高CO2條件下溫度和光照對銅藻吸收N、P的短期影響

楊安強，史定剛，陳少波，張 鵬，王鐵桿，關萬春*

(1.溫州醫科大學 生命科學學院，浙江 溫州 325035； 2.浙江省海洋水產養殖研究所，浙江 溫州 325005)

高CO2條件下溫度和光照對銅藻吸收N、P的短期影響

楊安強1，史定剛1，陳少波2，張 鵬2，王鐵桿2，關萬春1*

(1.溫州醫科大學 生命科學學院，浙江 溫州 325035； 2.浙江省海洋水產養殖研究所，浙江 溫州 325005)

探討在2種CO2濃度(0.76和1.96 μg·L-1)條件下，溫度和光照對銅藻(Sargassumhorneri)吸收N、P速率的影響。結果表明，培養液中通入空氣(LC，Low CO2)的情況下，銅藻對N、P的吸收速率與時間的關系符合指數衰減方程y=a+b×e-x/c。吸收速率在培養6 h后趨于穩定，且該趨勢未受到溫度、光強的影響。通入高濃度CO2(HC，High CO2)后，銅藻對N、P的吸收速率也符合LC的規律，但HC處理1 h，可顯著提高銅藻對營養鹽的吸收速率，隨后HC的促進作用逐漸消失。HC條件下，20 ℃培養的銅藻對營養鹽的吸收速率最高，10 ℃培養的銅藻對營養鹽N、P的吸收分別被抑制46.03%和73.93%，30 ℃培養的銅藻僅對P的吸收造成抑制，抑制率為31.46%。光照強度為70 μmol·m-2·s-1培養的銅藻營養鹽的吸收速率最高；升至280 μmol·m-2·s-1后，吸收速率分別下降65.51%(N)和28.04%(P)。因此，高濃度的CO2短期處理銅藻，可顯著提高銅藻對營養鹽的吸收速率，該促進作用在試驗開始的1 h內最顯著。

CO2； 光強； 銅藻； 溫度

在全球氣候變化的背景下，人類活動造成的CO2濃度升高是目前海洋面臨的生態環境問題之一[1]。隨著化石燃料燃燒和森林砍伐的日益加劇，大氣CO2濃度已由工業革命前的0.55 μg·L-1升至目前的0.76 μg·L-1左右，約高出40%，而大氣中30%的CO2是由海洋通過生物泵吸收的。據IPCC數據統計，預測到2100年，大氣CO2濃度將達到約1.96 μg·L-1[2]。這將導致海洋表層海水pH下降0.3～0.4個單位(7.8～7.9)，造成海水酸化，從而對具有光合固碳能力的藻類產生顯著影響。大型海藻對環境中無機碳的利用機制存在明顯種間差異，因此大型海藻對高CO2的響應也不盡相同[3]。高CO2培養條件可促進條斑紫菜(Porphvrayezoensis)[4]、酵母狀節莢藻(Lomentairaarticulata)[5]的生長，也有發現高CO2培養降低了紫菜屬中的P.leucostica[6]與P.linearis[7]的生長速率。但高CO2并未顯著提高石莼(Ulva)[8-9]和江蘺屬(Gracilariagaditana)[10]的生長。所以，高CO2培養對大型海藻的影響仍存在較大爭議，可能與不同大型海藻的種間差異和環境因子有關。有研究表明，高CO2提高了銅藻(Sargassum.horneri)的生長，且這一過程受到溫度和光強的調節[11]。因此，本文針對這一現象，探討銅藻在高CO2條件下對N、P的利用情況，并結合溫度和光強來分析高CO2對銅藻吸收營養鹽存在何種調節作用。

1 材料與方法

1.1 材料

銅藻經合子培養成苗后在室內水池培養成1～2 m長的藻植株。選擇健康藻體，除去表面附著物，藻體截成約3 cm小段，保持每段假莖長度相近，且在中部有2～3個假葉節，置于水箱中適應培養。適應期水溫(20±0.5)℃，鹽度24 PSU，光照強度50 μmol·m-2·s-1，光暗周期L∶D為12∶12，每3 d更換1次培養液，適應培養6 d。培養液為過濾的天然海水，滅菌后以F/8培養基的溶解無機氮(dissolved inorganic nitrogen，DIN)和溶解無機磷(dissolved inorganic phosphorus，DIP)濃度加富海水(DIN 431.0±57.7 μmol·L-1；DIP 9.0±0.66 μmol·L-1)。藻體經饑餓處理24 h后開始試驗。

1.2 方法

1.2.1 高濃度CO2氣體調節

設定CO2培養箱(MGC-450BP，上海一恒)內的CO2濃度約為1.96 μg·L-1(水體pH值約為7.80)，該濃度約為2100年大氣中CO2的濃度[2]。將所有藻體分置于培養箱中。一組置于CO2培養箱，通入培養箱中高CO2濃度氣體，定義為HC(High CO2，CO2濃度約為1.96 μg·L-1，pH為7.8左右)；另一組置于普通培養箱中(GTX-430E，江南儀器)，通入室外新鮮空氣，定義為LC(Low CO2，CO2濃度約為0.76 μg·L-1， pH為8.2左右)，通過此法可調節2種不同處理銅藻的培養液pH值，相差0.3～0.4。

1.2.2 高濃度CO2條件下溫度對銅藻N、P吸收的短期影響

1.2.3 高濃度CO2條件下光照對銅藻N、P吸收的短期影響

選取大小均一、長勢健康的銅藻，分成6組(每組重復2個，每重復鮮重為5±0.1 g)，分別置于12個3 L錐形瓶中進行充氣(30 mL·s-1)培養，溫度20 ℃。其余試驗處理為LLHC、MLHC、HLHC、LLLC、MLLC、HLLC，LL表示70 μmol·m-2·s-1低光，ML表示140 μmol·m-2·s-1中光， HL表示280 μmol·m-2·s-1高光，HC表示CO21.96 μg·L-1，LC表示CO20.76 μg·L-1。試驗開始后于0、1、3、6、12 h取樣，每處理分別取200 mL培養液，用于測定DIN和DIP。

1.2.4 DIN、DIP測定和計算

U=(Co-Ct)·V/(t·G)。

式中，U為營養鹽吸收速率(μmol·g-1Fw·h-1)，Co為試驗開始時海水中營養鹽含量(μmol·L-1)，Ct為試驗開始t時海水中營養鹽含量(μmol·L-1)，V為海水體積(L)，t為試驗時間(h)，G為銅藻鮮重(g)。

1.3 數據處理與分析

采用單因素方差分析(one-way ANOVA)對數據進行分析，以P<0.05作為差異顯著水平。

2 結果與分析

銅藻利用N和P的吸收動力學曲線符合指數衰減方程y=a+b×e-x/c(R2>0.87，a、b、c為調節參數)，經過6 h基本達到穩定，且該規律不受到溫度、光強和CO2濃度的影響(圖1～2)，但溫度和光強可影響其絕對吸收速率。

2.1 溫度對銅藻DIN、DIP吸收的短期影響

由圖1可知，溫度20 ℃時，銅藻對氮和磷的吸收最快，1 h內分別達到20.92和0.89 μmol·g-1·h-1(圖1中B、E)。且提高CO2濃度則顯著提升銅藻對氮和磷的吸收速率，1 h內可分別提升38.77%和22.47%。而當溫度降至10 ℃或升至30 ℃后，銅藻對氮的吸收速率分別下降46.03%和3.49%，對磷的吸收速率分別下降73.93%和31.46%。這一現象在高CO2條件下也存在，銅藻對氮的吸收速率分別下降49.74%和20.82%，對磷的吸收速率分別下降74.87%和27.47%。高CO2對銅藻利用營養鹽的促進作用在3 h后消失。而LT條件下，HC對吸收磷的促進作用不明顯。

2.2 光強對銅藻DIN、DIP吸收的短期影響

由圖2～3可知，隨著光強的增加，銅藻對氮的吸收速率都存在下降趨勢。在HC培養1 h、光強為LL時，對氮的吸收速率達到29.86 μmol·g-1·h-1，比ML和HL分別高出30.13%和189.59%；對磷的吸收速率達到0.88 μmol·g-1·h-1，比HL高出38.32%，而與ML相比差異不大。LC時也存在類似情況。HC處理1 h后，顯著提高了銅藻吸收氮的速率，對比3種光強，分別提高55.55%(LL)、42.68%(ML)、26.27%(HL)(圖2中A，B，C)，對磷的吸收速率分別提高22.59%(LL)，33.59%(ML)和12.84%(HL)。而HC對銅藻利用N、P的促進作用，隨著培養時間的延長，經過3 h后逐漸消失，并趨于穩定。

*代表差異顯著(圖2同)圖1 2種CO2條件下銅藻的氮(A，B，C)、磷(D，E，F)吸收速率曲線對溫度的響應

3 討論

銅藻吸收氮和磷的速率受到溫度和光強的影響，且高CO2處理1 h后，除低溫(10 ℃)條件下銅藻對P的吸收以外，HC對銅藻利用營養鹽的促進作用極其顯著，LC僅是HC的0.72～0.88倍，而隨后這個比值逐漸接近于1。

溫度可通過影響藻體酶的活性來影響細胞對營養鹽的吸收。20 ℃時，銅藻吸收氮磷營養鹽的速率最快，這是因為藻體培養溫度即為20 ℃，與該藻的最適生長溫度(22～24 ℃)較接近[12]。此時，細胞相關酶的活性高[13-14]，所以吸收速率最高。試驗設定的低溫(10 ℃)抑制了光合作用暗反應相關酶的活性，減少了ATP的生成，從而導致供給N、P代謝所需的能量減少[15]；而試驗設定的高溫(30 ℃)會造成酶和膜載體蛋白失活[16]，也同樣影響營養鹽的代謝速率。

光照強度主要通過光合磷酸化調控ATP的轉換，從而影響N、P的吸收速率，適宜的光照強度能增加海藻中的還原酶活性，促進藻體對N、P的吸收[13-14，17]。而過強的光照會使海藻光系統Ⅱ中的D1蛋白失活、裂解，從而降低光合速率，并間接導致N、P吸收速率的減慢[18]。本試驗所用的銅藻培養于50 μmol·m-2·s-1的光照條件下，適應低光環境，當短期提高光照強度(140和280 μmol·m-2·s-1)，會對藻體造成光抑制，從而降低藻體

圖2 2種CO2條件下銅藻的氮(A，B，C)、磷(D，E，F)吸收速率曲線對光的響應

圖3 高CO2條件下1 h內溫度、光強對銅藻氮(A，C)、磷(B，D)吸收速率比的影響

對N、P的吸收速率。但光背景對藻體營養鹽代謝的影響可以通過一定時間的光適應而消除或減弱。

短期提高CO2濃度，顯著提升了銅藻對N、P的吸收速率，LC/HC<1。這可能是因為HC條件下短期內增加了藻體可利用的無機碳的緣故，光合速率加快，從而在短期內提高了營養鹽代謝速率。而CO2的促進作用在培養3 h后消失，是因為短期高CO2濃度并未造成N和P代謝相關酶數量和活性變化的緣故。然而在測定的12 h內，藻體對N、P的吸收速率在培養1 h時，吸收速率最高，然后隨著培養時間延長，逐漸下降，最后趨于穩定，這是因為藻體經24 h饑餓處理的緣故。處于饑餓狀態的藻體對營養鹽的吸收會存在被動擴散的過程，以便迅速補充細胞內部營養庫的嚴重虧空[19]。所以，在開始的1 h可以看到吸收速率最高。而隨后藻體對營養鹽的吸收速率下降，并達到穩定階段，這是由于藻體內營養庫已經充盈，對營養鹽的吸收速率產生了反饋調節作用[20]，這種現象在龍須菜和羊棲菜的研究中也存在相似規律[13-14]。

銅藻的營養鹽代謝受到溫度和光強的顯著調節，且短期升高CO2濃度，對銅藻的營養鹽代謝也存在一定得促進作用。

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(責任編輯：張瑞麟)

2016-08-09

國家級大學生創新創業訓練計劃(2014103343007)；浙江省科技計劃項目(2014F10005)；溫州醫科大學大學生科研課題資助(wyx201501099)

楊安強(1994—)，哈尼族，本科生，E-mail: yanganqiang0426@126.com。

關萬春，副教授，博士，從事藻類學研究工作，E-mail: gwc@wmu.edu.cn。

10.16178/j.issn.0528-9017.20170236

Q949.2

A

0528-9017(2017)02-0303-05

文獻著錄格式：楊安強，史定剛，陳少波，等. 高CO2條件下溫度和光照對銅藻吸收N、P的短期影響[J].浙江農業科學，2017，58(2)：303-307.