李海露 姚 慧, 何雨晗 耿 紅 徐 軍 何 亮 張 歡

(1. 南昌大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,鄱陽湖環(huán)境與資源利用教育部重點實驗室,南昌 330001;2. 中國科學(xué)院水生生物研究所,武漢 430072;3. 中南民族大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,武漢 430074)

在自然生態(tài)系統(tǒng)中,物種之間普遍存在競爭關(guān)系。競爭在一定程度上決定群落中物種組成和種群數(shù)量[1],因此是調(diào)節(jié)種群密度與群落結(jié)構(gòu)的重要因子。浮游動物是湖泊生態(tài)系統(tǒng)中初級消費者的重要組成部分,輪蟲和枝角類作為浮游動物中優(yōu)勢類群,在食物網(wǎng)中是連接初級生產(chǎn)者浮游植物和次級消費者的重要樞紐。輪蟲和枝角類生活史特征較為相似[2],食性具有較多重疊[3],占據(jù)相似的生態(tài)位,因此,它們之間勢必會引發(fā)激烈地種間競爭,引發(fā)資源限制效應(yīng)[3]。

輪蟲和枝角類的競爭關(guān)系已有較多研究。例如,Gilbert[4,5]發(fā)現(xiàn)溞通過機械性干擾和掠奪性競爭相結(jié)合的方式抑制輪蟲種群增長。Macisaac等[6]研究表明枝角類通過不同的競爭方式對輪蟲的抑制程度不同。在無其他環(huán)境脅迫時,枝角類在輪蟲與枝角類的競爭中常占優(yōu)勢。輪蟲和枝角類的生殖及種群增長能力對環(huán)境因子變化(如捕食壓力、有毒有害物質(zhì)[8])的感知靈敏,但此種感知能力存在種間差異,種間競爭優(yōu)勢也具有不確定性[9],因此,環(huán)境脅迫,如有毒/有害藻類暴發(fā)(或暴發(fā)程度),對輪蟲與枝角類的競爭關(guān)系的影響仍知之甚少。

藍藻水華是一個日益嚴重的世界性問題,藍藻水華發(fā)生期間,藻類生物量急劇上升,可導(dǎo)致浮游動物群落結(jié)構(gòu)改變[10,11],嚴重影響整個水生生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[12]。在清水穩(wěn)態(tài)下,大型枝角類等大型浮游動物攝食率較高,且為濾食性生物,與小型浮游動物如輪蟲相比,其攝食顆粒大,攝取效率高,因此大型枝角類類群在湖泊“清水期”占據(jù)優(yōu)勢地位[13],Dodson等[7]提出“大小效率假說”,認為在自然環(huán)境中由于競爭,小型浮游動物相對大型浮游動物(如枝角類)處于劣勢。但是,在水體中藍藻暴發(fā)后,其產(chǎn)生的有毒微囊藻會對大型溞的生長繁殖產(chǎn)生抑制作用[14],而小型浮游動物(如輪蟲)受此影響不大,故常呈現(xiàn)出較高豐度[15]。那么是否因為高濃度的藍藻抑制了枝角類種群的發(fā)展,影響大型溞與萼花臂尾輪蟲競爭關(guān)系,進而導(dǎo)致水華后輪蟲占據(jù)主要優(yōu)勢? 目前關(guān)注枝角類與輪蟲群落結(jié)構(gòu)的研究中,大多研究的是食物[16—19]、溫度[19,20]、個體大小[4,21,22]及相對起始密度[23,24]等因素對枝角類與輪蟲之間的競爭的影響及微囊藻毒素對單一物種影響[25—27],而微囊藻對浮游動物種間競爭的研究卻較少。在藍藻水華發(fā)生時,浮游植物群落中95%是由微囊藻組成[28],銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa)是最為常見的水華藍藻[29]。因此,本實驗以銅綠微囊藻為例,重點研究不同銅綠微囊藻濃度對萼花臂尾輪蟲和大型溞種群競爭關(guān)系的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗材料準備

有毒銅綠微囊藻(Microcystin-producingM.aeruginosaFACHB-905)和小球藻(Chlorella pyrenoidosaFACHB-1067),均由中國科學(xué)院水生生物研究所藻種庫提供,采用BG-11[30]培養(yǎng)液在光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。培養(yǎng)條件為(24±1)℃,光照強度為2500 lx,周期為14h∶10h(晝∶夜)。實驗取對數(shù)生長期的小球藻和銅綠微囊藻進行離心(7000 r/min,10min),離心后棄除上清液進行濃縮富集,添加少量EPA[31]培養(yǎng)液后放置于4℃ 冰箱中備用。實驗前,采用視野計數(shù)法對銅綠微囊藻和小球藻進行計數(shù)并換算成濃度,實驗時用EPA培養(yǎng)基稀釋到實驗所需濃度。

實驗所用的萼花臂尾輪蟲(Brachionus calyciflorus)采集自湖北省武漢下涉湖(北緯: 30°8′N,114°10E)的休眠卵孵化而得,大型溞(Daphnia magna)采集自云南省昆明市新運糧湖,各挑選一株進行單克隆繁殖,獲得萼花臂尾輪蟲種群與大型溞種群。兩種浮游動物均采用EPA[31]培養(yǎng)基培養(yǎng)。用小球藻進行投喂。每兩天更換一次培養(yǎng)基,取帶卵的母體進行保種和擴培,使萼花臂尾輪蟲種群和大型溞種群保持在指數(shù)增長階段。實驗前兩種浮游動物均在(24±1)℃ 的光照培養(yǎng)箱中穩(wěn)定培養(yǎng)至少3個月。

1.2 實驗設(shè)計

參考藍藻水華暴發(fā)時的浮游植物生物量(5×104cells/mL)[32],設(shè)計4組銅綠微囊藻濃度梯度(分別為0、5×104、1×105和5×105cells/mL,記為對照組、低濃度組、中濃度組和高濃度組)。每個微囊藻濃度梯度下設(shè)置3個動物處理組: 萼花臂尾輪蟲單獨培養(yǎng),大型溞單獨培養(yǎng),萼花臂尾輪蟲和大型溞混合培養(yǎng),每組4個重復(fù)。在實驗中,每個處理組除了添加對應(yīng)濃度的銅綠微囊藻之外,還添加1×105cells/mL 小球藻作為食物。

在實驗前,向?qū)?yīng)的處理組中加入200 mL EPA培養(yǎng)液,并加入對應(yīng)的萼花臂尾輪蟲和大型溞。對照組與處理組的萼花臂尾輪蟲和大型溞初始比例均為1∶1,且初始密度均為50 ind./L。

在觀察時,將培養(yǎng)萼花臂尾輪蟲的燒杯攪拌混勻,用移液槍吸取10 mL培養(yǎng)液,用浮游動物計數(shù)框計數(shù),大型溞全部計數(shù)。實驗中每48h重新添加對應(yīng)的藻類,并更換一次培養(yǎng)基。在更換時,用孔徑為50 μm的篩網(wǎng)濾出實驗個體,轉(zhuǎn)移至新的燒杯中。對照組實驗至種群穩(wěn)定增長為止,處理組實驗至萼花臂尾輪蟲或大型溞種群死亡結(jié)束。

1.3 實驗參數(shù)與統(tǒng)計分析

種群增長率計算參考公式:r=(lnNt-lnN0)/t。N0和Nt分別指實驗開始和第t天時實驗動物種群密度,將種群密度取對數(shù)并與實驗周期進行回歸分析。各處理組種群增長率進行單因素方差分析(One-way ANOVA),用Tukey’s HSD法多重比較對不同濃度銅綠微囊藻下單獨培養(yǎng)和混合培養(yǎng)的萼花臂尾輪蟲及大型溞種群增長是否存在顯著差異進行分析,實驗參數(shù)統(tǒng)計分析在R軟件中進行。

2 結(jié)果

2.1 低濃度銅綠微囊藻對萼花臂尾輪蟲和大型溞競爭的影響

結(jié)果顯示,低濃度銅綠微囊藻可增加萼花臂尾輪蟲和大型溞的種群密度(圖1a)。在混合培養(yǎng)體系中,輪蟲在對照組(無微囊藻添加組)存活時間為3d,在低濃度實驗組(含有低濃度銅綠微囊藻組)存活時間為5d(圖2a),并且大型溞在低濃度實驗組的體系中種群密度高于對照組(圖2a)。該結(jié)果說明在小球藻食物濃度不足時,低濃度銅綠微囊藻能夠作為食物為萼花臂尾輪蟲和大型溞提供能量供給。萼花臂尾輪蟲和大型溞攝食低濃度銅綠微囊藻沒有改變兩者種間競爭關(guān)系,大型溞仍占優(yōu)勢,萼花臂尾輪蟲種群最后衰亡。

2.2 中濃度銅綠微囊藻對萼花臂尾輪蟲和大型溞競爭的影響

單獨培養(yǎng)和混合培養(yǎng)的萼花臂尾輪蟲種群密度在中濃度銅綠微囊藻中都低于對照組(圖1b),實驗開始7d之內(nèi),對照組和中濃度實驗組大型溞種群密度增長趨勢不變,后期單獨培養(yǎng)體系和混合培養(yǎng)體系中的大型溞種群密度均呈現(xiàn)增長趨勢,且實驗組種群密度高于對照組(圖1b和2b),而在添加中濃度銅綠微囊藻的實驗組中輪蟲不能存活(圖1b)。同時,在二者競爭體系中對照組萼花臂尾輪蟲僅存活9d(圖2b),由此說明中濃度的銅綠微囊藻不利于萼花臂尾輪蟲增長繁殖,會導(dǎo)致其種群增長緩慢(圖1b),反之中濃度銅綠微囊藻可作為食物促進大型溞種群密度增加(圖1b),使大型溞建立有毒銅綠微囊藻的耐受性,該結(jié)果也說明大型溞對銅綠微囊藻的耐受性高于萼花臂尾輪蟲。

圖1 不同濃度微囊藻添加對萼花臂尾輪蟲和大型溞單獨培養(yǎng)的種群數(shù)量變化Fig. 1 Different densities of Microcystis aeruginosa on the population variations of Brachionus calyciflorus and Daphnia magna in the mono-cultures

2.3 高濃度銅綠微囊藻對萼花臂尾輪蟲和大型溞競爭的影響

當銅綠微囊藻濃度較高時,萼花臂尾輪蟲種群在較短時間內(nèi)衰退,同時大型溞種群增長受到抑制,其密度呈現(xiàn)下降趨勢(圖1c)。在種間競爭實驗中,萼花臂尾輪蟲僅存活5d,大型溞密度顯著減少(圖2c)。由此顯示銅綠微囊藻處于高濃度時會使得萼花臂尾輪蟲和大型溞的生長繁殖受到抑制,枝角類對有毒銅綠微囊藻建立的耐受性無法抵制攝食高濃度銅綠微囊藻毒性累積所引起的毒性效應(yīng),使得大型溞幼體不能存活,最后導(dǎo)致大型溞衰亡。

圖2 不同濃度微囊藻添加對萼花臂尾輪蟲和大型溞混合培養(yǎng)的種群數(shù)量變化Fig. 2 Different densities of Microcystis aeruginosa on the population variations of Brachionus calyciflorus and Daphnia magna in the mixing cultures in the control and vary level of M.aeruginosa treatment

實驗總共進行11d,根據(jù)種群密度變化計算各處理組種群增長率并進行單因素方差分析,用Tukey’s HSD 法對同一物種不同處理進行多重比較。結(jié)果表明在單獨培養(yǎng)時,萼花臂尾輪蟲和大型溞種群攝食低濃度銅綠微囊藻(5×104cells/mL)和中濃度銅綠微囊藻(1×105cells/mL)都有利于增長率增加,而高濃度銅綠微囊藻(5×105cells/mL)不利于兩者種群增長,萼花臂尾輪蟲種群不能存活,大型溞種群增長率下降。在競爭體系中,萼花臂尾輪蟲都會受大型溞抑制而衰亡,加入低濃度和中濃度銅綠微囊藻后大型溞種群相比較對照組增長率上升,而加入高濃度銅綠微囊藻在一定程度上導(dǎo)致大型溞種群增長率下降。這表明一定濃度范圍內(nèi)的銅綠微囊藻可作為食物增強大型溞種群與萼花臂尾輪蟲種群的生理機能,促進增長率增加,而這種促進作用達到一定限度后銅綠微囊藻中的毒素就會影響二者的生長繁殖,間接提高種群的死亡率。同時,表1也說明,低濃度銅綠微囊藻僅對大型溞種群增長有顯著性影響(P＜0.01),而對萼花臂尾輪蟲種群增長沒有影響(P＞0.05);中濃度、高濃度銅綠微囊藻對萼花臂尾輪蟲和大型溞種群增長率均具有顯著性影響(P＜0.01)。

表1 實驗中各處理組萼花臂尾輪蟲和大型溞的種群增長率對比(平均數(shù)±標準差)Tab. 1 Comparision of population growth rate of Brachionus calyciflorus and Daphnia magna in different treatments during the experiment (mean±SD)

3 討論

Dadson等[7]提出“大小效率假說”表明: 在同等食物濃度條件下,大型溞作為體型較大的個體,掠食能力比萼花臂尾輪蟲等體型較小個體更強,萼花臂尾輪蟲會被大型溞競爭性地淘汰。本研究對照組(無銅綠微囊藻組)的實驗結(jié)果支持這一假說。有學(xué)者在蚤狀溞與螺形龜甲輪蟲同時存在的水體中加入有毒微囊藻,其毒性作用會對蚤狀溞的競爭產(chǎn)生抑制,而有利于螺形龜甲輪蟲生長繁殖[33]。在自然水體中,枝角類體型較大,濾食率比輪蟲大20—1300倍[34],更容易濾食藻類。因此,相對于萼花臂尾輪蟲,大型溞的生長繁殖受到有毒微囊藻的抑制作用可能更大。而本研究實驗結(jié)果表明,在不同銅綠微囊藻濃度下,大型溞在二者種間競爭過程中是優(yōu)勢類群,萼花臂尾輪蟲是劣勢類群,即使二者共存于低濃度銅綠微囊藻(藍藻暴發(fā)初始值)時,萼花臂尾輪蟲也會在競爭過程中死亡。該結(jié)果說明野外藍藻水華發(fā)生時,輪蟲占優(yōu)勢的原因可能不僅僅是因為銅綠微囊藻濃度變化,還可能與其他環(huán)境因子相關(guān)。例如,黃林等[9]通過在溫度、食物、相對起始密度等方面對輪蟲與枝角類的競爭結(jié)局作出系統(tǒng)整理與分析,認為生態(tài)系統(tǒng)中各個因素都可能會對輪蟲與枝角類的競爭造成影響。楊威[35]實驗發(fā)現(xiàn)微囊藻的出現(xiàn)能夠改變蚤狀溞和長額象鼻溞之間的競爭結(jié)果,但此結(jié)果會受不同生態(tài)因子的影響。

在實驗中,添加低濃度銅綠微囊藻后,與對照組相比單獨培養(yǎng)的種群都增加;而混合培養(yǎng)的大型溞的增長率顯著增加,萼花臂尾輪蟲種群在增長后衰退更快,最后在第7天衰亡,而對照組僅存活3d。這一結(jié)果表明藍藻水華暴發(fā)初期萼花臂尾輪蟲在二者競爭中可以利用自身優(yōu)勢成為優(yōu)勢類群,但隨著群落的發(fā)展,最終大型溞仍處于優(yōu)勢地位。盡管低濃度銅綠微囊藻在一定程度上都會促進大型溞和萼花臂尾輪蟲的增長,但大型溞個體比輪蟲大,根據(jù)“大小效率假說”,大型溞始終處于優(yōu)勢地位。明瑞梁等[36]在盔型溞與脆弱象鼻溞的競爭體系中發(fā)現(xiàn),個體較大的盔型溞在不同處理中均占優(yōu)勢,即大型浮游動物比小型浮游動物更具優(yōu)勢。當食物資源有限時,大型枝角類利用其體型優(yōu)勢在食物競爭上抑制小型枝角類和輪蟲的生長繁殖,在水體中占據(jù)優(yōu)勢地位[37,38]。因此,浮游動物之間的競爭結(jié)局可能不是單一因素決定,需要考慮多種因素耦合作用。

高濃度銅綠微囊藻組實驗進行11d,單獨培養(yǎng)時大型溞種群增長率下降,但未衰亡,而萼花臂尾輪蟲在高濃度銅綠微囊藻組卻不能存活,一方面可能是微囊藻作為內(nèi)毒素隨著個體對攝食食物進行消化吸收,產(chǎn)生毒素的過程需要累積,達到一定量后才會表達出對毒性的響應(yīng)[39];另一方面,盡管輪蟲對銅綠微囊藻有一定耐受性,但高濃度的微囊藻對輪蟲的增長與繁殖產(chǎn)生高強度的抑制作用[40]。李效宇等[41]用有毒和無毒的銅綠微囊藻同時喂食大型溞種群,發(fā)現(xiàn)無論微囊藻是否會對大型溞產(chǎn)生直接毒性效應(yīng),大型溞種群生長繁殖都會受到微囊藻抑制,且認為微囊藻影響種群的消化吸收是導(dǎo)致種群生殖率降低的主要因素。因此,實驗中盡管大型溞依舊占據(jù)主要生態(tài)位,是培養(yǎng)體系中的優(yōu)勢種群,但其種群增長率有下降趨勢。一般來說輪蟲作為體型較小的浮游動物,因其生長周期比較短、繁殖速率快,在種群密度上輪蟲相比較枝角類而言更占優(yōu)勢[42],然而二者競爭結(jié)局基本不受銅綠微囊藻濃度的影響,即添加不同濃度有毒銅綠微囊藻,在混合培養(yǎng)體系中大型溞都占優(yōu)勢。

綜上,實驗證明即使大型溞對萼花臂尾輪蟲的競爭優(yōu)勢受銅綠微囊藻濃度的影響不大,但是當銅綠微囊藻濃度超過一定閾值時,銅綠微囊藻會對大型溞及萼花臂尾輪蟲的生長繁殖產(chǎn)生影響,甚至導(dǎo)致萼花臂尾輪蟲種群衰亡。本文利用控制實驗法研究銅綠微囊藻濃度對輪蟲和枝角類種間競爭的影響,在自然水體中種間競爭的相互作用受到多種因素的協(xié)同作用,需要多因素實驗來揭示自然水體中兩類群的豐度分布格局。