（植物学专业论文）水华蓝藻——拉氏拟浮丝藻.pdf

摘要 拉氏拟浮丝藻( p l a n k t o t h r i c o i d e sr a c i b o r s k i i ) 是一种常见的水华蓝藻种类，在适 宜的条件下，能达到水华状态，造成水质的下降。然而，与其它水华蓝藻如微囊藻、 鱼腥藻相比，对拉氏拟浮丝藻的了解和研究相对来说还是较少。随着水体富营养化日 趋严重并导致水华频频发生，水华对水体生态系统及水体环境甚至人类的生活产生了 严重的影响，对生态安全及人类健康构成威胁。要有效地预防、控制、治理水华，对 不同种类水华蓝藻的基础研究就尤显重要。所以本文主要以拉氏拟浮丝藻为研究对 象，具体针对以下问题进行研究：1 、拉氏拟浮丝藻的形态学特征和分子系统学特性； 2 、野外水体中拉氏拟浮丝藻的监测技术：3 、拉氏拟浮丝藻的脂肪酸成分分析以及它 在资源开发中的潜在价值。主要研究内容与结果如下： 1 拉氏拟浮丝藻是一种漂浮种类，具气囊，藻体暗绿色或黄绿色，横壁处不收 缢，或偶见收缢。藻丝体木端渐尖细，微弯曲，不具帽状结构，末端细胞钝圆或近圆 锥形；细胞长3 8 t m ，宽9 1 6 t m ，长宽比1 ：4 4 ：5 ；分布于湖泊、河流。所采集 到的我国不同地点的拉氏拟浮丝藻在形态学方面的差别并不明显，其细胞宽度多集中 在1 1 5 7 2 1 0 # m ，长度多集中在5 1 1 1 2 8 # m ，长宽比多集中在o 4 5 0 1 3 。 2 从1 6 sr d n a 基因序列和r b c l 基因序列分别通过邻接法构建的系统进化树来 看，所有测试的拉氏拟浮丝藻的藻株都聚为一类，说明通过这两个基因可以很好将拉 氏拟浮丝藻的藻株与其它属的藻株区分开。然而，分离的藻株虽然自不同地区的水域， 但是在n j 系统进化树中，不同区域的拉氏拟浮丝藻藻株并没有呈现显著的多样性， 可能是不同的环境条件对其碱基序列和遗传信息并没有产生很大的影响，这两个基因 序列相对比较保守；这种保守性与前面形态学证据相对应。此外，拉氏拟浮丝藻在 1 6 sr d n a 序列中存在三种不同的类型，分别为g t i c 型、c a a a a 型以及这两种的 混合型。经过比较1 6 sr r n a 二级结构，更形象的揭示了不同类型在此位点1 6 sr d n a 基因中的结构变化。并推测出拉氏拟浮丝藻的1 6 sr d n a 基因在单藻丝内存在多拷贝 多态的现象。 3 通过荧光定量p c r 对城市景观湖泊南京玄武湖和武汉月湖中的拉氏拟浮丝 藻进行定量分析，结果表明：荧光定量p c r 方法能够检测出水体中拉氏拟浮丝藻的 存在和它的生物量，而且具有较高的特异性。为水华早期预警提供及时、准确的数据 支持。从而为水华蓝藻的监测提供了一个新的思路；同时研究还反映了拉氏拟浮丝藻 的周年变化规律。 4 通过对拉氏拟浮丝藻脂肪酸的测定，发现拉氏拟浮丝藻含4 9 5 6 的c 1 6 ：0 的 饱和脂肪酸，且含有4 5 左右的不饱和脂肪酸。在不饱和脂肪酸中，丫亚麻酸( g l a ) 为2 4 、a - 亚麻酸( a l a ) 为8 1 2 i 油酸为1 5 、十八碳四烯酸( s d a ) 为2 0 3 0 ： 脂肪酸分析结果表明其不饱和脂肪酸的组成与微囊藻相似。相对于其它水华蓝藻，拉 氏拟浮丝藻的s d a 含量比例最高。其脂肪酸类型在k e n y o n m u r a t a 脂肪酸分类系统 里属于类型。 关键词：水华蓝藻、拉氏拟浮丝藻、荧光定量p c r 、脂肪酸、分子系统。 a b s t r a c t p l a n k t o t h r i c o i d e sr a c i b o r s k i i ( w o l o s z y n s k a ) s u d ae tw a t a n a b ei s ac o m m o n b l o o m - f o r m i n gs p e c i e so fb l u e - g r e e na l g a e c o m p a r e sw i t ho t h e rw a t e rb l o o mf o r m i n g c y a n o b a c t e r i as u c ha sm i c r o c y s t i sa n d a n a b a e n a ，p l a n k t o t h r i c o i d e sr a c i b o r s k i ih a sb e e n h a r d l ys t u d i e d w i t hi n c r e a s i n ge u t r o p h i c a t i o na n da l g a lb l o o m s ，i ti sq u i t ei m p o r t a n ta n d n e c e s s a r yt oc a r r yo u tr e s e a r c h e so nd i f f e r e n tb l o o m f o r m i n gs p e c i e so fb l u e - g r e e na l g a e b a s e do nt h ef a c tt h a t 只r a c i b o r s k i io c c u r r e di np a r t so fc h i n e s ew a t e r sa sad o m i n a n t b l o o m - f o r m i n gs p e c i e s ，t h ep r e s e n tw o r kp e r f o r m sf o l l o w i n gs t u d i e so n 只r a c i b o r s k i i ：1 ) c h a r a c t e r i s t i c so fm o r p h o l o g i c a la n dm o l e c u l a rp h y l o g e n e t i c so f 只r a c i b o r s k i i ；2 ) m o l e c u l a rm o n i t o r i n go fp r a c i b o r s k i ii ns o m ef i e l dw a t e rs a m p l e s ；3 ) b i o l o g i c a lp o t e n t i a l u s e so frr a c i b o r s k i ib a s e do nf a t t ya c i da n a l y s e s t h ef o l l o w i n gr e s u l t sa r eo b t a i n e d ： 1 m o r p h o l o g i c a l l y ，t f i c h o m e so f 只r a c i b o r s k i ia r ep l a n k t o n i c ，s o l i t a r yw i t hy e l l o w g r e e n o ro l i v e - g r e e n c e l l sh a v ea e r o t o p e s ( g a sv a c u o l e s ) ，a n df i l a m e n t sa r eg e n e r a l l ys t r a i g h to r s l i 曲t l yb e n t n e a rt h ea p e xa n da t t e n u a t e d ，n o tc o n s t r i c t e do rs l i g h t l yc o n s t r i c t e d a t c r o s s w a l l s a p i c a lc e l l sa r er o u n d e d ，m o r eo rl e s st a p e r e d ，w i t h o u tc a l y p t r a c e l l sa r e 9 - 1 6 z mi nw i d t ha n d3 - 8 , t mi nl e n g t h ，a n dt h er a t i oo fc e l ll e n t ht ow i d t hi sb e t w e e n 1 ：年4 ：5 s i m i l a r l y t h e r ea r en o tt o om u c hd i v e r g e n c e sf r o md i f f e r e n ts a m p l i n gp l a c e so f c h i n aw i t h1 1 5 7 2 1 0 雎mi nw i d t ha n d5 1 1 1 2 8 比mi nl e n g t hw h i l et h er a t i oo fl e n g t h t ow i d t h0 4 5 0 1 3 2 p h y l o g e n e t i ct r e e sc o n s t r u c t e db ys e q u e n c e so f16 sr d n aa n dr b c lg e n es h o wt h a ta l l s t r a i n so f 只r a c i b o r s k i iu s e di n t h i ss t u d yf e l li n t oo n ec l u s t e r , w h i c hi n d i c a t i n gh i g h c o n s e r v a t i o no ft h e s et w og e n e s ，a n di t sc o n s e r v a t i s mr e s p o n d e dt om o r p h o l o g i c a l e v i d e n c e sa b o v e s t r a i n sf r o md i f f e r e n tr e g i o n so fc h i n ad i dn o ts h o wh i g hd i v e r g e n t h o w e v e r , o n el o c u so f1 6 sr d n as e q u e n c e so fa l lpr a c i b o r s k i is t r a i n sd i s p l a y e d3t y p e s o fv a r i a t i o n ，n a m e da st y p eg t t c ，t y p ec a a a aa n dm i x e dt y p e 3 m o l e c u l a rm o n i t o r i n go f 只r a c i b o r s k i ic e l l sf r o mx u a n w ul a k ei nn a n j i n ga n dt h e m o o nl a k ei nw u h a nb yu s i n gt h er e a l - t i m ep c rm e t h o dw a sp e r f o r m e d t h er e s u l t s s h o wt h a ti ti sh i g h l ys e n s i t i v ea n ds p e c i f i ct opr a c i b o r s k i ic e l l si nt h e s ew a t e r s ， i i i s u g g e s t i n gt h a ti tw i l lb eag o o da n de f f e c t i v ew a yt op r e d i c tt h eo c c u r r e n c eo fw a t e r b l o o me v e na tt h ee a r l ys t a g e 4 b a s e do nr e s u l t so ff a t t ya c i d sa n a l y s i s ，只r a c i b o r s k i is h o w e dt oc o n t a i n 4 9 - 5 6 c 1 6 ：0 ，a n d4 5 p u f a s a n dp u f a si n c l u d e d2 4 g l 8 1 2 a l 1 - 5 l a n d 2 0 - 3 0 s d a s i m i l a rt om i c r o c y s t i s ，t h ef a t t ya c i dt y p eo fpr a c i b o r s k ib e l o n g st ot h e t y p ei vw h i c hb a s e do nk e n y o n m u r a t a sc l a s s i f i c a t i o ns y s t e m h i g h e rc o n t e n t so fs d a i n 只r a c i b o r s k i i m p l yi t sp o t e n t i a le x p l o i t a t i o nf o rf o o da n dm e d i c a lu s e s k e y w o r d s ：b l o o m f o r m i n gc y a n o b a c t e r i a ，p l a n k t o t h r i c o i d e sr a c i b o r s k i i ，r e a l t i m ep c r ， f a t t ya c i d 、m o l e c u l a rp h y l o g e n y i v 声明尸明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南林学院或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 签名：徐母螺二一日期：硎s 宕 关于论文使用授权的说明 本人同意：西南林学院有权保留论文的复印件，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文；提交论文一年后，允许论文被查阅和借阅，学校可以公布论文的全部 或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 徐博识 导师签名：日期：秒孓邓 刖舂 1 前言 中国是世界上湖泊众多的国家之一，约有2 万多个湖泊，湖泊总贮水量达70 0 0 多亿m 3 。另外，还有大小水库8 万多座，总库容达40 0 0 多亿m 3 。然而，根据2 0 世 纪8 0 年代后期与9 0 年代的调查结果，分布在长江中下游湖区、云贵湖区、部分东北 山地及平原湖区与蒙新湖区湖泊都已处于富营养化水平。同样根据近年来的调查，我 国部分河流水域如汉江、珠江、葛洲坝水库也出现了富营养化，而三峡水库同样面临 着富营养化的威胁【1 1 。因此，富营养化成为目前我国内陆水体的重大水环境问题之一。 水体富营养化的发展往往伴随着藻类水华的频繁暴发，日趋严重的水华暴发已成 为制约我国社会和国民经济进一步持续发展的重要因素。我国的三湖( 太湖，巢湖和 滇池) 长期处于水华状态，2 0 0 7 年太湖的蓝藻水华引起的居民用水“危机事件是 世界罕见的。滇池水华也十分严重，滇池部分水域水华每年持续时间长达1 0 个月， 藻类全湖性泛滥，其叶绿素a 的浓度超标达数百倍，在最严重的累积区超标高达数千 倍，连云南洱海都在1 9 9 6 年爆发了大面积水华，并持续长达1 个月时间1 1j 。鉴于蓝 藻水华的严重性，以及目前对其认识和控制的不足；因此，对蓝藻及其水华形成机制 和防治的研究将在相当长时问内成为国内研究的热点和难点。 1 1 蓝藻 蓝藻( b l u e g r e e na l g a e ) 是一类极其古老、微小、简单的光合自养原核生物，既 有单细胞或多细胞胶群体，也有丝状体。藻体蓝绿色，内含有叶绿素a 和藻胆素等色 素，其贮藏物质是蓝藻淀粉。由于其具有与细菌高度相似的细胞结构、细胞学、化学、 代谢及生殖特征，因此又称蓝细菌( c y a n o b a c t e r i a ) 。 1 1 1 蓝藻系统分类及多样性 蓝藻形态简单，但分布广泛，在漫长的生物进化历史中曾保持了约2 8 亿年之久 的优势，占据了地球上几乎所有可能的生境。极强的适应能力给予了它们强大的生存 能力和高度的多样性，但它们结构的简单性和形态的多样性在很大程度上引起了目前 水华蓝藻拉氏拟浮丝藻的研究 蓝藻分类和进化研究的混乱，因此，蓝藻的分类一直是蓝藻研究中的一个难点。目前 传统的蓝藻分类系统主要是根据形态的差异建立的，随着近年来分子系统学、基因组 学等分子生物学新兴学科的发展，越来越多分子生物学手段开始应用于生物的系统分 类。到目前为止，蓝藻的分类主要有以下方法： 1 1 1 1 传统的形态学分类方法 传统的分类方法是根据生物体主要的形态学特征差异对蓝藻进行分类。对于非 丝状体类群，用于形态分类的指标主要有：细胞的形态、大小，群体的形态特征，有 无胶被及其形状，颜色等。对于丝状体类群，主要的分类指标有：藻丝整体特征，有 无胶鞘，分枝状况，营养细胞的形态特征，异形胞( h e t e r o c y s t s ) 的形态特征，厚壁 孢子( a k i n e t e ) 的形态特征及异形胞与厚壁孢子的相对位置等。对丝状体类群来说， 异形胞与厚壁孢子的相对位置是一个极其重要的分类指标。在k o m 五r e k 的分类系统 中，根据离异形胞化( a p a h c t e r o c y s t i c ) 与副异形胞化( p a r a h e l e m c y s t i c ) 这两个描述异形胞 与厚壁孢子位置关系的特征将念珠藻科( n o s t o c a c e a e ) 划分为念珠藻亚科( n o s t o e o i d e a e ) 和鱼腥藻亚科汹a b a e n o i d e a e ) 【2 1 。目前，根据经典的分类学已鉴定的蓝藻约有2 c 0 0 种【3 1 ，我国已知约1 0 0 0 种【4 1 ，被归类为蓝藻门( c y a n o p h y t a ) ，仅有蓝藻纲 ( c y a n o p h y c e a e ) ，分为4 个目： 1 、色球藻目( c h r o o c o c c a l e s ) ，单细胞或群体，未形成细胞间有生理上相互联系 的、真正的丝状体，复杂群体中有分化或极性细胞； 2 、颤藻目( o s c i l l a t o r i a l e s ) ，植物体为单列丝状体，无异形胞和厚壁孢子。段殖 体的形成及丝状体的裂断是颤藻类的主要繁殖方法。衣鞘厚或薄，质地均匀或有层理， 透明或有各种色彩。丝状体一般无分枝或形成交叉的相背的分枝或由于公共的胶质衣 鞘的反复分叉而成为复杂的分枝系。丝状体末端决不延长成为毛状； 3 、念珠藻目( n o s t o c a l e s ) ，主要由单列细胞所组成的丝状体，只有极少数为多 列细胞所组成。整个丝状体直径均匀一致，有的有基部和顶部的分化，即在丝状体的 基部或中段以后，其细胞的直径逐渐狭小，最后成为毛状体，或自丝状体中段处，向 两端逐渐狭小，形成前后两端的毛。丝状体宜或作规则或不规则地蛹旋绕曲。 4 、真枝藻目( s t i g o n e m a t a l e s ) ，植物体是单列细胞或多列细胞构成的不规则分枝 2 前言 的丝状体。许多丝状体集生在一起，呈黑褐色绒毛状。丝状体有厚而坚硬的胶质鞘， 胶质鞘透明，多为黄褐色。细胞球形或椭圆形。真分枝是细胞在纵轴方向分裂形成的， 具异形胞。 1 1 1 2 分子系统分类学法 每个物种都有其独特的基因库，形成了物种间遗传多样性。而同一物种又有许多 不同的个体，由于长期适应不同的环境，形成其遗传基因的差异，构成了种内遗传多 样性。随着分子生物学技术发展，其越来越广泛应用于藻类学研究。在藻类分类方面， 分子生物学方法是经典分类的良好辅助工具。 由于形态指标易受环境条件的影响，亲缘关系相近的物种之间的差异在形态上表 现得较少，且有些差异只在植物体生活史的某一阶段出现，因此很难通过经典的分类 方法加以区分。而从分子遗传角度来看，表现型的差异归根结底表现在其d n a 序列 水平上的差异，对这种较形态指标更稳定更细致的基因组序列差异的比较研究无疑为 藻类分类和鉴定提供依据。 自1 9 8 7 年，w o e s e 将1 6 sr d n a 基因序列用于细菌( 包括蓝细菌) 等生物的系统学 的研究，建立了分子系统学方法【5 1 。此后，这种常用的大分子1 6 sr r n a 6 1 、1 6 s 2 3 s r r n a 基因间隔斟7 1 、蓝藻藻蓝蛋白c p c b a i g s 融2 引、核酮糖1 ，5 二磷酸羧化酶加氧 酶( r u b i s c o ) 大亚基r b c x l 区域【9 】等基因纷纷被应用于蓝藻系统学的研究，并取得了 令人瞩目的成绩，如：基于d n a 分子序列的分子系统学证据表明在整个蓝藻分类系 统中，色球藻目、厚皮藻目、颤藻目这三类均不是单系统，特别是色球藻目和颤藻目 相互之间交替程度非常高；而具有异形胞结构的蓝藻，包括念珠藻目和真枝藻目，可 形成一个单系统【1 0 1 。在更低的“属”的分类水平上，单细胞的聚球藻，无异形胞的丝 状蓝藻颤藻、席藻以及具有异形胞的念珠藻科的大部分属也都不是单系统【1 1 1 。这些新 的混乱点给今后的蓝藻分类研究提出了新的难题和挑战。此外，随着“水华”的频繁 发生，建立微藻快速分子鉴定方法也将是今后的研究重点。 1 1 1 3 生理与生化方法 生物的生理和生化活动是由遗传物质决定的，因此，生物体的各种生理指标和生 3 水华蓝藻拉氏拟浮丝藻的研究 化成分在很大程度上反映了生物体本身的遗传信息。生理与生化方法已成为形态学方 法和分子学方法之外的另一种强有力的蓝藻分类方法。 ( 1 ) 生理学方法 将生理特征和形态学的特征结合应用可能会解决一系列蓝藻分类学上的难题【1 2 1 。 生长温度范围、耐盐性、异养能力是蓝藻分类的非常重要的特征f 1 2 , 1 3 l 。通过五十株鱼 腥藻( a n a b a e n a ) 的生长温度范围、耐盐性和异养能力与它们的形态学相比较，得出 生理学特征是一个相当有力的分类学指标【14 1 。另外，光合放氧等生理指标也可用于蓝 藻分类。 ( 2 ) 生化方法 生物体内的生化成分是基因指导合成的产物，间接反映了基因的多样性。r i p p k a e ta 1 ( 1 9 7 9 ) 的研究认为生化的多样性是一种有用的分类标准【1 5 】。目前应用的主要生化 指标有：脂肪酸( f a t t y a c i d ) 、类胡萝卜素( c a r o t e n o i d s ) 、多胺( p o l y a m i n e s ) 等， 其中脂肪酸的种类及含量是目前应用比较广泛的指标。 v a n d a m m e e t a l ( 1 9 9 6 ) 证明脂肪酸的组成是细菌科、属、种水平分类的有力生化 分类标志物【1 6 】。对于蓝藻，k e n y o n ( 1 9 7 2 ) ，k e n y o ne ta 1 ( 1 9 7 2 ) ，a n dm u r a t ae ta 1 ( 1 9 9 2 ) 已经提出了四种与形态特征相关的脂肪酸【1 7 1 8 ，1 9 】。c a u d a l e se t 口f ( 2 0 0 0 ) 的研究表明单细胞蓝藻的脂肪酸组成与它们形态上的差别相一致【2 0 1 。l i & w a t a n a b e ( 2 0 0 4 ) j 厦_ 过对1 3 种、2 6 株a n a b a e n a 的脂肪酸研究认为将脂肪酸分析与形态学特征 相结合的分类结果是可靠的，并强调基于脂肪酸分析的生化分类方法是一种比较有潜 力的蓝藻分类方法【1 4 】。 1 1 2 蓝藻分布 蓝藻从最早的化石记录( 3 5 亿年) 到明显的衰落( 8 亿年) ，历时达2 8 亿年之 久，纵横元古宙。蓝藻的繁荣消耗了大气中的c 0 2 ，使之转移到碳酸盐的叠层石中， 改变了海水中的c a 、m g 离子浓度和p h ，建立了相对稳定的早期地球生态系鲥2 1 1 。 迄今为止，在各种环境条件均可发现蓝藻的分布，如：1 、在淡水、海洋、咸水、 4 刖晶 半咸水、冰水及温泉沸水中都有发现。在6 5 的云南沸泉中发现有：温泉隐球藻 ( a p h a n o c a p s at h e r m a l i s ) 、米纳瓦聚球藻( s y n e c h o c o c c u sm i n e r v a e ) 、淡兰色聚球 藻( ss u b l i v i d u s ) 、坑形席藻( p h o r m i d i u mf o v e o l a r u m ) 、钻形席藻( p t e r e b r i f o r m e ) 。 而铅色聚球藻( sl i v i d u s ) ，极小集胞藻( s y n e c h o c y s t i sm i n u s c u l a ) 则能生长在9 0 的沸泉中【2 2 1 ；2 、在h 2 s 丰富的厌氧环境中。从以色列高盐的s o l a r 湖湖底( 富含h 2 s 厌氧) 水中分离出来的沼泽颤藻( o s c i l l a t o r i al i m n e f i c a ) 直接利用h 2 s 细胞释放出s ， 从而在藻丝体表面形成明显的颗粒物质【2 3 2 4 】；3 、在岩石的裸露面和土壤中。念珠藻 ( n o s t o cs p ) 、爪哇伪枝藻( s c y t o n e m af a v a n i c u m ) 、绿色原绿球藻( p r o t o c o c c u s v i r i d i s ) 、具鞘微鞘藻( m i c r o c o l e u sv a g i n a t u s ) 能形成荒漠藻结皮1 2 5 】；4 、与其它植 物形成共生( s y m b i o s i s ) 关系。如念珠藻、伪枝藻、真枝藻、眉藻等与真菌形成地衣； 鱼腥藻( a n a b a e n a ) 及念珠藻均能与满江红( a z o l l a ) ；苏铁( c y c a s ) 、根乃拉草( 大 叶蚁塔) ( g u n n e r a ) 、品萍( l e m n a 护西“比口) 、小麦( t r i t i c u mr u t s - a r e ) 与念珠藻形 成共生关系【2 6 1 。 1 2 蓝藻水华 1 2 1 蓝藻水华的概念及种类 水华( w a t e rb l o o m ) 是当水体中出现富营养状况并具备适宜的温度、光照、气候 及合适的水文条件等有利于藻类生长或聚集的环境条件时，水体藻类大量生长繁殖或 聚集并达到一定浓度的现象【2 7 】。一般认为水体中藻细胞叶绿素a ( c h l o r o p h y l la ) 浓度 达到l o m g m 3 或藻细胞达到1 0 6 个l 时，认为该水体出现水华。研究已经表明许多藻 类都能够形成水华，见表1 - 1 。 由蓝藻作为优势种类形成的水华称为蓝藻水华( b l u e g r e e na l g a lb l o o m 或 c y a n o b a c t e r i ab l o o m ) 。在我国的一些淡水湖泊如太湖、巢湖和滇池等在每年都有不 同程度的蓝藻水华发生，其优势种主要是微囊藻的不同种类、微囊藻和鱼腥藻交替以 及微囊藻同束丝藻的交替等。此外，近年来，野外观测表明在我国一些水体也伴随着 其它一些种类如节旋藻( a r 砌r o s p i r a ) 、浮丝藻( p l a n k t o t h r i x ) 以及拟浮丝藻 ( 肋，l 舶砌r i c o i d e s ) 等水华。 水华蓝藻拉氏拟浮丝藻的研究 表1 - 1 常见淡水藻类水华 t a b 1 - 1d o m i n a n ts p e c i e so ff r e s h w a t e ra l g a lb l o o m 界门属 k i n g d o m p h y l u m g e n u s 界f k i n g d o m p h y l u m 属 g e n u s 原核生物p r o k a r y o t a真核生物e u k a r y o t a 蓝藻门微囊撇r o c y s t i s 绿藻 c h l o r o p h y t a葡萄藻肋t r y o c o c c u s c y a n o b a c t e r i a平裂靴r i s m o p e d i a 绿球藻c h l o r o c o c c u s 束丝藻4 砷口，l 乜d m 朗伽绿囊：藻s p h a e r o c y s t i s 鱼腥溯n a b a e n a小球藻c h l o r e l l a 项圈 既4 n a b a e n a o p s i s 栅藻s c e n e d e s m u s 节旋 淝l r t h r o s p i r a十字藻c r u c i g e n i a 颤藻o s c i l l a t o r i a 空星藻c o e l a s t r u m 节球 藻3 v o d u l a r i a衣藻c h l o r o m o n a s 席藻鼢o r m i d i u m四鞭藻c a r t e r i a 鞘丝藻砂甩咖 实球藻p 口n d o r i n a 微鞘枞r o c o l e u s空球藻p e u d o r i n a 浮丝蒋酣，f 口甩七幻咖，讶 甲藻f d i n o p h y t a 角甲藻c e r a t i u m 拟浮丝薄酪f 口，l 觑d 咖r i c o i d e s多甲藻n r i d i n i u m 拟柱胞藻 裸甲藻g y m n o d i n i u m c y l i n d r o s p e r m o p s i s隐藻f c r y p t o p h y t a隐藻c r y p t o m o n a s 束球藻g o m p h o s p h a e r i a 红胞藻r l o d o m o n a s 蓝隐藻c h r o o m o n a s 金藻f c h r y s o p h y t a 单鞭金藻c h r o m u l i n a 锥囊藻d i n o b r y o n 鱼鳞龇，l o m o n a s 硅藻i b a c i l l a r i o p h y t a 小环藻c y c l o t e l l a 直链靴l o s i r a 针杆藻s y n e d r a 舟形藻 k v f c “缸 菱形藻f 协如缸 裸藻f e u g l e n o p h y t a裸藻助g l e n a 囊裸藻t r a c h e l o m o n a s 黄藻f x a n t h o p h y t a 膝e 1 藻g o n y o s t o m u m 1 2 2 蓝藻水华形成过程 人们把观测到的湖面出现的微囊藻藻膜称为微囊藻水华“暴发”，一般是在高温 季节、强光条件和风平浪静时等特定的环境条件。事实上，通过显微镜下观察表明： 在此之前水体中已悬浮有大量的微囊藻群体，相当水华状态的生物量已经形成，水体 从藻细胞数、透明度、叶绿素、t n 、t p 等指标分析已能达到中轻度水华水平。只是 6 刖鬲 一旦气象与水文条件适合，微囊藻群体上浮、聚集在水表面形成藻膜，而表层以下水 体中微囊藻群体数目却明显减少。因此可以推断，在水华形成前后，同一水柱中的叶 绿素总量可能并没有很大变化，在大多数情况下，这种突然出现的“水华只不过是 已存在、分散在水体中的微囊藻群体在适宜条件下的上浮、聚集、迁移至水面并为人 们肉眼所见的过程，而非微囊藻在短时间内连续快速生长所致【矧。因此，微囊藻水华 ( 目前大多数所指的，准确说是微囊藻藻膜) 的出现，从表观现象上看确实是瞬时的 “暴发 ，但是其本质却有一个逐渐发展与形成的过程，是微囊藻生物量在水体中逐 渐增加的一个缓慢的、可以预测的过程。其“暴发 的前提仍然是水体中已经存在有 较大的微囊藻生物量。准确地说，“暴发 仅仅描述了短时间内大量微囊藻群体空间 位置的改变，主要是从水体中上浮到水体表层或者是由于风的作用，在湖的局部地区 大量聚集，而不是整个水体微囊藻生物量的“巨变”。表1 2 是我国学者通过对水华 的研究，提出了蓝藻水华形成的“四阶段”理论，并对各个阶段的主导因子进行了推 测，为蓝藻水华形成过程提供了很好的理论依据1 2 引。 表1 2 蓝藻生长及水华形成的生理阶段及主导影响因子【2 9 j t a b 1 - 2t h ed o m i n a t i n gf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h eg r o w t ho fc y a n o b a c t e r i aa n dd e v e l o p m e n to fb l o o m i nl i f ep h a s e s 1 2 3 蓝藻水华形成的原因 一般认为水华的发生机理可归纳为两个方面：1 非生物学原因：即影响蓝藻水华 的外在物理化学因素。2 生物学方面的原因：即水华蓝藻的生理生态策略【3 0 】。 1 2 3 1 物理化学因素 影响浮游植物分布、种群演替，包括水华形成的物理化学因素很多，而且它们之 间相互作用的关系非常复杂。这些因素可能影响整个水体中的所有物种，也可能特异 7 水华蓝藻拉氏拟浮丝藻的研究 性地作用于少数更敏感的物种，而且作用大小与种群的数量或密度有关【3 1 1 。蓝藻水华 形成的主要外在因素及其作用方式见表1 3 。 表1 3 影响蓝藻生长和水华形成的环境因子【3 2 1 t a b 1 3e n v i r o n m e n t a lf a c t o r si n f l u e n c i n gc y a n o b a c t e r i a lg r o w t ha n db l o o o mf o r m a t i o n 影响因素 f a c t o r 影响方式和作片j 效果 i m p a c t sa n de f f a c t s 温度 光照 物理因子 p h y s i c a l 扰动和混合 f a c t o r 水滞留时间 温度大于1 5 有利于蓝藻生长，许多种类的适宜温度大于2 0 许多形成水华的种属喜好或耐强光，而其它种类适应遮荫 许多形成水华的种属在一定空间尺度上喜好低扰动以及较弱的 混合条件。水体大面积的垂直混合，抑制浮游蓝藻的聚集；水体小 范围的混合，影响丝体和群体蓝藻种类的聚合 所有种属都喜好长的滞留时间，水的流出速度大于水华种类的生 长速度，有可能抑制水华 主要营养盐 ( n & p ) 微量元素 化学因子 p h 变化 c h e i i l i c a l 溶解无机碳 f a c t o r 。、 ( d i c ) 溶解有机碳 ( d o c ) 盐度 长期的减少氮( n ) 和磷( p ) 输入能有效地防止水华：由于p 的 负荷增加所导致的低n ：p 比( 8 0 ，水体中无机 碳少，蓝藻漂浮到表层，不仅增加获得光照的机会f 3 3 1 、而且增加了对空气中无机碳 ( c 0 2 ) 的摄入1 3 4 l ；同时通过气囊作用，蓝藻能迁移到营养盐较适宜的位置，增加营 养盐供给【3 5 1 。 2 ) 三套色素系统低光补偿机制 蓝藻含有叶绿素a 、类胡萝卜素以及藻胆素三套色素系统，为蓝藻的生长、繁殖 提供重要的能量。其它植物相同，其所含叶绿素a 主要吸收4 3 0 n m ( 红光) 和6 8 0 n t o ( 蓝光) 的光；类胡萝卜素主要吸收4 0 0 5 0 0 n m 的蓝紫光，是光吸收复合体的重要组 成部分，同时研究已经表明其在保护光合器官、防止光氧化损伤等方面扮演着重要且 不可替代的角色，如：微囊藻能通过增加细胞内类胡萝卜素的含量来提高自身对高光 强的耐受性【3 6 l ；最重要的是蓝藻还含有藻胆素，其包括藻蓝素( p h y c o c y a n i n ) 、别藻 蓝素( a u o p h y c o c y a n i n ) 、藻红素( p h y c o e r y t h r o b i l i n ) 、藻红蓝素( p h y c o e r y t h r o c y a n i n ) 。 所有蓝藻都含有前两种色素，后两种在某些类群中存在【4 j 。藻红素主要吸收4 2 0 6 0 0 n m 的绿光和黄光，藻蓝素主要吸收5 0 0 6 5 0 n m 的橙红光【2 4 1 ，藻胆素的存在比其它植物 捕光色谱更宽，使得蓝藻在弱光下也能很好的吸收光能。 3 ) 细胞磷库和营养储藏转化奢侈消费机制 水华蓝藻往往吸收过量的磷、氮、碳素营养，以一种特别的形式( 如多聚磷酸) 储藏在细胞内。这一机制使之不因水体微环境的变化而发生“供应不足”，可维持种 群数量稳定渡过一个较长的时期【3 7 】。 9 水华蓝藻拉氏拟浮丝藻的研究 4 ) 高效吸收和同化二氧化碳无机碳浓缩机制( c c m ) 蓝藻具有高效吸收利用外源无机碳的功能一一无机碳浓缩机制( c 0 2 c o n c e n t r a t i n gm e c h a n i s m s ) 1 3 8 】。当环境中的无机碳( d i c ) 或c 0 2 处于低浓度水平下， 蓝藻可以主动的高效吸收浓缩外源无机碳，在细胞内积累比介质高几百到几千倍的 c 0 2 浓度，提高蓝藻的竞争优势，同时抑制藻细胞的光呼吸现象，有效降低不必要的 能量损耗。 固氮营养补偿机制 丝状蓝藻有些种类具有一种能固氮的细胞分化异形胞，能够固定大气中的 氮，保证其在低氮环境中尽可能的吸收利用环境中的氮，供给自身的营养需求和增殖 1 3 9 】 o 休眠回避不良条件机制 水华蓝藻都有一套休眠机制，形成厚壁孢子等形式的休眠体，在不利条件下借助 休眠，沉入底泥，待条件好转时复苏、萌发、繁殖【矧。 此外，丝状蓝藻可以通过断裂，形成新的个体；微囊藻群体散落的细胞，可以成 长一个新的群体。这也是蓝藻数量能迅速壮大的一个原因。 1 2 4 蓝藻水华的危害 1 2 4 1 对水生生物的危害 密集的浮游藻类阻挡了光线透射，底栖的水生植物因得不到充足的太阳能使其光 合速率降低，减少了光合产物的产量，进而影响其正常的生长发育；同时还因其强烈 吸收可见光的短波部分使水温升高影响对水温敏感的生物种群的生存。浮游的藻体充 塞鱼、贝类鳃的空隙，会阻碍鱼、贝类鳃的气体交换功能，引起鱼、贝等水生动物窒 息而死。水华藻藻体死亡后腐败，使水体中生化需氧量激增，急剧降低了水体的溶解 氧含量，造成水体严重缺氧，进而导致鱼类浮头，直致死亡，给水产养殖业带来巨大 1 0 前言 的经济损失。 1 2 4 2 破坏水体生态系统结构 对水生生态系统非生物组成部分：营养盐的增加( 有机和无机) ，透明度下降， p h 升高，溶解氧的降低，底质的还原程度加强；水生生态系统生物组成部分：生物 多样性下降，生产者中半饱和常数高的藻类占优势；消费者对生产者的利用率下降， 大部分消费者消失；分解者以兼气厌氧的占优势，好氧菌减少；水生生态系中的物质 和能量流动流动平衡：水华暴发后，原来完整的食物链被打破，营养物质在通过生产 者之后大部分直接进入生态系统的非生物环境中，食物链的取食和被取食过程被高度 简化。同时，高p h 的强还原性微环境使得原本下沉到底质中的营养物质重新进入生 物地球化学过程中，物质流动的不平衡直接导致能量流动不平衡，导致生物多样性格 局从复杂稳定状态走向简单动态状态、生态系统的群落结构转向逆行演替、生态系统 自身的恢复力下降甚至消失。 1 2 4 3 影响人类生活质量和潜在健康威胁 蓝藻水华的暴发，同时在视觉和嗅觉上严重影响了以湖泊等水体作为生活、休闲、 旅游休息场所