不同光照条件下水流对铜绿微囊藻生长的影响＊

李 林，朱 伟

（1.河海大学 环境学院，江苏 南京 210098；2.水资源高效利用与工程安全国家工程中心，江苏 南京 210098）

水体富营养化的加剧，水华暴发频率增加、持续时间长，对当地经济发展和生态系统带来巨大的危害.由于我国蓝藻水华频发的湖泊多为浅水型湖泊，水浅的特点决定了湖泊的水动力过程（风力、流速等）势必会对浮游生物本身及其环境产生影响[1].一些对太湖水华的观测显示，蓝藻水华的发生与水动力过程可能存在着某种联系[2]，国外通过野外观测也发现水华暴发与水动力存在联系[3－4].近年来，越来越多的学者开始关注扰动对微囊藻生长的直接影响，研究发现了适宜的水流有利于微囊藻的生长，流速过高将抑制微囊藻的生长[5－6]；也有研究发现培养基营养盐水平[7]、营养盐性质[8]和温度[9－11]等影响水流对微囊藻生长的影响，表明水流对微囊藻的生长受环境条件的影响.

光是影响单细胞藻类生长的最重要的条件之一，也是其生长的主要能量来源[12].但水体流动对微囊藻生长的影响是否受光照的影响，鲜见报道.为了解在不同水层下光强的差异对藻细胞生长的影响.本研究以小型有机玻璃环形槽作为实验装置模拟不同水体流速，以太湖水华优势藻种铜绿微囊藻为研究对象，对比研究两种光照强度下，铜绿微囊藻在不同流速下的生长状况，以期得到在不同光强下水流对微囊藻生长规律的影响，揭示流动水体中藻细胞在不同水层对蓝藻水华的影响.

1 材料及方法

1.1 实验材料

蓝藻门的铜绿微囊藻（Microcystisaeruginosa）来自中国科学院水生生物研究所.用BG11培养基[13]将这两种藻培养在对数生长期备用.培养基为：改良后的人工培养基BG11（培养基中NaNO3·4H2O和K2HPO4·3H2O含量，得到TN和TP浓度分别为9mg／L和0.5mg／L）.

1.2 实验方法

将扩大培养的纯藻液接种到高压灭菌的培养基中，微囊藻初始接种藻密度分别为20.0×104cells／mL，光强分别设置为2 500lx和3 500lx，温度为25±0.5℃，光暗比为14∶10h.每天上午8：00取1mL藻液移至试管中，振荡摇匀后吸取0.1mL到在0.1mL微藻计数板上，在双目光学显微镜下进行细胞计数，计数3次取平均值；用灭菌蒸馏水补充蒸发和取样的水.直到实验结束，每个试验水体中累积取出的水量约为30mL，为总体积的2%左右，对实验的影响可忽略不计.

1.3 实验装置

室内培养模拟实验在自制的小型有机玻璃环形槽中进行，如图1所示.模拟流速范围为0～60cm／s，最大容纳培养基1 800mL，工作体积为1 500mL.工作原理：叶片在可调电动机的驱动下，推动槽内水体流动产生水流，通过调节电动机转速控制槽内水体的流速.根据太湖水流特征[14]，实验设置了6个流速梯度（cm／s）：0，5，15，25，35和55（依次为静止对照、1至5号实验组），这里的水体流速采用平均流速.

图1 小型有机玻璃环形槽（mm）Fig.1 Acrylic glass circular water chamber.all dimensions are in mm

实验在光照培养箱中进行，实现了控温、控光，同时避免细菌等的影响，在实验进行前装置采用30 W紫外灯杀菌2～4h，实验过程中严格无菌操作.实验过程每组设置2个平行样.

1.4 分析方法

比增殖速率（μ）是在某一时间间隔内藻类生长的速率（d－1）.其计算公式[16]为：

式中：X1为某一时间间隔开始时的藻类现存量（cell／mL）；X2为某一时间间隔结束时的藻类现存量（cell／mL）；t2－t1为某一时间间隔（d）.先按式（1）计算每组试验的比增殖速率，再选出每组试验的最大比增殖速率.

2 实验结果

2.1 不同光照条件下铜绿微囊藻的生长曲线

两种光强下，微囊藻在流动水体中共培养了28 d，将这一期间内显微镜下计数得到的藻类数量随着时间的变化整理得到藻类生长曲线，如图2所示.从图2中可以看出，在两种光照条件下水流显著影响了微囊藻的生长，且均在流速为35cm／s时微囊藻的细胞增加量达到峰值；流速小于35cm／s时微囊藻的生长随流速的增大而增加，当流速大于35 cm／s后微囊藻的生长随流速的增加而减少.在两种不同光强下，水流对微囊藻生长的影响差异较大；在光强为2 500lx下不同水流下对微囊藻生长的影响差异较大，在光强为3 500lx下微囊藻在不同流速下的生长差异较小.

图2 不同光强下微囊藻的生长曲线Fig.2 Growth curve of M.aeruginosa under the different light intensity

2.2 不同光照条件下铜绿微囊藻生长周期

水流会对铜绿微囊藻的生长、繁殖产生影响，这种影响表现在藻类的各个生长期，对藻类适应期和对数生长期的影响较大.

水流对铜绿微囊藻的适应期有一定的影响，如图3所示.从图3可以看出，两种光强条件下微囊藻在流动水体中的适应期，相较静止水体均延长.但2 500lx与3 500lx光强的表现不同，光强为2 500 lx时微囊藻的适应期在流速为5cm／s和15cm／s下最长为4d，流速在25～55cm／s时适应期时间相同均为3d，对照组最短为2d；而光强为3 500lx下，静止对照组的适应时间延长至3d，各实验组中微囊藻的适应时间均为4d；可见水流使微囊藻生长适应期延长，在高光强下这种影响更为明显.

为对比不同流速下铜绿微囊藻的对数生长期的差异，将实验结果整理作图，如图4所示.在光强为2 500lx和3 500lx光照强度下，微囊藻在静止对照组中对数生长期分别为7d和6d，水流延长了微囊藻的对数生长时间.光强为2 500lx时，微囊藻的对数生长时间随流速的增加先增加后降低，在35cm／s时对数生长时间最长为20d；光强为3 500lx下，微囊藻对数生长时间随流速的变化差异较小，在55 cm／s时对数生长时间为11d.除流速为5cm／s和15cm／s时微囊藻在3 500lx光强下的对数生长时间较2 500lx下长外，其它实验组均较短.

图3 不同流速下微囊藻适应期时间Fig.3 Adaptation period of M.aeruginosa in different flow rate

图4 不同流速下微囊藻对数生长期时间Fig.4 Logarithmic phase of M.aeruginosa in different flow rate

2.3 不同光照条件下微囊藻比增长速率

对比两种光强条件下，静止对照组和各实验组中铜绿微囊藻的最大比增长率与流速的变化关系，结果如图5所示.从图5可以看出，两种光照条件下，铜绿微囊藻在不同流速水体中的最大比增长率有较大差异；2 500lx和3 500lx光照强度下微囊藻的比增长速率均随流速的增加先增加后降低的变化趋势，分别在25cm／s和35cm／s达到最大值；在光强为2 500lx下各实验组中微囊藻的比增长速率均较3 500lx下的高.在2 500lx光强下，各实验组中微囊藻的比增长速率均有较大的增加，比增长速率在0.8d－1～1.3d－1之间；而在3 500lx光强下，各实验组中微囊藻的比增长速率是静止对照组的增加较低，其比增长速率在0.7d－1～0.8d－1之间.

图5 2 500lx和3 500lx下铜绿微囊藻比增长速率Fig.5 Specific growth rate of M.aeruginosa under two light intensity

2.4 不同光照条件下微囊藻最大藻密度

将两种光照强度下微囊藻最大藻密度与流速的关系作图，见图6.从图6可以看出，在2 500lx下实验组中微囊藻最大藻密度均增加，其最大藻密度在3 498.1×104cell／mL～6 817.6×104cell／mL之间变化，是静止对照的8.7～17倍；而光强在3 500lx下水流提高了微囊藻密度，实验组中藻密度是静止对照组的7.5～10.3倍.两种光强条件下，微囊藻最大藻密度随流速的变化趋势相似，即为随流速的增加先增加后降低，均在35cm／s时藻密度达到最大，2 500lx下的藻密度是3 500lx下的1.3 倍，在2 500lx下微囊藻密度的变化较3 500lx下的变化更显著；实验组中除5cm／s外，2 500lx光强下最大藻密度均高于3 500lx下的藻密度.

图6 2 500lx和3 500lx下铜绿微囊藻最大藻密度Fig.6 Maximum density of M.aeruginosa under two light intensity

3 讨 论

实验分析发现，水流改变了微囊藻的各生长阶段持续的时间，微囊藻在水流作用下延长了生长适应时间，这与金相灿等研究结果相似[16]；同时水体流动延长了微囊藻的对数生长时间.微囊藻进入对数生长期后，微囊藻最大比增长速率和微囊藻最大生物量随流速变化趋势相似，即随流速的增加先增加后降低的变化趋势.在2 500lx和3 500lx光照强度下，流速在5～35cm／s范围内微囊藻对数生长时间较长，同时比增长率增加，微囊藻获得最大生物量；流速在35～55cm／s范围内微囊藻的对数生长时间缩短，比增长速率降低，微囊藻的最大生物量降低 .可见，水体流动改变微囊藻生长的各个时间和比增长速率，从而影响微囊藻的最大生物量.

不同流速下使微囊藻的生长产生差异的因素很多.通常认为流速的增大将不利于藻的生长.而有的研究表明，除嫌流水藻类外，急流水藻类和中流水藻类都可以在流水中生长，适当的水体流动有利于藻的生长和繁殖[17].廖平安[6]和颜润润[7]等通过研究得到，微囊藻的生长存在一个最佳的扰动速度.水体的流动改变了藻类细胞边界层厚度，缩短了营养物扩散的路程，从而提高细胞对营养盐的吸收速率[18]；同时水体流动改变了细胞周围的微环境，有利于分泌物的排泄，有利于微囊藻的生长；当水体的扰动速度过大后，水流产生的剪切力对藻细胞形态产生破坏作用，同时改变藻细胞生理及藻细胞的分裂速率[19].通过实验分析得到，在此实验条件下，在光照为2 500lx和3 500lx时，微囊藻的最大生物量均在流速为35cm／s时达到最大值，而低光照条件下微囊藻密度较高光照条件的高.

实验发现在流动条件下，在营养盐充足的条件下，当光强大于2 500lx后藻密度降低 .吴旭等[20]通过静止培养实验发现，微囊藻的生长在光强为500～7 000lx内，随光强的增加先增加后降低，在5 000lx时达到最大值 .张青田等[21]得到铜绿微囊藻在4 000lx时生长最快，本实验得到水体流动可能提高了微囊藻对光的捕获效率及对光的利用率.严润润等[7]也得到扰动条件将影响微囊藻对光能的吸收；产生这一变化的原因可能是水体流动改变了微囊藻在水体中的位置，同时微囊藻比表面积较大，提高了微囊藻对光的捕获[22].实验也发现在2 500lx下各流速微囊藻生长的差异较大，而在高光照下各流速下微囊藻生长差异较小 .产生这一现象的因素可能是在培养过程中随藻密度的增加培养基颜色加深，透光性能降低；另一方面，可能是微囊藻在流动水体中藻细胞由单细胞变为群体，微囊藻群体形态的变化对光的捕获产生差异，进而引起不同流速下微囊藻生长的差异.经3次实验得到相同的结果.由此可以得到，在野外水体中的微囊藻主要在水体下层生长，而微囊藻在逐渐上升的过程中其生长逐渐降低，这与野外调查的结果相吻合.

4 结 论

1）实验结果表明，水流提高了微囊藻的生长，延长了微囊藻的对数生长期，提高了微囊藻的比增长速率，从而提高了微囊藻的最大藻密度，流速均在35cm／s时最利于微囊藻的生长.

2）流动的水体提高了微囊藻对光能的吸收，对光照强度的需求降低；在光强为2 500lx下不同水体流速将对微囊藻的生长产生较大差异，而光强为3 500lx时不同水体流速下微囊藻生长的差异较小.

3）产生这一现象的原因可能是在培养过程中培养基颜色和性质的变化；同时微囊藻细胞形态的变化可能是微囊藻的生长产生变化的主要原因.

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