錢志萍，李卓遠，李燕均，王全喜*

（1.上海師范大學環(huán)境與地理科學學院，上海200234；2.上海外國語大學附屬外國語學校，上海200083；3.上海師范大學生命科學學院，上海200234）

0 引 言

水體富營養(yǎng)化是一個全球性的水環(huán)境污染問題［1］，富營養(yǎng)化引發(fā)的水華已嚴重威脅到了水體生態(tài)系統(tǒng)和人類的健康，其中尤以藍藻水華的危害最大［2］.1878 年FRANCIS［3］首次報道了泡沫節(jié)球藻會對動物產(chǎn)生毒害作用，至1959 年BISHOP 首次分離出藻毒素后，不斷有相關報道發(fā)表.藍藻水華又被稱為湖泊癌癥［4］，目前，世界上淡水湖泊藍藻水華發(fā)生的頻率與嚴重程度都日趨惡化，發(fā)生的地點遍布全球各地［5］.中國湖泊爆發(fā)藍藻水華最早可追溯到1960 年的太湖［6］.如何使用經(jīng)濟、安全的方法，長期有效地治理水華，已成為當今水環(huán)境健康研究的熱點之一.

微藻之間存在著種間競爭關系，環(huán)境因素和自身生理特征均會影響浮游藻類之間競爭的結果，如溫度、光照、營養(yǎng)鹽濃度、pH 值等［7-8］.藍藻自身具有的一系列特殊生理特征：固氮機制、CO2濃縮機制、溫度光照適應機制、懸浮機制、毒素釋放機制等［9-10］，均能使其在較為惡劣的環(huán)境中占據(jù)競爭優(yōu)勢地位，因此通常在夏季淡水湖泊和水庫中易形成藍藻水華.

長期監(jiān)測的結果顯示：在同一湖泊中，雖然湖泊地理條件和營養(yǎng)鹽水平基本不變，但在環(huán)境因子變化的情況下，在不同年份或同一年份的不同時期形成的藍藻水華，其優(yōu)勢種并不相同［2，11］.以淀山湖為例，在春秋季形成的藍藻水華主要以魚腥藻為優(yōu)勢種.而在夏季，2012—2017 年的監(jiān)測數(shù)據(jù)結果顯示：藍藻水華的優(yōu)勢種為微囊藻與平裂藻，兩者在不同年份交替出現(xiàn)，如2012—2013 年的優(yōu)勢種為銅綠微囊藻（Microcystis aeruginosa Kutzing），2014—2015 年的優(yōu)勢種為細小平裂藻，2016—2017 年又以銅綠微囊藻為優(yōu)勢種［12］.2019 年許海等［13］對暴發(fā)水華的部分湖泊中藍藻優(yōu)勢藻種銅綠微囊藻和綠藻優(yōu)勢藻種斜生柵藻之間的競爭做了相關研究，證明了超富營養(yǎng)水體易形成綠藻水華，氮磷濃度相對低的水體則易形成藍藻水華.肖宇梅等［14］對多甲藻與微囊藻在磷的競爭進行了研究.然而，對于藍藻不同藻種間如何競爭成為藍藻水華暴發(fā)時的優(yōu)勢藻種，尚無相關研究報道.本文作者選用銅綠微囊藻、細小平裂藻（Merismopedia minima G.Beck）和土生偽魚腥藻（Pseudanabaena mucicola（Naumann&Huber-Pestalozzi）Schwabe 1964）作為研究對象，運用單因子和正交實驗的方法，研究溫度、光照，及藻細胞密度對這3種水華藍藻競爭的影響，以期為藍藻水華的防治提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實驗材料

銅綠微囊藻、細小平裂藻、土生偽魚腥藻均購自中國科學院水生生物研究所淡水藻種庫.統(tǒng)一采用BG-11培養(yǎng)基培養(yǎng)［15］，BG-11培養(yǎng)基經(jīng)過121 ℃高溫高壓滅菌后放置在4 ℃冰箱內(nèi)保存.

1.2 培養(yǎng)方法與條件

取對數(shù)生長期的銅綠微囊藻、細小平裂藻和土生偽魚腥藻，分別經(jīng)3 000 r·min-1離心，15 g·L-1的NaHCO3清洗，重復3次，再以15 g·L-1的NaHCO3饑餓處理3 d后，作為初始藻液，接種于裝有100 mL BG-11 培養(yǎng)基的250 mL 錐形瓶中，初始藻細胞密度為0.5×104mL-1，置于智能藻類光照培養(yǎng)箱中進行培養(yǎng).基本培養(yǎng)條件為連續(xù)光暗比設置為12∶12，溫度設置為25 ℃，光照強度設置為60 μmol·m-2·s-1，每天定時將所有藻液搖動3 次.各實驗組設置為：溫度影響實驗組設置20，25，30 ℃3 個溫度梯度；光照影響實驗組設置60，90，120，200 μmol·m-2·s-14個光照強度梯度；藻細胞初始密度影響實驗組設置銅綠微囊藻與細小平裂藻初始藻細胞密度比為1∶1，1∶10 和10∶1 的3 個密度比，細小平裂藻與土生偽魚腥藻初始藻細胞密度比為1∶1，1∶5和5∶1的3個密度比.

1.3 生長曲線測定

使用紫外可見分光光度計，自接種第2天起，每隔1 d測定各實驗組藻細胞光密度吸收值（OD750），以BG-11培養(yǎng)基作為對照，重復3次，繪制生長曲線.

1.4 生物量測定

自接種之日起，每隔1 d，取10 μL 藻液，使用血球計數(shù)器在顯微鏡下測定藻細胞密度，每次計數(shù)細胞30～300個，密度超過則需稀釋后計數(shù).計算得到每天的藻細胞密度.

2 結果與討論

2.1 不同溫度對3種水華藍藻生長的影響

分別將銅綠微囊藻、細小平裂藻和土生偽魚腥藻置于20，25，30 ℃3 個溫度條件下培養(yǎng)，三者的生長曲線如圖1 所示.由圖1 可知：在20 ℃的低溫條件下，土生偽魚腥藻的生長優(yōu)于銅綠微囊藻和細小平裂藻，隨著溫度的升高，土生偽魚腥藻的生長受到了非常明顯的抑制，30 ℃時土生偽魚腥藻幾乎無法正常生長；而溫度的升高明顯促進了銅綠微囊藻和細小平裂藻的生長，25 ℃條件下，細小平裂藻的生長優(yōu)于土生偽魚腥藻，且略好于銅綠微囊藻，當溫度升高到30 ℃時，銅綠微囊藻的藻細胞密度最大.

圖1 不同溫度下3種水華藍藻的生長情況.（a）20 ℃；（b）25 ℃；（c）30 ℃

銅綠微囊藻作為淡水湖泊水庫藍藻水華的主要優(yōu)勢藻種，其作為優(yōu)勢藻種形成的藍藻水華，一般都在持續(xù)高溫的夏季爆發(fā)，本實驗結果顯示銅綠微囊在30 ℃條件下生長最佳，與其在野外爆發(fā)微囊藻水華時的生長條件一致.土生偽魚腥藻無法忍受高溫環(huán)境，其最佳生長條件為20 ℃，這一結果與其經(jīng)常在春夏交替時期或者秋季較低溫度環(huán)境下作為優(yōu)勢種形成水華的現(xiàn)象相印證.細小平裂藻在高溫條件下與銅綠微囊藻的生長情況基本相似，對于這兩種水華藍藻的競爭，溫度并不是最關鍵的影響因子.

2.2 不同光照強度對3種水華藍藻生長的影響

分別將銅綠微囊藻、細小平裂藻和土生偽魚腥藻置于60，90，120，200 μmol·m-2·s-14 個光照強度條件下培養(yǎng)，三者的生長曲線如圖2 所示.由圖2 可知：4 個不同光照強度實驗組中，銅綠微囊藻均有明顯的競爭優(yōu)勢；200 μmol·m-2·s-1條件下，銅綠微囊藻的細胞密度最大；土生偽魚腥藻在低光照的60 μmol·m-2·s-1和90 μmol·m-2·s-1條件下對細小平裂藻具有競爭優(yōu)勢，而隨著光照強度的增強，這一競爭優(yōu)勢逐漸喪失；在120 μmol·m-2·s-1條件下，兩者藻細胞密度相當，而在200 μmol·m-2·s-1條件下，土生偽魚腥藻的生長受到了明顯的抑制.

銅綠微囊藻對于光照的適應能力較細小平裂藻和土生偽魚腥藻更強，因此光照強度并不是其生長的限制因子.細小平裂藻在低光照條件下無法獲得競爭優(yōu)勢，光照強度的增加對其生長具有較為明顯的促進作用，這也能說明為什么平裂藻水華的爆發(fā)時期通常都是在多日晴好天氣之后.而土生偽魚腥藻在較低光照強度的環(huán)境中生長較為旺盛的結果，與偽魚腥藻水華的爆發(fā)時期通常為春夏交替時長江流域低光照的梅雨季節(jié)相映證.

2.3 不同初始藻細胞密度對3種水華藍藻生長的影響

銅綠微囊藻和細小平裂藻在溫度為30 ℃時生長狀況基本一致，以此作為培養(yǎng)條件，設置銅綠微囊藻和細小平裂藻初始藻細胞密度比分別為：1∶1，1∶10 和10∶1 三個實驗組，將兩者混合培養(yǎng)，其生長狀況如圖3所示.由圖3可知：即使在兩者的最佳生長條件下，由于初始藻細胞密度不同，兩者競爭生長的結果也不相同.細小平裂藻只有在初始藻細胞密度高于銅綠微囊藻時，才能在競爭過程中占優(yōu)，銅綠微囊藻則在同等初始藻細胞密度的情況下即可形成競爭優(yōu)勢.因此，長期湖泊監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)的夏季藍藻水華優(yōu)勢藻種交替出現(xiàn)現(xiàn)象可能與湖泊春季藍藻群落結構中的優(yōu)勢種藻細胞密度高低有直接關系.

細小平裂藻與土生偽魚腥藻在光照強度為120 μmol·m-2·s-1時的生長情況基本一致，以此作為培養(yǎng)條件，設置細小平裂藻與土生偽魚腥藻的初始藻細胞密度比分別為：1∶1，1∶5 和5∶1 三個實驗組，將兩者混合培養(yǎng)，其生長狀況如圖4所示.由圖4可知：藻細胞密度是影響細小平裂藻和土生偽魚腥藻競爭關系的關鍵因子.當細小平裂藻藻的初始藻細胞密度不低于土生偽魚腥藻時，其具有明顯的競爭優(yōu)勢，然而，即使細小平裂藻的初始藻細胞密度低于土生偽魚腥藻，生長受到暫時的抑制，一旦細胞密度上升至與土生偽魚腥藻相當，細小平裂藻同樣可以表現(xiàn)出明顯的競爭優(yōu)勢.因此在春夏交替過程中，隨著溫度及光照的逐步上升，細小平裂藻的生長得到促進，藻細胞密度隨之迅速增大，即使在兩者均能生長的環(huán)境下，由于細胞密度比的縮小，優(yōu)勢藻種的更替也隨之完成.

圖4 不同初始藻細胞密度下細小平裂藻和土生偽魚腥藻混合生長情況.細小平裂藻和土生偽魚腥藻初始藻細胞密度比（a）1∶1；（b）5∶1；（c）1∶5

3 結論

本文作者運用單因子和正交實驗的方法，分析了溫度、光照以及藻細胞初始密度對三者生長及競爭的影響，得到如下結論：

（1）不同溫度、光照及初始藻細胞密度均能影響銅綠微囊藻、細小平裂藻及土生偽魚腥藻成為藍藻水華優(yōu)勢藻種.

（2）低溫、低光照下，土生偽魚腥藻可成為藍藻水華的優(yōu)勢藻種；隨著溫度及光照的上升，藍藻水華的優(yōu)勢藻種從土生偽魚腥藻更替為細小平裂藻；而當溫度及光照進一步上升后，銅綠微囊藻成為新的水華優(yōu)勢藻種.這一結果解釋了在夏季持續(xù)晴天高溫的天氣，淡水湖泊（水庫）易形成微囊藻水華或平裂藻水華，而在春秋季節(jié)適宜的溫度及并不強烈的光照條件下，淡水湖泊（水庫）易形成魚腥藻水華的原因.

（3）在土生偽魚腥藻與細小平裂藻及細小平裂藻與銅綠微囊藻生長的共適條件下，以不同比例的初始藻細胞密度將兩者混合培養(yǎng)后，初始藻細胞密度比在混合培養(yǎng)過程中對兩者的競爭能力有非常明顯的影響，能決定優(yōu)勢藻種的歸屬.當細小平裂藻密度不低于土生偽魚腥藻時，即可成為優(yōu)勢藻種；同樣，當銅綠微囊藻密度不低于細小平裂藻時，亦可成為優(yōu)勢藻種.這一結果也說明了銅綠微囊藻是藍藻水華優(yōu)勢藻種最主要的原因.

以上結論解釋了不同湖泊或者同一湖泊在不同年份中藍藻水華優(yōu)勢藻種并不相同的原因.因此，除了采用常規(guī)的水華治理方法，如控制營養(yǎng)鹽和其他污染物的輸入等以外，關注浮游植物群落結構的變化，控制和降低藍藻在夏季藍藻水華爆發(fā)前的生物量，特別是降低春夏交替時沉于水體中下層的各種類藍藻的生物量，可能是治理淡水湖泊（水庫）富營養(yǎng)化引發(fā)的藍藻水華的又一有效方法.