氮、磷比对两种赤潮藻生长特性的影响及藻间竞争作用

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第28卷第5期海洋学报Vol.28,No.52006年9月ACTAOCEANOLOGICASINICASeptemper2006氮、磷比对两种赤潮藻生长特性的影响及藻间竞争作用1,211331111康燕玉,梁君荣,高亚辉,林荣澄,高华,邢小丽,马捷,骆巧琦(1.厦门大学生命科学学院,福建厦门361005;2.厦门市农业局厦门市农产品质量安全检验测试中心,福建厦门361001;3.国家海洋局第三海洋研究所,福建厦门361005)摘要:研究了两种赤潮藻即假微型海链藻(ThalassiosirapseudonanaHasleetHeimdalh)和裸甲藻(Gymnodiniumsp.)在不同氮磷比培养条件下的生长特性和藻间竞争作用,探讨了氮磷含量及其比值对赤潮爆发的影响机理.结果表明,在N/P=16条件下,假微型海链藻的最大比增长率最高、相对生长常数最大、平均倍增时间最短,叶绿素a含量最高,说明该N/P值是假微型海链藻最佳生长营养盐条件1对裸甲藻而言,N/P=6是其最佳生长的营养盐条件1叶绿素a含量受N/P值的影响和藻细胞密度所受的影响趋势基本一致1不同N/P值对藻间竞争作用和群落演替的总体影响不明显,都呈现先硅藻后甲藻的群落演替规律1裸甲藻可能具有利用体内磷来维持生长的特点.关键词:氮磷比;假微型海链藻;甲藻;赤潮中图分类号:Q17811文献标识码:A文章编号:0253241932(2006)0520117206状况,是藻类受氮或磷限制的重要指标,也决定了特1引言定海区赤潮发生的限制因子.从1982～1989年间香硅藻和甲藻有“海洋牧草”之称,是海洋的重要港吐露港海水N/P值与赤潮发生次数的关系的分初级生产者,但某些种类在环境改变时却会引发赤析中,得出营养盐比率(例如N/P值)是赤潮发生的潮.本实验采用的假微型海链藻([2]Thalassiosira重要调控因素.世界许多河口和近岸海域,春季甲pseudonanaHasleetHeimdal)、裸甲藻藻赤潮的频发与近年来人类活动输入的陆源氮、磷(Gymnodiniumsp.)都是主要的赤潮藻类.其中假等营养盐的急剧增加和溶解硅的下降产生的富营养微型海链藻个体小,生长周期短,细胞分裂速度快,化和营养盐比例变化有关[3].此外,不同藻生长要求爆发力很强;而大部分的裸甲藻产生藻毒素,在赤潮的最适N/P值是不同的,可能具有特异性.每种营多发区对鱼、贝类以及人类产生很大的危害.赤潮的养元素限制的状况会决定藻间竞争的结果,位于二发生与富营养化有很大关系.虽然其他因素也会对[4]者之间的N/P值将决定藻类可能共存的范围.每赤潮有调节作用,但营养盐比例的变化在赤潮发生[1～4]种藻在群落中各处于一定的生态位,探明赤潮原因中起着重要作用.因此,研究N/P值对赤潮藻生长特性的影响,对于了解赤潮发生机理具有重要种在生态竞争中相互作用及优势种演替规律,是阐意义.明和解答赤潮生物在特定环境条件下如何发展成优N/P值可以指示赤潮发生过程中水体的营养势种形成赤潮的生态学机制的基本科学问题.收稿日期:2005206209;修订日期:2006203204.资助项目:福建省自然科学基金项目(D96012);国家海洋局海洋科技项目(A01305);国家重点基础研究计划项目(2001CB409701)资助课题.作者简介:康燕玉(1980—),女,福建省漳州市人,硕士生,从事藻类活性物质研究1E2mail:kyy2006@xmu.edu.cn通讯作者,E2mail:gaoyh@xmu.edu.cn 118海洋学报28卷(2)藻液经微孔滤膜过滤,滤膜上的叶绿素a经2材料和方法[5]90%(v/v)的丙酮萃取后,用分光光度法测定.滤2.1仪器液用于测定胞外氮、磷含量,活性磷酸盐采用抗坏血EPICSXLCoulter流式细胞仪(细胞计数),酸还原的磷钼蓝法测定,NO2-N采用重氮O偶氮法TMUNICO7200spectrophotometer分光光度计(OD测定,NO3-N采用锌O镉还原法测定,NH3-N采[6]值的测量),OlympusBHO2显微镜(细胞观察),用次溴酸钠氧化法.TDLO40B离心机(萃取液分离纯化),KQO100DB型3结果和讨论数控超声波清洗器(细胞破碎),DKO8D型电热恒温水槽(加热反应).3.1藻细胞密度与群落演替2.2藻种培养实验结果如图1,2所示.可以看出,混合培养所用藻种为假微型海链藻、裸甲藻,藻种来源于和单独培养的假微型海链藻在细胞密度上5个组的厦门大学硅藻实验室.实验室保种采用f/2OSi培养差别并不大,都呈递增的趋势,群体生长周期较短,6液,配制培养液的天然海水盐度为30～32,光照度到第6天达到高峰,超过赤潮标准(硅藻:10个/3为3000lx,光暗周期为L∶D=12∶12.藻种经过cm).后面的表2,3中混合培养和单独培养的假微实验室分离、驯化后,达指数生长期.分别将1mL型海链藻的最大比增长率(μmax)与K,G(d)值相差53假微型海链藻(8.50×10个/cm)、0.55mL裸甲藻很小,说明裸甲藻对它的竞争作用小,假微型海链藻43(1.26×10个/cm)接种到100mL培养液中,设置优先利用营养盐,并大量繁殖,成为优势种;曾经报[7]3个平行样,分为单独培养和混合培养.实验培养液道,赤潮成因研究的围隔实验,1986年厦门西海[8]的配方参照f/2OSi培养基的配方,外源添加NaNO3域赤潮的发展过程,都出现先硅藻后甲藻的群落[9]和NaH2PO3使溶液氮、磷浓度如表1,其余成分含演替规律,与Davis得到的规律相同.量不变.表1实验组中N,P浓度及N/P值组别DIN/μmol·dm-3DIP/μmol·dm-3N/P0#14.40.9161#12262#150.5303#22.40.4253.34#190.08237.5图1单独培养条件下假微型海链藻细胞密度2.3分离与测定从图3,4可看出,单独培养条件下裸甲藻的细(1)藻细胞密度用流式细胞仪(EPICSXL胞密度总体趋势递增,群体生长周期较长,在第12Coulter)进行测量,根据这两种藻在流氏细胞仪图天出现高峰,而混合培养的高峰则出现在第11天.中所在的区域不同,分别计数.细胞的相对生长率按混合培养条件下裸甲藻在第3,4天的生长出现一个以下公式计算得出:小峰,这是由于此时假微型海链藻的增长比较平缓,相对生长常数:K=lg(Nt/N0)/T,Nt,N0表示对裸甲藻的竞争抑制作用较弱.混合培养条件下裸第Tt,T0天的细胞数.甲藻在第7,8天出现一个细胞密度最低谷,这是由平均倍增时间:G(d)=0.301/K.于假微型海链藻达到指数生长期,成为优势种,抑制比增长率:μ=ln(N2-N1)/(T2-T1),N2,N1了裸甲藻的生长.假微型海链藻开始衰亡,逐渐消除表示第T1,T2天的细胞数.了对裸甲藻的抑制作用,使裸甲藻成为优势种,出现 5期康燕玉等:氮、磷比对两种赤潮藻生长特性的影响及藻间竞争作用119化学物质,对甲藻的生长具有一定的抑制作用,因此[10]硅藻在生态竞争上处于一定优势.3.2藻类生长状态与氮磷比的关系[11]Reynolds认为最大比增长率(μmax)是在一定[11]条件下藻类潜在增长率的最高表现.获得μmax的条件,就是藻生长的最适条件,也就是最佳生态位的[12]条件.在比较培养效果时,K,G(d)和μmax值均可作为最适培养条件的参数.从表2,3和图6,7可见,假微型海链藻生长周期较短,基本上在第3天就出现了μmax,且对照组(N/P=16)的K,μmax值相对高于其他组,G(d)值则相反,此时叶绿素a含量也最高、细胞密度也最大.图2混合培养条件下假微型海链藻细胞密度这表明Redfield比值(N/P=16)对假微型海链藻的生长具有一定的优越性,是其最佳生长营养盐条件.参照对照组,当氮限制(N/P<16),如1组(N/P=6)假微型海链藻生长状态比较良好,K,μmax值、细胞密度、叶绿素a含量也较高,G(d)值较低;当磷限制时(N/P>16),如4组(N/P=237.5),则相反,和一些实际生态调查得出的结论是一致的,证实磷是限[13,14]制性营养盐.对裸甲藻来说,从表4,图8,9看,在单独培养条件下,其中1组(N/P=6)的K、叶绿素a含量、μmax值要高于其他组,G(d)值则最短,说明该氮磷比是裸甲藻的最佳生长营养条件.也说明1组(N/P=6)的初始高磷的环境更有利于裸甲藻的生长.刘东图3单独培养条件下裸甲藻细胞密度艳等也有类似的报道,胞外环境中磷对其生长状态[15]的影响很大.表2单独培养条件下假微型海链藻的生长参数组别μmaxK3G(d)0#12.46(3)0.5630.5341#12.37(3)0.5370.5612#12.05(4)0.5130.5873#12.32(3)0.5280.5704#12.21(3)0.5370.560表3混合培养条件下假微型海链藻的生长参数组别μmaxK3G(d)图4混合培养条件下裸甲藻细胞密度0#12.32(3)0.5280.5701#12.27(3)0.5260.572了先硅藻后甲藻的群落演替.表4,5中单独培养的2#12.16(3)0.5210.578裸甲藻的μmax和K值都明显大于混合培养条件下,3#12.25(3)0.5250.573G(d)值则相反.这表明裸甲藻的生长受到假微型海4#12.01(3)0.5080.592链藻的抑制.可能由于硅藻大量繁殖时,会释放某些 120海洋学报28卷表4单独培养条件下裸甲藻的生长参数组别μmaxK8G(d)0#6.68(9)0.1771.6971#7.59(8)0.2051.4682#6.78(10)0.1871.6093#7.27(8)0.1851.6254#7.49(8)0.2011.496表5混合培养条件下裸甲藻的生长参数组别μmaxK9G(d)0#5.90(11)0.0585.163图6单独培养条件下假微型海链藻的叶绿素a含量1#5.36(10)0.0427.2402#4.36(12)0.01817.0823#4.81(10)0.02910.2134#4.89(9)0.0446.886注:Kt相对生长率,t表示第t天;μmax表示最大比增长率;G(d)表示平均倍增时间;括号内的数字表示μmax出现的时间(d).从单独培养条件下裸甲藻胞外磷含量的变化情况,图5表明刚初始设置的高磷组1组(N/P=6),相对于其他各组,可能由于藻类刚开始大量消耗,使胞外磷含量基本上最低.但该组的细胞密度、叶绿素a含量都最高,可能由于裸甲藻刚开始消耗大量的图7单独培养条件下假微型海链藻的细胞密度磷,除部分用于维持生长,还以其他形式储存于细胞中,当外界磷源不能满足生长需要时,细胞内储存的3.3叶绿素a含量与不同N/P值的关系磷可用于维持指数生长,使其在有适量磷存在的情叶绿体的主要功能是进行光合作用,也合成自[3]况下形成赤潮,造成危害.Howarth曾报道在甲藻身的DNA,RNA和蛋白质,反映了细胞生长的生理赤潮发生后,赤潮水域的氮、磷等营养盐被快速消活动水平,与细胞密度和相对生长速率基本一致,这耗,对赤潮形成限制,也是某些甲藻赤潮发生周期短在本实验中也有所体现.假微型海链藻的叶绿素a[3]的因素之一.含量和细胞密度的增长趋势是一样的(图6,7).在N/P=16时两者高于其他组,而且叶绿素含量和细胞密度在N/P=6的条件(高磷)下高于在N/P=237.5条件(高氮),在磷充足的情况下,藻类生长状况好,细胞的生理活动保持旺盛水平,藻类光合作用[16,17]速率快.这说明磷在细胞的碳、氮代谢过程中起着非常重要的作用.裸甲藻总叶绿素含量变化和细胞密度(图略)的变化基本一致,但不完全吻合.可能由于裸甲藻的细胞个体大小和分裂方式、种群细胞密度的变化等,引起裸甲藻总叶绿素a的变化不是很明显,但从K值来看,叶绿素含量变化和K值图5单独培养条件下裸甲藻胞外环境磷含量的变化是一致(图8,9).从图中我们还可以看出1组(N/P 5期康燕玉等:氮、磷比对两种赤潮藻生长特性的影响及藻间竞争作用121=6)裸甲藻的叶绿素含量和K值都最高,这和表44结语所表现的是一致的.(1)在N/P=16条件下假微型海链藻的μmax,K值最大,G(d)值最短,细胞的生理活动保持旺盛水平,细胞密度和叶绿素a含量最大,这都表明Redfield比值是假微型海链藻生长的最佳生长条件.对裸甲藻而言,N/P=6是其最佳生长的营养盐条件.此外,叶绿素a含量的变化和细胞密度、K值的变化基本是一致的也证实了以上的观点.[1,4][18]Rhee,Hecky和Kilham等国外学者的研究也都证明了不同的浮游植物有适合各自生长的最适氮、磷比.(2)本实验表明,不同N/P值对藻间竞争作用图8单独培养条件下裸甲藻的叶绿素a含量和群落演替的总体影响不明显,都呈现先硅藻后甲藻的群落演替规律.而且这时氮、磷含量都不高,这可能是甲藻自身的生理机制导致其能在这样的环境中生长,有待于进一步研究探讨.甲藻在低氮、磷营养盐浓度照样能够继续生长[19]甚至达到赤潮标准.本实验也证实了这一点,1组(N/P=6)相对其他组,初始胞外磷含量高,后来胞外磷含量降低,裸甲藻的各项生长特性指标相对高于其他组.这可能与磷的“超前消费”(藻类以体内储存的磷维持生长)有关,应注意磷存在的隐蔽性,以免忽略突发性浮游植物赤潮的前兆.邵寒娟老师和赵东海同学在仪器分析和藻种培养方面给予支持和帮助,谨此致谢.图9单独培养条件下裸甲藻的生长速率参考文献:[1]RHEEGY.PhosphateuptakeundernitratelimitationbyScenedesmussp.anditsecologicalimplications[J].JPhycol,1974,10:470—475.[2]HODGKISSIJ,HOKC.ArechangesinN:Pratiosincoastalwatersthekeytoincreasedredtideblooms[J].Hydrobiologia,1997,352:141—147.[3]HOWARTHRW.AnassessmentofhumaninfluencesoninputsofnitrogentotheestuariesandcontinentalshelvesofthenorthAtlanticOcean[J].NutrientCyclinginAgroecosystems,1998,52:213—223.[4]RHEEGY.EffectsofN:Patomicratiosandnitratelimitationonalgalgrowth,cellcompositionandnitrateuptake[J].LimnolOceanogr,1978,23:10—25.[5]帕森斯TP,等1陈慈美,陈于望译.海水分析的化学和生物学方法[M].厦门:厦门大学出版社,1990.106—107.[6]GB127634-1991.海洋监测规范:海洋生物调查[S].[7]林昱,庄栋法,陈孝麟,等1初析赤潮成因研究的围隔实验结果:浮游植物群落演替与甲藻赤潮[J].应用生态学报,1994,15(3):314—318.[8]沈国英,值并章.海洋生态学[M].厦门:厦门大学出版社,1990.119—255.[9]DAVISCO.TheImportanceofUnderstandingPhytoplanktonLifeStrategiesintheDesignofEnclosureExperiments[M].SpringOVerlag:MarineMesocosnis,1982.323—332.[10]PRATTCM.CompetitonbetweenSkeletonmacostatumandOlisthedisusluteusinNarraaganesettBayandinculture[J].Limnol 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