不同光照條件下米氏凱倫藻和東海原甲藻生長的溫度生態(tài)幅

文世勇, 劉希真, 王紫竹, 余 駿,張豐收,劉永健,宋琍琍

1 國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心,大連 116023 2 浙江省海洋監(jiān)測預(yù)報中心,杭州 310012

謝爾福德耐受性定律(Shelford′s law of tolerance)表明生物對其生存環(huán)境的適應(yīng)有一個生態(tài)學(xué)最小量和最大量的界限,生物只有處于這兩個限度范圍之間生物才能生存,這個最小到最大的限度稱為生物的耐受性范圍[1- 2]。表征藻類生態(tài)幅的重要特征參數(shù)主要有藻類生長的最適溫度、適溫范圍(適宜藻類生長的溫度上限及下限)、耐受溫度范圍(藻類生存的溫度上限及下限)。不同環(huán)境條件下藻類生長的生態(tài)幅也有所改變。海水溫度高低及其變化情況,是浮游植物生長的關(guān)鍵因素之一。不同的浮游植物對溫度的反應(yīng)存在有明顯差別。

根據(jù)國家海洋局發(fā)布的歷年的《中國海洋災(zāi)害公報》統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明米氏凱倫藻(Kareniamikimotoi)和東海原甲藻(Prorocentrumdonghaiense)是我國東南沿海地區(qū)赤潮的主要優(yōu)勢種。海水溫度對海洋浮游植物生物生長狀況影響機(jī)制的研究關(guān)注已久,如Talling針對水溫的季節(jié)性變化對某些藻類生長率的影響做了分析概括[3]；Yentsch 和Lee根據(jù)不同藻種的溫度響應(yīng)機(jī)制,對藻種最大生長率作了歸納整理[4]；Goldman 和Carpenter分析了溫度對種群生長的動態(tài)影響機(jī)制[5],Eppley依據(jù)多個藻種的實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)數(shù)據(jù),建立了浮游植物群落最大比生長率的溫度響應(yīng)模型[6]；Moisan等根據(jù)Eppley 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)一步給出了單一藻種最大比生長率的溫度響應(yīng)模式[7]；陳艷攏等根據(jù)Moisan經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蚐helford耐受性定律建立了赤潮藻類的溫度生態(tài)幅(最適溫度、適溫范圍及耐受范圍)定量表達(dá)模型[8]。目前,獲取海洋藻類的最適溫度、適溫范圍及溫度耐受范圍的途徑一般根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計的溫度梯度對藻類生長特性影響的實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)結(jié)果得到相應(yīng)的最適溫度、適溫范圍及溫度耐受范圍[9- 15]；或者是根據(jù)赤潮生肖過程中現(xiàn)場監(jiān)測得到的生物量大小與溫度的對應(yīng)關(guān)系來確定[16- 21],但是由于實(shí)驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的離散性,造成難以準(zhǔn)確地定量表達(dá)出赤潮藻類的溫度生態(tài)幅參數(shù)。

本文通過一次性培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)研究了不同光照條件下不同溫度對米氏凱倫藻和東海原甲藻生長的影響,分別建立了米氏凱倫藻和東海原甲藻在不同光照條件下生長的溫度生態(tài)幅模型,并分別獲取了米氏凱倫藻和東海原甲藻生長的最適溫度、適溫范圍及耐受溫度范圍,為研究藻類生長生理生態(tài)提供支持,以期為闡明米氏凱倫藻和東海原甲藻這兩種藻形成赤潮的機(jī)理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)藻種選取近幾年來東海近岸海域多發(fā)藻種——米氏凱倫藻(Kareniamikimotoi)和東海原甲藻(Prorocentrumdonghaiense)為實(shí)驗(yàn)藻種,藻種由暨南大學(xué)赤潮與水環(huán)境研究中心藻種庫提供。采用5000 mL錐形燒瓶置于光照培養(yǎng)箱內(nèi)靜置培養(yǎng)。光照度(日光燈)約58.5 μmol m-2s-1,光暗比為12L∶12D。藻種培養(yǎng)用人工海水配置的 f/2 培養(yǎng)液,其中氮濃度為75 μmol/L,磷濃度為1 μmol/L,實(shí)驗(yàn)用人工海水按照Harrison配方配制(鹽度為30.5‰ PSU)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)包括4個溫度水平(18,22,25,28℃)和3個光照水平(28.32,75.06,111.66 μmol m-2s-1)。在無菌條件下,分別將處于指數(shù)生長期的米氏凱倫藻和東海原甲藻藻液接種于3000 mL新鮮的f/2 培養(yǎng)液中(為保持藻種生長環(huán)境的前后一致,實(shí)驗(yàn)結(jié)束后所剩藻液至少不少于初始藻液的2/3),使藻數(shù)量約為50×104個/L,同一藻種相同溫度各水平保持相同起始密度。每隔24 h取樣用魯哥氏液固定后,血球計數(shù)板計數(shù),然后換算為藻細(xì)胞密度,培養(yǎng)時間約25 d。

1.3 數(shù)據(jù)處理分析方法

在顯微鏡下用計數(shù)框隔天計數(shù),每瓶計數(shù)3次,后根據(jù)平行樣的均值再取平均值作為當(dāng)天的藻類細(xì)胞密度,記錄一個生長周期左右,以培養(yǎng)時間為橫坐標(biāo),每1 mL液體中的細(xì)胞數(shù)為縱坐標(biāo),繪制細(xì)胞密度-培養(yǎng)時間t的藻類生長曲線。

根據(jù)公式(1)和公式(2)分別計算出藻類在不同條件下的最大比生長速率,以環(huán)境要素為橫坐標(biāo),藻類最大比生長速率為縱坐標(biāo),繪制藻類最大比生長率-環(huán)境要素的關(guān)系曲線。

(1)

式中,μ′表示藻類比生長速率(d-1),N為藻類細(xì)胞密度(個/L),t表示藻類的生長時間(d)。

(2)

式中,μmax表示藻類最大比生長速率(d-1),μ′同式(1)。

采用單因素方差分析法(One-Way ANOVA analysis)對不同培養(yǎng)條件下的細(xì)胞數(shù)、比生長速率和最大比生長速率差異顯著性進(jìn)行分析。

2 結(jié)果

2.1 不同光照條件下不同溫度水平對米氏凱倫藻和東海原甲藻生長特性的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)結(jié)果,分別得到在28.32,75.06,111.66 μmol m-2s-1不同光照條件下,不同溫度水平(18,22,25,28℃)對米氏凱倫藻細(xì)胞密度的影響和東海原甲藻細(xì)胞密度的影響(圖1),并根據(jù)公式(1)和公式(2)得到28.32,75.06,111.66 μmol m-2s-1不同光照條件下,不同溫度水平(18,22,25,28℃)對米氏凱倫藻比生長率的影響和東海原甲藻比生長率的影響(圖2)。

從圖1和圖2上均可看出,米氏凱倫藻和東海原甲藻生長經(jīng)歷了延滯期、指數(shù)增長期、穩(wěn)定期和衰亡期4個階段,表現(xiàn)為“S”型生長曲線。當(dāng)培養(yǎng)光照強(qiáng)度為28.32 μmol m-2s-1時,米氏凱倫藻在18、22、25℃和28℃條件下的藻細(xì)胞數(shù)分別為1238.93×104,2160.31×104,1891.56×104個/L和1023.78×104個/L,其比生長率分別為1.13,1.87,1.64和0.91 d-1,東海原甲藻在18、22、25℃和28℃條件下的藻細(xì)胞數(shù)分別為1209.59×104,1659.54×104,1373.02×104個/L和857.56×104個/L,其比生長率分別為1.18,1.73,1.38 d-1和0.72 d-1；當(dāng)培養(yǎng)光照強(qiáng)度為75.06 μmol m-2s-1時,米氏凱倫藻在18、22、25℃和28℃條件下的藻細(xì)胞數(shù)分別為1854.29×104,3198.51×104,2774.93×104個/L和1484.92×104個/L,其比生長率分別為1.71,2.81,2.45和1.33 d-1,東海原甲藻在18、22、25和28 ℃條件下的藻細(xì)胞數(shù)分別為1786.33×104,2425.22×104,1984.47×104個/L和1225.43×104個/L,其比生長率分別為1.77,2.55,2.01 d-1和1.05 d-1；當(dāng)培養(yǎng)光照強(qiáng)度為111.66 μmol m-2s-1時,米氏凱倫藻在18、22、25℃和28℃條件下的藻細(xì)胞數(shù)分別為1763.3×104, 3015.89×104,2597.69×104個/L和1377.76×104個/L,其比生長率分別為1.59,2.58,2.25 d-1和1.22 d-1,東海原甲藻在18、22、25℃和28℃條件下的藻細(xì)胞數(shù)分別為1680.98×104,2263.49×104,1836.18×104個/L和1123.81×104個/L,其比生長率分別為1.62,2.34,1.82d-1和0.92d-1。

此外,從圖1和圖2上還可看出,無論是米氏凱倫藻還是東海原甲藻,在相同培養(yǎng)光照條件下,在設(shè)定的溫度水平范圍內(nèi),分別存在一個適宜米氏凱倫藻和東海原甲藻生長的最適溫度Topt,且當(dāng)T≤Topt時,米氏凱倫藻和東海原甲藻細(xì)胞密度和比生長率隨著溫度的升高而顯著增大(ANOVA,P<0.05)；而當(dāng)T≥Topt時,米氏凱倫藻和東海原甲藻細(xì)胞密度和比生長率隨著溫度的升高而顯著減小(ANOVA,P<0.01)。此外,隨著培養(yǎng)光照強(qiáng)度的升高,米氏凱倫藻和東海原甲藻細(xì)胞密度和比生長率均呈現(xiàn)“先升后降”的變化趨勢。

圖1 不同光照條件下不同溫度對米氏凱倫藻和東海原甲藻細(xì)胞密度的影響Fig.1 Cell density of Karenia mikimotoi and Prorocentrum donghaiense in various temperature at different light intensities

圖2 不同光照條件下米氏凱倫藻和東海原甲藻比生長率與溫度的關(guān)系曲線Fig.2 Maximum specific growth rate of Karenia mikimotoi and Prorocentrum donghaiense as a function of temperature at different light intensities

2.2 不同光照條件下米氏凱倫藻和東海原甲藻的溫度耐受性模型的建立

根據(jù)圖2,并結(jié)合藻類生長遵循的謝爾福德耐受性定律,在數(shù)據(jù)分析平臺(OriginLab 7.5)下通過模型擬合(圖2),分別得到不同光照條件米氏凱倫藻和東海原甲藻比生長速率與溫度之間的關(guān)系響應(yīng)模型(3)、及其對應(yīng)的模型參數(shù)(表1)及模型的相關(guān)性分析(圖3)。

(3)

式中,μmax為藻類最大比生長速率(d-1)；T為溫度(℃)；Topt為適宜藻類生長的最適溫度(℃)；σ為藻類對溫度的耐受度；a為參數(shù)。

2.3 不同光照條件下米氏凱倫藻和東海原甲藻的溫度生態(tài)幅定量表達(dá)

藻類生長的最適溫度是在其他環(huán)境條件不變情況下,藻類生長處于最佳生長狀態(tài)的溫度。藻類生長的適溫范圍是指藻類生長處于較好生長狀態(tài)的溫度范圍。藻類生長的耐受溫度范圍是指當(dāng)過低或過高都會使藻類生長受到抑制,乃至死亡的溫度范圍。根據(jù)前期建立的生態(tài)幅定量表達(dá)式的研究成果[22],分別獲取了米氏凱倫藻和東海原甲藻在不同培養(yǎng)光照條件下的最適溫度、適溫范圍(適宜藻類生長的溫度上限及下限)、耐受溫度范圍(藻類生存的溫度上限及下限)(表2)。

表1 不同培養(yǎng)條件下米氏凱倫藻和東海原甲藻比生長率與溫度的耐受性擬合模型(3)的相應(yīng)參數(shù)

圖3 藻類比生長率模型值與實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)性分析Fig.3 Correlation analysis of the model value and the experimental value

Table2ThetemperatureecologicalamplitudeofKareniamikimotoiandProrocentrumdonghaienseatdifferentphotosyntheticallyactiveradiationconditions

實(shí)驗(yàn)藻種Experimental algae最適溫度The optimum temperature for algal growth/℃溫度適宜生長范圍Suitable temperature ranges for algal growth/℃溫度生態(tài)幅(耐受限度)Tolerance temperature ranges for algal growth/℃實(shí)驗(yàn)條件Experimental conditions米氏凱倫藻22.4817.93—27.0313.38—31.58光照強(qiáng)度為28.32 μmol m-2 s-1Karenia mikimotoi22.3717.82—26.9213.27—31.47光照強(qiáng)度為75.06 μmol m-2 s-122.3317.78—26.8813.23—31.43光照強(qiáng)度為111.66 μmol m-2 s-1東海原甲藻22.1017.59—26.6113.08—31.12光照強(qiáng)度為28.32 μmol m-2 s-1Prorocentrum21.9917.48—26.512.97—31.01光照強(qiáng)度為75.06 μmol m-2 s-1donghaiense21.9317.42—26.4412.91—30.95光照強(qiáng)度為111.66 μmol m-2 s-1

3 討論

海水溫度是控制浮游藻類生長的一個重要理化因子。本文研究結(jié)果表明在本實(shí)驗(yàn)設(shè)置的溫度梯度范圍內(nèi),均存在一個最適實(shí)驗(yàn)藻種生長的溫度(Topt)。當(dāng)T≤Topt時,實(shí)驗(yàn)藻種的細(xì)胞數(shù)和比生長速率均隨著溫度T的增大而增大；當(dāng)T≥Topt時,實(shí)驗(yàn)藻種的細(xì)胞數(shù)和生長速率均隨著溫度T的增大而減小,說明過低和過高的溫度都不利于實(shí)驗(yàn)藻種的生長,只有在合適的溫度條件下才有利于實(shí)驗(yàn)藻種生長,這個結(jié)果與Shelford耐受性定律相一致[1- 2],與其他研究者關(guān)于溫度對藻類生長特性的影響機(jī)制得到的結(jié)論也是相一致的[6- 8,23]。此外,隨著培養(yǎng)光照強(qiáng)度的升高,實(shí)驗(yàn)藻種的細(xì)胞密度和比生長率均呈現(xiàn)“先升后降”的變化趨勢,表明過低和過高的光照強(qiáng)度都不利于實(shí)驗(yàn)藻種的生長,只有在合適的光照強(qiáng)度條件下才有利于實(shí)驗(yàn)藻種生長,這個結(jié)果與Shelford耐受性定律相一致[1- 2],與其他研究者關(guān)于光照強(qiáng)度對藻類生長特性的影響機(jī)制得到的結(jié)論也是相一致的[24- 28]。

從表2可知米氏凱倫藻和東海原甲藻在不同光照強(qiáng)度條件下的最適溫度均不同,且隨著培養(yǎng)光照強(qiáng)度的升高而降低的變化趨勢(表2),表明實(shí)驗(yàn)藻種在不同光照條件下的最適溫度并不是一個固定值,這與“當(dāng)某種生物對某一特定生態(tài)因子不是處在最佳狀態(tài)時,對其他生態(tài)因子的耐受限度可能隨之下降”[29- 30]是一致的。不同光照條件下最適生長溫度的變化導(dǎo)致了相應(yīng)的藻類溫度適宜生長范圍和溫度生態(tài)幅(耐受限度)也隨著變化(表2)。Gentien的研究結(jié)果表明米氏凱倫藻生長范圍為4—31℃[9]；沈盎綠在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明米氏凱倫藻的最適生長溫度24℃[10]；龍華和杜琦根據(jù)福建連江海域的氏凱倫藻赤潮的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)得出米氏凱倫藻適宜的溫度范圍為20—24℃,最高的細(xì)胞密度出現(xiàn)在23℃[16]；姚煒民等根據(jù)浙江海域米氏凱倫藻赤潮的連續(xù)監(jiān)測分析得出米氏凱倫藻生長所需最佳水溫為23.4—23.8℃[17],這些結(jié)果與本文得到的米氏凱倫藻結(jié)果(表2)存在一定的差異。陳炳章等在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明東海原甲藻的最適生長溫度為22℃[11]；由希華在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明溫度對東海原甲藻的生長有極顯著性影響,在本實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)東海原甲藻的適溫范圍為17—26℃,最適溫度為23—26℃[12]；趙水東的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明東海原甲藻的最適生長溫度范圍為20—27℃,最適溫度為24℃,溫度對東海原甲藻生長有極顯著的影響[13]；鄧光等在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明東海原甲藻的藻適宜的溫度范圍是15—30℃,最適溫度22—28℃,低于9℃和高于33℃,不能進(jìn)行光合作用[14]；Xu等的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明東海原甲藻可以在10—27℃溫度范圍內(nèi)正常生長[15]；沈盎綠在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明東海原甲藻的最適生長溫度20℃[10]；王金輝和黃秀清對2000年5月、2001年5月、2002年5月在東海長江口和舟山海域發(fā)生的東海原甲藻赤潮應(yīng)急監(jiān)測資料和野外生態(tài)調(diào)查資料分析結(jié)果表明東海原甲藻的適溫范圍15—25℃,最適溫度、為18—22℃[18]；龍華根據(jù)福建海域的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明東海原甲藻適宜水溫范圍為18—28℃,最適水溫為22—28℃[19]；陳翰林等根據(jù)東海赤潮高發(fā)區(qū)東海原甲藻赤潮的跟蹤調(diào)查數(shù)據(jù)認(rèn)為東海原甲藻的最適生長溫度在19℃左右[20]；李榮茂根據(jù)福建北部海域的東海原甲藻赤潮應(yīng)急跟蹤監(jiān)測資料及赤潮發(fā)生海域的生態(tài)浮標(biāo)連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明福建沿岸的東海原甲藻的適溫范圍在18.2—21.8℃[21],這些結(jié)果與本文得到的東海原甲藻結(jié)果(表2)存在一定的差異。產(chǎn)生這些差異性的原因主要是：(1)溫度對浮游植物生長的影響存在一定的種間特異性[31]；(2)其他實(shí)驗(yàn)條件存在差異,導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異性。因此,不同學(xué)者在不同實(shí)驗(yàn)條件下得到的研究結(jié)果也不相同。通過對藻類溫度生態(tài)幅的研究有助于了解溫度對藻類生長的影響機(jī)制。