氮磷營養(yǎng)變化對欽州灣球形棕囊藻藻體生長的影響

莫 鈺, 藍彩碧, 許銘本, 賴俊翔, 凌慧嬌

(1. 廣西民族大學 海洋生物資源保護與利用重點實驗室, 廣西 南寧 530008; 2. 廣西科學院 廣西北部灣海洋研究中心 廣西近海海洋環(huán)境重點實驗室, 廣西 南寧 530007; 3. 廣西壯族自治區(qū)環(huán)境保護科學研究院,廣西 南寧 530022)

球形棕囊藻(Phaeocystis globosa)隸屬定鞭藻綱, 是廣溫廣鹽性的有害藻華原因種, 在碳、硫元素的生物地化循環(huán)、食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)及全球氣候變化中有重要影響[1]。棕囊藻具有異型生活史, 兼有單細胞和囊體兩種形態(tài), 囊體是藻華發(fā)生時的優(yōu)勢形態(tài)[2]。從單細胞到囊體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變被認為是球形棕囊藻具有優(yōu)勢生存策略的關(guān)鍵[3], 膠質(zhì)囊體形態(tài)可抵御細菌或病毒的侵害, 并通過增大粒徑抑制浮游動物的攝食[4-5]。中空的囊體結(jié)構(gòu)使棕囊藻易漂浮于海水表層, 從而獲得更多的光照進行光合作用[6]。囊體由單細胞在適宜條件下, 固著在基質(zhì)表面不斷分裂并產(chǎn)生黏液而形成[7], 囊體細胞通過二分裂增殖從而擴大囊體直徑[8]。通常用囊體直徑與囊體細胞數(shù)的對數(shù)回歸關(guān)系反映囊體細胞的分布狀況, 從而研究不同株系球形棕囊藻的囊體形態(tài)及結(jié)構(gòu), 囊體細胞的分布對囊體形態(tài)的維持有重要影響[8-9]。

囊體的形成需要額外物質(zhì)和能量的投入, 較高水平的氮、磷營養(yǎng)是囊體的大量繁殖和棕囊藻藻華暴發(fā)的有利條件[10-11]。隨著經(jīng)濟的發(fā)展及建設(shè)工程的實施, 陸源污染物的增加及水動力條件的改變導致近岸海域富營養(yǎng)化問題逐步加劇[12-13]。欽州灣作為廣西北部灣海域規(guī)模最大的港灣, 富營養(yǎng)化問題的加重引起球形棕囊藻藻華發(fā)生次數(shù)逐步增加[13-14]。欽州灣的營養(yǎng)鹽輸入以無機氮為主,磷酸鹽呈下降趨勢甚至呈現(xiàn)低磷特征[15-16]。氮、磷營養(yǎng)均為我國球形棕囊藻藻株生長的主要限制因子, 不同株系對營養(yǎng)鹽的利用特性存在差異[8,17]。欽州灣海域球形棕囊藻藻華多發(fā)生于11月至次年3月, 此時欽州灣的無機氮和無機磷濃度為一年最高時期[18], 為了研究氮、磷營養(yǎng)對欽州灣海域球形棕囊藻囊體生長的影響, 本研究通過改變氮、磷濃度的培養(yǎng)方式驗證欽州灣浮游植物是否受到單一氮、磷限制或氮磷共同限制, 研究球形棕囊藻囊體對不同營養(yǎng)鹽、氮磷比及營養(yǎng)鹽添加方式的響應(yīng),以期了解氮、磷營養(yǎng)的輸入對欽州灣球形棕囊藻藻華發(fā)生和持續(xù)的影響。

1 材料與方法

1.1 營養(yǎng)加富及添加方式試驗設(shè)計

于2019年1月在欽州灣外灣觀測到球形棕囊藻的海域取表層海水, 經(jīng)200 μm篩絹輕柔過濾,濾除大型浮游動物干擾后, 在常溫狀態(tài)下, 將水樣速運回實驗室(運輸約耗時2 h), 進行混合后分裝16 L海水至PET透明塑料桶中。原始海水中無機氮、無機磷及硅酸鹽的濃度分別為3.58、0.29和14.30 μmol·L–1, 氮和磷濃度處在欽州灣歷史調(diào)查3月份的濃度范圍, 其中無機氮濃度范圍為1.8~62.3 μmol·L–1, 均值15.1 μmol·L–1, 無機磷濃度范圍為0.01~2.16 μmol·L–1, 均值0.32 μmol·L–1, N/P比范圍35~154[18-20]。在系統(tǒng)本底濃度基礎(chǔ)上按倍數(shù)改變營養(yǎng)鹽濃度是常見的營養(yǎng)添加方式, 倍數(shù)有2~100倍不等[21], 本文根據(jù)歷史數(shù)據(jù)設(shè)置2~10倍左右并進行取整, 無機氮及無機磷分別設(shè)置40 μmol·L–1、0.5 μmol·L–1, 并進行一次性添加和每天添加的比較, 同時將N/P設(shè)置Redfield比值16︰1與50︰1進行比較。按表1所示加入不同濃度的KH2PO4、NaNO3設(shè)置7個實驗組, 其中對照組設(shè)2個平行, 除添加氮或磷外其它按f/2培養(yǎng)基添加微量元素。培養(yǎng)光照強度設(shè)為50 μmol·(m2·s)–1, 光暗比12h︰12h, 溫度設(shè)為 (20±1) , ℃ 每天上午10: 00對培養(yǎng)瓶進行緩慢充分搖勻, 并隨機更換培養(yǎng)桶的位置。培養(yǎng)周期根據(jù)球形棕囊藻囊體的生長情況定為12 d。

表1 各處理組營養(yǎng)鹽添加濃度設(shè)置及原始海水營養(yǎng)鹽濃度Tab. 1 Nutrition concentration in different treatments and original seawater

1.2 樣品采集與分析

每天定點(10: 00)采集水樣, 取30 mL用于營養(yǎng)鹽分析的樣品經(jīng)25 mm GF/F玻璃纖維膜過濾后, 加入三氯甲烷于–20℃保存, 用Skalar Sanplus營養(yǎng)鹽自動分析儀測定營養(yǎng)鹽濃度, 無機氮、無機磷和活性硅酸鹽的檢測下限分別為0.07、0.03、0.03 μmol·L–1[22]。取60 mL水樣過濾至25 mm GF/F膜, 濾膜浸泡于90%丙酮中于4℃下黑暗萃取24 h, 取出離心得到上清液用紫外分光光度計(Agilent, Cary 100)分別在630、647、664及750 nm處測定吸光值[23], 進行葉綠素a含量計算。

取5 mL水樣置于30孔板中在倒置顯微鏡(Nikon,Eclipse Ti)下觀察囊體數(shù)量、囊體細胞數(shù)并測量囊體直徑[24]。囊體在采樣后24 h內(nèi)觀察完畢, 以防囊體裂解。取500 mL水樣加入魯格試劑固定后, 經(jīng)自然沉降后對樣品進行濃縮, 取一定量亞樣品于浮游植物計數(shù)框中用顯微鏡(Nikon, Eclipse Ti)進行浮游植物物種鑒定與細胞計數(shù)[25], 浮游植物樣品第1~6 d為每天取樣, 第6~10 d為隔天取樣。

1.3 數(shù)據(jù)分析

球形棕囊藻豐度以每升出現(xiàn)的囊體數(shù)表示, 單位為colonies·L–1; 其它浮游植物細胞密度以每升出現(xiàn)的細胞數(shù)表示, 單位為cells·L–1。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計和檢驗在SPSS下進行, 采用one-way ANOVA及T檢驗分析不同處理組營養(yǎng)鹽濃度、球形棕囊藻囊體豐度、葉綠素含量及浮游植物細胞密度的差異性, 顯著性水平設(shè)置為P<0.05; 采用Origin繪制參數(shù)變化圖。

2 結(jié)果

2.1 培養(yǎng)實驗中營養(yǎng)鹽濃度的變化

M1/3/6三個處理組的無機氮第1 d開始下降, 之后于1 μmol·L–1左右波動, M3組的無機氮大部分時間皆低于檢測限(圖1a), 該三個處理組的無機氮濃度顯著低于其它處理組(P<0.01)。M2/4/5三個處理組的無機氮濃度隨培養(yǎng)時間的下降趨勢不同, M2組的下降幅度較小, M4/5組在第1~7 d的下降幅度較大。每天添加氮的M7組第1~3 d處于停滯, 第4~12 d則逐步上升。

圖1 氮、磷營養(yǎng)變化培養(yǎng)實驗中無機氮(a)、無機磷 (b)和活性硅酸鹽(c)濃度的變化Fig. 1 Variations of dissolved inorganic nitrogen (a), dissolved inorganic phosphorus (b) and reactive silicate (c) concentrations in different treatments of nutrient addition bioassay

無磷添加的M1/2/7處理組在培養(yǎng)期間無機磷濃度在0~0.40 μmol·L–1之間穩(wěn)定波動(圖1b)。存在磷添加的M3/4/5處理組的無機磷在第1~7 d呈明顯下降趨勢, 第8 d后無明顯下降趨勢。M4組的下降趨勢最為顯著, 從第1 d 的2.5 μmol·L–1降至第7 d的0.31 μmol·L–1。每天添加磷的M6組在第1~7 d無機磷在0.3 μmol·L–1以下波動, 此后逐步上升。

7個處理組的活性硅酸鹽在第1~5 d為快速下降期(圖1c), 從~15 μmol·L–1降至~5 μmol·L–1, 此后無明顯下降趨勢。

2.2 葉綠素a對氮磷營養(yǎng)鹽變化的響應(yīng)

葉綠素a對氮和磷的一次性添加響應(yīng)存在明顯差別(圖2a), M2組對氮添加的響應(yīng)為第2~4 d較慢增長, 第5~8 d穩(wěn)定在~26 μg·L–1, 第9~12 d降至~20 μg·L–1波動。M3組對磷添加的響應(yīng)表現(xiàn)為刺激性增長后快速下降, 第2~4 d快速增長, 第4 d上升至峰值44.5 μg·L–1后逐步下降至第9 d的10.3 μg·L–1。M3組第3~7 d的葉綠素a顯著高于M1及M2組(P<0.05), M2組則是在第9~11 d顯著高于M1及M3組(P<0.05)。磷的添加對前期葉綠素a的促進作用強于氮的添加, 而氮的添加則有利于后期維持葉綠素a的穩(wěn)定。

同時添加氮和磷設(shè)置氮磷比為16︰1和50︰1的M4及M5組葉綠素a顯著高于對照組(P<0.01),高峰期的葉綠素a含量約是其它處理組的2.5倍(圖2b)。第3~6 d為葉綠素a快速增長期, M4組在第6 d達到最高值96.28 μg·L–1, M5峰值達76.58 μg·L–1。第7 d開始下降, 降至第9 d低值約30 μg·L–1后轉(zhuǎn)為上升。兩種氮磷比條件下, 葉綠素a的變化無顯著差異(P>0.05)。

一次性添加和每天添加氮或磷的條件下葉綠素a的變化趨勢大致相同(圖2c, d)。兩種添加方式下,M2及M7組葉綠素a的變化趨勢為前期較慢增長后期平穩(wěn), 在第8~12 d顯著高于對照組(P<0.05)。M3及M6組葉綠素a的變化趨勢為前期快速增長后期快速下降, 含量無顯著差異(P>0.05), 在第3~7 d顯著高于對照組(P<0.05)。營養(yǎng)鹽添加方式對葉綠素a含量的影響無明顯差異。

圖2 一次性添加氮和磷(a)、不同氮磷比(b)、一次性添加和每天添加氮(c)及一次性添加和每天添加磷(d)培養(yǎng)條件下葉綠素a含量的變化Fig. 2 Variations of chlorophyll a in nitrogen and phosphorus addition in once (a), different N/P ratio (b), nitrogen addition in once and daily (c) phosphorus addition in once and daily (d) of different culture conditions

2.3 浮游植物種類組成及細胞密度變化

初始海水中浮游植物主要由硅藻和甲藻組成,種類數(shù)共22種, 其中硅藻18種, 甲藻4種(見表2),優(yōu)勢種為針桿藻(Synedraspp.)、柔弱根管藻(Rhizosolenia delicatula)、中華根管藻(Rhizosolenia Sinensis)及條紋小環(huán)藻(Cyclotella striata)等。值得注意的是, 盡管實驗開始前利用200 μm篩絹對初始海水進行預(yù)處理濾除浮游動物, 但各處理組在培養(yǎng)期間中仍出現(xiàn)浮游動物。硅藻在第1~9 d的密度占絕對優(yōu)勢, 第10 d甲藻的組成比例逐步增加, M4~M7四個處理組中甲藻的比例可高達40%~65%, 優(yōu)勢甲藻種類為微小原甲藻(Prorocentrum minimum)。

表2 原始海水浮游生物物種組成Tab. 2 Plankton species composition of original seawater

續(xù)表

培養(yǎng)過程中, 浮游植物的種類數(shù)表現(xiàn)為隨著培養(yǎng)時間增加而降低的趨勢, 各個處理組的種類數(shù)相差不大(圖3a)。浮游植物細胞密度的變化與葉綠素a含量的變化相似(圖3b), 第3~6 d為細胞密度高峰期,第8 d開始下降。高峰期時, 有氮或磷添加的處理組的細胞密度普遍高于對照組, 同時添加氮和磷的M4及M5組細胞密度呈持續(xù)上升, 最大密度分別為

圖3 氮、磷加富及添加方式實驗中浮游植物物種數(shù)(a)及細胞密度(b)的變化Fig. 3 Variations of phytoplankton species number (a) and cell density (b) in different treatments of nutrient addition bioassay

14.8×105, 15.9×105cells·L–1。

2.4 球形棕囊藻囊體生長對氮磷營養(yǎng)變化的響應(yīng)

本研究培養(yǎng)期間共統(tǒng)計囊體476個, 同時測量直徑及囊體細胞數(shù)量。囊體的生長對氮和磷的添加響應(yīng)存在明顯差別, 添加磷濃度為0.5 μmol·L–1時能刺激囊體快速增長, M3組第6、7 d的囊體豐度顯著高于其它處理組(P<0.05)(圖4a), 豐度于第7 d達峰值4.8×103colonies·L–1, 但第8 d囊體開始大量衰敗, 豐度降至1.2×103colonies·L–1, 第12 d已鏡檢不出囊體。氮添加的M2組囊體豐度的變化與對照組相近, 于第7 d達峰值(2.3±0.2)×103colonies·L–1后, 囊體豐度在1.5×103colonies·L–1穩(wěn)定波動, 培養(yǎng)后期囊體較少出現(xiàn)衰敗。M2組的囊體平均直徑最低為(87±57) μm, M3組的為(115±84) μm, 對照組M1則為(109±89) μm(圖5),各處理組別的囊體直徑無顯著差異(P>0.05)。囊體直徑與囊體細胞數(shù)對數(shù)值的線性回歸的斜率存在差別(表3), 氮添加組M2的斜率為0.55, 低于對照組M1的1.02, 磷添加組M3的斜率則為1.17。磷的添加促進囊體豐度及囊體細胞數(shù)的增長, 但囊體持續(xù)的時間較短,氮的添加則不利于囊體直徑及囊體細胞的生長。

圖4 一次性添加氮和磷(a)、不同氮磷比(b)、一次性添加和每天添加氮(c)及一次性添加和每天添加磷(d)培養(yǎng)條件下囊體豐度的變化Fig. 4 Variations of colony density in nitrogen and phosphorus addition in once (a), different N/P ratio (b), nitrogen addition in once and daily (c) phosphorus addition in once and daily (d) of different culture condition

圖5 氮、磷營養(yǎng)變化培養(yǎng)實驗中球形棕囊藻的囊體直徑變化Fig. 5 Colony diameters of Phaeocystis globosa in different treatments of nutrient addition bioassay

同時添加氮和磷設(shè)置氮磷比為16︰1和50︰1的M4及M5組, 囊體數(shù)量無明顯提高。M5組囊體豐度變化與對照組基本一致(圖4b), 第4~7 d逐漸上升至峰值后穩(wěn)定波動, M6組的囊體豐度則在1×103colonies·L–1~2×103colonies·L–1間來回波動。兩個處理組的囊體平均直徑較其它處理組高(圖5), 分別為(133±74) μm和(139±96) μm, M4和M5組囊體直徑與囊體細胞數(shù)的線性回歸斜率分別為1.31和0.86(表3), 氮磷比升高限制囊體細胞數(shù)的增長。

表3 氮、磷加富及添加方式實驗中球形棕囊藻的囊體直徑與囊體細胞數(shù)量對數(shù)值線性回歸斜率比較Tab. 3 Logarithm relationships between colony diameter and colonial cell number of Phaeocystis globosa in different treatments of nutrient addition bioassay

囊體豐度對一次性添加和每天添加氮的響應(yīng)存在差異, 一次性添加氮的M2組囊體豐度變化與對照組相近, 于第4、5 d形成, 第7 d達到峰值后波動穩(wěn)定。每天添加氮的M7組囊體于第1 d形成, 并持續(xù)至第12 d, 但豐度較低(圖4c), 第7~10 d的囊體豐度顯著低于其它組(P<0.05)。每天添加氮組的囊體平均直徑(110±91) μm大于一次性添加氮的直徑(87±57) μm (圖5), 每天添加氮的M7組囊體直徑與囊體細胞數(shù)的回歸斜率為0.79, 高于M2組的0.55。

囊體數(shù)量對一次性添加和每天添加磷的響應(yīng)皆在前期表現(xiàn)為刺激生長的作用(圖4D), 一次性添加磷的刺激作用較強, M3組囊體豐度從第5 d的1.0×103colonies·L–1上升至第7 d的4.8×103colonies·L–1,但第8 d即回落至1.2× 103colonies·L–1。每天添加磷的M6囊體較早出現(xiàn)響應(yīng), 第5 d即上升至2.0×103colonies·L–1, 囊體豐度高值維持至第9 d, 第10 d回落至0.4×103colonies·L–1。兩種添加方式下的囊體平均直徑相近(圖5), 一次性添加磷的M3組囊體直徑與囊體細胞數(shù)的回歸斜率為1.17, 高于M6組的0.79。

2.5 球形棕囊藻生長與環(huán)境因子的關(guān)系

將7個處理組的囊體數(shù)據(jù)與環(huán)境因子進行Spearman相關(guān)分析, 結(jié)果見表4。囊體豐度與活性硅酸鹽濃度呈顯著負相關(guān)(P<0.01), 囊體細胞數(shù)與無機磷濃度、葉綠素a含量及浮游植物細胞密度呈顯著正相關(guān)(P<0.01,P<0.01,P<0.05)。

表4 氮磷營養(yǎng)變化下球形棕囊藻囊體參數(shù)與營養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度、生物量及物種數(shù)的Spearman相關(guān)系數(shù)Tab. 4 Spearman correlation coefficients between colony parameters of Phaeocystis globosa and nutrient concentrations and biomass and species number in different treatments of nutrient addition bioassay

3 討論

原始海水中N/P比為12, 接近Redfield比值,Redfield比值是反映浮游植物對氮磷營養(yǎng)鹽需求的平均水平[26], 營養(yǎng)鹽限制的研究結(jié)合加富實驗、營養(yǎng)吸收動力學等可更全面分析。本研究中通過單獨添加和同時添加氮、磷營養(yǎng)的培養(yǎng)實驗, 表明氮和磷是浮游植物生長的共同限制因子, 其中磷是浮游植物生長的主要限制因子。

浮游植物的群落的結(jié)構(gòu)受環(huán)境中營養(yǎng)鹽變化的影響[27], 在營養(yǎng)充足條件下, 繁殖速率高的硅藻易成為優(yōu)勢類群, 當營養(yǎng)鹽缺乏時, 具有較強營養(yǎng)儲備能力的甲藻則成為優(yōu)勢類群[28]。初始海水中硅藻占絕對優(yōu)勢, 前期的優(yōu)勢種有根管藻(Rhizosoleniaspp.)、海線藻(Thalassionemaspp.)、海鏈藻(Thalassiosiraspp.)及條紋小環(huán)藻(Cyclotella striata)等。同時添加氮和磷的M4和M5組, 葉綠素a及細胞密度明顯提高, 但球形棕囊藻囊體豐度維持在較低水平, 表明氮和磷營養(yǎng)充足時球形棕囊藻無法獲得競爭優(yōu)勢。隨著硅酸鹽大量消耗降至較低水平時, 囊體豐度逐步上升,從而與硅酸鹽濃度呈現(xiàn)負相關(guān)。球形棕囊藻藻華通常發(fā)生在硅藻藻華后[8], 較大型硅藻和鏈狀硅藻是棕囊藻赤潮消長過程中常見的伴生浮游植物[29-30]。硅藻可為棕囊藻囊體提供附著基質(zhì), 使其穩(wěn)定懸浮于水體中有利于囊體的進一步形成[2,31]。囊體豐度峰值出現(xiàn)在浮游植物細胞密度峰值之后, 各處理組中囊體大量形成的第5~7 d, 浮游植物細胞密度仍較高。隨著硅酸鹽的消耗, 培養(yǎng)后期硅藻的比重逐步下降, 甲藻的比重逐步提高。甲藻具有攝食棕囊藻的能力, 其豐度常隨棕囊藻藻華暴發(fā)而提高[32], 從囊體中逃逸的單細胞可能成為甲藻的食物來源, 使得甲藻豐度提高[33]。

北部灣現(xiàn)場調(diào)查中球形棕囊藻囊體在水溫為19~21 ℃時具有較高豐度, 囊體豐度介于103~106colonies·L–1,直徑主要分布在1~5 mm[34-35]。本研究中囊體豐度不超過103colonies·L–1, 囊體直徑小于1 mm, 培養(yǎng)時的“瓶子效應(yīng)”是影響囊體豐度和直徑的因素之一。本研究所用的光強與現(xiàn)場光強的差別亦可能是影響因素之一, 囊體在光強超過40 μmol·(m2·s)–1時形成,高光條件下囊體數(shù)量提高[36]。游離單細胞的增殖是囊體存在的基礎(chǔ), 而自然海區(qū)中游離單細胞常聚集在低光照區(qū)域, 藻華亦通常發(fā)生在低光照和渾濁、湍流的海域[37]。本研究僅討論低光條件下, 球形棕囊藻囊體對氮、磷營養(yǎng)變化的響應(yīng)。自然海區(qū)條件下, 水體的擾動及氣體交換等條件有利于囊體對營養(yǎng)的吸收[38], 在形成藻華時囊體直徑與囊體細胞的對數(shù)回歸斜率可達2.44[39]。實驗室培養(yǎng)條件下給培養(yǎng)基提供不同程度的擾動能顯著提高囊體直徑和囊體細胞數(shù)量[40]。本研究中僅每天對培養(yǎng)瓶進行一次搖勻, 球形棕囊藻處于靜止的狀態(tài), 亦可能是影響囊體直徑的因素之一。囊體粒徑的不匹配是球形棕囊藻抵御浮游動物攝食的有效策略[41], 攝食壓力的存在能加快囊體的形成, 促進囊體直徑的增長, 且維持囊體長時間存在[42]。本研究中, 培養(yǎng)海水經(jīng)過200 μm篩絹過濾后, 各處理組仍不同程度地出現(xiàn)了浮游動物,攝食壓力對處理組組囊體的形成和持續(xù)產(chǎn)生一定的影響。

囊體由游離單細胞不斷分裂并產(chǎn)生粘性物質(zhì)而形成, 囊體細胞通過二分裂增殖, 囊體隨之增大[2,7]。囊體形態(tài)的維持需要囊體細胞供給物質(zhì)和能量, 額外物質(zhì)和能量的投入并不會降低囊體細胞的生長速率[10], 且稀疏的囊體細胞密度會限制體積的增大[43]。實驗室條件下以f/2培養(yǎng)基進行培養(yǎng)時, 囊體直徑與囊體細胞數(shù)的對數(shù)線性回歸斜率為1.52[24]。本研究中,各處理組的斜率皆低于1.50, 添加氮的處理組斜率皆較低, 表明氮的添加對囊體細胞的增殖無促進作用;囊體細胞數(shù)與無機磷濃度呈正相關(guān), 表明磷的添加有利于囊體細胞的增加。磷作為生命細胞組成, 以磷脂形式在細胞的分裂增殖中起重要作用[44], 磷充足的條件下, 有利于囊體細胞的增殖, 從而擴大囊體直徑。通常稀疏的囊體細胞密度會導致囊體形態(tài)不穩(wěn)定且易碎[43,45], 而M2及M7組中囊體持續(xù)穩(wěn)定生長至第12d, M3組具有較高的囊體密度但持續(xù)時間較短?？赏茰y氮營養(yǎng)鹽在囊體粘性外被形成中起重要作用,粘性多糖由囊體細胞產(chǎn)生, 是形成囊體外被維持囊體形態(tài)的重要物質(zhì)[46]。初始海水在一次性添加磷后, 生物量的迅速增加加快了營養(yǎng)鹽的消耗速率, 過早的營養(yǎng)鹽耗盡會導致囊體細胞提前溢出或消散加快囊體的衰敗[40], 可推測M3組快速生長的大量囊體可能因氮營養(yǎng)的供應(yīng)不足導致囊體外被形成和維持受限, 當囊體外被薄弱時囊體形態(tài)易變形和破裂[43], 因此囊體維持時間較短。

球形棕囊藻在較低的N/P比(5.9~19.6)下具有較高的生長速率[47], 藻華發(fā)生時低N/P比水體中囊體豐度較高, 磷酸鹽的限制是導致藻華消亡的主要原因[38,48]。本研究中同時添加氮和磷調(diào)節(jié)不同氮磷比條件下囊體數(shù)量無明顯優(yōu)勢, 但最佳N/P比16︰1的M4組囊體形態(tài)更緊致, 具有較高的囊體直徑及囊體細胞數(shù), 隨著氮磷比升高囊體細胞密度下降, 表明充足氮磷營養(yǎng)條件是囊體形態(tài)維持的物質(zhì)基礎(chǔ),磷在囊體細胞生長過程中起重要作用。

營養(yǎng)鹽的輸入方式對浮游植物生長的影響不同,一次性大量輸入的營養(yǎng)鹽添加方式有利于具有較高營養(yǎng)儲存能力的種類(儲存策略者), 少量且頻繁的脈沖式輸入方式有利于具有快速生長速率的種類(生長策略者)[49]。本研究中, 每天添加的輸入方式第1~3 d的細胞豐度上升速度較一次性添加的快,表明浮游植物群落以生長策略者為主。一次性添加和每天添加磷皆可刺激囊體豐度的增加, 但每天添加時囊體豐度高峰可持續(xù)更長時間, 表明球形棕囊藻偏向生長策略。生長策略者通常具有較高的Vmax,適應(yīng)于以高吸收速率迅速獲取外界脈沖式輸入的營養(yǎng)[50]。游離單細胞是囊體形成的物質(zhì)基礎(chǔ)[43], 具有較高的生長速率[8], 可推測游離單細胞在脈沖式營養(yǎng)鹽條件下的生長特性有利于囊體的形成, 從而在第5~9 d維持較高的囊體豐度, 相比一次性添加磷, 每天添加磷時球形棕囊藻囊體更有可能在群落競爭中獲得優(yōu)勢。兩種添加方式下磷添加組的囊體數(shù)量、囊體直徑及囊體細胞的生長皆優(yōu)于氮添加組,在N/P比持續(xù)上升的欽州灣[14-15], 一旦發(fā)生突然的磷污染, 則容易刺激球形棕囊藻囊體的快速大量形成而引發(fā)藻華。

4 結(jié)論

本研究于2019年1月采用欽州灣海域可觀察到球形棕囊藻囊體的表層海水進行了營養(yǎng)鹽加富培養(yǎng)實驗得到的主要結(jié)果如下:

(1) 氮和磷營養(yǎng)是欽州灣浮游植物生長的共同限制因子, 其中磷是首要限制因子。

(2) 硅藻是培養(yǎng)過程中的優(yōu)勢類群, 球形棕囊藻囊體繼浮游植物細胞密度高峰期后大量形成。

(3) 添加氮后球形棕囊藻可形成囊體, 但不利于囊體數(shù)量、囊體直徑及囊體細胞數(shù)的增長;

(4) 一次性添加和每天添加磷均可刺激囊體大量形成, 并有利于囊體直徑的增加, 一次性添加磷促進囊體細胞的增長但囊體衰退較快, 每天添加磷的方式則有利于囊體豐度的維持。