光照度对水华鱼腥藻细胞比重与藻丝长度的影响研究

巫 娟,陈雪初,孔海南,安 阳,吴 辰,何圣兵 (上海交通大学环境科学与工程学院,上海 200240)

鱼腥藻是导致我国重点湖泊如滇池、太湖等发生蓝藻水华的主要藻种之一.鱼腥藻在真光层中的浮沉速度是决定它能否在竞争胜出的重要原因之一[1].根据Stokes方程,主要有如下关键因子影响鱼腥藻浮沉速度:即藻丝长度、比重和体型阻力[2].另一方面,现有大量研究显示,可获得光资源量对鱼腥藻生长起到限制作用,但迄今为止,极少有关于可获得光资源量与浮沉关键因子藻丝长度、比重关系的报道.针对于此,本文通过摇瓶分批实验研究了水华鱼腥藻生物量、藻丝长度、比重对不同光照度条件的响应,以及相应的沉降损失比率,为深入探索水华鱼腥藻在真光层中的悬浮机制及竞争优势提供基础.

1 材料与方法

1.1 藻种培养

摇瓶实验采用水华鱼腥藻,藻种来源为中国科学院水生生物研究所淡水藻种库,编号FACHB-245.试验前,水华鱼腥藻藻液与 BG-11培养基[3]分别按 1:50(体积比)混合,扩大培养 7d后,分别取一定体积的藻液以 3000r/min离心15min,弃掉上清液,用15mg/L NaHCO3溶液洗涤后离心,重复3次,所得藻液用无菌水稀释备用.

1.2 摇瓶实验

1.2.1 实验设置 在500mL摇瓶中加入300mL水华鱼腥藻藻液,初始接种浓度 1×105个/mL,在五组不同光照下培养,光照度分别为 100,500, 1000,3000,5000lx,每组设置2个平行样,培养温度为(25±1)℃,光暗比14:10.

1.2.2 测定方法 以 35d为实验周期,每隔 4d取样8mL检测其胞内糖含量、比重以及形态指标,在周期结束时测定各组的沉降损失比率.其中,叶绿素 a浓度采用国标法测定[4],胞内糖浓度用硫酸-蒽酮分光光度法测定[5],测定前先离心后去除上清液,用蒽酮试剂显色.胞内糖含量表征方法为胞内糖浓度除以叶绿素a浓度.形态指标取鱼腥藻藻丝长度,用Nikon eclipse e400 DS-Fi显微镜结合NIS elements显微拍照软件,再用Image Pro Plus 6.0提取其藻丝长度.比重(藻细胞密度和水密度的比值)采用percoll密度梯度离心法测定[6].取percoll与BG-11培养基以7:3配比,加入约2mL离心浓缩后藻液,在14000r/min和20℃下高速离心 30min,可形成稳定的密度梯度,并且可见明显的藻细胞层[7].藻细胞层的比重可用煤油-CCl4柱方法测定.实验中所用煤油-CCl4柱改进自DAVID A. WOLFF的煤油-CCl4方法[8].沉降损失比率的测定装置采用高度为50cm圆柱形水柱,内部放置蜂窝隔断层,高度 8cm,下沿至水柱底部 15cm,其作用是连通水柱内上下水体但保持其各自的流态不相互影响;将稀释后的藻液倒入水柱中,隔断层上部水体加空气泵曝气混合,下部分水体由于隔断层的作用保持静止;设定取样间隔为10min,定时取水面以下10cm处混合层藻液测定其OD680,实验时间持续1～1.5h.

沉降损失比率按以下方法计算:

式中:N(t)为混合层藻液在 t时间下的光密度;N0

为藻液的初始光密度.

2 结果与分析

2.1 光照度对水华鱼腥藻生物量的影响

由图1可知,在1000lx下,水华鱼腥藻的生长状况最好,35d后叶绿素a浓度增加到3705μg/L;当光照度≤1000lx时,随着光照度的下降,水华鱼腥藻的生长趋势减慢,35d后叶绿素 a浓度如下:500lx为7370μg/L,100lx为3704μg/L;当光照度≥1000lx时,随着光照度的增加,水华鱼腥藻生长趋势也减慢,35d后叶绿素 a(Chl a)浓度如下:3000lx为2290μg/L,5000lx为1793μg/L.比增长速度计算公式如下:μ = [ln(x2)- ln(x1)]/t,式中x1和x2分别为鱼腥藻培养开始及结束时的藻浓度,t为培养周期.当光照度≤1000lx时,鱼腥藻的比增长速度随光照度的下降而减小,结果如下:1000lx为 0.15d-1,500lx为 0.14d-1,100lx为0.12d-1;当光照度≥1000lx时,鱼腥藻的比增长速度随光照度的增加而减小,结果如下:3000lx为0.11d-1,5000lx为0.10d-1,低于500lx和100lx的比增长速度.

图1 不同光照度下藻细胞的叶绿素a浓度变化及比增长速度Fig.1 Effect of different light intensity on the variation of chlorophyll a and relative growth rate

2.2 光照度对水华鱼腥藻细胞比重的影响

光照度对水华鱼腥藻细胞比重的影响见图2,结果表明在5000lx和3000lx下,鱼腥藻细胞比重在接种 10d后快速上升,达到最大值分别为1.17和1.14,随后快速下降.1000lx和500lx下,鱼腥藻比重在接种的前2d内下降,随后缓慢上升至15d时达到最大值,分别为1.116和1.112,之后缓慢下降到趋于稳定.100lx条件下,鱼腥藻比重在接种前 2d内下降,随后稳定上升,实验结束时达到1.116.实验结果显示,在纯培养0～10d内,高光强条件会促进水华鱼腥藻细胞比重的增加.在纯培养的前15d内,不同光照度培养条件下的鱼腥藻细胞比重有明显差别,但在15d之后,各组之间的细胞比重差别不大,稳定在1.07～1.12范围内.

图2 不同光照度条件下藻细胞比重的变化Fig.2 Effect of different light intensity on the variation of cell density

2.3 光照度对水华鱼腥藻藻丝长度的影响

图3 不同光照度条件下鱼腥藻藻丝长度的分布箱图Fig.3 Frequency distribution of Anabaena flos-aquae length under different light intensity

将Image Pro Plus得出的藻丝长度数据通过SPSS进行频率分析,其分布箱图如图 3所示,结果表明光照度100lx下的藻丝长度分布随时间呈上升趋势,样本中位数从初始值118μm上升到实验周期结束时的 490μm.500lx时,鱼腥藻藻丝长度中位数上升至 23d时达到最大值 536μm.在1000,3000,5000lx下,藻丝长度分别在19, 15, 10d增长至最大值 495,408,284μm.结果表明,藻丝长度分布的中位数先随培养时间而增大,达到最大值后开始减小,其中在低光强和一般光强下,鱼腥藻藻丝长度达到的最大值在500μm左右,但在较高光强下,鱼腥藻可以达到的最大藻丝长度较短,并且较快增大到最大值.

2.4 光照度对沉降损失比率的影响

实验周期结束之后,测定不同光照度培养条件下的鱼腥藻的沉降损失比率如图 4,结果显示,在低光照度培养条件下鱼腥藻沉降损失比率较高,而高光照度培养条件下沉降性能较差,沉降损失比率较低:3000lx和5000lx下鱼腥藻沉降损失比率仅不到10%,为7.8%和5.4%;100,500,1000lx下沉降损失比率较高,分别为53%,19%和45%.

图4 不同光照度条件下鱼腥藻沉降损失比率的变化Fig.4 The change of sinking loss under different light intensity

3 讨论

鱼腥藻、微囊藻等蓝藻的自身生态特性尤其是特有的浮力调节机制与表面水华形成有着密切的关系.自 20世纪 90 年代初以来, Kromkamp[9]、Visser[10]、Wallace[11]等人的延续性研究揭示,蓝藻的浮力调节机制表现在:可通过细胞内伪空胞的破裂和重组以及糖原的代谢和积累调节自身的浮力,以长期浮聚在真光层,并限制其他浮游藻类的可获得光资源量.蓝藻强大的浮聚功能是它具有竞争优势,形成水华的关键因素之一[12-15,1].从本质上看,蓝藻的浮力调节机制服从斯托克斯公式,其表达式如下[12]:

式中:D为等效长度;ρc为颗粒比重;ρw为水比重;Φ为体型阻力系数.

根据上述公式,对于具有链状结构含伪空胞的鱼腥藻而言,直接影响其浮沉过程,且最易于度量的关键因子为比重和藻丝长度.从本试验结果来看,纯培养的鱼腥藻,在一个生长周期内,其比重和藻丝长度不是恒定不变的,以3000lx光照条件下为例,其基本变化规律为:在接种的前5d内,鱼腥藻细胞比重缓慢变大,而鱼腥藻藻丝长度无明显变化;进入对数生长期(5～10d)后细胞比重迅速增大,藻丝长度也迅速上升;进入稳定期(10d)后,鱼腥藻细胞比重迅速减小,鱼腥藻群体也变短.这显示鱼腥藻的浮力调节机制与其生长阶段有关,在本试验中,第10d其比重为1.14,藻丝长度为408μm,都达到了生长周期中的最大值,这意味着在这个时期鱼腥藻最易于沉降.

本试验结果还显示,鱼腥藻比重和藻丝长度受到水下光环境的直接影响.在接种的前 5d内, 3000lx和 5000lx的细胞比重缓慢增大,而 100, 500,1000lx的细胞比重有所减小,在接种后的5～10d内,3000lx和5000lx的鱼腥藻细胞比重快速增大,而100,500,1000lx的细胞比重缓慢增大.从水华鱼腥藻藻丝长度的数据统计中可以看出,100lx下藻丝长度可不断地稳定上升并达到最大值,推测在低光照度下鱼腥藻生物量虽然增长缓慢,但很可能反而利于鱼腥藻繁殖时藻丝的稳定增长;500lx和 1000lx下虽然生物量增长较快,但增长速度过快可能加速厚壁孢子的形成,导致短链鱼腥藻较多;高光强(3000lx和 5000lx)抑制了鱼腥藻生物量增长速度和丝体的增长速度.

最近10余年来,在许多湖库现场研究中都发现,无论是风浪、湖流、降雨等自然因素变化影响,还是人为操控的扬水造流过程,它们所引发的水体持续性垂直混合都会导致蓝藻水华在较短的时期内(一般在 5d左右开始有明显数量衰减)消失[16-20].目前多数的研究者都将其原因归结为持续性垂直混合作用下导致光限制条件出现,蓝藻的可获得光资源量显著下降:即原本浮聚于水体真光层的蓝藻被迫随着混合水流在真光层和暗光层上下迁移,而蓝藻进入暗光层之后,其生长受到抑制,进而逐渐衰亡[18-19].本研究结果则显示了另一个可能的影响,即较长时间的光限制条件可能造成蓝藻的比重和藻丝长度发生变化,导致其沉降性能增加,从而促进鱼腥藻沉出水柱,也即沉降损失可能是影响蓝藻水华消亡的重要原因之一.

4 结论

4.1 在对数生长期内,鱼腥藻细胞比重随光照度增大而增大,在10d左右达到最大值,随后各光照组下鱼腥藻细胞比重较稳定且相差不大.

4.2 在培养周期内,各光照组下的鱼腥藻藻丝长度先增大到最大值然后逐渐减小,且高光强下鱼腥藻藻丝长度较短,并且较快增大到最大值.

4.3 实验末期高光照组下的鱼腥藻沉降损失比率较低,仅为不到10%,而低光照下的鱼腥藻沉降损失性能较好,最高可达57.3%.

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