不同光照下梅尼小環(huán)藻對(duì)晝夜溫差變化的生理響應(yīng)

譚清乾 ，王沛芳，王 洵，馬晶潔，胡 斌

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098)

聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)第五次氣候變化評(píng)估報(bào)告顯示，全球變暖已是不爭(zhēng)的事實(shí)，報(bào)告同時(shí)還指出北半球大部分地區(qū)都出現(xiàn)不同程度的不對(duì)稱增溫，導(dǎo)致晝夜溫差不斷縮小[1-2]。這對(duì)各類生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了諸多不利影響[3-4]，許多陸地、淡水和海洋物種的分布范圍、季節(jié)性活動(dòng)及物種間的相互作用已經(jīng)發(fā)生改變。有效減少全球氣候變化帶來的負(fù)面影響，一方面要積極采取應(yīng)對(duì)措施，另一方面也需要了解生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)氣候變化的機(jī)制。

研究發(fā)現(xiàn)氣候變暖會(huì)引發(fā)藻類水華的暴發(fā)[5]，從而影響水源供應(yīng)、危害人類健康、降低生物多樣性并嚴(yán)重破壞生態(tài)平衡[6]。如何預(yù)測(cè)、控制水華的暴發(fā)，對(duì)保護(hù)我國(guó)水資源具有重要意義。目前多數(shù)研究都用平均溫度的升高來衡量氣候變暖對(duì)藻類的影響[7-10]，晝夜溫差的變化容易被研究者忽視。藻類許多生理活動(dòng)存在明顯的晝夜節(jié)律[11-12]，有研究指出夜溫升高能促進(jìn)藻類生物量與油脂含量的增長(zhǎng)[13-14]，這表明晝夜溫差減小可能會(huì)促進(jìn)藻類繁殖，破壞水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。大量研究證實(shí)溫度與光照對(duì)藻類的影響存在耦合機(jī)制[15-17]，Han等[18]發(fā)現(xiàn)低光環(huán)境中分離的藻類能抵抗夜溫變化所帶來的影響。因此在不同光照條件下，藻類對(duì)晝夜溫差變化的響應(yīng)可能存在差異。目前關(guān)于晝夜溫差對(duì)藻類生長(zhǎng)影響機(jī)制的探索不夠，一方面研究多集中在藻類生物量、脂肪含量的變化，對(duì)光合作用、營(yíng)養(yǎng)鹽利用等生理特征的研究較少；另一方面，在考慮晝夜溫差的影響時(shí)，忽略了其他環(huán)境因子的協(xié)同作用，從而降低研究的精準(zhǔn)性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正式試驗(yàn)在步入式恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室(MHPW-020-TSW)內(nèi)開展。為模擬不同環(huán)境的光照條件，參考我國(guó)部分地區(qū)太陽(yáng)輻射監(jiān)測(cè)數(shù)值，將正式試驗(yàn)光照強(qiáng)度設(shè)置為高光照(1 500 W/m2，記為G)和低光照(1 000 W/m2，記為P)[21-22]，光暗周期均為 14 h∶10 h，結(jié)合硅藻水華多發(fā)地漢江4月間的天氣數(shù)據(jù)[23-24]與中國(guó)晝夜溫差的平均下降速度，并參考陳星星等[25]對(duì)晝夜溫差試驗(yàn)的設(shè)置方法，在高、低光照強(qiáng)度下將晝夜溫度設(shè)置3組：25 ℃/15 ℃、25 ℃/20 ℃、25 ℃/25 ℃，分別記為G1、G2、G3、P1、P2、P3，每組試驗(yàn)均設(shè)置3組平行。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

1.3.1藻細(xì)胞密度與葉綠素a的測(cè)定

利用紫外可見分光光度計(jì)(TU1901)測(cè)定其在680 nm波長(zhǎng)處的光密度(OD680)值，得到藻細(xì)胞密度[27-28]。葉綠素a質(zhì)量濃度由浮游植物熒光儀(Phyto-PAM-Ⅱ)測(cè)定[29]。

1.3.2葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定

各處理組分別取2 mL藻液作為樣品，利用Phyto-PAM-Ⅱ測(cè)定各葉綠素?zé)晒鈪?shù)[30-32]。

4.1.1 以護(hù)理項(xiàng)目為評(píng)價(jià)對(duì)象 護(hù)理項(xiàng)目是質(zhì)量評(píng)價(jià)的基本單元，傳統(tǒng)的護(hù)理質(zhì)量評(píng)價(jià)主要將護(hù)理項(xiàng)目作為評(píng)價(jià)對(duì)象，如特護(hù)、1級(jí)護(hù)理質(zhì)量、護(hù)理技術(shù)操作合格率、健康教育的實(shí)施效果等。

1.3.3水樣指標(biāo)測(cè)定

1.3.4硅吸收動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)定

培養(yǎng)結(jié)束后收集藻液，經(jīng)無硅培養(yǎng)基清洗2遍后，進(jìn)行饑餓處理，饑餓過程持續(xù)2 d[33]，每天監(jiān)測(cè)藻細(xì)胞密度、光合活性，當(dāng)其下降時(shí)，于4 000 rpm離心5 min，丟棄上清液，濃縮收集，在無光的環(huán)境中培養(yǎng)1 d，之后將藻液接入不同硅濃度(Na2SiO3)(0.5 mg/L、1 mg/L、2 mg/L、4 mg/L、8 mg/L、16 mg/L、20 mg/L、32 mg/L)[33]的8個(gè)250 mL錐形瓶中，測(cè)定初始藻細(xì)胞密度，并放至對(duì)應(yīng)的光照條件下進(jìn)行培養(yǎng)。接種完成立即取樣5 mL經(jīng)0.22 μm膜過濾后測(cè)定初始溶解態(tài)硅(DSi)濃度，經(jīng)過3 h培養(yǎng)后[33]取樣測(cè)定各培養(yǎng)基中DSi的濃度。DSi濃度的測(cè)定采用1，2，4氨基萘酚磺酸還原-硅鉬藍(lán)法[34]。最大吸收速率和半飽和濃度根據(jù)米氏方程公式擬合得到,吸收速率通過每個(gè)培養(yǎng)基中減少的Si質(zhì)量濃度計(jì)算[35]:

(1)

式中：V為吸收速率，ng/(個(gè)·h);Vm為最大吸收速率，ng/(個(gè)·h)；Km為半飽和濃度，表示當(dāng)V=1/2Vm時(shí)底物Si的質(zhì)量濃度，ng/L；ρ為培養(yǎng)液中Si的質(zhì)量濃度，ng/L。

1.4 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 生物量變化

2.1.1細(xì)胞密度

(a) 高光照條件

2.1.2葉綠素a質(zhì)量濃度

圖2為晝夜溫差和光照強(qiáng)度對(duì)梅尼小環(huán)藻葉綠素a質(zhì)量濃度的影響。由圖2可見，培養(yǎng)結(jié)束后，G1、G2、G3組的葉綠素a質(zhì)量濃度顯著高于對(duì)應(yīng)的P1、P2、P3組(P≈0.000<0.05)，G處理中增長(zhǎng)最多的是G2組，從培養(yǎng)前的155.97 μg/L增加到924.15 μg/L，增長(zhǎng)率為492%，P處理中P2組增長(zhǎng)最多，從153.7 μg/L增加至705.3 μg/L，增長(zhǎng)率為358%，低于G2組，這與藻細(xì)胞密度的變化趨勢(shì)一致。在G處理下，各組葉綠素a質(zhì)量濃度在第7天出現(xiàn)顯著差異(P<0.05)，培養(yǎng)結(jié)束后表現(xiàn)為G2>G3>G1，組間差異進(jìn)一步擴(kuò)大(P<0.01)(圖2(a))。圖2(b)顯示在P處理下，各組葉綠素a質(zhì)量濃度在第9天出現(xiàn)顯著差異(P<0.05)，培養(yǎng)結(jié)束后表現(xiàn)為P2>P3>P1，與G組相似，組間差異顯著(P<0.05)。在G、P處理下，恒溫組的葉綠素a質(zhì)量濃度均高于10 ℃溫差組，低于5 ℃溫差組，這與藻細(xì)胞密度的變化趨勢(shì)不同。

(a) 高光照條件

2.2 光合活性變化

2.2.1最大量子產(chǎn)生量

各組梅尼小環(huán)藻的最大量子產(chǎn)量(Fv/Fm)變化如圖3所示。培養(yǎng)結(jié)束后，P處理下的梅尼小環(huán)藻Fv/Fm均顯著高于G處理(P<0.05)，各組Fv/Fm總體上呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)。從圖3(a)可見，在G處理下，不同溫差組梅尼小環(huán)藻Fv/Fm下降幅度不同，在培養(yǎng)的第3天，G1組Fv/Fm下降幅度遠(yuǎn)高于其他兩組，從0.46下降到0.27，隨后趨于穩(wěn)定；G2組與G3組的變化幅度相似，整體呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)；培養(yǎng)結(jié)束后，G1、G2、G3分別下降了65.2%、36.3%、45.9%，組間差異顯著(P<0.05)。圖3(b)顯示，P處理下，各溫差組的變化表現(xiàn)出相似的規(guī)律，呈現(xiàn)波動(dòng)下降的趨勢(shì)，均能維持較高的Fv/Fm；其中P1、P2、P3分別下降了22.4%、19.6%、21.7%，組間差異不明顯(P>0.05)；從總體上看，P處理下各組間Fv/Fm總體變化趨勢(shì)相同，各組培養(yǎng)結(jié)束后的最小值無顯著差別。

2.2.2快速光響應(yīng)曲線

圖4為梅尼小環(huán)藻快速光響應(yīng)曲線的變化。圖4(a)(b)顯示，P處理下梅尼小環(huán)藻的快速光響應(yīng)曲線均高于G處理，這是不同光照條件所帶來的差異。在G處理下，各組梅尼小環(huán)藻的光利用率(α)中，G1組顯著低于G2、G3組(P<0.05)，而G2、G3組變化趨勢(shì)大致相同。在P處理下，各組變化趨勢(shì)保持一致，均呈現(xiàn)先波動(dòng)升高后緩慢下降，組間差異不明顯(P>0.05)。圖4(c)(d)(e)(f)為不同組中梅尼小環(huán)藻最大電子傳遞速率(Emax)和光飽和點(diǎn)(Ik)的變化曲線。G、P處理下，各溫差組Emax和Ik的變化趨勢(shì)相似，呈現(xiàn)先緩慢下降后保持基本穩(wěn)定狀態(tài)，組間差異不顯著(P>0.05)，在培養(yǎng)的前5天呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，第7天時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

(a) 高光照條件

2.3 磷利用情況

(a) 高光照條件下α的變化

圖5 不同處理下質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化

2.4 硅吸收動(dòng)力學(xué)特征

利用Michaelis-Menten動(dòng)力學(xué)方程的非線性擬合，得到不同組梅尼小環(huán)藻對(duì)硅的最大吸收速率Vm和米氏常數(shù)Km(表1)。試驗(yàn)結(jié)果表明在G、P處理下，各溫差組的Km和Vm均表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05)。不同光照條件下，均是10 ℃溫差組的Km值大于5 ℃溫差組，表明在一定范圍內(nèi)，梅尼小環(huán)藻的Km值隨著溫差減小而減小。在G處理下，5 ℃溫差組的Km值小于恒溫組，而在P處理下，5 ℃溫差組的Km值大于恒溫組，表明了在不同光照下晝夜溫差對(duì)其Km值的影響不同。不同光照條件下，梅尼小環(huán)藻Km的最小值不同。G處理中G2組的Km最小，為 1.755 ng/L，而P處理中P3組Km最小，為4.673 ng/L，是G2組的2.6倍，說明梅尼小環(huán)藻Km值隨著光照強(qiáng)度的升高而減小，對(duì)硅的吸收能力更強(qiáng)。

表1 梅尼小環(huán)藻硅吸收動(dòng)力學(xué)參數(shù)

3 討 論

3.1 梅尼小環(huán)藻生物量累積對(duì)晝夜溫差的響應(yīng)

在淡水生態(tài)系統(tǒng)中，晝夜溫差會(huì)影響藻細(xì)胞的合成代謝、營(yíng)養(yǎng)鹽吸收等生理過程[36]，從而影響藻類的生長(zhǎng)繁殖。有研究表明藻類生物量在夜溫越高的條件下?lián)p失越大[14]，由于暗呼吸速率增加，消耗的物質(zhì)越大，從而不利于生物量積累。然而本研究結(jié)果表明，晝夜溫差從10 ℃減小至5 ℃時(shí)，促進(jìn)了梅尼小環(huán)藻細(xì)胞密度及葉綠素a的增長(zhǎng)，而從5 ℃溫差變?yōu)楹銣嘏囵B(yǎng)時(shí)，其生長(zhǎng)受到了一定程度的限制。這是因?yàn)樵谝箿剌^低的條件下，夜間增溫能夠加強(qiáng)藻類的各項(xiàng)生命活動(dòng)，有利于細(xì)胞的增殖[37]。而當(dāng)夜間溫度升高至一定界限時(shí)，繼續(xù)增溫導(dǎo)致呼吸作用所消耗的物質(zhì)大大增加，從而消耗了大量的碳水化合物，不利于細(xì)胞的生長(zhǎng)，這與楊未男[13]發(fā)現(xiàn)適宜溫差能顯著促進(jìn)小球藻生長(zhǎng)的結(jié)論一致。目前，氣候變化正在朝著晝夜溫差不斷減小的趨勢(shì)變化，中國(guó)晝夜溫差的平均縮小速度為每10年 -0.25 ℃[38]，在短期內(nèi)這種變化趨勢(shì)對(duì)梅尼小環(huán)藻的生長(zhǎng)繁殖有利，這可能為硅藻水華的暴發(fā)提供了有利條件。在高光照下，梅尼小環(huán)藻的生長(zhǎng)速度均高于低光照培養(yǎng)，并且晝夜溫差減小對(duì)其生長(zhǎng)繁殖的促進(jìn)作用更加顯著，這表明在高光環(huán)境中，一定范圍內(nèi)晝夜溫差的減小可能更容易導(dǎo)致其大量繁殖。梅尼小環(huán)藻是水庫(kù)等深水水體主要的有害浮游植物[39]，是常見的硅藻的水華優(yōu)勢(shì)種，對(duì)低溫具有較強(qiáng)的耐受性，能夠在高海拔水庫(kù)環(huán)境中正常生長(zhǎng)[40]。在這種環(huán)境中，光照強(qiáng)度大，晝夜溫差減小對(duì)其生長(zhǎng)的促進(jìn)作用更加顯著，這可能使梅尼小環(huán)藻異常增殖，進(jìn)而導(dǎo)致水庫(kù)水質(zhì)變差、出水水質(zhì)異味等問題[41]，給我國(guó)水資源的保護(hù)帶來巨大的危害。

3.2 梅尼小環(huán)藻光合活性對(duì)晝夜溫差的響應(yīng)

晝夜溫差可以通過影響藻細(xì)胞中酶的活性，間接對(duì)光能的獲取、利用產(chǎn)生影響[15]。本研究發(fā)現(xiàn)，晝夜溫差對(duì)低光照下梅尼小環(huán)藻的Fv/Fm無顯著影響，各組葉綠素?zé)晒鈪?shù)都呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，在整個(gè)培養(yǎng)期間都保持較高水平。在高光照條件下，10 ℃溫差組的Fv/Fm顯著低于其他兩組，并且葉綠素?zé)晒鈪?shù)中α顯著降低。費(fèi)磊[42]研究發(fā)現(xiàn)夜間增溫會(huì)增強(qiáng)第2天藻類的光合作用，這與本研究結(jié)果相似，可能是因?yàn)橐箿厣咛岣吡薘ubisCO酶活性，進(jìn)而提高了藻細(xì)胞的光利用率[43]。這表明在高光環(huán)境中，晝夜溫差的減小將促進(jìn)梅尼小環(huán)藻的光合活性，有利于其合成三磷酸腺苷(ATP)用于生長(zhǎng)代謝。這也在一定程度上說明了為何在高光環(huán)境中，晝夜溫差減小對(duì)梅尼小環(huán)藻生長(zhǎng)促進(jìn)更加明顯。因此利用簡(jiǎn)單的光控制措施如物理遮蓋、種植水生植物等，在小型富營(yíng)養(yǎng)水體中控制硅藻水華可能是有效的方法。

3.3 梅尼小環(huán)藻磷利用對(duì)晝夜溫差的響應(yīng)

3.4 梅尼小環(huán)藻硅吸收動(dòng)力學(xué)特征對(duì)晝夜溫差的響應(yīng)

營(yíng)養(yǎng)鹽吸收動(dòng)力學(xué)參數(shù)Km是目前最常用表達(dá)藻類對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽親和力的參數(shù)，Km的降低表明藻類競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)鹽的能力增強(qiáng)[47]。試驗(yàn)結(jié)果顯示，高光照下梅尼小環(huán)藻對(duì)硅的親和力均高于低光組，吸收效率更高。一些研究同樣發(fā)現(xiàn)，光脅迫會(huì)導(dǎo)致硅藻對(duì)硅的吸收增加[48]。這可能是由于藻類對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收需要消耗ATP[33]，在高光環(huán)境中，梅尼小環(huán)藻能合成更多的ATP，因此對(duì)硅的吸收能力更強(qiáng)。有研究指出夜晚溫度升高，會(huì)影響浮游植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收[36]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著晝夜溫差從10 ℃減小至5 ℃，梅尼小環(huán)藻對(duì)硅的親和力顯著提高，這一變化在2個(gè)光處理組中均有出現(xiàn)，表明在一定范圍內(nèi)，晝夜溫差的減小有利于梅尼小環(huán)藻對(duì)硅的吸收。硅在硅藻的生長(zhǎng)、繁殖過程中起到了重要的作用，硅的吸收與耗竭是硅藻水華發(fā)生與消亡的重要原因[49]，有研究發(fā)現(xiàn)在硅豐富、氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽缺乏的水體中，當(dāng)氣候環(huán)境適宜時(shí)，硅藻仍然能夠正常繁殖，甚至形成水華[23]。隨著全球晝夜溫差減小，梅尼小環(huán)藻對(duì)硅親和力的增加，可能滿足其快速生長(zhǎng)對(duì)硅的高需求，從而導(dǎo)致在貧營(yíng)養(yǎng)水體中大量增殖，危害水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)晝夜溫差從5 ℃減小至0 ℃時(shí)，高光組中梅尼小環(huán)藻對(duì)硅的親和力下降，低光組則相反，可能是在不利光照條件下藻類的一種生理調(diào)節(jié)[36]。這表明在不同光環(huán)境中，梅尼小環(huán)藻硅吸收對(duì)晝夜溫差的響應(yīng)存在一定的差異。

4 結(jié) 論

a. 在5～10 ℃范圍內(nèi)，晝夜溫差的減小有利于梅尼小環(huán)藻生物量的積累，高光照下的促進(jìn)作用更加明顯。在全球晝夜溫差緩慢減小的背景下，這種變化將有利于梅尼小環(huán)藻的生長(zhǎng)繁殖，為水華的發(fā)生提供有利的溫度條件。

b. 不同光照下梅尼小環(huán)藻光合活性對(duì)晝夜溫差的響應(yīng)不同。晝夜溫差對(duì)低光照下梅尼小環(huán)藻的光合活性無顯著影響；在高光照下，5 ℃～10 ℃范圍內(nèi)的溫差減小，會(huì)增加其光利用率，提高光合活性。在水華的防止過程中，可采用簡(jiǎn)單的光控制措施限制硅藻的生長(zhǎng)。