三嗪除草劑撲草凈對海洋浮游植物群落的影響——基于對微藻種群動態(tài)、種間競爭和光合能力的分析

李怡蕾,梁 偉,2,趙子昂,汝少國,張曉娜*

三嗪除草劑撲草凈對海洋浮游植物群落的影響——基于對微藻種群動態(tài)、種間競爭和光合能力的分析

李怡蕾1,梁 偉1,2,趙子昂1,汝少國1,張曉娜1*

(1.中國海洋大學海洋生命學院,山東 青島 266003；2.山東省生態(tài)環(huán)境廳,山東 濟南 250102)

以三角褐指藻()、海水小球藻()和球等鞭金藻()為研究對象,設(shè)置單藻培養(yǎng)組和雙藻1:1(細胞密度比)共培養(yǎng)組,研究了撲草凈對3種海洋餌料微藻種群動態(tài)、光合能力和種間競爭的影響.結(jié)果表明,撲草凈對三角褐指藻、海水小球藻和球等鞭金藻的96h-EC50值分別為為7.65,16.67,4.11μg/L,撲草凈對3種微藻的毒性大小為:球等鞭金藻>三角褐指藻>海水小球藻;撲草凈通過抑制微藻的光合作用使微藻種群數(shù)量顯著降低;撲草凈暴露減弱了海水小球藻對三角褐指藻的競爭抑制且暴露于環(huán)境濃度(0.5和5μg/L)撲草凈12d后便可導致海水小球藻和球等鞭金藻共培養(yǎng)體系中的敏感種球等鞭金藻全部消亡,最終使得種間作用向著更有利于硅藻的方向發(fā)展.研究結(jié)果為評估三嗪類除草劑撲草凈的海洋生態(tài)風險提供了理論支撐.

撲草凈；海洋微藻；種群動態(tài)；種間競爭；光合作用

近年來,農(nóng)業(yè)和漁業(yè)活動中三嗪類除草劑撲草凈(Prometryn)的大量使用,導致其環(huán)境風險不容忽視.通過對我國黃渤海沿岸部分海域的三嗪類除草劑殘留調(diào)查發(fā)現(xiàn),黃河入?？卩徑Ｓ驌洳輧魸舛让黠@高于其他海域[1].在我國重點流域地表水及渤海、黃海、南海八門灣等近岸海域均有撲草凈檢出,其檢出濃度范圍為0.015～7.12μg/L[1-5].撲草凈屬于光系統(tǒng)II A位點抑制劑[6],因而海洋中的浮游植物是最易受其影響的物種[7].

近年,關(guān)于三嗪類除草劑對海洋浮游植物影響的研究大多關(guān)注單一藻種的光合能力變化和氧化應(yīng)激反應(yīng)[8-11],而海洋生態(tài)系統(tǒng)中多種微藻共存,并且存在著種間競爭等生物相互作用,因此僅基于單一藻種的毒性實驗難以真實地反映撲草凈對海洋浮游植物的影響.已有研究報道,環(huán)境污染物暴露會影響甚至逆轉(zhuǎn)微藻間的種間競爭關(guān)系[12-15],但這些研究多聚焦于微藻的生長情況和競爭優(yōu)勢的變化[16-18],而對于競爭關(guān)系發(fā)生改變的內(nèi)在原因有待進一步探究.此外,由于浮游植物是很多浮游動物甚至魚類的餌料,因而當污染物導致的種間競爭優(yōu)勢變化使得浮游植物的群落結(jié)構(gòu)變得單一,會導致更高營養(yǎng)級的生物攝入的營養(yǎng)物質(zhì)單一化,進而影響其生長發(fā)育.而目前關(guān)于海洋微藻種間競爭的研究多集中于赤潮藻種,鮮有研究報道除草劑等污染物對海洋餌料微藻種群動態(tài)及種間競爭的影響.

本研究探究了撲草凈對海洋中常見的3種餌料微藻種群動態(tài)、種間競爭的影響,并基于分析微藻光合能力變化解析撲草凈影響微藻種群動態(tài)和種間競爭關(guān)系的潛在原因.研究結(jié)果有助于了解撲草凈在決定浮游植物種間競爭優(yōu)勢中的潛在作用以及撲草凈脅迫下浮游植物群落結(jié)構(gòu)的變化,以期為評估撲草凈等三嗪類除草劑的海洋生態(tài)風險提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 藻種和培養(yǎng)方法

硅藻門的三角褐指藻(),綠藻門的海水小球藻()和金藻門的球等鞭金藻()是海洋中常見的3種餌料微藻.其中,三角褐指藻作為海水經(jīng)濟硅藻,常用作蝦、貝類和魚類的餌料[19],具有較高的二十碳五烯酸(EPA)含量[20];海水小球藻含有豐富的游離氨基酸[21],是一種公認的優(yōu)質(zhì)植物蛋白源[22],常用作浮游動物及魚類的餌料[23];球等鞭金藻具有較高的二十二碳六烯酸(DHA)含量,因沒有細胞壁[24],較易被貝類等幼蟲消化吸收,也是一種重要的水產(chǎn)養(yǎng)殖優(yōu)質(zhì)餌料微藻[25].基于這3種海洋餌料微藻的經(jīng)濟價值和生態(tài)價值,本研究選取上述3種海洋微藻進行實驗.

三角褐指藻、海水小球藻以及球等鞭金藻均取自中國海洋大學藻種庫.藻種在裝有f/2海水培養(yǎng)基[26]的250mL錐形瓶中培養(yǎng),培養(yǎng)溫度為(20±1℃),光照強度約為2000Lux,光暗比為12h:12h(L/D),每天定時手動搖動錐形瓶3次,取處于對數(shù)生長期的微藻用于實驗.

1.2 實驗藥品

撲草凈購自Sigma公司(美國Sigma-Aldrich公司,CAS:7287-19-6).

1.3 實驗方案

1.3.1 撲草凈對3種微藻急性毒性實驗 根據(jù)OECD化學品測試指南(OECD,2011)描述的方法進行實驗:選用內(nèi)含100mL f/2海水培養(yǎng)基的250mL錐形瓶進行實驗,三角褐指藻、海水小球藻和球等鞭金藻的初始密度均為5×104cells/mL,通過預實驗確定抑制3種微藻5%～95%生長的撲草凈濃度,按照等比設(shè)置7個不同撲草凈濃度(1,2,4,6,8,16,32μg/L)暴露組,同時設(shè)置空白對照組和二甲基亞砜(DMSO)溶劑對照組(0.005%v/v),每組設(shè)定3個重復,每天定時搖動錐形瓶3次.培養(yǎng)96h后,用血球計數(shù)板在熒光顯微鏡下計數(shù)各組的藻細胞密度(×105cells/mL),計算各處理組微藻生長量的抑制率,利用GraphPad Prism 8.0進行分析,獲得撲草凈對3種微藻的半數(shù)抑制濃度(EC50).

1.3.2 撲草凈對3種微藻暴露實驗

(1)單藻體系暴露實驗實驗在含有200mL f/2海水培養(yǎng)基的500mL錐形瓶中進行,將處于指數(shù)生長期的藻液分別添加到培養(yǎng)基中,使微藻的初始密度均為1×105cells/mL,培養(yǎng)條件同1.1.參考撲草凈在我國重點流域地表水(5.28～7.12μg/L)[4]及黃海、渤海近岸海域(0.627μg/L)[1]檢出濃度,本研究設(shè)置了0.5和5μg/L 2個環(huán)境相關(guān)濃度.另有研究表明,撲草凈具有較強的生物積累性,長期生活在撲草凈污染環(huán)境的生物體內(nèi)撲草凈蓄積量可能較高[27-28],因此,本文還設(shè)置了50μg/L的高濃度處理組.同時設(shè)置空白對照組和DMSO溶劑對照組(0.005%/),每個處理組設(shè)定3個平行實驗.每天定時搖動錐形瓶3次,并隨機調(diào)換錐形瓶在光照培養(yǎng)箱的擺放位置,以避免光照可能帶來的實驗誤差.實驗周期為14d,使藻生長至接近或達到最大密度.

(2)雙藻體系暴露實驗由于硅藻是海洋中占比最大的微藻,考慮到其巨大的生態(tài)價值,因此本文以三角褐指藻為主要研究對象,共設(shè)置了2種共培養(yǎng)體系,分別為三角褐指藻和海水小球藻共培養(yǎng)體系以及三角褐指藻和球等鞭金藻共培養(yǎng)體系.將2種微藻等初始密度(1×105cells/mL)地接種在含有200mL f/2海水培養(yǎng)基的500mL錐形瓶中.培養(yǎng)條件、撲草凈暴露濃度以及實驗周期均與單藻體系暴露實驗相同.

1.3.3 三種微藻生長量和葉綠素熒光參數(shù)的測定實驗期間,每2d取樣,采集1mL樣本,并立即用Lugol’s碘液固定,使用血細胞計數(shù)法測定藻細胞密度.在實驗的第0.5,1,2,3,4,6,8,10,12和14d,采集各組樣本3mL,將樣品暗處理30min后利用浮游植物熒光儀測定其PSII的最大光量子產(chǎn)量(Fv/Fm),實際光合效率[Y(Ⅱ)],光能利用率(α),最大潛在相對電子傳遞速率(ETRmax)等葉綠素熒光參數(shù).

1.3.4 藻類生長與競爭模型分析

(1)擬合藻類的生長曲線采用Logistic方程的積分式擬合微藻生長曲線:

N=/(1+e-rt) (1)

式中:N指在時刻的藻細胞濃度,105cells/mL;為環(huán)境負載能力;表示生長曲線截距系數(shù),其值取決于0,0=/(1+e);為種群瞬時增長率;表示時間,d.利用統(tǒng)計軟件SPSS 27.0進行非線性回歸分析,獲得和的估計值.

(2)計算藻類競爭抑制系數(shù)采用Lotka-Volterra競爭模型[29]差分形式分別分析混合組的兩種藻在不同濃度撲草凈暴露下的種間關(guān)系:

(N-N-1)/(t-t-1) =rN-1(K-N-1-αN-1)/K(2)

(N-N-1)/(t-t-1) =rN-1(K-N-1-βN-1)/K(3)

式中:N和N為微藻,(,表示3種微藻中的2種)在t時的細胞密度,(105cells/mL;N-1和N-1分別為微藻,在t-1時的細胞密度,×105cells/mL;r和r為微藻和的增長率(單獨培養(yǎng)由logistic方程計算獲得);K和K為微藻,單培養(yǎng)時的最大環(huán)境容量(單獨培養(yǎng)由logistic方程計算獲得);為微藻對微藻的競爭抑制參數(shù);為微藻對微藻的競爭抑制參數(shù).

生長曲線拐點(T)反映了競爭抑制的開始[30],生長曲線拐點利用公式(4)計算,T取整數(shù)[31].

T=(-ln2)/(4)

利用式(2)、(3)計算微藻共同培養(yǎng)組在拐點后的各取樣時間點微藻p,q的競爭抑制參數(shù),取α和β的平均值評價2種藻在培養(yǎng)期間的整體抑制情況.

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗所有數(shù)據(jù)均以(平均值±標準差)(=3)表示,處理之間的差異顯著性(<0.05)采用SPSS 27.0軟件中的單因素方差分析(one-way ANOVA)確定.利用SPSS 27.0、Origin 2021、Excel 2019軟件進行模型擬合、數(shù)據(jù)分析以及作圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 撲草凈對3種微藻的急性毒性

如圖1所示,撲草凈對3種海洋微藻的生長抑制具有明顯的劑量效應(yīng)關(guān)系,撲草凈對三角褐指藻96h-EC50值為7.65μg/L,對海水小球藻的96h-EC50值為16.67μg/L,對球等鞭金藻的96h-EC50值為4.11μg/L.可見,3種海洋微藻對撲草凈的敏感性具有明顯差異.其中,撲草凈對球等鞭金藻的毒性最大,對三角褐指藻次之,對海水小球藻毒性最小.

2.2 不同濃度撲草凈暴露下單獨培養(yǎng)3種微藻的種群動態(tài)變化

時間(d)

圖2 不同濃度撲草凈暴露下單獨培養(yǎng)3種微藻的生長曲線

Fig.2 Cell abundances of three microalgae in monocultures incubated with different doses of prometryn

不同濃度撲草凈暴露下,單獨培養(yǎng)3種微藻的生長狀況如圖2所示.三角褐指藻,海水小球藻和球等鞭金藻的最大生物量()均出現(xiàn)在對照組(0μg/L),分別為108.063×105cells/mL、61.343×105cells/mL和31.981×105cells/mL(表1).與對照組相比,在5和50μg/L撲草凈暴露下,三角褐指藻的最大生物量(K)分別降低29.7%和44.5%,種群瞬時生長率(r)則分別降低了14.9%和27.4%.此外,50μg/L撲草凈暴露使得三角褐指藻生長曲線拐點(p)出現(xiàn)的時間延后了3d.撲草凈暴露同樣使海水小球藻的生長受到明顯抑制,隨撲草凈濃度的增加,其最大生物量()分別降低了15.2%、29.1%和94.6%.對于球等鞭金藻,在0.5和5μg/L撲草凈暴露下,其最大生物量()分別降低了9.5%和27.5%(表1),而在50μg/L撲草凈暴露下,球等鞭金藻的生長則幾乎被完全抑制(圖2(c)).

表1 不同濃度撲草凈暴露下單獨培養(yǎng)組中3種微藻的種群生長邏輯斯蒂方程和生長曲線拐點

注:由于50μg/L撲草凈暴露組球等鞭金藻的細胞密度一直維持在較低水平,因此無法擬合出該處理組中球等鞭金藻生長曲線的邏輯斯蒂方程.

2.3 不同濃度撲草凈暴露下三角褐指藻和海水小球藻共培養(yǎng)組中2種微藻的種群動態(tài)變化和種間競爭狀況

不同濃度撲草凈暴露下三角褐指藻和海水小球藻共培養(yǎng)組中2種微藻的生長狀況如圖3所示.三角褐指藻為共培養(yǎng)體系中的優(yōu)勢種,在對照組(0μg/L)、0.5和5μg/L處理組,2種微藻仍能保持一定速率的增長,但其細胞密度均顯著低于同等條件下的單獨培養(yǎng)組(<0.05)(圖3(a)～(c)).在50μg/L撲草凈處理組,共培養(yǎng)體系中的海水小球藻甚至無法生長(圖3(d)).不同濃度撲草凈暴露下共培養(yǎng)體系中2種微藻拐點后的競爭抑制參數(shù)見表3,對照組中α1和β1的平均值分別為1.49和5.38, 0.5μg/L處理組中α2和β2的平均值分別為1.00和4.73,5μg/L處理組中α3和β3的平均值分別為1.37和3.67,50μg/L處理組中,α4的平均值為0.21.由以上數(shù)據(jù)可以看出,不同濃度撲草凈暴露下2種微藻共培養(yǎng)時,三角褐指藻和海水小球藻對彼此的生長均產(chǎn)生了一定的抑制作用,其中海水小球藻對三角褐指藻的抑制作用更強,但海水小球藻對三角褐指藻的競爭抑制作用會隨著撲草凈濃度的增加而減弱.

圖3 不同濃度撲草凈暴露下三角褐指藻和海水小球藻共培養(yǎng)中2種微藻的生長曲線

表2 不同濃度撲草凈暴露下三角褐指藻和海水小球藻共培養(yǎng)組中2種微藻的種群生長邏輯斯蒂方程和生長曲線拐點

注:50μg/L撲草凈暴露下,由于三角褐指藻和海水小球藻共培養(yǎng)組中的海水小球藻細胞密度一直維持在較低水平,因此無法擬合出該處理組中海水小球藻生長曲線的邏輯斯蒂方程.

表3 不同濃度撲草凈暴露下三角褐指藻和海水小球藻共培養(yǎng)組中2種微藻拐點后的競爭抑制參數(shù)

注:50μg/L撲草凈暴露下,由于無法確定三角褐指藻和海水小球藻共培養(yǎng)組中海水小球藻生長曲線的拐點,因此無法計算出β4.

2.4 不同濃度撲草凈暴露下三角褐指藻和球等鞭金藻共培養(yǎng)中2種微藻的種群動態(tài)變化和種間競爭狀況

圖4 不同濃度撲草凈暴露下三角褐指藻和球等鞭金藻共培養(yǎng)中2種微藻的生長曲線

注:三角褐指藻和球等鞭金藻共培養(yǎng)時,由于各處理組中球等鞭金藻的藻細胞密度過低,因此無法擬合出各處理組中球等鞭金藻生長曲線的邏輯斯蒂方程.

不同濃度撲草凈暴露下,三角褐指藻和球等鞭金藻共培養(yǎng)中2種微藻的生長狀況如圖4所示.三角褐指藻為體系中的優(yōu)勢種,在各處理組中仍能保持一定的速率生長.而球等鞭金藻的生長受到明顯抑制,在與三角褐指藻共培養(yǎng)12d后其細胞逐漸全部消亡(圖4(a)～(c)),特別是在高濃度(50μg/L)撲草凈暴露組,球等鞭金藻幾乎無法生存(圖4(d)).由表5,對照組(0μg/L)中α1的平均值為0.93,0.5μg/L處理組中α2的平均值為0.93,5μg/L處理組中α3的平均值為0.76.

表5 不同濃度撲草凈暴露下三角褐指藻和球等鞭金藻共培養(yǎng)組中2種微藻拐點后的競爭抑制參數(shù)

注:由于無法擬合出單獨培養(yǎng)時50μg/L撲草凈處理組球等鞭金藻生長曲線的邏輯斯蒂方程,因此無法計算得到α4.由于無法確定三角褐指藻和球等鞭金藻共培養(yǎng)時各處理組中球等鞭金藻生長曲線的拐點,因此無法計算得到β5、β6、β7和β8.

由以上數(shù)據(jù)可知,共培養(yǎng)體系中三角褐指藻對球等鞭金藻的生長產(chǎn)生了抑制作用,0.5和5μg/L撲草凈暴露會使三角褐指藻對球等鞭金藻的競爭抑制參數(shù)降低,這表明撲草凈會減弱三角褐指藻的競爭抑制能力.雖然無法計算出球等鞭金藻對三角褐指藻的競爭抑制參數(shù),但在共培養(yǎng)時,不同濃度撲草凈處理組中三角褐指藻的最大生物量均顯著低于對應(yīng)處理組單獨培養(yǎng)時的最大生物量(<0.05),這也在一定程度上說明球等鞭金藻的存在對三角褐指藻的生長產(chǎn)生了一定的抑制作用.

2.5 不同濃度撲草凈暴露對單獨培養(yǎng)和共培養(yǎng)中藻類光合能力的影響

2.5.1 不同濃度撲草凈暴露對單獨培養(yǎng)和共培養(yǎng)中藻類v/m的影響 單獨培養(yǎng)三角褐指藻、海水小球藻和球等鞭金藻時,3種微藻的v/m基本呈現(xiàn)隨撲草凈濃度升高而降低的趨勢(圖5(a)～(c)),這表明撲草凈抑制了藻類的光合作用.與三角褐指藻和海水小球藻相比,球等鞭金藻對撲草凈的響應(yīng)更為顯著(圖5(c)).三角褐指藻和海水小球藻共同培養(yǎng)體系的v/m與單獨培養(yǎng)海水小球藻的v/m趨勢相似(圖5(d)),而三角褐指藻和球等鞭金藻共同培養(yǎng)體系的v/m與單獨培養(yǎng)三角褐指藻的v/m趨勢相似(圖5(e)).

圖5 不同濃度撲草凈暴露對藻類最大光量子產(chǎn)量(Fv/Fm)的影響

2.5.2 不同濃度撲草凈暴露對單獨培養(yǎng)和共培養(yǎng)中藻類[(Ⅱ)]的影響 如圖6(a)～(c)所示,單獨培養(yǎng)三角褐指藻,海水小球藻和球等鞭金藻時,在5μg/L和50μg/L撲草凈暴露組中,3種微藻的[(Ⅱ)]顯著低于對照組.在三角褐指藻和海水小球藻共培養(yǎng)體系中[(Ⅱ)]較單獨2種微藻單獨培養(yǎng)時顯著升高(圖6(d)),而三角褐指藻和球等鞭金藻共同培養(yǎng)體系的[(Ⅱ)]與三角褐指藻單獨培養(yǎng)的變化趨勢相似(圖6(e)).

2.5.3 不同濃度撲草凈暴露對單獨培養(yǎng)和共培養(yǎng)中藻類α的影響 如圖7A-B(a)～(b)顯著低于對照組,高濃度(50μg/L)撲草凈暴露下,因為α值過低無法測出.在三角褐指藻和海水小球藻共培養(yǎng)體系中α較單獨2種微藻單獨培養(yǎng)時顯著升高(圖7(d)),而三角褐指藻和球等鞭金藻共同培養(yǎng)體系的α與三角褐指藻單獨培養(yǎng)的變化趨勢相似(圖7(e)).

圖6 不同濃度撲草凈暴露對藻類實際光合效率(Y[(Ⅱ)])的影響

2.5.4 不同濃度撲草凈暴露對單獨培養(yǎng)和共培養(yǎng)中藻類ETRmax的影響 單獨培養(yǎng)三角褐指藻和球等鞭金藻時,三種微藻的ETRmax隨撲草凈濃度升高而降低(圖8(a)～(b)),在50μg/L撲草凈暴露組中藻類的ETRmax無法測得,這表明撲草凈抑制了藻類 PSII相對電子傳遞速率.無論是在三角褐指藻和海水小球藻共同培養(yǎng)體系還是三角褐指藻和球等鞭金藻共同培養(yǎng)體系中,ETRmax值均顯著大于同樣條件下的單獨培養(yǎng),但仍表現(xiàn)出隨撲草凈濃度增加而降低的趨勢(圖8(c)～(d)).

圖7 不同濃度撲草凈暴露對藻類光能利用率(α)的影響

圖8 不同濃度撲草凈暴露對藻類最大潛在相對電子傳遞速率(ETRmax)的影響

3 討論

本文分別測定了三嗪類除草劑撲草凈對三角褐指藻、海水小球藻和球等鞭金藻生長的抑制,并計算其96h-EC50分別為7.65,16.67和4.11μg/L,表明撲草凈對3種微藻的急性毒性存在明顯差異,其毒性強弱依次為:球等鞭金藻>三角褐指藻>海水小球藻.Wang等[32]的研究也發(fā)現(xiàn)撲草凈對中肋骨條藻()的急性毒性(96h-EC50 5.33μg/L)高于對三角褐指藻的(96h-EC50 8.86μg/ L).這種毒性差異可能與微藻自身的生物學特性有關(guān)[33],三角褐指藻具有硅質(zhì)外壁,能在一定程度上阻礙污染物進入細胞[34],球等鞭金藻細胞裸露沒有細胞壁[35],使其對外源污染物的脅迫更為敏感.本文的研究發(fā)現(xiàn),海水小球藻的葉綠素熒光參數(shù)均高于另外2種微藻,表明海水小球藻的光合活性較三角褐指藻和球等鞭金藻更強.另外有研究報道,小球藻還具有較其他微藻更強的抗氧化系統(tǒng)[36-38].因而,良好的光合活性和較強的抗氧化系統(tǒng),使得撲草凈對海水小球藻的毒性最弱.

撲草凈作用的靶標是光系統(tǒng)Ⅱ中質(zhì)體醌QA與QB間的D1蛋白,撲草凈與其結(jié)合后會導致D1蛋白的氨基酸結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,從而抑制電子從質(zhì)體醌QA向質(zhì)體醌QB傳遞,使得光合作用無法正常進行[39].光合作用是浮游植物積累營養(yǎng)物質(zhì)的重要途徑之一[40],該過程被抑制則會嚴重影響浮游植物的生長.葉綠素熒光參數(shù)是反映浮游植物光合能力的重要指標[41].本文的研究發(fā)現(xiàn),3種微藻PSII的最大光量子產(chǎn)量(v/m)、實際光合效率[(Ⅱ)]、相對電子傳遞速率(ETRmax)和光能利用率(α)均基本呈現(xiàn)出隨撲草凈濃度升高而降低的趨勢.微藻的生長情況與葉綠素熒光參數(shù)的變化基本一致,隨著撲草凈濃度的增加,3種微藻的最大生物量(K)也呈不斷降低趨勢.同樣地,Wilkinson等[42]的研究發(fā)現(xiàn)12.5μg/L撲草凈暴露導致斜生柵藻()光合效率下降,抑制了光能的吸收、轉(zhuǎn)移和利用,導致微藻種群數(shù)量的減少.這說明撲草凈會通過影響藻類光合作用使藻細胞內(nèi)能量代謝和物質(zhì)代謝紊亂,進而導致藻類生物量的降低.

種間競爭是海洋浮游植物群落中普遍存在的種間關(guān)系[43].目前,在藻間競爭關(guān)系的研究中大多使用Lotka-Volterra模型來進行微藻競爭能力表征,模型中的競爭抑制參數(shù)反映了種群競爭能力的大小[44].在共培養(yǎng)體系,3種微藻的最大生物量()均明顯低于同樣條件下單獨培養(yǎng)體系中的,這表明微藻之間存在種間競爭[45].本文發(fā)現(xiàn),在三角褐指藻和海水小球藻共培養(yǎng)體系中,海水小球藻對三角褐指藻的競爭抑制參數(shù)更大.但有研究表明,競爭抑制參數(shù)的大小并不能決定哪種藻最終會成為優(yōu)勢種[46].生態(tài)學理論認為,一定環(huán)境內(nèi)所能維持的種群數(shù)量是有限的,當有限的資源被一個物種占用,則另一個物種必然會受到影響,因此,種群數(shù)量也是影響微藻種間競爭關(guān)系的決定性因素之一[47].因此,雖然海水小球藻對三角褐指藻的抑制參數(shù)較大,但由于三角褐指藻的繁殖速度更快,在體系中的生物量占比大,使其競爭力更強.本文的實驗數(shù)據(jù)表明,與三角褐指藻相比,海水小球藻的最大光量子產(chǎn)量(v/m)和實際光合效率[(Ⅱ)]對于撲草凈脅迫的變化更為顯著,這表明撲草凈對海水小球藻光合作用的抑制更為強烈.因此,由于在撲草凈脅迫下三角褐指藻在體系中占有生物量優(yōu)勢,加上光合活性受到的抑制弱于海水小球藻,最終成為了體系中的優(yōu)勢種.此外,本文的研究發(fā)現(xiàn),隨著撲草凈暴露濃度的增加,海水小球藻對三角褐指藻的競爭抑制參數(shù)呈現(xiàn)出降低的趨勢,進一步提高了三角褐指藻在體系中的優(yōu)勢程度.在三角褐指藻和球等鞭金藻共培養(yǎng)體系中,三角褐指藻是體系中的絕對優(yōu)勢藻種,由競爭抑制參數(shù)可以看出,5μg/L撲草凈暴露能夠減弱三角褐指藻對球等鞭金藻的競爭抑制作用,推測這是由于隨著撲草凈濃度升高,撲草凈對三角褐指藻的毒性作用也在不斷加強,嚴重影響了三角褐指藻的生長和競爭能力[32].共培養(yǎng)體系中的球等鞭金藻幾乎無法正常生存,甚至在培養(yǎng)后期全部消亡.一方面是由于球等鞭金藻沒有細胞壁對撲草凈暴露更為敏感,另一方面三角褐指藻的大量繁殖也會吸收體系中大部分的營養(yǎng)物質(zhì),營養(yǎng)限制也使得球等鞭金藻在共培養(yǎng)體系中無法生存[48-49].硅藻在與其他藻種的種間競爭中表現(xiàn)出巨大的競爭優(yōu)勢在很多研究中也有體現(xiàn),例如:張達娟等[50]的研究表明三角褐指藻能顯著抑制抑食金球藻()的生長;廖姿蓉[51]也發(fā)現(xiàn)當把旋鏈角毛藻()、三角褐指藻和中肋骨條藻3種硅藻與海洋卡盾藻()和錐狀斯氏藻()共培養(yǎng)時,硅藻均能顯著抑制甲藻和針胞藻等鞭毛藻類生長.有研究指出,硅藻具有先天的補光優(yōu)勢[52].對于綠色植物而言,光合作用主要吸收的是紅光和藍紫光,綠光波段的能量基本沒有被綠色植物所利用,這也是它們呈現(xiàn)綠色的主要原因[53].而硅藻特有的捕光天線蛋白具有出色的藍綠光捕獲能力和極強的光保護能力[54],這種對光能捕獲和利用的天然優(yōu)勢也可能是使硅藻能成為優(yōu)勢種的重要原因之一.因而,硅藻與其它藻類共存于同一環(huán)境中時具有極大的競爭優(yōu)勢,撲草凈暴露會改變不同微藻間的競爭抑制作用,甚至導致某些敏感種的消失,進而擴大了硅藻的競爭優(yōu)勢,這種變化很有可能會進一步導致浮游植物群落組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變.作為重要的初級生產(chǎn)者,海洋微藻可通過光合作用為高營養(yǎng)級生物提供大量的營養(yǎng)物質(zhì),當浮游植物的群落結(jié)構(gòu)變得單一,將導致更高營養(yǎng)級的生物攝入的營養(yǎng)物質(zhì)單一化,進而對其生長發(fā)育產(chǎn)生不利影響.撲草凈的海洋生態(tài)風險不容忽視,后續(xù)需更多的研究進一步評估除草劑污染對海洋生態(tài)系統(tǒng)的風險.

4 結(jié)論

4.1 撲草凈對3種海洋餌料微藻的毒性存在明顯差異,其毒性強弱依次為:球等鞭金藻>三角褐指藻>海水小球藻.

4.2 撲草凈可以通過抑制光合作用導致3種微藻的種群數(shù)量顯著降低.

4.3 在雙藻共培養(yǎng)體系中,0.5,5和50μg/L撲草凈暴露均能夠不同程度地減弱海水小球藻對三角褐指藻的競爭抑制且暴露于環(huán)境濃度(0.5和5μg/L)撲草凈12d后便可導致雙藻共培養(yǎng)體系中的敏感種球等鞭金藻全部消亡,最終使得種間作用向著更有利于硅藻的方向發(fā)展.

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Effects of triazine herbicide prometryn on marine phytoplankton communities—Based on analysis of microalgae population dynamics, interspecific competition and photosynthetic capacity.

LI Yi-lei1, LIANG Wei1,2, ZHAO Zi-ang1, RU Shao-guo1, ZHANG Xiao-na1*

(1.Marine Life Science College, Ocean University of China, Qingdao 266003, China；2.Department of Ecology and Environment of Shandong Province, Jinan 250102, China)., 2023,43(10)：5591～5603

In this study, effects of prometryn on the population dynamics, photosynthetic capacity, and interspecific competition of three marine microalgae species, including,, and, were evaluated based on the monoculture experiment and the co-culture experiment with two microalgaes (cell density ratio1:1). The results showed that the 96h-EC50 values of prometryn for,,andwere 7.65, 16.67, and 4.11 μg/L, respectively; and the toxicity from high to low was as follows:>>Prometryn exposure significantly inhibited the photosynthesis of these three microalgaes and thereby reduced their population growth. In addition, prometryn treatment also weakened the competitive inhibition ofbyin the co-culture group and during the cocultivation ofandexposed to environmental concentrations (0.5 and 5μg/L) of prometryn for 12 days, an extinction of the sensitive specieswas observed, indicating an interspecific interaction more favorable to diatoms. Overall, this study would provide more theoretical support for assessing the marine ecological risk of the triazine herbicide prometryn.

prometryn；marine microalgae；population dynamics；interspecific competition；photosynthesis

X173

A

1000-6923(2023)10-5591-13

2023-02-24

國家自然科學基金資助項目(42277116)

* 責任作者, 副教授, zxn_xiaona@ouc.edu

李怡蕾(1997-),女,山東濟寧人,中國海洋大學碩士研究生,研究方向為污染生態(tài)學.layla-lyl@163.com.

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