太湖夏季水下光谱及色光对微囊藻群体的影响

谭 啸,刘倩倩,段志鹏,李聂贵



太湖夏季水下光谱及色光对微囊藻群体的影响

谭 啸1*,刘倩倩1,段志鹏1,李聂贵2

(1.河海大学环境学院,浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室,江苏南京 210098；2.水利部南京水利水文自动化研究所,江苏南京 210012)

在调查夏季水华期间太湖梅梁湾和贡湖湾采样点水下光谱的基础上,设计不同色光(红光、蓝光、白光对照)的室内模拟实验,探究色光对微囊藻生长及群体维持的影响.结果显示,采样区域(梅梁湾M1、M2和贡湖湾G1、G2)背景浊度值较高,水下光谱偏向黄红光波段.室内模拟实验显示,微囊藻群体在不同色光下培养24d后,红光组群体粒径高于蓝光组和白光对照组.并且,红光有利于提高微囊藻群体多糖含量(总多糖和固着性胞外多糖).不同色光培养单细胞铜绿微囊藻(FACHB-469)的结果显示,白光对照组的细胞浓度始终最高,其次是红光组,最后是蓝光组.野外监测和室内模拟实验表明,太湖夏季水华期间采样区域偏向黄红光波段的水下光谱有利于微囊藻群体粒径的维持和生长,这是野外群体微囊藻与室内单细胞微囊藻重要的生境差异,可能是微囊藻群体形成和维持的影响因素.

微囊藻群体；群体粒径；水下光谱；色光；水华

由于陆源性输入和内源性营养物质释放,富营养湖泊含有大量溶解性有机质和悬浮颗粒[1],它们对蓝色至绿色波段光具有强烈吸收,影响水下光谱分布[2].对浅水湖泊而言,频繁的风浪扰动造成底泥再悬浮,增加悬浮颗粒含量,进一步加剧水下光谱的衰减[3-4].

此外,浮游植物所含光合色素差异,影响它们对不同色光的利用效率和生长速率[5-6].已有研究显示,红光有利于铜绿微囊藻()和钝顶螺旋藻()生长,蓝光有利于小球藻()生长[7-8],而中华盒形藻()在白光下生长最快,蓝光下次之,红光下最低[9].

微囊藻作为水华优势种,在野外易于以群体形态存在,而在室内培养条件下通常以单细胞形态存在[10].已有研究主要关注营养盐、光强、温度等非生物因素[11-13]以及浮游动物捕食、细菌等生物因素[14-15]的影响.由于色素组成和吸收峰值影响,微囊藻生长与生理对光照极其敏感,对不同色光的利用效率存在显著差异[5-6],因此,需要分析色光对微囊藻生长、生理及群体形成的影响.

本研究调查夏季水华期间太湖梅梁湾和贡湖湾采样点的背景浊度值及水下光谱变化,在此基础上设置红光组(长波光)、蓝光组(短波光)、白光组(对照)的室内培养实验,结合水下光谱实测数据,比较分析群体微囊藻和单细胞微囊藻对不同色光的响应,探究两者生境的光质差异,为分析不同形态微囊藻的光利用策略、群体形成与维持提供参考与借鉴.

1 材料与方法

1.1 样品采集

在太湖梅梁湾、贡湖湾设4个采样点(图1):M1(N31°30.060′, E120°10.978′)、M2 (N31°24.068′, E120°10.337′)、G1(N31°26.270′, E120°22.961′)、G2(N31°20.090′, E120°15.905′).从2016年6月~9月,每月采样一次,在表层,水下0.5,1,1.5,2,2.5m分层采水样各1L.随后,迅速将水样带回实验室进行分析.

图1 太湖采样点示意

1.2 水下光谱测定

水下光谱分布主要取决于溶解性有机质、无机悬浮颗粒及浮游生物3个部分对不同色光的吸收.参考Stomp等[16]的方法获取水下光谱分布特征.GIL为溶解性有机质的吸光值,即水样经0.45μm滤膜后,滤液在484nm处的吸光值.TRIP为无机悬浮颗粒的吸光值,具体分析步骤为:取5mL水样经0.45μm滤膜后,将所得滤膜装入离心管,加入体积百分比为95%的乙醇5mL, 60~70℃水浴5min,涡旋混匀器震荡后弃去滤膜, 随后11000r/min离心10min弃上清,加入5mL蒸馏水重悬,摇匀后于484nm处测吸光值,再根据下列公式计算水下光谱分布[16].

表1 各参数的含义及来源

注:a设定为1,假设入射光为全光谱.

1.3 不同色光下的微囊藻培养实验

采用红色和蓝色滤膜包裹锥形瓶获得不同色光.两种滤膜对不同色光的透射率采用分光光度计测量.根据图2可知,红色滤膜主要透过600nm以上的长波光,对550nm以下的可见光具有较低透射率,而蓝色滤膜主要透过490nm以下的短波光,对550nm以上的可见光具有很好的拦截作用.因此,该装置能较好地提供蓝光和红光.对白光对照组包裹透明滤膜,调节滤膜厚度,使各锥形瓶内光强一致.

图2 滤膜对不同波长光的透射率

本研究的单细胞铜绿微囊藻 (FACHB-469)购自中国科学院淡水藻种库.在光照培养箱中用BG11培养基进行培养,温度为(25±1)°C,光强为45μmol photons(m2·s),光暗比为12h:12h. 将藻种在白光下预培养至对数期重新接种,接种浓度为2×105cells/mL,设置红光组、蓝光组、白光对照组,每组设置3个平行,每天定时摇动锥形瓶3次.

群体微囊藻取自太湖梅梁湾,在水华期间用63μm浮游生物网收集微囊藻群体,将群体依次通过200,100μm筛网,获得100~200μm的微囊藻群体,镜检发现主要为铜绿微囊藻.将筛分得到的微囊藻群体在BG11培养基中培养,培养条件与单细胞微囊藻培养实验相同.

1.4 微囊藻细胞计数

采用血球计数板每3d对微囊藻培养液计数[17].群体微囊藻在预处理后进行计数,预处理步骤如下:将微囊藻群体在100℃水浴锅内120r/min振荡加热5min,在群体分散为单细胞后进行血球计数板计数[18],每个样品计数3次取平均值.

1.5 微囊藻群体粒径及多糖含量测定

微囊藻群体粒径通过马尔文激光粒度仪(Mastersizer2000)测量[19],样品的平均粒径用D50表示. D50又称中位粒径,通常用来表示颗粒群的平均粒径.

总多糖(TPS)及固着型胞外多糖(b-EPS)含量均采用蒽酮-硫酸法测定[20].b-EPS具体测定步骤如下:取10mL藻液装入50mL离心管内,11000r/min离心15min,弃上清后加入10mL去离子水,再加入NaOH溶液(1mol/L)调节pH值为10左右,摇匀后置于45℃水浴锅内,120r/min振荡加热4h,随后11000r/min离心15min,取上清用蒽酮-硫酸法[20]测定b-EPS含量.

2 实验结果

2.1 采样点水下光谱

图3(a)为2016年6月~9月不同采样点的背景浊度值BG(484),其中梅梁湾(M1、M2)和贡湖湾(G1、G2)BG(484)变化范围分别为1.1~15.2m-1和1.2~16.7m-1,在7月份出现最大值.

不同背景浊度值(1.1~16.7m-1)对应的水下光谱特征显示(图3b),在背景浊度值较低的情况下,水下光谱的蓝绿色光波段(小于550nm)占有较高份额,随着背景浊度值升高,蓝绿色光波段逐渐减少甚至消失.当背景浊度值大于2.2m-1,采样点水下光谱主要处于黄红光波段(大于550nm).

2.2 色光对群体微囊藻的影响

培养实验显示,3种色光下微囊藻群体的细胞浓度总体均呈下降趋势.而白光组在12d后,细胞浓度缓慢上升,但始终低于红光组.蓝光组细胞浓度在培养过程中一直下降,并且始终低于红光组(图4a).

不同色光下群体粒径在第6,18,24d存在显著差异(图4b,<0.05).第6d时,红光组群体粒径略微增加,随后开始下降.白光组群体粒径总体呈下降趋势.第24d时,红光组群体粒径分别是蓝光组和白光组的1.18和1.54倍.

对于群体微囊藻而言,在室内培养条件下细胞浓度和群体粒径均出现不同程度的下降,但红光对其细胞浓度和群体粒径的维持效果均好于白光和蓝光.

群体微囊藻TPS和b-EPS含量变化如图5a和5b所示.

白光组TPS含量总体呈下降趋势, 12d后红光组TPS含量呈增加趋势,而蓝色组TPS含量保持相对稳定.第24d时,红光组每个细胞的TPS含量分别是蓝光组和白光组的1.52倍和2.63倍.此外,白光组b-EPS含量总体呈下降趋势,在6d后,红光组和蓝光组均呈缓慢上升趋势,且红光组增长更明显.第24d,红光组每个细胞的b-EPS含量分别为蓝光组和白光组的1.32倍和1.72倍.

2.3 色光对单细胞微囊藻的影响

将单细胞铜绿微囊藻在3种色光下(红色组、蓝色组、白色组)预培养至对数期,随后重新接种至不同色光下继续培养,微囊藻细胞浓度均呈S型增长趋势,白光组细胞浓度始终最高,红光组其次,蓝光组最低(图6).

图6 单细胞微囊藻生长曲线

3种色光下单细胞微囊藻TPS含量在第6d~第12d均呈下降趋势,随后白光组和红光组TPS含量出现回升,而蓝光组则保持相对稳定.整个实验过程中,白光组TPS含量始终低于其它2组(<0.05,图7a).

3种色光下单细胞微囊藻b-EPS含量均在第18d出现峰值.在12d后,红光组b-EPS含量均较高(<0.05,图7b).

3 讨论

光照对藻类的生长速率、细胞形态、代谢积累等具有重要影响[21-23].水中悬浮物、可溶性有机质及浮游生物会影响水下光谱特征和分布.此外,藻类的色素组成差异会影响其对不同色光的利用效率.本研究首先调查了夏季水华期间太湖梅梁湾(M1,M2)和贡湖湾(G1,G2)的背景浊度值及水下光谱特征,结果显示采样点水下光谱主要为黄红光波段. 7月份采样点区域的背景浊度值明显高于其它月份,这可能是因为7月份风浪扰动频繁且藻类生物量大,湖水中含有大量溶解性有机质和悬浮颗粒,它们更多地吸收蓝绿光,促进水下光谱偏向黄红光波段.

在野外调查的基础上,本研究对采集的微囊藻群体进行室内培养,红光组群体微囊藻细胞浓度始终比白光组和蓝光组高.对于群体粒径而言,3种色光下总体均呈下降趋势,但在实验后期红光组群体粒径最大,表明红光更有利于微囊藻群体粒径的维持.多糖作为群体形成的物质基础且b-EPS 的粘附和包裹作用最显著[24-25],本研究的红光组群体微囊藻各个细胞的b-EPS含量在整个实验期间均较高,这与野外水下光谱偏向黄红光且野外微囊藻更易形成群体的现象相一致.

随后,本研究进行单细胞微囊藻的培养实验,对微囊藻进行全光谱波长扫描,发现在红光区域(662nm处)有明显的特征吸收峰,可见微囊藻对红光的吸收效率较高,但培养实验发现单细胞微囊藻在白光组生长最好,这可能是白光作为混合光,其作用效果是各种单色光效果的叠加[22].对其多糖含量分析发现在第12d时白光组TPS和b-EPS均最低,表明白光不利于多糖积累,这与Wang等发现微囊藻多糖含量与生长速率成反比[26]以及Li等提出的快速生长不利于微囊藻b-EPS积累的观点一致[25].本研究的单细胞微囊藻在3种色光下 b-EPS含量总体呈增长趋势,但均没有形成明显的群体,这可能因为在实验室培养条件主要积累松散附着型胞外多糖(LB- EPS),而野外微囊藻群体主要为紧密粘附型胞外多糖(TB-EPS)[27].野外的水动力过程和附生菌群对致密型群体的促进作用已引起研究者的关注[14].

此前也有色光对其他藻类生长和生理影响的报道.中华植生藻()在红光下比在蓝光下生长更快[28],红光最有利于螺旋藻()和亚心形扁藻)生长[29-30].然而Sánchez-Saavedra等发现球等鞭金藻()在蓝光下生长率最高,然后是红光、绿光[31],苗洪利等发现中肋骨条藻()也有类似的规律,蓝光下生长最快,红光次之,绿光下生长最慢[32].色光对藻类生理代谢影响也有所不同.Han等研究发现红光和蓝光相对白光更有利于发状念珠藻()胞外多糖的合成[33].同样,You等发现红光和蓝光能促进紫球藻()光合效率和胞外多糖的积累[34],唐青青等[35]发现蓝光虽然有利于蛋白核小球藻生物量的积累,但与其他色光相比,单位细胞干重的蛋白质和总脂含量却最低.Markou等发现螺旋藻在蓝光下生物量最低,而红光和粉色光更有利于其生物量的积累[36].这些研究表明藻类对色光的需求不同,这可能是细胞内色素组成和吸收峰差异导致.例如,螺旋藻在红光下叶绿素和藻胆蛋白含量较高,并且这两种色素的吸收峰主要在红色区域,因而红光下螺旋藻光合效率更高,同化作用产物积累也较多[29].Stomp等[16]研究不同色光下藻类共培养实验也发现由于所含色素种类差异会导致某种藻类通过竞争利用光能成为优势种.庄树宏等发现在红光处理下底栖藻类群落的细胞密度始终高于其他色光的处理,这可能是由于红光高效激活了叶绿素分子,加速光合速率,生长和物质积累[37],进而影响微囊藻的垂向分布[38].本研究发现夏季水华期间黄红光波段的水下光谱有利于微囊藻群体粒径的维持和多糖积累,这是否是野外微囊藻易于以群体形式存在的必要条件还有待进一步研究.

4 结论

4.1 水华期间(2016年6月~9月)太湖梅梁湾(M1,M2)、贡湖湾(G1,G2)背景浊度值变化范围为1.1~15.2m-1与1.2~16.7m-1,水下光谱主要处于黄红光波段(大于550nm).

4.2 单细胞微囊藻在白光下生长最快,红光其次,蓝光最慢,红光相对蓝光和白光更有利于群体微囊藻粒径的维持和多糖积累,白光下的快速生长不利于固着型胞外多糖积累与群体形成.

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Underwater spectra of Lake Taihu in summer and influences of chromatic light oncolonies.

TAN Xiao1*, LIU Qian-qian1, DUAN Zhi-peng1, LI Nie-gui2

(1.Key Laboratory of Integrated Regulation and Resource Development on Shallow Lake of Ministry of Education, College of Environment, Hohai University, Nanjing 210098, China；2.Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology, Nanjing 210012, China)., 2017,37(11)：4277~4283

Indoor simulation experiments of different chromatic light (red light, blue light, and white light) were designed based on the underwater spectra of sampling sites at Meiliang Bay (M1, M2) and Gonghu Bay (G1, G2) during summer blooms, so as to investigate effects of chromatic light on the growth and colony maintenance ofResults showed that the background turbidity at sampling sites was relatively high, and the underwater spectra shifted to the band of yellow and red light. Results of indoor simulation experiment showed thatcolonies of red light group were larger than those of blue light group and white light control after 24days. Data showed that red light was favorable to increase the content of polysaccharides (total polysaccharides and binding extracellular polysaccharides). As forunicells (FACHB-469), cell concentration of white light control kept the highest level, followed by the red light group, and then the blue light group. Based on the field observation and indoor simulation, the underwater spectra at sampling sites were favorable for maintaining ofcolony size and growth rate, which may possibly result in the differences of habitat heterogeneity between outdoor colonialand indoor unicellular. Changes ofunderwater spectra can influence the formation and maintenance ofcolonies.

colony；colony size；underwater spectra；chromatic light；water blooms

X52

A

1000-6923(2017)11-4277-07

谭 啸(1980-),男,安徽安庆人,副教授,博士,主要从事藻类生理与生态学研究.发表论文20余篇.

2017-05-04

国家自然科学基金资助项目(31470507); 江苏省优势学科(PAPD)与品牌专业(TAPP)联合资助.

* 责任作者, 副教授, tanxiao@hhu.edu.cn