多環(huán)境因子對微藻生長競爭影響的室內(nèi)模擬研究綜述

葛裕豪，劉雪梅，楊 旭，吳燕鋒 張 婧

（1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林 長春 130102；3.黑龍江大學(xué) 信息管理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

微藻是一類包括綠藻、藍(lán)藻、硅藻、金藻、裸藻、甲藻等多個門類的單細(xì)胞或多細(xì)胞光合水生微生物，除藍(lán)藻門外均屬于真核生物[1]。微藻作為水生生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)者，為水生食物鏈和食物網(wǎng)提供物質(zhì)和能量支撐，是水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[2]。適量微藻可提高水體中溶氧量和魚類食物，促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖生物的生長和繁殖；過量微藻則會引發(fā)藻華，降低水質(zhì)、透明度和自凈能力，并通過產(chǎn)生的藻毒素威脅水生生物和人畜健康[1]。此外，由于微藻的生長繁殖受氣候變化和人類活動的雙重影響，多環(huán)境因子（物理、化學(xué)和生物等）對微藻的生長、競爭機(jī)制尚不清晰，故給水體藻華的有效治理帶來了挑戰(zhàn)[3-4]。為了深入了解多環(huán)境因子對不同微藻種類生長、競爭的影響機(jī)制和規(guī)律，通過綜述國內(nèi)、外近十年關(guān)于多環(huán)境因子對不同微藻種類生長、競爭影響的室內(nèi)模擬研究進(jìn)展，提出未來的研究方向和展望。室內(nèi)模擬是揭示多環(huán)境因子對微藻生長、競爭機(jī)制的有效方式之一[5-7]，通過模擬不同的生態(tài)環(huán)境，研究微藻的生理特征和生長響應(yīng)機(jī)制，也可通過模擬微藻的生物量積累和競爭過程，為水華的形成、維持和消退提供理論依據(jù)。

1 物理因素對微藻生長競爭的室內(nèi)模擬試驗(yàn)

對微藻產(chǎn)生影響的物理因素主要包括光、溫度和擾動等因子，通過作用于藻種光合作用、呼吸速率、硝化速率和反硝化速率等生物地球化學(xué)過程來影響藻種生長競爭。物理因子實(shí)驗(yàn)的設(shè)置梯度及對象見表1。

表1 物理因子實(shí)驗(yàn)的設(shè)置梯度及對象

1.1 光照

在影響微藻生長、競爭的環(huán)境因素中，光照可通過作用于微藻的光合作用、色素合成、酶活性等方面來調(diào)控微藻的代謝速率、生物量積累和營養(yǎng)吸收等生理過程[8]。如：王菁等[9]對普通小球藻（Chlorella vulgaris）和魚腥藻（A nabaena sp.）的研究發(fā)現(xiàn)，魚腥藻和普通小球藻的最大細(xì)胞濃度均隨光照強(qiáng)度的增加而升高，但兩者的最適光強(qiáng)不同，且在共同培養(yǎng)時，兩者之間的競爭抑制參數(shù)隨著光照強(qiáng)度而變化[10]。除光照強(qiáng)度，其他光照條件（如光照周期、光照頻率、光照波長和光照強(qiáng)度波動等） 也可對微藻生長和競爭產(chǎn)生影響。如：XU Y 等[11]研究發(fā)現(xiàn)，鹽生杜氏藻（Dunaliella salina）的生長速率和生物量均隨光照時間的延長而增加。李默楠等[12]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光照波長組合分別為450～465 和650～660 nm 時，鈍頂螺旋藻（Spirulina platensis）的產(chǎn)量達(dá)到最高，同時紅光對螺旋藻的影響大于藍(lán)光。卿人韋等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在光照周期性波動的條件下，銅綠微囊藻（Microcystis aeruginosa）和斜生柵藻（Scenedesmus obliquus）的生物量、色素含量和酶活性均有所降低。由此可見，光照對不同藻種的生長和競爭均有顯著影響，不同藻種對光照的需求和利用有所差異，光照變化可導(dǎo)致微藻群落結(jié)構(gòu)和功能的變化[14]。因此，了解不同藻種的最適光強(qiáng)和光照對微藻競爭的影響機(jī)制，對于水體富營養(yǎng)化治理和水產(chǎn)養(yǎng)殖有重要意義。

1.2 溫度

溫度是影響微藻生長和競爭的重要環(huán)境因子之一，通過改變細(xì)胞膜流動性、脂質(zhì)組成和酶活性等方式，可調(diào)節(jié)微藻的代謝速率、光合效率和營養(yǎng)吸收等生理過程。溫度變化可導(dǎo)致微藻群落結(jié)構(gòu)和功能變化，過高或過低的溫度均可抑制微藻的生長[8,15-16]。王菁等[16]研究發(fā)現(xiàn)，普通小球藻單種培養(yǎng)時，該藻的最大細(xì)胞濃度隨溫度的增加而增加，35 ℃為最適生長溫度；而魚腥藻在單獨(dú)培養(yǎng)時，30～35 ℃為最適生長溫度。李曉莉等[17]研究發(fā)現(xiàn)，舟形藻（Navicula pelliculosa）在單種培養(yǎng)中，其最大細(xì)胞濃度在25～30 ℃時達(dá)到最大值，而達(dá)到35 ℃時則停止生長。除了溫度數(shù)值變化，其他溫度條件（如溫度波動、溫度梯度、溫度周期等）也可對微藻生長和競爭產(chǎn)生影響。DESCAMPS-JULIEN 等[18]研究發(fā)現(xiàn)，小環(huán)藻（Cyclotella）和脆桿藻（Fragilaria）在波動溫度下均表現(xiàn)出相互補(bǔ)償動態(tài)，導(dǎo)致了它們共存。水溫的增加使微藻更容易獲取和利用光能，增加光抑制發(fā)生的光能水平，導(dǎo)致深層水體中光能限制的情況更加嚴(yán)重，微藻生長受到光限制的深度變得更淺[19]。因此，研究溫度對微藻生長和競爭的影響，需考慮多種溫度因素和多種微藻物種及它們之間的相互作用。

1.3 水力條件

水力條件是影響藻華爆發(fā)的重要因素之一。湖泊作為主要的水華發(fā)生水體，其流速通常較低，較少超過0.2 m/s[20]，受外界影響通?？蓪?dǎo)致其水力條件發(fā)生變化。相關(guān)研究表明，水流對單種培養(yǎng)和共同培養(yǎng)的微藻生長和競爭均有顯著影響，不同藻種對水流的需求和利用均有差異，水流改變可導(dǎo)致優(yōu)勢藻種的變化[21-23]。銅綠微囊藻生長的最適流速為0.15 m/s，相對有利流速為低流速（0.05～0.12 m/s），相對不利流速為高流速（0.20～0.30 m/s）[21]。野外觀測表明，水動力降低容易發(fā)生藻華，如：王紅萍等[24]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)漢江流速低于0.225 m/s 時，硅藻水華容易發(fā)生。趙孟緒等[25]認(rèn)為，湯溪水庫汛期時水體反常的穩(wěn)定性是導(dǎo)致水華提前暴發(fā)的關(guān)鍵因子。國外學(xué)者也嘗試采用改變水動力的方法來控制微藻水華，如：HEO W M 等[26]研究發(fā)現(xiàn)，揚(yáng)水曝氣裝置可抑制Dalbang湖藍(lán)藻生長，由于湖水深度較淺并不會對浮游植物的總生物量產(chǎn)生影響。TSUKADA H 等[27]在Yogo 湖采用揚(yáng)水曝氣裝置發(fā)現(xiàn)，改變水動力可控制有害藍(lán)藻，使原本藍(lán)藻優(yōu)勢轉(zhuǎn)變?yōu)楣柙鍍?yōu)勢。一些學(xué)者通過室內(nèi)模擬探究水動力對微藻生長的作用機(jī)理[28]，湖泊水動力的改變可引起一系列復(fù)雜變化（如：①顆粒物沉降、水體透明度變化；②水體光合作用強(qiáng)度變化；③微藻的自然沉降速率、絮凝等變化）。王華等[29]研究表明，小擾動有利于微藻生長的原因：一方面是因?yàn)樾_動可提高微藻營養(yǎng)物質(zhì)的利用率。且可降低藻細(xì)胞生長到一定階段產(chǎn)生次級代謝產(chǎn)物的濃度，減少對其生長的抑制作用；另一方面擾動可防止綠藻自然的沉降。而靜止?fàn)顟B(tài)與高強(qiáng)度擾動對微藻生長均有明顯的抑制作用。王藝兵等[30]認(rèn)為，擾動本身對微藻生長影響不大，在擾動速度為0.1 m/s 時有微弱的促進(jìn)作用，在擾動速度為0.2～0.5 m/s 時有較大的促進(jìn)作用；因此，水體擾動速率的降低并不是藍(lán)藻水華快速生長的直接原因，其它因素（如懸浮物濃度降低）引起光合作用增強(qiáng)，補(bǔ)充碳源，水動力降低有利于藍(lán)藻發(fā)揮浮力機(jī)制而形成優(yōu)勢藻種等間接原因是藍(lán)藻水華暴發(fā)的主要誘因[30]。

2 化學(xué)因素對微藻生長競爭的室內(nèi)模擬試驗(yàn)

2.1 營養(yǎng)鹽

微藻作為河流水質(zhì)狀態(tài)與生態(tài)健康的重要指示生物，其種類、數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)均主要受營養(yǎng)鹽水平影響。其中，N，P 等營養(yǎng)元素是浮游微藻生長的必需營養(yǎng)物質(zhì)，也是水體富營養(yǎng)化的主導(dǎo)因素。當(dāng)水體中TN 質(zhì)量濃度大于0.2 mg/L，TP 質(zhì)量濃度大于0.02 mg/L 時，水體為富營養(yǎng)化狀態(tài)[31]。除了N，P 的絕對濃度外，氮磷比的變化也會明顯改變水體中營養(yǎng)鹽的限制狀態(tài)，對微藻生長及群落結(jié)構(gòu)演替具有重要影響。在一定Fe2+濃度條件下，微藻生長速率v1＞v2＞v3＞v4（v1,v2,v3和v4時的ρ（N）∶ρ（P）分別為40∶1，80∶1，20∶1 和5∶1），最佳ρ（N）∶ρ（P）為40∶1[32]。①當(dāng)ρ（N）∶ρ（P）小于7～10 時，普遍認(rèn)為水體中微藻生長處于氮限制狀態(tài)；②當(dāng)ρ(N)∶ρ(P)大于22.6～30時，則認(rèn)為其處于磷限制狀態(tài)；③當(dāng)ρ（N）∶ρ（P）介于以上兩者之間時，為微藻的最適生長區(qū)間[33]。水體中無機(jī)磷濃度超過微藻實(shí)際需求量時，可造成微藻的物質(zhì)成分（如葉綠素a 含量）發(fā)生變化，進(jìn)而限制其生長[34]。磷脅迫對有毒微藻產(chǎn)毒代謝的影響尚不明確，有毒微藻的產(chǎn)毒基因在不同磷源條件下表達(dá)有差異[35]。ZHOU Y P 等[36]認(rèn)為，氮與產(chǎn)毒有關(guān)，磷可能只是協(xié)同作用。李璇等[37]認(rèn)為，有毒微藻在磷缺乏環(huán)境中啟動各種磷利用機(jī)制，通過調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)儲存或利用外源有機(jī)磷（如提高磷的轉(zhuǎn)運(yùn)速率或增加有機(jī)磷的水解等）。因此，探究不同磷源對有毒微藻生長和產(chǎn)毒代謝的影響及其分子機(jī)理，對于理解和控制水華暴發(fā)具有重要意義。

2.2 pH 值

除以上影響因素外，藻類生長還與pH 值、Fe2+和CO2濃度等因素有關(guān)。pH 值是影響藻類生長和競爭的重要環(huán)境因子，其通過影響藻類的碳酸氫鹽平衡、光合作用、色素合成和酶活性等方式調(diào)節(jié)藻類的生理過程（如生長速率、生物量積累和營養(yǎng)吸收等）。許海等[38]研究發(fā)現(xiàn)，3 種淡水藍(lán)藻（銅綠微囊藻、魚腥藻和斜生柵藻）適宜的pH 值分別為9.0，8.0 和10.0，而3 種淡水綠藻（浮游顫藻、綠球藻和雷氏衣藻）適宜的pH 值分別為7.0，8.0 和7.0。其他pH 值條件（如pH 值波動、pH 值梯度和pH 值周期等） 可對藻類生長和競爭產(chǎn)生影響。不同pH 值波動也可對魚腥藻和普通小球藻的生長和競爭產(chǎn)生影響，王菁[10]研究發(fā)現(xiàn)，pH 值在周期性波動下，魚腥藻和普通小球藻的生物量、色素含量和酶活性均有所下降。王藝兵等[30]研究發(fā)現(xiàn)，四尾柵藻對pH 值適宜范圍較廣，具有較強(qiáng)的耐酸耐堿性；惠氏微囊藻適宜在偏堿性的水體中生長；菱形藻更適宜在偏中性的水體生長。在碳源充足（pH 值≤8.3）情況下，對硅藻生長有微弱的促進(jìn)作用；在碳源比較缺乏（pH 值＞8.3）情況下，3 種藻在高擾動下的生長速率均較高[30]。然而，試驗(yàn)中對培養(yǎng)基的pH 值調(diào)節(jié)較為困難，pH 值調(diào)節(jié)需使用適當(dāng)?shù)乃釅A物質(zhì)（如稀鹽酸、稀氫氧化鈉、碳酸氫鈉等），酸堿物質(zhì)可能對藻類本身或其他水質(zhì)參數(shù)（如滲透壓、電導(dǎo)率、溶解氧等）產(chǎn)生影響；需考慮水體中其他物質(zhì)（如CO2，HCO3-，HPO42-等）對pH 值的影響，以上物質(zhì)可能與酸堿物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)或緩沖作用，影響pH 值變化[39]。

2.3 水中Fe2+和CO2 濃度

鐵元素作為藻類生長的必需元素，在適宜的氮磷比條件下，F(xiàn)e2+質(zhì)量濃度為0 時，藻類基本不生長；Fe2+質(zhì)量濃度為1.2 mg/L 時，藻類的葉綠素含量和增長速率均最大；Fe2+質(zhì)量濃度達(dá)到4.8 mg/L 時，藻類生長則受到抑制[32]。因此，除控制氮磷比外，控制水體中鐵元素含量也可控制或減弱水華發(fā)生強(qiáng)度。藻類光合作用的高效性依賴于羧化酶RuBisCO 催化位點(diǎn)的CO2聚集機(jī)制（CCM），這種機(jī)制有助于CO2的固定[40]。CO2濃度變化可改變水體中不同形式碳源的比例，從而影響不同藻種對碳源的利用效率和競爭力。當(dāng)CO2濃度增加時，具有CCM 的藻種相對于CCM 的藻種會處于劣勢，原因是因?yàn)镃CM 需要消耗能量，而高濃度下CO2則能量供應(yīng)不足；反之，當(dāng)CO2濃度降低時，具有CCM 的藻種相對于CCM的藻種會處于優(yōu)勢。此外，不同類型的CCM 也會影響不同藻種之間的競爭力。在高pH 值下，具有類囊體CCM 可利用水體中較豐富的碳酸根作為碳源，而細(xì)胞質(zhì)CCM 只能利用水體中較稀缺的游離CO2作為碳源，因此，具有類囊體CCM 的綠藻相對于具有細(xì)胞質(zhì)CCM 的硅藻會處于優(yōu)勢[40]。

化學(xué)因子試驗(yàn)的設(shè)置情況見表2。

表2 化學(xué)因子試驗(yàn)的設(shè)置情況

3 應(yīng)對多環(huán)境因素變化的室內(nèi)模擬試驗(yàn)策略

微藻室內(nèi)模擬研究概述示意見圖1。

圖1 室內(nèi)模擬試驗(yàn)概述示意

目前，單因子模擬研究較多，而缺乏多因子的綜合模擬研究，并且關(guān)于溶藻細(xì)菌、沉水植物、挺水植物和浮游植物等微生物和水生植物的化感物質(zhì)[41-42]對微藻影響的室內(nèi)模擬控制試驗(yàn)均較少。研究微藻生長、競爭機(jī)制可為水體治理富營養(yǎng)化提供新的思路。

（1）不同培養(yǎng)反應(yīng)器

附著式微藻培養(yǎng)是一種利用固定載體讓微藻附著生長的培養(yǎng)方式，相比懸浮微藻培養(yǎng)，可節(jié)省水資源、減少占地面積、提高生物產(chǎn)量和水處理效率。為提高附著式微藻培養(yǎng)的生產(chǎn)力和質(zhì)量，建議：①利用發(fā)光細(xì)菌提供散射光，改善微藻生物膜的光照環(huán)境；②建立綜合評價體系，對附著微藻培養(yǎng)系統(tǒng)的生產(chǎn)力、化學(xué)成分、酶活性等指標(biāo)進(jìn)行全面和可比較的評價；③深入研究微藻生物膜內(nèi)的物質(zhì)轉(zhuǎn)移、EPS 分泌、基因表達(dá)等過程，為附著微藻培養(yǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化和規(guī)模化提供理論依據(jù)。

（2）單藻種

室內(nèi)模擬試驗(yàn)的未來發(fā)展方向主要包括：探討物種與環(huán)境因子的關(guān)聯(lián)性和競爭性；設(shè)計高效、低成本的新型光生物反應(yīng)器；優(yōu)化適宜工業(yè)化應(yīng)用的藻種；開發(fā)微藻在能源、環(huán)境、食品和醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用。此外，室內(nèi)模擬試驗(yàn)還可結(jié)合分子生物學(xué)、遺傳學(xué)、代謝組學(xué)等技術(shù)，深入研究微藻在不同環(huán)境壓力下的分子機(jī)制，揭示微藻的響應(yīng)模式和適應(yīng)策略。

（3）多藻種

因室內(nèi)模擬試驗(yàn)存在著不足和挑戰(zhàn)，無法反映真實(shí)環(huán)境中存在的多種復(fù)雜因素和隨機(jī)事件的影響；該種試驗(yàn)通常只觀察和測量部分或表面的微藻特征和指標(biāo)，無法深入了解其內(nèi)在的分子機(jī)制和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)；只涉及部分或局部的微藻物種和群落，無法反映其在全球或區(qū)域尺度上的多樣性和分布以及與其他水生生物之間的相互作用。未來在多環(huán)境因子下的室內(nèi)模擬試驗(yàn)可從以上不足之處進(jìn)行改進(jìn)和突破。

4 結(jié)論及展望

通過對藻類室內(nèi)模擬試驗(yàn)大量文獻(xiàn)的綜述，總結(jié)了物理因素（光照、溫度、流速、濁度和擾動等）和化學(xué)因素（pH 值、CO2濃度、鹽度、Fe2+濃度、N，P 濃度及其化學(xué)計量比等） 協(xié)同作用導(dǎo)致藻類的快速增殖并引起藻華。由于以上環(huán)境因子之間存在著復(fù)雜的相互作用和協(xié)同效應(yīng)，故影響著微藻的生理代謝、生物化學(xué)組成、群落結(jié)構(gòu)和功能。通過綜述多環(huán)境因子對微藻生長、競爭影響的室內(nèi)模擬研究的主要內(nèi)容、方法和進(jìn)展，總結(jié)出目前存在的問題和不足，并對未來研究方向進(jìn)行展望：

（1）增加試驗(yàn)設(shè)計的復(fù)雜性和實(shí)際性，考慮更多的環(huán)境因子和其組合效應(yīng)，模擬更接近自然環(huán)境的條件，提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠性和適用性。

（2）引入更多的微藻種類和群落類型，探索不同微藻之間的相互作用和競爭機(jī)制，揭示微藻群落結(jié)構(gòu)和功能對環(huán)境因子變化的響應(yīng)規(guī)律。

（3）利用分子生物學(xué)、遺傳學(xué)、代謝組學(xué)等高通量技術(shù)，深入研究微藻在不同環(huán)境壓力下的分子機(jī)制和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)（如基因表達(dá)、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、代謝調(diào)節(jié)等），并通過轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝組等多組學(xué)分析，揭示微藻的響應(yīng)模式和適應(yīng)策略。

（4）結(jié)合數(shù)值模擬和人工智能等技術(shù)，構(gòu)建湖泊氣候-水文-水質(zhì)-藻華機(jī)理模型，利用室內(nèi)模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)化和驗(yàn)證，量化多環(huán)境因子對微藻生長競爭的影響及貢獻(xiàn)率，預(yù)測未來氣候變化情景下湖泊微藻群落的變化趨勢和生態(tài)效應(yīng)。