氮磷比率对3种典型赤潮藻生长的影响

氮磷比率对3种典型赤潮藻生长的影响

近年来，日本海盗事件在世界上迅速蔓延，对人类健康、社会经济、资源、生态环境和水产养殖的影响也越来越显著。研究发现,有毒赤潮能引起水生动物急性毒性和亚急性毒性,严重破坏了正常的海洋生态系统。营养盐是海洋生态系统的物质基础,赤潮的发生往往与水体中营养盐的组成与含量有着密切的关系。氮和磷是海洋微藻生长必需的生源要素,N∶P比率在浮游植物的种间竞争中发挥着关键作用,N∶P比率不仅对藻类的生长发育造成影响,甚至对藻细胞内物质的合成和积累也有影响。人类活动引起的营养物质输入增加(或减少)改变了不同海域营养物质之间的供应比率,必然影响天然浮游植物群落结构组成,其结果可能有利于有害或潜在有害的种类的增殖。东海原甲藻、球形棕囊藻和尖刺拟菱形藻是中国沿海典型赤潮的原因种类。东海原甲藻(Prorocentrumdonghaiense)隶属甲藻纲(Pyrrophyceae)原甲藻属(Prorocentrum),为我国东海赤潮新记录种,分布于我国广东和香港以及日本和韩国海域,近年来不断在我国的长江口及其临近海域引发大规模赤潮。球形棕囊藻(Phaeocystisglobosa)隶属定鞭藻纲(Haptophyceae或Prymnesiophyceae)定鞭藻目(Prymnesiales),为我国南海赤潮新记录种,是重要的海洋初级生产者,在温带和极地的海洋中能形成有害赤潮,死亡分解后产生灰白色泡沫。球形棕囊藻赤潮能产生二甲基丙磺酸(DMSP)和二甲基硫醚(DMS),给渔业和海洋环境造成极大危害,严重影响海洋生态系统的结构与功能。尖刺拟菱形藻(Pseudo-nitzschiapungens)隶属羽纹硅藻纲(Pennatae)拟菱形藻属(Pseudo-nitzschiaPeragallo),是一种在全球近岸海域分布极广的潜在有毒硅藻,也是我国沿海的优势种类,该属藻类能产生软骨藻酸(Domoicacid,DA)毒素,形成记忆缺失性贝毒(ASP),引起国内外学者的关注。3种具有代表性的赤潮种类的生长与氮磷营养盐及其比率的关系一直少有研究,研究氮磷及其比率对有害赤潮藻的影响有助于深入探讨海洋水体富营养化引起的营养比率变化对浮游植物群落演替的潜在影响,以及在赤潮形成中发挥的作用,并为赤潮的预测和防治工作提供理论指导。1材料和方法1.1藻体的采集和分离试验藻种东海原甲藻、尖刺拟菱形藻和球形棕囊藻均采自我国东海和南海的赤潮高发海区,经毛细管分离培养成单细胞株系,保存于暨南大学水生生物研究中心藻种库。1.2基础介质与密度试验藻种于室内光照培养箱(CC275TL2H型人工气候箱,杭州雪中炭)中用50mL带盖玻璃试管培养,培养温度为(24±1)℃,光照强度约为120μE/m2·s,光暗比为12L∶12D。基础介质为人工海水(盐度为30.5)。选用f/2培养基。1.3藻细胞的np比率试验设置贫磷(PO3−443--P浓度为0.362μmol/L)和富磷(PO3−443--P浓度为36.2μmol/L)2种条件,调整培养液中的NO-3-N浓度,使N∶P比率分别为5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1、50∶1和100∶1,以不添加NO-3-N的培养液作为对照。将处于氮、磷饥饿状态的藻细胞分别接种于上述培养基,分装至50mL带盖玻璃试管,培养液体积为35mL,置于人工气候箱中进行一次性培养。每个N∶P比率重复3次。东海原甲藻和尖刺拟菱形藻的接种密度约为500cells/mL,球形棕囊藻的接种密度约为10000cells/mL。1.4叶绿素a含量测定每24h用TD-700型荧光仪(TurnerDesigns)测定培养液叶绿素a含量,采用Guillard的计算方法确定特定比生长率μ(单位:/d),即根据指数生长期的叶绿素a荧光值通过最小二乘法拟合得到。1.5数据计数使用SPSS13.0软件进行数据统计分析。2结果2.1富磷条件对东海原甲藻特定比生长率的影响在贫磷条件下,随着N∶P比率的升高,东海原甲藻的生长速率也相应增大,但上升趋势不明显,当N∶P=100∶1时,其特定比生长率最大,达到0.28/d(图1)。在富磷条件下,其特定比生长率维持在0.6—0.9/d之间,各试验组之间的差距并不大,但均明显高于对照组;当N∶P比率为30∶1时,东海原甲藻的特定比生长率达到最大值0.86/d。方差分析结果表明,东海原甲藻在N∶P比率为30∶1条件下的特定比生长率显著高于其余试验组(p<0.05)。2.2比生长率的增加在贫磷条件下,当N∶P比率由25∶1上升至100∶1过程中,球形棕囊藻的特定比生长率显示出逐渐增大的趋势(图2)。然而,与东海原甲藻相比,球形棕囊藻的特定比生长率增幅相当有限。当N∶P比率为100∶1时,而其特定比生长率不足0.3/d。0.362μmol/L的磷浓度限制了球形棕囊藻的增殖,即使大幅增加氮输入仍不能有效地促进球形棕囊藻的生长速率。在富磷条件下,各试验组的特定比生长率均高于0.75/d,明显高于对照组,各试验组之间的差异不大。其中,N∶P比率为30∶1试验组的特定比生长率达到最高值(0.87/d)。2.3不同磷营养条件对尖刺拟三角形藻生长的影响在贫磷条件下,即使不添加氮源,尖刺拟菱形藻的特定比生长率仍高达0.99/d,甚至高于多数加氮试验组(图3)。由此可见,尖刺拟菱形藻对长期氮饥饿的抗性很强,而且对氮、磷营养的需求量很低。各试验组尖刺拟菱形藻的特定比生长率介于0.89—1.08/d,其中,N∶P比率为10∶1试验组具有最高值1.08/d。在富磷条件下,N∶P比率从10∶1增加到100∶1的过程中,各试验组尖刺拟菱形藻的特定比生长率逐渐下降(图3),表明过高的磷营养已经抑制了尖刺拟菱形藻的生长。N∶P比率为10∶1的试验组具有最高的特定比生长率(0.79/d),与贫营养条件下的实验结果完全一致。方差分析结果显示,N∶P比率为10∶1的试验组与对照组和其他各试验组具有极显著差异(p<0.01)。3讨论3.1低氮条件下的生长特性氮、磷在海洋环境中的含量、形态构成、数量变动不仅影响着赤潮生物的生理、生化组成,还决定了赤潮形成的规模和程度。实验结果表明,不同氮磷浓度对赤潮藻生长的影响较大。在贫磷条件下,0—36.2μmol/L的氮仅能维持东海原甲藻的生存,特定比生长率较低,当氮的浓度为36.2μmol/L时生长最快;在富磷条件下,生长速率明显比贫磷条件下快,当氮的浓度为1.086mmol/L时生长最快。相比较而言,磷对东海原甲藻影响较大,0.362μmol/L的低磷明显不利于其生长,这与周伟华的结论一致。球形棕囊藻与东海原甲藻非常相似,在贫磷条件下,随着氮营养浓度的升高,生长速率缓慢增加;当处于富磷条件下时,氮营养从0mmol/L增加到3.62mmol/L,生长速率明显加快,与贫磷条件相比,差异十分显著。徐宁等对球形棕囊藻的赤潮成因进行了分析,通过对比球形棕囊藻赤潮发生前后的DIN和DIP,发现在其增殖过程中,氮、磷的浓度变化较大,本实验结果与之相符。王艳等研究结果表明磷酸盐对球形棕囊藻生长的影响极为显著,而硝酸盐对其生长的影响显著。尖刺拟菱形藻的情形刚好相反,在贫磷条件下的特定比生长率都较高,即使不添加氮也能保持较高的特定比生长率;在富磷条件下,特定比生长率均显著低于贫磷条件。由此可见,氮浓度在0—3.62mmol/L内,尖刺拟菱形藻均能生长,且在低氮低磷条件下,其特定比生长率更高。陈菊芳等通过对大亚湾海域拟菱形藻种群的季节变化及其与环境因子之间的关系研究发现,拟菱形藻数量在N、P含量分别为15.7μg和5.6μg时达到高峰,说明拟菱形藻对水域中N、P等营养盐含量的要求不高,这与本文结果一致。3.2浮游植物群落的养分含量与生物量的关系实验结果表明,3种赤潮藻各自具有其最适的氮磷比率。藻类的生长与水体中氮磷营养之间的比率关系密切。N∶P比率表明赤潮发生过程中水体的营养状况,是藻类受N或P限制的重要指标。高N∶P比率可能意味着P限制,低N∶P比率也有可能意味着N限制,N∶P比率不仅可影响环境中浮游植物的群落结构,也暗示了特定海区赤潮发生的限制因子,从而为赤潮监测提供指示因子。Hodgkiss和Ho分析了1982—1989年间香港吐露港海水N∶P比率与赤潮发生次数的关系,认为营养盐比例(例如氮磷比值)是赤潮事件更为重要的调控因素,并认为大部分甲藻赤潮生物生长的最适N∶P比率为6∶1—15∶1,并且指出东海原甲藻生长最适N∶P比率为6∶1—13∶1。典型赤潮藻的最适N∶P比率一般介于15∶1—30∶1之间,甲藻类倾向于较低的N∶P比率,而多数硅藻则喜好较高的N∶P比率(表1)。虽然浮游植物对氮磷元素的吸收比率大致遵循Redfieldratio(16∶1),但最佳N∶P比率比也会因浮游植物种类的不同而变化。实际上,海洋微藻各自具有其最适的N∶P比率,Redfieldratio仅仅是整个浮游植物群落的平均最适营养比率,它更多的反映了浮游植物群落中优势类群的N∶P比率需求。另一方面,实验结果也证实,在营养盐充足的条件下,N∶P比率在0—100之间波动(天然水体常见的变动范围)对3种赤潮藻生长速率的影响并不大。因此,赤潮的发生虽然与N∶P比率有关,但首先取决于水体氮、磷浓度是否达到临界水平。在临界营养水平之下,即使处于最适氮磷比率,赤潮藻的生长速率仍然很低;而在营养充足的条件下,即使偏离最适氮磷比率,其他条件满足时,赤潮藻仍有可能保持较高的增殖速率。因此,赤潮藻的种群生长速率首先取决于营养需求,其次才是营养比率。此外,赤潮的发生除需氮、磷等主要营养物质外,还需要一些微量物质,如铁、锰、铜等痕量金属离子,溶解性维生素(如VB12),游离氨基酸及其他一些能促进浮游植物细胞生长的有机物质。在缺乏游离态铁、锰的情况下,浮游植物细胞生长代谢受到了抑制,因而即使在最适宜的光照、盐度、pH值和基本营养条件下,也不会急剧增殖形成赤潮。因此