不同磷濃度下光強(qiáng)、溫度對(duì)水華魚(yú)腥藻(Anabaenaflos-aquae)生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)*

張 萍，李 哲，王 勝，郭勁松，肖 艷，劉 靜

(1：重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶400045)

(2：中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶400714)

(3：中國(guó)科學(xué)院水庫(kù)水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400714)

不同磷濃度下光強(qiáng)、溫度對(duì)水華魚(yú)腥藻(Anabaenaflos-aquae)生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)*

張 萍1，2，3，李 哲2，3，王 勝1，郭勁松2，3，肖 艷2，3，劉 靜1，2，3

(1：重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶400045)

(2：中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶400714)

(3：中國(guó)科學(xué)院水庫(kù)水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400714)

水華魚(yú)腥藻；動(dòng)力學(xué)模型；光強(qiáng)；溫度；磷

藻類(lèi)是水生生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn)者，決定著淡水生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)[1-2]． 近年來(lái)河湖普遍呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)，優(yōu)勢(shì)藻種的瘋狂繁殖打破了水生生態(tài)系統(tǒng)平衡，并引起一系列嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，尤以藍(lán)藻有害“水華”為甚[3-4]． 已有調(diào)查發(fā)現(xiàn)，水華魚(yú)腥藻(Anabaenaflos-aquae)是藍(lán)藻水華中的典型優(yōu)勢(shì)藻種[5-6]． 它具有固氮功能，在氮相對(duì)匱乏、磷相對(duì)豐足的水體中易于形成優(yōu)勢(shì)，誘發(fā)水華并可能分泌藻毒素[7]，危害環(huán)境．

光照、溫度和磷濃度是影響水華魚(yú)腥藻生長(zhǎng)的主要生境要素． 巫娟等[8]研究了光照對(duì)水華魚(yú)腥藻的細(xì)胞比重和藻絲長(zhǎng)度的影響，表明光強(qiáng)對(duì)其細(xì)胞比重的影響總體不大，而藻絲長(zhǎng)度對(duì)光強(qiáng)卻反映強(qiáng)烈． Robarts等[9]認(rèn)為溫度對(duì)水華魚(yú)腥藻光合作用、呼吸速率和生長(zhǎng)速率的影響呈現(xiàn)出單峰趨勢(shì)． 夏建榮等[10]發(fā)現(xiàn)CO2濃度升高有助于水華魚(yú)腥藻光合作用的進(jìn)行，其生物量、光飽和光合速率、光合效率顯著提高，但對(duì)無(wú)機(jī)碳的親和力卻降低． 但目前仍鮮見(jiàn)對(duì)水華魚(yú)腥藻在光強(qiáng)、溫度、磷濃度等多重生境要素交互作用下的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)研究． 在不同磷濃度條件下，本研究選擇不同的光照、溫度梯度，對(duì)水華魚(yú)腥藻進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)． 在求取Monod模型參數(shù)基礎(chǔ)上，基于Lehman模型和Steele模型建立水華魚(yú)腥藻“磷-光強(qiáng)”和“磷-溫度”協(xié)同變化條件下的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型，為水華魚(yú)腥藻生態(tài)過(guò)程預(yù)測(cè)提供依據(jù)．

1 材料與方法

1.1 材料

所用化學(xué)試劑均為分析純?cè)噭?；水華魚(yú)腥藻FACHB-245購(gòu)自中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所．

1.2 方法

1.2.1 水華魚(yú)腥藻培養(yǎng) 以BG-11培養(yǎng)基為基礎(chǔ)，采用新鮮去離子水配制成無(wú)磷培養(yǎng)基(其他營(yíng)養(yǎng)鹽保持充足)，pH值調(diào)節(jié)至7.5左右． 按實(shí)驗(yàn)所需質(zhì)量濃度加入相應(yīng)量的磷(K2HPO4)，磷摩爾濃度分別設(shè)置為0、0.1、0.2、0.5、0.75、1.0、2.5、5.0 μmol/L；相對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度分別為0、3.1、6.2、15.5、23.25、31.0、77.5、155.0 μg/L． 將培養(yǎng)基放入滅菌鍋，在121℃下高壓蒸汽滅菌30 min． 將藻種擴(kuò)大培養(yǎng)1周，饑餓培養(yǎng)48 h，取一定體積培養(yǎng)液(含藻種)以4200轉(zhuǎn)/min的速度離心15 min，移走上清液后加適量碳酸氫鈉溶液(15 mg/L)洗滌后離心，重復(fù)洗滌3次，用無(wú)菌水稀釋后接種，保持初始藻密度為3×105cells/ml左右[11]．

表1 實(shí)驗(yàn)變量設(shè)計(jì)

Tab.1 Design of experimental variables

實(shí)驗(yàn)批次溫度/℃光照/lxP營(yíng)養(yǎng)鹽1153000220300032530004303000520100062020007205000每批均設(shè)0、0．1、0．2、0．5、0．75、1．0、2．5、5．0μmolP/L8個(gè)濃度梯度

采用250 ml三角瓶進(jìn)行藻的序批培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)條件參考表1設(shè)置，光暗比12 h∶12 h，每個(gè)樣品設(shè)置兩個(gè)平行，培養(yǎng)期間每天人工搖動(dòng)3～4次． 每天上午8：00取1.0 ml藻液至定量瓶中并加魯哥試劑固定． 采用浮游植物計(jì)數(shù)框計(jì)數(shù)，每個(gè)樣品計(jì)數(shù)2次并保證其誤差<5%，每次50個(gè)視野，取其平均數(shù)計(jì)算藻密度．

1.2.3 模型

(1) Monod生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型.

Monod動(dòng)力學(xué)方程用于描述微生物生長(zhǎng)速率與營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的關(guān)系，適用于穩(wěn)態(tài)狀況下細(xì)胞外環(huán)境營(yíng)養(yǎng)鹽濃度與生物增長(zhǎng)之間的動(dòng)力學(xué)描述[15-16]． 在藻類(lèi)生態(tài)學(xué)領(lǐng)域，針對(duì)不同藻種及各種營(yíng)養(yǎng)鹽形態(tài)，許多學(xué)者對(duì)Monod方程進(jìn)行了廣泛深入的研究，并認(rèn)為該模型能定量描述穩(wěn)態(tài)時(shí)營(yíng)養(yǎng)鹽限制條件下藻類(lèi)增長(zhǎng)速率與外環(huán)境營(yíng)養(yǎng)鹽水平之間的關(guān)系[17]．

(1)

式中，μ為藻類(lèi)比生長(zhǎng)速率(d-1)；μmax為最大比生長(zhǎng)速率(d-1)；S為限制性營(yíng)養(yǎng)鹽濃度(μg/L)；KS為半飽和常數(shù)(μg/L)，即當(dāng)藻類(lèi)比生長(zhǎng)速率達(dá)到最大比生長(zhǎng)速率一半時(shí)的限制性營(yíng)養(yǎng)鹽濃度． 根據(jù)該動(dòng)力學(xué)方程可以作圖求出藻類(lèi)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)μmax和KS．

應(yīng)用Leneweaver-Burk作圖法[18]，將Monod方程兩邊分別取倒數(shù)得到公式(2)，通過(guò)最小二乘法求得回歸直線斜率KS/μmax和截距1/μmax，最終求解動(dòng)力學(xué)參數(shù)KS和μmax值．

(2)

在Monod模型基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步建立藻類(lèi)在不同溫度、光強(qiáng)下的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，還需其他動(dòng)力學(xué)模型的協(xié)助． 最常用的是Lehman溫度限制生長(zhǎng)模型和Steele光強(qiáng)限制生長(zhǎng)模型． 通過(guò)Lehman模型和Steele模型不僅可以分別求出動(dòng)力學(xué)參數(shù)，對(duì)藻類(lèi)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型研究，而且還能得到藻類(lèi)的最適生長(zhǎng)溫度和光強(qiáng)． 另外，3個(gè)模型得到的動(dòng)力學(xué)參數(shù)之間可以相互印證，從而進(jìn)一步驗(yàn)證模型對(duì)藻類(lèi)生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)研究的適用性和模型間的互通性．

(2) Lehman溫度限制生長(zhǎng)模型.

Lehman模型用以描述連續(xù)溫度變化下微生物的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)：

(3)

式中，μmT為T(mén)溫度下藻類(lèi)比生長(zhǎng)速率(d-1)，Topt是最佳生長(zhǎng)溫度(℃)，T是藻類(lèi)生長(zhǎng)溫度(℃)，Tm為最佳生長(zhǎng)溫度與最低生長(zhǎng)溫度的差值(℃)，其余參數(shù)同上． 運(yùn)用非線性回歸方法求出模型參數(shù)．

(3) Steele光限制動(dòng)力學(xué)模型.

為揭示光照強(qiáng)度由低向高連續(xù)變化下水華魚(yú)腥藻的生長(zhǎng)速率響應(yīng)特征，本研究運(yùn)用Steele模型對(duì)光強(qiáng)、磷含量水平和水華魚(yú)腥藻生長(zhǎng)速率三者間關(guān)系進(jìn)行分析．

(4)

式中，μmL為L(zhǎng)光強(qiáng)下藻類(lèi)比生長(zhǎng)速率(d-1)，I為光照強(qiáng)度(lx)，Ik為飽和光強(qiáng)(lx)，其余參數(shù)同前． 運(yùn)用非線性回歸方法求出模型參數(shù)．

2 結(jié)果與討論

2.1 不同光強(qiáng)、溫度條件下水華魚(yú)腥藻密度變化特征

從不同光強(qiáng)、溫度條件下水華魚(yú)腥藻密度的變化特征可以看出(圖1)，水華魚(yú)腥藻的生長(zhǎng)過(guò)程主要分為3個(gè)階段：適應(yīng)期、指數(shù)增長(zhǎng)期和衰亡期；在不同磷濃度條件下，水華魚(yú)腥藻在指數(shù)增長(zhǎng)期內(nèi)均呈現(xiàn)出明顯的指數(shù)生長(zhǎng)趨勢(shì)；在光照實(shí)驗(yàn)下，水華魚(yú)腥藻的指數(shù)增長(zhǎng)期(第3～7 d)相比溫度實(shí)驗(yàn)下的指數(shù)增長(zhǎng)期(3～8 d)略短，且各磷濃度下藻類(lèi)增長(zhǎng)較緩慢；高光強(qiáng)下水華魚(yú)腥藻指數(shù)增長(zhǎng)期短于低光強(qiáng)；當(dāng)磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度越高時(shí)，水華魚(yú)腥藻密度越大，實(shí)驗(yàn)中水華魚(yú)腥藻在低于1 μmol P/L濃度條件下，細(xì)胞數(shù)量增長(zhǎng)較為緩慢． 隨著溫度和光照強(qiáng)度的升高，水華魚(yú)腥藻的現(xiàn)存最大密度逐漸增大，分別在20℃和3000 lx條件下達(dá)到最大值，隨后，溫度和光強(qiáng)的增高則會(huì)抑制水華魚(yú)腥藻的生長(zhǎng)；高光強(qiáng)下，高濃度磷條件下水華魚(yú)腥藻對(duì)光強(qiáng)的耐受能力強(qiáng)于低濃度磷；在5000 lx、0～1.0 μmol P/L磷濃度下，水華魚(yú)腥藻密度在第6 d已達(dá)最高值，而在2.5～5.0 μmol P/L內(nèi)其在第7 d仍處于穩(wěn)定生長(zhǎng)期．

圖1 不同溫度、光強(qiáng)條件下水華魚(yú)腥藻密度變化Fig.1 Density variations of Anabaena flos-aquae under different temperature and light intensity conditions

2.2 水華魚(yú)腥藻生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型研究

表2 不同溫度、光強(qiáng)下Monod動(dòng)力學(xué)參數(shù)結(jié)果

2.2.2 水華魚(yú)腥藻生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的Lehman模型研究 Lehman模型擬合得到的擬合結(jié)果見(jiàn)圖2． 為保證擬合度，對(duì)Lehman模型擬合結(jié)果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，其殘差平方和RSS=0.082，決定系數(shù)R2=0.60，表明擬合效果較好． Lehman模型擬合得到4個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)μmax、KS、Topt、Tm分別為0.421±0.011 d-1、0.055±0.009 μmol P/L、21.22±0.98℃、8.12±2.21℃． 回歸分析結(jié)果表明，溫度連續(xù)變化下水華魚(yú)腥藻比生長(zhǎng)速率隨溫度增高(0～50℃)呈現(xiàn)出先增大后減小的單峰趨勢(shì)，在最佳生長(zhǎng)溫度(21.22±0.98℃)處達(dá)到最大值．

圖2 不同溫度下的Lehman模型擬合Fig.2 Nonlinear fitting on Lehman model under different temperatures

圖3 不同光強(qiáng)下的Steele模型擬合Fig.3 Nonlinear fitting on Steele model under different light intensities

2.3 討論

Monod方程是描述穩(wěn)態(tài)下限制性營(yíng)養(yǎng)鹽濃度與藻類(lèi)生長(zhǎng)速率間關(guān)系的重要?jiǎng)恿W(xué)模型，Lehman模型和Steele模型則可以分別用于描述溫度和光強(qiáng)由低向高連續(xù)變化下水華魚(yú)腥藻生長(zhǎng)速率的響應(yīng)特征． 通過(guò)Monod動(dòng)力學(xué)方程、Lehman模型和Steele模型的擬合計(jì)算可以得到不同磷濃度和不同光、熱條件下水華魚(yú)腥藻的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)μmax與KS，還可以得到溫度和光照從低到高連續(xù)變化過(guò)程中水華魚(yú)腥藻的最適生長(zhǎng)溫度和光強(qiáng)．μmax和KS作為主要的動(dòng)力學(xué)參數(shù)具有一定的生物學(xué)意義，μmax為限制性底物濃度足夠充裕時(shí)(趨向無(wú)窮大)藻類(lèi)的比生長(zhǎng)速率；KS則通常用以衡量藻類(lèi)對(duì)底物營(yíng)養(yǎng)鹽的親和性[19]． 對(duì)不同營(yíng)養(yǎng)鹽水平下的μmax和KS進(jìn)行對(duì)比，可以推測(cè)出藻類(lèi)在不同營(yíng)養(yǎng)鹽限制下的生長(zhǎng)狀況和藻類(lèi)的最適宜生長(zhǎng)條件．

Monod模型擬合結(jié)果表明，水華魚(yú)腥藻μmax和KS在15～30℃內(nèi)呈現(xiàn)出先增大后減小的單峰趨勢(shì)，20℃時(shí)分別達(dá)到最大值0.447 d-1、0.081 μmol P/L；光強(qiáng)為1000～5000 lx下，水華魚(yú)腥藻μmax和KS均呈先增大后減小的趨勢(shì)，在光強(qiáng)為3000 lx時(shí)達(dá)到最大值． Lehman擬合結(jié)果表明，不同磷濃度條件下溫度從低到高連續(xù)變化時(shí)，動(dòng)力學(xué)參數(shù)μmax、KS、Topt分別為0.421±0.011 d-1、0.055±0.009 μmol P/L、21.22±0.98℃，由圖2可知水華魚(yú)腥藻的最大比生長(zhǎng)速率呈先增大后減小的單峰趨勢(shì)，在20～25℃內(nèi)水華魚(yú)腥藻比生長(zhǎng)速率始終維持在較高水平，這可能與溫度對(duì)酶的活性影響有關(guān)，低溫抑制酶活性而高溫則使酶失活，因而低溫和高溫條件下酶的活性都不高，從而影響其催化的酶促反應(yīng)速率． Foy等[14]的研究表明水華魚(yú)腥藻在溫度高于25℃以后生長(zhǎng)將受到抑制，本文的擬合結(jié)果與其一致．

春季藍(lán)藻水華的出現(xiàn)與藍(lán)藻對(duì)溫度和光照的響應(yīng)有關(guān)，溫度被認(rèn)為是影響藍(lán)藻復(fù)蘇和優(yōu)勢(shì)藻種形成的重要因素[23]，同時(shí)，光照則為水華魚(yú)腥藻的光合作用提供能量支持． 水華魚(yú)腥藻生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型研究結(jié)果為解釋水華魚(yú)腥藻多于夏末春初暴發(fā)提供了理論依據(jù)[24-25]．

3 結(jié)論

μmax是限制性底物濃度足夠充裕時(shí)(趨向無(wú)窮大)藻類(lèi)的比生長(zhǎng)速率，表征藻類(lèi)的最大生長(zhǎng)能力；KS則可以衡量藻類(lèi)對(duì)底物營(yíng)養(yǎng)鹽的親和性． 通過(guò)比較不同藻類(lèi)μmax和KS，可以得知不同藻種對(duì)同一營(yíng)養(yǎng)鹽的需求和親和性． Monod模型表明，水華魚(yú)腥藻的μmax和KS隨溫度的增大而增大，20℃時(shí)分別達(dá)到最大值0.447 d-1和0.081 μmol P/L；光強(qiáng)對(duì)水華魚(yú)腥藻的μmax和KS影響亦呈單峰趨勢(shì)，光強(qiáng)為3000 lx時(shí)最大．

從Lehman和Steele動(dòng)力學(xué)模型不僅可以得到相應(yīng)的藻類(lèi)生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，而且還可以得到藻類(lèi)比生長(zhǎng)速率隨溫度和限制性營(yíng)養(yǎng)鹽、光照和限制性營(yíng)養(yǎng)鹽連續(xù)變化時(shí)的變化趨勢(shì)． 由Lehman模型計(jì)算得到μmax和KS分別為0.421±0.011 d-1、0.055±0.009 μmol P/L，Topt為21.22±0.98℃；Lehman模型擬合表明隨著溫度升高(0～50℃)，其比生長(zhǎng)速率先增大后減?。?Steele動(dòng)力學(xué)模型擬合結(jié)果表明μmax、KS分別為0.461±0.010 d-1、0.051±0.009 μmol P/L，Ik為2650.93±88.19 lx；Steele模型擬合表明，水華魚(yú)腥藻的比生長(zhǎng)速率與光強(qiáng)(0～5000 lx)亦呈先增大后減小的單峰趨勢(shì)．

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Modeling ofAnabaenaflos-aquaegrowth kinetics of light intensity and temperature within different levels of phosphorus concentrations

ZHANG Ping1，2，3， LI Zhe2，3， WANG Sheng1， GUO Jinsong2，3， XIAO Yan2，3& LIU Jing1，2，3

(1：FacultyofUrbanConstructionandEnvironmentalEngineering，ChongqingUniversity，Chongqing400045，P．R．China)

(2：ChongqingInstituteofGreenandIntelligentTechnology，ChineseAcademyofSciences，Chongqing400714，P．R．China)

(3：KeyLabofReservoirWaterEnvironment,ChineseAcademyofSciences，Chongqing400714，P．R．China)

Anabaenaflos-aquae; kinetic model; light intensity; temperature; phosphorus

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51179215， 51309220)和中國(guó)科學(xué)院西部行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(KZCX2-XB3-14)聯(lián)合資助.2014-06-16收稿；2014-10-09收修改稿；張萍(1989～)，女，博士研究生；E-mail： zhangping890511@163．com．

J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2015， 27(3)： 459-465

http： //www.jlakes.org.E-mail： jlakes@niglas.ac.cn

?2015 byJournalofLakeSciences

**通信作者；E-mail：zheli81@sina．com．