環(huán)境因子對銅綠微囊藻生長影響的研究進展

孫俊惠，楊傲傲，李修嶺

（臨沂大學 生命科學學院，山東臨沂 276000）

藍藻水華通常是指富營養(yǎng)化水體中藍藻大量增殖或聚集而造成的一種災害現象，其暴發(fā)時水體中葉綠素a的濃度超過10 mg/m3或藻細胞超過1×107個/L，水體表面會形成一層藍綠色并伴有惡臭的水膜[1-2]。我國淡水湖泊、水庫數量眾多，一旦暴發(fā)藻華，水體質量將會受到影響，進而威脅整個生態(tài)系統健康[3]。

微囊藻是最常見的淡水水華藍藻，其中以銅綠微囊藻（Microcystic aeruginosa）分布最廣、出現頻次最多[4-5]。銅綠微囊藻是一類隸屬于藍藻門藍藻綱色球藻目色球藻科微囊藻屬的光能自養(yǎng)型單細胞藻類[6]。該藻暴發(fā)時，通過物理性聚集降低水體透明度，影響其他水生植物的光合作用，降低水中溶解氧含量[7-8]。另外，某些藻株能產生一種有毒的次生代謝產物——微囊藻毒素（Microcystins，MCs）。MCs是一類單環(huán)七肽類肝毒素，是富營養(yǎng)化水體中最常見的藻毒素之一，具有毒性大、分布廣和結構穩(wěn)定等特點[9-10]。MCs能專一性地與細胞內的蛋白磷酸酶結合，對肝、腎、心臟等多種器官造成不可逆的損傷[11-13]。此外，MCs的水溶性高，能通過灌溉、堆肥漚田等途徑進入農田，被作物吸收積累，影響作物生長發(fā)育和農產品質量安全，并最終通過食物鏈危害人類健康[3,14-15]。

鑒于銅綠微囊藻在淡水生態(tài)系統中的重要作用，本文從非生物因子和生物因子兩方面對影響該藻生理代謝的因素進行綜述，以期為藍藻水華預警和有效規(guī)避藻華危害提供科學參考，更好地服務農業(yè)。

1 非生物因子對銅綠微囊藻生長影響

1.1 光照

光照是植物生長的必要條件，光照強度將直接影響藻類的光合作用，進而影響藻類生物量的積累。薛升長等[16]將藻類生長所需的光照強度從小到大劃分成光限制區(qū)、光過渡區(qū)、光飽和區(qū)和光抑制區(qū)4個范圍 ：在光限制區(qū)內，藻類光合作用會受到限制，生長速率變慢，但隨著光照強度的逐漸增強，藻類生長速率又會提高，并在光飽和區(qū)內達到最大，光照強度超過光飽和區(qū)后，藻類會因高光強對光色素的降解或光合機構的損傷而受到抑制。當外界環(huán)境條件一定時，不同類型的銅綠微囊藻最適生長的光照強度略有不同。如FACHB-315最適光強為1 000 lx[17]，而劉世明等[18]發(fā)現試驗藻種在100 μmol/（m2·s）（約8 000 lx）光照強度時，生長速率和光合活性都顯著高于其他組?？傮w來說，絕大多數銅綠微囊藻適宜的光照強度范圍是2 000～6 000 lx。光照強度有可能通過影響藻類光合活性、放養(yǎng)速率、胞內色素組成、酶活性、脂肪和碳水化合物含量等對藻細胞生長產生影響[19-20]。

1.2 溫度

溫度能直接影響藻類細胞內的代謝或通過控制水體中各類營養(yǎng)物的溶解度、分解率等理化過程而間接影響藻類的生長，是影響藻類生長的重要因子[21-22]。溫度過低時，藻細胞內酶的活性較低，藻的生長和光合作用受到抑制[23]；溫度過高則會直接殺死藻細胞。結合春夏季較易出現銅綠微囊藻水華的情況，也在一定程度上說明了該藻生長與溫度之間的動態(tài)關系?，F有研究表明，絕大多數銅綠微囊藻細胞密度在25～30 ℃時達到最高[24-25]；個別情況下，銅綠微囊藻的最適生長溫度超過30 ℃，如從松花湖中分離出的藻株最適溫度為33 ℃[26]，銅綠微囊藻FACHB-469的最適溫度不低于35 ℃[27]。

1.3 pH值

和溫度、光照條件不同的是，水體的pH值與銅綠微囊藻存在一個動態(tài)的關系，即pH值可通過改變環(huán)境酸堿度和影響碳酸鹽平衡系統及不同形態(tài)無機碳分配關系來影響藻類的生長[28]。可溶性的無機碳源在天然水體中主要以等形態(tài)存在，水體中CO2的存在形式存在以下變化：

藻類能利用CO2進行光合作用，釋放O2，使得水體pH值和溶解氧含量升高[29-30]。即使生長在初始pH差別較大的水體中，銅綠微囊藻也會通過一系列生理生化反應調節(jié)pH到其適宜的偏堿性范圍，展現強大的適應能力[31]。已有文獻表明，堿性水體中銅綠微囊藻生長最快，如pH值為8.0～9.0[32]、9.0[33]、8.5 ～ 9.5[34]。

1.4 營養(yǎng)元素

1.4.1 氮、磷及氮磷比

氮、磷是藻類生長所需的重要營養(yǎng)元素，充足的氮磷在一定程度上能促進水華形成[35-36]。氮素是葉綠素的主要成分，對植物光合速率、暗反應的主要酶以及光呼吸等都有明顯的影響。研究發(fā)現，初始氮濃度為0.2 mg/L時，銅綠微囊藻無法正常生長，而相同濃度的磷卻能滿足，即該藻對氮的需求量高于磷[37]，這有可能與其元素構成為C106H263O100N16P有關[38]。隨著總氮濃度的增大，銅綠微囊藻的生物量也顯著增加[37,39]。磷是藻類生長必不可少的一項營養(yǎng)物質，它既屬于磷脂、核酸與蛋白質的重要組成部分，也是葉綠素合成的必備物質[40]。磷被認為是銅綠微囊藻生長的首要限制因子[41]，銅綠微囊藻最適生長的磷濃度范圍為1.0～1.5 mg/L[42]。一定的氮磷比能影響銅綠微囊藻的生物量，促使其達到最大值[43]。氮磷比≤8時，藻細胞密度隨著N或P含量的增加而增加；氮磷比為8和16時，銅綠微囊藻生長速度最快[44]。但比值不是確定的，氮磷比為4.5時銅綠微囊藻的生長也能達到最高[45]。

1.4.2 鐵

鐵居于植物必需微量元素的首位[46]。葉綠素和藻膽色素的生化合成依賴于鐵的營養(yǎng)狀態(tài)，鐵限制的藻細胞色素濃度低。另外，硝酸鹽和亞硝酸鹽還原酶中含有鐵原子，鐵的營養(yǎng)狀態(tài)會影響硝酸鹽的吸收[47]。鐵是限制銅綠微囊藻生長的重要因子，不同類型的銅綠微囊藻最適生長的鐵離子濃度稍有不同，具有藻株特異性[48]。如FACHB-905的最適鐵離子濃度為500～1 000 μg/L[49]，FACHB-912的最適鐵離子濃度為 12.3 ～ 24.6 μmol/L[50]。

1.4.3 鋅

鋅是銅綠微囊藻生長必需的微量元素，對蛋白核結構的完整非常重要，但過量的鋅會造成細胞膜通透性增加，使電解質漏失，引起細胞形態(tài)變異甚至死亡[51]。鋅的濃度小于4 μmol/L時，能夠促進銅綠微囊藻的生長；濃度大于6 μmol/L時，對藻有抑制作用，濃度越高，抑制效果越明顯[49]；當鋅的濃度達到800 μg/L時，銅綠微囊藻的生長發(fā)生停滯甚至死亡[51]。

1.4.4 銅

作為必需微量元素，低濃度的銅對銅綠微囊藻的生長起到促進作用，高濃度的銅由于對藻類細胞壁含硫基團具有很強的親合力，會干擾藻類正常新陳代謝過程，對藻類的生長產生抑制作用[52]。研究發(fā)現，銅濃度為0.32～1.16 μmol/L時，可以較好地維持銅綠微囊藻的生長[53]。

1.4.5 鉬

鉬能通過影響硝酸還原酶的活性來促進植物的氮代謝，植物中的鉬蛋白即固氮酶，缺乏鉬會影響植物氮素正常同化[54]。研究表明，銅綠微囊藻生長所需鉬的最適濃度為1～5 μg/L，當鉬濃度為1.48 μg/L時，銅綠微囊藻生長速率最大[49-55]。

1.4.6 鈷

重金屬鈷是藻類必需的微量元素。研究發(fā)現，必需性重金屬在低濃度時可以促進藻類的生長，在高濃度時抑制藻類的生長，表現出低促高抑。當鈷濃度為1.48 μg/L時，銅綠微囊藻的生長情況最好[55]。

2 生物因子對銅綠微囊藻生長影響

2.1 高等植物

許多植物對銅綠微囊藻的生長都有化感作用，基本表現出低促高抑的現象。比如，低濃度的白鶴芋、香菇草浸提液能促進藻的生長，但當浸提液濃度高于34 g/L時，藻生長就會受到抑制，抑制率＞90%[56]；沉水植物黑藻、苦草和綠狐尾藻的種植水對銅綠微囊藻的抑制作用隨濃度升高而增強，50 g/L的苦草種植水其抑藻率為90.30%[57]；浮水植物鳳眼蓮的根部浸提液濃度＜1.0 g/L時對藻的生長有促進作用，濃度＞1.5 g/L時顯著抑制藻的生長[58]；挺水植物香蒲的葉的浸提液對銅綠微囊藻的作用也表現為低促高抑，在其質量濃度為50 g/L時，抑制率可達91.37%[59]；荸薺浸取液對銅綠微囊藻的生長抑制率達到了91.40%[60]。

2.2 微生物

細菌對銅綠微囊藻的生長的抑制作用較為明顯。溶藻菌的溶藻率能達到98.2%[61]；而暹羅芽孢桿菌（Bacillus siamensis）Sp37可100%抑制銅綠微囊藻NIES843的生長[62]；當芽孢桿菌（Bacillussp.）hsn03的添加量為體積比的7.0%時，對銅綠微囊藻的抑制作用最大[63]。真菌主要是通過分泌抗生素類物質和寄生于藻細胞兩種方式對銅綠微囊藻的生長造成影響，其對銅綠微囊藻的抑制作用隨濃度的增加而增加[64]。放線菌主要通過分泌抗生素等溶藻活性物質的方式抑制銅綠微囊藻的生長，當放線菌的菌液濃度為500 ml/L時，對藻的抑制率達到68.2%[65]。粘著劍菌（Ensifer adhaerens）僅需1.5 g/L在15天后就完全抑制銅綠微囊藻的生長[66]。鏈霉菌屬（Streptomyces）LW9發(fā)酵液以5%的劑量作用于銅綠微囊藻，可表現出明顯的溶藻效果，溶藻率79%～94%[67]。

3 其他環(huán)境因子對銅綠微囊藻生長影響

水體擾動對藻類生長的影響過程比較復雜。一定強度范圍內的水體擾動可以促使底泥或沉積物釋放氮、磷等營養(yǎng)鹽，同時也會引起底泥或沉積物的懸浮，導致水體透明度下降。當擾動超過一定強度，會對藻類細胞產生機械損傷，破壞藻類細胞周圍的濃度場，不利于藻的生長[68]。研究表明，室內及天然水體中的銅綠微囊藻生長的最適流速均為0.30 m/s，單獨培養(yǎng)條件下最適宜的流速為0.35 m /s[69]。室內條件下，300 r/min的擾動速度是銅綠微囊藻生長的臨界速度[70]。FACHB-905、FACHB-315在擾動條件為100～120 r/min時生長最好[71-72]。

此外，僅使用1 mg/L的微塑料（MPs）就可以抑制銅綠微囊藻的生長[73]。丙二酸濃度達到60 mg/L時，對銅綠微囊藻的抑制率達到87.26%[74]。而當氨基酸濃度為100 μmol/L時，銅綠微囊藻生長速率最快[75]。

銅綠微囊藻自身的細胞密度也會對它的生長產生影響。在初始細胞密度較低，即1×105個/mL時，單細胞藻毒素分泌量會增加，從而提高其環(huán)境適應能力；在初始細胞密度≥1×106個/mL時，銅綠微囊藻的適應期消失，生長速率提高[76]。

4 結語

藍藻水華是在各種環(huán)境因子（外因）的耦合驅動下，結合水華藍藻其獨特的生理生態(tài)特性（內因），從而在合適的水文氣象條件下集聚于水表而形成的生態(tài)災害現象[77]。分析藍藻水華發(fā)生的各種環(huán)境條件，將有助于應用分子生物學手段開展藍藻生理過程的分析，把握藍藻的變化規(guī)律，為水華暴發(fā)的防治提供科學的依據。