溫度對銅綠微囊藻細胞浮力的調(diào)控機制

周 貝,畢永紅,胡征宇(.中國科學院水生生物研究所,淡水生態(tài)與生物技術(shù)國家重點實驗室,湖北 武漢430072；2.中國科學院大學,北京 00049)

溫度對銅綠微囊藻細胞浮力的調(diào)控機制

周 貝1,2,畢永紅1*,胡征宇1(1.中國科學院水生生物研究所,淡水生態(tài)與生物技術(shù)國家重點實驗室,湖北 武漢430072；2.中國科學院大學,北京 100049)

為了探討溫度對銅綠微囊藻細胞浮力的調(diào)控機制,將銅綠微囊藻分別置于10、15、20、25、30℃條件下,利用改良的percoll密度梯度離心法測得細胞密度,計算出細胞浮力大小,同時測量細胞內(nèi)比生長速率、光合活性、NAD(P)H依賴型氧化還原脫氫酶活性、糖含量、蛋白含量和漂浮細胞百分比.結(jié)果顯示,在實驗溫度范圍內(nèi)(10～30℃),隨著溫度升高,銅綠微囊藻的漂浮細胞百分率增加,浮力變大;同時,細胞內(nèi)糖含量減少,蛋白含量增加,光合作用和NAD(P)H 依賴型氧化還原脫氫酶活性增強.10、15℃條件培養(yǎng)7d,細胞的密度分別增加了2.7%和1.3%,糖含量分別增加了95.3%和65.5%,漂浮細胞百分比分別降低了23.8%和18.3, NAD(P)H依賴型氧化還原脫氫酶活性分別降低了23.8%和18.3%;而20、25和30℃條件培養(yǎng)7d,細胞的密度則分別減少了2.8%、3.8%和3.2%,糖含量分別減少了8.5%、2.9%和19.4%,漂浮細胞百分比分別增加了0%、7%和8.5%,NAD(P)H依賴型氧化還原脫氫酶活性分別增加了0%、7%和8.5%.研究結(jié)果顯示:溫度主要通過影響銅綠微囊藻細胞的光合速率、生長代謝速率和偽空胞含量來改變細胞密度實現(xiàn)浮力調(diào)節(jié).低溫下糖含量增加是浮力消失的主要原因,細胞漂浮與沉降的溫度閾值在15～20℃之間.

溫度；細胞浮力；調(diào)控機制；銅綠微囊藻

銅綠微囊藻是一種常見的藍藻水華優(yōu)勢種[1-2],藻細胞所具備的浮力調(diào)節(jié)功能是其在不同水體中占據(jù)優(yōu)勢的主要因素之一[3-4],浮力調(diào)節(jié)功能既可以使藻細胞進入水體表層獲得充足的光照和 CO2[5-6],也可以使之進入適宜的水體,獲得充足的營養(yǎng)物質(zhì)[7-9].研究表明,冬季藍藻水華的消失、細胞沉降休眠及春季藍藻復蘇上浮與藍藻對溫度的響應有關(guān),而夏季和初秋藍藻水華暴發(fā)與藍藻在高溫下具有相對較高的生長速率有關(guān)[10-12],但關(guān)于溫度對藍藻的沉降、上浮的具體影響機制,仍缺乏清晰的認識.

藍藻浮力調(diào)節(jié)存在3種機制:細胞內(nèi)壓載物含量的改變、偽空胞的產(chǎn)生和稀釋、偽空胞的破裂[13-15].然而微囊藻偽空胞寬度窄小,強度大,細胞產(chǎn)生的膨脹壓無法使之破裂[14],因此,微囊藻的浮力調(diào)節(jié)機制為前2種.

藍藻細胞浮力調(diào)節(jié)研究已有大量的文獻報道,涉及營養(yǎng)、光照和溫度等諸多因子對浮力調(diào)節(jié)的影響.營養(yǎng)方面,藻細胞在營養(yǎng)富足時保持浮力;在氮限制時由于偽空胞破裂和碳水化合物的累積而失去浮力;但在磷限制條件下,即使細胞內(nèi)偽空胞含量有所下降,細胞依然保持浮力[9].營養(yǎng)對細胞浮力的調(diào)控往往與光照結(jié)合在一起進行探討,光強對細胞浮力的影響遠遠大于營養(yǎng)物質(zhì)[16],不同光強和光暗周期決定了氮、磷和碳對藻細胞浮力的影響.藻細胞只在光照充足的水體中(表層和營養(yǎng)豐富的溫躍層間)上下移動[16].

光對浮力調(diào)節(jié)的研究表明,藻細胞浮力對不同光強[17]和不同光周期的響應不同,細胞的響應時間、偽空胞的合成與稀釋、偽空胞的破裂和碳水化合物的累積與消耗等過程均顯著受到光的影響,導致在低光強下浮力增加,高光強下浮力降低.而且,研究表明,細胞浮力對光的具體響應還依賴于試驗前細胞所處的營養(yǎng)和光照環(huán)境[18].

Thomas等[19]研究了微囊藻細胞浮力在不同溫度下恢復的情況,結(jié)果表明,微囊藻細胞在高光強20℃或8℃失去浮力后,轉(zhuǎn)移到20℃黑暗條件下細胞重新獲得浮力,而轉(zhuǎn)移到 8℃黑暗條件下細胞沒有恢復浮力.適當?shù)臏囟葪l件下細胞能恢復其浮力調(diào)控能力,與適當溫度下細胞的碳水化合物利用能力和偽空胞的合成能力密切相關(guān).金相燦也證實糖的積累使細胞密度增大是細胞在低溫條件下浮力下降的主要原因[12].

目前,營養(yǎng)鹽、光照等條件對藍藻浮力調(diào)節(jié)的影響研究較多,而溫度對藍藻細胞浮力調(diào)節(jié)的機理研究相對較少.本文通過改良的percoll密度梯度離心法獲得不同溫度下銅綠微囊藻細胞的實際浮力,可避免借助其他工具和途徑計算浮力帶來的誤差;同時結(jié)合對細胞內(nèi)糖含量、蛋白含量、光合作用和呼吸代謝的分析,以期直觀地揭示溫度對銅綠微囊藻細胞浮力的調(diào)控機制,探索溫度與浮力調(diào)節(jié)可能存在的內(nèi)在關(guān)系,為認識和防控銅綠微囊藻水華提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 藻種與培養(yǎng)基

銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa)由中國科學院水生生物研究所淡水藻種庫(FACHB)提供,培養(yǎng)液為BG11培養(yǎng)液,其組成為1L去離子水中含有1.5g的NaNO3,40mg的K2HPO4,75mg的MgSO4?7H2O,36mg的CaCl2?2H2O,6mg檸檬酸,6mg檸檬酸鐵,1mg EDTANa2,20mgNa2CO3,2.86g的H3BO3,1.86g的MnCl2?4H2O,0.22g的ZnSO4?7H2O, 0.39g的Na2MoO4?2H2O,0.08g的CuSO4?5H2O,0.05g的Co(NO3)2?6H2O,最后調(diào)節(jié)pH值至7.1.

1.2 擴大培養(yǎng)

取出保存的銅綠微囊藻藻種,將其轉(zhuǎn)移到1000mL錐形瓶內(nèi)(有500mLBG11培養(yǎng)液),在溫度為 25℃,光照強度為 50μmol/(m·s),光暗比為12h:12h的條件下,進行 2～3次的擴大培養(yǎng),當藻類生長進入對數(shù)期后,收集細胞用于接種.

1.3 實驗設置

將銅綠微囊藻置于 500mL三角瓶中(300mLBG11培養(yǎng)液),分別在不同溫度下(5個溫度梯度,分別為10、15、20、25、30℃)進行培養(yǎng),光照強度為50μmol/(m.s),光暗比為12h∶12h,接種量為5×104cells/mL,每組設置3個平行.

1.4 比生長速率的測定

測定完光合活性的樣品取1mL用于測定細胞數(shù)量,采用血細胞計數(shù)法進行測定.然后根據(jù)下式計算比生長速率:

式中:X1為對數(shù)生長開始時細胞數(shù)量;X2為對數(shù)生長結(jié)束時的細胞數(shù)量;t2-t1為對數(shù)生長期時間.

1.5 光合活性測定

自接種后第1d起,每天取3mL藻樣,使用浮游植物熒光儀(water-PAM 德國)檢測銅綠微囊藻細胞光合系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)在飽和脈沖光強下葉綠素熒光值的變化,得到PSⅡ的最大光化學效率Fv/Fm和電子傳遞速率ETR[20].

1.6 NAD(P)H依賴型氧化還原脫氫酶活性

活細胞的NAD(P)H依賴型氧化還原脫氫酶在代謝過程中將MTT還原為不溶于水的藍紫色產(chǎn)物-甲臢晶體,晶體生成的量與活細胞數(shù)量和細胞活化狀態(tài)呈正相關(guān).而喪失 NAD(P)H依賴型氧化還原脫氫酶活性的死細胞不能轉(zhuǎn)化MTT,因此MTT陽性細胞含量的多少可以反映細胞的死活和細胞中NAD(P)H依賴型氧化還原脫氫酶代謝活性的高低[22],而 NAD(P)H依賴型氧化還原脫氫酶活性的高低又反映了細胞呼吸代謝的強弱.測定完光合活性的樣品取250μL藻液樣品,加入60μLMTT染液,35℃水浴下,反應4h,然后鏡檢計數(shù),得到MTT陽性細胞比例[23].

1.7 糖含量和蛋白質(zhì)含量

細胞內(nèi)糖含量采用苯酚硫酸法.每天取8mL藻樣,3000r/min離心15min棄上清,藻體研磨后于沸水水浴1h,3000r/min離心15min并收集上清液.吸取 2mL上清液,放入具塞試管中,加入6%苯酚1.0mL及濃硫酸5.0mL,搖勻,放置30min,在490nm波長下測定其吸光度,根據(jù)標準曲線計算待測樣本的濃度.

蛋白質(zhì)含量采用考馬斯亮藍法進行測定.每天取8mL藻樣,3000r/min離心15min棄上清.藻體加入液氮后進行研磨,反復 6～8次以充分提取蛋白質(zhì).3000r/min離心15min并收集上清液,吸取1mL上清液,放入具塞試管中,加入 5mL考馬斯亮藍G-250溶液,作用5min,在595nm波長下測定其吸光度,根據(jù)標準曲線計算待測樣本的濃度.

1.8 漂浮細胞比例和浮力測定

漂浮細胞比例按照文獻[24]的方法進行.

自接種后第 1d起每天測定藻細胞的浮力.首先利用percoll密度梯度離心法測得細胞的密度,取 10mL的離心管,由下向上分別加入1mL85%、60%、35%、18%和2%的percoll工作液,密度分別為1.109、1.079、1.050、1.030、1.011g/mL,最后加入1mL藻液放置于最頂層,配平后2500r/min離心10min,離心結(jié)束后觀察細胞所在的percoll層,確定細胞密度.再通過浮力定律計算細胞浮力:

式中:ρ液為測量得到的培養(yǎng)過藻細胞的培養(yǎng)基密度約為 1.05g/mL;ρ物為測量所得的藻細胞密度;g為9.8N/kg;V物為細胞體積V=(4/3)π r3=3.6662×10-8cm3[25].r為細胞半徑,通過光學顯微鏡下測量得來,40倍鏡下,一格測微尺長度為2.5μm,測量 1000個細胞求平均值.當 F浮為正值時,表明細胞受到的力向上,細胞上浮.當F浮為負值時,表明細胞受到的力向下,細胞下沉.

1.9 統(tǒng)計方法

實驗數(shù)據(jù)通過spss13.0進行配對T檢驗和相關(guān)分析,當 P<0.05時數(shù)據(jù)差異顯著或顯著相關(guān);P<0.01時數(shù)據(jù)差異極顯著或極顯著相關(guān).

2 結(jié)果

2.1 比生長速率

圖1 不同溫度下銅綠微囊藻的生長曲線Fig.1 Growth curve of Microcystis aeruginosa at different temperature

不同溫度條件下藻細胞生長情況見圖 1.比生長速率隨溫度升高而逐漸增大,其差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05).10℃時藻細胞的比生長速率為零,細胞停止生長,當溫度達到 15℃時比生長速率為0.09,細胞開始緩慢生長,當溫度高于20℃時,微囊藻細胞快速生長增殖,細胞呈指數(shù)增長.

2.2 光合活性的變化

圖2 不同溫度下藻細胞PSⅡ最大光化學效率Fv /FmFig.2 Fv /Fm of Microcystis aeruginosa at different temperature

圖3 不同溫度下藻細胞電子傳遞速率ETRFig.3 ETR of Microcystis aeruginosa at different temperature

高溫(20～30℃)處理組的藻細胞最大光化學效率 Fv/Fm和電子傳遞速率 ETR均高于低溫(10～15℃)處理組(圖 2、圖 3),且兩者差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05).這說明高溫下細胞光合能力較強,可產(chǎn)生更多的光合產(chǎn)物—碳水化合物.

2.3 NAD(P)H依賴型氧化還原脫氫酶活性

高溫(20～30℃)下 MTT陽性細胞顯著多于低溫(10～15℃)條件(圖 4),兩者差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05).高溫培養(yǎng)下的藻活細胞較多,其 NAD(P)H依賴型氧化還原脫氫酶活性強,呼吸代謝活動旺盛;低溫下藻細胞 NAD(P)H依賴型氧化還原脫氫酶活性弱,顯示細胞活性較差.

圖4 不同溫度下銅綠微囊藻MTT陽性細胞比例Fig.4 MTT positive cells ratios of Microcystis aeruginosa at different temperature

2.4 糖含量與蛋白含量的變化

圖5 不同溫度下銅綠微囊藻細胞內(nèi)糖含量變化Fig.5 Variations in sugar content of Microcystis aeruginosa at different temperature

隨著溫度升高,藻細胞內(nèi)糖含量逐漸減小.在低溫(10、15℃)下細胞內(nèi)糖含量隨培養(yǎng)天數(shù)增加而增加,7d內(nèi)分別增加了1.96倍和1.66倍.高溫下(20℃、25℃、30℃)細胞內(nèi)糖含量下降(圖5),7d內(nèi)分別減少8.5%、5%和19.5%,第7d時高溫和低溫下細胞內(nèi)糖含量差異顯著(P<0.01),10℃培養(yǎng)組細胞內(nèi)糖含量是30℃培養(yǎng)組的1.851倍.通過 pearson相關(guān)分析得到,細胞內(nèi)糖含量和溫度呈極顯性負相關(guān)(P<0.01).

隨著溫度升高,藻細胞內(nèi)蛋白含量逐漸增大（圖6）.低溫條件下細胞內(nèi)蛋白含量呈下降趨勢,在高溫條件下細胞內(nèi)蛋白含量明顯升高,第7d時高溫和低溫條件下蛋白含量具有顯著差異(P<0.05).通過pearson相關(guān)分析得到,蛋白含量與溫度呈極顯性正相關(guān)(P <0.01).

圖6 不同溫度下銅綠微囊藻細胞內(nèi)蛋白含量變化Fig.6 Variations in protein content of Microcystis aeruginosa at different temperature

2.5 漂浮細胞比例

圖7 不同溫度下銅綠微囊藻細胞漂浮細胞比例變化Fig.7 Variations in floating percentage of Microcystis aeruginosa at different temperature

高溫(20～30℃)下漂浮細胞比例顯著高于低溫(10～15℃)下漂浮細胞比例(圖 7),并且高溫下漂浮細胞比例(>50%)幾乎保持不變,表明細胞浮力始終存在.當溫度低于 15℃時,漂浮細胞比例開始明顯下降(<50%),表明細胞浮力逐漸喪失.通過配對 t檢驗得出,高溫條件下的漂浮細胞比例與低溫條件下的呈極顯著差異(P<0.01).由此進一步證明,溫度對浮力影響的閾值在 15～20℃之間,溫度低于 15℃銅綠微囊藻趨于下沉,溫度高于20℃銅綠微囊藻趨于上浮.

2.6 浮力的變化

圖8 不同溫度下銅綠微囊藻細胞密度和浮力的變化Fig.8 Variations in density and buoyancy of Microcystis aeruginosa at different temperature

隨著溫度升高,藻細胞密度減小,浮力增加(圖8),通過pearson相關(guān)分析得到,細胞浮力與溫度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01).在低溫(10～15℃)條件下,隨著天數(shù)增加,藻細胞密度逐漸增大,浮力逐漸減小,而在高溫(20～30℃)條件下,隨著天數(shù)的增加,藻細胞密度逐漸減小,浮力逐漸變大.通過配對 t檢驗,高溫下與低溫下的細胞浮力呈極顯著差異(P<0.01).這表明溫度對藻細胞浮力影響的閾值應該在15～20℃之間.

3 討論

多年來溫度對銅綠微囊藻生長與代謝的影響一直備受關(guān)注,在適宜溫度范圍內(nèi),溫度每提高10℃,藻細胞酶促反應速度將提高1～2倍.當溫度高于一定限度,酶活性不再增高,反而降低[26].因此,在適宜溫度范圍內(nèi),藻細胞的生長速率隨著溫度升高而提高.研究表明,微囊藻的最適生長溫度為28℃[27-30].袁麗娜等[27]發(fā)現(xiàn)銅綠微囊藻在低溫(10℃)環(huán)境中不增長(μ<0.01)或處于負增長(μ<0)狀態(tài);李闊宇等[28]研究表明,在15 ,30μmol/℃ (m.s)條件下,底泥中微囊藻復蘇開始啟動,而存在于底泥中的微囊藻遷移至上層水體的最適條件為20 ,30μmol/℃ (m.s);Hua等[29]在洋河水庫的圍隔實驗證實,當水溫為 26℃時,最適宜于微囊藻的聚集、上浮而形成水華;劉玉生等[30]的研究表明微囊藻在 30～35℃時比生長速率快速增加,35℃達到最大,但當微囊藻生長達到最大增殖后,細胞馬上開始沉淀,溶液綠色消退,呈乳白色,因此微囊藻的最適生長溫度為28℃.本研究獲得了相同的結(jié)論,低于15℃的處理對銅綠微囊藻的生長與代謝不利,高于20℃的處理有助于銅綠微囊藻保持正常生命活動;從結(jié)果來看,溫度對銅綠微囊藻生長代謝的影響與溫度對細胞浮力的調(diào)節(jié)機制具有直接的相關(guān)關(guān)系.低溫(低于15℃)下,細胞比生長速率小、涉及生長代謝的關(guān)鍵酶活力低,光合作用獲取的能量大部分轉(zhuǎn)變?yōu)樘穷愇镔|(zhì)儲藏在細胞內(nèi),細胞密度相對較大,導致細胞浮力較小;另一方面,因為細胞浮力較小,細胞無法到達理想的水域獲取生命活動所必需的光照和營養(yǎng),這種狀況進一步導致了細胞較低的生長速率,限制了細胞的增殖和種群的增長.高溫(20～30℃)作用下,細胞比生長速率較大,涉及生長代謝和光合作用的關(guān)鍵酶活力高,光合作用產(chǎn)生了大量的碳水化合物,而較高的代謝速率及時消耗了大量的光合產(chǎn)物,為細胞的增殖和種群的增長提供了物質(zhì)和能量基礎,最終導致細胞密度減小,細胞浮力增加,使細胞種群可以漂浮在水體表面.Kromkamp等的研究證明,銅綠微囊藻的晝夜垂直遷移,是由于細胞內(nèi)碳水化合物的累積和消耗,導致細胞密度和浮力快速改變,從而使細胞快速的進行垂直遷移[31-33].金相燦等[12]的研究表明,溫度低于 13℃時,水華微囊藻下沉趨于休眠,溫度升高至 13℃以上,水華微囊藻趨于復蘇和上浮,而在此過程中,糖的積累和消耗是水華微囊藻細胞浮力調(diào)節(jié)的關(guān)鍵因素.從前人的研究結(jié)果可以推斷,溫度對銅綠微囊藻的影響與其對細胞代謝速率的改變具有直接關(guān)系,細胞代謝以及相關(guān)胞內(nèi)胞外物質(zhì)的快速合成與降解利用是細胞上浮下沉的內(nèi)在原因,溫度作為外部力量改變了細胞的具體反應進程.

本研究結(jié)果與上述文獻結(jié)果基本一致,當溫度低于15℃時,銅綠微囊藻的生長代謝速率減小,但此時細胞仍具有較高的光合作用,因此光合作用產(chǎn)生的糖類物質(zhì)大大超過了細胞分裂需求,導致糖類物質(zhì)累積,細胞密度增大,而此時細胞內(nèi)蛋白含量較低,意味著偽空胞所提供的浮力不足以抵消壓載物的累積,細胞開始下沉.當溫度低于10℃時,藻細胞停止增長,死亡率增加,活細胞的生理生化活性降至最低,浮力減小,細胞下沉,在極低溫環(huán)境的影響下,細胞進入休眠狀態(tài),以抵御外界不良環(huán)境.而在高溫作用下(20～30℃),細胞具有較高的生長速率,較強的光合作用產(chǎn)生了大量的碳水化合物-糖類,為細胞的快速生長增殖提供了物質(zhì)基礎,而較高的代謝速率及時分解了大量的糖類,產(chǎn)生了大量ATP,為細胞的快速生長增殖提供了能量基礎,細胞內(nèi)糖含量的減少,導致細胞密度減小,浮力增加.同時細胞中蛋白含量增多,偽空胞含量增加,偽空胞提供的浮力抵消了壓載物的累積,最終導致細胞上浮.自然水體中,當春天溫度升高時,水底沉積表面的溫度逐漸升高,藻細胞開始復蘇,其生理生化活性緩慢恢復,然后開始利用光能源和營養(yǎng)物質(zhì)進行光合作用、呼吸作用和生長分裂,以達到生物量的大量累積并在一定條件下形成群體.夏季時,適宜的氣象和水文條件會導致已在水體大量累積的銅綠微囊藻群體上浮至水體表面聚集成肉眼可見的水華.由此可見,溫度是控制銅綠微囊藻細胞上浮和下沉的重要因子,溫度對藻細胞浮力影響的闕值應該在15～20℃之間,溫度低至 15℃以下,細胞下沉趨于休眠,溫度升高至20℃以上,細胞趨于上浮.

溫度對藻細胞浮力的調(diào)控首先表現(xiàn)為溫度改變了細胞的酶活性和代謝速率.Rubisco酶活性隨溫度升高而增加,不同溫度導致光合作用和呼吸作用產(chǎn)生和消耗碳水化合物的速率的差異,引起藻細胞密度的快速改變,從而改變了藻細胞浮力[34].此外,Rubisco的加氧酶活性與羧化酶活性對溫度的敏感程度不一樣,通常,Rubisco加氧酶/羧化酶活性的比值隨溫度的升高而增加[35].因此,隨著溫度的升高,藻細胞光合作用和光呼吸作用同時增強,但是光呼吸作用加強的速率高于光合作用,也就是糖類的消耗速率高于累積速率,最終導致藻細胞糖類物質(zhì)含量減少,細胞密度減小,浮力增加.從本文結(jié)果分析可知,高溫條件下,銅綠微囊藻細胞的光合系統(tǒng)Ⅱ活性較高(圖 2,圖3 ),其Rubisco酶活性高,光合作用較強,因此產(chǎn)生了大量光合產(chǎn)物-糖類,而此時活細胞較多,其NAD(P)H依賴型氧化還原脫氫酶活性較強(圖4),呼吸代謝活動較為旺盛,分解了大量的碳水化合物,產(chǎn)生了大量的能量以滿足代謝需要.這也驗證了高溫條件下,細胞內(nèi)糖含量減少,細胞密度減小,細胞浮力增加.而低溫條件下,銅綠微囊藻細胞的光合系統(tǒng)Ⅱ活性相對降低(圖2,圖3), Rubisco酶活性降低,光合作用產(chǎn)生的光合產(chǎn)物相對減少,但此時細胞趨于凋亡,活細胞的 NAD(P)H依賴型氧化還原脫氫酶活性較弱(圖8),呼吸代謝活動較為不旺盛,無法分解利用光合作用產(chǎn)生的碳水化合物,導致細胞密度增加,細胞浮力減小.

其次,溫度對浮力的調(diào)節(jié)還表現(xiàn)為溫度引起偽空胞含量的改變.偽空胞是由蛋白質(zhì)構(gòu)成的圓柱體氣囊組成,其主要功能是為細胞提供浮力并參與浮力調(diào)節(jié),當細胞內(nèi)偽空胞提供的浮力足夠抵消壓載物的累積時,細胞將會上浮,反之則下沉.Justin 等[18]的研究表明,銅綠微囊藻蛋白含量隨著溫度的升高而增大,細胞內(nèi)蛋白含量變化趨勢與細胞內(nèi)偽空胞一致.本文測試獲得的蛋白質(zhì)含量結(jié)果顯示,隨著溫度升高,銅綠微囊藻細胞內(nèi)蛋白含量逐漸增大,該結(jié)果與Justin等[18]的研究一致,說明隨著溫度的升高,銅綠微囊藻細胞內(nèi)偽空胞含量也逐漸增大.

本文通過percoll密度梯度離心法得到不同溫度下銅綠微囊藻細胞的密度,利用浮力定律直接計算出細胞所受到的浮力大小,再結(jié)合對細胞生長速率、糖含量、蛋白含量、光合速率和代謝速率分析得到,溫度主要通過影響細胞的生長速代謝速率、光合速率和偽空胞含量來改變細胞密度,從而實現(xiàn)對銅綠微囊藻細胞浮力的調(diào)節(jié). 本文所獲得的結(jié)果正好印證了孔繁祥等[36]將銅綠微囊藻的生長與水華形成分為休眠、復蘇、生物量增加(生長)、上浮及聚集等階段的研究結(jié)論;水體中銅綠微囊藻的生命活動因為一年四季的溫度差異而表現(xiàn)為顯著不同的生態(tài)階段;由此可見,溫度對細胞浮力的調(diào)控在銅綠微囊藻生命活動的不同階段中起到了重要作用.

4 結(jié)論

4.1 溫度通過影響銅綠微囊藻細胞的光合速率、生長代謝速率和偽空胞含量來改變細胞的密度,從而實現(xiàn)對細胞浮力的調(diào)節(jié).

4.2 10～15℃時銅綠微囊藻細胞生長和代謝速率降低,光合作用產(chǎn)生的糖類在細胞累積,導致密度增大,浮力減小,細胞發(fā)生沉降,低溫下糖含量增加使得細胞密度增大是浮力消失的主要原因.

4.3 20～30℃時銅綠微囊藻快速的生長代謝速率及時消耗了光合作用產(chǎn)生的碳水化合物,導致細胞密度減小;同時細胞內(nèi)產(chǎn)生大量偽空胞所提供的浮力足以抵消壓載物的累積,最終細胞上浮.

4.4 細胞漂浮沉降的溫度閾值在15～20℃間.

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Effects of temperature on the buoyancy of Microcystis aeruginosa.

ZHOU Bei1,2, BI Yong-hong1*, HU Zheng-yu1

(1.State Key Laboratory of Freshwater Ecology and Biotechnology, Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072, China；2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China). China Environmental Science, 2014,34(7)：1847～1854

Microcystis aeruginosa were cultured in different temperature: 10 ℃, 15 ℃, 20 ℃, 25 ℃, 30 ℃ to screen the effects of temperature on buoyancy regulation. Cell density was measured by percoll density gradient centrifugation and cell buoyancy was calculated by the buoyancy formula. Simultaneously, biomass, specific growth rate, the photosynthetic activity, the activity of NAD (P) H dependent oxidoreductase, intracellular carbohydrate, protein content, the percentage of floating cells were measured. With the increasing of the experimental temperature (10℃-30℃), buoyancy, the percentage of floating cells, intracellular protein content, photosynthesis rate and the activity of NAD (P) H dependent oxidoreductase increased and the intracellular carbohydrate content decreased. After 7days cultured at 10, 15℃, cell density were increased by 2.7% and 1.3%, respectively; carbohydrate content were increased by 95.3% and 65.5%, respectively; the percentage of floating cells were reduced by 23.8% and 18.3, respectively; the activity of NAD (P) H dependent oxidoreductase were reduced by 23.8 % and 18.3% respectively. After 7days cultured at 20, 25, 30 ℃, cell density were reduced by 2.8%, 3.8% and 3.2%, respectively; carbohydrate content were reduced by 8.5%, 2.9% and 19.4%, respectively; the percentage of floating cells were increased by 0%, 7% and 8.5%, respectively; the activity of NAD (P)H dependent oxidoreductase were increased by 0%, 7% and 8.5%, respectively. It was concluded that cell growth rate, photosynthetic rate, metabolic rate were the function of temperature in the buoyancy regulation of Microcystis aeruginosa. The main reason for the buoyancy loss is the accumulation of carbohydrate, the temperature threshold value for the buoyancy is between 15～20℃.

temperature；buoyancy；the regulation mechanism；Microcystis aeruginosa

X171

A

100-6923(2014)07-1847-08

周 貝(1987-),女,河南新鄉(xiāng)人,中國科學院水生生物研究所博士研究生,主要研究方向為水域生態(tài)學.

2013-10-18

國家自然科學基金項目(31123001);國家973項目(2008CB418002)

* 責任作者, 副研究員, biyh@ihb.ac.cn