巫 娟,陳雪初,孔海南,安 陽,吳 辰,何圣兵 (上海交通大學環(huán)境科學與工程學院,上海 200240)

魚腥藻是導致我國重點湖泊如滇池、太湖等發(fā)生藍藻水華的主要藻種之一.魚腥藻在真光層中的浮沉速度是決定它能否在競爭勝出的重要原因之一[1].根據(jù)Stokes方程,主要有如下關鍵因子影響魚腥藻浮沉速度:即藻絲長度、比重和體型阻力[2].另一方面,現(xiàn)有大量研究顯示,可獲得光資源量對魚腥藻生長起到限制作用,但迄今為止,極少有關于可獲得光資源量與浮沉關鍵因子藻絲長度、比重關系的報道.針對于此,本文通過搖瓶分批實驗研究了水華魚腥藻生物量、藻絲長度、比重對不同光照度條件的響應,以及相應的沉降損失比率,為深入探索水華魚腥藻在真光層中的懸浮機制及競爭優(yōu)勢提供基礎.

1 材料與方法

1.1 藻種培養(yǎng)

搖瓶實驗采用水華魚腥藻,藻種來源為中國科學院水生生物研究所淡水藻種庫,編號FACHB-245.試驗前,水華魚腥藻藻液與 BG-11培養(yǎng)基[3]分別按 1:50(體積比)混合,擴大培養(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3次,所得藻液用無菌水稀釋備用.

1.2 搖瓶實驗

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

1.2.2 測定方法 以 35d為實驗周期,每隔 4d取樣8mL檢測其胞內(nèi)糖含量、比重以及形態(tài)指標,在周期結(jié)束時測定各組的沉降損失比率.其中,葉綠素 a濃度采用國標法測定[4],胞內(nèi)糖濃度用硫酸-蒽酮分光光度法測定[5],測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)指標取魚腥藻藻絲長度,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提取其藻絲長度.比重(藻細胞密度和水密度的比值)采用percoll密度梯度離心法測定[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,并且可見明顯的藻細胞層[7].藻細胞層的比重可用煤油-CCl4柱方法測定.實驗中所用煤油-CCl4柱改進自DAVID A. WOLFF的煤油-CCl4方法[8].沉降損失比率的測定裝置采用高度為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;設定取樣間隔為10min,定時取水面以下10cm處混合層藻液測定其OD680,實驗時間持續(xù)1～1.5h.

沉降損失比率按以下方法計算:

式中:N(t)為混合層藻液在 t時間下的光密度;N0

為藻液的初始光密度.

2 結(jié)果與分析

2.1 光照度對水華魚腥藻生物量的影響

由圖1可知,在1000lx下,水華魚腥藻的生長狀況最好,35d后葉綠素a濃度增加到3705μg/L;當光照度≤1000lx時,隨著光照度的下降,水華魚腥藻的生長趨勢減慢,35d后葉綠素 a濃度如下:500lx為7370μg/L,100lx為3704μg/L;當光照度≥1000lx時,隨著光照度的增加,水華魚腥藻生長趨勢也減慢,35d后葉綠素 a(Chl a)濃度如下:3000lx為2290μg/L,5000lx為1793μg/L.比增長速度計算公式如下:μ = [ln(x2)- ln(x1)]/t,式中x1和x2分別為魚腥藻培養(yǎng)開始及結(jié)束時的藻濃度,t為培養(yǎng)周期.當光照度≤1000lx時,魚腥藻的比增長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;當光照度≥1000lx時,魚腥藻的比增長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的比增長速度.

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

2.2 光照度對水華魚腥藻細胞比重的影響

光照度對水華魚腥藻細胞比重的影響見圖2,結(jié)果表明在5000lx和3000lx下,魚腥藻細胞比重在接種 10d后快速上升,達到最大值分別為1.17和1.14,隨后快速下降.1000lx和500lx下,魚腥藻比重在接種的前2d內(nèi)下降,隨后緩慢上升至15d時達到最大值,分別為1.116和1.112,之后緩慢下降到趨于穩(wěn)定.100lx條件下,魚腥藻比重在接種前 2d內(nèi)下降,隨后穩(wěn)定上升,實驗結(jié)束時達到1.116.實驗結(jié)果顯示,在純培養(yǎng)0～10d內(nèi),高光強條件會促進水華魚腥藻細胞比重的增加.在純培養(yǎng)的前15d內(nèi),不同光照度培養(yǎng)條件下的魚腥藻細胞比重有明顯差別,但在15d之后,各組之間的細胞比重差別不大,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 光照度對水華魚腥藻藻絲長度的影響

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

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

2.4 光照度對沉降損失比率的影響

實驗周期結(jié)束之后,測定不同光照度培養(yǎng)條件下的魚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

魚腥藻、微囊藻等藍藻的自身生態(tài)特性尤其是特有的浮力調(diào)節(jié)機制與表面水華形成有著密切的關系.自 20世紀 90 年代初以來, Kromkamp[9]、Visser[10]、Wallace[11]等人的延續(xù)性研究揭示,藍藻的浮力調(diào)節(jié)機制表現(xiàn)在:可通過細胞內(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,以長期浮聚在真光層,并限制其他浮游藻類的可獲得光資源量.藍藻強大的浮聚功能是它具有競爭優(yōu)勢,形成水華的關鍵因素之一[12-15,1].從本質(zhì)上看,藍藻的浮力調(diào)節(jié)機制服從斯托克斯公式,其表達式如下[12]:

式中:D為等效長度;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,對于具有鏈狀結(jié)構(gòu)含偽空胞的魚腥藻而言,直接影響其浮沉過程,且最易于度量的關鍵因子為比重和藻絲長度.從本試驗結(jié)果來看,純培養(yǎng)的魚腥藻,在一個生長周期內(nèi),其比重和藻絲長度不是恒定不變的,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),魚腥藻細胞比重緩慢變大,而魚腥藻藻絲長度無明顯變化;進入對數(shù)生長期(5～10d)后細胞比重迅速增大,藻絲長度也迅速上升;進入穩(wěn)定期(10d)后,魚腥藻細胞比重迅速減小,魚腥藻群體也變短.這顯示魚腥藻的浮力調(diào)節(jié)機制與其生長階段有關,在本試驗中,第10d其比重為1.14,藻絲長度為408μm,都達到了生長周期中的最大值,這意味著在這個時期魚腥藻最易于沉降.

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

最近10余年來,在許多湖庫現(xiàn)場研究中都發(fā)現(xiàn),無論是風浪、湖流、降雨等自然因素變化影響,還是人為操控的揚水造流過程,它們所引發(fā)的水體持續(xù)性垂直混合都會導致藍藻水華在較短的時期內(nèi)(一般在 5d左右開始有明顯數(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致光限制條件出現(xiàn),藍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藻被迫隨著混合水流在真光層和暗光層上下遷移,而藍藻進入暗光層之后,其生長受到抑制,進而逐漸衰亡[18-19].本研究結(jié)果則顯示了另一個可能的影響,即較長時間的光限制條件可能造成藍藻的比重和藻絲長度發(fā)生變化,導致其沉降性能增加,從而促進魚腥藻沉出水柱,也即沉降損失可能是影響藍藻水華消亡的重要原因之一.

4 結(jié)論

4.1 在對數(shù)生長期內(nèi),魚腥藻細胞比重隨光照度增大而增大,在10d左右達到最大值,隨后各光照組下魚腥藻細胞比重較穩(wěn)定且相差不大.

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

4.3 實驗末期高光照組下的魚腥藻沉降損失比率較低,僅為不到10%,而低光照下的魚腥藻沉降損失性能較好,最高可達57.3%.

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