不同光環(huán)境下兩種品系壇紫菜DOC分泌特性研究

權(quán)偉，應(yīng)苗苗，王怡娟，周慶澔，許曹魯

(1.溫州科技職業(yè)學(xué)院 溫州碳匯研究院，浙江 溫州 325006; 2.洞頭區(qū)水產(chǎn)科技推廣站，浙江 洞頭 325700)

海洋是一個非常巨大的碳庫，對全球碳循環(huán)起著重要作用[1]。溶解有機物是海洋中最大的有機碳儲庫，據(jù)保守估計，海洋中溶解有機碳(DOC)總量在700 Gt[2]，這些溶解有機物絕大部分最初都來源于海藻的光合作用[3-5]。海藻釋放的溶解有機物為海洋中的異養(yǎng)細(xì)菌提供了主要有機營養(yǎng)物來源，藻類和細(xì)菌間通過溶解有機物發(fā)生復(fù)雜的互相促進、抑制和調(diào)控作用[6]。

經(jīng)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計計算，中國藻類產(chǎn)業(yè)對全球的貢獻率約為72%，中國人工養(yǎng)殖的藻類每年大約能從海水中移出33萬t碳，藻類養(yǎng)殖是海洋增加碳匯體現(xiàn)多重價值的重要措施[7]。學(xué)者通常以養(yǎng)殖藻體中的碳比例和產(chǎn)量來估算不同藻類的光合固碳強度[8-10]，實際上藻體質(zhì)量并不能充分表征其光合生產(chǎn)力，有一部分光合生產(chǎn)力會通過復(fù)雜的生物化學(xué)過程以可溶性有機碳的形式遷移進水體或沉積物中[11]。學(xué)界在核算大藻漁業(yè)的固碳能力時，此部分固碳量容易被忽略，從而低估了大藻漁業(yè)的碳匯能力。目前，不同研究者得出大型海藻的DOC釋放量因藻種和水動力場等環(huán)境要素不同而存在較大差異，最高可達30%～40%[12]，大部分研究顯示，DOC釋放量一般小于5%[13-14]。中國藻類養(yǎng)殖以海帶、裙帶菜、江蘺、紫菜、羊棲菜、麒麟菜等為主[15]，國內(nèi)對海藻DOC釋放的研究起步較晚，僅有少量關(guān)于浮游植物分泌DOC的報道[16-20]。

目前，大型藻類生長時向水體中分泌了多少DOC，是精確核算大藻漁業(yè)碳匯量的主要因素，其對全球碳收支結(jié)果的不確定性也有一定影響。壇紫菜Porphyryhaifanesis被廣泛栽培在中國的浙、閩、粵三省沿海，其產(chǎn)量占全國紫菜產(chǎn)量的75% 左右[21]。壇紫菜含有葉綠素a，養(yǎng)殖過程中隨著潮汐變化會經(jīng)歷反復(fù)干出和沉水循環(huán)，在沉水階段通過光合作用利用水體中的DIC，釋放溶解氧(DO)，通過呼吸作用消耗水體DO，釋放DIC。大型海藻壇紫菜同化碳的同時，向水體中分泌的DOC占總固碳量的比例如何，分泌能力大小，暗分泌是否存在，DOC的分泌是否與DIC固定(碳同化)或DIC釋放同步，以及DOC的分泌是否存在滯后效應(yīng)，這些都是必須研究清楚的重要問題。為此，本研究中對上述問題進行了探討，旨在為大藻漁業(yè)碳匯能力的精確核算及探索淺海“遺漏的碳匯”問題，以及深入了解全球碳收支平衡提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗用壇紫菜(三水)及海水于2014年12月12日取自洞頭區(qū)霓嶼街道大背澳紫菜養(yǎng)殖海區(qū)?！岸搭^本地菜”壇紫菜種苗為洞頭本地傳統(tǒng)養(yǎng)殖品系的俗稱；“浙東1號”壇紫菜為洞頭區(qū)從寧波大學(xué)引進的品系(俗稱木耳菜)。

1.2 方法

表1 養(yǎng)殖試驗海水基本理化參數(shù)背景值Tab.1 Background values of the basic physicochemical characteristics of seawater in the experiment

1.2.2 試驗設(shè)計 試驗于2014年12月13—14日在溫州科技職業(yè)學(xué)院園林與水利工程學(xué)院組培室內(nèi)進行。試驗開始后，在每個盛有250 mL海水的透明廣口玻璃瓶內(nèi)放入完整的壇紫菜，玻璃瓶已經(jīng)提前經(jīng)高溫高壓滅菌，自培養(yǎng)瓶放入光照或黑暗環(huán)境下開始計時。

1.2.3 光照養(yǎng)殖試驗和黑暗養(yǎng)殖試驗 不同光照處理時間的養(yǎng)殖試驗中，設(shè)置2、4、6 h 3個光照處理時間，光照強度為2800 Lx，光源為日光燈，溫度為23.1 ℃，相對濕度為29%；不同黑暗處理時間的養(yǎng)殖試驗中，設(shè)置2、4、6 h 3個黑暗處理時間，溫度為20.5 ℃，相對濕度為30%；不同光照強度試驗中，設(shè)置1500、2000、3800 Lx 3個光照強度，光照6 h。處理時間到了后立即撈出壇紫菜，養(yǎng)殖用水用0.45 μm玻璃纖維濾膜抽濾，濾液中的DOC、DIC含量用島津TOC-LCPH總有機碳分析儀測定。所有處理同時設(shè)置空白對照，每個處理設(shè)3個重復(fù)。養(yǎng)殖試驗結(jié)束后，將養(yǎng)殖的壇紫菜撈出放至80 ℃烘箱內(nèi)，烘24 h至恒重，稱量其干質(zhì)量WD。

1.2.4 指標(biāo)的測定與計算 DOC分泌速率[RDOC，mg/(kg·h)]指單位質(zhì)量(干質(zhì)量)壇紫菜在單位時間內(nèi)引起的水體DOC含量的變化，其計算公式為

RDOC=(Ct-C0)×V/(WD·t)。

其中：Ct為試驗結(jié)束時加壇紫菜的光合作用瓶DOC的濃度(mg/L)；C0為空白對照瓶中(無壇紫菜)DOC的濃度(mg/L)；V為養(yǎng)殖用水體積(L)；WD為試驗壇紫菜的干質(zhì)量(kg)；t為試驗處理時間(h)。

DIC固定速率或釋放速率[RDIC，mg/(kg·h)]指單位質(zhì)量(干質(zhì)量)壇紫菜在單位時間內(nèi)引起的水體DIC含量的變化，其計算公式為

RDIC=(C0-Ct)×V/(WD·t)。

其中：C0為空白對照瓶中(無壇紫菜)DIC的濃度(mg/L)；Ct為試驗結(jié)束時加壇紫菜的養(yǎng)殖瓶內(nèi)水體DIC的濃度(mg/L)；V為養(yǎng)殖用水體積(L)；WD為試驗壇紫菜的干質(zhì)量(kg)；t為試驗處理時間(h)。

DOC分泌量占固碳量或釋碳量的比例(P,%)指在相同時間內(nèi)DOC變化濃度占DIC變化濃度的比例(取其絕對值)，其計算公式為

P=△CDOC/ΔCDIC×100%。

其中：△CDOC為DOC的變化濃度[mg/(kg·h)]；△CDIC為DIC的變化濃度[mg/(kg·h)]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003軟件對試驗數(shù)據(jù)進行計算及作圖處理；采用SPSS17.0軟件進行統(tǒng)計分析,采用單因素方差分析方法進行不同處理時間、不同光照強度、不同品系壇紫菜間各指標(biāo)的差異性分析,用LSD法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光環(huán)境下壇紫菜DOC分泌速率

2.1.1 不同光照處理時間下的DOC分泌速率 從圖1可見：在光照強度為2800 Lx條件下，光照2 h時兩種壇紫菜的DOC分泌速率均最高，“浙東1號”DOC分泌速率為303.23 mg/(kg·h)，“洞頭本地菜”DOC分泌速率為205.45 mg/(kg·h)；“洞頭本地菜”在光照處理6 h時DOC分泌速率最低，為46.67 mg/(kg·h)，隨后又升高，而“浙東1號”DOC分泌速率隨光照處理時間延長持續(xù)降低，在光照處理12 h時DOC分泌速率降至最低，為73.04 mg/(kg·h)。

方差分析表明，不同光照處理時間對“洞頭本地菜”DOC分泌速率有顯著性影響(P<0.05)，對“浙東1號”DOC分泌速率有極顯著性影響(P<0.01)。多重比較結(jié)果表明：“洞頭本地菜”在光照處理2 h時DOC分泌速率顯著高于光照處理6、12 h時(P<0.05)，但光照處理6 h與光照處理12 h時DOC分泌速率無顯著性差異(P>0.05)；“浙東1號”在光照處理2 h時DOC分泌速率極顯著高于光照處理6、12 h時(P<0.01)，但光照處理6 h與光照處理12 h時無顯著性差異(P>0.05)。同一光照時間下，兩種壇紫菜的DOC分泌速率間無顯著性差異(P>0.05)。

注：標(biāo)有不同大寫字母者表示同一種類不同處理方式組間有極顯著性差異(P<0.01)，標(biāo)有不同小寫字母者表示組間有顯著性差異(P<0.05)，標(biāo)有相同小寫字母者表示組間無顯著性差異(P>0.05),下同Note:The means with different capital letters are very significantly different in different treatment methods in same species at the 0.01 probability level, the means with different letters being significantly different at the 0.05 probability level among groups, and the means with the same letters are not significant differences, et sequentia圖1 不同光照時間下壇紫菜DOC分泌速率Fig.1 DOC secretion rate of laver Porphyry haifanesis under different light periods

2.1.2 不同光照處理強度下的DOC分泌速率 從圖2可見，在光照6 h條件下，兩種品系的壇紫菜在不同光照強度處理下，DOC分泌速率表現(xiàn)出了較為統(tǒng)一的變化趨勢，均在光照強度為2000 Lx時DOC分泌速率較高，“洞頭本地菜”為130.46 mg/(kg·h)，“浙東1號”為127.22 mg/(kg·h)；兩種壇紫菜均在低光照強度1500 Lx時DOC分泌速率較低，“洞頭本地菜”最低為30.92 mg/(kg·h)，“浙東1號”最低為70.55 mg/(kg·h)。

方差分析表明，不同光照處理強度對“洞頭本地菜”和“浙東1號”兩種壇紫菜DOC分泌速率均無顯著性影響(P>0.05)，DOC分泌速率在兩種品系壇紫菜間亦無顯著性差異(P>0.05)。

圖2 不同光照強度下壇紫菜DOC分泌速率Fig.2 DOC secretion rate of laver Porphyry haifanesis under different light intensities

2.1.3 不同黑暗處理時間下的DOC分泌速率 從圖3可見：黑暗條件下，兩種品系的壇紫菜DOC分泌速率表現(xiàn)出較為統(tǒng)一的變化趨勢，均在黑暗2 h時DOC分泌速率較高，“浙東1號”為303.93 mg/(kg·h)，“洞頭本地菜”為300.93 mg/(kg·h)；兩種壇紫菜均在黑暗處理12 h時DOC分泌速率最低，“洞頭本地菜”最低為30.02 mg/(kg·h)，“浙東1號”最低為30.58 mg/(kg·h)。

方差分析表明，不同黑暗處理時間對“洞頭本地菜”DOC分泌速率有極顯著性影響(P<0.01)，對“浙東1號”DOC分泌速率有顯著性影響(P<0.05)。多重比較結(jié)果表明：“洞頭本地菜”在黑暗處理2 h時DOC分泌速率極顯著高于光照處理6、12 h時(P<0.01)，但在黑暗處理6 h與黑暗處理12 h時DOC分泌速率無顯著性差異(P>0.05)；“浙東1號”在黑暗處理2 h時DOC分泌速率顯著高于黑暗處理12 h時(P<0.05)，但在黑暗處理6 h與黑暗處理2、12 h時DOC分泌速率無顯著性差異(P>0.05)。同一黑暗時間下，兩種壇紫菜的DOC分泌速率間無顯著性差異(P>0.05)。

圖3 不同黑暗時間下壇紫菜DOC分泌速率Fig.3 DOC secretion rate of laver Porphyry haifanesis under different dark periods

2.2 壇紫菜DOC分泌量占固碳或釋碳量的比例

從圖4可見，兩種品系的壇紫菜DOC分泌量占固碳量的比例，在2800 Lx光照強度下均在光照處理2 h時最高，“洞頭本地菜”最高達25.57%，“浙東1號”最高達39.79%。

圖4 不同光照時間下DOC分泌量占固碳量比例Fig.4 Proportion of DOC secretion in the carbon sequestration under different light periods

從圖5可見，兩種品系的壇紫菜的DOC分泌量占固碳量的比例，均是在2000 Lx光照強度時最高， “洞頭本地菜”最高達20.77%，“浙東1號”最高達22.74%。

圖5 不同光照強度下DOC分泌量占固碳量比例Fig.5 Proportion of DOC secretion in the carbon sequestration under different light intensities

從圖6可見，兩種品系的壇紫菜的DOC分泌量占釋碳量的比例，均在黑暗處理2 h時最高，“洞頭本地菜”最高達66.09%，“浙東1號”最高達75.04%。

在上述各條件下，壇紫菜的DOC分泌量占固碳或釋碳量的比例，“浙東1號”均高于“洞頭本地菜”壇紫菜，“浙東1號”表現(xiàn)出了較強的DOC分泌能力。

圖6 不同黑暗時間下DOC分泌量占釋碳量比例Fig.6 Proportion of DOC secretion in the released carbon under different dark periods

2.3 DOC分泌與DIC固定或DIC釋放的同步性分析

對不同光照時間條件下壇紫菜的DOC分泌速率與DIC固定或DIC釋放速率進行線性回歸分析，用以探討DOC的分泌與DIC固定或DIC釋放是否同步。如果線性相關(guān)系數(shù)R2>0.95，則表明DOC的分泌與DIC固定或DIC釋放節(jié)奏一致，同步性較強，反之較弱。

光照條件下，“洞頭本地菜”、“浙東1號”兩種品系的壇紫菜的DOC分泌速率與DIC固定速率線性相關(guān)系數(shù)R2<0.95(圖7)，表明光照條件下DOC的分泌與碳同化同步性較弱。黑暗條件下，“洞頭本地菜”、“浙東1號”兩種品系壇紫菜的DOC分泌速率與DIC釋放速率線性相關(guān)系數(shù)R2>0.99(圖8)，表明黑暗條件下DOC的分泌與DIC的釋放同步性較強。

3 討論

3.1 光環(huán)境對壇紫菜DOC分泌的影響

在海洋中，浮游植物DOC釋放途徑包括完整細(xì)胞的直接釋放、細(xì)胞解體后DOC的釋放和細(xì)胞死亡后顆粒有機物的降解[6]。關(guān)于完整細(xì)胞溶解有機物直接釋放(分泌)的生理機制，有兩種主要觀點：(1)溢出機制，即當(dāng)固碳速率大大超過細(xì)胞成分合成速率時，過剩的光合產(chǎn)物以溢出的方式主動向細(xì)胞外釋放[22-23]；(2)被動擴散機制，認(rèn)為釋放是細(xì)胞內(nèi)溶解有機物，特別是小分子代謝產(chǎn)物通過細(xì)胞膜向細(xì)胞外被動擴散[24]。Mahmood等[25]研究表明，海藻是桑溝灣DOC的主要來源之一，海藻每天大約釋放64.81 μmol的DOC。

圖7 光照條件下DOC分泌速率與DIC固定速率的相關(guān)性Fig.7 Correlation between DOC secretion rate and DIC fixation rate under the light conditions

圖8 黑暗條件下DOC分泌速率與DIC釋放速率的相關(guān)性Fig.8 Correlation between DOC secretion rate and DIC release rate under the dark conditions

“洞頭本地菜”、“浙東1號”兩種品系壇紫菜的DOC分泌速率均在光照2 h時較高，這可能是由于此時水體中DIC濃度較高，導(dǎo)致壇紫菜的固碳速率較高，同時超過了細(xì)胞成分合成速率，促使了溢出機制發(fā)揮作用。隨著光照時間的延長，養(yǎng)殖瓶中DIC濃度逐漸降低及營養(yǎng)物供給不足，導(dǎo)致了光合作用降低，使得溢出能力逐漸減弱，同時可能與積累的光合有機產(chǎn)物通過被動擴散機制釋放DOC能力較弱有關(guān)?！岸搭^本地菜”在光照處理6 h后DOC分泌速率略微升高，這可能是因“洞頭本地菜”的DIC固定速率較高，“洞頭本地菜”固定DIC時生成了較多的DOC分泌底物，促進了DOC分泌速率的后續(xù)升高。“浙東1號”在光照處理12 h時DOC分泌速率最低，這可能是光照12 h時固碳速率降低，溢出機制減弱導(dǎo)致的。

兩種品系的壇紫菜在持續(xù)12 h黑暗條件下均有DOC分泌，表明壇紫菜DOC暗分泌的存在，這也證實了壇紫菜DOC分泌被動擴散機制的存在。在壇紫菜DOC生成底物較充足的條件下，DOC分泌速率較高，隨著體內(nèi)DOC生成底物的減少，分泌速率會逐漸下降。壇紫菜在黑暗條件下，同時分泌DOC、釋放DIC，兩者釋放速率具有較強的相關(guān)性。表明壇紫菜DOC的暗分泌可能伴隨呼吸作用進行，呼吸作用釋放DIC的同時，按照一定的比例釋放了DOC。

3.2 壇紫菜DOC分泌量占固碳量或釋碳量的比例分析

Wiebe等[26]用溶解態(tài)光合有機碳(PDOC)一詞來概括藻類釋放的全部溶解態(tài)光合有機產(chǎn)物，這一概念被以后的眾多研究者所采用。PDOC作為浮游植物光合作用產(chǎn)物的一部分，其占總初級生產(chǎn)力的比例通常用釋放百分比(PER)表示[27]，并成為PDOC研究中的核心內(nèi)容。在實驗室培養(yǎng)條件下，快速生長的藻類在指數(shù)生長期的PER多數(shù)為2%～10%[28-30]，而穩(wěn)定期的藻類通常具有更高的PER，為10%～60%[28,30-31]。實際上穩(wěn)定期浮游植物的PDOC釋放的絕對量并不比指數(shù)生長期多，導(dǎo)致PER升高的原因是由于穩(wěn)定期藻類光合生產(chǎn)速率下降較大。

低光照強度和高PER間存在一定聯(lián)系，通常高PER經(jīng)常出現(xiàn)在控制試驗的低光照強度條件下，或出現(xiàn)在現(xiàn)場培養(yǎng)的真光層底部[3,5,29,32]。壇紫菜DOC分泌量占固碳量的比例在光照強度為2000 Lx時最高，“洞頭本地菜”最高達20.77%，“浙東1號”最高達22.74%。其原因可能是在光照強度為2000 Lx時，高分子化合物合成速度降低，容易釋放的小分子代謝物更多的被合成。在光照強度2000 Lx時，兩種品系壇紫菜DOC分泌速率均較高，DIC的固定速率較低，這是導(dǎo)致壇紫菜DOC分泌量占固碳量比例在2000 Lx時最高的原因。

Wyatt等[33]研究表明，藻類生產(chǎn)力與水體DOC濃度間存在正相關(guān)關(guān)系，藻類向水體中釋放了大約19%的固定碳。本研究中在2800 Lx光照2 h時，“浙東1號”DOC分泌量占固碳量的比例最高達39.79%，固定的近40%的碳以DOC的形式重新釋放到水體中。黑暗2 h時“浙東1號”DOC分泌量占釋碳量最高達75.04%，DOC分泌量占了釋碳量的大部分。這充分表明，無論在光照條件還是黑暗條件，壇紫菜均會向水體釋放DOC，這部分碳可能就是淺?！斑z漏的碳匯”之一。目前，大藻漁業(yè)碳匯能力核算通常應(yīng)用的是生物量法，此方法僅僅考慮了藻類體內(nèi)固定的碳，而忽視了藻類在生長過程中將固定的水體DIC轉(zhuǎn)換成水體DOC的部分。如果將藻類向水體分泌的DOC量核算到藻體固碳能力中，將有助于大藻碳匯能力的精確核算。

3.3 DOC的分泌滯后效應(yīng)及同步性分析

大型藻類DOC分泌若有滯后效應(yīng)，隨著光照時間的延續(xù)，DOC分泌速率應(yīng)當(dāng)有上升趨勢。“浙東1號”壇紫菜隨光照與黑暗處理時間的延長，DOC分泌速率整體呈現(xiàn)下降趨勢，表明“浙東1號”壇紫菜DOC分泌基本未表現(xiàn)出滯后效應(yīng)。但“洞頭本地菜”在光照處理6 h后，DOC分泌速率有微弱升高，可能表現(xiàn)出了一定的滯后效應(yīng)。

光照條件下，“洞頭本地菜”、“浙東1號”兩種品系的壇紫菜DOC的分泌與碳同化同步性較弱，黑暗條件下DOC的分泌與DIC的釋放同步性較強。這表明，在光照下壇紫菜對水體中DIC固定與DOC的分泌節(jié)奏不一致，水體DIC的固定并不會顯著影響DOC的分泌，這可能是由于兩個過程是相對獨立運行的。但是在黑暗條件下，DOC的分泌與DIC的釋放同步性較強，這可能是由于這兩個作用均為釋放過程，共用部分體系或一個體系，兩者的釋放量存在一定的比例，但DOC的分泌量小于DIC的釋放量。Iiguez等[34]發(fā)現(xiàn)，Desmarestiaaculeata呼吸作用增強導(dǎo)致DOC的釋放量增加，這與本研究結(jié)論相一致，共同說明了黑暗條件下呼吸作用的進行促進了DOC的分泌。

綜上所述，在光照與黑暗條件下，壇紫菜DOC的分泌過程可能有著不同的機理，光照下以溢出機制為主，黑暗下以被動擴散機制為主。