光照度對(duì)水華魚(yú)腥藻細(xì)胞比重與藻絲長(zhǎng)度的影響研究

巫 娟,陳雪初,孔海南,安 陽(yáng),吳 辰,何圣兵 (上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200240)

魚(yú)腥藻是導(dǎo)致我國(guó)重點(diǎn)湖泊如滇池、太湖等發(fā)生藍(lán)藻水華的主要藻種之一.魚(yú)腥藻在真光層中的浮沉速度是決定它能否在競(jìng)爭(zhēng)勝出的重要原因之一[1].根據(jù)Stokes方程,主要有如下關(guān)鍵因子影響?hù)~(yú)腥藻浮沉速度:即藻絲長(zhǎng)度、比重和體型阻力[2].另一方面,現(xiàn)有大量研究顯示,可獲得光資源量對(duì)魚(yú)腥藻生長(zhǎng)起到限制作用,但迄今為止,極少有關(guān)于可獲得光資源量與浮沉關(guān)鍵因子藻絲長(zhǎng)度、比重關(guān)系的報(bào)道.針對(duì)于此,本文通過(guò)搖瓶分批實(shí)驗(yàn)研究了水華魚(yú)腥藻生物量、藻絲長(zhǎng)度、比重對(duì)不同光照度條件的響應(yīng),以及相應(yīng)的沉降損失比率,為深入探索水華魚(yú)腥藻在真光層中的懸浮機(jī)制及競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)提供基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 藻種培養(yǎng)

搖瓶實(shí)驗(yàn)采用水華魚(yú)腥藻,藻種來(lái)源為中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所淡水藻種庫(kù),編號(hào)FACHB-245.試驗(yàn)前,水華魚(yú)腥藻藻液與 BG-11培養(yǎng)基[3]分別按 1:50(體積比)混合,擴(kuò)大培養(yǎng) 7d后,分別取一定體積的藻液以 3000r/min離心15min,棄掉上清液,用15mg/L NaHCO3溶液洗滌后離心,重復(fù)3次,所得藻液用無(wú)菌水稀釋備用.

1.2 搖瓶實(shí)驗(yàn)

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置 在500mL搖瓶中加入300mL水華魚(yú)腥藻藻液,初始接種濃度 1×105個(gè)/mL,在五組不同光照下培養(yǎng),光照度分別為 100,500, 1000,3000,5000lx,每組設(shè)置2個(gè)平行樣,培養(yǎng)溫度為(25±1)℃,光暗比14:10.

1.2.2 測(cè)定方法 以 35d為實(shí)驗(yàn)周期,每隔 4d取樣8mL檢測(cè)其胞內(nèi)糖含量、比重以及形態(tài)指標(biāo),在周期結(jié)束時(shí)測(cè)定各組的沉降損失比率.其中,葉綠素 a濃度采用國(guó)標(biāo)法測(cè)定[4],胞內(nèi)糖濃度用硫酸-蒽酮分光光度法測(cè)定[5],測(cè)定前先離心后去除上清液,用蒽酮試劑顯色.胞內(nèi)糖含量表征方法為胞內(nèi)糖濃度除以葉綠素a濃度.形態(tài)指標(biāo)取魚(yú)腥藻藻絲長(zhǎng)度,用Nikon eclipse e400 DS-Fi顯微鏡結(jié)合NIS elements顯微拍照軟件,再用Image Pro Plus 6.0提取其藻絲長(zhǎng)度.比重(藻細(xì)胞密度和水密度的比值)采用percoll密度梯度離心法測(cè)定[6].取percoll與BG-11培養(yǎng)基以7:3配比,加入約2mL離心濃縮后藻液,在14000r/min和20℃下高速離心 30min,可形成穩(wěn)定的密度梯度,并且可見(jiàn)明顯的藻細(xì)胞層[7].藻細(xì)胞層的比重可用煤油-CCl4柱方法測(cè)定.實(shí)驗(yàn)中所用煤油-CCl4柱改進(jìn)自DAVID A. WOLFF的煤油-CCl4方法[8].沉降損失比率的測(cè)定裝置采用高度為50cm圓柱形水柱,內(nèi)部放置蜂窩隔斷層,高度 8cm,下沿至水柱底部 15cm,其作用是連通水柱內(nèi)上下水體但保持其各自的流態(tài)不相互影響;將稀釋后的藻液倒入水柱中,隔斷層上部水體加空氣泵曝氣混合,下部分水體由于隔斷層的作用保持靜止;設(shè)定取樣間隔為10min,定時(shí)取水面以下10cm處混合層藻液測(cè)定其OD680,實(shí)驗(yàn)時(shí)間持續(xù)1～1.5h.

沉降損失比率按以下方法計(jì)算:

式中:N(t)為混合層藻液在 t時(shí)間下的光密度;N0

為藻液的初始光密度.

2 結(jié)果與分析

2.1 光照度對(duì)水華魚(yú)腥藻生物量的影響

由圖1可知,在1000lx下,水華魚(yú)腥藻的生長(zhǎng)狀況最好,35d后葉綠素a濃度增加到3705μg/L;當(dāng)光照度≤1000lx時(shí),隨著光照度的下降,水華魚(yú)腥藻的生長(zhǎng)趨勢(shì)減慢,35d后葉綠素 a濃度如下:500lx為7370μg/L,100lx為3704μg/L;當(dāng)光照度≥1000lx時(shí),隨著光照度的增加,水華魚(yú)腥藻生長(zhǎng)趨勢(shì)也減慢,35d后葉綠素 a(Chl a)濃度如下:3000lx為2290μg/L,5000lx為1793μg/L.比增長(zhǎng)速度計(jì)算公式如下:μ = [ln(x2)- ln(x1)]/t,式中x1和x2分別為魚(yú)腥藻培養(yǎng)開(kāi)始及結(jié)束時(shí)的藻濃度,t為培養(yǎng)周期.當(dāng)光照度≤1000lx時(shí),魚(yú)腥藻的比增長(zhǎng)速度隨光照度的下降而減小,結(jié)果如下:1000lx為 0.15d-1,500lx為 0.14d-1,100lx為0.12d-1;當(dāng)光照度≥1000lx時(shí),魚(yú)腥藻的比增長(zhǎng)速度隨光照度的增加而減小,結(jié)果如下:3000lx為0.11d-1,5000lx為0.10d-1,低于500lx和100lx的比增長(zhǎng)速度.

圖1 不同光照度下藻細(xì)胞的葉綠素a濃度變化及比增長(zhǎng)速度Fig.1 Effect of different light intensity on the variation of chlorophyll a and relative growth rate

2.2 光照度對(duì)水華魚(yú)腥藻細(xì)胞比重的影響

光照度對(duì)水華魚(yú)腥藻細(xì)胞比重的影響見(jiàn)圖2,結(jié)果表明在5000lx和3000lx下,魚(yú)腥藻細(xì)胞比重在接種 10d后快速上升,達(dá)到最大值分別為1.17和1.14,隨后快速下降.1000lx和500lx下,魚(yú)腥藻比重在接種的前2d內(nèi)下降,隨后緩慢上升至15d時(shí)達(dá)到最大值,分別為1.116和1.112,之后緩慢下降到趨于穩(wěn)定.100lx條件下,魚(yú)腥藻比重在接種前 2d內(nèi)下降,隨后穩(wěn)定上升,實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)達(dá)到1.116.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在純培養(yǎng)0～10d內(nèi),高光強(qiáng)條件會(huì)促進(jìn)水華魚(yú)腥藻細(xì)胞比重的增加.在純培養(yǎng)的前15d內(nèi),不同光照度培養(yǎng)條件下的魚(yú)腥藻細(xì)胞比重有明顯差別,但在15d之后,各組之間的細(xì)胞比重差別不大,穩(wěn)定在1.07～1.12范圍內(nèi).

圖2 不同光照度條件下藻細(xì)胞比重的變化Fig.2 Effect of different light intensity on the variation of cell density

2.3 光照度對(duì)水華魚(yú)腥藻藻絲長(zhǎng)度的影響

圖3 不同光照度條件下魚(yú)腥藻藻絲長(zhǎng)度的分布箱圖Fig.3 Frequency distribution of Anabaena flos-aquae length under different light intensity

將Image Pro Plus得出的藻絲長(zhǎng)度數(shù)據(jù)通過(guò)SPSS進(jìn)行頻率分析,其分布箱圖如圖 3所示,結(jié)果表明光照度100lx下的藻絲長(zhǎng)度分布隨時(shí)間呈上升趨勢(shì),樣本中位數(shù)從初始值118μm上升到實(shí)驗(yàn)周期結(jié)束時(shí)的 490μm.500lx時(shí),魚(yú)腥藻藻絲長(zhǎng)度中位數(shù)上升至 23d時(shí)達(dá)到最大值 536μm.在1000,3000,5000lx下,藻絲長(zhǎng)度分別在19, 15, 10d增長(zhǎng)至最大值 495,408,284μm.結(jié)果表明,藻絲長(zhǎng)度分布的中位數(shù)先隨培養(yǎng)時(shí)間而增大,達(dá)到最大值后開(kāi)始減小,其中在低光強(qiáng)和一般光強(qiáng)下,魚(yú)腥藻藻絲長(zhǎng)度達(dá)到的最大值在500μm左右,但在較高光強(qiáng)下,魚(yú)腥藻可以達(dá)到的最大藻絲長(zhǎng)度較短,并且較快增大到最大值.

2.4 光照度對(duì)沉降損失比率的影響

實(shí)驗(yàn)周期結(jié)束之后,測(cè)定不同光照度培養(yǎng)條件下的魚(yú)腥藻的沉降損失比率如圖 4,結(jié)果顯示,在低光照度培養(yǎng)條件下魚(yú)腥藻沉降損失比率較高,而高光照度培養(yǎng)條件下沉降性能較差,沉降損失比率較低:3000lx和5000lx下魚(yú)腥藻沉降損失比率僅不到10%,為7.8%和5.4%;100,500,1000lx下沉降損失比率較高,分別為53%,19%和45%.

圖4 不同光照度條件下魚(yú)腥藻沉降損失比率的變化Fig.4 The change of sinking loss under different light intensity

3 討論

魚(yú)腥藻、微囊藻等藍(lán)藻的自身生態(tài)特性尤其是特有的浮力調(diào)節(jié)機(jī)制與表面水華形成有著密切的關(guān)系.自 20世紀(jì) 90 年代初以來(lái), Kromkamp[9]、Visser[10]、Wallace[11]等人的延續(xù)性研究揭示,藍(lán)藻的浮力調(diào)節(jié)機(jī)制表現(xiàn)在:可通過(guò)細(xì)胞內(nèi)偽空胞的破裂和重組以及糖原的代謝和積累調(diào)節(jié)自身的浮力,以長(zhǎng)期浮聚在真光層,并限制其他浮游藻類(lèi)的可獲得光資源量.藍(lán)藻強(qiáng)大的浮聚功能是它具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),形成水華的關(guān)鍵因素之一[12-15,1].從本質(zhì)上看,藍(lán)藻的浮力調(diào)節(jié)機(jī)制服從斯托克斯公式,其表達(dá)式如下[12]:

式中:D為等效長(zhǎng)度;ρc為顆粒比重;ρw為水比重;Φ為體型阻力系數(shù).

根據(jù)上述公式,對(duì)于具有鏈狀結(jié)構(gòu)含偽空胞的魚(yú)腥藻而言,直接影響其浮沉過(guò)程,且最易于度量的關(guān)鍵因子為比重和藻絲長(zhǎng)度.從本試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,純培養(yǎng)的魚(yú)腥藻,在一個(gè)生長(zhǎng)周期內(nèi),其比重和藻絲長(zhǎng)度不是恒定不變的,以3000lx光照條件下為例,其基本變化規(guī)律為:在接種的前5d內(nèi),魚(yú)腥藻細(xì)胞比重緩慢變大,而魚(yú)腥藻藻絲長(zhǎng)度無(wú)明顯變化;進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期(5～10d)后細(xì)胞比重迅速增大,藻絲長(zhǎng)度也迅速上升;進(jìn)入穩(wěn)定期(10d)后,魚(yú)腥藻細(xì)胞比重迅速減小,魚(yú)腥藻群體也變短.這顯示魚(yú)腥藻的浮力調(diào)節(jié)機(jī)制與其生長(zhǎng)階段有關(guān),在本試驗(yàn)中,第10d其比重為1.14,藻絲長(zhǎng)度為408μm,都達(dá)到了生長(zhǎng)周期中的最大值,這意味著在這個(gè)時(shí)期魚(yú)腥藻最易于沉降.

本試驗(yàn)結(jié)果還顯示,魚(yú)腥藻比重和藻絲長(zhǎng)度受到水下光環(huán)境的直接影響.在接種的前 5d內(nèi), 3000lx和 5000lx的細(xì)胞比重緩慢增大,而 100, 500,1000lx的細(xì)胞比重有所減小,在接種后的5～10d內(nèi),3000lx和5000lx的魚(yú)腥藻細(xì)胞比重快速增大,而100,500,1000lx的細(xì)胞比重緩慢增大.從水華魚(yú)腥藻藻絲長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中可以看出,100lx下藻絲長(zhǎng)度可不斷地穩(wěn)定上升并達(dá)到最大值,推測(cè)在低光照度下魚(yú)腥藻生物量雖然增長(zhǎng)緩慢,但很可能反而利于魚(yú)腥藻繁殖時(shí)藻絲的穩(wěn)定增長(zhǎng);500lx和 1000lx下雖然生物量增長(zhǎng)較快,但增長(zhǎng)速度過(guò)快可能加速厚壁孢子的形成,導(dǎo)致短鏈魚(yú)腥藻較多;高光強(qiáng)(3000lx和 5000lx)抑制了魚(yú)腥藻生物量增長(zhǎng)速度和絲體的增長(zhǎng)速度.

最近10余年來(lái),在許多湖庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)研究中都發(fā)現(xiàn),無(wú)論是風(fēng)浪、湖流、降雨等自然因素變化影響,還是人為操控的揚(yáng)水造流過(guò)程,它們所引發(fā)的水體持續(xù)性垂直混合都會(huì)導(dǎo)致藍(lán)藻水華在較短的時(shí)期內(nèi)(一般在 5d左右開(kāi)始有明顯數(shù)量衰減)消失[16-20].目前多數(shù)的研究者都將其原因歸結(jié)為持續(xù)性垂直混合作用下導(dǎo)致光限制條件出現(xiàn),藍(lán)藻的可獲得光資源量顯著下降:即原本浮聚于水體真光層的藍(lán)藻被迫隨著混合水流在真光層和暗光層上下遷移,而藍(lán)藻進(jìn)入暗光層之后,其生長(zhǎng)受到抑制,進(jìn)而逐漸衰亡[18-19].本研究結(jié)果則顯示了另一個(gè)可能的影響,即較長(zhǎng)時(shí)間的光限制條件可能造成藍(lán)藻的比重和藻絲長(zhǎng)度發(fā)生變化,導(dǎo)致其沉降性能增加,從而促進(jìn)魚(yú)腥藻沉出水柱,也即沉降損失可能是影響藍(lán)藻水華消亡的重要原因之一.

4 結(jié)論

4.1 在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期內(nèi),魚(yú)腥藻細(xì)胞比重隨光照度增大而增大,在10d左右達(dá)到最大值,隨后各光照組下魚(yú)腥藻細(xì)胞比重較穩(wěn)定且相差不大.

4.2 在培養(yǎng)周期內(nèi),各光照組下的魚(yú)腥藻藻絲長(zhǎng)度先增大到最大值然后逐漸減小,且高光強(qiáng)下魚(yú)腥藻藻絲長(zhǎng)度較短,并且較快增大到最大值.

4.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)┢诟吖庹战M下的魚(yú)腥藻沉降損失比率較低,僅為不到10%,而低光照下的魚(yú)腥藻沉降損失性能較好,最高可達(dá)57.3%.

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