温度、光照及藻细胞密度对3种水华蓝藻生长及竞争的影响

钱志萍，李卓远，李燕均，王全喜*

（1.上海师范大学环境与地理科学学院，上海200234；2.上海外国语大学附属外国语学校，上海200083；3.上海师范大学生命科学学院，上海200234）

0 引 言

水体富营养化是一个全球性的水环境污染问题［1］，富营养化引发的水华已严重威胁到了水体生态系统和人类的健康，其中尤以蓝藻水华的危害最大［2］.1878 年FRANCIS［3］首次报道了泡沫节球藻会对动物产生毒害作用，至1959 年BISHOP 首次分离出藻毒素后，不断有相关报道发表.蓝藻水华又被称为湖泊癌症［4］，目前，世界上淡水湖泊蓝藻水华发生的频率与严重程度都日趋恶化，发生的地点遍布全球各地［5］.中国湖泊爆发蓝藻水华最早可追溯到1960 年的太湖［6］.如何使用经济、安全的方法，长期有效地治理水华，已成为当今水环境健康研究的热点之一.

微藻之间存在着种间竞争关系，环境因素和自身生理特征均会影响浮游藻类之间竞争的结果，如温度、光照、营养盐浓度、pH 值等［7-8］.蓝藻自身具有的一系列特殊生理特征：固氮机制、CO2浓缩机制、温度光照适应机制、悬浮机制、毒素释放机制等［9-10］，均能使其在较为恶劣的环境中占据竞争优势地位，因此通常在夏季淡水湖泊和水库中易形成蓝藻水华.

长期监测的结果显示：在同一湖泊中，虽然湖泊地理条件和营养盐水平基本不变，但在环境因子变化的情况下，在不同年份或同一年份的不同时期形成的蓝藻水华，其优势种并不相同［2，11］.以淀山湖为例，在春秋季形成的蓝藻水华主要以鱼腥藻为优势种.而在夏季，2012—2017 年的监测数据结果显示：蓝藻水华的优势种为微囊藻与平裂藻，两者在不同年份交替出现，如2012—2013 年的优势种为铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa Kutzing），2014—2015 年的优势种为细小平裂藻，2016—2017 年又以铜绿微囊藻为优势种［12］.2019 年许海等［13］对暴发水华的部分湖泊中蓝藻优势藻种铜绿微囊藻和绿藻优势藻种斜生栅藻之间的竞争做了相关研究，证明了超富营养水体易形成绿藻水华，氮磷浓度相对低的水体则易形成蓝藻水华.肖宇梅等［14］对多甲藻与微囊藻在磷的竞争进行了研究.然而，对于蓝藻不同藻种间如何竞争成为蓝藻水华暴发时的优势藻种，尚无相关研究报道.本文作者选用铜绿微囊藻、细小平裂藻（Merismopedia minima G.Beck）和土生伪鱼腥藻（Pseudanabaena mucicola（Naumann&Huber-Pestalozzi）Schwabe 1964）作为研究对象，运用单因子和正交实验的方法，研究温度、光照，及藻细胞密度对这3种水华蓝藻竞争的影响，以期为蓝藻水华的防治提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 实验材料

铜绿微囊藻、细小平裂藻、土生伪鱼腥藻均购自中国科学院水生生物研究所淡水藻种库.统一采用BG-11培养基培养［15］，BG-11培养基经过121 ℃高温高压灭菌后放置在4 ℃冰箱内保存.

1.2 培养方法与条件

取对数生长期的铜绿微囊藻、细小平裂藻和土生伪鱼腥藻，分别经3 000 r·min-1离心，15 g·L-1的NaHCO3清洗，重复3次，再以15 g·L-1的NaHCO3饥饿处理3 d后，作为初始藻液，接种于装有100 mL BG-11 培养基的250 mL 锥形瓶中，初始藻细胞密度为0.5×104mL-1，置于智能藻类光照培养箱中进行培养.基本培养条件为连续光暗比设置为12∶12，温度设置为25 ℃，光照强度设置为60 μmol·m-2·s-1，每天定时将所有藻液摇动3 次.各实验组设置为：温度影响实验组设置20，25，30 ℃3 个温度梯度；光照影响实验组设置60，90，120，200 μmol·m-2·s-14个光照强度梯度；藻细胞初始密度影响实验组设置铜绿微囊藻与细小平裂藻初始藻细胞密度比为1∶1，1∶10 和10∶1 的3 个密度比，细小平裂藻与土生伪鱼腥藻初始藻细胞密度比为1∶1，1∶5和5∶1的3个密度比.

1.3 生长曲线测定

使用紫外可见分光光度计，自接种第2天起，每隔1 d测定各实验组藻细胞光密度吸收值（OD750），以BG-11培养基作为对照，重复3次，绘制生长曲线.

1.4 生物量测定

自接种之日起，每隔1 d，取10 μL 藻液，使用血球计数器在显微镜下测定藻细胞密度，每次计数细胞30～300个，密度超过则需稀释后计数.计算得到每天的藻细胞密度.

2 结果与讨论

2.1 不同温度对3种水华蓝藻生长的影响

分别将铜绿微囊藻、细小平裂藻和土生伪鱼腥藻置于20，25，30 ℃3 个温度条件下培养，三者的生长曲线如图1 所示.由图1 可知：在20 ℃的低温条件下，土生伪鱼腥藻的生长优于铜绿微囊藻和细小平裂藻，随着温度的升高，土生伪鱼腥藻的生长受到了非常明显的抑制，30 ℃时土生伪鱼腥藻几乎无法正常生长；而温度的升高明显促进了铜绿微囊藻和细小平裂藻的生长，25 ℃条件下，细小平裂藻的生长优于土生伪鱼腥藻，且略好于铜绿微囊藻，当温度升高到30 ℃时，铜绿微囊藻的藻细胞密度最大.

图1 不同温度下3种水华蓝藻的生长情况.（a）20 ℃；（b）25 ℃；（c）30 ℃

铜绿微囊藻作为淡水湖泊水库蓝藻水华的主要优势藻种，其作为优势藻种形成的蓝藻水华，一般都在持续高温的夏季爆发，本实验结果显示铜绿微囊在30 ℃条件下生长最佳，与其在野外爆发微囊藻水华时的生长条件一致.土生伪鱼腥藻无法忍受高温环境，其最佳生长条件为20 ℃，这一结果与其经常在春夏交替时期或者秋季较低温度环境下作为优势种形成水华的现象相印证.细小平裂藻在高温条件下与铜绿微囊藻的生长情况基本相似，对于这两种水华蓝藻的竞争，温度并不是最关键的影响因子.

2.2 不同光照强度对3种水华蓝藻生长的影响

分别将铜绿微囊藻、细小平裂藻和土生伪鱼腥藻置于60，90，120，200 μmol·m-2·s-14 个光照强度条件下培养，三者的生长曲线如图2 所示.由图2 可知：4 个不同光照强度实验组中，铜绿微囊藻均有明显的竞争优势；200 μmol·m-2·s-1条件下，铜绿微囊藻的细胞密度最大；土生伪鱼腥藻在低光照的60 μmol·m-2·s-1和90 μmol·m-2·s-1条件下对细小平裂藻具有竞争优势，而随着光照强度的增强，这一竞争优势逐渐丧失；在120 μmol·m-2·s-1条件下，两者藻细胞密度相当，而在200 μmol·m-2·s-1条件下，土生伪鱼腥藻的生长受到了明显的抑制.

铜绿微囊藻对于光照的适应能力较细小平裂藻和土生伪鱼腥藻更强，因此光照强度并不是其生长的限制因子.细小平裂藻在低光照条件下无法获得竞争优势，光照强度的增加对其生长具有较为明显的促进作用，这也能说明为什么平裂藻水华的爆发时期通常都是在多日晴好天气之后.而土生伪鱼腥藻在较低光照强度的环境中生长较为旺盛的结果，与伪鱼腥藻水华的爆发时期通常为春夏交替时长江流域低光照的梅雨季节相映证.

2.3 不同初始藻细胞密度对3种水华蓝藻生长的影响

铜绿微囊藻和细小平裂藻在温度为30 ℃时生长状况基本一致，以此作为培养条件，设置铜绿微囊藻和细小平裂藻初始藻细胞密度比分别为：1∶1，1∶10 和10∶1 三个实验组，将两者混合培养，其生长状况如图3所示.由图3可知：即使在两者的最佳生长条件下，由于初始藻细胞密度不同，两者竞争生长的结果也不相同.细小平裂藻只有在初始藻细胞密度高于铜绿微囊藻时，才能在竞争过程中占优，铜绿微囊藻则在同等初始藻细胞密度的情况下即可形成竞争优势.因此，长期湖泊监测中发现的夏季蓝藻水华优势藻种交替出现现象可能与湖泊春季蓝藻群落结构中的优势种藻细胞密度高低有直接关系.

细小平裂藻与土生伪鱼腥藻在光照强度为120 μmol·m-2·s-1时的生长情况基本一致，以此作为培养条件，设置细小平裂藻与土生伪鱼腥藻的初始藻细胞密度比分别为：1∶1，1∶5 和5∶1 三个实验组，将两者混合培养，其生长状况如图4所示.由图4可知：藻细胞密度是影响细小平裂藻和土生伪鱼腥藻竞争关系的关键因子.当细小平裂藻藻的初始藻细胞密度不低于土生伪鱼腥藻时，其具有明显的竞争优势，然而，即使细小平裂藻的初始藻细胞密度低于土生伪鱼腥藻，生长受到暂时的抑制，一旦细胞密度上升至与土生伪鱼腥藻相当，细小平裂藻同样可以表现出明显的竞争优势.因此在春夏交替过程中，随着温度及光照的逐步上升，细小平裂藻的生长得到促进，藻细胞密度随之迅速增大，即使在两者均能生长的环境下，由于细胞密度比的缩小，优势藻种的更替也随之完成.

图4 不同初始藻细胞密度下细小平裂藻和土生伪鱼腥藻混合生长情况.细小平裂藻和土生伪鱼腥藻初始藻细胞密度比（a）1∶1；（b）5∶1；（c）1∶5

3 结论

本文作者运用单因子和正交实验的方法，分析了温度、光照以及藻细胞初始密度对三者生长及竞争的影响，得到如下结论：

（1）不同温度、光照及初始藻细胞密度均能影响铜绿微囊藻、细小平裂藻及土生伪鱼腥藻成为蓝藻水华优势藻种.

（2）低温、低光照下，土生伪鱼腥藻可成为蓝藻水华的优势藻种；随着温度及光照的上升，蓝藻水华的优势藻种从土生伪鱼腥藻更替为细小平裂藻；而当温度及光照进一步上升后，铜绿微囊藻成为新的水华优势藻种.这一结果解释了在夏季持续晴天高温的天气，淡水湖泊（水库）易形成微囊藻水华或平裂藻水华，而在春秋季节适宜的温度及并不强烈的光照条件下，淡水湖泊（水库）易形成鱼腥藻水华的原因.

（3）在土生伪鱼腥藻与细小平裂藻及细小平裂藻与铜绿微囊藻生长的共适条件下，以不同比例的初始藻细胞密度将两者混合培养后，初始藻细胞密度比在混合培养过程中对两者的竞争能力有非常明显的影响，能决定优势藻种的归属.当细小平裂藻密度不低于土生伪鱼腥藻时，即可成为优势藻种；同样，当铜绿微囊藻密度不低于细小平裂藻时，亦可成为优势藻种.这一结果也说明了铜绿微囊藻是蓝藻水华优势藻种最主要的原因.

以上结论解释了不同湖泊或者同一湖泊在不同年份中蓝藻水华优势藻种并不相同的原因.因此，除了采用常规的水华治理方法，如控制营养盐和其他污染物的输入等以外，关注浮游植物群落结构的变化，控制和降低蓝藻在夏季蓝藻水华爆发前的生物量，特别是降低春夏交替时沉于水体中下层的各种类蓝藻的生物量，可能是治理淡水湖泊（水库）富营养化引发的蓝藻水华的又一有效方法.