絲狀藻響應(yīng)溫度變化的生長及功能特性

高京，曹晶，儲(chǔ)昭升，侯澤英，楊永哲

(1.西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，西安 710055；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院 湖泊環(huán)境研究所;湖泊水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100012)

多年來藍(lán)藻水華暴發(fā)是中國乃至全球亟待解決的一項(xiàng)難題，藍(lán)藻水華暴發(fā)不僅破壞湖庫生態(tài)系統(tǒng)健康，還嚴(yán)重威脅飲用水安全，危害人體健康[1]。中國湖泊水庫的藍(lán)藻水華多以微囊藻水華為主，然而，近幾年發(fā)現(xiàn)絲狀藍(lán)藻在各地頻繁暴發(fā)，一些研究者通過調(diào)查、監(jiān)測等手段發(fā)現(xiàn)，一些地區(qū)絲狀藻逐漸取代微囊藻并占主導(dǎo)地位，甚至成為絕對優(yōu)勢藻種[2-7]，導(dǎo)致絲狀藻水華風(fēng)險(xiǎn)逐步增大。因此，在關(guān)注湖泊水庫微囊藻水華的同時(shí)，絲狀藍(lán)藻在水華高風(fēng)險(xiǎn)期成為優(yōu)勢藻種的現(xiàn)象同樣需要引起關(guān)注。

針對目前湖泊、水庫等水域出現(xiàn)絲狀藍(lán)藻水華頻繁暴發(fā)現(xiàn)象，筆者以藍(lán)藻水華暴發(fā)時(shí)的常見優(yōu)勢絲狀藻種(擬柱孢藻、偽魚腥藻和水華束絲藻)為對象，通過室內(nèi)純培養(yǎng)研究其在溫度梯度下的生長速率、光合活性及氮磷利用特征，分析生長與功能特性間的關(guān)系，以探明溫度對絲狀藻的影響，確定其優(yōu)勢生長的溫度條件，為絲狀藍(lán)藻水華控制提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 藻種來源及培養(yǎng)

試驗(yàn)所用擬柱孢藻(Cylindrospermopsisraciborskii)、偽魚腥藻(Pseudoanabaenasp.)和水華束絲藻(Aphanizomenonflos-aquae)購自中國科學(xué)院水生生物研究所淡水藻種庫。

培養(yǎng)基為M11，其成分為NaNO3100 mg/L、K2HPO410 mg/L、MgSO4·7H2O 75 mg/L、CaCl2·2H2O 40 mg/L、Na2CO320 mg/L、檸檬酸鐵6 mg/L和Na2EDTA·2H2O 1 mg/L。培養(yǎng)溫度分別為15、20、25、30 ℃，光照強(qiáng)度為2 500 lx，光暗比為12 h∶12 h。每個(gè)培養(yǎng)條件下均進(jìn)行3組重復(fù)試驗(yàn)。

1.2 比生長速率的測定

通過測定樣品中葉綠素a濃度用來表示絲狀藻的生物量，葉綠素a濃度的自然對數(shù)與時(shí)間進(jìn)行線性回歸可得到比生長速率μ(見式(1))。

μ=lnx2-lnx1/t2-t1

(1)

式中：μ為比生長速率，d-1；x1、x2分別為對數(shù)生長開始時(shí)t1和結(jié)束時(shí)t2的絲狀藻葉綠素a濃度。葉綠素a濃度用Phyto-PAM測定。

1.3 光合活性(Fv/Fm)

Fv/Fm被稱為PSⅡ的最大光化學(xué)量子產(chǎn)量，也被叫做光合活性，是當(dāng)所有PSⅡ反應(yīng)均處于開放狀態(tài)時(shí)的量子產(chǎn)量，反映藻類對光量子的最大潛能[19]，能靈敏反映藻類的生理活性。各藻接種后每隔1 d取樣，暗適應(yīng)10 min后，采用Phyto-PAM測定樣品的光合活性Fv/Fm。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS16.0和Origin6.0軟件進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析和繪圖，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采用One-way ANOVA分析，P<0.05表示差異顯著，P<0.01表示差異極顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度對典型絲狀藻生長特征的影響

不同溫度(15、20、25、30 ℃)條件下，擬柱孢藻、偽魚腥藻和水華束絲藻的生長曲線見圖1，3種絲狀藻的比生長速率見表1。

圖1 不同溫度下擬柱孢藻、偽魚腥藻和水華束絲藻的生長曲線Fig.1 Growth curves ofCylindrospermopsis raciborskii、Pseudanabaena sp. and Aphanizomenon flos-aquae under different temperature conditions

表1 3種絲狀藻在不同溫度下的比生長速率(n=3)Table 1 The growth rates of three filamentous algae under different temperatureconditons(n=3)

由圖1可知：對于擬柱孢藻，當(dāng)溫度為15 ℃時(shí)，葉綠素a含量增加了42.45 μg/L，而在20、25、30 ℃時(shí)，其葉綠素a含量分別增加了663.17、1 370.40、1 196.12 μg/L，僅為其他溫度下增量的6.40%、3.10%、3.55%，且多重比較結(jié)果顯示，15～20 ℃比生長速率顯著低于25～30 ℃(P<0.05)，說明低溫會(huì)影響擬柱孢藻的生長，即擬柱孢藻宜在高溫下生長并取得優(yōu)勢。偽魚腥藻在15、20、25、30 ℃下葉綠素a含量分別增加了357.61、590.19、845.24、732.95 μg/L，且在該溫度范圍內(nèi)比生長速率都比另外兩種絲狀藻大(見表1)，說明偽魚腥藻在各個(gè)溫度下都能獲得良好的凈生長，適應(yīng)溫度范圍廣且易取得優(yōu)勢。水華束絲藻在15、20、25、30 ℃下葉綠素a含量分別增加了463.19、339.04、321.02、460.47 μg/L，且在溫度為15 ℃時(shí)，相比另外兩種絲狀藻更早進(jìn)入對數(shù)期(見圖1(a))，試驗(yàn)期內(nèi)葉綠素a凈含量最大，即使比生長速率略低于偽魚腥藻，仍保持著較好的生長水平，另外，多重比較結(jié)果顯示，水華絲藻在15～20 ℃和25～30 ℃時(shí)比生長速率提高不顯著(P>0.05)，表明水華束絲藻對低溫有一定的耐性。

根據(jù)單因素方差分析、相關(guān)性分析可知：不同溫度對擬柱孢藻、偽魚腥藻和水華束絲藻葉綠素a含量、比生長速率影響極顯著(P<0.01)，表明溫度對3種絲狀藻生長影響較大。相關(guān)性分析顯示，溫度與3種絲狀藻最大葉綠素a含量、比生長速率均呈正相關(guān)(P<0.01)，說明溫度的升高會(huì)促進(jìn)3種絲狀藻的生長。

2.2 溫度對典型絲狀藻光合活性的影響

不同溫度條件下，3種絲狀藍(lán)藻光合活性變化見圖2。

圖2 不同溫度下擬柱孢藻、偽魚腥藻和水華束絲藻的光合活性變化Fig.2 The variations of Fv/Fm in Cylindrospermopsis raciborskii、Pseudanabaena sp. and Aphanizomenon flos-aquae under different temperature conditions

由圖2(a)可知：當(dāng)溫度為15 ℃時(shí)，擬柱孢藻、水華束絲藻分別在0.41～0.59、0.44～0.53范圍內(nèi)波動(dòng)，無明顯變化(P>0.05)，而偽魚腥藻在剛接種后Fv/Fm則從0.50降至0.12，表明該溫度下偽魚腥藻的光合活性受到了抑制；由圖2(b)可知：20 ℃時(shí)，擬柱孢藻和水華束絲藻光合活性變化較小，擬柱孢藻僅在0.5～0.58范圍內(nèi)變化，水華束絲藻則在0.43～0.55范圍內(nèi)變化，而偽魚腥藻光合活性逐漸降低，即從0.53降至0.25；由圖2(c)知：25 ℃時(shí)，3種絲狀藻光合活性都在較高水平范圍內(nèi)(0.40～0.60)波動(dòng)；由圖2(d)知：30 ℃時(shí)，3種絲狀藻接種后光合活性Fv/Fm先增加至0.55～0.60，之后擬柱孢藻和偽魚腥藻在一定范圍內(nèi)(0.45～0.61)波動(dòng)，而水華束絲藻則明顯逐漸下降，從0.61逐漸降至0.37。單因素分析結(jié)果表明，各溫度對偽魚腥藻、水華束絲藻對數(shù)期的Fv/Fm有極顯著差異(P<0.01)，說明溫度對偽魚腥藻和水華束絲藻的光合活性影響較大，各溫度對擬柱孢藻對數(shù)期的Fv/Fm無顯著性影響(P>0.05)，且均處于較高水平，說明擬柱孢藻的光合活性在試驗(yàn)溫度下不受脅迫。

2.3 溫度對典型絲狀藻氮磷利用的影響

3種絲狀藻對水體中氮磷的吸收利用情況用單位藻細(xì)胞消耗元素量來表示(見圖3)。由圖3可知：在每組實(shí)驗(yàn)期間內(nèi)，隨著溫度的增加，3種絲狀藻的單位藻細(xì)胞對氮磷的消耗量呈先減小后逐漸增大的趨勢，且消耗相對量有明顯差異(P<0.05)。

圖3 不同溫度下擬柱孢藻、偽魚腥藻和水華束絲藻的對氮磷的消耗量Fig.3 The nitrogen and phosphorus consumption of Cylindrospermopsis raciborskii、Pseudanabaena sp.and Aphanizomenon flos-aquae under different temperature conditons

由圖3(a)可知：當(dāng)溫度為15 ℃時(shí)，單位擬柱孢藻細(xì)胞、偽魚腥藻細(xì)胞和水華束絲藻細(xì)胞對培養(yǎng)基中溶解性總氮(dissolved total nitrogen，DTN)的消耗量分別為(54.39±5.01)、(21.63±1.80)、(13.21±2.35)mg-DTN/mg-Chl.a，都高于溫度組。而當(dāng)溫度由20 ℃增加至30 ℃時(shí)，擬柱孢藻DTN消耗量從(6.51±2.46)mg-DTN/mg-Chl.a增加至(12.87±0.33)mg-DTN/mg-Chl.a，增大了1倍左右；偽魚腥藻DTN消耗量從(13.08±0.40)mg-DTN/mg-Chl.a增加至(34.80±1.93)mg-DTN/mg-Chl.a，30 ℃時(shí)DTN消耗量是20 ℃時(shí)的2.6倍，由此說明，在20 ℃以上，溫度的升高會(huì)大大促進(jìn)擬柱孢藻、偽魚腥藻對氮的吸收利用；當(dāng)溫度由20 ℃增加至25 ℃時(shí)，水華束絲藻DTN消耗量從(6.46±3.72)mg-DTN/mg-Chl.a增加至(18.75±0.78)mg-DTN/mg-Chl.a，30、25 ℃時(shí)氮消耗情況差異不顯著(P>0.05)。

由圖3(b)可知：當(dāng)溫度為15 ℃時(shí)，單位擬柱孢藻細(xì)胞、偽魚腥藻細(xì)胞對培養(yǎng)基中溶解性反應(yīng)磷(soluble reactive phosphorus，SRP)的消耗量分別為(5.49±0.43)、(3.36±0.075)mg-SRP/mg-Chl.a，都高于其他溫度組。當(dāng)溫度由20 ℃增加至30 ℃時(shí)，擬柱孢藻SRP消耗量從(0.86±0.042)mg-SRP/mg-Chl.a增加至(1.01±0.045)mg-SRP/mg-Chl.a，偽魚腥藻SRP消耗量從(1.74±0.083)mg-SRP/mg-Chl.a增加至(3.47±0.14)mg-SRP/mg-Chl.a，30 ℃時(shí)SRP消耗量約為20 ℃的2倍，說明在20 ℃以上溫度升高會(huì)促進(jìn)擬柱孢藻及偽魚腥藻對磷的消耗；而當(dāng)溫度從15 ℃增加至20 ℃時(shí)，水華束絲藻SRP消耗量變化不大(P>0.05)，當(dāng)溫度20 ℃增加至30 ℃時(shí)，其對SRP的消耗從(1.22±0.52)mg-SRP/mg-Chl.a增加至(2.05±0.29)mg-SRP/mg-Chl.a。

2.4 不同溫度下絲狀藻生長功能特性權(quán)衡

基于功能特性的群落生態(tài)學(xué)研究方法顯示，浮游生物各功能特性之間存在權(quán)衡，不同溫度條件下絲狀藻生長特性權(quán)衡如圖4所示。由圖4(a)知，15 ℃低溫下葉綠素a濃度處于70～80 μg/L，F(xiàn)v/Fm為0.50～0.52時(shí)單位藻細(xì)胞氮消耗量最大。中溫條件下葉綠素a濃度和Fv/Fm對應(yīng)范圍分別為300～600 μg/L和0.3～0.4之間(圖4(c))。而高溫條件下葉綠素a在1 200 μg/L，F(xiàn)v/Fm為0.45～0.47時(shí)，對應(yīng)營養(yǎng)元素消耗量最大(圖4(d))。圖4(a)～(d)表明，不同溫度條件下，擬柱孢藻通過調(diào)節(jié)葉綠素a的產(chǎn)量和光合活性來維持生長優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)生長和營養(yǎng)元素消耗特性兩者間的權(quán)衡。分析偽魚腥藻和水華束絲藻得到類似結(jié)果(圖4(e)～(l))。由此可推測出，絲狀藻可以通過權(quán)衡藻細(xì)胞生理特性與生長間的關(guān)系來適應(yīng)溫度變化以達(dá)到自身最佳的生長狀態(tài)。

圖4 不同溫度條件下3種絲狀藻生長特性權(quán)衡圖Fig.4 The trade-offs of functional traits in three filamentous algae responding to temperature

3 討論

3種絲狀藻(擬柱孢藻、偽魚腥藻、水華束絲藻)在15 ℃時(shí)的比生長速率分別為(0.12±0.03)、(0.28±0.02)、(0.20±0.003)d-1，都能獲得凈生長，而相比常見的水華優(yōu)勢藻，如銅綠微囊藻在溫度為14 ℃時(shí)無法生長，在16 ℃時(shí)比生長速率為0.036 d-1[20]；也有研究表明，當(dāng)溫度低于16 ℃時(shí)，水華微囊藻的生長速率大大減小，且在13 ℃以下幾乎不能生長[21]。甚至在更低的溫度，如低于12 ℃，有研究人員分析了水溫變化范圍約為(6.5±3.7)℃時(shí)，Alte Donau湖中擬柱孢藻生物量占比可達(dá)95%[22]。尚帥[23]通過對銅綠微囊藻和土生偽魚腥藻的混合培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)溫度低于10 ℃時(shí)，銅綠微囊藻無法存活，土生偽魚腥藻的生長速率仍可達(dá)0.14 d-1；吳衛(wèi)菊[11]的試驗(yàn)結(jié)果表明，水華束絲藻可在10 ℃下生長，而微囊藻不能存活。由此可見，3種絲狀藻在低溫下仍有一定的生長能力，這也可能是近年來多個(gè)地區(qū)湖泊中絲狀藻取代微囊藻成為優(yōu)勢藻的原因之一。另外，盡管15 ℃時(shí)單位擬柱孢藻細(xì)胞對DTN和SRP的消耗量都取得本研究溫度范圍內(nèi)的最大值，可葉綠素a濃度僅增加了42.45 μg/L，這是單位化導(dǎo)致的結(jié)果，但仍可說明15 ℃時(shí)擬柱孢藻通過吸收大量氮磷元素而獲得生長。

隨著溫度的升高,擬柱孢藻生長速率也在增加，30 ℃時(shí)，生長速率約為15 ℃時(shí)的7倍，且藻細(xì)胞對氮磷的消耗量顯著提升，進(jìn)入對數(shù)期時(shí)間縮短，說明溫度的升高促進(jìn)了擬柱孢藻對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，加強(qiáng)了擬柱孢藻的呼吸作用，對擬柱孢藻的生長產(chǎn)生顯著的促進(jìn)作用。有研究表明，擬柱孢藻的最適生長溫度為29～31 ℃[24]，也有模擬數(shù)據(jù)表明，擬柱孢藻水華的發(fā)生溫度為25～32 ℃[25]。本文試驗(yàn)結(jié)果顯示，擬柱孢藻在30 ℃時(shí)，表現(xiàn)出良好的生長趨勢，同前人的研究結(jié)果基本一致。其次，擬柱孢藻在25～30 ℃時(shí)對氮磷的利用率分別達(dá)到93.44%和71.84%，這是由于擬柱孢藻對硝酸鹽和磷酸鹽具有很高的親和力[26]。另外，研究中擬柱孢藻在低溫、中溫、高溫下的整個(gè)生長過程中，F(xiàn)v/Fm值都處于較高水平，表明溫度對擬柱孢藻PSⅡ活性影響較小。

偽魚腥藻在15、20、25、30 ℃下的生長速率顯著高于另外兩種絲狀藻(P<0.05)，說明偽魚腥藻具有較強(qiáng)的生長能力。溫度越高偽魚腥藻生長狀況越好，趙靜靜等[4]通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，偽魚腥藻細(xì)胞密度與水溫呈顯著正相關(guān)；王茂偉等[27]的溫度試驗(yàn)結(jié)果表明，15～30 ℃試驗(yàn)組葉綠素a含量與溫度呈正相關(guān)，且偽魚腥藻最適合生長溫度為25 ℃，與本文研究結(jié)果相似。另外，15 ℃條件下的研究結(jié)果顯示，偽魚腥藻前7 d生長情況較差，其光合活性Fv/Fm也跌至0.2，但之后生長情況明顯好轉(zhuǎn)，F(xiàn)v/Fm增大至0.46～0.51，比生長速率增加至(0.28±0.02)d-1，說明此溫度對偽魚腥藻生長及光合活性都有一定的抑制作用，其光合系統(tǒng)遭到一定的破壞，但偽魚腥藻能對這種低溫環(huán)境產(chǎn)生抗性并恢復(fù)到良好的生長水平。

在溫度為15 ℃時(shí)，水華束絲藻對氮磷的消耗和比生長速率都高于20 ℃時(shí)的情況，這與李曉敏等[28]在不同溫度下(18、22、26 ℃)BG11培養(yǎng)水華束絲藻得到的18 ℃時(shí)生長更優(yōu)、氮磷消耗量更大的結(jié)果相似，即低溫下都能取得更好的生長情況。另外，雖然水華束絲藻在25～30 ℃的比生長速率有所增大，但隨著溫度從25 ℃增加至30 ℃時(shí)，其對氮磷的消耗量同15 ℃時(shí)差異不顯著(P>0.05)，在低溫時(shí)仍能保持很高的氮磷利用水平，且光合活性沒有受到明顯的抑制，表明水華束絲藻對溫度的偏愛或耐受性較低。這種特性也在實(shí)際湖泊中得到一定的證實(shí)，如Tsujimura等[29]通過分離琵琶湖中的水華束絲藻后進(jìn)行培養(yǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明，水華束絲藻最佳溫度范圍為23～29 ℃，且在5 ℃的條件下存活25 d，從而表明了其在冬季低溫條件下亦可生長。

浮游藻類功能特性種類較多，如藻的形態(tài)調(diào)節(jié)、藻毒素的分泌、藻對營養(yǎng)鹽的利用率、藻的浮力調(diào)節(jié)等。通過分析絲狀藻生長及其功能特性間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，不同溫度條件下，3種絲狀藻葉綠素a產(chǎn)量與光合活性變化無顯著相關(guān)性，這可能和藻類適應(yīng)溫度變化的調(diào)整速度較快有關(guān)[30]；而不同溫度下擬柱孢藻、水華束絲藻的葉綠素a產(chǎn)量與其單位藻細(xì)胞氮的消耗量存在顯著負(fù)相關(guān)，即生長速率與氮的消耗為顯著相關(guān)，這種相關(guān)性可能與生長的不同階段對營養(yǎng)鹽吸收差異有關(guān)，也說明絲狀藻可通過調(diào)節(jié)藻細(xì)胞對氮的相對消耗量以求達(dá)到適應(yīng)不同溫度下生長的平衡?？傊?，環(huán)境變化導(dǎo)致功能特性的響應(yīng)機(jī)制仍不清楚，也需更多的實(shí)際數(shù)據(jù)加以分析驗(yàn)證，但也為絲狀藻水華的預(yù)測提出了新的思路。另外，由于實(shí)際環(huán)境中往往為多種藻共存，在這種共存環(huán)境中，各絲狀藻會(huì)對其他藻類生長產(chǎn)生影響，后續(xù)將以擬柱孢藻、偽魚腥藻和水華束絲藻中2種和3種共存時(shí)的優(yōu)勢度變化開展研究工作。

4 結(jié)論

通過研究不同溫度條件下3種絲狀藻的生長特征，得到以下結(jié)論：

1)在15～30 ℃溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，擬柱孢藻、偽魚腥藻和水華束絲藻比生長速率逐漸增大。其中，擬柱孢藻易在大于30 ℃高溫下形成優(yōu)勢；偽魚腥藻適應(yīng)溫度范圍廣，最佳生長溫度范圍為25～30 ℃；水華束絲藻最佳生長溫度為25 ℃，易在小于15 ℃的低溫時(shí)取得優(yōu)勢，應(yīng)在冬季水域藻華監(jiān)測中重視起來。

2)在試驗(yàn)溫度下，溫度對擬柱孢藻光合活性影響不顯著，但偽魚腥藻和水華束絲藻的光合活性會(huì)受到溫度影響，且偽魚腥藻光合活性會(huì)受低溫抑制，水華束絲藻光合活性在低溫下有一定的抗性。

3)3種絲狀藻隨溫度的升高對DTN和SRP消耗量都逐漸增大，提高溫度會(huì)促進(jìn)3種絲狀藻對氮、磷的消耗與利用，且對擬柱孢藻及偽魚腥藻的促進(jìn)作用更明顯。

4)絲狀藻可通過權(quán)衡藻細(xì)胞生理特性以維持不同溫度下的生長優(yōu)勢。