（植物学专业论文）水华鱼腥藻过度繁殖机制及几种化学物质对其毒性效应研究.pdf

摘要 摘要 水华是我国目前以及今后相当长一段时期内的重大水环境问题。鱼腥藻是淡 水蓝藻水华中除微囊藻之外的常见优势种群，迄今国内针对蓝藻水华的研究重点主 要集中在微囊藻水华及其产生的肝毒素上，对于鱼腥藻等其他水华种类的研究较少， 为了探究水华鱼腥藻过度繁殖的原因和形成水华后如何治理，本文研究了以下几个 方面。 1 研究氮源、磷源、铁盐浓度、光强、温度和p h 值对水花鱼腥藻生长和生理 的影响。结果表明，氮浓度为2 4 7 m g l ，磷浓度为2 1 6 m g l 时水华鱼腥藻的生物量 及比生长速率都达到最大，水华鱼腥藻受到氮限制的影响比磷限制的影响小。低光 照( 1 0 0 0 1 x ) 和较高的温度( 3 0 ) 有利于水华鱼腥藻的生长。不同的铁盐浓度和 初始p h 值对水华鱼腥藻的生长无明显影响。当水华鱼腥藻处于低磷水平 ( o 0 5 4 r a g l ) 时，单细胞叶绿素含量上升，碱性磷酸酶活性最高，随着光照强度的 增加，类胡萝b 素含量明显上升，受低温影响，细胞降低光合色素含量以保持低水 平的光合作用过程。这些都是水华鱼腥藻对不良环境的适应。 2 为了研究水华鱼腥藻的竞争优势，比较了水华鱼腥藻、栅藻和衣藻的氮磷吸 收动力学，结果表明，三种微藻对氮磷的吸收过程符合米氏方程。水华鱼腥藻对氮 的最大吸收速率比衣藻和栅藻高，对磷吸收的半饱和常数比衣藻和栅藻高，磷可能 是水华鱼腥藻生长的主要限制因子。 3 比较了钾和硫酸铜、酚酸及磺酰脲类除草剂这三种常用的化学物质对水华鱼 腥藻生长的抑制效果，结果表明，当抑制水华鱼腥藻叶绿素a 5 0 时，求得k c l 的e c 5 0 为4 0 2 m m o l l ，c u s 0 4 的e c s o 为9 5 2 m g l ，对苯二酚的e c s o 为2 6 2 m g l ，单嘧磺隆的 e c 5 0 为1 9 3 m g l ，钾的半致死浓度最高。 4 将钾对水华鱼腥藻的毒性效应和单嘧磺隆进行比较，结果表明，k + 对水华鱼 腥藻异形胞的分化有抑制作用。荧光光谱分析表明钾可降低水华鱼腥藻细胞光系统 i i 的生理活性，使藻胆体处于解离状态，进而阻碍了光合作用的顺利进行。高剂量 ( 1 0 0 m g , l ) 的单嘧磺隆也能够导致藻胆体的破坏和光系统i i 活性的降低。 k + 诱导的钠离子缺乏会导致胞内p h 值的升高，从而导致a t p 含量的下降。k + 和 单嘧磺隆都能够抑制水华鱼腥藻叶绿素a 的合成，抑制了其碱性磷酸酶的活性，k 福建师范大学段紫星硕士学位论文 抑制了水华鱼腥藻对氮磷的吸收，可能使得水华鱼腥藻生长所需的磷严重不足，从 而抑制了水华鱼腥藻的生长。较高的k c i 浓度下，水华鱼腥藻的s o d 活性受到抑制， m d a 的含量的大量升高，表明了在钾离子的胁迫下，水华鱼腥藻受到自由基伤害的 程度很高。单嘧磺隆对水华鱼腥藻超氧化物歧化酶活性和m i ) a 含量均无明显影响。 虽然钾在对水华鱼腥藻的毒性效应钾的半致死浓度最高，但是仍有可能作为一种优 良的化学方法来治理水华鱼腥藻。 关键词：水华鱼腥藻；过度繁殖；竞争优势；吸收动力学；钾；单嘧磺隆；毒性效 应 中文文摘 中文文摘 湖泊等水体的富营养化依然是我国目前以及今后相当长一段时期内的重大水环 境问题。湖泊水域富营养化导致“水华 大规模的爆发，污染饮用水源，破坏了水 体景观并对渔业等生物资源利用的造成严重的影响。鱼腥藻适应性强，就发生频率 和范围来讲，鱼腥藻是仅次于微囊藻的又一有毒水华蓝藻。迄今国内针对蓝藻水华 的研究重点主要集中在微囊藻水华及其产生的肝毒素上，对于鱼腥藻等其他水华种 类的研究较少，故对水体中鱼腥藻的研究具有重要意义。 蓝藻水华多发生在夏季6 - - 9 月，有明显的季节性，温度、光照、营养物质、气 候条件等都有可能成为制约因素。研究氮源、磷源、铁盐浓度、光强、温度和p h 值 对水花鱼腥藻生长和生理的影响。氮浓度为2 4 7 m g l ，磷浓度为2 1 6 m g l 时水华鱼腥 藻的生物量及比生长速率都达到最大，n p 表现为1 1 4 ：1 4 6 ：1 4 6 ：1 ，水华鱼腥藻受 到氮限制的影响比磷限制的影响小，这可能是由于水华鱼腥藻的异形胞具有固氮作 用。低磷对水华鱼腥藻生长的抑制较大，当磷浓度为0 0 5 4 m g l 时，水华鱼腥藻的比 生长速率只有磷浓度为2 1 6 m g l 时的6 5 。水华鱼腥藻能够通过提高光合色素含量 和碱性磷酸酶活性来适应低磷的条件。当磷浓度为0 。0 5 4 m g l 时，叶绿素a 含量明显 高于磷浓度为5 4 m g l 时的叶绿素a 含量。当磷浓度为0 0 5 4 m g l 时，水华鱼腥藻碱性 磷酸酶活性高于其他组的两倍以上。低光照( 1 0 0 0 1 x ) 和较高的温度( 3 0 ) 有利 于水华鱼腥藻的生长。随着光照强度的增大，水华鱼腥藻通过提高类胡萝卜素的含 量来抵抗强光的伤害。受低温影响，细胞降低光合色素含量以保持低水平的光合作 用过程，这些都是水华鱼腥藻对不良环境的适应。不同的铁盐浓度和初始p h 值对水 华鱼腥藻的生长无明显影响。总之，水华鱼腥藻在不同浓度的营养盐，不同的温度、 光照和p h 值条件下，通过调节细胞的色素含量，酶活变化等方法来适应环境的变化， 满足自身的生长需要，导致环境因子在很大的变化范围内都能够很好地生长，这是 水华鱼腥藻能成为优势种的一个重要原因。氮磷浓度和温度对水华鱼腥藻的生长影 响具有显著性，这是富营养化水体中水华鱼腥藻在夏季爆发的重要原因。 天然水体中的藻类种类众多，并出现规律性的水华蓝藻演替现象，此现象极可 能与这些藻类对氮磷利用能力的差异有关，通过氮磷吸收动力学比较不同藻类对氮 磷的竞争能力，有助于理解水体中藻类演替规律。本文将水华鱼腥藻跟栅藻和衣藻进 v 福建师范大学段紫星硕士学位论文 行氮磷吸收等方面的比较，结果表明，水华鱼腥藻对氮的最大吸收速率比衣藻和栅 藻高，这表明在氮充足的情况下，水华鱼腥藻比衣藻和栅藻吸收更多的氮储存起来， 这可能是水华鱼腥藻更能够适应低氮环境的原因之一。水华鱼腥藻对磷吸收的半饱 和常数比衣藻和栅藻高，磷可能是水华鱼腥藻生长的主要限制因子，当磷的浓度处 于较低水平，其他藻类具有更大的竞争优势，所以可以通过控制磷的水平来控制水 华鱼腥藻的爆发性增殖。 普遍使用的治理水华的方法大致可分为物理、化学和生物方法，目前化学治理 占有主要地位。学者们的研究主要为化感物质和除草剂对水华鱼腥藻的生长抑制现 象及对其生理生化指标的影响，有报道钾治理微囊藻的显著效果，而对水华鱼腥藻 的生长影响尚未见报道，本文即初步比较了钾和其他三种化学物质对水华鱼腥藻生 长的抑制效果，以期为进一步利用化学手段控制蓝藻水华做出有益的探索。结果表 明，当抑制水华鱼腥藻叶绿素a 5 0 时，求得k c l 的e c s o 为4 0 2 m r n o l l ，c u s 0 4 的e c 5 0 为9 5 2 m g l ，对苯二酚的e c s o 为2 6 2 m g l ，单嘧磺隆的e c s o 为1 9 3 m g l ，钾的半致死 浓度最高，但是仍有可能作为一种优良的化学方法来治理水华鱼腥藻。 磺酰脲类除草剂残留药害和抗性问题日益突出，但在世界农药市场中仍占有重 要地位，学者们研究了单嘧磺隆对水华鱼腥藻的光合色素、乙酰乳酸合成酶活性的 影响，但对水华鱼腥藻的营养代谢，抗氧化系统等方面研究较少，本章对于钾和单 嘧磺隆对水华鱼腥藻的在这些方面的毒性做了初步的比较，以期为钾在治理水华的 应用过程中提供科学依据。实验结果表明，经过k c l 和k 2 s 0 4 的处理后，水华鱼 腥藻的异形胞频率分别比对照降低了3 3 3 和6 5 8 。这说明k + 对水华鱼腥藻异形 胞的分化有抑制作用。荧光光谱分析表明钾可降低水华鱼腥藻细胞光系统i i 的生理 活性，使藻胆体处于解离状态，进而阻碍了光合作用的顺利进行。高剂量( 1 0 0 m g l ) 的单嘧磺隆也能够导致藻胆体的破坏和光系统i i 活性的降低。k - 诱导的钠离子缺乏 会导致胞内p h 值的升高，在胞内p h 值升高的情况下，进一步导致a t p 含量的下 降。k + 和单嘧磺隆都能够抑制水华鱼腥藻叶绿素a 的合成，当k c l 为1 0 0 和 2 0 0 m m o l l 时，水华鱼腥藻细胞内叶绿素a 的含量分别为对照的7 9 6 和5 5 6 。 当单嘧磺隆浓度为1 0m g l 和1 0 0 m g l 时，叶绿素a 含量分别比对照降低了4 4 3 和5 1 3 。k + 抑制了水华鱼腥藻对氮的吸收，当氮的浓度为1 5 01 tm o l l 时， 2 0 0 m m o l l 的k c l 对水华鱼腥藻氮的吸收抑制了6 2 。但是硝酸还原酶的活性却 显著提高了，当k c l 浓度为2 0 0 m m o l l 时，硝酸还原酶活性比对照升高6 9 ，这 v i 中文文摘 可能是由于k + 诱导藻细胞内的n 矿丢失所导致。单嘧磺隆对水华鱼腥藻的硝酸还原 酶活性也具有促进作用。钾离子显著抑制了水华鱼腥藻对无机磷的吸收，当磷浓度 为3 0l am o l l 时，水华鱼腥藻对磷的吸收是对照的3 8 。而且抑制了其碱性磷酸酶 的活性，当k c l 为2 0 0 m m o l l 时，水华鱼腥藻碱性磷酸酶活性降低3 6 。这些可 能导致水华鱼腥藻生长所需的磷严重不足，从而抑制了水华鱼腥藻的生长。单嘧磺 隆也能抑制碱性磷酸酶的活性，当单嘧磺隆浓度为1 0m g l 和1 0 0 m g l 时，水华鱼 腥藻碱性磷酸酶活性分别比对照降低了2 5 和2 9 3 。当k c l 浓度为1 0 0 m m o l l 和2 0 0 m m o l l 时，水华鱼腥藻超氧化物歧化酶活性分别比对照降低了1 1 和1 4 4 ， 单位蛋白中含有m d a 的含量比对照分别提高了2 6 和7 9 6 ，表明了在钾离子的 胁迫下，水华鱼腥藻的抗氧化系统遭到破坏，受到自由基伤害的程度很高，单嘧磺 隆对水华鱼腥藻超氧化物歧化酶活性和m d a 含量均无明显影响。 v 摘要 a b s t r a c t w a t e rb l o o mi sag r e a te n v i r o n m e n t a lp r o b l e mi no u rc o u n t r ya tp r e s e n t a n a b e n a a r ec o m m o nd o m i n a n ts p e c i e sb e s i d e sm i c r o c y s t i si nb l u e - g r e e na l g a ei n 缸s h w a t e r m i c r o c y s t i sb l o o m i n ga n dh e p a t o t o x i na r es t u d i e di nf o c a lp o i n t ，w h i l ea n a b e n a a n do t h e rs p e c i e sa r el e s sr e s e a r c h e d i no r d e rt op r o b et h ec a u s eo fe x c e s s i v e m u l t i p l i c a t i o n o fa n a b a e n af l o s a q u a ea n dm a n a g e m e n t t h em a i nr e s u l t sa r e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： e f f e c t so fn i t r a t e , p h o s p h a t e ，i r o n ，i l l u m i n a t i o n ，t e m p e r a t u r ea n di n i t i a lp ho ng r o w t h a n d p h y s i o l o g yo f a n a b a e n af l o s a q u a ew a si n v e s t i g a t e d ，i tw a sf o u n do p t i m a lg r o w t hf o r n i t r a t ea n dp h o s p h a t ew a s2 4 7 m g la n d21 6 m g l ，r e s p e c t i v e l y t h ei n f l u e n c eo f n i t r o g e n r e s t r i c t e di sl e s st h a np h o s p h a t e r e s t r i c t e d l o wi l l u m i n a t i o n ( 1 0 0 0 1 x ) a n dh i g h t e m p e r a t u r ew e r ep r o f i tf o ra n a b a e n af l o s a q u a b n oo b v i o u sa f f e c tw a sf o u n di ng r o w t h o fa n a b a e n af l o s a q u a eu n d e rd i f f e r e n ti r o na n di n i t i a lp h c h l o r o p h y lc o n t e n ti n c r e a s e a n da l k a l i n ep h o s p h a t a s ea c t i v i t i e sw e r eh i g h e s tw h e nt h ec e l l sw e r ee x p o s e di nl o w p h o s p h a t e ( 0 0 5 4 m g l ) c u l t u r e f o l l o w i n gt h ei n c r e a s i n gi l l u m i n a t i o n ，c a r o t e n o i dc o n t e n t i n c r e a s e do b v i o u s l y e f f e c t e db yl o wt e m p e r a t u r e ，t h ec e l l sk e e p tl o wl e v e lp h o t o s y n t h e s i s b yc u r i n gd o w nt h e i rp h o t o s y n t h e t i cp i g m e n t ，a l lt h e s ew e r ea d a p t a t i o no fa n a b a e n a f l o s a q u a e t os t r e s s d y n a m i c sf o rn i t r a t ea n dp h o s p h a t ea b s o r p t i o ni na n a b a e n af l o s - a q u a 岛s q u a d r i c a u d aa n dc h l a m y d o m o n a ss p w e r es t u d i e d t h er e s u l ts h o w e dt h a tu p t a k eo f n i t r a t ea n dp h o s p h a t ef i r e dt ot h em i c h a e u s - m e n t o ne q u a t i o n t h em a x i m a lu p t a k ef o r n i t r a t ea n dt h eh a l f - s a t u r a t i o nc o n s t a n t sf o rp h o s p h a t ei na n a b a e n a f l o s - a q u a ew a sh i g h e r t h a ni ns q u a d r i c a u d aa n dc h l a m y d o m o n a s s p t h er e s u l ts u g g e s t e dt h a tp h o s p h a t ew a s p r o b a b l yt h el i m i t i n g f a c t o r f o ra n a b a e n a f l o s a q u a e k c l ，c u s 0 4 ，p h e n o l i ca c i da n ds u l f o n y l u r e aw e r es t u d i e di n v e s t i g a t i n gt h e i r i n f l u e n c e so ng r o w t ho fa n a b a e n af l o s a q u a e i n h i b i t o r yr a t ea n de c s 0o fk c lc u s 0 4 ， h y d r o q u i n o n ea n dm o n o s u l f u r o na r ed e t e r m i n e dr e s p e c t i v e l y , m e d i a nl e t h a lc o n c e r t - r a t i o n o fp o t a s s i u mw a sh i g h e s t , b u ti tw a ss u p e r o r d i n a r yc h e m i s t r ym e t h o dt om a n a g e a n a b a e n a f l o s a q u a e i i i 福建师范大学段紫星硕士学位论文 t o x i c i t y o f p o t a s s i u m a n dm o n o s u l f u r o no na n a b a e n a f l o s a q u a e w e r e c o m p a r e d ，t h e r e s u l ts h o w e d 血a ti n h i b i t i o nw a sf o u n di nh e t e r o c y s td i f f e r e n t i a t i o na n d p h y s i o l o g i c a la c t i v i t y o fp s1 1w h e n e x p o s u r e d i n k ，p h y c o b i l i s o i n e w a s o c c u p e d i n d i s s o c i a t i o n ，w h i c hi n t e r f e r ep h o t o s y n t h e s i st os u c c e e d m o n o s u l f u r o nr e s u l t e di ns i m i l a re f f e c ti n a n a b a e n af l o s a q u a e k 十i n d u c e ds o d i u md e f i c i e n c yr e s u l t e di ni n c r e a s i n go fp h ，w h i c h l o w e r e dt h ea t pc o n t e n t b o t ho fk + a n dm o n o s u l f u r o nc o u l di n h i b i t i o nt h e c h l o r o p h y l l ，a l k a l i n ep h o s p h a t a s ea c t i v i t i e s ，a b s o r p t i o n o f n i t r o g e n a n d p h o s p h o r o u s ，w h i c hm a d ea n a b a e n af l o s a q u a eb e l a c ko fp h o s p h o r o u s t h e r ew e r e i n h i b i t i o ni ns o da c t i v i t ya n dp r o m o t i o ni nm d ac o n t e n tu n d e rt h eh i g hc o n c e n t r a t i o n o fk c l ，i tw a si n d i c a t e dt h a tf r e er a d i c a lh a r mw a sr e c e i v e di ns t r e s so fk + n oo b v i o u s i n f l u e n c ew a sf o u n di ns o d a c t i v i t ya n dm d a c o n t e n te x p o s u r e di nm o n o s u l f u r o n k e y w o r d s ：a n a b a e n af l o s a q u a e ：e x c e s s i v em u l t i p l i c a t i o n ：c o m p e t i t i v ea d v a n t a g e ； a b s o r p t i o nd y n a m i c s ：p o t a s s i u m ：m o n o s u l f u r o n ；t o x i ce f f e c t i v 福建师范大学硕士学位论文独创性和使用授权声明 福建师范大学硕士学位论文独创性和使用授权声明 本人( 姓名) 旦紫星学号至q q 鱼q 旦曼鱼专业植物堂所呈交的学 位论文( 论文题目：水华鱼腥藻过度繁殖机制及几种化学物质对其毒性 效应研究) 是本人在导师指导下，独立进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除论文中已特别标明引用和致谢的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本论文的研究 工作做出贡献的个人或集体，均已在论文中作了明确说明并表示谢意， 由此产生的一切法律结果均由本人承担。 本人完全了解福建师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 福建师范大学有权保留学位论文( 含纸质版和电子版) ，并允许论文被 查阅和借阅；本人授权福建师范大学可以将本学位论文的全部或部分内 容采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，并按国家 有关规定，向有关部门或机构( 如国家图书馆、中国科学技术信息研究 所等) 送交学位论文( 含纸质版和电子版) 。 ( 保密的学位论文在解密后亦遵守本声明) 学位论文作者签名：芦坂黾 指导教师签名： 签字日期： 。0 7 年月7 日 谜肛 签字日期：w 。7 年月7 日 绪论 绪论 1 1 水华简介 水华，亦称水花( w a t e r b l o o m ) ，通常是指池塘、河流、湖泊、水库等水体受到 污染，氮、磷等营养物质大量增加，致使水体达到富营养化或严重富营养化状态， 在一定的温度、光照等条件下，某些藻类发生爆发性的繁殖，引起明显的水色变化， 并在水面形成或薄或厚的绿色或其他颜色的藻类的漂浮物现象。 能够形成水华的藻类有原核藻类和真核藻类，最主要的是蓝藻门的种类，其中 最常见的有微囊藻( m i c r o c y s t i s ) 、鱼腥藻( a n a b a e n a ) 、颤藻( o s c i l l a t o r i a ) 、平列藻 ( m e r i s m o p e d i a ) 、束丝藻( a p h a n i z o m e n o n ) 、项圈藻( a n a b a e n o p s i s ) 、螺旋藻( s p i r u l i n a ) 等。其它常见的水华藻类还有裸藻门的裸藻( e u g l e n a ) ，绿藻门中的衣藻 ( c h l a m y d o m o n a s ) 、硅藻门中的小环藻( c y c l o t e t l a ) 等。 1 2 水华的危害 一些湖泊蓝藻水华频发、湖滨带沼泽化，水质下降，既影响湖泊功能，又危及 人类健康。我国大于1 k m 2 的2 3 0 多个天然湖泊中，2 4 介于富营养化与高度富营养化 之间，3 2 介于中营养化与富营养化之间。总体来讲，湖泊富营养化已成为制约地 区经济可持续发展的重要因素之一。湖泊水域富营养化导致“水华大规模的爆发。 它是湖泊水域生态系统自身调节功能失去平衡的表现。由于藻类生命周期短，大量 爆发后又很快死亡，腐烂发臭引起水质恶化，危害人类。 1 ) 对饮用水源的污染。富营养化使水体中有机质增加，病原菌草生，并产生有 害的藻毒素，危及饮用水的安全。藻类产生的毒素有多种，基本上可以分为3 类物质， 即生物碱、多肢、和脂多糖。藻毒素对鱼等水生动物、水禽、家畜以及人都有毒害。 近年来，有大量关于人类饮用或直接接触藻类污染的水体引起皮肤反应结膜炎、 鼻炎、呕吐、腹泻、肠胃病等的报道。1 9 7 9 年，在澳大利亚昆士兰州附近的一个小 岛上，曾爆发了一场严重的肠胃炎流行，造成1 4 0 名儿童和1o 名成人发病，对患者 做进一步检查，发现病人都有肝肿大体症，血清酶学检查肝功能都有不同程度的损 伤， 对当地进行流行病学研究，发现当地水华严重，水中有大量的微囊藻毒素。1 9 9 6 年巴西一透析中心，因透析液遭蓝藻毒素污染，导致1 3 0 名病人中有1 1 6 人出现异常 福建师范大学段紫星学位论文 症状，并有2 6 人最终死亡【l 】。藻类使饮用水中产生臭味，如鱼腥藻在中等浓度时产 生草味、霉味，团藻在中等浓度时产生鱼腥昧。藻类在常规处理工艺中有可能因为 投加混凝剂而引起细胞破坏，使胞内的藻毒素进入水中，而藻毒素不易被常规混凝、 过滤工艺去除，造成出水水质下降。 2 ) 破坏了水体景观。由于大量水华藻类漂浮水面，并散发出异味，而且常在水 面有死鱼或其他水生动物漂浮，如没有及时捞出时还会腐烂发臭。随着人们环境意 识的不断提高，保持城市水系的水质和景观效果，建设优美、清洁的水体景观已成 为城市祠湖发展的必然趋势。神农溪是长江三峡旅游线上5 大主要景点之一，水华将 在景观方面对神农溪旅游造成一定影响，目前巴东县政府和县环保局正在采取围网 拦截和打捞相结合的措施，防止水华进一步扩散。 3 ) 对渔业等生物资源利用的影响。一定程度的富营养化可能导致鱼产量增加， 但严重富营养化的水体会因为藻类释放的毒素和溶解氧的稀缺而使鱼类种类数量减 少，并直接影响鱼类质量，从而导致水体经济价值大大降低。2 0 0 0 年8 月，因市麻纺 厂大量工业废水排入石矶湖，致使该湖发生中毒性死鱼1 4 0 吨，直接经济损失7 0 万元； 2 0 0 0 年9 月，因大量医疗和居民生活污水排入上琼湖东侧的郭家湖，造成湖鱼毁灭性 死亡，该湖从此再也无法从事养鱼生产，以致现在形成水域生态荒漠化；2 0 0 6 年5 月，因市氮肥厂大量工业污水排入下琼湖，导致该湖鱼类几乎死光，直接经济损失 1 5 0 万元。 1 3 环境因子与水华 蓝藻水华多发生在夏季6 9 月，有明显的季节性，温度、光照、营养物质、气 候条件等都有可能成为制约因素。适宜的水温( 2 0 以上) 、水体富营养化、较高的 p h 值、适宜的光照强度和光照时间，蓝藻形成气囊，上浮到水体表面，群体繁殖迅 速，利于蓝藻水华在水面的形成 2 1 。 1 3 1 化学因子 氮是藻类培养中最常见的限制性营养元素，是蛋白质、核酸、磷脂的主要成分。 也是组成叶绿素的主要元素，而且也参与构成各种酶及辅酶。磷是藻类生长的必需 元素，是构成大分子物质的结构组分，还有一些重要的含磷有机化合物如核酸、磷 脂、核苷酸等，而磷元素也是构成细胞壁和细胞膜的重要物质。氮、磷是藻类生长 的必需营养物质，对藻类生长繁殖起着十分重要的作用。发生水华时的氮磷浓度一 般都比较高，多在富营养化的水平( t n0 2 m g l ，t p0 0 2 m g l ) 以上。水体中氮磷 绪论 都不是以单一形态存在的，氮通常有氨、分子氮、硝酸盐、亚硝酸盐和尿素等形态， 而磷也有元素磷、正磷酸盐、酸性磷酸盐、缩合磷酸盐和有机磷等。有研究认为， 对营养盐浓度较低的湖泊( j t l i t p 0 2 m g l ) ，藻类生长与营养盐浓度已不存在正相关f 3 】。 目前对水体富营养化的研究一致认为，恰当的氮磷比是导致藻类繁殖旺盛的一个重 要参数。有研究报道：当氮磷摩尔比为1 6 时，蛋白质与碳水化合物之比( p c ) 为最 大值，藻细胞干质量、碳水化合物、蛋白质及叶绿素含量最大，微氏海链藻生长状 况最佳，生命力最强，藻体吸收微量金属能力较好；氮磷摩尔比偏离r e d f i e l d 比值， 微氏海链藻生长受抑制，各生化组成含量下降【4 】。 氮、磷是藻类生长增殖所需的大量元素，此外，f e 、m n 、s i 及一些维生素等也 是藻类生长所不可缺少的元素。铁是藻类细胞色素( 铁卟啉) 的组成成份，而且又是 电子传递反应中重要的氧化还原酶的基本元素，在无机营养盐的吸收过程中起重要 作用。f e 是海洋浮游植物的微量营养元素和催化元素，对浮游植物有效利用c 和n 、 叶绿素的生物合成和光合作用都有重要作用【5 】。在相同的磷含量水平下，铁缺乏不 仅使原甲藻的生长速度变慢，而且藻细胞数量峰值明显降低，这是由于缺铁造成藻 类正常的光合作用和代谢功能减弱，从而引起藻细胞内叶绿体和线粒体发生扭曲和 变形，最终导致藻细胞的生长发育受到影响【6 1 。铁缺乏限制了藻细胞光系统i 的活 性，而相对促进了光系统i i 荧光叶绿素复合物的产生，说明铁限制使铜绿微囊藻细 胞的光能分配更趋向于光系统i i 【7 】。锰微量存在时对浮游藻类的生长有刺激作用， 但大量存在时对藻类有毒害。硅是硅藻细胞壁的组成成分，w e t z e l 认为春末浮游藻 类中的硅藻种群的消退时由于硅酸盐被消耗而降低造成的。 1 3 2 物理因子 光是决定水体中绿色植物分布、生长的主要条件，它决定于水的透明度。湖水 透明度的大小与入射光强、水中的悬浮物、浮游生物，以及湖水中营养盐类的含量 密切相关，是水体富营养化的特征指标之一。水体中的光照条件会对其中生长的藻 类产生重要的影响。光照辐射为藻类光合作用提供代谢的能源，影响光合碳固定的 速率，也影响藻细胞呼吸强度、能荷水平。强光照影响了雨生红球藻细胞内1 ，5 。二 磷酸核酮糖羧化酶( r u b i s c o ) 和硝酸还原酶( n i t ) 的活性，导致2 种酶的活性大幅度下降 t s 】。光照度对藻细胞吸收铁磷产生重要影响，在低光照度下，藻细胞吸收铁磷的量 大于在高光照度下对铁磷的吸收量【6 】。由于蓝藻细胞体内除了具有叶绿素外，还同 福建师范大学段紫星学位论文 时具有藻胆蛋白，这些色素使得蓝藻可以利用其它藻类所不能利用的绿、黄和橙色 部分的光( 5 0 0 6 0 0 n m ) ，从而比其它藻类具有更宽的光吸收波段，能更有效地利用水 下光的有效光辐射。 水温是水环境的一个重要参数，它的变化直接影响水环境的化学反应、生化反 应、氡的溶解和水生生物的生长等一系列过程。温度对n 0 2 - 释放以及n r ( 硝酸还原 酶) 和a t p 含量均有很大影响，是调节蛋白、碳水化合物、c ( 总c 量占干物质的百分 比) 的主要因子，而且这些组分在细胞中的含量都与温度负相关 9 】。一般来看，硅藻、 金藻、黄藻适温较低在1 4 1 5 ，绿藻较高为2 0 2 5 ，而蓝藻更高，最喜欢生长 在2 0 , - - , 3 2 。c 范围内。由于大多数水华藻类( 特别是蓝藻) 在温度较高的条件下才能发 生异常繁殖的情况，因此，水华多见于光照充足的温度高的夏季。 蓝藻在中性或稍偏碱的条件下生长最好。p h 值过低时，蓝藻就不能生长，固氮 活性明显下降，去铵阻抑速率也减小。t h o r c s o n 曾经详细地研究t p h 对中肋骨条藻 n 0 3 吸收、积累及其化学组成的影响，发现p h 对n 0 3 - 吸收和胞内n 0 3 库都有影响， 并在p h 值为8 5 时达最大，p h 值为9 0 时急骤下降。而细胞其他成分如，c h l a 、蛋白 质、r n a 和d n a 贝i j 几乎无变化【l0 1 。p h 值也是影响藻类生长的重要生态因子，由于组 成细胞质的蛋白质是两性电解质，在弱酸环境中，氨基酸带阳电荷，所以易于吸附 外界溶液中的阴离子；在弱碱环境中，氨基酸带阴电荷，所以易于吸附外界溶液中 的阳离子，p h 值可直接或间接地通过对某些矿质离子的吸收来影响它的生长【1 1 】。 1 3 3 生物因子 许多种类的蓝藻细胞中具有气囊，使得它们能够悬浮在水中，同时可以通过调 节浮力来控制它们在水体中的垂直分布、昼夜迁移及形成水华的能力。形成水华的 一些蓝藻如鱼腥藻、束丝藻等，它们特有的异形胞可以固氮，在外界氮源不足时， 它们比其他生物更具有优势。竞争关系是一种负相互作用的种间关系，指两个物种 间通过共同利用一种有限的资源( 常包括空间、营养物质、光等) 而发生的一种间接 的相互关系。随着湖泊水体富营养化的加剧，有关藻类之间竞争关系的研究越来越 受到关注，因为它在富营养化的水生生态演替中具有重要作用。捕食影响着浮游植 物的群落大小，张哲海，梅卓华等通过研究玄武湖蓝藻水华的发生进程得出，鲢鳙 鱼类的急剧减少使大型浮游植物的牧食压力降低，是微囊藻暴发性增殖的主要原因。 东南湖回水后为浮游植物迅速增殖提供了空间，由于回水时机不当，形成了蓝藻大 量繁殖的环境和条件【1 2 】。藻类在长期进化过程中为抵御捕食，常常会形成藻毒素、 绪论 胶鞘以及群体。以减少由于被过度捕食而导致种群灭绝的可能。浮游动物在摄食时， 对直径 3 0 ) 意味着磷限制，低n p 值( 如 4 6 ：1 4 6 ：1 ，水华鱼腥藻是一种固氮蓝藻，胞内氮源相对缺乏时，会促进异形胞的分化， 异形胞能够将氮气固定为可利用的氮源，供给其他营养细胞。所以水华鱼腥藻受到 氮限制的影响比磷限制的影响小。当磷浓度为0 0 5 4 m g l 和0 5 4 m g l 时，水华鱼腥藻 生物量和比生长速率都明显低于较高磷浓度下的，而氮浓度对水华鱼腥藻的无显著 影响。不同的氮磷比不仅会对细胞的生长速度造成影响，甚至对细胞内物质的合成 积累也有影响【4 3 1 。细胞内叶绿素a 的合成浓度明显受氮的影响，高氮磷比例有利于叶 绿素a 的合成，细胞内可溶性蛋白质含量对不同氮磷比例有明显反应】。 本文中当氮浓度为0 2 4 7 m g l 和2 4 7 m g l 时，叶绿素a 的合成明显受到抑制。当 氮浓度大于2 4 7 m g l 时，随着氮浓度的增加，叶绿素a 的含量有上升的趋势，也可以 说明这一点。一般来说，充足的氮源有利于蛋白质的合成，本文中当氮浓度为 2 4 7 m g l 时，水华鱼腥藻蛋白质含量最大，随着氮浓度的继续升高，蛋白质含量反 而下降，这可能是受到氮磷比的影响。在高碳氮比或高碳磷比条件下，即在氮不足 或磷不足时，藻类光合作用固定的有机物质主要以不含氮磷的碳水化合物形式存在 【4 5 】。当氮浓度为4 9 4 m g l 时，表现为磷不足，水华鱼腥藻蛋白质含量下降，而碳水 化合物含量明显升高。 最近十几年人们研究表明，铁在浮游植物生长过程中也发挥着极为重要的作用 【4 6 1 ，是限制浮游植物生长的主要因素之一，它的存在量对于浮游植物有效利用碳和 氮、磷，对于叶绿素的生物合成和光合作用等都起着重要的作用。本文中，不同的 柠檬酸铁铵浓度对水华鱼腥藻的生长结果显示，当柠檬酸铁铵的浓度为6 m g l 时， 水华鱼腥藻的生物量最大，比生长速率最高，但是当铁浓度较低时，水华鱼腥藻并 没有受到明显的抑制。在铁限制的情况下，一些蓝藻能分泌高选择性铁的有机配体 ( s i d e r o p h o r e ) ，以增强对铁的吸收 4 7 】，这可能是水华鱼腥藻的一种竞争优势。 1 5 2 光照、p i - i 值和温度对水华鱼腥藻的影响 光是最重要的环境因素之一，光主要来自太阳辐射，是水生态系统的主要能源。 光通过光合作用直接影响和控制水体的生产力和它的代谢作用，因此光在水生植物 的生活中具有特别重要的生态意义。水华鱼腥藻含有叶绿素a 以外还含有藻蓝素，使 得水华鱼腥藻可以利用别的藻类不能利用的绿、黄和橙色波段的光，在弱光下也能 福建师范大学段紫星硕士学位论文 生长得较好。本文的研究结果表明，当光照为1 0 0 0 1 x 时，水华鱼腥藻能够进行指数 生长，生物量最大，藻类对于光能利用具有较强的主动性，即藻类能够通过调节自身 的光合色素以控制对于光能的利用能力【3 9 】。随着光照强度的增加，类胡萝b 素含量 明显上升，而叶绿素a 和藻蓝素的含量明显下降，说明高光照会刺激类胡萝b 素的产 生，而破坏叶绿素和藻蓝素的合成。细胞内类胡萝b 素含量的增加，增大了细胞对 强光的耐受性。因为光照增加的最终结果是产生了更多的活性氧分子，类胡萝b 素 作为一种强还原剂，可以消除体内的自由基。高光照度诱导1 3 一胡萝卜素形成，破坏 叶绿素a 的合成。因为积累大量1 3 胡萝b 素的杜氏藻细胞具有很强的抗强光伤害的 能力，其b 胡萝卜素红色细胞光饱和点明显高于绿色细胞【4 8 1 ，这与我们的结果是 一致的。提高光照强度不仅有利于提高细胞生物量，同时能促进胞外多糖的分泌， 也加速藻体的衰老 4 9 1 。本文中，在光强为2 0 0 0 1 x 5 0 0 0 1 x 时，水华鱼腥藻的指数生长 期非常短，光强为1 0 0 0 1 x 时，水华鱼腥藻能够进行较长时期的指数生长。 水温是藻类进行光合作用的必要条件，决定细胞内酶反应的速率，并与植物的 合成代谢及呼吸强度，以及对水中异样细菌等微生物的生理活性均有着密切的关系。 水温和光照是藻类光合作用的必要条件，前者决定细胞内酶反应的速率，后者提供 代谢的能源。叶绿素含量是反映光合强度的重要指标。受低温影响，水华鱼腥藻有 相对较长的生长滞缓期，与之相适应，细胞降低光合色素含量以保持低水平的光合 作用过程。温度是影响细胞叶绿素合成的重要因素之一，低温下，合成叶绿素的一 系列酶促反应受到限制，也使得细胞叶绿素含量低下。当温度为1 0 c 时，水华鱼腥 藻类胡萝卜素含量明显最高，随着温度的升高，类胡萝b 素含量有所下降。有人研 究表明，当低温( 1 9 ) 和高光强的条件同时具备时，1 3 一胡萝卜素的产量明显提 高，原因可能是生长分裂在高光照下和低温条件下有延迟现象。而生长延迟可以很 明显地提高1 3 胡萝b 素产量【5 0 1 。 1 6 小结 1 氮浓度为2 4 7 m g l ，磷浓度为2 1 6 m g l 时水华鱼腥藻的生物量及比生长速率都 达到最大，n p 表现为1 1 4 ：1 4 6 ：1 4 6 ：1 ，水华鱼腥藻受到氮限制的影响比磷限制 的影响小，这可能是由于水华鱼腥藻的异形胞具有固氮作用。 2 低磷对水华鱼腥藻生长的抑制较大，当磷浓度为0 0 5 4 m g l 时，水华鱼腥藻的 比生长速率只有磷浓度为2 1 6 m g l 时的6 5 。水华鱼腥藻能够通过提高光合色素含 量和碱性磷酸酶活性来适应低磷的条件。当磷浓度为0 0 5 4 m g l 时，叶绿素a 含量明 第一章环境因子对水华鱼腥藻生长生理的影响 显高于磷浓度为5 4 m g l 时的叶绿素a 含量。当磷浓度为0 0 5 4 m g l 时，水华鱼腥藻碱 性磷酸酶活性高于其他组的两倍以上。 3 低光照( 1 0 0 0 1 x ) 和较高的温度( 3 0 ) 有利于水华鱼腥藻的生长。随着光 照强度的增大，水华鱼腥藻通过提高类胡萝卜素的含量来抵抗强光的伤害。受低温 影响，细胞降低光合色素含量以保持低水平的光合作用过程，这些都是水华鱼腥藻 对不良环境的适应。不同的铁盐浓度和初始p h 值对水华鱼腥藻的生长无明显影响。 4 水华鱼腥藻在不同浓度的营养盐，不同的温度、光照和p h 值条件下，通过调 节细胞的色素含量，酶活变化等方法来适应环境的变化，满足自身的生长需要，导 致环境因子在很大的变化范围内都能够很好地生长，这是水华鱼腥藻能成为优势种 的一个重要原因。氮磷浓度和温度对水华鱼腥藻的生长影响具有显著性，这是富营 养化水体中水华鱼腥藻在夏季爆发的重要原因。 第二章水华鱼腥藻、栅藻和衣藻对氮磷的吸收动力学比较 第二章水华鱼腥藻、栅藻和衣藻对氮磷的吸收动力学 比较 2 1 引言 研究营养盐、光照、温度等对藻类生长生理的影响目的均在于以影响因子和藻 类生物量的关系来探讨藻类生长的机理，而不在于研究某一种类是否成为优势。随 着研究的深入，资源竞争对水华藻类生长的影响越来越引起人们的重视。天然水体 中的藻类种类众多，并出现规律性的水华蓝藻演替现象，此现象极可能与这些藻类 对营养盐利用能力的差异有关，通过测定藻类对氮磷吸收的动力学，可以比较不同 藻类对氮磷的竞争能力，对于理解水体中藻类演替规律具有一定的意义。 四尾栅藻( s c e n e d e s m u sq u a d r i c a u d a ) 是常见的绿藻优势种之一【5 。本文将水华 鱼腥藻、栅藻和常见绿藻衣藻进行比较，可进一步揭示氮磷营养盐与水华藻类之间 的相互影响，以及水华鱼腥藻引起水华的优势。 2 2 方法 2 2 1 藻种及培养方法 见1 2 1 和1 3 1 2 2 2 水体总氮含量的测定 参照文献制作标准曲线。样品的分析：取