孫俊惠，楊傲傲，李修嶺

（臨沂大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，山東臨沂 276000）

藍(lán)藻水華通常是指富營養(yǎng)化水體中藍(lán)藻大量增殖或聚集而造成的一種災(zāi)害現(xiàn)象，其暴發(fā)時(shí)水體中葉綠素a的濃度超過10 mg/m3或藻細(xì)胞超過1×107個(gè)/L，水體表面會(huì)形成一層藍(lán)綠色并伴有惡臭的水膜[1-2]。我國淡水湖泊、水庫數(shù)量眾多，一旦暴發(fā)藻華，水體質(zhì)量將會(huì)受到影響，進(jìn)而威脅整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)健康[3]。

微囊藻是最常見的淡水水華藍(lán)藻，其中以銅綠微囊藻（Microcystic aeruginosa）分布最廣、出現(xiàn)頻次最多[4-5]。銅綠微囊藻是一類隸屬于藍(lán)藻門藍(lán)藻綱色球藻目色球藻科微囊藻屬的光能自養(yǎng)型單細(xì)胞藻類[6]。該藻暴發(fā)時(shí)，通過物理性聚集降低水體透明度，影響其他水生植物的光合作用，降低水中溶解氧含量[7-8]。另外，某些藻株能產(chǎn)生一種有毒的次生代謝產(chǎn)物——微囊藻毒素（Microcystins，MCs）。MCs是一類單環(huán)七肽類肝毒素，是富營養(yǎng)化水體中最常見的藻毒素之一，具有毒性大、分布廣和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點(diǎn)[9-10]。MCs能專一性地與細(xì)胞內(nèi)的蛋白磷酸酶結(jié)合，對(duì)肝、腎、心臟等多種器官造成不可逆的損傷[11-13]。此外，MCs的水溶性高，能通過灌溉、堆肥漚田等途徑進(jìn)入農(nóng)田，被作物吸收積累，影響作物生長發(fā)育和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，并最終通過食物鏈危害人類健康[3,14-15]。

鑒于銅綠微囊藻在淡水生態(tài)系統(tǒng)中的重要作用，本文從非生物因子和生物因子兩方面對(duì)影響該藻生理代謝的因素進(jìn)行綜述，以期為藍(lán)藻水華預(yù)警和有效規(guī)避藻華危害提供科學(xué)參考，更好地服務(wù)農(nóng)業(yè)。

1 非生物因子對(duì)銅綠微囊藻生長影響

1.1 光照

光照是植物生長的必要條件，光照強(qiáng)度將直接影響藻類的光合作用，進(jìn)而影響藻類生物量的積累。薛升長等[16]將藻類生長所需的光照強(qiáng)度從小到大劃分成光限制區(qū)、光過渡區(qū)、光飽和區(qū)和光抑制區(qū)4個(gè)范圍 ：在光限制區(qū)內(nèi)，藻類光合作用會(huì)受到限制，生長速率變慢，但隨著光照強(qiáng)度的逐漸增強(qiáng)，藻類生長速率又會(huì)提高，并在光飽和區(qū)內(nèi)達(dá)到最大，光照強(qiáng)度超過光飽和區(qū)后，藻類會(huì)因高光強(qiáng)對(duì)光色素的降解或光合機(jī)構(gòu)的損傷而受到抑制。當(dāng)外界環(huán)境條件一定時(shí)，不同類型的銅綠微囊藻最適生長的光照強(qiáng)度略有不同。如FACHB-315最適光強(qiáng)為1 000 lx[17]，而劉世明等[18]發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)藻種在100 μmol/（m2·s）（約8 000 lx）光照強(qiáng)度時(shí)，生長速率和光合活性都顯著高于其他組。總體來說，絕大多數(shù)銅綠微囊藻適宜的光照強(qiáng)度范圍是2 000～6 000 lx。光照強(qiáng)度有可能通過影響藻類光合活性、放養(yǎng)速率、胞內(nèi)色素組成、酶活性、脂肪和碳水化合物含量等對(duì)藻細(xì)胞生長產(chǎn)生影響[19-20]。

1.2 溫度

溫度能直接影響藻類細(xì)胞內(nèi)的代謝或通過控制水體中各類營養(yǎng)物的溶解度、分解率等理化過程而間接影響藻類的生長，是影響藻類生長的重要因子[21-22]。溫度過低時(shí)，藻細(xì)胞內(nèi)酶的活性較低，藻的生長和光合作用受到抑制[23]；溫度過高則會(huì)直接殺死藻細(xì)胞。結(jié)合春夏季較易出現(xiàn)銅綠微囊藻水華的情況，也在一定程度上說明了該藻生長與溫度之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系?，F(xiàn)有研究表明，絕大多數(shù)銅綠微囊藻細(xì)胞密度在25～30 ℃時(shí)達(dá)到最高[24-25]；個(gè)別情況下，銅綠微囊藻的最適生長溫度超過30 ℃，如從松花湖中分離出的藻株最適溫度為33 ℃[26]，銅綠微囊藻FACHB-469的最適溫度不低于35 ℃[27]。

1.3 pH值

和溫度、光照條件不同的是，水體的pH值與銅綠微囊藻存在一個(gè)動(dòng)態(tài)的關(guān)系，即pH值可通過改變環(huán)境酸堿度和影響碳酸鹽平衡系統(tǒng)及不同形態(tài)無機(jī)碳分配關(guān)系來影響藻類的生長[28]?？扇苄缘臒o機(jī)碳源在天然水體中主要以等形態(tài)存在，水體中CO2的存在形式存在以下變化：

藻類能利用CO2進(jìn)行光合作用，釋放O2，使得水體pH值和溶解氧含量升高[29-30]。即使生長在初始pH差別較大的水體中，銅綠微囊藻也會(huì)通過一系列生理生化反應(yīng)調(diào)節(jié)pH到其適宜的偏堿性范圍，展現(xiàn)強(qiáng)大的適應(yīng)能力[31]。已有文獻(xiàn)表明，堿性水體中銅綠微囊藻生長最快，如pH值為8.0～9.0[32]、9.0[33]、8.5 ～ 9.5[34]。

1.4 營養(yǎng)元素

1.4.1 氮、磷及氮磷比

氮、磷是藻類生長所需的重要營養(yǎng)元素，充足的氮磷在一定程度上能促進(jìn)水華形成[35-36]。氮素是葉綠素的主要成分，對(duì)植物光合速率、暗反應(yīng)的主要酶以及光呼吸等都有明顯的影響。研究發(fā)現(xiàn)，初始氮濃度為0.2 mg/L時(shí)，銅綠微囊藻無法正常生長，而相同濃度的磷卻能滿足，即該藻對(duì)氮的需求量高于磷[37]，這有可能與其元素構(gòu)成為C106H263O100N16P有關(guān)[38]。隨著總氮濃度的增大，銅綠微囊藻的生物量也顯著增加[37,39]。磷是藻類生長必不可少的一項(xiàng)營養(yǎng)物質(zhì)，它既屬于磷脂、核酸與蛋白質(zhì)的重要組成部分，也是葉綠素合成的必備物質(zhì)[40]。磷被認(rèn)為是銅綠微囊藻生長的首要限制因子[41]，銅綠微囊藻最適生長的磷濃度范圍為1.0～1.5 mg/L[42]。一定的氮磷比能影響銅綠微囊藻的生物量，促使其達(dá)到最大值[43]。氮磷比≤8時(shí)，藻細(xì)胞密度隨著N或P含量的增加而增加；氮磷比為8和16時(shí)，銅綠微囊藻生長速度最快[44]。但比值不是確定的，氮磷比為4.5時(shí)銅綠微囊藻的生長也能達(dá)到最高[45]。

1.4.2 鐵

鐵居于植物必需微量元素的首位[46]。葉綠素和藻膽色素的生化合成依賴于鐵的營養(yǎng)狀態(tài)，鐵限制的藻細(xì)胞色素濃度低。另外，硝酸鹽和亞硝酸鹽還原酶中含有鐵原子，鐵的營養(yǎng)狀態(tài)會(huì)影響硝酸鹽的吸收[47]。鐵是限制銅綠微囊藻生長的重要因子，不同類型的銅綠微囊藻最適生長的鐵離子濃度稍有不同，具有藻株特異性[48]。如FACHB-905的最適鐵離子濃度為500～1 000 μg/L[49]，F(xiàn)ACHB-912的最適鐵離子濃度為 12.3 ～ 24.6 μmol/L[50]。

1.4.3 鋅

鋅是銅綠微囊藻生長必需的微量元素，對(duì)蛋白核結(jié)構(gòu)的完整非常重要，但過量的鋅會(huì)造成細(xì)胞膜通透性增加，使電解質(zhì)漏失，引起細(xì)胞形態(tài)變異甚至死亡[51]。鋅的濃度小于4 μmol/L時(shí)，能夠促進(jìn)銅綠微囊藻的生長；濃度大于6 μmol/L時(shí)，對(duì)藻有抑制作用，濃度越高，抑制效果越明顯[49]；當(dāng)鋅的濃度達(dá)到800 μg/L時(shí)，銅綠微囊藻的生長發(fā)生停滯甚至死亡[51]。

1.4.4 銅

作為必需微量元素，低濃度的銅對(duì)銅綠微囊藻的生長起到促進(jìn)作用，高濃度的銅由于對(duì)藻類細(xì)胞壁含硫基團(tuán)具有很強(qiáng)的親合力，會(huì)干擾藻類正常新陳代謝過程，對(duì)藻類的生長產(chǎn)生抑制作用[52]。研究發(fā)現(xiàn)，銅濃度為0.32～1.16 μmol/L時(shí)，可以較好地維持銅綠微囊藻的生長[53]。

1.4.5 鉬

鉬能通過影響硝酸還原酶的活性來促進(jìn)植物的氮代謝，植物中的鉬蛋白即固氮酶，缺乏鉬會(huì)影響植物氮素正常同化[54]。研究表明，銅綠微囊藻生長所需鉬的最適濃度為1～5 μg/L，當(dāng)鉬濃度為1.48 μg/L時(shí)，銅綠微囊藻生長速率最大[49-55]。

1.4.6 鈷

重金屬鈷是藻類必需的微量元素。研究發(fā)現(xiàn)，必需性重金屬在低濃度時(shí)可以促進(jìn)藻類的生長，在高濃度時(shí)抑制藻類的生長，表現(xiàn)出低促高抑。當(dāng)鈷濃度為1.48 μg/L時(shí)，銅綠微囊藻的生長情況最好[55]。

2 生物因子對(duì)銅綠微囊藻生長影響

2.1 高等植物

許多植物對(duì)銅綠微囊藻的生長都有化感作用，基本表現(xiàn)出低促高抑的現(xiàn)象。比如，低濃度的白鶴芋、香菇草浸提液能促進(jìn)藻的生長，但當(dāng)浸提液濃度高于34 g/L時(shí)，藻生長就會(huì)受到抑制，抑制率＞90%[56]；沉水植物黑藻、苦草和綠狐尾藻的種植水對(duì)銅綠微囊藻的抑制作用隨濃度升高而增強(qiáng)，50 g/L的苦草種植水其抑藻率為90.30%[57]；浮水植物鳳眼蓮的根部浸提液濃度＜1.0 g/L時(shí)對(duì)藻的生長有促進(jìn)作用，濃度＞1.5 g/L時(shí)顯著抑制藻的生長[58]；挺水植物香蒲的葉的浸提液對(duì)銅綠微囊藻的作用也表現(xiàn)為低促高抑，在其質(zhì)量濃度為50 g/L時(shí)，抑制率可達(dá)91.37%[59]；荸薺浸取液對(duì)銅綠微囊藻的生長抑制率達(dá)到了91.40%[60]。

2.2 微生物

細(xì)菌對(duì)銅綠微囊藻的生長的抑制作用較為明顯。溶藻菌的溶藻率能達(dá)到98.2%[61]；而暹羅芽孢桿菌（Bacillus siamensis）Sp37可100%抑制銅綠微囊藻NIES843的生長[62]；當(dāng)芽孢桿菌（Bacillussp.）hsn03的添加量為體積比的7.0%時(shí)，對(duì)銅綠微囊藻的抑制作用最大[63]。真菌主要是通過分泌抗生素類物質(zhì)和寄生于藻細(xì)胞兩種方式對(duì)銅綠微囊藻的生長造成影響，其對(duì)銅綠微囊藻的抑制作用隨濃度的增加而增加[64]。放線菌主要通過分泌抗生素等溶藻活性物質(zhì)的方式抑制銅綠微囊藻的生長，當(dāng)放線菌的菌液濃度為500 ml/L時(shí)，對(duì)藻的抑制率達(dá)到68.2%[65]。粘著劍菌（Ensifer adhaerens）僅需1.5 g/L在15天后就完全抑制銅綠微囊藻的生長[66]。鏈霉菌屬（Streptomyces）LW9發(fā)酵液以5%的劑量作用于銅綠微囊藻，可表現(xiàn)出明顯的溶藻效果，溶藻率79%～94%[67]。

3 其他環(huán)境因子對(duì)銅綠微囊藻生長影響

水體擾動(dòng)對(duì)藻類生長的影響過程比較復(fù)雜。一定強(qiáng)度范圍內(nèi)的水體擾動(dòng)可以促使底泥或沉積物釋放氮、磷等營養(yǎng)鹽，同時(shí)也會(huì)引起底泥或沉積物的懸浮，導(dǎo)致水體透明度下降。當(dāng)擾動(dòng)超過一定強(qiáng)度，會(huì)對(duì)藻類細(xì)胞產(chǎn)生機(jī)械損傷，破壞藻類細(xì)胞周圍的濃度場(chǎng)，不利于藻的生長[68]。研究表明，室內(nèi)及天然水體中的銅綠微囊藻生長的最適流速均為0.30 m/s，單獨(dú)培養(yǎng)條件下最適宜的流速為0.35 m /s[69]。室內(nèi)條件下，300 r/min的擾動(dòng)速度是銅綠微囊藻生長的臨界速度[70]。FACHB-905、FACHB-315在擾動(dòng)條件為100～120 r/min時(shí)生長最好[71-72]。

此外，僅使用1 mg/L的微塑料（MPs）就可以抑制銅綠微囊藻的生長[73]。丙二酸濃度達(dá)到60 mg/L時(shí)，對(duì)銅綠微囊藻的抑制率達(dá)到87.26%[74]。而當(dāng)氨基酸濃度為100 μmol/L時(shí)，銅綠微囊藻生長速率最快[75]。

銅綠微囊藻自身的細(xì)胞密度也會(huì)對(duì)它的生長產(chǎn)生影響。在初始細(xì)胞密度較低，即1×105個(gè)/mL時(shí)，單細(xì)胞藻毒素分泌量會(huì)增加，從而提高其環(huán)境適應(yīng)能力；在初始細(xì)胞密度≥1×106個(gè)/mL時(shí)，銅綠微囊藻的適應(yīng)期消失，生長速率提高[76]。

4 結(jié)語

藍(lán)藻水華是在各種環(huán)境因子（外因）的耦合驅(qū)動(dòng)下，結(jié)合水華藍(lán)藻其獨(dú)特的生理生態(tài)特性（內(nèi)因），從而在合適的水文氣象條件下集聚于水表而形成的生態(tài)災(zāi)害現(xiàn)象[77]。分析藍(lán)藻水華發(fā)生的各種環(huán)境條件，將有助于應(yīng)用分子生物學(xué)手段開展藍(lán)藻生理過程的分析，把握藍(lán)藻的變化規(guī)律，為水華暴發(fā)的防治提供科學(xué)的依據(jù)。