溫度、光照及藻細(xì)胞密度對3種水華藍(lán)藻生長及競爭的影響

錢志萍，李卓遠(yuǎn)，李燕均，王全喜*

（1.上海師范大學(xué)環(huán)境與地理科學(xué)學(xué)院，上海200234；2.上海外國語大學(xué)附屬外國語學(xué)校，上海200083；3.上海師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，上海200234）

0 引 言

水體富營養(yǎng)化是一個全球性的水環(huán)境污染問題［1］，富營養(yǎng)化引發(fā)的水華已嚴(yán)重威脅到了水體生態(tài)系統(tǒng)和人類的健康，其中尤以藍(lán)藻水華的危害最大［2］.1878 年FRANCIS［3］首次報道了泡沫節(jié)球藻會對動物產(chǎn)生毒害作用，至1959 年BISHOP 首次分離出藻毒素后，不斷有相關(guān)報道發(fā)表.藍(lán)藻水華又被稱為湖泊癌癥［4］，目前，世界上淡水湖泊藍(lán)藻水華發(fā)生的頻率與嚴(yán)重程度都日趨惡化，發(fā)生的地點遍布全球各地［5］.中國湖泊爆發(fā)藍(lán)藻水華最早可追溯到1960 年的太湖［6］.如何使用經(jīng)濟(jì)、安全的方法，長期有效地治理水華，已成為當(dāng)今水環(huán)境健康研究的熱點之一.

微藻之間存在著種間競爭關(guān)系，環(huán)境因素和自身生理特征均會影響浮游藻類之間競爭的結(jié)果，如溫度、光照、營養(yǎng)鹽濃度、pH 值等［7-8］.藍(lán)藻自身具有的一系列特殊生理特征：固氮機(jī)制、CO2濃縮機(jī)制、溫度光照適應(yīng)機(jī)制、懸浮機(jī)制、毒素釋放機(jī)制等［9-10］，均能使其在較為惡劣的環(huán)境中占據(jù)競爭優(yōu)勢地位，因此通常在夏季淡水湖泊和水庫中易形成藍(lán)藻水華.

長期監(jiān)測的結(jié)果顯示：在同一湖泊中，雖然湖泊地理條件和營養(yǎng)鹽水平基本不變，但在環(huán)境因子變化的情況下，在不同年份或同一年份的不同時期形成的藍(lán)藻水華，其優(yōu)勢種并不相同［2，11］.以淀山湖為例，在春秋季形成的藍(lán)藻水華主要以魚腥藻為優(yōu)勢種.而在夏季，2012—2017 年的監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果顯示：藍(lán)藻水華的優(yōu)勢種為微囊藻與平裂藻，兩者在不同年份交替出現(xiàn)，如2012—2013 年的優(yōu)勢種為銅綠微囊藻（Microcystis aeruginosa Kutzing），2014—2015 年的優(yōu)勢種為細(xì)小平裂藻，2016—2017 年又以銅綠微囊藻為優(yōu)勢種［12］.2019 年許海等［13］對暴發(fā)水華的部分湖泊中藍(lán)藻優(yōu)勢藻種銅綠微囊藻和綠藻優(yōu)勢藻種斜生柵藻之間的競爭做了相關(guān)研究，證明了超富營養(yǎng)水體易形成綠藻水華，氮磷濃度相對低的水體則易形成藍(lán)藻水華.肖宇梅等［14］對多甲藻與微囊藻在磷的競爭進(jìn)行了研究.然而，對于藍(lán)藻不同藻種間如何競爭成為藍(lán)藻水華暴發(fā)時的優(yōu)勢藻種，尚無相關(guān)研究報道.本文作者選用銅綠微囊藻、細(xì)小平裂藻（Merismopedia minima G.Beck）和土生偽魚腥藻（Pseudanabaena mucicola（Naumann&Huber-Pestalozzi）Schwabe 1964）作為研究對象，運(yùn)用單因子和正交實驗的方法，研究溫度、光照，及藻細(xì)胞密度對這3種水華藍(lán)藻競爭的影響，以期為藍(lán)藻水華的防治提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實驗材料

銅綠微囊藻、細(xì)小平裂藻、土生偽魚腥藻均購自中國科學(xué)院水生生物研究所淡水藻種庫.統(tǒng)一采用BG-11培養(yǎng)基培養(yǎng)［15］，BG-11培養(yǎng)基經(jīng)過121 ℃高溫高壓滅菌后放置在4 ℃冰箱內(nèi)保存.

1.2 培養(yǎng)方法與條件

取對數(shù)生長期的銅綠微囊藻、細(xì)小平裂藻和土生偽魚腥藻，分別經(jīng)3 000 r·min-1離心，15 g·L-1的NaHCO3清洗，重復(fù)3次，再以15 g·L-1的NaHCO3饑餓處理3 d后，作為初始藻液，接種于裝有100 mL BG-11 培養(yǎng)基的250 mL 錐形瓶中，初始藻細(xì)胞密度為0.5×104mL-1，置于智能藻類光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng).基本培養(yǎng)條件為連續(xù)光暗比設(shè)置為12∶12，溫度設(shè)置為25 ℃，光照強(qiáng)度設(shè)置為60 μmol·m-2·s-1，每天定時將所有藻液搖動3 次.各實驗組設(shè)置為：溫度影響實驗組設(shè)置20，25，30 ℃3 個溫度梯度；光照影響實驗組設(shè)置60，90，120，200 μmol·m-2·s-14個光照強(qiáng)度梯度；藻細(xì)胞初始密度影響實驗組設(shè)置銅綠微囊藻與細(xì)小平裂藻初始藻細(xì)胞密度比為1∶1，1∶10 和10∶1 的3 個密度比，細(xì)小平裂藻與土生偽魚腥藻初始藻細(xì)胞密度比為1∶1，1∶5和5∶1的3個密度比.

1.3 生長曲線測定

使用紫外可見分光光度計，自接種第2天起，每隔1 d測定各實驗組藻細(xì)胞光密度吸收值（OD750），以BG-11培養(yǎng)基作為對照，重復(fù)3次，繪制生長曲線.

1.4 生物量測定

自接種之日起，每隔1 d，取10 μL 藻液，使用血球計數(shù)器在顯微鏡下測定藻細(xì)胞密度，每次計數(shù)細(xì)胞30～300個，密度超過則需稀釋后計數(shù).計算得到每天的藻細(xì)胞密度.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同溫度對3種水華藍(lán)藻生長的影響

分別將銅綠微囊藻、細(xì)小平裂藻和土生偽魚腥藻置于20，25，30 ℃3 個溫度條件下培養(yǎng)，三者的生長曲線如圖1 所示.由圖1 可知：在20 ℃的低溫條件下，土生偽魚腥藻的生長優(yōu)于銅綠微囊藻和細(xì)小平裂藻，隨著溫度的升高，土生偽魚腥藻的生長受到了非常明顯的抑制，30 ℃時土生偽魚腥藻幾乎無法正常生長；而溫度的升高明顯促進(jìn)了銅綠微囊藻和細(xì)小平裂藻的生長，25 ℃條件下，細(xì)小平裂藻的生長優(yōu)于土生偽魚腥藻，且略好于銅綠微囊藻，當(dāng)溫度升高到30 ℃時，銅綠微囊藻的藻細(xì)胞密度最大.

圖1 不同溫度下3種水華藍(lán)藻的生長情況.（a）20 ℃；（b）25 ℃；（c）30 ℃

銅綠微囊藻作為淡水湖泊水庫藍(lán)藻水華的主要優(yōu)勢藻種，其作為優(yōu)勢藻種形成的藍(lán)藻水華，一般都在持續(xù)高溫的夏季爆發(fā)，本實驗結(jié)果顯示銅綠微囊在30 ℃條件下生長最佳，與其在野外爆發(fā)微囊藻水華時的生長條件一致.土生偽魚腥藻無法忍受高溫環(huán)境，其最佳生長條件為20 ℃，這一結(jié)果與其經(jīng)常在春夏交替時期或者秋季較低溫度環(huán)境下作為優(yōu)勢種形成水華的現(xiàn)象相印證.細(xì)小平裂藻在高溫條件下與銅綠微囊藻的生長情況基本相似，對于這兩種水華藍(lán)藻的競爭，溫度并不是最關(guān)鍵的影響因子.

2.2 不同光照強(qiáng)度對3種水華藍(lán)藻生長的影響

分別將銅綠微囊藻、細(xì)小平裂藻和土生偽魚腥藻置于60，90，120，200 μmol·m-2·s-14 個光照強(qiáng)度條件下培養(yǎng)，三者的生長曲線如圖2 所示.由圖2 可知：4 個不同光照強(qiáng)度實驗組中，銅綠微囊藻均有明顯的競爭優(yōu)勢；200 μmol·m-2·s-1條件下，銅綠微囊藻的細(xì)胞密度最大；土生偽魚腥藻在低光照的60 μmol·m-2·s-1和90 μmol·m-2·s-1條件下對細(xì)小平裂藻具有競爭優(yōu)勢，而隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)，這一競爭優(yōu)勢逐漸喪失；在120 μmol·m-2·s-1條件下，兩者藻細(xì)胞密度相當(dāng)，而在200 μmol·m-2·s-1條件下，土生偽魚腥藻的生長受到了明顯的抑制.

銅綠微囊藻對于光照的適應(yīng)能力較細(xì)小平裂藻和土生偽魚腥藻更強(qiáng)，因此光照強(qiáng)度并不是其生長的限制因子.細(xì)小平裂藻在低光照條件下無法獲得競爭優(yōu)勢，光照強(qiáng)度的增加對其生長具有較為明顯的促進(jìn)作用，這也能說明為什么平裂藻水華的爆發(fā)時期通常都是在多日晴好天氣之后.而土生偽魚腥藻在較低光照強(qiáng)度的環(huán)境中生長較為旺盛的結(jié)果，與偽魚腥藻水華的爆發(fā)時期通常為春夏交替時長江流域低光照的梅雨季節(jié)相映證.

2.3 不同初始藻細(xì)胞密度對3種水華藍(lán)藻生長的影響

銅綠微囊藻和細(xì)小平裂藻在溫度為30 ℃時生長狀況基本一致，以此作為培養(yǎng)條件，設(shè)置銅綠微囊藻和細(xì)小平裂藻初始藻細(xì)胞密度比分別為：1∶1，1∶10 和10∶1 三個實驗組，將兩者混合培養(yǎng)，其生長狀況如圖3所示.由圖3可知：即使在兩者的最佳生長條件下，由于初始藻細(xì)胞密度不同，兩者競爭生長的結(jié)果也不相同.細(xì)小平裂藻只有在初始藻細(xì)胞密度高于銅綠微囊藻時，才能在競爭過程中占優(yōu)，銅綠微囊藻則在同等初始藻細(xì)胞密度的情況下即可形成競爭優(yōu)勢.因此，長期湖泊監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)的夏季藍(lán)藻水華優(yōu)勢藻種交替出現(xiàn)現(xiàn)象可能與湖泊春季藍(lán)藻群落結(jié)構(gòu)中的優(yōu)勢種藻細(xì)胞密度高低有直接關(guān)系.

細(xì)小平裂藻與土生偽魚腥藻在光照強(qiáng)度為120 μmol·m-2·s-1時的生長情況基本一致，以此作為培養(yǎng)條件，設(shè)置細(xì)小平裂藻與土生偽魚腥藻的初始藻細(xì)胞密度比分別為：1∶1，1∶5 和5∶1 三個實驗組，將兩者混合培養(yǎng)，其生長狀況如圖4所示.由圖4可知：藻細(xì)胞密度是影響細(xì)小平裂藻和土生偽魚腥藻競爭關(guān)系的關(guān)鍵因子.當(dāng)細(xì)小平裂藻藻的初始藻細(xì)胞密度不低于土生偽魚腥藻時，其具有明顯的競爭優(yōu)勢，然而，即使細(xì)小平裂藻的初始藻細(xì)胞密度低于土生偽魚腥藻，生長受到暫時的抑制，一旦細(xì)胞密度上升至與土生偽魚腥藻相當(dāng)，細(xì)小平裂藻同樣可以表現(xiàn)出明顯的競爭優(yōu)勢.因此在春夏交替過程中，隨著溫度及光照的逐步上升，細(xì)小平裂藻的生長得到促進(jìn)，藻細(xì)胞密度隨之迅速增大，即使在兩者均能生長的環(huán)境下，由于細(xì)胞密度比的縮小，優(yōu)勢藻種的更替也隨之完成.

圖4 不同初始藻細(xì)胞密度下細(xì)小平裂藻和土生偽魚腥藻混合生長情況.細(xì)小平裂藻和土生偽魚腥藻初始藻細(xì)胞密度比（a）1∶1；（b）5∶1；（c）1∶5

3 結(jié)論

本文作者運(yùn)用單因子和正交實驗的方法，分析了溫度、光照以及藻細(xì)胞初始密度對三者生長及競爭的影響，得到如下結(jié)論：

（1）不同溫度、光照及初始藻細(xì)胞密度均能影響銅綠微囊藻、細(xì)小平裂藻及土生偽魚腥藻成為藍(lán)藻水華優(yōu)勢藻種.

（2）低溫、低光照下，土生偽魚腥藻可成為藍(lán)藻水華的優(yōu)勢藻種；隨著溫度及光照的上升，藍(lán)藻水華的優(yōu)勢藻種從土生偽魚腥藻更替為細(xì)小平裂藻；而當(dāng)溫度及光照進(jìn)一步上升后，銅綠微囊藻成為新的水華優(yōu)勢藻種.這一結(jié)果解釋了在夏季持續(xù)晴天高溫的天氣，淡水湖泊（水庫）易形成微囊藻水華或平裂藻水華，而在春秋季節(jié)適宜的溫度及并不強(qiáng)烈的光照條件下，淡水湖泊（水庫）易形成魚腥藻水華的原因.

（3）在土生偽魚腥藻與細(xì)小平裂藻及細(xì)小平裂藻與銅綠微囊藻生長的共適條件下，以不同比例的初始藻細(xì)胞密度將兩者混合培養(yǎng)后，初始藻細(xì)胞密度比在混合培養(yǎng)過程中對兩者的競爭能力有非常明顯的影響，能決定優(yōu)勢藻種的歸屬.當(dāng)細(xì)小平裂藻密度不低于土生偽魚腥藻時，即可成為優(yōu)勢藻種；同樣，當(dāng)銅綠微囊藻密度不低于細(xì)小平裂藻時，亦可成為優(yōu)勢藻種.這一結(jié)果也說明了銅綠微囊藻是藍(lán)藻水華優(yōu)勢藻種最主要的原因.

以上結(jié)論解釋了不同湖泊或者同一湖泊在不同年份中藍(lán)藻水華優(yōu)勢藻種并不相同的原因.因此，除了采用常規(guī)的水華治理方法，如控制營養(yǎng)鹽和其他污染物的輸入等以外，關(guān)注浮游植物群落結(jié)構(gòu)的變化，控制和降低藍(lán)藻在夏季藍(lán)藻水華爆發(fā)前的生物量，特別是降低春夏交替時沉于水體中下層的各種類藍(lán)藻的生物量，可能是治理淡水湖泊（水庫）富營養(yǎng)化引發(fā)的藍(lán)藻水華的又一有效方法.