有机氮对大亚湾亚历山大藻种群生长的促进作用

徐 宁,王 萌,孙凯峰,胡章喜,段舜山 (暨南大学水生生物研究中心,广东 广州 510632)

有机氮对大亚湾亚历山大藻种群生长的促进作用

徐 宁*,王 萌,孙凯峰,胡章喜,段舜山 (暨南大学水生生物研究中心,广东 广州 510632)

2008年1～12月对大亚湾澳头养殖海域溶解有机氮(DON)组成、含量与亚历山大藻种群动态进行了周年调查,同步监测了无机营养盐、水温、盐度等主要环境因子.结果显示,大亚湾澳头海域DON水平4～6月较高,最大值达21.27μmolN/L,其余月份较低,全年平均浓度为7.44μmolN/L.尿素是 DON的重要组分,全年平均浓度为 1.98μmolN/L,约占 DON的 20%～30%.可溶性游离氨基酸(DFAA)波动较大,介于1～5μmolN/L.4～6月亚历山大藻种群维持较高密度.4月21日澳头海域发生亚历山大藻水华,最高细胞密度达到3319cells/mL.DON和尿素浓度高峰与亚历山大藻密度高峰同步出现,水华消散后DON和尿素浓度分别大幅下降至高峰期的23.84%和62.86%.统计结果显示,表征有机污染程度的DON、尿素和CODMn与亚历山大藻种群密度具有显著正相关关系(p＜0.05).DON含量的增加能够促进亚历山大藻的生长,并在温度、盐度等环境条件适宜的情况下可能成为赤潮暴发的重要诱因.

有机氮；尿素；亚历山大藻；藻华；大亚湾

亚历山大藻广泛分布于世界各地沿海,本属的许多种类能产生麻痹性贝毒(PSP),严重影响水产品安全并危及人类健康[1-2].近年来,我国亚历山大藻赤潮的发生频率明显增多[3-4].

国内外大量研究报告显示,水体富营养化与有害赤潮的形成具有密切联系[5].最近有研究指出,过去被忽略的有机氮(DON)可能充当有害藻类的营养源而在赤潮形成中发挥重要作用[6].值得关注的是,某些有害藻类对有机氮具有很高的亲和力.如亚历山大藻等有毒甲藻具有较高的脲酶活性,能够在尿素作为唯一氮源的环境中迅速生长繁殖[7-8].另外,有机氮还能显著增加一些有毒藻的毒素产量[9]. DON与有害藻华的潜在联系已成为近海生态学研究的热点问题.

最近 30年以来,全球沿海和河口的富营养化程度不断加剧,溶解有机氮库也在不断增大, DON已达总氮(TN)的60%～90%[10-12].与此同时, DON的组成也发生了显著变化.尿素作为一种氮肥和工业原料,在过去 40年中的全球使用量增加了近 100倍.其中,20%～40%的尿素通过地表径流进入近岸水体,并成为近岸水体溶解有机氮库的重要组成成分[13].DON含量的迅速增加与组成的显著变化很可能改变原有的浮游植物群落结构,那些能够利用有机氮的种类更容易形成优势.

本文调查了大亚湾养殖海域DON组成、含量及亚历山大藻种群的周年变动规律,探讨了DON对赤潮藻的生长和浮游植物群落结构的潜在影响,以期为揭示亚历山大藻赤潮的形成机制提供理论依据.

1 材料和方法

1.1 监测站位

大亚湾位于珠江口东侧,是一个半封闭的亚热带海湾,同时也是广东省重要的水产养殖基地和大亚湾核电站所在地[14].本研究监测站位于大亚湾西北隅的惠州(澳头)港附近,水深 4～7m,主要养殖品种有鲻鱼、尖吻鲈、鲍、贻贝、文蛤等.本次调查共有7个监测站位(图1):S1、S2为鱼排养殖区,S7为贝类养殖区,S3、S5位于养殖区外沿,S6靠近惠州(澳头)港,S4为外海对照区.

1.2 调查方法

2008年3～6月每周采样1次,其余月份每月1次,分别采集表层和底层水样(若水深低于 5m,只采集表层水样).水温、盐度、pH值、DO用YSI(YSI 556MPS)现场测得.浮游植物定性样品用孔径为 20μm的浮游生物网采集,定量样品用有机玻璃采水器采集1L水样,经4%福尔马林溶液固定后,用浮游植物计数框在显微镜(Olympus CH30)下观察计数.现场采集 100mL水样经0.45µm滤膜过滤后冷冻(-20℃)保存用于营养盐分析[15].用连续流动化学元素分析仪(Bran Luebbe AA3)测定尿素、NON、NON、NH4+-N的浓度,用HPLC法测定可溶性游离氨基酸(DFAA)的种类和含量[16],利用差减法计算DON(DON=TDN-DIN).

图1 大亚湾采样站点Fig.1 Sampling stations in Daya Bay

2 结果

2.1 DON的组成及周年变动

2008年大亚湾澳头海域的可溶性总氮(TDN)为5.08～50.84μmolN/L,其中DON全年平均浓度为7.44μmolN/L,约占TDN的60%～80%.DON季节性变动显著(图2):春季DON浓度逐渐上升,至4月达到最高峰.5～6月DON浓度保持在较高水平(6.23～15.86μmolN/L).其余月份 DON浓度较低(1.96～9.89μmolN/L).4月 21日位于鱼排区的S2站监测到最大值21.27μmolN/L.12月23日位于惠州港附近的 S3站监测到最低值1.96μmolN/L.与外海相比,养殖区内的DON含量具有浓度偏高、波动较大的特点.

尿素是 DON的重要组分,全年平均值为1.98μmolN/L,约占DON的20%～30%.表层尿素(平均 1.99μmolN/L)与底层(平均 1.96μmolN/L)相近.养殖区尿素呈现出 8～10月较高,其他月份较低的特点(图2),2008年8～10月大亚湾正值台风期,降雨频繁,地表径流可能带入大量尿素.此外,8～10月是鱼贝养殖的中后期,养殖投饵和动物排泄物也会引起尿素浓度的上升.

调查期间检测出大亚湾溶解游离氨基酸(DFAA)主要包括天冬氨酸、甘氨酸、丝氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、鸟氨酸和赖氨酸等.DFAA 介于 1～5μmolN/L,养殖区(平均3.09μmolN/L)高于外海(平均2.41μmolN/L).养殖区5～8月DFAA含量较高,5月12日S3站观测到最高值6.50μmolN/L.秋冬季DFAA较低,11月25日S6站最低为1.34μmolN/L.

图2 2008年大亚湾DON和尿素的动态变化Fig.2 Annual fluctuation of DON and urea in Daya Bay, 2008DON Urea

2.2 亚历山大藻种群周年变动特征

调查期间大亚湾主要以一种直径为 15～20μm的亚历山大藻(Alexandrium sp.)为主,塔玛亚历山大藻(A. catenella)和链状亚历山大藻(A. tamarense)则较少出现.

2008年大亚湾亚历山大藻种群的季节变动特征与之前在同一海区的研究结果基本吻合[17].4月初亚历山大藻密度开始上升,4月21号出现最大值(图3),其中S5站点达3319cells/mL,约占浮游植物总密度的90.22%.6月后水温升至26℃以上,亚历山大藻罕有发现,11月水温降至21℃,又有少量出现.12～3月水温低于 18℃,亚历山大藻较少出现.值得注意的是,1998年亚历山大藻密度最高峰仅为20.4cells/mL,而2008年的最大值达 3319cells/mL,表明亚历山大藻已经成为华南沿海的高风险赤潮种类.

养殖区外围和码头附近海域亚历山大藻密度显著高于养殖区和外海对照点.表层藻细胞数量显著高于底层.养殖区亚历山大藻密度较低,可能是由于高密度养殖贝类的摄食压力所造成.

图3 2008年大亚湾1～7站亚历山大藻密度的季节变化Fig.3 Seasonal changes in cell density of Alexandrium sp. in Daya Bay, 2008

2.3 DON与亚历山大藻种群变动的关系

2008年春季水华高峰期每周采样一次,监测结果显示,4月14～28日澳头海域DON和尿素浓度均出现了大幅波动,与此同时亚历山大藻种群密度也于4月21日达到全年最高峰.以S5站为例,亚历山大藻密度高峰前水体的 DON和尿素浓度不高,分别为4.88μmolN/L和1.10μmolN/L.但在 1周内急剧升高 21.27μmolN/L 和2.55μmolN/L,与亚历山大藻密度的迅速升高同步发生,两者均于4月21日到达最高峰(图4).1周后DON急剧下降至低谷5.09μmolN/L,这也是4月21日至6月23日的最低值.尿素此时下降至1.58μmolN/L.同时,亚历山大藻也由高峰时的3319cells/mL降低至70cells/mL.对大亚湾澳头海域2008年4～6月亚历山大藻密度与DON、尿素浓度进行相关性分析,结果表明,DON的浓度变化与亚历山大藻密度呈极显著的正相关(r=0.859,P=0.003,n=128).尿素浓度与亚历山大藻密度呈显著正相关(r=0.78,P=0.04,n=128).

S5站4月21日发生亚历山大藻水华,并于4月28日消散.各站位藻密度差异显著,其中S5站亚历山大藻密度约为S4站的1000倍.水华期和消散期S5站DON波动较大,相差4.18倍,亚历山大藻密度相对较高的S2、S6站同样出现DON的大幅波动,而亚历山大藻密度较低的其他站DON波动幅度明显较小,这种差异可能是由于亚历山大藻大量消耗DON所造成的.

图4 S5站位4～6月亚历山大藻密度与DON、尿素的关系Fig.4 Cell density of Alexandrium sp. and concentrations of DON and urea at S5

3 讨论

3.1 DON与赤潮藻生长及浮游植物群落结构的关系

本研究结果显示,由于水产养殖和城市排污等人类活动的影响,大亚湾澳头海域 DON含量较高,尤其是春夏季(4～6月)维持在较高水平.对亚历山大藻种群变动的同步监测结果也证实,DON能显著促进亚历山大藻种群的增殖.

早期的研究认为浮游植物只能利用 DIN,不能利用 DON[18].但国内外近期的研究已经证实某些浮游植物种类具有利用 DON的能力[19],如Aureococcus anophagefferens、 Prorocentrum minimum和Thalassiosira weissflogii都能够利用尿素生长[20].实验室研究表明,亚历山大藻等很多种类的有毒甲藻具有较高的脲酶活性,能够在尿素为唯一氮源的环境中迅速生长繁殖,提示DON含量升高与甲藻赤潮形成之间可能存在密切的关系[21].现场调查也显示,DON能够促进赤潮的形成[22].本课题组的现场研究表明,DON含量的上升能明显促进裸甲藻(Gymnodinium spp.)的生长[23].由于 DON 能够促进某些有害种类的生长,可能在赤潮的形成与持续过程中发挥重要作用.

许多有害藻类具有异养或兼养能力,使其在无机营养或光线不足时得以生存.约 50%的甲藻具有兼养或异养倾向,如常见的有害赤潮种类赤潮异弯藻(Heterosigma akaskiwo)和塔玛亚历山大藻(A. tamarense)均属于混合营养型[24].本次调查期间大亚湾海域全年 CODMn为 0.08～1.92mg/L,平均值为 0.78mg/L,统计结果表明COD与亚历山大藻密度呈极显著正相关关系(P＜0.01).具备兼养能力的藻类既能利用DON中的氮,又能利用其中的碳,可能在种间竞争中占据优势.

3.2 浮游植物利用尿素和氨基酸的机制

我国是尿素生产和使用大国.由于尿素在农业中的过度施用,大量未充分利用尿素通过地表径流等途径进入近岸水体,加剧水体富营养化程度.在大亚湾、广州市的一些河流和水库中,尿素浓度达几十到几百 μg/L[25-26].实验室研究表明,尿素能显著促进某些海洋微藻的生长[27-28],如球形棕囊藻(Phaeocystis globosa)、锥状斯氏藻(Scrippsiella trochoidea)和 中 肋 骨 条 藻(Skeletonema costatumn)均能有效利用尿素.不同的浮游植物利用尿素的能力不尽相同:赤潮异弯藻和海链藻(Thalassiosira sp.)均能利用尿素作为氮源[29],而其它种类可能由于缺乏脲酶或其它相关酶不能利用[30].因此,尿素含量的上升和水体氮源组成的变化可能导致浮游植物群落组成改变,降低浮游植物的生物多样性.本研究表明,尿素是促进亚历山大藻快速繁殖并形成优势的重要原因之一.

海水中溶解氨基酸可分溶解结合氨基酸(DCAA)和溶解游离氨基酸(DFAA)两类.DCAA是海水有机氮库中重要组分(约占DON的15%),浓度在 0.2～15µmol/L,其中最主要的成分为蛋白质[31]. DFAA的浓度在0～5µmol/L之间波动,大亚湾海域由于旺盛的生物活动含量较高[0.69～4.73μmol/L,平均(2.16±0.87)μmol/L][32].DFAA是DON中化学性质最不稳定的一种,周转只需要几分钟时间.虽然仅占海水中总溶解氨基酸的 1%,但它却是自养和异养生物重要的氮源[33].近期的研究已经彻底推翻了浮游植物不能利用 DFAA的传统观念,如Pleurochrysis、Prymnensium和Amphidinium可以利用细胞表面 L-氨基酸氧化酶代谢氨基酸[34].已有研究表明,氨基酸在某些有害赤潮的发生过程中起重要作用[35].本次调查虽然没有发现DFAA与亚历山大藻之间的显著关联性,但是DFAA对赤潮形成的作用仍值得关注.

4 结论

4.1 2008年大亚湾澳头海域DON平均浓度为7.44μmolN/L.尿素是DON的重要组分,尿素全年平均浓度为 1.98μmolN/L,占 DON的 20%～30%.DFAA波动较大,为1～5μmolN/L.DON 4～6月较高,其他月份较低.养殖区DON、尿素浓度及周年波动幅度明显高于外海.

4.2 2008年大亚湾澳头海域亚历山大藻主要出现在水温介于21～26℃的4～6月份,4月21日S5站出现亚历山大藻水华,密度高达 3319cells/mL,其余月份该藻较少出现.养殖区附近海域亚历山大藻细胞密度显著高于外海.DON、尿素和COD与亚历山大藻种群密度具有显著的正相关关系(p＜0.05),提示DON含量的增加能够显著促进亚历山大藻等有害藻类的生长,可能在有害赤潮形成过程中发挥关键作用.

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Facilitation of DON on population growth of Alexandrium sp. in Daya Bay.

XU Ning*, WANG Meng, SUN Kai-feng, HU Zhang-xi, DUAN Shun-shan (Research Centre of Hydrobiology, Jinan University, Guangzhou 510632, China). China Environmental Science, 2012,32(3)：504～509

Population dynamics of Alexandrium sp. and DON were investigated in aquaculture areas of Daya Bay from January to December in 2008 while environmental factors including nutrients, water temperature and salinity were investigated simultaneously. The concentration of DON was higher from April to June than that in other months. The maximum value for DON was 21.27μmolN/L while the annual average value was 7.44μmol N/L. Urea was one of the most important components of DON. The annual average concentration of urea was 1.98μmol N/L which represented about 20%～30% of DON. DFAA fluctuated significantly ranging from 1 to 5μmol N/L. Cell densities of Alexandrium sp. were found higher from April to June than those in other months. Alexandrium sp. bloom was observed in Aotou aquaculture area with the highest cell density of 3319 cells/mL on April 21. The concentrations of DON and urea and the cell density of Alexandrium sp. peaked synchronously, and DON and urea fell sharply to 23.84% and 62.86% of the maximum when the bloom attenuated. Significant correlations were revealed between cell density of Alexandrium sp. and environmental factors representing the extent of organic pollution such as DON, urea and CODMn. The increase of DON favored the growth of some harmful algal species and may play key roles in the formation of blooms provided suitable water temperature and salinity.

DON；urea；Alexandrium sp.；harmful algal blooms；Daya Bay

X171

A

1000-6923(2012)03-0504-06

2011-06-30

国家自然科学基金(40776078,41176104);国家自然科学联合基金资助项目(U1133003)

* 责任作者, 副研究员, txuning@163.com

徐 宁(1971-),女,湖北孝感人,副研究员,博士,主要从事藻类生理生态学研究.发表论文40余篇.