不同氮素對(duì)冠盤(pán)藻生長(zhǎng)和光合熒光特性的影響

鄭傳坤 劉曉真 李衛(wèi)國(guó) 賀玉曉 張運(yùn)興 趙同謙

摘要：硅藻水華廣泛存在于富營(yíng)養(yǎng)化水體中，常造成惡劣的環(huán)境影響，氮素輸入是造成硅藻水華現(xiàn)象的主要因素之一。為明確氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)硅藻水華的影響，揭示其對(duì)氮素的響應(yīng)機(jī)理，以常見(jiàn)硅藻水華優(yōu)勢(shì)種冠盤(pán)藻（Stephanodiscus hantzschii）為研究對(duì)象，分別以硝酸鈉、氯化銨和尿素作為氮源，分析了不同氮素條件下冠盤(pán)藻生長(zhǎng)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)（Fv /Fm、α、Ik、ETRmax）的變化特征。結(jié)果顯示，不同形態(tài)氮素對(duì)冠盤(pán)藻的生長(zhǎng)及葉綠素?zé)晒鈪?shù)影響顯著，一定程度上提高水體氮素濃度能夠提升冠盤(pán)藻的葉綠素?zé)晒?，促進(jìn)其生長(zhǎng)。相比于氨氮和尿素，硝氮營(yíng)養(yǎng)更有利于冠盤(pán)藻的生長(zhǎng)，高濃度硝氮條件下，冠盤(pán)藻生長(zhǎng)良好，而氨氮濃度大于5 mg/L、尿素濃度達(dá)到10 mg/L時(shí)，冠盤(pán)藻葉綠素?zé)晒鈪?shù)顯著降低，生長(zhǎng)受到抑制。較高濃度氨氮及尿素對(duì)冠盤(pán)藻葉綠素?zé)晒鈪?shù)的抑制作用主要發(fā)生在其生長(zhǎng)的前中期，隨著氮素消耗，冠盤(pán)藻的光合參數(shù)Fv /Fm、Ik、ETRmax均隨氮素濃度的增加而增加，低氮條件下的冠盤(pán)藻會(huì)提高α值來(lái)增大對(duì)光能的利用效率，從而提高其環(huán)境適應(yīng)性。研究表明，氮素一定程度上能夠通過(guò)影響冠盤(pán)藻的光合作用而影響其在水環(huán)境中的生長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞：冠盤(pán)藻；氮素；硅藻水華；葉綠素?zé)晒鈪?shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：Q142 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-3075（2023）01-0131-08

氮素作為水環(huán)境中主要的營(yíng)養(yǎng)元素之一，對(duì)整個(gè)水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定具有重要作用，是評(píng)價(jià)水環(huán)境健康狀態(tài)的重要指標(biāo)。氮素輸入增加是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要原因，常導(dǎo)致水華現(xiàn)象的發(fā)生。20世紀(jì)90年代至今，長(zhǎng)江以南部分地區(qū)硅藻水華頻繁出現(xiàn)，尤其是漢江、長(zhǎng)江三峽更是硅藻水華發(fā)生的常見(jiàn)區(qū)域，并有向支流蔓延的趨勢(shì)。水華發(fā)生期間，水體透明度顯著下降，呈黃褐色并伴有大量懸浮物，死亡分解的硅藻往往會(huì)散發(fā)惡臭，影響區(qū)域用水安全，其造成的惡劣生態(tài)影響日益受到廣泛關(guān)注。硅藻水華的發(fā)生受多種因素影響，其中氮素輸入的增加被認(rèn)為是重要的原因之一（盧大遠(yuǎn)等，2000；胡恩等，2020；李建等，2020）。因此，研究硅藻對(duì)氮素營(yíng)養(yǎng)的響應(yīng)機(jī)制能有效控制水華發(fā)生。

硅藻是水環(huán)境中常見(jiàn)的浮游植物，同時(shí)也是重要的水環(huán)境指示物種。硅藻對(duì)水中氮素的變化非常敏感，其對(duì)不同形態(tài)及不同濃度的氮源吸收、同化均有所不同。光合作用是硅藻重要的生理過(guò)程之一，能夠顯著影響其在水環(huán)境中的生長(zhǎng)。氮素作為構(gòu)成葉綠素的主要元素，能夠通過(guò)影響硅藻的光合速率、暗反應(yīng)過(guò)程中主要酶的合成以及光呼吸，直接或間接影響著光合效率（Jiang et al， 2012；Adams et al， 2013）。環(huán)境條件的改變主要影響硅藻的光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ） ，硅藻PSⅡ的熒光誘導(dǎo)曲線以及快速光曲線的相關(guān)參數(shù)可以反應(yīng)其不同環(huán)境條件下的光合特性（White & Critchley， 1999；Ralph & Gademann， 2005）。因此，研究水華硅藻響應(yīng)氮素的生長(zhǎng)及光合特性，能夠明確水體氮素輸入對(duì)水華硅藻生長(zhǎng)和生理狀態(tài)的影響，進(jìn)一步揭示水華發(fā)生的機(jī)理。

冠盤(pán)藻（Stephanodiscus hantzschii）屬于中心硅藻綱（Centriae）、圓篩藻目（Coscinodiscales）、圓篩藻科（Coscinodiscaceae），廣泛分布于湖泊、河流、水庫(kù)等水域，是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外報(bào)道的硅藻水華主要優(yōu)勢(shì)種之一（Jung et al，2011；鄭凌凌等，2017；李建等，2020）。冠盤(pán)藻的環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，適宜生長(zhǎng)溫度為3～22℃，相較于其他藻類(lèi)，具有良好的光保護(hù)能力，在高強(qiáng)光下也能夠很好地生長(zhǎng)。有研究表明，水體中氮素濃度的升高是誘導(dǎo)冠盤(pán)藻水華暴發(fā)的主要因素之一（吳興華等，2017；王俊等，2018；辛小康等，2019）。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于冠盤(pán)藻的氮素響應(yīng)機(jī)制研究多集中于氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)其生長(zhǎng)的影響，鮮見(jiàn)有關(guān)其光合特性的相關(guān)報(bào)道。為此，本研究以冠盤(pán)藻為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，探究不同形態(tài)以及濃度氮素對(duì)其生長(zhǎng)和光合參數(shù)的影響，以期為硅藻的氮素響應(yīng)機(jī)制及其水華防治提供參考。

1 ? 材料與方法

1.1 ? 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)的冠盤(pán)藻購(gòu)自于中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所藻種庫(kù)，藻種編號(hào)為FACHB-2842。藻類(lèi)培養(yǎng)條件為（20±0.1）℃，光照強(qiáng)度5 000 lx，光暗比為12h：12h，靜置培養(yǎng)，每天輕搖1～3次，選用D1培養(yǎng)基，擴(kuò)大培養(yǎng)至所需藻液量時(shí)開(kāi)始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.2 ? 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)3種氮素處理組， 分別為氯化銨（A組）、硝酸鈉（B組）和尿素（C組），濃度設(shè)定為0.5、1、2、5、10 mg/L（以N計(jì)），部分氮素濃度設(shè)置參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（G3838-2002）》中的總氮標(biāo)準(zhǔn)限值。將對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期的冠盤(pán)藻在離心機(jī)中以5 000 r/min離心5 min， 收集藻種，在無(wú)氮基質(zhì)中培養(yǎng)3 d，用以消耗冠盤(pán)藻細(xì)胞內(nèi)存儲(chǔ)的氮素營(yíng)養(yǎng)，然后接種于500 mL三角瓶中，接種后藻液體積為300 mL，各組設(shè)3個(gè)平行。接種當(dāng)天測(cè)定藻細(xì)胞密度、葉綠素a含量、葉綠素?zé)晒庀嚓P(guān)參數(shù)，以后每隔2 d測(cè)定1次。

1.3 ? 藻細(xì)胞比生長(zhǎng)速率及葉綠素a含量測(cè)定

取處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的冠盤(pán)藻藻液，用紫外分光光度計(jì)掃描其在400～800 nm波長(zhǎng)下的吸光值，確定其最大吸收峰波長(zhǎng)為678 nm。用分光光度計(jì)測(cè)定不同濃度藻液吸光值 （OD678），并用血球計(jì)數(shù)板測(cè)定藻細(xì)胞密度，建立細(xì)胞數(shù)與吸光值（OD）的回歸方程，藻細(xì)胞密度用OD678代替。比生長(zhǎng)速率（μ）計(jì)算方法如下：

[μ] = （lnX2 - lnX1）/（T2 - T1） ? ①

式中：X2為培養(yǎng)第T天時(shí)的藻細(xì)胞密度OD678，X1為培養(yǎng)初始時(shí)的藻細(xì)胞密度OD678。

葉綠素a測(cè)定采用丙酮提取法。用移液槍取10 mL搖勻后的藻液至離心管中，以5 000 r/min離心5 min，去除上清液，加入10 mL、90%丙酮溶液，于冰箱中4℃靜止24 h，再次離心。使用分光光度計(jì)，90%丙酮溶液調(diào)0，測(cè)定其波長(zhǎng)663 nm和645 nm的上清液OD值，葉綠素a濃度（mg/mL）計(jì)算公式（李紅霞等，2009）如下：

Chl-a = 12.7OD663 - 2.69OD645 ? ②

1.4 ? 葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定

使用雙通道葉綠素?zé)晒鈨x （Dual-pam-100，德國(guó)） ，向比色皿中加入20 μL藻液和3 mL蒸餾水混勻，暗適應(yīng)5 min后測(cè)定熒光誘導(dǎo)曲線，其中快速光曲線擬合采用Eilers-Peeters模型，計(jì)算公式如下：

p = PAR/（a×PAR2+b×PAR+c） ? ③

α = 1/c ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ④

ETRmax = 1/（b+2[ac]） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ⑤

Ik = c/（b+2[ac]） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?⑥

式中：p為光合速率，PAR為光強(qiáng)，a、b、c為計(jì)算參數(shù)；根據(jù)擬合結(jié)果求得α為光能利用效率[μmol/（m2·s）]（以光子數(shù)計(jì)，下同），反映生物體的光能利用效率；ETRmax為最大電子傳遞速率[μmol/（m2·s）]，反映生物體的光合活性高低；Ik為半飽和光強(qiáng)[μmol/（m2·s）]，反映生物體對(duì)強(qiáng)光的耐受能力。

1.5 ? 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS進(jìn)行整理和統(tǒng)計(jì)分析，P<0.05表示差異顯著，使用Origin作圖。

2 ? 結(jié)果與分析

2.1 ? 不同濃度氮素對(duì)冠盤(pán)藻比生長(zhǎng)速率的影響

不同氮素條件下冠盤(pán)藻的比生長(zhǎng)速率見(jiàn)圖1?？梢?jiàn)冠盤(pán)藻的比生長(zhǎng)速率隨著硝氮濃度的增大而增加，各組之間差異顯著（P<0.05），比生長(zhǎng)速率最高為10 mg/L組，達(dá)到0.124，較最低組（0.5 mg/L）提高了53.2%；氯化銨培養(yǎng)條下，隨著氨氮濃度的升高，冠盤(pán)藻的比生長(zhǎng)速率呈先上升、后下降的趨勢(shì)，各組之間差異顯著（P<0.05），5 mg/L以及10 mg/L氨氮條件下，冠盤(pán)藻的比生長(zhǎng)速率分別為0.071和0.067，相較于2 mg/L組的最大值0.093分別下降了24.7%和27.9%；以尿素作為氮源，冠盤(pán)藻的比生長(zhǎng)速率整體上隨氮素濃度上升而上升，10 mg/L尿素條件下冠盤(pán)藻的比生長(zhǎng)速率為0.101，相較于5 mg/L處理組的0.108略有降低，降幅為6.4%。

不同形態(tài)氮素對(duì)冠盤(pán)藻的比生長(zhǎng)速率也有明顯的影響?？傮w來(lái)看，以硝酸鈉為氮源，冠盤(pán)藻的生長(zhǎng)速率最高，尿素組次之，氯化銨組最低。0.5 mg/L、1.0 mg/L以及10 mg/L氮素濃度，硝酸鈉組的比生長(zhǎng)速率均大于同濃度條件下的氨氮以及尿素組，其中10 mg/L高濃度硝氮組的比生長(zhǎng)速率能夠達(dá)到0.124，較10 mg/L氯化銨、尿素組分別提高了46.1%、19.4%。

2.2 ? 不同氮素對(duì)冠盤(pán)藻葉綠素a的影響

各氮素組對(duì)冠盤(pán)藻葉綠素a濃度的影響見(jiàn)圖2。在接種后的第3天，3種氮素處理組的冠盤(pán)藻細(xì)胞均迅速分裂增殖，葉綠素a濃度迅速增加。圖2-a可見(jiàn)，葉綠素a濃度隨硝氮濃度的增大而增大，各組之間差異顯著（P<0.05），硝氮濃度的提高對(duì)冠盤(pán)藻的葉綠素a的合成具有明顯的促進(jìn)作用，在硝氮濃度為10 mg/L時(shí)，其葉綠素a濃度最高，達(dá)到0.925 mg/L。硝氮濃度為0.5 mg/L的低氮濃度組，冠盤(pán)藻葉綠素a的增長(zhǎng)最為緩慢，在整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中，葉綠素a濃度處于較低水平，其最大值為0.401mg/L，相較于10 mg/L組減少了56.7%。圖2-b可見(jiàn)，在5 mg/L以及10 mg/L氨氮培養(yǎng)條件下，冠盤(pán)藻的葉綠素a濃度顯著低于2 mg/L組（P<0.05），葉綠素a濃度最高值出現(xiàn)在第13天，分別為0.51mg/L以及0.45mg/L，相較于2 mg/L氨氮培養(yǎng)組下降了18.9%和28.5%。圖2-c顯示了尿素對(duì)于冠盤(pán)藻葉綠素a濃度的影響，10 mg/L尿素培養(yǎng)組，葉綠素a濃度顯著低于5 mg/L組；10 mg/L以下，葉綠素a濃度隨著尿素濃度的增大而增大，5 mg/L尿素培養(yǎng)組，葉綠素a的濃度顯著大于其余各組（P<0.05）。

2.3 ? 不同氮素對(duì)冠盤(pán)藻葉綠素?zé)晒獾挠绊?/p>

2.3.1 ? 最大光能轉(zhuǎn)化效率 ? 不同濃度氮素條件下冠盤(pán)藻最大光能轉(zhuǎn)化效率（Fv/Fm）變化見(jiàn)圖3。Fv/Fm反映了植物潛在的最大光合能力，正常生理狀態(tài)下，絕大多數(shù)硅藻的Fv/Fm值在0.6～0.7，當(dāng)Fv/Fm下降時(shí)，代表植物受到了脅迫。

由圖3可以看出，經(jīng)過(guò)無(wú)氮培養(yǎng)條件下的冠盤(pán)藻，在接種了3種氮素后，F(xiàn)v/Fm總體上都呈先上升、后下降的趨勢(shì)。由圖3-a可見(jiàn)，硝氮培養(yǎng)條件下，第1～9天冠盤(pán)藻的Fv/Fm均顯著上升，各濃度組之間無(wú)顯著差異；第9～21天，各濃度組的Fv/Fm均呈下降趨勢(shì)，其中5 mg/L、10 mg/L組的Fv/Fm顯著大于其他各組（P<0.05）；第15～21天，0.5～2.0 mg/L濃度組的Fv/Fm隨著硝氮濃度的降低而減小，各組之間差異顯著（P<0.05）。圖3-b可見(jiàn)，以氨氮為氮源，第1～9天，0.5、5、10 mg/L培養(yǎng)組冠盤(pán)藻的Fv/Fm增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著小于1 mg/L和2 mg/L組（P<0.05）；第9～21天，各濃度組的Fv/Fm均隨氨氮濃度的減小而顯著下降（P<0.05）。圖3-c可見(jiàn)，10 mg/L尿素培養(yǎng)組冠盤(pán)藻的Fv/Fm在第5～9天顯著低于其他組（P<0.05）；第9～21天，各濃度組的Fv/Fm均顯著下降（P<0.05），5 mg/L和10 mg/L尿素組的Fv/Fm顯著大于其他各組，與氨氮的變化保持一致。

2.3.2 ? 光能利用效率 ? 不同濃度氮素條件下冠盤(pán)藻光能利用效率α值的變化見(jiàn)圖4。α值反映了藻細(xì)胞對(duì)光能的利用效率，能直觀反映藻類(lèi)捕光色素對(duì)光能的吸收能力，可以看出，3種氮素培養(yǎng)條件下，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，α值整體變化趨勢(shì)為先上升后下降而后上升。圖4-a可見(jiàn)，硝氮培養(yǎng)條件下，0.5 mg/L和1 mg/L組冠盤(pán)藻的α值在第5～13天顯著低于其他3個(gè)濃度組（P<0.05）；在培養(yǎng)后期，2 mg/L濃度以下的α值具有隨著濃度增大而降低的趨勢(shì)，2 mg/L以上濃度組的α值具有隨著濃度增大而增大的趨勢(shì)。圖4-b顯示了氨氮對(duì)冠盤(pán)藻α值的影響，5 mg/L、10 mg/L氨氮培養(yǎng)條件下，第3天α值顯著低于其他各組（P<0.05）；0.5 mg/L組在第5～15天的α值顯著低于1、2、5 mg/L組（P<0.05），第15～21天顯著上升，且大于其他各組（P<0.05），由第15天最低點(diǎn)0.165上升至第21天的0.265，上升幅度為60.6%。圖4-c顯示了同樣是在培養(yǎng)后期，尿素處理組各濃度α值均顯著上升（P<0.05），其中0.5 mg/L組的上升幅度最大，由最低點(diǎn)的0.163上升至最高點(diǎn)的0.267，上升幅度為38.9%。

2.3.3 ? 半飽和光強(qiáng) ? 不同濃度氮素條件下冠盤(pán)藻光和參數(shù)Ik值的變化見(jiàn)圖5。可以看出，3種氮素培養(yǎng)條件下，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，Ik值整體變化趨勢(shì)保持一致，總體上都先上升、后下降。圖5-a可見(jiàn)，在培養(yǎng)的第1～5天，5種濃度硝氮培養(yǎng)條件下的Ik值同時(shí)顯著上升（P<0.05），其中10 mg/L濃度組的Ik值上升幅度最大，是剛接種時(shí)的5.66倍；第5～9天，5 mg/L、10 mg/L組的Ik值基本保持穩(wěn)定，在第9天Ik值開(kāi)始下降，其余各組在培養(yǎng)的第5天Ik值均已開(kāi)始下降；整個(gè)培養(yǎng)階段Ik值均保持隨濃度增大而上升的趨勢(shì)，各組之間差異顯著（P<0.05）。圖5-b可見(jiàn)，氨氮培養(yǎng)條件下，各濃度組在培養(yǎng)前期都會(huì)顯著上升（P<0.05），0.5、1、2 mg/L濃度組上升的時(shí)間與幅度均顯著大于5 mg/L和10 mg/L濃度組（P<0.05）；第5～7天，0.5 mg/L組的冠盤(pán)藻Ik值顯著低于1 mg/L和2 mg/L組（P<0.05），培養(yǎng)后期，5 mg/L和10 mg/L濃度組冠盤(pán)藻的Ik值顯著大于中低濃度組（P<0.05），Ik值的大小均保持隨濃度增大而上升的趨勢(shì)。圖5-c可見(jiàn)，第1～13天，以尿素為氮源，10 mg/L濃度冠盤(pán)藻的Ik值顯著低于其他各組（P<0.05）；第13～21天，Ik值保持上升并顯著大于其他各組（P<0.05），其余各組的Ik值大小同樣與濃度高低保持相同的變化趨勢(shì)。

2.3.4 ? 最大電子傳遞效率 ? 不同濃度氮素條件下冠盤(pán)藻光和最大電子傳遞效率（ETRmax）的變化見(jiàn)圖6。ETRmax可反映一定光強(qiáng)下單位藻細(xì)胞內(nèi)光合作用速率的快慢，可見(jiàn)各組ETRmax均呈上升后顯著下降的趨勢(shì)（P<0.05）。圖6-a可見(jiàn)，ETRmax具有隨著硝氮濃度增大而增大的趨勢(shì)，各組之間差異顯著（P<0.05）。圖6-b可見(jiàn)，5 mg/L以上濃度的氨氮在前期會(huì)對(duì)冠盤(pán)藻ETRmax產(chǎn)生一定的抑制，且濃度越大抑制性越強(qiáng)；培養(yǎng)后期，5 mg/L、10 mg/L氨氮組又會(huì)顯著大于其余各組（P<0.05）。圖6-c可見(jiàn)，培養(yǎng)前期，10 mg/L尿素組冠盤(pán)藻的ETRmax顯著低于其他4組（P<0.05）；培養(yǎng)后期，ETRmax均隨尿素濃度的增大而增大。

3 ? 討論

3.1 ? 冠盤(pán)藻對(duì)氮素變化的生長(zhǎng)響應(yīng)

大量研究表明，不同形態(tài)氮素對(duì)于藻類(lèi)的生長(zhǎng)影響不同（Altman & Paerl，2012）。從能量消耗的角度看，還原態(tài)的氨氮被認(rèn)為是浮游植物優(yōu)先利用的氮源，原因在于其能夠被浮游植物直接利用；硝氮以及尿素需要先還原成氨氮才能被同化利用，而還原過(guò)程需要消耗光合作用儲(chǔ)存的能量（Lincoln et al，1983）。本研究結(jié)果顯示，相比于氨氮以及尿素，硝氮培養(yǎng)條件下冠盤(pán)藻的生長(zhǎng)速率最高，表明硝氮營(yíng)養(yǎng)條件更有利于冠盤(pán)藻的生長(zhǎng)。有研究發(fā)現(xiàn)，硅藻偏向于硝氮豐富的水體，在一定范圍內(nèi)提高硝氮濃度有助于其快速增殖（Goldman，1993；Lomas & Glibert，2000；Andersen et al，2020）；還有研究發(fā)現(xiàn)，在硝氮培養(yǎng)條件下，部分藻類(lèi)體內(nèi)硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)酶活性顯著增強(qiáng)（王愛(ài)業(yè)等，2008；李斌等，2009；Li et al，2020）。硝氮通過(guò)硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的主動(dòng)運(yùn)輸進(jìn)入冠盤(pán)藻細(xì)胞內(nèi)，部分被分解利用，部分有可能儲(chǔ)存在藻細(xì)胞液泡內(nèi)，較高濃度的硝氮對(duì)其也不會(huì)產(chǎn)生不良影響。因此，隨著外界氮源濃度的提高，硝氮作為氮源的優(yōu)勢(shì)明顯上升。

先前的研究發(fā)現(xiàn)，氨氮濃度達(dá)到0.5 mg/L時(shí)，包括舟形藻、菱形藻在內(nèi)的10種不同類(lèi)型硅藻的生長(zhǎng)均受到抑制（Admiraal，1977）。藻類(lèi)在代謝氨氮時(shí)，氨系統(tǒng)內(nèi)的NH4+去質(zhì)子化形成的NH3對(duì)藻類(lèi)會(huì)產(chǎn)生毒害作用，而隨著NH4+被利用，也會(huì)導(dǎo)致培養(yǎng)液的pH下降；此外，高濃度氨氮能夠抑制微藻細(xì)胞谷氨酰胺合成酶的活性，影響其蛋白質(zhì)合成和氨基酸代謝（蔣漢明和高坤山，2004；唐全民等，2008；孟鴿等，2018）。因此，當(dāng)培養(yǎng)基內(nèi)氨氮為唯一氮源時(shí)，其毒害作用會(huì)隨著濃度上升而加劇。

尿素作為有機(jī)氮源，能夠?yàn)槲⒃逅绽?。但有研究認(rèn)為，高濃度的尿素對(duì)藻類(lèi)有顯著的抑制性（Matsuda et al，1999）。Schiffrine等（2020）在研究不同氮素對(duì)C.gelidus生長(zhǎng)的影響中發(fā)現(xiàn)，該硅藻在以尿素為氮源培養(yǎng)條件下的生物量顯著低于硝氮以及氨氮。尿素在微藻體內(nèi)的代謝需要脲酶參與，只有被分解為碳酸銨或者碳酸氫銨才能夠被微藻吸收利用，不同屬浮游植物在脲酶生理學(xué)上存在的差異，直接影響其對(duì)尿素的吸收利用能力。因此，高濃度的尿素對(duì)于部分藻類(lèi)生長(zhǎng)來(lái)說(shuō)有限制作用，高濃度尿素對(duì)于冠盤(pán)藻生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用的原因，可能是因?yàn)槠浼?xì)胞內(nèi)缺少與尿素代謝相關(guān)的酶類(lèi)，影響了冠盤(pán)藻對(duì)于尿素的吸收利用。

3.2 ? 冠盤(pán)藻對(duì)氮素變化的光合響應(yīng)

氮素是構(gòu)成葉綠素分子的主要元素之一，能夠直接或間接影響藻類(lèi)的光合作用。氮限制或者氮濃度過(guò)高時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致微藻葉綠素?zé)晒鈪?shù)下降（徐興蓮等，2016）。本研究發(fā)現(xiàn)，接種前期，經(jīng)過(guò)了饑餓培養(yǎng)的冠盤(pán)藻葉綠素?zé)晒鈪?shù)迅速增高，在一定范圍內(nèi)提高水體中的氮素濃度能夠顯著提升冠盤(pán)藻的光合作用；培養(yǎng)到中后期，隨著培養(yǎng)基內(nèi)氮素營(yíng)養(yǎng)的消耗，生存環(huán)境受到抑制的冠盤(pán)藻光合參數(shù)逐漸降低，F(xiàn)v/Fm，Ik、ETRmax值均隨氮素濃度增大而增加，而光能利用效率α值在后期會(huì)有所提升。葉綠素?zé)晒鈪?shù)與PSⅡ反應(yīng)中心的開(kāi)放程度相關(guān)，而PSⅡ反應(yīng)中心的開(kāi)放需要微藻從外界吸收氮素來(lái)維持。隨著冠盤(pán)藻細(xì)胞的生長(zhǎng)以及對(duì)氮素需求的增加，氮素濃度的上升會(huì)提高冠盤(pán)藻PSⅡ反應(yīng)中心的開(kāi)放程度，增強(qiáng)其光強(qiáng)耐受性Ik；同時(shí)，PSⅡ反應(yīng)中心的開(kāi)放程度限制了冠盤(pán)藻PSⅡ受體PQA的氧化程度，制約微藻光合系統(tǒng)PSⅡ向PSⅠ電子傳遞速率ETRmax，最終導(dǎo)致冠盤(pán)藻PSⅡ最大光能轉(zhuǎn)化效率Fv/Fm呈現(xiàn)出隨著氮素濃度增加而上升的趨勢(shì)；此外，高濃度氨氮條件下，細(xì)胞外滲透壓增大或者水體pH下降都會(huì)對(duì)冠盤(pán)藻PSⅡ反應(yīng)中心產(chǎn)生毒害作用，導(dǎo)致其葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm、Ik、ETRmax顯著低于中低濃度氨氮處理組；而高濃度氨氮的毒害作用在一定條件下是可修復(fù)的，PSⅡ修復(fù)過(guò)程中，藻細(xì)胞對(duì)于氮素的需求量會(huì)增加，一定范圍內(nèi)提高氮素濃度能夠加快恢復(fù)PSⅡ反應(yīng)中心的活性（Li et al，2015），這可能是培養(yǎng)中后期，F(xiàn)v/Fm、Ik、ETRmax隨著氮素濃度增大而上升的原因。與Fv/Fm、Ik、ETRmax下降趨勢(shì)不同的是，α值在冠盤(pán)藻培養(yǎng)后期都會(huì)有所提升，α值反映了藻類(lèi)利用光能的能力，與藻細(xì)胞內(nèi)光合作用有關(guān)的色素含量有關(guān)。一般認(rèn)為，在氮充足條件下，色素含量會(huì)有所增加，從而促進(jìn)光合效率的提升。而本研究中，氮缺乏條件下α值的升高，可能是藻細(xì)胞對(duì)于光能存在一套主動(dòng)利用機(jī)制，導(dǎo)致冠盤(pán)藻細(xì)胞啟動(dòng)自我保護(hù)機(jī)制，重新分配光能在藻膽蛋白和光系統(tǒng)Ⅱ、Ⅰ的能量配比，從而使部分葉綠素?zé)晒庵翟龃笠赃m應(yīng)生存環(huán)境。

綜上所述，在一定范圍內(nèi)的提高水體中氮素尤其是硝氮的濃度會(huì)顯著提升冠盤(pán)藻的光合作用，加快其分裂增殖；高濃度的氨氮會(huì)對(duì)冠盤(pán)藻光系統(tǒng)產(chǎn)生毒害作用，尿素培養(yǎng)條件下的冠盤(pán)藻對(duì)氮素的吸收利用存在著一定的限制，導(dǎo)致了光合作用有所下降，藻細(xì)胞生長(zhǎng)受抑制；冠盤(pán)藻體內(nèi)的光系統(tǒng)Ⅱ能夠做出反應(yīng)以應(yīng)對(duì)短時(shí)間內(nèi)輸入的氮素營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷；同時(shí)，當(dāng)水體處于較低氮營(yíng)養(yǎng)水平甚至寡氮營(yíng)養(yǎng)水平時(shí)，冠盤(pán)藻也能夠通過(guò)調(diào)節(jié)光系統(tǒng)Ⅱ的參數(shù)適應(yīng)環(huán)境變化，這可能是冠盤(pán)藻成為典型硅藻水華優(yōu)勢(shì)種的主要原因。

4 ? 結(jié)論

（1）0～10 mg/L氮素濃度范圍，提高硝氮濃度會(huì)促進(jìn)冠盤(pán)藻生長(zhǎng)，氨氮濃度在5 mg/L以上、尿素濃度達(dá)到10 mg/L均會(huì)對(duì)冠盤(pán)藻的生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制。

（2）比生長(zhǎng)速率比較顯示，硝氮、氨氮、尿素分別作為冠盤(pán)藻唯一氮源時(shí)，硝氮營(yíng)養(yǎng)更有利于冠盤(pán)藻的生長(zhǎng)。

（3）一定濃度范圍內(nèi)，提高氮素濃度會(huì)促進(jìn)冠盤(pán)藻的光化學(xué)反應(yīng)以及光保護(hù)能力；較高濃度的氨氮和尿素會(huì)對(duì)冠盤(pán)藻的光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生抑制，氮缺乏條件下的冠盤(pán)藻會(huì)增強(qiáng)對(duì)光能的利用，從而提高其環(huán)境適應(yīng)性。

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（責(zé)任編輯 ? 萬(wàn)月華）

Effects of Nitrogen on the Growth and Chlorophyll Fluorescence

of Stephanodiscus hantzschii

ZHENG Chuan‐kun1， LIU Xiao‐zhen1， LI Wei‐guo1， HE Yu‐xiao1， ZHANG Yun‐xin2， ZHAO Tong‐qian1

（1. Institute of Resources and Environment， Henan Polytechnic University， Jiaozuo ? 454000， P.R. China;

2. School of Architectural and Artistic Design， Henan Polytechnic University， Jiaozuo ? 454000， P.R. China）

Abstract：Diatom blooms are a common phenomenon in eutrophic water bodies. The blooms adversely affect the environment， and excessive inputs of nitrogen is a primary factor leading to diatom blooms. Stephanodiscus hantzschii is widely distributed in lakes， rivers， and reservoirs， and has been the dominant species in diatom blooms reported at home and abroad. In this investigation， S. hantzschii was selected for study， and we explored different concentrations and forms of nitrogen （sodium nitrate， ?ammonium chloride and urea） on the growth and chlorophyll fluorescence parameters of S. hantzschii using indoor simulation experiments. Our focus was on the specific growth rate， chlorophyll a concentration， and the following fluorescent parameters： maximum photochemical efficiency （Fv /Fm）， light use efficiency （α value）， half-saturation light intensity （Ik） and maximum electron transport rate （ETRmax）. The aim was to reveal the nitrogen response mechanism of diatoms and provide a reference for controlling algal blooms. Five nitrogen concentrations （0.5， 1， 2， 5， 10 mg/L） were set for each of the three nitrogen sources， with each treatment in triplicate. The algal cell density， chlorophyll a concentration and chlorophyll fluorescence parameters of each treatment were determined every two days during the 21-day experiment. Results show that the growth and chlorophyll fluorescence parameters of S. hantzschii varied significantly with treatment （nitrogen source）. Higher nitrogen concentrations， to a degree that depended on the form， promoted the growth and improved chlorophyll fluorescence of S. hantzschii. The specific growth rate of the sodium nitrate treatment group was highest， followed by the urea group and ammonium chloride group. The specific growth rates of sodium nitrate groups with nitrogen concentrations of 0.5 mg/L， 1.0 mg/L and 10 mg/L were all higher than those of the ammonium chloride and urea groups with the same nitrogen concentrations. The specific growth rate for the 10 mg/L nitrate-N treatment group reached 0.124， which was 46.1% higher than the ammonium chloride group and 19.4% higher than the urea group. Nitrate clearly promotes the growth of S. hantzschii better than ammonia or urea. Further， a nitrogen concentration exceeding 5 mg/L in the form of ammonium chloride or 10 mg/L in the form of urea， significantly reduced the chlorophyll fluorescence parameters and growth of S. hantzschii， and the reduction in photosynthetic parameters occurred in the early and middle growth stages. In addition， we found that S. hantzschii adapted to nitrogen deficiency by increasing the utilization efficiency of light energy （i.e.， the α value increased at low nitrogen concentrations）. To summarize， the concentration of nitrogen in water affects the photosynthesis of S. hantzschii， consequently affecting its growth.

Key words： Stephanodiscus hantzschii；nitrogen；diatom blooms；chlorophyll fluorescence