不同光照下梅尼小环藻对昼夜温差变化的生理响应

谭清乾 ，王沛芳，王 洵，马晶洁，胡 斌

(1.河海大学环境学院，江苏 南京 210098；2.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏 南京 210098)

联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)第五次气候变化评估报告显示，全球变暖已是不争的事实，报告同时还指出北半球大部分地区都出现不同程度的不对称增温，导致昼夜温差不断缩小[1-2]。这对各类生态系统产生了诸多不利影响[3-4]，许多陆地、淡水和海洋物种的分布范围、季节性活动及物种间的相互作用已经发生改变。有效减少全球气候变化带来的负面影响，一方面要积极采取应对措施，另一方面也需要了解生态系统响应气候变化的机制。

研究发现气候变暖会引发藻类水华的暴发[5]，从而影响水源供应、危害人类健康、降低生物多样性并严重破坏生态平衡[6]。如何预测、控制水华的暴发，对保护我国水资源具有重要意义。目前多数研究都用平均温度的升高来衡量气候变暖对藻类的影响[7-10]，昼夜温差的变化容易被研究者忽视。藻类许多生理活动存在明显的昼夜节律[11-12]，有研究指出夜温升高能促进藻类生物量与油脂含量的增长[13-14]，这表明昼夜温差减小可能会促进藻类繁殖，破坏水生态系统的稳定性。大量研究证实温度与光照对藻类的影响存在耦合机制[15-17]，Han等[18]发现低光环境中分离的藻类能抵抗夜温变化所带来的影响。因此在不同光照条件下，藻类对昼夜温差变化的响应可能存在差异。目前关于昼夜温差对藻类生长影响机制的探索不够，一方面研究多集中在藻类生物量、脂肪含量的变化，对光合作用、营养盐利用等生理特征的研究较少；另一方面，在考虑昼夜温差的影响时，忽略了其他环境因子的协同作用，从而降低研究的精准性。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.2 试验设计

正式试验在步入式恒温恒湿实验室(MHPW-020-TSW)内开展。为模拟不同环境的光照条件，参考我国部分地区太阳辐射监测数值，将正式试验光照强度设置为高光照(1 500 W/m2，记为G)和低光照(1 000 W/m2，记为P)[21-22]，光暗周期均为 14 h∶10 h，结合硅藻水华多发地汉江4月间的天气数据[23-24]与中国昼夜温差的平均下降速度，并参考陈星星等[25]对昼夜温差试验的设置方法，在高、低光照强度下将昼夜温度设置3组：25 ℃/15 ℃、25 ℃/20 ℃、25 ℃/25 ℃，分别记为G1、G2、G3、P1、P2、P3，每组试验均设置3组平行。

1.3 指标测定

1.3.1藻细胞密度与叶绿素a的测定

利用紫外可见分光光度计(TU1901)测定其在680 nm波长处的光密度(OD680)值，得到藻细胞密度[27-28]。叶绿素a质量浓度由浮游植物荧光仪(Phyto-PAM-Ⅱ)测定[29]。

1.3.2叶绿素荧光参数的测定

各处理组分别取2 mL藻液作为样品，利用Phyto-PAM-Ⅱ测定各叶绿素荧光参数[30-32]。

4.1.1 以护理项目为评价对象 护理项目是质量评价的基本单元，传统的护理质量评价主要将护理项目作为评价对象，如特护、1级护理质量、护理技术操作合格率、健康教育的实施效果等。

1.3.3水样指标测定

1.3.4硅吸收动力学参数测定

培养结束后收集藻液，经无硅培养基清洗2遍后，进行饥饿处理，饥饿过程持续2 d[33]，每天监测藻细胞密度、光合活性，当其下降时，于4 000 rpm离心5 min，丢弃上清液，浓缩收集，在无光的环境中培养1 d，之后将藻液接入不同硅浓度(Na2SiO3)(0.5 mg/L、1 mg/L、2 mg/L、4 mg/L、8 mg/L、16 mg/L、20 mg/L、32 mg/L)[33]的8个250 mL锥形瓶中，测定初始藻细胞密度，并放至对应的光照条件下进行培养。接种完成立即取样5 mL经0.22 μm膜过滤后测定初始溶解态硅(DSi)浓度，经过3 h培养后[33]取样测定各培养基中DSi的浓度。DSi浓度的测定采用1，2，4氨基萘酚磺酸还原-硅钼蓝法[34]。最大吸收速率和半饱和浓度根据米氏方程公式拟合得到,吸收速率通过每个培养基中减少的Si质量浓度计算[35]:

(1)

式中：V为吸收速率，ng/(个·h);Vm为最大吸收速率，ng/(个·h)；Km为半饱和浓度，表示当V=1/2Vm时底物Si的质量浓度，ng/L；ρ为培养液中Si的质量浓度，ng/L。

1.4 数据处理

2 结果与分析

2.1 生物量变化

2.1.1细胞密度

(a) 高光照条件

2.1.2叶绿素a质量浓度

图2为昼夜温差和光照强度对梅尼小环藻叶绿素a质量浓度的影响。由图2可见，培养结束后，G1、G2、G3组的叶绿素a质量浓度显著高于对应的P1、P2、P3组(P≈0.000<0.05)，G处理中增长最多的是G2组，从培养前的155.97 μg/L增加到924.15 μg/L，增长率为492%，P处理中P2组增长最多，从153.7 μg/L增加至705.3 μg/L，增长率为358%，低于G2组，这与藻细胞密度的变化趋势一致。在G处理下，各组叶绿素a质量浓度在第7天出现显著差异(P<0.05)，培养结束后表现为G2>G3>G1，组间差异进一步扩大(P<0.01)(图2(a))。图2(b)显示在P处理下，各组叶绿素a质量浓度在第9天出现显著差异(P<0.05)，培养结束后表现为P2>P3>P1，与G组相似，组间差异显著(P<0.05)。在G、P处理下，恒温组的叶绿素a质量浓度均高于10 ℃温差组，低于5 ℃温差组，这与藻细胞密度的变化趋势不同。

(a) 高光照条件

2.2 光合活性变化

2.2.1最大量子产生量

各组梅尼小环藻的最大量子产量(Fv/Fm)变化如图3所示。培养结束后，P处理下的梅尼小环藻Fv/Fm均显著高于G处理(P<0.05)，各组Fv/Fm总体上呈现波动下降趋势。从图3(a)可见，在G处理下，不同温差组梅尼小环藻Fv/Fm下降幅度不同，在培养的第3天，G1组Fv/Fm下降幅度远高于其他两组，从0.46下降到0.27，随后趋于稳定；G2组与G3组的变化幅度相似，整体呈现缓慢下降趋势；培养结束后，G1、G2、G3分别下降了65.2%、36.3%、45.9%，组间差异显著(P<0.05)。图3(b)显示，P处理下，各温差组的变化表现出相似的规律，呈现波动下降的趋势，均能维持较高的Fv/Fm；其中P1、P2、P3分别下降了22.4%、19.6%、21.7%，组间差异不明显(P>0.05)；从总体上看，P处理下各组间Fv/Fm总体变化趋势相同，各组培养结束后的最小值无显著差别。

2.2.2快速光响应曲线

图4为梅尼小环藻快速光响应曲线的变化。图4(a)(b)显示，P处理下梅尼小环藻的快速光响应曲线均高于G处理，这是不同光照条件所带来的差异。在G处理下，各组梅尼小环藻的光利用率(α)中，G1组显著低于G2、G3组(P<0.05)，而G2、G3组变化趋势大致相同。在P处理下，各组变化趋势保持一致，均呈现先波动升高后缓慢下降，组间差异不明显(P>0.05)。图4(c)(d)(e)(f)为不同组中梅尼小环藻最大电子传递速率(Emax)和光饱和点(Ik)的变化曲线。G、P处理下，各温差组Emax和Ik的变化趋势相似，呈现先缓慢下降后保持基本稳定状态，组间差异不显著(P>0.05)，在培养的前5天呈现下降趋势，第7天时进入稳定状态。

(a) 高光照条件

2.3 磷利用情况

(a) 高光照条件下α的变化

图5 不同处理下质量浓度随时间变化

2.4 硅吸收动力学特征

利用Michaelis-Menten动力学方程的非线性拟合，得到不同组梅尼小环藻对硅的最大吸收速率Vm和米氏常数Km(表1)。试验结果表明在G、P处理下，各温差组的Km和Vm均表现出显著差异(P<0.05)。不同光照条件下，均是10 ℃温差组的Km值大于5 ℃温差组，表明在一定范围内，梅尼小环藻的Km值随着温差减小而减小。在G处理下，5 ℃温差组的Km值小于恒温组，而在P处理下，5 ℃温差组的Km值大于恒温组，表明了在不同光照下昼夜温差对其Km值的影响不同。不同光照条件下，梅尼小环藻Km的最小值不同。G处理中G2组的Km最小，为 1.755 ng/L，而P处理中P3组Km最小，为4.673 ng/L，是G2组的2.6倍，说明梅尼小环藻Km值随着光照强度的升高而减小，对硅的吸收能力更强。

表1 梅尼小环藻硅吸收动力学参数

3 讨 论

3.1 梅尼小环藻生物量累积对昼夜温差的响应

在淡水生态系统中，昼夜温差会影响藻细胞的合成代谢、营养盐吸收等生理过程[36]，从而影响藻类的生长繁殖。有研究表明藻类生物量在夜温越高的条件下损失越大[14]，由于暗呼吸速率增加，消耗的物质越大，从而不利于生物量积累。然而本研究结果表明，昼夜温差从10 ℃减小至5 ℃时，促进了梅尼小环藻细胞密度及叶绿素a的增长，而从5 ℃温差变为恒温培养时，其生长受到了一定程度的限制。这是因为在夜温较低的条件下，夜间增温能够加强藻类的各项生命活动，有利于细胞的增殖[37]。而当夜间温度升高至一定界限时，继续增温导致呼吸作用所消耗的物质大大增加，从而消耗了大量的碳水化合物，不利于细胞的生长，这与杨未男[13]发现适宜温差能显著促进小球藻生长的结论一致。目前，气候变化正在朝着昼夜温差不断减小的趋势变化，中国昼夜温差的平均缩小速度为每10年 -0.25 ℃[38]，在短期内这种变化趋势对梅尼小环藻的生长繁殖有利，这可能为硅藻水华的暴发提供了有利条件。在高光照下，梅尼小环藻的生长速度均高于低光照培养，并且昼夜温差减小对其生长繁殖的促进作用更加显著，这表明在高光环境中，一定范围内昼夜温差的减小可能更容易导致其大量繁殖。梅尼小环藻是水库等深水水体主要的有害浮游植物[39]，是常见的硅藻的水华优势种，对低温具有较强的耐受性，能够在高海拔水库环境中正常生长[40]。在这种环境中，光照强度大，昼夜温差减小对其生长的促进作用更加显著，这可能使梅尼小环藻异常增殖，进而导致水库水质变差、出水水质异味等问题[41]，给我国水资源的保护带来巨大的危害。

3.2 梅尼小环藻光合活性对昼夜温差的响应

昼夜温差可以通过影响藻细胞中酶的活性，间接对光能的获取、利用产生影响[15]。本研究发现，昼夜温差对低光照下梅尼小环藻的Fv/Fm无显著影响，各组叶绿素荧光参数都呈现出相同的变化趋势，在整个培养期间都保持较高水平。在高光照条件下，10 ℃温差组的Fv/Fm显著低于其他两组，并且叶绿素荧光参数中α显著降低。费磊[42]研究发现夜间增温会增强第2天藻类的光合作用，这与本研究结果相似，可能是因为夜温升高提高了RubisCO酶活性，进而提高了藻细胞的光利用率[43]。这表明在高光环境中，昼夜温差的减小将促进梅尼小环藻的光合活性，有利于其合成三磷酸腺苷(ATP)用于生长代谢。这也在一定程度上说明了为何在高光环境中，昼夜温差减小对梅尼小环藻生长促进更加明显。因此利用简单的光控制措施如物理遮盖、种植水生植物等，在小型富营养水体中控制硅藻水华可能是有效的方法。

3.3 梅尼小环藻磷利用对昼夜温差的响应

3.4 梅尼小环藻硅吸收动力学特征对昼夜温差的响应

营养盐吸收动力学参数Km是目前最常用表达藻类对营养盐亲和力的参数，Km的降低表明藻类竞争营养盐的能力增强[47]。试验结果显示，高光照下梅尼小环藻对硅的亲和力均高于低光组，吸收效率更高。一些研究同样发现，光胁迫会导致硅藻对硅的吸收增加[48]。这可能是由于藻类对营养盐的吸收需要消耗ATP[33]，在高光环境中，梅尼小环藻能合成更多的ATP，因此对硅的吸收能力更强。有研究指出夜晚温度升高，会影响浮游植物对营养盐的吸收[36]。本研究发现，随着昼夜温差从10 ℃减小至5 ℃，梅尼小环藻对硅的亲和力显著提高，这一变化在2个光处理组中均有出现，表明在一定范围内，昼夜温差的减小有利于梅尼小环藻对硅的吸收。硅在硅藻的生长、繁殖过程中起到了重要的作用，硅的吸收与耗竭是硅藻水华发生与消亡的重要原因[49]，有研究发现在硅丰富、氮磷营养盐缺乏的水体中，当气候环境适宜时，硅藻仍然能够正常繁殖，甚至形成水华[23]。随着全球昼夜温差减小，梅尼小环藻对硅亲和力的增加，可能满足其快速生长对硅的高需求，从而导致在贫营养水体中大量增殖，危害水生态系统的稳定性。当昼夜温差从5 ℃减小至0 ℃时，高光组中梅尼小环藻对硅的亲和力下降，低光组则相反，可能是在不利光照条件下藻类的一种生理调节[36]。这表明在不同光环境中，梅尼小环藻硅吸收对昼夜温差的响应存在一定的差异。

4 结 论

a. 在5～10 ℃范围内，昼夜温差的减小有利于梅尼小环藻生物量的积累，高光照下的促进作用更加明显。在全球昼夜温差缓慢减小的背景下，这种变化将有利于梅尼小环藻的生长繁殖，为水华的发生提供有利的温度条件。

b. 不同光照下梅尼小环藻光合活性对昼夜温差的响应不同。昼夜温差对低光照下梅尼小环藻的光合活性无显著影响；在高光照下，5 ℃～10 ℃范围内的温差减小，会增加其光利用率，提高光合活性。在水华的防止过程中，可采用简单的光控制措施限制硅藻的生长。