斜生栅藻在不同磷条件下氮生态幅的研究

杨宋琪 吴忠兴

(西南大学生命科学学院, 三峡库区生态环境教育部重点实验室, 重庆市三峡库区植物生态与资源重点实验室, 重庆 400715)

斜生栅藻在不同磷条件下氮生态幅的研究

杨宋琪 吴忠兴

(西南大学生命科学学院, 三峡库区生态环境教育部重点实验室, 重庆市三峡库区植物生态与资源重点实验室, 重庆 400715)

为获得斜生栅藻(Scendesmus obliquus)的氮生态幅, 研究根据中华人民共和国地表水环境质量标准磷浓度界定, 利用谢尔福德(Shelford)耐受定律进行曲线拟合对斜生栅藻在低磷(0.02 mg/L)、中磷(0.2 mg/L)和高磷(0.4 mg/L)三种不同磷浓度下氮的生态幅进行定量表达, 获得三种磷起始条件下斜生栅藻生长的最佳氮浓度、氮适宜生长范围和氮耐受范围。研究表明, 在三种磷条件下斜生栅藻生长的最佳氮浓度分别为1.02、8.91和18.05 mg/L, 对应的最大比生长速率分别为(0.142±0.006)、(0.314±0.002)和(0.346±0.007) /d, 氮适宜生长范围分别为(0.52—1.52)、(4.48—13.34)和(11.72—24.38) mg/L, 氮耐受限度分别为(0.02—2.02)、(0.05—17.77)和(5.39—30.71) mg/L。这表明富营养化水体可能引起斜生栅藻的大量生长、繁殖, 也暗示了斜生栅藻能作为高氮水环境的一个良好指示生物。

生态幅; 斜生栅藻; 最佳氮浓度; 氮适宜生长范围; 氮耐受范围

由于自然界长期自然选择, 每个生物种都适应于一定的环境, 并有其特定的适应范围和耐受范围。生物不仅受生态因子最低量的限制, 而且也受生态因子最高量的限制[1]。当一个生态因子在数量或质量上的不足或过多, 即当其接近或到达生物的耐受限度时, 该生物将衰退或不能生存。生态学上把生物对每一种生态因子耐受的上限和下限的变化幅度称生态幅[2]。每种藻类对营养物质(如: 氮、磷等)的摄取都存在一个耐受范围, 即存在一个营养最低浓度和最高浓度, 在这之间的范围即为该藻类的营养生态幅。

斜生栅藻(Scendesmus obliquus)是淡水中常见的浮游藻类, 极喜在营养丰富的静水中生长繁殖,由于其对有机污染物具有较强的耐性, 因而可作为甲型中污带指示生物[3,4]。目前, 营养盐与斜生栅藻之间的关系主要集中在以下两个方面: 一方面是不同形态及浓度的氮和磷对斜生栅藻生长繁殖的影响[5,7]; 其次是不同氮磷浓度条件下斜生栅藻与其他水华蓝藻营养盐竞争能力的比较[8—12]。此外, 实验中设置的营养盐多局限于较高浓度, 与自然水体中的营养盐浓度相差较大。对斜生栅藻生长的营养盐生态幅也一般依据实验研究结果进行定性分析与描述, 而未对藻类的营养盐生态幅进行定量分析。

本文研究目的是通过实验结果和Shelford耐受性定律[1], 建立斜生栅藻生长的氮生态幅模型, 定量划分斜生栅藻生长的氮生态幅, 为进一步研究的富营养化水体藻类水华的发生机制和防治提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 藻种与培养条件

本实验所用的藻种斜生栅藻 Scendesmus obliquus由中国科学院水生生物研究所提供。培养基为HGZ培养基[13,14], 培养温度为(25±1) , ℃ 光照强度40 μE/(m·s), 光暗比12∶12, 每天人工摇动3—4次。

1.2 实验设计

整个实验以HGZ培养基为基础, 配制成无氮、磷的培养基。根据中华人民共和国地表水环境质量标准中磷浓度的界定, 以K2HPO4·3H2O为磷源设置起始磷浓度分别为低磷(Ⅰ类水质)0.02 mg/L、中磷(Ⅲ类水质)0.2 mg/L和高磷(Ⅴ类水质)0.4 mg/L。然后在不同磷浓度条件下以NaNO3为氮源分别配制不同氮浓度梯度(表1)。

1.3 实验方法

将实验藻种进行扩大培养至对数期, 然后将藻种接入无氮磷的培养基中, 并在与实验设定的相同环境下进行饥饿培养。实验时将驯化的藻液(A750≈0.1)分别接到不同氮、磷梯度的140 mL培养基中, 每个处理设三个平行, 各接 10 mL藻样, 最后保证总体积为150 mL, 此时测得的OD为初始值,随后每隔48h取样测藻液光密度A750。

1.4 最大比生长率

根据公式(1)和公式(2)分别计算出藻类在不同条件下的比生长速率和最大比生长速率。

式中, µ表示比生长速率, 某一时间间隔内藻类生长速度; x1为某一时间间隔开始时藻类的现存量; x2为某一时间间隔终结时藻类的现存量; (t2–t1)为某一段时间间隔天数; µmax表示最大比生长速率。

1.5 藻类生长的氮耐受模型及生态幅的定量表达

藻类最大比生长速率和氮浓度之间的关系呈Gauss Amp分布[15], 根据公式(1)、(2)和Shelford耐受性定律分别将不同磷起始浓度下斜生栅藻的最大比生长速率和对应的氮浓度进行曲线拟合, 得到不同磷起始浓度条件下斜生栅藻最大比生长速率和氮浓度的函数关系曲线和响应模型参数(表 2)。其方程为:

式中µmax表示最大比生长率(/d); Nopt表示藻类生长的最适氮浓度; θ表示藻类对氮的耐受限度; a、b为参数。因此, 解决斜生栅藻在不同磷起始条件下氮生态幅的关键在于求出Nopt和θ值。

生态幅参数可分别进行如下表述[16]:

其中, Nopt为藻类生长最佳氮浓度; θ为该藻种的忍耐度, 一个种的生态幅度变化于4θ内[17]。

1.6 数据处理与分析

实验每个处理设三个重复。对不同条件培养下的细胞密度值、比生长速率和最大比生长速率差异采用单因素方差分析法(One-Way ANOVA analysis)进行显著性分析, P<0.05为差异显著, P<0.01为差异极显著。

2 结果与分析

表1 氮和磷的浓度梯度配制Tab. 1 The gradient of the concentration of nitrogen (N) and phosphorous (P)

表2 三种固定磷浓度起始条件下拟合的方程及相关系数Tab. 2 Functions and correlation coefficient at three different initial phosphate concentrations

2.1 斜生栅藻的生长特性

在低磷浓度条件下, N/P为 80∶1即氮浓度为1.6 mg/L时, 藻生物量达到最大值; 小于 1.6 mg/L时, 藻生物量随氮浓度的增大而增大(P<0.05)。在中磷浓度条件下, N/P为40∶1即氮浓度为8 mg/L时,藻生物量达到最大值; 小于8 mg/L时, 藻生物量随氮浓度的增大而显著增大(P<0.05); 大于8 mg/L时,藻生物量随着氮浓度的增大而减小。在高磷浓度条件下, N/P为90∶1即氮浓度36 mg/L时, 藻生物量达到最大值; 小于此浓度时藻生物量随氮浓度的增大而显著增大(P<0.05)(图1)。

图1 三种固定磷起始条件下氮对斜生栅藻生物量的影响Fig. 1 Effects of nitrogen on biomass of Scendesmus obliquus at three different initial phosphate concentrationsa. 低磷; b. 中磷; c. 高磷a. low phosphate; b. medium phosphate; c. high phosphate

2.2 斜生栅藻氮生态幅的定量描述

表2为三种固定磷浓度起始条件下拟合的方程,相关系数R2依次为0.81、0.96和0.92。根据公式(3)和(4)得藻类在低磷、中磷、高磷条件下藻类生长的最佳氮浓度(图2)依次为1.02、8.91和18.05 mg/L, 其对应的最大比生长速率分别为(0.142±0.006)、(0.314±0.002)和(0.346±0.007)/d; 氮适宜生长浓度范围分别为: (0.52—1.52)、(4.48—13.34)和(11.72—24.38) mg/L; 氮耐受限度分别为: (0.02—2.02)、(0.05—17.77)和(5.39—30.71) mg/L。

图2 三种固定磷起始条件下斜生栅藻氮生态幅的定量表达Fig. 2 The quantitative level of nitrogen of Scendesmus obliquus at three different initial phosphate conditionsa. 低磷; b. 中磷; c. 高磷a. low phosphate; b. medium phosphate; c. high phosphate

3 讨论

氮、磷含量的增加往往导致水体富营养化并可能伴随藻类的“疯长”, 因此被认为是藻类水华发生最重要的物质基础[18,19]。每种藻都有其特定的营养盐浓度范围, 对藻类营养物质的生态幅进行定量分析, 能清楚地反映出藻类快速增长的浓度区间, 有助于了解藻类生长与营养之间的关系[20,21]。研究表明[22,23], 在适宜的营养水平条件下, 藻类通常对营养盐有较强的吸收能力, 其中当某一环境因子处于最适区时, 物种对其他因子的耐受限也将会增大,因此, 富营养水体中, 一些耐污性的藻类能利用自身特性发展并形成优势种[18]。对滇池、太湖等富营养化湖泊研究已经发现栅藻的大量分布并占据一定的优势[24—26]。本实验设定三种固定磷条件, 分别获得了斜生栅藻在各自氮磷比条件下的比生长速率和最大比生长速率, 通过对其最大比生长速率—氮浓度曲线拟合所得结果显示在低磷、中磷、高磷条件下斜生栅藻的最佳生长的氮浓度分别为 1.02、8.91和18.05 mg/L, 该结果支持了许海等[9]的研究, 即氮浓度在(4—32) mg/L时, 斜生栅藻最大比增长率达到最大(0.41/d左右), 为其最适氮浓度。杨扬等[27]研究了家用洗涤剂磷对斜生栅藻生长的影响, 发现在一定范围内磷含量的增加会引起藻类现存量的显著增加。本研究也获得了相似的结果, 即在最适氮浓度条件下, 藻细胞密度和最大比生长速率随着磷浓度的增加而显著增加(P<0.05), 表明水体中磷含量变化直接影响着斜生栅藻的生长和繁殖。根据Redfield ratio, N/P为16:1(重量比约7∶1)时[28]藻类生长最佳。然而, 本研究发现斜生栅藻在 50∶1左右的氮—磷比条件表现出最大比生长速率。许海等[11]对斜生栅藻的生长研究也发现了在0.2 mg/L磷条件下斜生栅藻最适N/P为64∶1, 这暗示了斜生栅藻适宜高氮、磷环境条件。先前的研究表明氮为(2—4) mg/L、磷为0.2 mg/L的营养水平较适于铜绿微囊藻的生长,而栅藻则适宜更高的氮、磷营养水平(氮8 mg/L、磷为0.5 mg/L)[7,9,10,29]。因此, 结合本文的研究结果,可以推测在高氮、磷条件下斜生栅藻可能表现出比微囊藻更大的竞争优势。

生物和生态因子间的相互关系是错综复杂的,了解藻类生长与环境因子之间的关系, 可以使其在一定范围内作为良好的指示生物来反映环境的某些特征[30]。陈艳拢等[31]对东海原甲藻温度生态幅进行定量表达, 探究赤潮暴发的机理; 文世勇等[16]研究表明, 塔玛亚历山大藻在不同磷起始条件下氮的生态幅也不相同; 龙天渝等[21]对嘉陵江重庆主城段藻类限制因子的生态幅进行研究, 为探索富营养化发生的机理与条件提供了理论依据。本研究所得斜生栅藻在三种磷起始条件下氮适宜生长范围分别为(0.52—1.52)、(4.48—13.34)和(11.72—24.38 )mg/L;氮耐受限度分别为(0.02—2.02)、(0.05—17.77)和(5.39—30.71) mg/L, 说明了在富营养、重富营养型水体的湖泊、水库等均有可能引起斜生栅藻的大量繁殖和生长, 也暗示了斜生栅藻能作为高营养盐(N、P)环境的一个良好指示生物。

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STUDY ON ECOLOGICAL AMPLITUDE OF NITROGEN OF SCENDESMUS OBLIQUUS AT DIFFERENT INITIAL PHOSPHATE CONCENTRATIONS

YANG Song-Qi and WU Zhong-Xing
(Key Laboratory of Eco-environments in Three Gorges Reservoir Region (Ministry of Education), Chongqing Key Laboratory of Plant Ecology and Resources Research in Three Gorges Reservoir Region, School of Life Science, Southwest University, Chongqing 400715, China)

The present study was conducted to calculate the ecological amplitude of nitrate and to obtain the optimum nitrate concentrations, optimum growth, and tolerance range of nitrate concentrations during the growth of Scendesmus obliquus. Three fixed initial phosphate concentrations [0.02 mg/L (low-P), 0.2 mg/L (medium-P) and 0.4 mg/L (high-P)] were carried out based on the surface water environmental quality standard of the People’s Republic of China. A nitrate tolerance model of the algal growth was established based on the Shelford’s law of tolerance. The results showed that the optimum nitrate concentrations in low-P, medium-P, and high-P cultures were 1.02, 8.91 and 18.05 mg/L, respectively; the optimum growth range of nitrate concentrations were (0.142±0.006), (0.314±0.002) and 0.346±0.007/d, respectively; the tolerance range of nitrate concentrations were (0.02—2.02), (0.05—17.77) and 5.39—30.71 mg/L, respectively. These results suggest that water pollution may promote the growth and production of Scendesmus obliquus, and Scendesmus obliquus may be a good indicator for the high nitrogen water environment.

Ecological amplitude; Scendesmus obliquus; Optimum nitrate concentrations; Optimum growth range of nitrate concentrations; Tolerance range of nitrate concentrations

Q142

A

1000-3207(2014)03-0510-06

10.7541/2014.72

2013-04-12;

2014-01-21

西南大学博士基金(SWU110065); 国家自然科学基金(31170372)资助

杨宋琪(1988— ), 男, 甘肃陇南人; 硕士研究生; 主要从事藻类生态学研究。E-mail: yangzong866@126.com

吴忠兴(1975— ), 男, 教授; 主要从事藻类生理生态及分子系统性学研究。E-mail: wuzhx@swu.edu.cn