藍藻水華暴發(fā)期間養(yǎng)殖池塘浮游藻類動態(tài)變化*

常孟陽 李晨露 董 靜 尚向陽 王佳慧 牛萌萌

(河南師范大學水產(chǎn)學院 新鄉(xiāng) 453007)

浮游藻類是水生生態(tài)系統(tǒng)中重要的初級生產(chǎn)者，其種類、數(shù)量和生物多樣性的變化與水環(huán)境密切相關，并決定著水生生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能，是評價水體營養(yǎng)程度和水質狀況的重要指標之一。很多藻類還是浮游動物和魚類的主要食物來源和開口餌料，總之，浮游藻類是水生生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分。近年來，隨著池塘養(yǎng)殖密度增大，餌料投放導致 N、P含量大幅度增加，養(yǎng)殖池塘(尤其在夏季高溫)往往大范圍暴發(fā)藍藻(Cyanobacteria)水華(宋超等, 2012a, b；Hallegreff, 1993)。藍藻水華暴發(fā)給養(yǎng)殖水生態(tài)系統(tǒng)帶來了極大威脅(包括水質理化參數(shù)改變、生物群落結構變化、高等經(jīng)濟動物不宜生存)(李媛等, 2015； 陳小鋒等, 2014； 楊桂山等, 2010； Vasconceloset al,2001)。此外，微囊藻(Microcystissp.)還會向水體釋放次級代謝產(chǎn)物(微囊藻毒素)，微囊藻毒素(Microcystins, MCs)分布廣、毒性大，具有肝臟毒性和腫瘤促進作用，水體中 MCs積累到一定含量時，就會對水生生物產(chǎn)生毒害作用，影響水生態(tài)環(huán)境安全和水產(chǎn)品質量(厲威池等, 2014； 蘇雅玲等, 2013； Romoet al,2012)。藍藻水華暴發(fā)期間，水體 MCs的含量不可忽視。因此，養(yǎng)殖池塘水體富營養(yǎng)化是當前關注的熱點之一。

目前，關于水華期間藻類群落結構變化的研究在湖泊、水庫等大型水體報道較多，對養(yǎng)殖水體研究較少。而關于藍藻水華暴發(fā)期間，集約化養(yǎng)殖池塘MCs含量的監(jiān)測尚未報道(王超等, 2013； Papadimitriouet al, 2012； 劉峰等, 2011； 楊柳等, 2011； 陸開宏等,2008)。夏季是池塘藻類繁殖的高峰期，魚類生長較快，水質變化較大，此時，對池塘水質進行準確評價分析具有重要意義。對于藍藻水華暴發(fā)期間的養(yǎng)殖池塘進行監(jiān)測，對水體改善提供一定的理論依據(jù)(喬麟等, 2017； 李恒等, 2013； 閆家國等, 2012； Illuminatiet al, 2012； 高云霓等, 2007)。

本文通過研究藍藻暴發(fā)期間，養(yǎng)殖池塘理化因子和浮游藻類動態(tài)變化，可以反映藍藻暴發(fā)池塘生態(tài)環(huán)境狀況。另外，考慮到池塘水環(huán)境對水產(chǎn)品質量安全的影響，本研究也進行了養(yǎng)殖池塘水體和藻類細胞MCs含量的測定，為暴發(fā)藍藻的養(yǎng)殖池塘水質和水產(chǎn)品質量安全提供基礎數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 養(yǎng)殖池塘概況

本研究在河南師范大學養(yǎng)殖基地池塘進行(35°19'38.363″ N, 113° 54' 09.482″ E)，面積為 200 m2的水泥池，水深為1.8～2.0 m，連續(xù)多年7～9月暴發(fā)藍藻水華，該養(yǎng)殖池塘為典型成魚池，主要養(yǎng)殖種類為鯉(Carassius auratus)、錦鯉(Cyprinus carpio haematopterus)、鯽魚(Carassius auratus)、草魚(Ctenopharyngodon idellus)以及麥穗(Pseudorasbora parva)等。

1.2 藻類采集與計數(shù)

對調查池塘進行浮游藻類水樣采集并分析。浮游藻類采樣水深為 0.5 m，采樣1 L，立即加入15 ml魯哥氏液固定，樣品帶回實驗室，沉淀48 h，濃縮至50 ml。采用光學顯微鏡，取0.1 ml樣品于計數(shù)框內(nèi)，顯微鏡下觀察計數(shù)，每份樣品重復 3次，每次計數(shù)50 個視野。浮游藻類鑒定及計數(shù)參考《中國淡水藻類》(胡鴻鈞等, 2006)、《中國淡水生物圖譜》(韓茂森等, 1995)、《湖泊富營養(yǎng)化調查規(guī)范》(金相燦等, 1990)等。以藻類密度＞5%浮游藻類總密度定義為優(yōu)勢種。

1.3 水質檢測

在池塘中設置固定水質采樣點。每次08：00開始采樣并測定。測定水溫(WT)，用采水器采集0.5 m水樣1 L，用孔徑為0.45 μm的微孔濾膜(水系混合纖維素)，抽濾水樣，用于測定氨氮(-N)、硝態(tài)氮(-N)、可溶性總氮(TDN)、可溶性總磷(TDP)、正磷酸鹽(SRP)等因子的測定；使用原水樣進行總磷(TP)和總氮(TN)的測定。水樣營養(yǎng)鹽測定方法參考《水和廢水檢測分析方法》第Ⅳ版(魏復盛, 2002)。

MCs測定使用微囊藻毒素ELISA檢測試劑盒，購于中國科學院水生生物研究所(武漢)。取1 L水樣，用真空泵經(jīng)過玻璃纖維濾膜(Whatman GF/C, 英國)過濾后分為濾液和濾膜兩部分，濾膜上的藻細胞用于測定胞內(nèi)毒素(Intracellular MCs)，濾液用于測定胞外毒素(Extracellular MCs)。每份樣品重復3次，藻細胞毒素采用凍融方法提取，主要參考囊藻毒素 ELISA檢測試劑盒藻細胞樣品處理方法進行。

1.4 數(shù)據(jù)計算方法

本研究所分析的相關參數(shù)及計算方法如下：浮游藻類密度計算公式(趙文, 2005)如下：

式中，N'為浮游藻類密度，Cs為計數(shù)框面積(mm2)，F(xiàn)n為視野數(shù)，F(xiàn)s為視野面積(mm2)，U為計數(shù)框體積(ml)，V1為濃縮體積(ml)，Pn為計數(shù)出的藻類個數(shù)。

生物量：用細胞體積法推算生物量(趙文, 2005)。

浮游藻類生物多樣性：浮游藻類生物多樣性采用Shannon-Wiener香農(nóng)-維納多樣性指數(shù)(H')(Shannonet al, 1949)、Margalef 物種豐富度指數(shù)(dMa) (Marganefet al, 1968)、Pielou均勻度指數(shù)表示(J) (Pielouet al,1969)，微囊藻優(yōu)勢度采用 Berger-Parker優(yōu)勢度指數(shù)(D)表示(潘曉潔等, 2014)，其計算公式如下：

式中，N為樣品中所有物種的總個體數(shù)，nmax為優(yōu)勢種的個體數(shù)，J為均勻度指數(shù)，S為物種數(shù)目，Pi為第i種的個體數(shù)與樣品中總個體數(shù)的比值。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)整理和作圖采用 Excel 2010軟件。應用Canoco 4.5軟件進行浮游植物與環(huán)境因子間的關系分析。在數(shù)據(jù)分析前進行物種數(shù)據(jù)適合的模型檢測，對浮游藻類密度數(shù)據(jù)進行除趨勢對應分析(Detrended correspondence analysis, DCA)，根據(jù)其軸長度確定分析類型[大于4使用典范對應分析(Canonical correspondence analysis, CCA)，小于 3使用冗余分析(Redundancy analysis, RDA)，處于3～4二者均可]。另外，在分析過程中, 對物種變量進行l(wèi)g(x+1)轉換(Janet al, 2003)。

2 結果與分析

2.1 養(yǎng)殖池塘水體營養(yǎng)鹽的動態(tài)變化

營養(yǎng)鹽動態(tài)變化見圖1和圖2。從圖1和圖2可以看出，TP和TN變化不大，TP最高值出現(xiàn)在8月31日，為0.51 mg/L，最低值出現(xiàn)在8月28日，為0.32 mg/L。TN最高值出現(xiàn)在7月14日，為7.09 mg/L，最低值出現(xiàn)在8月7日，為4.18 mg/L。SRP所占比例在 7、8月上、中旬較平穩(wěn)，8月下旬波動較大。-N、-N所占比例有波動，在8月中旬平均所占比例最小(圖3和圖4)。

圖1 養(yǎng)殖池塘總磷(TP)含量動態(tài)變化Fig.1 Variation of total phosphorus contents in aquaculture ponds

圖2 養(yǎng)殖池塘總氮(TN)含量動態(tài)變化Fig.2 Variation of total nitrogen contents in aquaculture ponds

2.2 浮游藻類種類組成及分布

圖3 養(yǎng)殖池塘正磷酸鹽含量所占比例變化Fig.3 Variation of orthophosphate in aquaculture ponds

圖4 養(yǎng)殖池塘各形態(tài)氮含量所占比例變化Fig.4 Variation of ammonia nitrogen and nitrate nitrogen in aquaculture ponds

在藍藻暴發(fā)的 7月中旬、8月的種類組成中，7月共鑒定浮游藻類21種(屬)，8月共鑒定17種(屬)。隸屬于藍藻門(Cyanophyta)、隱藻門(Cryptophypa)、硅藻門(Bacillariophyceae)、裸藻門(Euglenophyta)和綠藻門(Chlorophyta)(表 1)。綠藻門種類組成所占比例最大，但每種數(shù)目較少，其次是藍藻門。7月和8月水華優(yōu)勢種均為微囊藻，優(yōu)勢度高達99%(圖5)。在浮游藻類種類中有四尾柵藻(Scenedesmus quadricanda)。在調查期間，除微囊藻外數(shù)目較多，其他各藻類數(shù)量比較少，8月下旬硅藻門的小環(huán)藻(Cyclotellasp.)數(shù)目增多，藍藻暴發(fā)期間，優(yōu)勢種種類單一(表2)。

2.3 浮游藻類豐度與生物量

浮游藻類豐度變化范圍為(0.883～12.666)×108cells/L，最高值出現(xiàn)在7月20日，最低值出現(xiàn)在8月 28日。生物量變化范圍為 9.740～70.020 mg/L，豐度和生物量出現(xiàn)的最高值與最低值的時間一致。生物量在7月中旬有波動，8月相對平穩(wěn)，這可能與藍藻水華暴發(fā)盛期，微囊藻在8月為優(yōu)勢藻種有關(圖6和圖7)。

表1 養(yǎng)殖池塘浮游藻類種類組成Tab.1 Phytoplankton composition in aquaculture ponds

圖5 養(yǎng)殖池塘微囊藻優(yōu)勢度變化Fig.5 Variation of Microcystis sp. in aquaculture ponds

2.4 浮游藻類生物多樣性

從圖8可以看出，浮游藻類生物多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)總體呈先下降后上升的趨勢，變化范圍為 0.056～1.147、0.203～0.892、0.024～0.507。在8月中旬，生物多樣性最低，各門藻類生物多樣性也最低，從8月下旬開始，生物多樣性開始上升。在7月中旬，綠藻門生物多樣性最高，其次是藍藻門，8月中旬，各門藻類生物多樣性最低，8月下旬，硅藻門生物多樣性最高，其次是藍藻門(圖9)。

表2 養(yǎng)殖池塘浮游藻類種類組成Tab.2 Phytoplankton composition in aquaculture ponds

圖6 養(yǎng)殖池塘浮游藻類豐度動態(tài)變化Fig.6 Variation of phytoplankton abundace in aquaculture ponds

圖7 浮游藻類生物量動態(tài)變化Fig.7 Variation of phytoplankton biomass in aquaculture ponds

圖8 養(yǎng)殖池塘浮游藻類多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和豐富度指數(shù)的變化Fig.8 Variation of biodiversity, evenness and abundance index of phytoplankton in aquaculture ponds

2.5 浮游藻類與理化因子的相關性

圖9 養(yǎng)殖池塘各門藻類生物多樣性動態(tài)變化Fig.9 Variation of phytoplankton biodiversity(Shannon-wienner index)in each phylum

圖10 浮游藻類豐度、生物量與環(huán)境因子的RDA分析Fig.10 Redundancy analysis between phytoplankton abundance, biomass and environmental variables

在藍藻水華暴發(fā)期間，養(yǎng)殖池塘浮游藻類豐度和生物量高，生物多樣性低。從圖10可以看出，TP、TDP、TN、WT與浮游藻類豐度、生物量呈正相關，浮游藻類生物多樣性與TDP、SRP、WT呈顯著負相關。藍藻門與水溫、TP、TN呈正相關。硅藻門與-N、-N、TDN呈正相關；裸藻門與 SRP呈正相關，與TP、TN呈負相關；隱藻門與TDP、WT呈正相關；綠藻門與TP、TN呈正相關。

2.6 微囊藻毒素含量測定

在監(jiān)測結束時，對養(yǎng)殖池塘MCs使用ELISA測定，通過反復對標準曲線的制作，最終選擇較好的標準曲線，得出水體中MCs含量為0.040 μg/L，藻細胞中 MCs含量為 0.686 μg/L(圖 11)。胞內(nèi) MCs明顯高于胞外MCs含量，但無論是胞外還是胞內(nèi)MCs含量均低于飲用水的安全標準(＜1 μg/L)。

3 討論與結論

3.1 浮游藻類豐度及生物多樣性

圖11 微囊藻毒素含量Fig.11 Contents of microcystin in aquaculture ponds

浮游藻類是養(yǎng)殖池塘生態(tài)系統(tǒng)的重要初級生產(chǎn)者，對維持池塘生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定具有關鍵作用(石磊等, 2017； 于海波等, 2013； 劉冉等, 2013； 粟麗等,2011)。在本研究中，共鑒定出浮游藻類 25屬(種)，優(yōu)勢種為微囊藻，優(yōu)勢度為83.5%～99.1%，藍藻水華暴發(fā)期間，優(yōu)勢種單一。本研究中，浮游藻類豐度高達 12.666×108cells/L，與前期調查的高產(chǎn)養(yǎng)殖池塘(李燕等, 2017)、鯉魚養(yǎng)殖池塘浮游藻類密度達2.05×108cells/L、草魚養(yǎng)殖池塘浮游藻類密度為 7.10×108cells/L相比，浮游藻類豐度明顯偏高，這可能是藍藻水華期間，微囊藻為優(yōu)勢種有關。同樣，鄭丙輝等(2011)在大寧河水華敏感期浮游植物研究中指出，7個采樣點的藻細胞密度的最高值均出現(xiàn)在水華期。

生物多樣性作為反映浮游植物群落生態(tài)特征的重要指標，不僅可以用來評價水體的污染程度，還可以從生態(tài)系統(tǒng)層面反映其穩(wěn)定性(姜楊慧等, 2016；Padisáket al, 2006)。浮游藻類生物多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)均較低，總體呈先下降后上升的趨勢，變化范圍在 0.056～1.147、0.203～0.892、0.024～0.507之間，藍藻水華暴發(fā)形成了以微囊藻占優(yōu)勢的藻類結構，造成浮游藻類多樣性整體偏低。生物多樣性在7月中旬綠藻門和藍藻門較高，8月下旬，硅藻門和藍藻門較高，隨時間的變化使小型水體藻類多樣性改變，但各門藻類整體多樣性較低。通常情況下，藻類的物種多樣性指數(shù)越高，其群落結構越復雜，穩(wěn)定性越高(代存芳等, 2017； 陳格君等, 2013)。

綜上所述，小型水體一般對環(huán)境因子的變化比較敏感，藍藻水華的暴發(fā)造成浮游藻類的種類、密度、多樣性在短時間內(nèi)也會出現(xiàn)明顯變化。

3.2 影響浮游藻類組成及多樣性的因素

水溫和營養(yǎng)鹽是影響水體浮游藻類群落結構的重要因素。楊文等(2015)、陳家長等(2010)研究表明，藍藻比較適應穩(wěn)定水體，而且, 也偏好較高光照強度和高溫，微囊藻最適生長溫度為25～30℃。本研究在7～9月進行，水溫為25～30℃，適宜微囊藻的生長。由此可見，水溫對浮游藻類的生長起著重要作用。TP、TN最高值分別為0.51、7.09 mg/L，根據(jù)漁業(yè)水質標準規(guī)定，養(yǎng)殖池塘中TP的含量不得超過0.2 g/L，TN的含量不得超過1.0 mg/L(姜楊慧等, 2016)，該池塘遠遠超出TP、TN標準含量。鄭丙輝等(2011)研究表明，TP水平是促進藍藻水華暴發(fā)的關鍵因子，不會對微囊藻的生長產(chǎn)生限制，藍藻具有儲P機制，能夠對P進行富集。池塘為混養(yǎng)模式，加之餌料的投入，池塘底部有底泥，這可能是養(yǎng)殖池塘藍藻水華暴發(fā)的主要原因之一。在本研究中，通過RDA分析表明，TP、TDP、TN、WT與浮游藻類豐度、生物量呈正相關，說明在藍藻暴發(fā)水華期間，TN、TP、TDP、WT的增加使浮游藻類細胞密度和生物量增加。

藍藻門與WT、TP、TN、TDP、SRP呈正相關，說明藍藻一般隨著營養(yǎng)鹽和WT的不斷增加，優(yōu)勢度也會不斷增加，與劉霞等(2012)對太湖浮游藻類演替規(guī)律的調查結果相似。硅藻門與-N、-N、TDN呈正相關，裸藻門與 SRP呈正相關，與 TP、TN呈負相關；隱藻門與TDP、WT呈正相關，與鄭丙輝等(2015)對大寧河水華敏感期調查硅藻門與-N呈正相關，硅藻門、裸藻門與TP呈負相關，隱藻門與WT呈正相關結論相似。綠藻門與TP、TN呈正相關，這可能與該調查池塘自身環(huán)境條件有關。

一般認為，在中營養(yǎng)水平水體中，生物群落結構復雜，多樣性較高，而在極端貧營養(yǎng)或富營養(yǎng)水體中，物種多樣性較低，這主要是由于貧營養(yǎng)水體中, 浮游藻類的營養(yǎng)較為匱乏，而在富營養(yǎng)水體中, 一些對污染敏感的種類消失(孫鵬飛等, 2015； Maet al, 2014；唐萍等, 2000)。營養(yǎng)水平對浮游藻類群落的改變按作用方向屬于下行效應；浮游動物、濾食性魚類等的影響屬于上行效應。楊文等(2015)研究表明，小型水體營養(yǎng)水平的影響遠大于浮游動物、濾食性魚類等的影響。養(yǎng)殖池塘作為一種相對封閉的生態(tài)系統(tǒng)，由于其自凈能力十分有限，常遭受更為嚴重的污染。整個養(yǎng)殖周期中，養(yǎng)殖池塘的理化因子不僅隨著時間的推移而變化，而且，各理化因子之間也會相互影響(邵長清等, 2017； Fernándezet al, 2015； 遲爽等, 2014； 郭永堅等, 2013)。在高溫季節(jié)控制營養(yǎng)鹽已成為治理水體富營養(yǎng)化和水華發(fā)生的主要手段(朱榮等, 2015)。

3.3 微囊藻毒素測定

藍藻水華暴發(fā)對水生生態(tài)系統(tǒng)的一個重要威脅就是MCs的釋放，MCs是由水體中藍綠藻[如銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa)、魚腥藻(Anabaenasp.)等]產(chǎn)生的一類生物污染物。目前，已發(fā)現(xiàn)80余種結構極為相似的異構體，其中，MC-LR是MCs異構體中毒性最強的一種，也是我國富營養(yǎng)化水體中毒性較大的常見亞型(朱榮等, 2015)。MCs釋放到水里，可通過化感作用與氧脅迫影響浮游藻類的群落結構，改變水生生物多樣性。長期暴露于 MCs的魚類、蝦、蟹等水生動物也會受其危害，最終還可能通過食物鏈的生物富集危害人類健康(謝平, 2015； 金顯仕等,2015； 楊曉紅等, 2013)。夏季環(huán)境是養(yǎng)殖池塘暴發(fā)水華的敏感期，管理不善很容易暴發(fā)水華。在本研究結束時，定量分析了微囊藻毒素 MC-LR。結果表明，MCs水樣中，其含量為0.040 μg/L，藻細胞中微囊藻毒素含量為0.686 μg/L。根據(jù)世界衛(wèi)生組織以及相關報道，MCs含量安全范圍不得超過 1.0 μg/L(劉艷紅等, 2016； Sottonet al, 2014)，本養(yǎng)殖池塘 MCs含量基本在安全范圍之內(nèi)。