蓝藻细胞对光照度的响应

蓝藻细胞对光照度的响应

蓝藻通过混合假细胞的组成和破裂以及碳氢化合和消耗来调整水体的垂直位置。而光照度的变化直接影响蓝藻光合作用的强弱,进而影响蓝藻细胞内的碳水化合物含量。所以,光照度的变化将直接影响到蓝藻在水体中的垂直分布。笔者通过摇瓶和水柱试验研究了蓝藻细胞胞内碳水化合物含量及蓝藻在水体中的垂直分布对光照度变化的响应,以期为蓝藻水华污染控制提供借鉴。1材料和方法1.1藻类繁殖1.1.1bg11的引加方法取某微囊藻水华湖泊中的藻液适量,将其加入上海交通大学思源湖野外围隔试验区内,投加氮源(硝酸钠)、磷源(磷酸二氢钾)及BG-11培养基中的A5微量溶液、Co溶液,培养15d。水柱试验前,通过显微镜观察确定藻液中主要成分为铜绿微囊藻(群体)。1.1.2摇瓶试验蓝藻藻种摇瓶试验采用铜绿微囊藻(Microcystisaeraginosa)、水华鱼腥藻(Anabaenaflosaquae)。试验前,将铜绿微囊藻、水华鱼腥藻藻液与BG-11培养基分别按1∶50(体积比)混合,扩大培养7d后,分别取一定体积的藻液以3000r/min离心15min,弃掉上清液,用15mg/L的NaHCO3溶液洗涤后再离心,重复3次,所得藻液用无菌水稀释后饥饿培养48h,备用。1.2夜间温度设置水柱、摇瓶试验均在人工气候室中进行,设定昼夜时间比为1∶1(即各为12h),白天温度设置为28℃,夜间温度设置为25℃。试验周期均为24h。1.2.1水面深度对藻细胞颗粒内碳、叶绿素a、碳水化合的影响采用高为0.95m、直径为0.10m的有机玻璃柱,用黑色遮光纸完全遮光,一次性加入铜绿微囊藻藻液,在水面光照度为0(无光照,下同)、5000、20000、50000lx下进行试验。沉降0、1、4、9、15、20、24h后,分别在距离水体表面深度为0、20、35、75、90cm处取样,检测藻细胞胞内碳水化合含量、藻细胞数、叶绿素a含量。每批试验所用的藻液随机选取,初始藻细胞数略有不同。1.2.2藻细胞胞内分析方法在250mL摇瓶分别加入150mL铜绿微囊藻和水华鱼腥藻藻液,在水面光照度为0~20000lx下进行试验,设2组平行样。0、3、7、12、15、24h后,检测藻细胞胞内碳水化合物含量、藻细胞数和叶绿素a含量。其中,碳水化合物含量用酚/硫酸法测定。2结果与讨论2.1光照度对藻细胞数的影响水柱试验中,不同光照度下铜绿微囊藻的垂直分布情况见图1。由图1可知,在无光照和5000lx的光照度下,铜绿微囊藻出现明显的表面浮聚现象。当无光照时,沉降4h后表层(0cm处)藻细胞数由3.60×105个/mL增加至8.10×105个/mL;沉降24h后藻细胞数又增加至4.85×106个/mL;而在20、35、75、90cm处,沉降24h后的藻细胞数均不足起始时的50%。在20000、50000lx的光照度下,铜绿微囊藻出现下沉趋势。当光照度为50000lx时,沉降15h后底层(90cm处)藻细胞数由5.50×105个/mL增加至1.48×106个/mL,而表层藻细胞数则下降到2.00×105个/mL。刘春光等对水华围隔内藻类生物量垂直分布观察发现,水华围隔内藻类生物量随深度增加而降低。梁瑜等研究发现,遮光围隔中藻类会出现明显的表面浮聚现象。本水柱试验中,无光照和5000lx的光照度下,铜绿微囊藻出现明显的表面浮聚现象,沉降24h后,表层的藻细胞数分别占藻细胞总数(由藻细胞数密度乘以藻液体积而得)的47%和26%,这给遮光控藻技术以启示,即如果能够通过水流隔板等物理方法去除表层藻类,则将大幅降低被遮光水体中的藻类生物量。2.2光照对铜绿微囊藻胞理化指标的影响水柱试验中,在不同光照度下,沉降1、24h后表层和底层铜绿微囊藻胞内碳水化合物含量的变化见图2。由图2可知,在不同光照条件下,铜绿微囊藻胞内碳水化合物含量都呈现出表层低、底层高的现象;沉降24h后,表层铜绿微囊藻胞内碳水化合物质量浓度为3×10-6~5×10-6μg/个(水柱试验中,由于玻璃柱周边遮光,藻细胞中的叶绿素a含量很难精确检测,故此处以每个藻细胞内碳水化合物质量计),而底层铜绿微囊藻胞内碳水化合物质量浓度则为9×10-6~11×10-6μg/个。2.3不同光照度下藻细胞胞内有机碳的含量变化摇瓶试验中,不同光照度下,2种藻细胞胞内碳水化合物含量的增减变化情况见图3。由图3可知,在0~10000lx的光照条件下,光照度的提高能够促进水华鱼腥藻胞内碳水化合物的累积。当光照度为10000lx时,试验12h后,水华鱼腥藻胞内碳水化合物增加了26.4μg/μg(以叶绿素a计,下同);而在无光照条件下,试验12h后,胞内碳水化合物降低了4.4μg/μg。对于铜绿微囊藻,在0~5000lx的光照度下,光照度的提高能够促进藻细胞胞内碳水化合物的增加。当光照度为5000lx时,试验12h后藻细胞胞内碳水化合物增加了23.5μg/μg;当光照度超过5000lx时,则出现了明显的光抑制现象,即胞内碳水化合物含量随光照度的增加反而降低。另据测定,试验24h内,铜绿微囊藻细胞的增殖速率远高于水华鱼腥藻,即铜绿微囊藻需消耗更多的胞内碳水化合物来形成新细胞组分,从而导致铜绿微囊藻胞内碳水化合物含量低于水华鱼腥藻。可见,水华鱼腥藻和铜绿微囊藻的胞内碳水化合物含量对光照度的变化均有很好的响应,光照度适量时,胞内碳水化合物含量增加,光照度不足或者过高时,胞内碳水化合物含量降低。碳水化合物为藻细胞内的主要镇重物。光照度充足时,藻类通过光合作用积累碳水化合物,藻细胞密度增加,并开始下沉,当其所处深度大于光补偿深度时,呼吸作用开始占主导,藻细胞密度又随之减小,当小于水密度时,藻细胞又开始上浮,这种浮力调节机制在蓝藻的水华形成过程中起了关键作用。野外观察研究和数学建模也解释了光限制条件下微囊藻的垂直迁移规律:光照受限制时,藻类的呼吸作用占主导,藻细胞内碳水化合物被不断消耗,导致藻细胞密度下降,从而上浮。藻细胞胞内碳水化合物的积累是光合作用积累的能量物质大大超过细胞分裂所需的结果。摇瓶试验中,水华鱼腥藻、铜绿微囊藻胞内碳水化合物含量在不同光照度条件下有显著的差别。而在水柱试验中,不同光照度下,铜绿微囊藻胞内碳水化合物含量均表现为表层低、底层高,从碳水化合物含量的高低可以定性地反映藻密度的大小。可见,光照度的变化能够在短时间内引起蓝藻细胞胞内碳水化合物含量变化,改变蓝藻细胞密度,从而影响到蓝藻细胞在水体中的垂直分布。这可能是控制野外蓝藻昼夜垂直迁移的关键因素。3不同光照条件下铜绿微囊藻胞内：有机碳的含量(1)水柱试验中,无光照和5000lx的光照度下,铜绿微囊藻出现了明显的表面浮聚现象,沉降24h后,表层的藻细胞数分别占到总藻细胞数的47%和26%。(2)水柱试验中,在不同光照条件下,铜绿微囊藻胞内碳水化合物含量都呈现出表层低、底层高的现象;经过24h沉降后,表层的胞内碳水化合物质量浓度为3×10-6~5×10-6μg/个,而底层的胞内碳水化合物质量浓度则为9×10-6~11×10-