華期浮游植物細胞密度與環(huán)境因子的相關性分析 香溪河庫灣水華期浮游植物細胞密度與pH、電導率、DO、TN和氨氮濃度無顯著相關關系，細胞密度與水體TP濃度呈顯著正相關(Pearson系數(shù)r=0.791，P<0.05；表1).

表1 香溪河庫灣水華期浮游植物密度與水質(zhì)理化指標參數(shù)的相關性分析

*表示顯著,P<0.05，下同.

2.2 不同磷濃度下擬多甲藻的比生長速率

對6種不同磷濃度培養(yǎng)基培養(yǎng)的純種擬多甲藻比生長速率進行比較(圖4)，結(jié)果表明磷濃度越高，擬多甲藻生長越快，比生長速率越高. 0～0.1 mg/L磷濃度條件下培養(yǎng)的擬多甲藻的比生長速率從0.0567±0.0012 d-1升高到0.0811±0.0034 d-1，0.6 mg/L磷濃度下培養(yǎng)的擬多甲藻的比生長速率有顯著升高，為0.1281±0.0161 d-1(P<0.05). 這說明，高濃度磷能顯著促進擬多甲藻的生長.

圖3 香溪河庫灣水體總磷濃度Fig.3 Concentrations of total phosphorus in Xiangxi River Bay

圖4 不同總磷濃度條件下擬多甲藻的比生長速率Fig.4 Specic growth rate of Peridiniopsis at different total phosphorus concentrations

表2 不同總磷濃度條件下擬多甲藻快速光曲線的光合參數(shù)

Tab.2 Photosynthetic parameters in RLC-curves of Peridiniopsis at different total phosphorus concentrations

總磷濃度/(mg/L)α(RLC初始斜率)ETRmax00.286±0.02968.120±1.8140.0050.290±0.02870.021±1.0120.0200.289±0.02685.212±2.1420.1000.301±0.02594.234±2.2210.6000.315±0.025*109.600±5.040*

2.3 不同磷濃度下擬多甲藻的快速光反應曲線

不同磷濃度培養(yǎng)的擬多甲藻的RLC曲線有顯著差異(圖5). RLC曲線的初始斜率(α)和ETRmax均隨著培養(yǎng)基磷濃度的升高而顯著升高(P<0.05)(表2). RLC曲線的初始斜率反映其光合效率，結(jié)果顯示外源磷的增加可提高擬多甲藻的光合效率；外源磷供給越多，擬多甲藻的RLC曲線越高，ETRmax也越高，這說明高磷的營養(yǎng)條件使得其達到ETRmax的光飽和值增大，對于光能的捕獲更加高效，電子傳遞速率更快.

表3 不同總磷濃度條件下擬多甲藻P-C曲線的動力學參數(shù)

Tab.3 Kinetic parameters in the P-C curves of Peridiniopsis at different total phosphorus concentrations

總磷濃度/(mg/L)Pmax/(μmolO2/(μgChl.a·min))P-C曲線初始斜率00.00212±0.001010.000110.0050.00213±0.000930.000140.0200.00221±0.001130.000130.1000.00245±0.001260.000170.6000.01617±0.00107*0.00056*

2.4 不同磷濃度下擬多甲藻對外源無機碳的吸收曲線

從擬多甲藻對外源無機碳的吸收曲線(P-C曲線)可以看出，磷濃度越高，擬多甲藻能達到的最大光合放氧值(Pmax)也越高(P<0.05)，0～0.1 mg/L磷濃度條件下培養(yǎng)的擬多甲藻的Pmax均在0.002 μmol O2/(μg Chl.a·min)左右，0.6 mg/L磷濃度培養(yǎng)的擬多甲藻則達到了0.016 μmol O2/(μg Chl.a·min)(圖6). 由于Pmax的差異顯著，因此不宜用表觀無機碳親和力常數(shù)K0.5來評價擬多甲藻對無機碳的吸能能力，以P-C曲線的初始斜率來衡量不同培養(yǎng)條件下擬多甲藻對無機碳的親和力(表3)[17]. 環(huán)境中磷濃度越高，越能提高擬多甲藻的固碳效率，0～0.1 mg/L 的磷濃度下培養(yǎng)的擬多甲藻的P-C曲線初始斜率低于0.00020，0.6 mg/L磷濃度下培養(yǎng)的擬多甲藻顯著升高到了0.00056(P<0.05). 說明高磷條件可顯著增強擬多甲藻對無機碳的吸收.

圖5 不同總磷濃度條件下擬多甲藻的快速光曲線Fig.5 Rapid light curves of Peridiniopsis at different total phosphorus concentrations

圖6 不同總磷濃度條件下擬多甲藻的P-C曲線Fig.6 P-C curves of Peridiniopsis at different total phosphorus concentrations

3 討論

圍繞三峽水庫擬多甲藻水華暴發(fā)的生態(tài)學機理研究已經(jīng)很多，由于其暴發(fā)地屬于河湖態(tài)深水水庫，大量的研究關注水庫水文條件與其形成的關系[18-19]，以及擬多甲藻垂直遷移行為與水庫水文條件的關系等[9,20]. 而三峽水庫香溪河流域是我國最大的磷礦開發(fā)與加工的基地之一，磷礦的開采和化工加工產(chǎn)業(yè)仍然不可避免地給庫灣水體增加了營養(yǎng)鹽負擔.

磷是浮游植物生長所需的必須元素，參與細胞的生長和能量的傳遞等重要新陳代謝過程，是組成生命體不可或缺的結(jié)構(gòu)和功能成分；對于水華藻類而言，磷常常是水體中限制性因素，缺磷影響細胞的合成以磷酸酯為基礎的DNA和RNA，影響ATP的合成，導致細胞代謝過程中的能量缺乏，并抑制光合作用[21-23]. 本研究顯示，水體磷濃度越高，擬多甲藻生長越迅速，其光合效率越高，高濃度的外源磷條件還促進了擬多甲藻對無機碳的吸收. 由此推斷，在香溪河水庫，高磷背景可能是甲藻水華暴發(fā)的關鍵因素之一.

光系統(tǒng)II(PSII)的相對電子傳遞速率表示葉綠體中色素通過PSII向光合反應鏈傳遞電子的能力，并間接反映其光化學效率的高低[24-25]. 本研究中實驗室驗證了較高濃度磷條件下培養(yǎng)的擬多甲藻具有較高的光能利用效率和相對最大電子傳遞速率，這可能是因為磷濃度較高的環(huán)境，藻細胞能向光合磷酸化供應的無機磷增加，光合磷酸化的能力提高，加快了與之相聯(lián)系的電子傳遞，促使電子受體質(zhì)體醌的氧化還原過程，提高了光能的利用效率[26]和電子傳遞速率，最終體現(xiàn)為光合效率的顯著升高.

Beardall等[27]的研究顯示，磷限制條件下Chlorella的CCM機制受到抑制，其K0.5值從無限制磷源的4.48 μmol/L升高至12.67 μmol/L；而本研究通過梯度給予其磷源，高磷條件下其P-C曲線的初始斜率顯著高于低磷培養(yǎng)條件，香溪河采樣也證實，高磷水體中擬多甲藻的細胞密度較高，這可能是因為高磷條件充足的磷供給加快了ATP的高效合成，增加了細胞質(zhì)膜上的H+-ATP酶的活性，使得無機碳在質(zhì)膜上的運輸變得更快速高效[28-30]. 光合與固碳能力互相促進，最終體現(xiàn)為擬多甲藻比生長速率增大，在短時間產(chǎn)生極大的生物量.

因此，香溪河庫灣水體磷可能是擬多甲藻暴發(fā)的一個重要因素，在水文條件難以改變的情況下，對區(qū)域磷礦產(chǎn)業(yè)的控源截污應是控制擬多甲藻水華暴發(fā)的有效手段.

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Response mechanism ofPeridiniopsisbloom to phosphorus in Xiangxi River Bay of Three Gorges Reservoir

WU Xinghua1, LI Chong1, CHEN Lei1, ZHAO Ying1& WANG Hao2

(1:ChinaThreeGorgesCorporation,Beijing100038,P.R.China)(2:ChinaInstituteofWaterResourceandHydropowerResearch,Beijing100038,P.R.China)

This study attempts to explore the physiological responses ofPeridiniopsisbloom to phosphorus concentrations in Xiangxi River Bay of Three Gorges Reservoir. The population dynamics of phytoplankton and some environmental factors of waterbody were investigated on 9 sampling sites in the Xiangxi River Bay during water bloom period in spring of 2015. A strain ofPeridiniopsiswas isolated and purified from Xiangxi River. Specic growth rates ofPeridiniopsiswere measured at 5 different concentrations(0, 0.005, 0.020, 0.100 and 0.600 mg/L)of phosphorus culture medium. Rapid light curves, photosynthetic oxygen evolution vs. inorganic carbon concentration curves and their parameters were examined at logarithmic growth phase. Results show that the high cell density ofPeridiniopsismay indicate a high total phosphorus concentration. The conditions of high phosphorus could enhance photosynthetic efficiency ofPeridiniopsis, stimulate its growth, and increase its affinity for inorganic carbon. Therefore, high phosphorus content in water environment may be one of the key factors to promote the outbreak of dinoagellatePeridiniopsisblooms.

Peridiniopsis; phosphorus; Three Gorges Reservoir; photosynthesis; physiological response

國家重點研發(fā)計劃重點專項(2016YFC0502210)和國家自然科學基金項目(41301097)聯(lián)合資助. 2016-11-10收稿; 2017-01-07收修改稿. 吳興華(1979～)，女，博士，工程師；E-mail：wenluo8015@126.com.

DOI 10.18307/2017.0503