巢湖水華藍藻原位生長率的時空變化及其環(huán)境影響因子*

陽 振，史小麗，陳開寧，張 民

(中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，湖泊與環(huán)境國家重點實驗室，南京 210008)

水華藍藻在大型富營養(yǎng)湖泊中經(jīng)常會隨風(fēng)向和湖流在不同湖區(qū)間發(fā)生遷移，通過色素含量、細胞密度等常規(guī)生物量參數(shù)的監(jiān)測，只能獲得藍藻時空分布的一些表觀信息.原位生長率是研究藻類生長、衰亡、種群演變、生產(chǎn)力估算，以及對環(huán)境變化響應(yīng)的重要指標(biāo)，也是預(yù)測藍藻水華未來發(fā)展趨勢并構(gòu)建水華預(yù)測模型的必要參數(shù).利用原位生長率能準(zhǔn)確評估藍藻在不同湖區(qū)的生長狀態(tài)和生長潛力，并據(jù)此制定出針對性的水體治理和水華控制策略.

目前常用的藻類原位生長率測定方法主要有原位培養(yǎng)法[1-2]、光合速率計算法[3-4]、細胞分裂頻率法[5-6]、細胞周期分析法[7-8]等.其中，光合速率計算法在測定過程中涉及到光合作用的許多過程，計算也較為復(fù)雜，且只適用于具獨特色素成分的類群；細胞分裂頻率法操作比較繁瑣，不同細胞分裂狀態(tài)的區(qū)分缺乏標(biāo)準(zhǔn)；細胞周期分析法涉及到細胞周期相關(guān)蛋白和基因的定量分析難度比較大；原位培養(yǎng)法通過將藻類放入去除了捕食者的封閉容器中培養(yǎng)，根據(jù)細胞數(shù)、生物體積或其它生物量指標(biāo)的增加或減少來確定藻類的表觀生長速率[9]，但原位培養(yǎng)法容器內(nèi)外無物質(zhì)(或能量)交換，易存在“瓶壁”效應(yīng)影響[10].因此，對于水華藍藻原位生長率的測定，目前還缺乏成熟可靠的手段.

巢湖位于安徽省中部，面積約780 km2，是我國五大淡水湖泊之一，也是我國水污染防治的重點水體[11].自1970s起，由于流域內(nèi)社會經(jīng)濟快速發(fā)展，入湖污染負荷增加，導(dǎo)致湖體富營養(yǎng)化加重，藍藻水華頻發(fā)[12].巢湖水體營養(yǎng)鹽水平主要表現(xiàn)為由東向西逐步升高的狀態(tài)，水華藍藻的空間分布也與之相似[13]，水華優(yōu)勢種主要為微囊藻和魚腥藻，夏、秋季以微囊藻為主，春、冬季魚腥藻比例升高[14].藍藻的生長受溫度、光強、營養(yǎng)鹽等多種環(huán)境因素的影響，由于巢湖不同湖區(qū)在物理、化學(xué)、生物等方面都存在著差異，藍藻在不同湖區(qū)會呈現(xiàn)出不同的生長狀況和生長潛力.為獲取巢湖不同湖區(qū)和季節(jié)的藍藻原位生長率，以及影響藍藻原位生長率的主要環(huán)境因子，本研究利用改進的原位培養(yǎng)法，對巢湖藍藻原位生長率進行周年觀測，以期為巢湖藍藻水華的預(yù)測和防控提供數(shù)據(jù)支撐.

1 研究方法

1.1 野外調(diào)查研究

野外研究于2019年4月-2020年3月每月中旬進行，為期1 d，在巢湖設(shè)置3個研究位點，具體位置見圖1，其中，W位點位于西部湖區(qū)，C位點位于中部湖區(qū)，E位點位于東部湖區(qū).每個研究位點在現(xiàn)場利用U-50多參數(shù)水質(zhì)儀(HORIBA, Kyoto, Japan)原位測定水溫、溶解氧(DO)、pH等環(huán)境因子.同時，用采水器采集表層、中層、底層水樣混合，取200 mL水樣放入冷藏箱中，用于營養(yǎng)鹽、藻藍素等參數(shù)的分析.取1000 mL水樣裝入原位培養(yǎng)裝置，將裝置用繩子系好放入湖中，分別置于水柱表層、中層、底層，考慮到現(xiàn)場實驗條件，在每個點位的各層只設(shè)置了1個培養(yǎng)裝置.原位培養(yǎng)裝置由透明有機玻璃圓管改造而成，內(nèi)徑12 cm，高10 cm，容積約為1130 mL，頂部和底部固定有孔徑為5000目(5 μm)的尼龍篩網(wǎng)，在允許培養(yǎng)裝置內(nèi)外物質(zhì)交換的同時，又能夠阻隔絕大部分水華藍藻細胞穿過(雖然部分微囊藻種類的單細胞直徑小于5 μm，但野外微囊藻以群體為主，單細胞微囊藻占比非常少)，圓管側(cè)面有一閥門用于水樣加入、取出以及繩子固定(圖2)，培養(yǎng)裝置在水中時閥門朝上，水體可沿水平方向在裝置內(nèi)外交換.取樣在培養(yǎng)24 h后進行，取樣后樣品放入冷藏箱中，并立即帶回實驗室進行各指標(biāo)測定的預(yù)處理.

圖1 巢湖水華藍藻原位生長率研究位點分布(W：西部湖區(qū)；C：中部湖區(qū)；E：東部湖區(qū))

圖2 原位培養(yǎng)裝置

1.2 室內(nèi)分析與氣象數(shù)據(jù)

溶解性總氮(DTN，GF/C膜濾后水)濃度采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定；溶解性總磷(DTP，GF/C膜濾后水)濃度采用堿性過硫酸鉀消解-鉬銻抗顯色分光光度法測定.取水樣過濾，濾膜經(jīng)研磨后在4℃的黑暗條件下用0.05 mol/L pH 7.0的Tris緩沖液提取8～10 h，離心后取上清液用熒光分光光度計(RF-5301PC Shimadzu，日本)測定藻藍素濃度[15]，以表征藍藻生物量，測定條件為激發(fā)波長620 nm，發(fā)射波長647 nm，以藻藍素標(biāo)準(zhǔn)品溶液制作標(biāo)準(zhǔn)曲線.日平均溫度、降雨量和日照時間等氣象數(shù)據(jù)為合肥氣象站(#58321)觀測數(shù)據(jù)，來自于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn).

1.3 數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計

原位(比)生長率(μ)計算公式為：

μ=ln(Nt-N0)/t

(1)

式中，N0為初始時刻藻藍素濃度，Nt為培養(yǎng)結(jié)束時藻藍素濃度，t為培養(yǎng)時間(本研究為1 d).

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用SPSS 16.0軟件完成，采用Spearman相關(guān)分析分析表層原位生長率與各環(huán)境因子的相關(guān)性，P<0.05代表顯著相關(guān)，P<0.01代表極顯著相關(guān)，使用Origin 8.0軟件繪圖.

2 結(jié)果

巢湖水體TDN濃度周年內(nèi)波動比較大(圖3a)，東部湖區(qū)2-5月相對較高，其余月份相對較低；中部湖區(qū)4月、12-2月濃度相對較高，其余月份相對較低；西部湖區(qū)12-6月相對較高，其余月份相對較低；而中部和西部湖區(qū)TDN濃度大部分月份高于東部湖區(qū).巢湖水體TDP濃度時空差異表現(xiàn)更為明顯(圖3b)，中部和西部湖區(qū)TDP濃度在2-8月相對較高，其余月份相對較低，而東部湖區(qū)TDP濃度年內(nèi)波動較小.在空間上TDP濃度由低至高依次為東部湖區(qū)<中部湖區(qū)<西部湖區(qū).3個湖區(qū)水體藻藍素濃度均呈現(xiàn)夏、秋季高，春、冬季低的趨勢，藻藍素濃度峰值出現(xiàn)在7-9月，西部湖區(qū)峰值最高，東部湖區(qū)最低(圖3c).

圖3 巢湖3個觀測點TDN、TDP和藻藍素濃度的周年變化

藍藻在不同水深和湖區(qū)的原位生長率差異較大(圖4).在表層水體，西部湖區(qū)9月和2月原位生長率為負值，其余月份為正值，最高值發(fā)生在6月(0.69 d-1)，年平均值為0.29 d-1；中湖區(qū)9、12、1、2月原位生長率為負值，其余月份為正值，最高值發(fā)生在6月(0.49 d-1)，年平均值為0.10 d-1；而東湖區(qū)僅4、6、8、12月原位生長率為正值，其余月份為負值，最高值發(fā)生在4月份(0.26 d-1)，年平均值為-0.21 d-1.在中層水體，西湖區(qū)原位生長率有5個月份為正值，其余為負值，年平均值為0.01 d-1；中部湖區(qū)原位生長率有3個月份為正值，其余月份為負值，年平均值為-0.17 d-1；而東部湖區(qū)原位生長率僅有2個月份為正值，其余月份為負值，年平均值為-0.33 d-1.在底層水體，3個湖區(qū)大部分月份原位生長率都為負值.

圖4 巢湖3個觀測點水華藍藻原位生長率的周年變化

Spearman相關(guān)分析結(jié)果表明，藻藍藻濃度與DTP濃度、溫度均呈極顯著正相關(guān)，與DTN濃度、風(fēng)速均呈極顯著負相關(guān).原位生長率與DTP濃度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與溫度呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與DO濃度呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)，與其它環(huán)境因子相關(guān)性不高(P>0.05)(表1).

表1 水華藍藻原位生長率與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)

3 討論

原位培養(yǎng)法是獲取浮游植物原位生長率最為直接的方法.一些研究者將室內(nèi)純培養(yǎng)的藻種，加入經(jīng)過濾去除浮游生物后的湖水中，裝入培養(yǎng)瓶后放置在水體中原位培養(yǎng)[16-17].但由于野外水體中的水華藍藻種類組成復(fù)雜，不同種群和株系藍藻在生理與形態(tài)上有較大差異，即使在相同環(huán)境條件下也會表現(xiàn)出不同的生長率[18-19]，因此，利用室內(nèi)純培養(yǎng)的藻種往往不能獲得野外原位藍藻的真實生長率.還有許多研究者在現(xiàn)場采集湖水直接裝入培養(yǎng)瓶進行原位培養(yǎng)[20-21]，考慮到浮游動物的捕食壓力，通常會利用稀釋法改變攝食者的濃度而間接地測算出浮游植物比生長率[22-23].由于水華藍藻群體粒徑范圍廣，不易用濾除的方式將其與浮游動物分離，且大部分水華藍藻的群體粒徑或絲狀藻體均大于浮游動物的口器大小，浮游動物對它們的攝食率通常非常低[24].因此，本研究并沒有使用稀釋法或去除浮游動物后計算生長率，而是直接通過培養(yǎng)前后水華藍藻生物量的變化來得到其凈增長率.原位培養(yǎng)法最大的難題是如何克服“瓶壁”效應(yīng)，使培養(yǎng)瓶內(nèi)外物質(zhì)交換保持通暢，實現(xiàn)真正的原位培養(yǎng).本研究利用篩網(wǎng)將圓柱型培養(yǎng)瓶的上下開口密封，使培養(yǎng)瓶成為一個半封閉的容器，容器內(nèi)外水體能自由交換，絕大部分水華藍藻細胞則無法穿過.但由于篩網(wǎng)孔徑非常小，長時間放置在水中，篩網(wǎng)孔容易被水體中的顆粒物或者附著微生物所堵塞，所以原位培養(yǎng)時間不宜過長.

本研究觀測到巢湖水華藍藻的原位生長率變化范圍在-1.16～0.69 d-1之間，吳曉東等[6]調(diào)查太湖水華期間藍藻原位生長率所獲得的最大值是0.37 d-1，而根據(jù)Robarts等[25]的報道，不少藍藻的最大生長率能達到1 d-1以上，由于藻種類、環(huán)境條件、觀測方法等方面的差異，各文獻的生長率絕對值無法直接比較.生長率負值主要發(fā)生在水柱的中底層，以及藍藻生物量較高或者溫度較低的月份，表明在這些環(huán)境下藍藻死亡率大于生長率.水華藍藻是放氧型的光合細菌，需要適宜的光強來固定碳源和獲得能量，以合成各種細胞成分，用于細胞代謝生長.所以許多水華藍藻細胞內(nèi)都存在可以調(diào)節(jié)浮力的偽空泡，以便于它們保持在水體上層，獲得充足的光照[26].在本研究的上、中、下3個水柱層中，藍藻在上層能獲得充足光強，表現(xiàn)出相對較高的生長速率，中層光強較弱，生長速率相對較低，而在底層，由于光照條件很差，不利于藍藻生長.這也表明巢湖大部分水華藍藻都來自于中上層藍藻生長的貢獻.

與許多其它研究一致[27-28]，本研究也發(fā)現(xiàn)水溫與原位生長率具有一定的正相關(guān)性.但巢湖水華藍藻原位生長率較高的時期出現(xiàn)在4-6月，并不是出現(xiàn)在氣溫和光照強度最高的7-8月.雖然水華藍藻相對于其他藻類在高溫環(huán)境下具有更強的競爭力[29]，群體膠鞘和類菌孢素氨基酸(MAAs)也有助于它們抵御高光強和紫外光[30-31]，但過高的溫度和光強對水華藍藻的生長也會產(chǎn)生負面影響[32].氮和磷是水華藍藻生長的必需營養(yǎng)元素，對水華藍藻的生長有著重要的影響，許多野外的氮磷添加試驗都證實了磷是大部分淡水水體中最重要的限制因子[33-34].由于藻類主要利用的是溶解性氮、磷，而藍藻生物量較高時，無法被直接利用的顆粒態(tài)氮、磷會占水體總氮和總磷的較大比重，因此，本研究選擇TDN及TDP分析營養(yǎng)鹽與原位生長率的相關(guān)性.結(jié)果表明原位生長率與TDP濃度具有很好的正相關(guān)性，但與TDN濃度的相關(guān)性不高，這表明磷也是巢湖水華藍藻生長的主要限制因子，而在現(xiàn)有水平下，氮濃度的波動對巢湖水華藍藻生長的影響相對較小.巢湖外源污染負荷大部分來源于流域西部，這導(dǎo)致巢湖的營養(yǎng)鹽水平在空間上表現(xiàn)出由西向東逐步降低的趨勢，進而使得原位生長率也呈現(xiàn)出相同的趨勢.由此可知，巢湖藍藻生物量大部分來自于西部湖區(qū)藍藻的生長.原位生長率與表征藍藻生物量指標(biāo)的藻藍素濃度并沒有表現(xiàn)出良好的相關(guān)性，在藻藍素濃度最高的7-9月份，除西部湖區(qū)外，中、東部2個湖區(qū)原位生長率均很低.這是因為過高的初始生物量會抑制藍藻種群的進一步增長，一方面，藍藻細胞在生長的同時，也有許多細胞慢慢衰亡，當(dāng)水華藍藻現(xiàn)存量較高時，水體中發(fā)生衰亡的藻細胞數(shù)量也非常多.另一方面，單位水柱能維持的藍藻生物量是有限的，藍藻存量越高，越接近飽和，生長空間減少后，藻細胞的生長也隨之受到限制.

富營養(yǎng)化及藍藻水華問題的徹底解決，需要流域污染輸入控制與生態(tài)修復(fù)相結(jié)合，不可能一朝一夕完成.通過構(gòu)建藍藻水華預(yù)測體系，預(yù)判水華藍藻發(fā)展?fàn)顩r，采取針對性的應(yīng)急處置措施，可有效減少藍藻水華帶來的次生災(zāi)害及其對周邊居民的影響.藍藻水華預(yù)測的主要內(nèi)容是預(yù)測未來一段時間內(nèi)藍藻在特定水域的生物量，只有掌握了水華藍藻的原位生長率規(guī)律才能結(jié)合環(huán)境條件準(zhǔn)確估算水華藍藻生物量.基于本研究結(jié)果可以對巢湖不同湖區(qū)及季節(jié)的藍藻水華發(fā)展動態(tài)進行初步的研判.由于原位生長率受到多方面因素的影響，通過周年的月度調(diào)查，僅能獲得水華藍藻原位生長率在巢湖的大致規(guī)律.為了更準(zhǔn)確地進行藍藻水華預(yù)測，需要開展高頻的野外調(diào)查以及野外控制實驗，同時發(fā)展原位生長率的在線監(jiān)測技術(shù)，獲得各因素對水華藍藻生長影響的定量化結(jié)果，以精確掌握各種環(huán)境條件下水華藍藻的原位生長率，用于預(yù)測模型參數(shù)率定.此外，除了環(huán)境因子，藍藻的種類和生理狀態(tài)都會影響其生長速率，這些因素在將來的相關(guān)研究中都需要考慮.

4 結(jié)論

1)巢湖水華藍藻的原位生長率變化范圍在-1.16～0.69 d-1之間，表層最高，中層次之，底層大部分月份都為負值；在空間分布上由高到低依次為西部湖區(qū)>中部湖區(qū)>東部湖區(qū)；在季節(jié)變化上，春季(4-6月)相對較高，冬季(1-2月)相對較低.

2)采用Spearman相關(guān)分析結(jié)果表明，原位生長率與DTP濃度和溫度均呈正相關(guān)，磷可能是巢湖水華藍藻生長的主要限制因子，而在現(xiàn)有水平下，氮濃度的波動對巢湖水華藍藻生長的影響相對較小.

3)周年的月度調(diào)查僅能獲得水華藍藻原位生長率在巢湖的大致規(guī)律.想要精確掌握各種環(huán)境條件下水華藍藻的原位生長率，需要開展高頻的野外調(diào)查，并考慮到藍藻的種類和生理狀態(tài).