尿素對(duì)中肋骨條藻與米氏凱倫藻生長(zhǎng)的影響

李志林,周艷蕾,王雪景, 石曉勇,3, 張傳松,*

1 中國(guó)海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,青島 266100 2 中國(guó)海洋大學(xué)海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青島 266100 3 國(guó)家海洋局海洋減災(zāi)中心, 北京 100194

?

尿素對(duì)中肋骨條藻與米氏凱倫藻生長(zhǎng)的影響

李志林1,2,周艷蕾1,2,王雪景1,2, 石曉勇1,2,3, 張傳松1,2,*

1 中國(guó)海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,青島 266100 2 中國(guó)海洋大學(xué)海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青島 266100 3 國(guó)家海洋局海洋減災(zāi)中心, 北京 100194

采用實(shí)驗(yàn)室一次性培養(yǎng),研究了尿素對(duì)我國(guó)東海赤潮優(yōu)勢(shì)藻中肋骨條藻(Skeletonemacostatum)和米氏凱倫藻(Kareniamikimotoi)生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明,中肋骨條藻和米氏凱倫藻均能在不同比例尿素的條件下較好地生長(zhǎng)。隨著培養(yǎng)液中尿素比例的增大,中肋骨條藻細(xì)胞生長(zhǎng)速率(0.91—0.82/d)逐漸減小,平臺(tái)期最大生物量(2.0×105—1.2×105個(gè)/mL)也逐漸減小,而米氏凱倫藻細(xì)胞的生長(zhǎng)速率(0.36—0.51/d)逐漸增大,最大生物量基本不變(約1.1×104個(gè)/mL)。在平臺(tái)期中肋骨條藻培養(yǎng)液中氮鹽濃度最低下降到2.5μmol/L左右維持不變,而米氏凱倫藻氮鹽濃度最低下降到1.0μmol/L左右。在指數(shù)生長(zhǎng)期,隨著細(xì)胞的生長(zhǎng)溶解有機(jī)氮(DON, Dissolved Organic Nitrogen)含量迅速增加,中肋骨條藻介質(zhì)中DON的濃度達(dá)到最大值(5—6μmol/L),然后濃度基本不變。米氏凱倫藻介質(zhì)中DON在指數(shù)生長(zhǎng)階段達(dá)到最大值(2—3μmol/L)后開(kāi)始下降。中肋骨條藻單細(xì)胞顆粒氮的含量(約為10-6μmol,平臺(tái)期約為10-7μmol)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于米氏凱倫藻(指數(shù)期約為10-4μmol,平臺(tái)期約為10-6μmol)。研究表明,兩種藻對(duì)尿素的吸收利用存在明顯差異,在較低的溶解無(wú)機(jī)氮和較高的溶解有機(jī)氮環(huán)境中,甲藻有更好的適應(yīng)性,該研究對(duì)于解釋我國(guó)長(zhǎng)江口春季硅藻和甲藻赤潮的演替有借鑒的意義。

氮；尿素；赤潮；中肋骨條藻；米氏凱倫藻

赤潮是一種有害的海洋生態(tài)異?，F(xiàn)象,赤潮的發(fā)生不僅會(huì)為近海水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失,破壞海洋生態(tài)環(huán)境[1-2],還會(huì)危害人類(lèi)的身體健康。赤潮的發(fā)生與很多因素有關(guān),其中包括富營(yíng)養(yǎng)化、水環(huán)境動(dòng)力、生物環(huán)境、氣相氣候等多種因素,其中營(yíng)養(yǎng)鹽是其發(fā)生的必要物質(zhì)基礎(chǔ)[3- 5]。海水中溶解態(tài)氮營(yíng)養(yǎng)鹽主要包括溶解態(tài)無(wú)機(jī)氮(DIN)、溶解態(tài)有機(jī)氮(DON)。以往對(duì)引發(fā)赤潮的氮營(yíng)養(yǎng)鹽的研究主要集中在DIN,對(duì)DON的研究相對(duì)很少。直到30多年前Antia等人提出DON在海洋初級(jí)生產(chǎn)力中起著不容忽視的作用,才引起海洋界的高度重視。

實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),DON不僅可以做某些浮游生物種屬的氮源,而且在浮游生物優(yōu)勢(shì)種的選擇上也起著一定的作用[6]。DON含量的增加還會(huì)誘發(fā)有毒赤潮暴發(fā)頻率的上升[7]。調(diào)查表明,在近岸海水中,DON在總氮中占有相當(dāng)可觀的含量,在膠州灣DON占總氮的66%[8],在珠江口外海DON超過(guò)總氮的80%[9],在美國(guó)的切薩皮克灣,DON在夏季占總氮含量的90%以上[10]。

尿素是DON的重要組成部分。在東海近岸海域尿素含量為(1.33±0.84)μmol/L,占DON的5.63%—15.73%[11],在黃渤海海域尿素含量為(0.84±0.20)μmol/L,占DON的6.80%—9.50%[12],杭州灣尿素含量為0.19—6.55μmol/L[13],大亞灣尿素含量為1.98μmol/L[14]。

近年來(lái),越來(lái)越多的研究表明,尿素是某些浮游生物吸收的主要氮源。一些浮游生物還會(huì)優(yōu)先吸收尿素,定鞭藻會(huì)優(yōu)先利用DON中的尿素,許多有害的藻,如赤潮異灣藻、球形棕囊藻,角毛藻在培養(yǎng)中也更喜歡尿素[15]。陳園等人的研究表明,在硝態(tài)氮和尿素組成的混合氮源中當(dāng)尿素比例大于50%時(shí),球形棕囊藻的細(xì)胞密度要大于以硝態(tài)氮為單一氮源的實(shí)驗(yàn)組[16]。隨著全球人口持續(xù)增長(zhǎng)、工農(nóng)業(yè)的發(fā)展以及尿素等氮肥的大量使用,越來(lái)越多的生活污水和農(nóng)業(yè)灌溉水隨著排污口或地表徑流輸入近岸水體,使得海水中尿素的濃度越來(lái)越高[17]。在經(jīng)常使用尿素肥料的墨西哥Yaqui海灣,隨著灌溉高峰期的來(lái)臨,高于40%的氮流失于表層徑流,施肥前后海灣中尿素濃度從13μmol/L增加到43μmol/L[18]。在美國(guó)的Chesapeake海灣,通過(guò)連續(xù)5a的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)在春末用尿素肥料或家禽肥料對(duì)小麥和玉米施肥時(shí),尿素濃度經(jīng)常超過(guò)10μmol/L,其濃度比該海灣表層海水平均濃度高50倍以上[10]。近年來(lái),隨著我國(guó)長(zhǎng)江口及鄰近海域中尿素等有機(jī)氮含量逐漸增加,該海域每年春季均會(huì)暴發(fā)以東海原甲藻為優(yōu)勢(shì)藻種的赤潮,且其暴發(fā)規(guī)模及甲藻的優(yōu)勢(shì)度呈逐年增加的趨勢(shì)[19]。同時(shí),該海域赤潮爆發(fā)在其生消過(guò)程中優(yōu)勢(shì)種呈現(xiàn)出“硅藻→甲藻→硅藻”的演替態(tài)勢(shì)。

為了研究DON在赤潮發(fā)生發(fā)展及演替過(guò)程中的作用,本文選取東海赤潮優(yōu)勢(shì)種中肋骨條藻(硅藻)與米氏凱倫藻(甲藻),設(shè)計(jì)不同比例的尿素與硝氮做混合氮源,以期為揭示有機(jī)氮比例對(duì)浮游生物生長(zhǎng)的影響提供科學(xué)基礎(chǔ),并為實(shí)際預(yù)防和治理赤潮的氮管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)藻種選用的中肋骨條藻(Skeletonemacostatum)與米氏凱倫藻(Kareniamikimotoi),均取自中國(guó)海洋大學(xué)海洋污染生態(tài)化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。藻種在f/2培養(yǎng)液中培養(yǎng),其中只有N、P濃度按實(shí)驗(yàn)要求添加,培養(yǎng)至指數(shù)期,然后重新接種到新的培養(yǎng)基中,依次循環(huán)培養(yǎng)3代,然后饑餓培養(yǎng)2d,接種,開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。

1.2 培養(yǎng)條件

實(shí)驗(yàn)藻種于室內(nèi)光照培養(yǎng)箱中用1L的錐形瓶培養(yǎng)。培養(yǎng)溫度(22±1)℃,光照強(qiáng)度為3500 lux,光暗比12H:12H。培養(yǎng)所用海水為人工海水,鹽度30.5[20],人工調(diào)節(jié)pH為8.2。初始藻種接種密度約為104個(gè)/L。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用一次性培養(yǎng)。每個(gè)藻種設(shè)計(jì)5個(gè)實(shí)驗(yàn)處理組A—E,每個(gè)實(shí)驗(yàn)處理組做兩組平行,總氮添加量為32μmol/L,磷(KH2PO4)為2μmol/L。每個(gè)實(shí)驗(yàn)組氮的添加狀況如表1。

表1 5個(gè)實(shí)驗(yàn)處理組氮鹽比例

1.4 實(shí)驗(yàn)測(cè)定指標(biāo)

1.4.1 細(xì)胞計(jì)數(shù)

從接種第2天起,使用0.1mL的浮游生物計(jì)數(shù)框,在Olympus顯微鏡下進(jìn)行細(xì)胞計(jì)數(shù)。每個(gè)樣品取樣3次,取其平均值。

1.4.2 比生長(zhǎng)速率

比生長(zhǎng)速率[21]根據(jù)下面公式擬合得到:

μ=(lnN2-lnN1)/(t2-t1)

式中,N2、N1分別為t2、t1時(shí)刻藻細(xì)胞的密度。

1.4.3 樣品的測(cè)定

尿素的測(cè)定采用二乙酰一肟-鹽酸氨基脲法[22],溶解無(wú)機(jī)氮的測(cè)定依據(jù)海洋調(diào)查規(guī)范之海水化學(xué)要素調(diào)查(GBT12763.4- 2007)分光光度法測(cè)定,其中氨氮的測(cè)定采用次溴酸鈉氧化法,檢出限為0.03μmol/L,硝酸鹽的測(cè)定使用鎘銅還原法,檢出限為0.04μmol/L,亞硝酸鹽的測(cè)定使用重氮偶氮比色法,檢出限為0.02μmol/L?？?cè)芙獾?DTN)采用堿性過(guò)硫酸鉀消化,TechniconAAⅢ營(yíng)養(yǎng)鹽自動(dòng)分析儀測(cè)定,測(cè)量精度為

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同比例尿素對(duì)中肋骨條藻與米氏凱倫藻生長(zhǎng)的影響

圖1為中肋骨條藻和米氏凱倫藻在不同尿素比例下的生長(zhǎng)曲線,表2為中肋骨條藻和米氏凱倫藻在指數(shù)生長(zhǎng)期的比生長(zhǎng)速率。

從中肋骨條藻生長(zhǎng)曲線的圖中可以看出,尿素是中肋骨條藻生長(zhǎng)繁殖所需要的一種氮源,中肋骨條藻在以尿素為氮源的介質(zhì)中也能較好的生長(zhǎng)繁殖,但是其平臺(tái)期最大生物量呈現(xiàn)隨介質(zhì)環(huán)境中尿素比例的增大而減小的趨勢(shì)。具體來(lái)說(shuō),不同處理組在開(kāi)始的前3天處于遲滯期,細(xì)胞密度沒(méi)有明顯的變化,第4天開(kāi)始同時(shí)進(jìn)入指數(shù)生長(zhǎng)期,經(jīng)過(guò)3—4d的指數(shù)生長(zhǎng),細(xì)胞密度進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定的平臺(tái)期,各處理組平臺(tái)期中肋骨條藻隨尿素含量的增加其細(xì)胞密度呈逐漸降低的趨勢(shì)。其中A處理組(100%硝氮)在平臺(tái)期的細(xì)胞密度約為2.0×105個(gè)/mL,而E處理組(100%尿素)在平臺(tái)期的細(xì)胞密度僅為1.2×105個(gè)/mL。同時(shí),由表2可知,A組即硝氮含量100%時(shí)的比生長(zhǎng)速率最大,為0.91/d,而E組即尿素含量100%時(shí)比生長(zhǎng)速率最小,為0.82/d,中肋骨條藻的生長(zhǎng)速率有隨營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中尿素比例的增大而減小的趨勢(shì)。

米氏凱倫藻的生長(zhǎng)曲線與中肋骨條藻生長(zhǎng)曲線顯著不同,米氏凱倫藻在以硝酸鹽為氮源和以尿素為氮源時(shí)其生長(zhǎng)曲線沒(méi)有明顯的差異,平臺(tái)期最大生物量隨介質(zhì)環(huán)境中尿素比例的增大基本不變。具體來(lái)說(shuō),和中肋骨條藻相比米氏凱倫藻遲滯期明顯延長(zhǎng),在實(shí)驗(yàn)前7d其細(xì)胞密度均沒(méi)有發(fā)生明顯的變化,第9天米氏凱倫藻細(xì)胞密度開(kāi)始明顯的增多,進(jìn)入細(xì)胞快速生長(zhǎng)的指數(shù)生長(zhǎng)期,大概第15天進(jìn)入穩(wěn)定生長(zhǎng)的平臺(tái)期。平臺(tái)期細(xì)胞密度差別不大,均在1.1×104個(gè)/mL左右。同時(shí),不同處理組米氏凱倫藻的比生長(zhǎng)率在0.36—0.51/d之間,且在整體上呈現(xiàn)隨混合氮源中尿素比例的增加其比生長(zhǎng)速率不斷增大的趨勢(shì)。

對(duì)于中肋骨條藻,隨著環(huán)境中尿素比例的增大,細(xì)胞生長(zhǎng)速率逐漸減小,同時(shí)平臺(tái)期的細(xì)胞密度也逐漸減小,說(shuō)明中肋骨條藻在生長(zhǎng)過(guò)程中更傾向于吸收無(wú)機(jī)氮,對(duì)無(wú)機(jī)氮的吸收利用要大于對(duì)有機(jī)氮的吸收利用。而對(duì)于米氏凱倫藻,隨著環(huán)境中尿素比例的增加,細(xì)胞的生長(zhǎng)速率逐漸增大,說(shuō)明米氏凱倫藻對(duì)尿素有較好的親和性。同時(shí),平臺(tái)期的細(xì)胞密度基本沒(méi)有差別,也說(shuō)明米氏凱倫藻在生長(zhǎng)過(guò)程中能同時(shí)吸收利用有機(jī)氮和無(wú)機(jī)氮。因此,當(dāng)海洋環(huán)境中DON/DIN增大時(shí),以米氏凱倫藻為典型代表的甲藻在與以中肋骨條藻為典型代表的硅藻進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)時(shí)將處以有利的狀況。

Heil研究表明硅藻類(lèi)浮游植物更喜歡利用硝酸鹽[23],而Sofomon研究發(fā)現(xiàn),甲藻類(lèi)浮游植物比較喜歡吸收利用有機(jī)氮中的尿素,海域中尿素等有機(jī)氮含量的上升與這種浮游植物的激增有著密切的關(guān)系[24]。同樣,李京等人在2005年?yáng)|海赤潮暴發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)米氏凱倫藻對(duì)尿素有著較高的吸收速率,更喜歡以尿素為氮源[25]。近年來(lái),隨著我國(guó)近海海域中尿素等有機(jī)氮含量的增加[26],甲藻類(lèi)赤潮發(fā)生的頻率及比例明顯增加[27- 29],本文的研究結(jié)果也能較好的說(shuō)明這一點(diǎn)。

圖1 不同比例尿素條件下中肋骨條藻和米氏凱倫藻的生長(zhǎng)曲線Fig.1 Growth curves of Skeletonema costatum and Karenia mikimotoi under different ratio of urea

表2 不同尿素比例下兩種藻的比生長(zhǎng)速率/d-1

2.2 培養(yǎng)介質(zhì)中氮鹽的變化

圖2為中肋骨條藻和米氏凱倫藻在培養(yǎng)過(guò)程中硝氮和尿素濃度的變化曲線。

從系列營(yíng)養(yǎng)鹽的變化曲線可以發(fā)現(xiàn),在不同生長(zhǎng)時(shí)期,中肋骨條藻和米氏凱倫藻的營(yíng)養(yǎng)鹽變化存在差異性。對(duì)于中肋骨條藻,在培養(yǎng)的前3d,即細(xì)胞生長(zhǎng)的遲滯期,各個(gè)處理組添加的硝氮和尿素的濃度變化均較小,進(jìn)入指數(shù)生長(zhǎng)期后,兩種氮鹽的濃度都迅速降低,在培養(yǎng)的第7天,藻細(xì)胞進(jìn)入生長(zhǎng)的平臺(tái)期,硝氮和尿素的濃度降到最低值,約為2.5μmol/L。對(duì)于米氏凱倫藻,在細(xì)胞生長(zhǎng)的遲滯期(培養(yǎng)的前7d),細(xì)胞密度沒(méi)有明顯的增長(zhǎng),但是各個(gè)處理組添加的硝氮和尿素的濃度都有大幅度的降低,其中A組(硝氮100%)硝氮濃度從最初的32μmol/L下降到約25μmol/L(約20%),E組(尿素100%)尿素濃度從最初的32μmol/L下降到22.5μmol/L(約30%),進(jìn)入指數(shù)生長(zhǎng)期后,兩種氮鹽的濃度同樣迅速下降,到培養(yǎng)的第14天時(shí),細(xì)胞生長(zhǎng)開(kāi)始進(jìn)入平臺(tái)期,兩種氮鹽的濃度降到最低值,約為1μmol/L。

圖2 兩種藻在培養(yǎng)過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)鹽的變化Fig.2 The change of the added nutrient of the two kinds of algae in the culture process

比較營(yíng)養(yǎng)鹽的變化可以看出,在藻細(xì)胞生長(zhǎng)過(guò)程中,兩種藻對(duì)尿素和硝氮吸收存在差異。中肋骨條藻生長(zhǎng)曲線的變化特點(diǎn)和介質(zhì)中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度曲線的變化特點(diǎn)正好相反,在遲滯期,中肋骨條藻細(xì)胞數(shù)目增加緩慢,介質(zhì)中氮鹽的濃度變化不大,此時(shí)藻細(xì)胞吸收的營(yíng)養(yǎng)鹽也較少。進(jìn)入指數(shù)生長(zhǎng)期后,細(xì)胞密度急劇增加,介質(zhì)中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度下降迅速。進(jìn)入平臺(tái)期后,當(dāng)介質(zhì)環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較低時(shí)(2.5μmol/L),細(xì)胞密度也不再增大。由此可知,中肋骨條藻吸收的營(yíng)養(yǎng)鹽主要用于繁殖,即藻細(xì)胞數(shù)目的增加,當(dāng)?shù)}濃度較低不能滿足藻細(xì)胞生長(zhǎng)分裂的需求時(shí),細(xì)胞密度也不再增大。米氏凱倫藻作為一種甲藻,可以高效的吸收介質(zhì)中的營(yíng)養(yǎng)鹽,吸收的營(yíng)養(yǎng)鹽除了用于繁殖外,還有一部分儲(chǔ)存起來(lái)[30],當(dāng)介質(zhì)中營(yíng)養(yǎng)鹽缺乏時(shí)仍然能夠繼續(xù)生長(zhǎng)繁殖,在遲滯期,細(xì)胞密度增加緩慢,米氏凱倫藻也會(huì)吸收環(huán)境中的營(yíng)養(yǎng)鹽并在細(xì)胞中儲(chǔ)存起來(lái),從而導(dǎo)致培養(yǎng)初期氮鹽較大幅度的降低。當(dāng)培養(yǎng)至第14天時(shí),介質(zhì)中氮鹽濃度已經(jīng)降到最低值(小于1μmol/L),此時(shí)藻細(xì)胞仍然能利用儲(chǔ)存起來(lái)的營(yíng)養(yǎng)鹽繼續(xù)生長(zhǎng)分裂,因此細(xì)胞密度還會(huì)持續(xù)增加,這說(shuō)明米氏凱倫藻更能適應(yīng)低濃度營(yíng)養(yǎng)鹽環(huán)境。

甲藻和硅藻生存策略上的明顯差異導(dǎo)致它們不能同時(shí)成為赤潮事件中的優(yōu)勢(shì)種,而是演替性的出現(xiàn)[30],因此我國(guó)近岸海域常常暴發(fā)硅藻和甲藻演替性的赤潮,初期在營(yíng)養(yǎng)鹽豐富的條件下,遲滯期短、生長(zhǎng)速率較快的中肋骨條藻等硅藻往往成為優(yōu)勢(shì)種,并發(fā)展為硅藻赤潮。后期,隨著營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的較低,常常演替為優(yōu)勢(shì)種為甲藻的赤潮[31- 32]

2.3 水體中DON的含量變化

圖3為兩種藻培養(yǎng)過(guò)程中溶解有機(jī)氮(扣除尿素)含量的變化曲線。從圖中可以看出各個(gè)實(shí)驗(yàn)組中肋骨條藻培養(yǎng)液中DON的變化趨勢(shì)與其生長(zhǎng)曲線基本一致,在細(xì)胞生長(zhǎng)遲滯期含量很少且基本不變,在細(xì)胞生長(zhǎng)指數(shù)期隨著細(xì)胞密度的增大水體中DON含量開(kāi)始增加,在指數(shù)期結(jié)束時(shí)達(dá)到最大值(5—6μmol/L)后變化很小。米氏凱倫藻培養(yǎng)液中DON在生長(zhǎng)遲滯期含量同樣很低,在指數(shù)生長(zhǎng)期隨著藻細(xì)胞生長(zhǎng),含量開(kāi)始迅速增加,在培養(yǎng)的第11天,細(xì)胞生長(zhǎng)還未進(jìn)入平臺(tái)期時(shí),DON的含量已經(jīng)達(dá)到最大值約3.3μmol/L,隨后出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

以上變化表明,藻類(lèi)在正常的生長(zhǎng)過(guò)程中,自身的代謝會(huì)產(chǎn)生DON并釋放到環(huán)境水體中,在細(xì)胞遲滯期,細(xì)胞數(shù)量少,生長(zhǎng)速率低,代謝活動(dòng)弱,因此幾乎不產(chǎn)生或是產(chǎn)生少量的DON；而隨著培養(yǎng)的進(jìn)行,細(xì)胞生長(zhǎng)進(jìn)入指數(shù)期,此時(shí)細(xì)胞生長(zhǎng)率高,細(xì)胞密度快速增大,代謝活動(dòng)強(qiáng),從而產(chǎn)生大量的DON。

中肋骨條藻培養(yǎng)液中DON的含量高于米氏凱倫藻DON的含量,且達(dá)到最大值后中肋骨條藻中DON含量出現(xiàn)平臺(tái)期而米氏凱倫藻DON出現(xiàn)下降趨勢(shì),原因在于中肋骨條藻的細(xì)胞密度大于米氏凱倫藻的細(xì)胞密度,因此在生長(zhǎng)過(guò)程中代謝產(chǎn)生的DON的含量就會(huì)高于米氏凱倫藻代謝產(chǎn)生的DON的含量,同時(shí)中肋骨條藻在生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)有機(jī)氮的吸收利用能力較低,所以培養(yǎng)后期DON含量較高并在細(xì)胞生長(zhǎng)的穩(wěn)定期保持一定含量后變化不大。而米氏凱倫藻對(duì)有機(jī)氮的利用能力較高,并且會(huì)重新吸收自身產(chǎn)生的DON,因此在培養(yǎng)過(guò)程中DON含量較低且在達(dá)到最大值后會(huì)出現(xiàn)下降的趨勢(shì)[33]。甲藻對(duì)有機(jī)氮能夠有效的吸收和利用,這一特點(diǎn)也有助于在硅藻赤潮發(fā)生末期,優(yōu)勢(shì)種由硅藻向甲藻的演替。

圖3 兩種藻在培養(yǎng)過(guò)程中DON的變化Fig.3 The variation of DON in culture of the algae

2.4 單細(xì)胞顆粒態(tài)氮的變化

圖4為中肋骨條藻和米氏凱倫藻在培養(yǎng)過(guò)程中單個(gè)細(xì)胞顆粒態(tài)氮(PN,Particulate Nitrogen)含量的變化曲線。整體上來(lái)看,在實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)的第1天,兩種藻單細(xì)胞顆粒氮含量均呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì),其原因是饑餓處理后的藻細(xì)胞在接觸到豐富的營(yíng)養(yǎng)鹽時(shí)會(huì)迅速吸收到體內(nèi),合成細(xì)胞自身生長(zhǎng)所必須的組分,如氨基酸、核酸、蛋白質(zhì)等[3- 5],使得單細(xì)胞顆粒氮的含量增加明顯。此后,在指數(shù)生長(zhǎng)期,藻細(xì)胞對(duì)氮的吸收速率小于其分裂速率,兩種藻單細(xì)胞顆粒氮的含量都迅速下降,當(dāng)進(jìn)入細(xì)胞生長(zhǎng)的穩(wěn)定期后,單個(gè)細(xì)胞中顆粒氮的含量基本穩(wěn)定。

比較兩圖,可發(fā)現(xiàn)兩種藻單細(xì)胞顆粒態(tài)氮的變化有所差異,具體來(lái)說(shuō)：兩種藻細(xì)胞內(nèi)顆粒氮的含量存在差異,中肋骨條藻單細(xì)胞內(nèi)顆粒氮的含量(指數(shù)期約為10-6μmol,平臺(tái)期約為10-7μmol)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于米氏凱倫藻單細(xì)胞內(nèi)顆粒氮的含量(指數(shù)期約為10-4μmol,平臺(tái)期約為10-6μmol),這種差異與兩類(lèi)藻細(xì)胞大小和生存策略有關(guān)。作為典型的r-策略者[33],中肋骨條藻藻分裂生長(zhǎng)速度很快,細(xì)胞密度較大,細(xì)胞個(gè)體較小,因此每個(gè)細(xì)胞中顆粒氮的含量較小；而作為典型的k-策略者,米氏凱倫藻的生長(zhǎng)速度較慢,細(xì)胞密度較小,細(xì)胞個(gè)體較大,因此每個(gè)細(xì)胞中顆粒氮的含量較大。此外,兩種藻單細(xì)胞顆粒氮的含量隨尿素比例的變化也有差異：中肋骨條藻隨著氮源中尿素比例的升高,單細(xì)胞顆粒氮含量升高,其中平臺(tái)期A組單細(xì)胞顆粒氮含量在2.9×10-7μmol左右,E組在5.6×10-7μmol左右。而對(duì)于米氏凱倫藻,在平臺(tái)期單細(xì)胞顆粒氮含量基本在2.8—3.0×10-6μmol,隨尿素含量的增加,變化不大。同時(shí),實(shí)驗(yàn)中觀察到中肋骨條藻在平臺(tái)期E組細(xì)胞比較大且成串生長(zhǎng),而A組細(xì)胞比較小且分散生長(zhǎng),可能的原因是硝氮和尿素對(duì)中肋骨條藻生長(zhǎng)的作用機(jī)制不同,硝氮主要用于促進(jìn)細(xì)胞的分裂增殖,而尿素主要用于促進(jìn)細(xì)胞形態(tài)大小的生長(zhǎng)。對(duì)于米氏凱倫藻,各實(shí)驗(yàn)組細(xì)胞形態(tài)未觀察到明顯不同。

圖4 兩種藻在培養(yǎng)過(guò)程中單個(gè)細(xì)胞顆粒態(tài)氮含量的變化Fig.4 The change of particle nitrogen in average cell of the two kinds of typical algae

3 結(jié)論

(1)中肋骨條藻和米氏凱倫藻均能吸收環(huán)境中的尿素和硝酸鹽,但其吸收利用程度有差異。中肋骨條藻對(duì)硝酸鹽的吸收利用大于尿素,米氏凱倫藻對(duì)尿素有較好的親和性,在生長(zhǎng)過(guò)程中能同等的吸收利用硝酸鹽和尿素。

(2)中肋骨條藻平臺(tái)期氮鹽濃度為2.5μmol/L左右,米氏凱倫藻平臺(tái)期時(shí)氮鹽濃度(1.0μmol/L),低于中肋骨條藻平臺(tái)期的氮鹽濃度,米氏凱倫藻更能適應(yīng)低濃度營(yíng)養(yǎng)鹽環(huán)境。

(3)中肋骨條藻對(duì)代謝產(chǎn)生的DON 利用率很低,而米氏凱倫藻能重新吸收代謝產(chǎn)生的DON,這也有助于在硅藻赤潮發(fā)生末期,優(yōu)勢(shì)種由硅藻向甲藻的演替。

(4)中肋骨條藻細(xì)胞內(nèi)顆粒氮的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于米氏凱倫藻,中肋骨條藻隨著氮源中尿素比例的升高,單個(gè)細(xì)胞中顆粒氮含量升高,而米氏凱倫藻在平臺(tái)期單個(gè)細(xì)胞顆粒氮含量隨尿素含量的增加,變化不大。

[1] 孫軍, 劉東艷, 王宗靈, 朱明遠(yuǎn). 浮游動(dòng)物攝食在赤潮生消過(guò)程中的作用. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2004, 24(7): 1514- 1522.

[2] Glibert P M, Anderson D M, Gentien P, Granéli E, Sellner K G. The global, complex phenomena of harmful algal blooms. Oceanography, 2005, 18(2): 136- 147.

[3] Amon R M W, Meon B. The biogeochemistry of dissolved organic matter and nutrients in two large Arctic estuaries and potential implications for our understanding of the Arctic Ocean system. Marine Chemistry, 2004, 92(1- 4): 311- 330.

[4] 袁美玲, 王朝暉, 李友富. N、P營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)海洋卡盾藻(Chattonellamarina)生長(zhǎng)的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2008, 28(1): 430- 435.

[5] 王金花, 唐洪杰, 楊茹君, 王修林. 氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)中肋骨條藻生長(zhǎng)及硝酸還原酶活性的影響. 海洋科學(xué), 2008, 32(12): 64- 68.

[6] 汪芳, 葛蔚, 柴超, 孟祥霞. 氮磷濃度對(duì)東海原甲藻優(yōu)勢(shì)種群吸附BDE28和BDE47的影響. 環(huán)境科學(xué), 2013, 34(8): 2992- 3001.

[7] Carlsson P, Granéli E, Tester P, Boni L. Influences of riverine humic substances on bacteria, protozoa, phytoplankton, and copepods in a coastal plankton community. Marine Ecology Progress Series, 1995, 127(1/3): 213- 221.

[8] 趙夕旦, 祝陳堅(jiān), 舉鵬, 史致麗. 膠州灣東部海水中氮的含量和分布. 海洋科學(xué), 1998, 12(1): 40- 44.

[9] 王先偉, 溫偉英, 劉翠梅. 珠江口及附近海域夏季氮的化學(xué)形式分布研究. 海洋科學(xué), 2003, 27(4): 49- 53.

[10] Glibert P M, Magnien R, Lomas M W, Alexander J, Tan C L, Haramoto E, Trice M, Kana T M. Harmful algal blooms in the Chesapeake and Coastal bays of Maryland, USA: comparison of 1997, 1998, and 1999 events. Estuaries, 2001, 24(6): 875- 883.

[11] 王雪景, 石曉勇, 趙玉庭, 張傳松. 2011年春季東海赤潮高發(fā)區(qū)尿素分布特征及影響因素. 海洋學(xué)報(bào), 2015, 37(2): 65- 74.

[12] 李志林, 石曉勇, 張傳松. 春季黃渤海海水中尿素分布特征及溶解態(tài)氮的組成. 環(huán)境科學(xué), 2015, 36(11): 3999- 4004.

[13] 黃爽, 石曉勇, 張傳松, 卓書(shū)輝. 2010年春季杭州灣鄰近海域尿素含量及平面分布. 海洋環(huán)境科學(xué), 2012, 31(1): 58- 61.

[14] 徐寧, 王萌, 孫凱峰, 胡章喜, 段舜山. 有機(jī)氮對(duì)大亞灣亞歷山大藻種群生長(zhǎng)的促進(jìn)作用. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2012, 32(3): 504- 509.

[15] 胡章喜, 徐寧, 段舜山. 不同氮源對(duì)4種海洋微藻生長(zhǎng)的影響. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2010, 19(10): 2452- 2457.

[16] 陳園, 徐寧, 段舜山. 有機(jī)氮比例和光強(qiáng)對(duì)赤潮藻球形棕囊藻生長(zhǎng)和光合作用的影響. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2011, 20(3): 499- 504.

[17] 黃凱旋, 張?jiān)? 歐林堅(jiān), 呂頌輝, 呂淑果, 齊雨藻. 春季海南島近岸海域尿素與浮游生物的脲酶活性. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(15): 4575- 4582.

[18] Beman J M, Arrigo K R, Matson P A. Agricultural runoff fuels large phytoplankton blooms in vulnerable areas of the ocean. Nature, 2005, 434(7030): 211- 214.

[19] 王金輝, 黃秀清, 劉阿成, 張有份. 長(zhǎng)江口及鄰近水域的生物多樣性變化趨勢(shì)分析. 海洋通報(bào), 2004, 23(1): 32- 39.

[20] Harrison P J, Waters R E, Taylor F J R. A broad spectrum artificial sea water medium for coastal and open ocean phytoplankton. Journal of Phycology, 1980, 16(1): 28- 35.

[21] 孫軍, 寧修仁. 海洋浮游植物群落的比生長(zhǎng)率. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2005, 20(9): 939- 945.

[22] 錢(qián)佐國(guó), 孫明昆, 楊煉鋒, 賀深. 測(cè)定海水中尿素的雙乙酰單肟法研究. 黃渤海海洋, 1984, 2(1): 66- 71.

[23] Heil C A, Revilla M, Glibert P M, Murasko S. Nutrient quality drives differential phytoplankton community composition on the southwest Florida shelf. Limnology and Oceanography, 2007, 52(3): 1067- 1078.

[24] Solomon C M, Glibert P M. Urease activity in five phytoplankton species. Aquatic Microbial Ecology, 2008, 52(2): 149- 157.

[25] 李京. 東海赤潮高發(fā)區(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)及對(duì)浮游植物優(yōu)勢(shì)種演替的作用研究[D]. 青島: 中國(guó)海洋大學(xué), 2008.

[26] 胡章喜, 徐寧, 段舜山, 李?lèi)?ài)芬, 張成武. 尿素對(duì)中國(guó)近海3種典型赤潮藻生長(zhǎng)的影響. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 30(6): 1265- 1270.

[27] 黃備, 邵君波, 魏娜, 王益鳴. 2014年春季東海大面積甲藻赤潮的生態(tài)特征. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2014, 23(9): 1457- 1462.

[28] 周偉華, 殷克東, 朱德第. 舟山海域春季浮游植物生物量及東海原甲藻赤潮頻發(fā)機(jī)制初探. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2006, 17(5): 887- 893.

[29] 陳翰林, 呂頌輝, 張傳松, 朱德弟. 2004年?yáng)|海原甲藻赤潮爆發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和分析. 生態(tài)科學(xué), 2006, 25(3): 226- 230.

[30] 呂頌輝, 李英. 我國(guó)東海4種赤潮藻的細(xì)胞氮磷營(yíng)養(yǎng)儲(chǔ)存能力對(duì)比. 過(guò)程工程學(xué)報(bào), 2006, 6(3): 439- 444.

[31] 龐秋婷. 富營(yíng)養(yǎng)化對(duì)東海兩種赤潮優(yōu)勢(shì)藻種演替及黃海海區(qū)滸苔生長(zhǎng)的影響[D]. 青島: 中國(guó)海洋大學(xué), 2013.

[32] 張璇, 石曉勇, 張傳松, 韓秀榮. 長(zhǎng)江口及鄰近海域赤潮藻種演替過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)鹽特征. 海洋環(huán)境科學(xué), 2012, 31(6): 817- 820.

[33] 周名江, 于仁成. 有害赤潮的形成機(jī)制、危害效應(yīng)與防治對(duì)策. 自然雜志, 2007, 29(2): 72- 77.

Effect of urea on the growth ofSkeletonemacostatumandKareniamikimotoi

LI Zhilin1,2,ZHOU Yanlei1,2,WANG Xuejing1,2,SHI Xiaoyong1,2,3,ZHANG Chuansong1,2,*

1CollegeofChemistryandChemicalEngineering,OceanUniversityofChina,Qingdao266100,China2LaboratoryofMarineChemistryTheoryandTechnology,MinistryofEducation,OceanUniversityofChina,Qingdao266100,China3NationalMarineHazardMitigationService,Beijing100194,China

With rich nutrients, suitable temperature, light, and weather conditions, large-scale harmful algal blooms (HABs) have frequently occurred in the East China Sea in recent years. According to datas from the State Bureau of Oceanic Administration of China from 2009 to 2014, there were 367 instances of HABs in the coastal waters of China and 195 instances in the East China Sea, accounting for 53%. It is generally believed that the occurrence of algal blooms is linked to eutrophication of coastal waters. Nutrients are the basic material for the growth and reproduction of organisms. As an important kind of DON(Dissolved Organic Nitrogen), urea has high biological activity. Many studies have reported that urea could serve as the sole nitrogen source for a variety of phytoplankton. As such, studying the effect of urea on the organisms that induce red tides is very important. To determine the different responses of diatoms and dinoflagelattes to DON, the effect of urea on the growth ofSkeletonemacostatumandKareniamikimotoi, which are the dominant algae in China, were determined using a batch of culture experiments in the laboratory. Results indicated that the two algae could grow under different ratios of urea to nitrate, but their kinetic parameters were different. With the increase of the proportion of urea in the mixed nitrogen source in the culture solution, the growth rate(0.91—0.82/d) ofSkeletonemacostatumand its maximum biomass(2.0×105—1.2×105cells/mL) in the plateau phase of the growth curve gradually decreased. However, the growth rate (0.36—0.51/d) ofKareniamikimotoigradually increased and its maximum biomass (1.1×104cells/mL) in the plateau phase remained relatively unchanged. In plateau phase, the concentration of nitrogen in theSkeletonemacostatumculture solution declined to 2.5μmol/L, and inKareniamikimotoiit declined to 1.0 μmol/L. In the exponential phase, the concentrations of DON increased with the growth of algae, and reached the maximum values (5—6 μmol/L), then remained constant in the cultural ofSkeletonemacostatum. ForKareniamikimotoi, the concentrations of DON declined after reaching maximum values (2—3 μmol/L) in the culture solution. The content of particulate organic nitrogen in each cell ofSkeletonemacostatum(approximately 10-6μmol in the exponential phase, 10-7μmol in the plateau phase) were much less than that ofKareniamikimotoi(10-4μmol in the exponential phase, 10-6μmol in the plateau phase). In an environment with lower inorganic nitrogen and higher DON concentration, dinoflagellates exhibit better adaptability than diatoms. This research can provide references on the interpretation of the succession between diatoms and dinoflagelattes in the Yangtze River Estuary in spring.

nitrogen；urea；HABs；Skeletonemacostatum；Kareniamikimotoi

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41376106)

2016- 01- 13; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2016- 12- 19

10.5846/stxb201601130085

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zcsong@ouc.edu.cn

李志林,周艷蕾,王雪景, 石曉勇, 張傳松.尿素對(duì)中肋骨條藻與米氏凱倫藻生長(zhǎng)的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(9):3193- 3200.

Li Z L,Zhou Y L,Wang X J,Shi X Y,Zhang C S.Effect of urea on the growth ofSkeletonemacostatumandKareniamikimotoi.Acta Ecologica Sinica,2017,37(9):3193- 3200.