不同光照條件下水流對銅綠微囊藻生長的影響＊

李 林，朱 偉

（1.河海大學 環境學院，江蘇 南京 210098；2.水資源高效利用與工程安全國家工程中心，江蘇 南京 210098）

水體富營養化的加劇，水華暴發頻率增加、持續時間長，對當地經濟發展和生態系統帶來巨大的危害.由于我國藍藻水華頻發的湖泊多為淺水型湖泊，水淺的特點決定了湖泊的水動力過程（風力、流速等）勢必會對浮游生物本身及其環境產生影響[1].一些對太湖水華的觀測顯示，藍藻水華的發生與水動力過程可能存在著某種聯系[2]，國外通過野外觀測也發現水華暴發與水動力存在聯系[3－4].近年來，越來越多的學者開始關注擾動對微囊藻生長的直接影響，研究發現了適宜的水流有利于微囊藻的生長，流速過高將抑制微囊藻的生長[5－6]；也有研究發現培養基營養鹽水平[7]、營養鹽性質[8]和溫度[9－11]等影響水流對微囊藻生長的影響，表明水流對微囊藻的生長受環境條件的影響.

光是影響單細胞藻類生長的最重要的條件之一，也是其生長的主要能量來源[12].但水體流動對微囊藻生長的影響是否受光照的影響，鮮見報道.為了解在不同水層下光強的差異對藻細胞生長的影響.本研究以小型有機玻璃環形槽作為實驗裝置模擬不同水體流速，以太湖水華優勢藻種銅綠微囊藻為研究對象，對比研究兩種光照強度下，銅綠微囊藻在不同流速下的生長狀況，以期得到在不同光強下水流對微囊藻生長規律的影響，揭示流動水體中藻細胞在不同水層對藍藻水華的影響.

1 材料及方法

1.1 實驗材料

藍藻門的銅綠微囊藻（Microcystisaeruginosa）來自中國科學院水生生物研究所.用BG11培養基[13]將這兩種藻培養在對數生長期備用.培養基為：改良后的人工培養基BG11（培養基中NaNO3·4H2O和K2HPO4·3H2O含量，得到TN和TP濃度分別為9mg／L和0.5mg／L）.

1.2 實驗方法

將擴大培養的純藻液接種到高壓滅菌的培養基中，微囊藻初始接種藻密度分別為20.0×104cells／mL，光強分別設置為2 500lx和3 500lx，溫度為25±0.5℃，光暗比為14∶10h.每天上午8：00取1mL藻液移至試管中，振蕩搖勻后吸取0.1mL到在0.1mL微藻計數板上，在雙目光學顯微鏡下進行細胞計數，計數3次取平均值；用滅菌蒸餾水補充蒸發和取樣的水.直到實驗結束，每個試驗水體中累積取出的水量約為30mL，為總體積的2%左右，對實驗的影響可忽略不計.

1.3 實驗裝置

室內培養模擬實驗在自制的小型有機玻璃環形槽中進行，如圖1所示.模擬流速范圍為0～60cm／s，最大容納培養基1 800mL，工作體積為1 500mL.工作原理：葉片在可調電動機的驅動下，推動槽內水體流動產生水流，通過調節電動機轉速控制槽內水體的流速.根據太湖水流特征[14]，實驗設置了6個流速梯度（cm／s）：0，5，15，25，35和55（依次為靜止對照、1至5號實驗組），這里的水體流速采用平均流速.

圖1 小型有機玻璃環形槽（mm）Fig.1 Acrylic glass circular water chamber.all dimensions are in mm

實驗在光照培養箱中進行，實現了控溫、控光，同時避免細菌等的影響，在實驗進行前裝置采用30 W紫外燈殺菌2～4h，實驗過程中嚴格無菌操作.實驗過程每組設置2個平行樣.

1.4 分析方法

比增殖速率（μ）是在某一時間間隔內藻類生長的速率（d－1）.其計算公式[16]為：

式中：X1為某一時間間隔開始時的藻類現存量（cell／mL）；X2為某一時間間隔結束時的藻類現存量（cell／mL）；t2－t1為某一時間間隔（d）.先按式（1）計算每組試驗的比增殖速率，再選出每組試驗的最大比增殖速率.

2 實驗結果

2.1 不同光照條件下銅綠微囊藻的生長曲線

兩種光強下，微囊藻在流動水體中共培養了28 d，將這一期間內顯微鏡下計數得到的藻類數量隨著時間的變化整理得到藻類生長曲線，如圖2所示.從圖2中可以看出，在兩種光照條件下水流顯著影響了微囊藻的生長，且均在流速為35cm／s時微囊藻的細胞增加量達到峰值；流速小于35cm／s時微囊藻的生長隨流速的增大而增加，當流速大于35 cm／s后微囊藻的生長隨流速的增加而減少.在兩種不同光強下，水流對微囊藻生長的影響差異較大；在光強為2 500lx下不同水流下對微囊藻生長的影響差異較大，在光強為3 500lx下微囊藻在不同流速下的生長差異較小.

圖2 不同光強下微囊藻的生長曲線Fig.2 Growth curve of M.aeruginosa under the different light intensity

2.2 不同光照條件下銅綠微囊藻生長周期

水流會對銅綠微囊藻的生長、繁殖產生影響，這種影響表現在藻類的各個生長期，對藻類適應期和對數生長期的影響較大.

水流對銅綠微囊藻的適應期有一定的影響，如圖3所示.從圖3可以看出，兩種光強條件下微囊藻在流動水體中的適應期，相較靜止水體均延長.但2 500lx與3 500lx光強的表現不同，光強為2 500 lx時微囊藻的適應期在流速為5cm／s和15cm／s下最長為4d，流速在25～55cm／s時適應期時間相同均為3d，對照組最短為2d；而光強為3 500lx下，靜止對照組的適應時間延長至3d，各實驗組中微囊藻的適應時間均為4d；可見水流使微囊藻生長適應期延長，在高光強下這種影響更為明顯.

為對比不同流速下銅綠微囊藻的對數生長期的差異，將實驗結果整理作圖，如圖4所示.在光強為2 500lx和3 500lx光照強度下，微囊藻在靜止對照組中對數生長期分別為7d和6d，水流延長了微囊藻的對數生長時間.光強為2 500lx時，微囊藻的對數生長時間隨流速的增加先增加后降低，在35cm／s時對數生長時間最長為20d；光強為3 500lx下，微囊藻對數生長時間隨流速的變化差異較小，在55 cm／s時對數生長時間為11d.除流速為5cm／s和15cm／s時微囊藻在3 500lx光強下的對數生長時間較2 500lx下長外，其它實驗組均較短.

圖3 不同流速下微囊藻適應期時間Fig.3 Adaptation period of M.aeruginosa in different flow rate

圖4 不同流速下微囊藻對數生長期時間Fig.4 Logarithmic phase of M.aeruginosa in different flow rate

2.3 不同光照條件下微囊藻比增長速率

對比兩種光強條件下，靜止對照組和各實驗組中銅綠微囊藻的最大比增長率與流速的變化關系，結果如圖5所示.從圖5可以看出，兩種光照條件下，銅綠微囊藻在不同流速水體中的最大比增長率有較大差異；2 500lx和3 500lx光照強度下微囊藻的比增長速率均隨流速的增加先增加后降低的變化趨勢，分別在25cm／s和35cm／s達到最大值；在光強為2 500lx下各實驗組中微囊藻的比增長速率均較3 500lx下的高.在2 500lx光強下，各實驗組中微囊藻的比增長速率均有較大的增加，比增長速率在0.8d－1～1.3d－1之間；而在3 500lx光強下，各實驗組中微囊藻的比增長速率是靜止對照組的增加較低，其比增長速率在0.7d－1～0.8d－1之間.

圖5 2 500lx和3 500lx下銅綠微囊藻比增長速率Fig.5 Specific growth rate of M.aeruginosa under two light intensity

2.4 不同光照條件下微囊藻最大藻密度

將兩種光照強度下微囊藻最大藻密度與流速的關系作圖，見圖6.從圖6可以看出，在2 500lx下實驗組中微囊藻最大藻密度均增加，其最大藻密度在3 498.1×104cell／mL～6 817.6×104cell／mL之間變化，是靜止對照的8.7～17倍；而光強在3 500lx下水流提高了微囊藻密度，實驗組中藻密度是靜止對照組的7.5～10.3倍.兩種光強條件下，微囊藻最大藻密度隨流速的變化趨勢相似，即為隨流速的增加先增加后降低，均在35cm／s時藻密度達到最大，2 500lx下的藻密度是3 500lx下的1.3 倍，在2 500lx下微囊藻密度的變化較3 500lx下的變化更顯著；實驗組中除5cm／s外，2 500lx光強下最大藻密度均高于3 500lx下的藻密度.

圖6 2 500lx和3 500lx下銅綠微囊藻最大藻密度Fig.6 Maximum density of M.aeruginosa under two light intensity

3 討 論

實驗分析發現，水流改變了微囊藻的各生長階段持續的時間，微囊藻在水流作用下延長了生長適應時間，這與金相燦等研究結果相似[16]；同時水體流動延長了微囊藻的對數生長時間.微囊藻進入對數生長期后，微囊藻最大比增長速率和微囊藻最大生物量隨流速變化趨勢相似，即隨流速的增加先增加后降低的變化趨勢.在2 500lx和3 500lx光照強度下，流速在5～35cm／s范圍內微囊藻對數生長時間較長，同時比增長率增加，微囊藻獲得最大生物量；流速在35～55cm／s范圍內微囊藻的對數生長時間縮短，比增長速率降低，微囊藻的最大生物量降低 .可見，水體流動改變微囊藻生長的各個時間和比增長速率，從而影響微囊藻的最大生物量.

不同流速下使微囊藻的生長產生差異的因素很多.通常認為流速的增大將不利于藻的生長.而有的研究表明，除嫌流水藻類外，急流水藻類和中流水藻類都可以在流水中生長，適當的水體流動有利于藻的生長和繁殖[17].廖平安[6]和顏潤潤[7]等通過研究得到，微囊藻的生長存在一個最佳的擾動速度.水體的流動改變了藻類細胞邊界層厚度，縮短了營養物擴散的路程，從而提高細胞對營養鹽的吸收速率[18]；同時水體流動改變了細胞周圍的微環境，有利于分泌物的排泄，有利于微囊藻的生長；當水體的擾動速度過大后，水流產生的剪切力對藻細胞形態產生破壞作用，同時改變藻細胞生理及藻細胞的分裂速率[19].通過實驗分析得到，在此實驗條件下，在光照為2 500lx和3 500lx時，微囊藻的最大生物量均在流速為35cm／s時達到最大值，而低光照條件下微囊藻密度較高光照條件的高.

實驗發現在流動條件下，在營養鹽充足的條件下，當光強大于2 500lx后藻密度降低 .吳旭等[20]通過靜止培養實驗發現，微囊藻的生長在光強為500～7 000lx內，隨光強的增加先增加后降低，在5 000lx時達到最大值 .張青田等[21]得到銅綠微囊藻在4 000lx時生長最快，本實驗得到水體流動可能提高了微囊藻對光的捕獲效率及對光的利用率.嚴潤潤等[7]也得到擾動條件將影響微囊藻對光能的吸收；產生這一變化的原因可能是水體流動改變了微囊藻在水體中的位置，同時微囊藻比表面積較大，提高了微囊藻對光的捕獲[22].實驗也發現在2 500lx下各流速微囊藻生長的差異較大，而在高光照下各流速下微囊藻生長差異較小 .產生這一現象的因素可能是在培養過程中隨藻密度的增加培養基顏色加深，透光性能降低；另一方面，可能是微囊藻在流動水體中藻細胞由單細胞變為群體，微囊藻群體形態的變化對光的捕獲產生差異，進而引起不同流速下微囊藻生長的差異.經3次實驗得到相同的結果.由此可以得到，在野外水體中的微囊藻主要在水體下層生長，而微囊藻在逐漸上升的過程中其生長逐漸降低，這與野外調查的結果相吻合.

4 結 論

1）實驗結果表明，水流提高了微囊藻的生長，延長了微囊藻的對數生長期，提高了微囊藻的比增長速率，從而提高了微囊藻的最大藻密度，流速均在35cm／s時最利于微囊藻的生長.

2）流動的水體提高了微囊藻對光能的吸收，對光照強度的需求降低；在光強為2 500lx下不同水體流速將對微囊藻的生長產生較大差異，而光強為3 500lx時不同水體流速下微囊藻生長的差異較小.

3）產生這一現象的原因可能是在培養過程中培養基顏色和性質的變化；同時微囊藻細胞形態的變化可能是微囊藻的生長產生變化的主要原因.

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