藍(lán)藻細(xì)胞對光照度的響應(yīng)

藍(lán)藻細(xì)胞對光照度的響應(yīng)

藍(lán)藻通過混合假細(xì)胞的組成和破裂以及碳?xì)浠虾拖膩碚{(diào)整水體的垂直位置。而光照度的變化直接影響藍(lán)藻光合作用的強(qiáng)弱,進(jìn)而影響藍(lán)藻細(xì)胞內(nèi)的碳水化合物含量。所以,光照度的變化將直接影響到藍(lán)藻在水體中的垂直分布。筆者通過搖瓶和水柱試驗研究了藍(lán)藻細(xì)胞胞內(nèi)碳水化合物含量及藍(lán)藻在水體中的垂直分布對光照度變化的響應(yīng),以期為藍(lán)藻水華污染控制提供借鑒。1材料和方法1.1藻類繁殖1.1.1bg11的引加方法取某微囊藻水華湖泊中的藻液適量,將其加入上海交通大學(xué)思源湖野外圍隔試驗區(qū)內(nèi),投加氮源(硝酸鈉)、磷源(磷酸二氫鉀)及BG-11培養(yǎng)基中的A5微量溶液、Co溶液,培養(yǎng)15d。水柱試驗前,通過顯微鏡觀察確定藻液中主要成分為銅綠微囊藻(群體)。1.1.2搖瓶試驗藍(lán)藻藻種搖瓶試驗采用銅綠微囊藻(Microcystisaeraginosa)、水華魚腥藻(Anabaenaflosaquae)。試驗前,將銅綠微囊藻、水華魚腥藻藻液與BG-11培養(yǎng)基分別按1∶50(體積比)混合,擴(kuò)大培養(yǎng)7d后,分別取一定體積的藻液以3000r/min離心15min,棄掉上清液,用15mg/L的NaHCO3溶液洗滌后再離心,重復(fù)3次,所得藻液用無菌水稀釋后饑餓培養(yǎng)48h,備用。1.2夜間溫度設(shè)置水柱、搖瓶試驗均在人工氣候室中進(jìn)行,設(shè)定晝夜時間比為1∶1(即各為12h),白天溫度設(shè)置為28℃,夜間溫度設(shè)置為25℃。試驗周期均為24h。1.2.1水面深度對藻細(xì)胞顆粒內(nèi)碳、葉綠素a、碳水化合的影響采用高為0.95m、直徑為0.10m的有機(jī)玻璃柱,用黑色遮光紙完全遮光,一次性加入銅綠微囊藻藻液,在水面光照度為0(無光照,下同)、5000、20000、50000lx下進(jìn)行試驗。沉降0、1、4、9、15、20、24h后,分別在距離水體表面深度為0、20、35、75、90cm處取樣,檢測藻細(xì)胞胞內(nèi)碳水化合含量、藻細(xì)胞數(shù)、葉綠素a含量。每批試驗所用的藻液隨機(jī)選取,初始藻細(xì)胞數(shù)略有不同。1.2.2藻細(xì)胞胞內(nèi)分析方法在250mL搖瓶分別加入150mL銅綠微囊藻和水華魚腥藻藻液,在水面光照度為0~20000lx下進(jìn)行試驗,設(shè)2組平行樣。0、3、7、12、15、24h后,檢測藻細(xì)胞胞內(nèi)碳水化合物含量、藻細(xì)胞數(shù)和葉綠素a含量。其中,碳水化合物含量用酚/硫酸法測定。2結(jié)果與討論2.1光照度對藻細(xì)胞數(shù)的影響水柱試驗中,不同光照度下銅綠微囊藻的垂直分布情況見圖1。由圖1可知,在無光照和5000lx的光照度下,銅綠微囊藻出現(xiàn)明顯的表面浮聚現(xiàn)象。當(dāng)無光照時,沉降4h后表層(0cm處)藻細(xì)胞數(shù)由3.60×105個/mL增加至8.10×105個/mL;沉降24h后藻細(xì)胞數(shù)又增加至4.85×106個/mL;而在20、35、75、90cm處,沉降24h后的藻細(xì)胞數(shù)均不足起始時的50%。在20000、50000lx的光照度下,銅綠微囊藻出現(xiàn)下沉趨勢。當(dāng)光照度為50000lx時,沉降15h后底層(90cm處)藻細(xì)胞數(shù)由5.50×105個/mL增加至1.48×106個/mL,而表層藻細(xì)胞數(shù)則下降到2.00×105個/mL。劉春光等對水華圍隔內(nèi)藻類生物量垂直分布觀察發(fā)現(xiàn),水華圍隔內(nèi)藻類生物量隨深度增加而降低。梁瑜等研究發(fā)現(xiàn),遮光圍隔中藻類會出現(xiàn)明顯的表面浮聚現(xiàn)象。本水柱試驗中,無光照和5000lx的光照度下,銅綠微囊藻出現(xiàn)明顯的表面浮聚現(xiàn)象,沉降24h后,表層的藻細(xì)胞數(shù)分別占藻細(xì)胞總數(shù)(由藻細(xì)胞數(shù)密度乘以藻液體積而得)的47%和26%,這給遮光控藻技術(shù)以啟示,即如果能夠通過水流隔板等物理方法去除表層藻類,則將大幅降低被遮光水體中的藻類生物量。2.2光照對銅綠微囊藻胞理化指標(biāo)的影響水柱試驗中,在不同光照度下,沉降1、24h后表層和底層銅綠微囊藻胞內(nèi)碳水化合物含量的變化見圖2。由圖2可知,在不同光照條件下,銅綠微囊藻胞內(nèi)碳水化合物含量都呈現(xiàn)出表層低、底層高的現(xiàn)象;沉降24h后,表層銅綠微囊藻胞內(nèi)碳水化合物質(zhì)量濃度為3×10-6~5×10-6μg/個(水柱試驗中,由于玻璃柱周邊遮光,藻細(xì)胞中的葉綠素a含量很難精確檢測,故此處以每個藻細(xì)胞內(nèi)碳水化合物質(zhì)量計),而底層銅綠微囊藻胞內(nèi)碳水化合物質(zhì)量濃度則為9×10-6~11×10-6μg/個。2.3不同光照度下藻細(xì)胞胞內(nèi)有機(jī)碳的含量變化搖瓶試驗中,不同光照度下,2種藻細(xì)胞胞內(nèi)碳水化合物含量的增減變化情況見圖3。由圖3可知,在0~10000lx的光照條件下,光照度的提高能夠促進(jìn)水華魚腥藻胞內(nèi)碳水化合物的累積。當(dāng)光照度為10000lx時,試驗12h后,水華魚腥藻胞內(nèi)碳水化合物增加了26.4μg/μg(以葉綠素a計,下同);而在無光照條件下,試驗12h后,胞內(nèi)碳水化合物降低了4.4μg/μg。對于銅綠微囊藻,在0~5000lx的光照度下,光照度的提高能夠促進(jìn)藻細(xì)胞胞內(nèi)碳水化合物的增加。當(dāng)光照度為5000lx時,試驗12h后藻細(xì)胞胞內(nèi)碳水化合物增加了23.5μg/μg;當(dāng)光照度超過5000lx時,則出現(xiàn)了明顯的光抑制現(xiàn)象,即胞內(nèi)碳水化合物含量隨光照度的增加反而降低。另據(jù)測定,試驗24h內(nèi),銅綠微囊藻細(xì)胞的增殖速率遠(yuǎn)高于水華魚腥藻,即銅綠微囊藻需消耗更多的胞內(nèi)碳水化合物來形成新細(xì)胞組分,從而導(dǎo)致銅綠微囊藻胞內(nèi)碳水化合物含量低于水華魚腥藻?？梢?水華魚腥藻和銅綠微囊藻的胞內(nèi)碳水化合物含量對光照度的變化均有很好的響應(yīng),光照度適量時,胞內(nèi)碳水化合物含量增加,光照度不足或者過高時,胞內(nèi)碳水化合物含量降低。碳水化合物為藻細(xì)胞內(nèi)的主要鎮(zhèn)重物。光照度充足時,藻類通過光合作用積累碳水化合物,藻細(xì)胞密度增加,并開始下沉,當(dāng)其所處深度大于光補(bǔ)償深度時,呼吸作用開始占主導(dǎo),藻細(xì)胞密度又隨之減小,當(dāng)小于水密度時,藻細(xì)胞又開始上浮,這種浮力調(diào)節(jié)機(jī)制在藍(lán)藻的水華形成過程中起了關(guān)鍵作用。野外觀察研究和數(shù)學(xué)建模也解釋了光限制條件下微囊藻的垂直遷移規(guī)律:光照受限制時,藻類的呼吸作用占主導(dǎo),藻細(xì)胞內(nèi)碳水化合物被不斷消耗,導(dǎo)致藻細(xì)胞密度下降,從而上浮。藻細(xì)胞胞內(nèi)碳水化合物的積累是光合作用積累的能量物質(zhì)大大超過細(xì)胞分裂所需的結(jié)果。搖瓶試驗中,水華魚腥藻、銅綠微囊藻胞內(nèi)碳水化合物含量在不同光照度條件下有顯著的差別。而在水柱試驗中,不同光照度下,銅綠微囊藻胞內(nèi)碳水化合物含量均表現(xiàn)為表層低、底層高,從碳水化合物含量的高低可以定性地反映藻密度的大小?？梢?光照度的變化能夠在短時間內(nèi)引起藍(lán)藻細(xì)胞胞內(nèi)碳水化合物含量變化,改變藍(lán)藻細(xì)胞密度,從而影響到藍(lán)藻細(xì)胞在水體中的垂直分布。這可能是控制野外藍(lán)藻晝夜垂直遷移的關(guān)鍵因素。3不同光照條件下銅綠微囊藻胞內(nèi)：有機(jī)碳的含量(1)水柱試驗中,無光照和5000lx的光照度下,銅綠微囊藻出現(xiàn)了明顯的表面浮聚現(xiàn)象,沉降24h后,表層的藻細(xì)胞數(shù)分別占到總藻細(xì)胞數(shù)的47%和26%。(2)水柱試驗中,在不同光照條件下,銅綠微囊藻胞內(nèi)碳水化合物含量都呈現(xiàn)出表層低、底層高的現(xiàn)象;經(jīng)過24h沉降后,表層的胞內(nèi)碳水化合物質(zhì)量濃度為3×10-6~5×10-6μg/個,而底層的胞內(nèi)碳水化合物質(zhì)量濃度則為9×10-6~11×10-