海水酸化和鐵離子對(duì)中肋骨條藻光化學(xué)活性的影響

張達(dá)娟，畢相東，張樹林，戴偉，王雪瑩

(天津農(nóng)學(xué)院 水產(chǎn)學(xué)院，天津市水產(chǎn)生態(tài)及養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384)

隨著工業(yè)進(jìn)程的加快和人們生活水平的提高，化石燃料的大量使用導(dǎo)致大氣中CO2含量持續(xù)增加。海洋作為CO2重要的匯，以每小時(shí)100萬t以上的速率從大氣中吸收CO2[1]，經(jīng)過一系列反應(yīng)使海水H+濃度增加、pH降低，從而引起海水酸化。工業(yè)革命前，全球海洋的平均pH為8.2，目前已降至8.1，至21世紀(jì)末預(yù)計(jì)將再降低0.25個(gè)pH單位，pH每降低1個(gè)單位，海水中H+濃度會(huì)升高10倍[2]，海水pH若降低0.25個(gè)單位，H+濃度將比工業(yè)革命前增加125%，依賴于海洋環(huán)境的浮游生物將受到一定的影響[3]，甚至通過食物鏈放大影響。

海水酸化對(duì)不同浮游植物的影響還受其他環(huán)境因子的影響，如海水溫度升高[9-11]、紫外線增強(qiáng)[8,12-13]和金屬離子濃度改變等。其中，F(xiàn)e作為重要的金屬離子，一直作為研究重點(diǎn)，伴隨酸化發(fā)生，海水pH降低，其中游離Fe離子濃度會(huì)相應(yīng)增加[14]，F(xiàn)e(Ⅱ)的穩(wěn)定性提高，F(xiàn)e(Ⅲ)溶解度發(fā)生改變[15]，其生物可利用度會(huì)增加[16]。大量“鐵假說”試驗(yàn)表明，在太平洋東北部高營(yíng)養(yǎng)鹽、低葉綠素a海域中投放Fe，會(huì)促進(jìn)浮游植物的生長(zhǎng)，提高其生物量[17]，海水酸化通過影響浮游植物對(duì)Fe離子的吸收利用而間接影響其生長(zhǎng)[18]。近岸海域Fe離子濃度較大洋高，一般為十幾到幾十納摩爾每升水平[19]，對(duì)浮游植物的影響更為復(fù)雜。本研究中，為進(jìn)一步探討酸化和Fe離子對(duì)浮游植物的影響，選擇近海常見浮游植物中肋骨條藻Skeletonemacostatum作為受試種類，通過測(cè)定其葉綠素?zé)晒鈪?shù)，闡明CO2酸化和Fe離子對(duì)中肋骨條藻細(xì)胞光化學(xué)活性的影響，以期為評(píng)估海水酸化背景下中肋骨條藻的生理生態(tài)響應(yīng)特征提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

中肋骨條藻購(gòu)于上海光語(yǔ)生物科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 藻種的培養(yǎng) 選用f/2培養(yǎng)基[20]，培養(yǎng)溫度(22±2)℃，光照強(qiáng)度為(80±10)μmol/(m2·s)，光暗比為12L∶12D。

1.2.2 酸化海水的制備

人工海水的制備:為避免自然海水中Fe離子對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，本研究中所用海水為人工海水[21]，除FeCl3·6H2O有變外其他成分保持不變。

酸化海水的制備:試驗(yàn)設(shè)1個(gè)對(duì)照組和1個(gè)處理組，均為人工海水配制的不含F(xiàn)e離子的f/2培養(yǎng)基，分別向?qū)φ战M和處理組中通入CO2含量為0.038%(2013年全球大氣CO2含量平均水平，NOAA/ESRL)和0.08%(2100年大氣平均CO2含量預(yù)測(cè)水平[22])的混合氣體(購(gòu)自天津安利達(dá)氣體有限公司)。氣體流量用流量計(jì)控制在300 mL/min，利用pH計(jì)監(jiān)測(cè)培養(yǎng)基中pH變化情況，待到pH穩(wěn)定后酸化海水制備完成。不同CO2含量的混合氣體中氧氣含量均為21.00%，氮?dú)夂糠謩e為78.96%和78.92%。

1.2.3 Fe(Ⅲ)濃度(均為質(zhì)量濃度，下同)的設(shè)定 配制FeCl3·6H2O母液，在酸化處理后，取一定量的FeCl3·6H2O母液，使不同酸化組內(nèi)均包含1.5、2.0、3.0、4.0 μg/L 4個(gè)Fe(Ⅲ)濃度。

1.2.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)開始前3 d，將中肋骨條藻轉(zhuǎn)移至不含F(xiàn)e(Ⅲ)的培養(yǎng)基中暫養(yǎng)，使吸附在藻細(xì)胞上的Fe(Ⅲ)消耗代謝完畢。每個(gè)CO2水平設(shè)4個(gè)Fe(Ⅲ)濃度組，每組設(shè)3個(gè)平行。試驗(yàn)用培養(yǎng)液制備完成后接種中肋骨條藻，各組初始密度均為5×105cells/mL。接種后，對(duì)藻液持續(xù)通入相應(yīng)混合氣體直至試驗(yàn)結(jié)束，氣體流量為300 mL/min。試驗(yàn)共進(jìn)行6 d，每隔24 h取樣一次，用于測(cè)定各組細(xì)胞密度及相關(guān)葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

1.2.5 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定 用葉綠素?zé)晒夥治鰞x(Phyto-PAM, Walz, 德國(guó))測(cè)定中肋骨條藻葉綠素?zé)晒鈪?shù):初始熒光(F0)、最大熒光(Fm)、穩(wěn)態(tài)熒光(Fs)、光適應(yīng)下最大熒光(Fm′)和最大電子傳遞速率(rETR),具體操作參考張媛媛等[23]的方法，然后根據(jù)下式計(jì)算最大光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)、實(shí)際光能轉(zhuǎn)化效率(ΦPSⅡ)和有效光能轉(zhuǎn)化效率(Yield)：

Fv/Fm=(Fm-F0)/Fm，

(1)

ΦPSⅡ=(Fm′-Fs)/Fm′，

(2)

Fv′=Fm′-F0′，

(3)

Yield=Fv′/Fm′，

(4)

F0′=1/(1/F0-1/Fm+1/Fm′)。

(5)

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(mean±S.D.)表示。采用 SPSS 19.0軟件進(jìn)行雙因素方差分析(two-way ANOVA)，分析海水酸化和不同F(xiàn)e(Ⅲ)濃度對(duì)中肋骨條藻各葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響，若存在CO2含量和Fe(Ⅲ)的交互作用，則對(duì)相同CO2含量水平下不同F(xiàn)e(Ⅲ)濃度組進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)和多重比較(Tukey)。利用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)分析相同F(xiàn)e(Ⅲ)濃度條件下不同酸化處理之間的差異性。顯著性水平設(shè)為0.05,極顯著水平設(shè)為0.01。

2 結(jié)果與分析

2.1 海水酸化和Fe(Ⅲ)對(duì)中肋骨條藻生長(zhǎng)的影響

從圖1可見:CO2含量、Fe(Ⅲ)濃度及二者的交互作用均對(duì)中肋骨條藻細(xì)胞密度有顯著性影響(P<0.05)；CO2含量為0.038%時(shí)，各Fe(Ⅲ)濃度組藻細(xì)胞密度自第4天開始顯著升高(P<0.05)，至培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，1.5、2.0 μg/L Fe(Ⅲ)處理組藻細(xì)胞密度分別為12.09×105、15.06×105cells/mL，顯著高于3.0、4.0 μg/L Fe(Ⅲ)處理組(P<0.05);CO2含量為0.08%時(shí)，不同濃度的Fe(Ⅲ)對(duì)中肋骨條藻生長(zhǎng)自培養(yǎng)第1天開始就具有顯著性影響(P<0.05)，F(xiàn)e(Ⅲ)濃度分別為3.0、4.0 μg/L時(shí)，其生長(zhǎng)速度較快，至培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，中肋骨條藻細(xì)胞密度分別為14.48×105、12.89×105cells/mL，顯著高于1.5、2.0 μg/L Fe(Ⅲ)處理組(P<0.01)，但與CO2含量為0.038%時(shí)1.5、2.0 μg/L Fe(Ⅲ)處理組的細(xì)胞密度基本持平。

標(biāo)有不同字母者表示組間有顯著性差異(P<0.05)，標(biāo)有相同字母者表示組間無顯著性差異(P>0.05)。

獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)表明，當(dāng)Fe(Ⅲ)濃度分別為1.5、2.0 μg/L時(shí)，0.038% CO2組中藻細(xì)胞密度顯著高于0.08% CO2組(P<0.05)，但當(dāng)Fe(Ⅲ)濃度分別為3.0、4.0 μg/L時(shí)，0.038% CO2組中藻細(xì)胞密度則顯著低于0.08% CO2組(P<0.05)。

2.2 海水酸化和Fe(Ⅲ)對(duì)葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

海水CO2含量、Fe(Ⅲ)濃度及二者的交互作用均在培養(yǎng)的第1天開始對(duì)中肋骨條藻葉綠素?zé)晒鈪?shù)產(chǎn)生極顯著影響(P<0.01)，并持續(xù)至試驗(yàn)結(jié)束(表1)。CO2含量為0.038%時(shí)，不同F(xiàn)e(Ⅲ)濃度處理組中肋骨條藻Fv/Fm、ΦPSⅡ、Yield和rETR變化趨勢(shì)基本相同，從第4天開始，不同濃度的Fe(Ⅲ)對(duì)葉綠素?zé)晒鈪?shù)均產(chǎn)生顯著的促進(jìn)作用(P<0.05)(表2)；CO2含量為0.08%時(shí)，濃度為1.5、2.0 μg/L的Fe(Ⅲ)對(duì)中肋骨條藻葉綠素?zé)晒鈪?shù)均產(chǎn)生顯著的抑制作用(P<0.05)，且抑制作用在培養(yǎng)第1天時(shí)就開始出現(xiàn)，而濃度為3.0、4.0 μg/L的Fe(Ⅲ)則具有顯著的促進(jìn)作用(P<0.05)(表3)。

表1 海水酸化和不同F(xiàn)e(Ⅲ)濃度對(duì)中肋骨條藻光合系統(tǒng)Ⅱ各指標(biāo)影響的雙因素分析

相同F(xiàn)e(Ⅲ)濃度下，海水酸化(0.08% CO2)對(duì)中肋骨條藻葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響存在一定差異。當(dāng)Fe(Ⅲ)濃度分別為1.5、2.0 μg/L時(shí)，海水酸化總體上對(duì)中肋骨條藻葉綠素?zé)晒鈪?shù)均存在顯著的抑制作用(P<0.05)，用1.5 μg/L Fe(Ⅲ)處理至培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，酸化組的Fv/Fm、ΦPSⅡ、Yield和rETR比0.038% CO2組分別降低46.6.%、61.4%、49.2%和60.0%；當(dāng)Fe(Ⅲ)濃度分別為3.0、4.0 μg/L時(shí)，海水酸化對(duì)中肋骨條藻葉綠素?zé)晒鈪?shù)略有促進(jìn)作用，用4.0 μg/L Fe(Ⅲ)處理至培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，酸化組中Yield和rETR分別比0.038% CO2組高1.3%和2.1%，但無顯著性差異(P>0.05)(表2、表3)。

表2 0.038% CO2處理組Fe(Ⅲ)濃度對(duì)中肋骨條藻葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

表3 0.08% CO2處理組Fe(Ⅲ)濃度對(duì)中肋骨條藻葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

3 討論

3.1 海水酸化對(duì)中肋骨條藻生長(zhǎng)的影響

3.2 Fe(Ⅲ)對(duì)中肋骨條藻生長(zhǎng)的影響

Fe離子是浮游植物生命過程中必需的微量營(yíng)養(yǎng)元素，是其生長(zhǎng)的重要限制因子之一。Fe離子濃度過低，會(huì)使光合作用傳遞鏈中所有含F(xiàn)e離子的細(xì)胞色素含量下降，藻類PSⅡ的光合作用效率及能量轉(zhuǎn)化效率顯著下降[29]。在缺Fe離子條件下，三角褐指藻的Fv/Fm顯著降低，而重新加入Fe離子24 h后，F(xiàn)v/Fm恢復(fù)到原來水平[30]；Fe離子濃度為10-9～10-6mol/L時(shí)，隨著Fe離子濃度的增加，對(duì)尖刺菱形藻Pseudonitzschiapungens光合放氧和葉綠素合成起到促進(jìn)作用[31]。本研究中，在CO2含量為0.038%的條件下，不同濃度的Fe(Ⅲ)從第4天開始對(duì)中肋骨條藻的各葉綠素?zé)晒鈪?shù)產(chǎn)生顯著的促進(jìn)作用；海水酸化(CO2含量0.08%)后，1.5、2.0 μg/L Fe(Ⅲ)對(duì)中肋骨條藻各葉綠素?zé)晒鈪?shù)自第1天開始產(chǎn)生顯著的抑制作用，并持續(xù)至培養(yǎng)結(jié)束，而Fe(Ⅲ)濃度為3.0、4.0 μg/L的組中肋骨條藻相應(yīng)葉綠素?zé)晒鈪?shù)指標(biāo)水平與CO2含量0.038%時(shí)低濃度Fe(Ⅲ)(1.5、2.0 μg/L)組相當(dāng)，F(xiàn)e(Ⅲ)對(duì)其光合作用的影響快于對(duì)生長(zhǎng)的影響，推測(cè)是浮游植物首先通過光合作用準(zhǔn)備足夠的物質(zhì)和能量，而后生長(zhǎng)才能進(jìn)行。而在CO2含量為0.08%的酸化條件下，低濃度Fe(Ⅲ)抑制其正常的光合反應(yīng)過程，這可能是由于酸化條件下浮游植物對(duì)Fe離子的吸收率降低[18]、細(xì)胞膜氧化還原特性及相關(guān)酶活性改變[8]引起的，而高濃度Fe(Ⅲ)則可通過增大捕光色素復(fù)合體的面積來促進(jìn)光吸收，進(jìn)而提高光合作用速率及生長(zhǎng)。

浮游植物通過光能來同化無機(jī)碳的過程是海洋物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的重要基礎(chǔ)，它們把溶解態(tài)CO2轉(zhuǎn)化為顆粒態(tài)，是“生物泵”的一個(gè)重要生物學(xué)過程。海洋從大氣中吸收CO2的量依賴于生物泵，也依賴于酸化所產(chǎn)生的效應(yīng)。海水酸化和其他環(huán)境因子對(duì)浮游植物的影響與其種類特性、細(xì)胞大小及對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力有關(guān)，海洋酸化對(duì)浮游植物生理過程影響的差異必然會(huì)引起浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化。

4 結(jié)論

1)CO2含量為0.038%條件下，較低Fe(Ⅲ)濃度可以顯著促進(jìn)中肋骨條藻生長(zhǎng)，海水酸化(CO2含量0.08%)后，需要較高Fe(Ⅲ)濃度才能保持相似增長(zhǎng)水平。

2)CO2含量為0.038%條件下，中肋骨條藻細(xì)胞PSⅡ光化學(xué)活性隨Fe(Ⅲ)濃度升高而增加；海水酸化(CO20.08%)后，僅Fe(Ⅲ)濃度為3.0、4.0 μg/L時(shí)對(duì)光化學(xué)活性表現(xiàn)出促進(jìn)作用，并與0.038% CO2含量下相當(dāng)；相同F(xiàn)e(Ⅲ)濃度下，酸化會(huì)引起藻細(xì)胞PSⅡ光化學(xué)活性降低。