光照强度对浮游植物丰度及吸收铁的影响1)

于洪贤 张莹莹 马成学 鞠永富

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

光照强度对浮游植物丰度及吸收铁的影响1)

于洪贤 张莹莹 马成学 鞠永富

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

在小兴凯湖采集水样，滤掉浮游动物，对浮游植物进行为期12 d的实验室培养。试验设置了4个光照梯度和5个Fe浓度，分别进行对比试验。结果表明：随着Fe浓度的增加，浮游植物对Fe的吸收量也相应的增加。在低光照强度下，浮游植物对Fe的吸收规律不明显。在光强为4 000 lx时，浮游植物吸收Fe量为0的培养瓶中浮游植物丰度降低了63.6 ind·L-1。在光强为8 000 lx条件下，浮游植物丰度与吸收Fe量呈正相关关系。在光强为12 000 lx时，吸收Fe量为0.091 mg·L-1的培养瓶中浮游植物丰度增加了2 791.2 ind·L-1，说明了光照强度对藻类生长的限制作用明显高于培养液中营养元素对藻类生长的限制作用。

光照强度；浮游植物；丰度；吸收铁；小兴凯湖

淡水浮游植物是引发水华的主要生物类型，水华不仅破坏水域的正常生态系统，而且直接危及水产养殖和渔业资源。因此，探究引发水华的原因和寻找治理水华的途径是非常必要的。通过研究光照强度与藻细胞密度和叶绿素含量间，以及光照强度与光合作用之间的关系[1-2]，证实了光照强度是控制藻类生长的主要因素之一。在自然条件下，光照强度的改变在很大程度上可以改变藻的种类组成[3]。铁在藻细胞的呼吸作用、光合作用、氮的固定和许多酶触反应过程中都起着关键的作用[4-6]。当浮游植物缺铁时，叶绿素数量减少，细胞体积变小，藻细胞内微量元素的成分也会相应地发生改变。浮游植物对可利用铁的需求除了受遗传因素的影响外还受环境的影响。同时，在光限制条件下，Fe的利用效率会降低，主要原因是由于捕光色素的含量有了较大的提高。本研究以小兴凯湖水样作为研究对象，通过模拟光照强度，研究藻类在不同光照强度下的生长情况，探索光照强度对藻类吸收Fe的影响，从而为小兴凯湖水域保护提供有利的科学依据。

1 材料与方法

1.1 采样地点

2013年5月选择小兴凯湖管理委员会样点水样作为试验水样，分别采取等量的上、中、下3个水层的水样混合，用13号浮游生物网过滤除去浮游动物。

1.2 试验方法

试验前，首先对试验藻种进行了预培养，当藻细胞进入指数生长期后开始进行分装。将500 mL的等量水样分装于消毒过的三角烧瓶中，并放置在ZGX-258C型智能光照培养箱中。以日光灯为光源，设置不同光照强度并用TES1330照度计测定光强。因三角烧瓶透明，用照度计分别测定三角烧瓶内外光照强度无变化，可以忽略三角烧瓶挡光的影响。光照条件分别设置为1 000、4 000、8 000、12 000 lx。每个光照条件下分别加入铁螯合剂(Fe-EDTA)，浓度分别为3、5、7、9 μmol·L-1。每个光照条件下设置一组不加铁的样品进行对比试验。调控温度与现场水温相同(22±1)℃，光暗比为12∶12，分别在培养期的第1天和第12天测定培养液中Fe质量浓度、鉴定浮游植物并计算细胞丰度。

1.3 浮游植物定性、定量分析与Fe质量浓度测定

藻细胞计数：取样前晃动锥形瓶使藻细胞均匀分布，然后用移液管吸取50 mL放置在塑料瓶中，再加入适量的鲁哥氏液固定藻细胞。再把50 mL已固定的水样放入型号GT10-1离心机中离心，1 000 r·min-1离心10 min。吸出上层清液49 mL，留取1 mL。再用胶头滴管吸取0.1 mL样品放在浮游植物计数框中，加盖玻片，在16×40倍OLYMPUS倒置显微镜下观察计数[7]。

Fe质量浓度测定：取10 mL藻细胞培养液，用混合纤维素滤膜过滤，用火焰原子吸收分光光度法测定培养液中Fe的质量浓度。

2 结果与分析

由表1可以得出，在相同光照条件下随着培养液中Fe浓度的增加，浮游植物对Fe的吸收量也随之增加。在光强为1 000 lx、Fe浓度为9 μmol·L-1的培养瓶中，Fe吸收量为0.128 mg·L-1，浮游植物丰度只增加了109.2 ind·L-1。在每个光照条件下，未加Fe的培养瓶中Fe浓度为小兴凯湖本底值(4 μmol·L-1)与其他培养瓶中铁浓度相比为缺铁。但在光照强度为1 000 lx、Fe浓度为0 μmol·L-1的培养瓶中，浮游植物丰度竟增长了242.4 ind·L-1。在光强为4 000 lx、Fe浓度为0 μmol·L-1的培养瓶中，第12天浮游植物丰度下降了63.6 ind/L，Fe吸收量为0 mg·L-1。在光强为4 000 lx光强下，5瓶培养液中Fe消耗量的总和高达0.534 mg·L-1，浮游植物丰度共增加了325.2 ind·L-1。在光强为8 000 lx条件下，浮游植物Fe吸收量明显高于1 000 lx光强。除在小兴凯湖本底值时浮游植物丰度生长稳定外，浮游植物丰度与Fe吸收量呈正相关关系，均随着Fe吸收量的增加而增加且总丰度值也比1 000 lx和4 000 lx光强下高。在12 000 lx光强下，浮游植物对Fe的总吸收量达0.509 mg·L-1，均小于在4 000 lx和8 000 lx光强下的吸收量，但浮游植物总丰度却增加了3 354 ind·L-1。

表1 小兴凯湖浮游植物丰度及其Fe吸收量

3 结论与讨论

本研究通过设置4个光照梯度和5个Fe浓度的试验，来研究光照强度对浮游植物丰度及吸收Fe的影响，结果表明：①随着Fe浓度的增加，浮游植物对Fe的吸收量也相应地增加。在低光照条件下，浮游植物丰度与Fe的吸收量间无规律。浮游植物对Fe的吸收量大，但浮游植物的丰度未必增大。②在光强为8 000 lx条件下，浮游植物丰度与Fe吸收量呈正相关关系，均随着Fe吸收量的增加而增加且总丰度值也比1 000 lx和4 000 lx光强下高出很多。说明8 000 lx的光照条件是最适宜藻类生长的。③在光强为12 000 lx条件下，浮游植物对Fe的吸收量少于8 000 lx和4 000 lx且浮游植物丰度很高，说明光照强度对藻类生长的限制作用明显高于培养液中Fe对藻类生长的限制作用。

在光强为1 000 lx、Fe浓度为9 μmol·L-1的培养瓶中得到的结论表明，在低光照条件下，细胞对铁需求的增高是因为捕光色素对光合作用反应中心的比率升高，以及和胞内叶绿素含量的增高与含铁反应中心和电子传递链的增多有关[8]。这些额外的细胞内的铁是为了满足适应低光照时合成光合单位(PSU)的需求[8]。但在光照强度为1 000 lx、Fe浓度为0 μmol·L-1(小兴凯湖本底值4 μmol·L-1)的培养瓶中的浮游植物丰度增长趋势可推断，这可能是由于铁限制引起藻细胞中吸收营养盐的机理发生一定变化，比如可能加强了对除铁的其它营养盐以及微量金属的更大吸收，或者对吸收的铁的利用率加大。总之，在光照强度较低的1 000 lx条件下，Fe吸收量与浮游植物的丰度关系规律不明显。

在光强为4 000 lx、Fe浓度为0 μmol·L-1(小兴凯湖本底值4 μmol·L-1)的培养瓶中，浮游植物丰度培养到第12天时下降了63.6 ind·L-1，Fe吸收量为0 mg·L-1，浮游植物在生长过程中得不到Fe微量元素的供应而裂解。在光强为4 000 lx下，5瓶培养液中Fe消耗量的总和高达0.534 mg·L-1，浮游植物丰度共增加了325.2 ind·L-1。这说明，光照强度加大，浮游植物对Fe的吸收量增大，但浮游植物的丰度未必增大。

在光强为8 000 lx条件下，浮游植物Fe吸收量远远高于1 000 lx，说明在自然水体中，有高价态Fe(Fe3+)和低价态Fe(Fe2+)，高价态Fe离子及其络合形态不能直接被藻细胞利用，需要被还原成低价态Fe的生物活性形式才能被藻细胞所吸收。为了深入了解藻细胞吸收铁元素的可能过程，本研究在模拟试验中施加了Fe鳌合剂EDTA[9-10],这时培养液中存在复杂的Fe3+-EDTA和Fe2+-EDTA之间的氧化还原过程，而光照能够进一步促进高价Fe离子的还原。由此可见，光照强度的增加，不仅有利于藻类的生长，而且也加速了培养液中三价Fe还原为二价Fe的过程，从而使培养体系中增加的生物可利用性Fe被藻细胞所消耗。因此，培养液中Fe的消耗量随光照强度的增加而增加，实质上是由于光照有利于藻类生长和促进三价Fe还原双重作用的综合结果。

在12 000 lx光强下，浮游植物对Fe的总吸收量均小于在4 000 lx和8 000 lx光强下的吸收量，但浮游植物总丰度却有所增加。这说明，在高光照条件下藻细胞对Fe的吸收量相对减少，是由于这时在细胞膜上Fe还原酶的活性要比在低光照强度时强得多，因而使Fe的吸收率降低[3]。表明了在营养物质满足藻类生长需要，不存在Fe限制的条件下，光照强度对藻类生长的限制作用并不会因为有了丰富的必需营养要素而减弱，进一步证明了在自然界，光照强度对水华藻生长产生影响的重要性和不可取代性。

[1] Sunda W G, Huntsma S A. Interrelated influence of iron, light and cell size on marine phytoplankton growth[J]. Nature,1997,390:389-392.

[2] Siegel D A, Doney S C, Yoder J A. The North Atlantic spring phytoplankton bloom and Sverdrup’s critical depth hypothesis[J]. Science,2002,296:730-733.

[3] 翁焕新,孙向卫,秦亚超,等.光照强度对隐藻吸收铁和磷的影响[J].地球化学,2007,36(4):383-390.

[4] Kawabata Z, Hirano Y. Growth pattern and cellular nitrogen and phosphorus contents of the dinoflagellatePeridiniumpenardii(Lemm.) Lemm. causing a freshwater red tide in a rservoir[J]. Hydrobiologia,1995,312(2):115-120.

[5] Alvarez-Salgado X A, Rosón G, Pérez F F, et al. Nitrogen cycling in an estuarine upwelling system, the Ria de Arousa (NW Spain). I. Short-time-scale patterns of hydrodynamic and biogeochemical circulation[J]. Mar Ecol Prog Ser,1996,135(1/3):259-273.

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[9] Sunda W, Huntsman S. Effect of pH, light, and temperature on Fe-EDTA chelation and Fe hydrolysis in seawater[J]. Marine Chemistry,2003,84(1/2):35-47.

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Effect of Light Intensity on the Absorption of Iron and the Phytoplankton Abundance

Yu Hongxian, Zhang Yingying, Ma Chengxue, Ju Yongfu(Northeast Forestry University, Harbin150000, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2015,43(1)：93-95.

We collected water samples, filtered planktonic animal, cultured the phytoplankton in the Small Xingkai Lake for 12 d in the laboratory. We set four light gradients and five different Fe concentrations by comparative experiments. With the increase of Fe concentration, absorption of phytoplankton on Fe increased correspondingly. In low light intensity, the absorption amount of Fe had no regular law. In 4 000 lx of light intensity, the phytoplankton abundance reduced by 63.6 ind/L in 0 of phytoplankton Fe uptake. In 8 000 lx, the phytoplankton abundance was positively correlated with Fe uptake. In 12 000 lx, the phytoplankton abundance increased by 2 791.2 ind/L in 0.091 mg/L of Fe uptake. The light intensity on the restriction of algae growth in nutrient solution culture was more obvious in the algae growth restriction.

Light intensity; Phytoplankton; Abundance; Iron absorption; Small Xingkai Lake

1) 国家自然科学基金项目(41271106)；科技部国家基础性工作项目(2013FY111800)。

于洪贤，女，1962年1月生，东北林业大学野生动物资源学院，教授。E-mail:china.yhx@163.com。

2014年4月29日。

Q17

责任编辑：程 红。