丝状藻响应温度变化的生长及功能特性

高京，曹晶，储昭升，侯泽英，杨永哲

(1.西安建筑科技大学 环境与市政工程学院，西安 710055；2.中国环境科学研究院 湖泊环境研究所;湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室，北京 100012)

多年来蓝藻水华暴发是中国乃至全球亟待解决的一项难题，蓝藻水华暴发不仅破坏湖库生态系统健康，还严重威胁饮用水安全，危害人体健康[1]。中国湖泊水库的蓝藻水华多以微囊藻水华为主，然而，近几年发现丝状蓝藻在各地频繁暴发，一些研究者通过调查、监测等手段发现，一些地区丝状藻逐渐取代微囊藻并占主导地位，甚至成为绝对优势藻种[2-7]，导致丝状藻水华风险逐步增大。因此，在关注湖泊水库微囊藻水华的同时，丝状蓝藻在水华高风险期成为优势藻种的现象同样需要引起关注。

针对目前湖泊、水库等水域出现丝状蓝藻水华频繁暴发现象，笔者以蓝藻水华暴发时的常见优势丝状藻种(拟柱孢藻、伪鱼腥藻和水华束丝藻)为对象，通过室内纯培养研究其在温度梯度下的生长速率、光合活性及氮磷利用特征，分析生长与功能特性间的关系，以探明温度对丝状藻的影响，确定其优势生长的温度条件，为丝状蓝藻水华控制提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 藻种来源及培养

试验所用拟柱孢藻(Cylindrospermopsisraciborskii)、伪鱼腥藻(Pseudoanabaenasp.)和水华束丝藻(Aphanizomenonflos-aquae)购自中国科学院水生生物研究所淡水藻种库。

培养基为M11，其成分为NaNO3100 mg/L、K2HPO410 mg/L、MgSO4·7H2O 75 mg/L、CaCl2·2H2O 40 mg/L、Na2CO320 mg/L、柠檬酸铁6 mg/L和Na2EDTA·2H2O 1 mg/L。培养温度分别为15、20、25、30 ℃，光照强度为2 500 lx，光暗比为12 h∶12 h。每个培养条件下均进行3组重复试验。

1.2 比生长速率的测定

通过测定样品中叶绿素a浓度用来表示丝状藻的生物量，叶绿素a浓度的自然对数与时间进行线性回归可得到比生长速率μ(见式(1))。

μ=lnx2-lnx1/t2-t1

(1)

式中：μ为比生长速率，d-1；x1、x2分别为对数生长开始时t1和结束时t2的丝状藻叶绿素a浓度。叶绿素a浓度用Phyto-PAM测定。

1.3 光合活性(Fv/Fm)

Fv/Fm被称为PSⅡ的最大光化学量子产量，也被叫做光合活性，是当所有PSⅡ反应均处于开放状态时的量子产量，反映藻类对光量子的最大潜能[19]，能灵敏反映藻类的生理活性。各藻接种后每隔1 d取样，暗适应10 min后，采用Phyto-PAM测定样品的光合活性Fv/Fm。

1.4 数据分析

采用SPSS16.0和Origin6.0软件进行相关统计分析和绘图，数据统计采用One-way ANOVA分析，P<0.05表示差异显著，P<0.01表示差异极显著。

2 结果与分析

2.1 温度对典型丝状藻生长特征的影响

不同温度(15、20、25、30 ℃)条件下，拟柱孢藻、伪鱼腥藻和水华束丝藻的生长曲线见图1，3种丝状藻的比生长速率见表1。

图1 不同温度下拟柱孢藻、伪鱼腥藻和水华束丝藻的生长曲线Fig.1 Growth curves ofCylindrospermopsis raciborskii、Pseudanabaena sp. and Aphanizomenon flos-aquae under different temperature conditions

表1 3种丝状藻在不同温度下的比生长速率(n=3)Table 1 The growth rates of three filamentous algae under different temperatureconditons(n=3)

由图1可知：对于拟柱孢藻，当温度为15 ℃时，叶绿素a含量增加了42.45 μg/L，而在20、25、30 ℃时，其叶绿素a含量分别增加了663.17、1 370.40、1 196.12 μg/L，仅为其他温度下增量的6.40%、3.10%、3.55%，且多重比较结果显示，15～20 ℃比生长速率显著低于25～30 ℃(P<0.05)，说明低温会影响拟柱孢藻的生长，即拟柱孢藻宜在高温下生长并取得优势。伪鱼腥藻在15、20、25、30 ℃下叶绿素a含量分别增加了357.61、590.19、845.24、732.95 μg/L，且在该温度范围内比生长速率都比另外两种丝状藻大(见表1)，说明伪鱼腥藻在各个温度下都能获得良好的净生长，适应温度范围广且易取得优势。水华束丝藻在15、20、25、30 ℃下叶绿素a含量分别增加了463.19、339.04、321.02、460.47 μg/L，且在温度为15 ℃时，相比另外两种丝状藻更早进入对数期(见图1(a))，试验期内叶绿素a净含量最大，即使比生长速率略低于伪鱼腥藻，仍保持着较好的生长水平，另外，多重比较结果显示，水华丝藻在15～20 ℃和25～30 ℃时比生长速率提高不显著(P>0.05)，表明水华束丝藻对低温有一定的耐性。

根据单因素方差分析、相关性分析可知：不同温度对拟柱孢藻、伪鱼腥藻和水华束丝藻叶绿素a含量、比生长速率影响极显著(P<0.01)，表明温度对3种丝状藻生长影响较大。相关性分析显示，温度与3种丝状藻最大叶绿素a含量、比生长速率均呈正相关(P<0.01)，说明温度的升高会促进3种丝状藻的生长。

2.2 温度对典型丝状藻光合活性的影响

不同温度条件下，3种丝状蓝藻光合活性变化见图2。

图2 不同温度下拟柱孢藻、伪鱼腥藻和水华束丝藻的光合活性变化Fig.2 The variations of Fv/Fm in Cylindrospermopsis raciborskii、Pseudanabaena sp. and Aphanizomenon flos-aquae under different temperature conditions

由图2(a)可知：当温度为15 ℃时，拟柱孢藻、水华束丝藻分别在0.41～0.59、0.44～0.53范围内波动，无明显变化(P>0.05)，而伪鱼腥藻在刚接种后Fv/Fm则从0.50降至0.12，表明该温度下伪鱼腥藻的光合活性受到了抑制；由图2(b)可知：20 ℃时，拟柱孢藻和水华束丝藻光合活性变化较小，拟柱孢藻仅在0.5～0.58范围内变化，水华束丝藻则在0.43～0.55范围内变化，而伪鱼腥藻光合活性逐渐降低，即从0.53降至0.25；由图2(c)知：25 ℃时，3种丝状藻光合活性都在较高水平范围内(0.40～0.60)波动；由图2(d)知：30 ℃时，3种丝状藻接种后光合活性Fv/Fm先增加至0.55～0.60，之后拟柱孢藻和伪鱼腥藻在一定范围内(0.45～0.61)波动，而水华束丝藻则明显逐渐下降，从0.61逐渐降至0.37。单因素分析结果表明，各温度对伪鱼腥藻、水华束丝藻对数期的Fv/Fm有极显著差异(P<0.01)，说明温度对伪鱼腥藻和水华束丝藻的光合活性影响较大，各温度对拟柱孢藻对数期的Fv/Fm无显著性影响(P>0.05)，且均处于较高水平，说明拟柱孢藻的光合活性在试验温度下不受胁迫。

2.3 温度对典型丝状藻氮磷利用的影响

3种丝状藻对水体中氮磷的吸收利用情况用单位藻细胞消耗元素量来表示(见图3)。由图3可知：在每组实验期间内，随着温度的增加，3种丝状藻的单位藻细胞对氮磷的消耗量呈先减小后逐渐增大的趋势，且消耗相对量有明显差异(P<0.05)。

图3 不同温度下拟柱孢藻、伪鱼腥藻和水华束丝藻的对氮磷的消耗量Fig.3 The nitrogen and phosphorus consumption of Cylindrospermopsis raciborskii、Pseudanabaena sp.and Aphanizomenon flos-aquae under different temperature conditons

由图3(a)可知：当温度为15 ℃时，单位拟柱孢藻细胞、伪鱼腥藻细胞和水华束丝藻细胞对培养基中溶解性总氮(dissolved total nitrogen，DTN)的消耗量分别为(54.39±5.01)、(21.63±1.80)、(13.21±2.35)mg-DTN/mg-Chl.a，都高于温度组。而当温度由20 ℃增加至30 ℃时，拟柱孢藻DTN消耗量从(6.51±2.46)mg-DTN/mg-Chl.a增加至(12.87±0.33)mg-DTN/mg-Chl.a，增大了1倍左右；伪鱼腥藻DTN消耗量从(13.08±0.40)mg-DTN/mg-Chl.a增加至(34.80±1.93)mg-DTN/mg-Chl.a，30 ℃时DTN消耗量是20 ℃时的2.6倍，由此说明，在20 ℃以上，温度的升高会大大促进拟柱孢藻、伪鱼腥藻对氮的吸收利用；当温度由20 ℃增加至25 ℃时，水华束丝藻DTN消耗量从(6.46±3.72)mg-DTN/mg-Chl.a增加至(18.75±0.78)mg-DTN/mg-Chl.a，30、25 ℃时氮消耗情况差异不显著(P>0.05)。

由图3(b)可知：当温度为15 ℃时，单位拟柱孢藻细胞、伪鱼腥藻细胞对培养基中溶解性反应磷(soluble reactive phosphorus，SRP)的消耗量分别为(5.49±0.43)、(3.36±0.075)mg-SRP/mg-Chl.a，都高于其他温度组。当温度由20 ℃增加至30 ℃时，拟柱孢藻SRP消耗量从(0.86±0.042)mg-SRP/mg-Chl.a增加至(1.01±0.045)mg-SRP/mg-Chl.a，伪鱼腥藻SRP消耗量从(1.74±0.083)mg-SRP/mg-Chl.a增加至(3.47±0.14)mg-SRP/mg-Chl.a，30 ℃时SRP消耗量约为20 ℃的2倍，说明在20 ℃以上温度升高会促进拟柱孢藻及伪鱼腥藻对磷的消耗；而当温度从15 ℃增加至20 ℃时，水华束丝藻SRP消耗量变化不大(P>0.05)，当温度20 ℃增加至30 ℃时，其对SRP的消耗从(1.22±0.52)mg-SRP/mg-Chl.a增加至(2.05±0.29)mg-SRP/mg-Chl.a。

2.4 不同温度下丝状藻生长功能特性权衡

基于功能特性的群落生态学研究方法显示，浮游生物各功能特性之间存在权衡，不同温度条件下丝状藻生长特性权衡如图4所示。由图4(a)知，15 ℃低温下叶绿素a浓度处于70～80 μg/L，Fv/Fm为0.50～0.52时单位藻细胞氮消耗量最大。中温条件下叶绿素a浓度和Fv/Fm对应范围分别为300～600 μg/L和0.3～0.4之间(图4(c))。而高温条件下叶绿素a在1 200 μg/L，Fv/Fm为0.45～0.47时，对应营养元素消耗量最大(图4(d))。图4(a)～(d)表明，不同温度条件下，拟柱孢藻通过调节叶绿素a的产量和光合活性来维持生长优势，实现生长和营养元素消耗特性两者间的权衡。分析伪鱼腥藻和水华束丝藻得到类似结果(图4(e)～(l))。由此可推测出，丝状藻可以通过权衡藻细胞生理特性与生长间的关系来适应温度变化以达到自身最佳的生长状态。

图4 不同温度条件下3种丝状藻生长特性权衡图Fig.4 The trade-offs of functional traits in three filamentous algae responding to temperature

3 讨论

3种丝状藻(拟柱孢藻、伪鱼腥藻、水华束丝藻)在15 ℃时的比生长速率分别为(0.12±0.03)、(0.28±0.02)、(0.20±0.003)d-1，都能获得净生长，而相比常见的水华优势藻，如铜绿微囊藻在温度为14 ℃时无法生长，在16 ℃时比生长速率为0.036 d-1[20]；也有研究表明，当温度低于16 ℃时，水华微囊藻的生长速率大大减小，且在13 ℃以下几乎不能生长[21]。甚至在更低的温度，如低于12 ℃，有研究人员分析了水温变化范围约为(6.5±3.7)℃时，Alte Donau湖中拟柱孢藻生物量占比可达95%[22]。尚帅[23]通过对铜绿微囊藻和土生伪鱼腥藻的混合培养实验显示，当温度低于10 ℃时，铜绿微囊藻无法存活，土生伪鱼腥藻的生长速率仍可达0.14 d-1；吴卫菊[11]的试验结果表明，水华束丝藻可在10 ℃下生长，而微囊藻不能存活。由此可见，3种丝状藻在低温下仍有一定的生长能力，这也可能是近年来多个地区湖泊中丝状藻取代微囊藻成为优势藻的原因之一。另外，尽管15 ℃时单位拟柱孢藻细胞对DTN和SRP的消耗量都取得本研究温度范围内的最大值，可叶绿素a浓度仅增加了42.45 μg/L，这是单位化导致的结果，但仍可说明15 ℃时拟柱孢藻通过吸收大量氮磷元素而获得生长。

随着温度的升高,拟柱孢藻生长速率也在增加，30 ℃时，生长速率约为15 ℃时的7倍，且藻细胞对氮磷的消耗量显著提升，进入对数期时间缩短，说明温度的升高促进了拟柱孢藻对营养物质的吸收，加强了拟柱孢藻的呼吸作用，对拟柱孢藻的生长产生显著的促进作用。有研究表明，拟柱孢藻的最适生长温度为29～31 ℃[24]，也有模拟数据表明，拟柱孢藻水华的发生温度为25～32 ℃[25]。本文试验结果显示，拟柱孢藻在30 ℃时，表现出良好的生长趋势，同前人的研究结果基本一致。其次，拟柱孢藻在25～30 ℃时对氮磷的利用率分别达到93.44%和71.84%，这是由于拟柱孢藻对硝酸盐和磷酸盐具有很高的亲和力[26]。另外，研究中拟柱孢藻在低温、中温、高温下的整个生长过程中，Fv/Fm值都处于较高水平，表明温度对拟柱孢藻PSⅡ活性影响较小。

伪鱼腥藻在15、20、25、30 ℃下的生长速率显著高于另外两种丝状藻(P<0.05)，说明伪鱼腥藻具有较强的生长能力。温度越高伪鱼腥藻生长状况越好，赵静静等[4]通过相关性分析发现，伪鱼腥藻细胞密度与水温呈显著正相关；王茂伟等[27]的温度试验结果表明，15～30 ℃试验组叶绿素a含量与温度呈正相关，且伪鱼腥藻最适合生长温度为25 ℃，与本文研究结果相似。另外，15 ℃条件下的研究结果显示，伪鱼腥藻前7 d生长情况较差，其光合活性Fv/Fm也跌至0.2，但之后生长情况明显好转，Fv/Fm增大至0.46～0.51，比生长速率增加至(0.28±0.02)d-1，说明此温度对伪鱼腥藻生长及光合活性都有一定的抑制作用，其光合系统遭到一定的破坏，但伪鱼腥藻能对这种低温环境产生抗性并恢复到良好的生长水平。

在温度为15 ℃时，水华束丝藻对氮磷的消耗和比生长速率都高于20 ℃时的情况，这与李晓敏等[28]在不同温度下(18、22、26 ℃)BG11培养水华束丝藻得到的18 ℃时生长更优、氮磷消耗量更大的结果相似，即低温下都能取得更好的生长情况。另外，虽然水华束丝藻在25～30 ℃的比生长速率有所增大，但随着温度从25 ℃增加至30 ℃时，其对氮磷的消耗量同15 ℃时差异不显著(P>0.05)，在低温时仍能保持很高的氮磷利用水平，且光合活性没有受到明显的抑制，表明水华束丝藻对温度的偏爱或耐受性较低。这种特性也在实际湖泊中得到一定的证实，如Tsujimura等[29]通过分离琵琶湖中的水华束丝藻后进行培养试验，结果表明，水华束丝藻最佳温度范围为23～29 ℃，且在5 ℃的条件下存活25 d，从而表明了其在冬季低温条件下亦可生长。

浮游藻类功能特性种类较多，如藻的形态调节、藻毒素的分泌、藻对营养盐的利用率、藻的浮力调节等。通过分析丝状藻生长及其功能特性间的关系发现，不同温度条件下，3种丝状藻叶绿素a产量与光合活性变化无显著相关性，这可能和藻类适应温度变化的调整速度较快有关[30]；而不同温度下拟柱孢藻、水华束丝藻的叶绿素a产量与其单位藻细胞氮的消耗量存在显著负相关，即生长速率与氮的消耗为显著相关，这种相关性可能与生长的不同阶段对营养盐吸收差异有关，也说明丝状藻可通过调节藻细胞对氮的相对消耗量以求达到适应不同温度下生长的平衡。总之，环境变化导致功能特性的响应机制仍不清楚，也需更多的实际数据加以分析验证，但也为丝状藻水华的预测提出了新的思路。另外，由于实际环境中往往为多种藻共存，在这种共存环境中，各丝状藻会对其他藻类生长产生影响，后续将以拟柱孢藻、伪鱼腥藻和水华束丝藻中2种和3种共存时的优势度变化开展研究工作。

4 结论

通过研究不同温度条件下3种丝状藻的生长特征，得到以下结论：

1)在15～30 ℃温度范围内，随着温度的升高，拟柱孢藻、伪鱼腥藻和水华束丝藻比生长速率逐渐增大。其中，拟柱孢藻易在大于30 ℃高温下形成优势；伪鱼腥藻适应温度范围广，最佳生长温度范围为25～30 ℃；水华束丝藻最佳生长温度为25 ℃，易在小于15 ℃的低温时取得优势，应在冬季水域藻华监测中重视起来。

2)在试验温度下，温度对拟柱孢藻光合活性影响不显著，但伪鱼腥藻和水华束丝藻的光合活性会受到温度影响，且伪鱼腥藻光合活性会受低温抑制，水华束丝藻光合活性在低温下有一定的抗性。

3)3种丝状藻随温度的升高对DTN和SRP消耗量都逐渐增大，提高温度会促进3种丝状藻对氮、磷的消耗与利用，且对拟柱孢藻及伪鱼腥藻的促进作用更明显。

4)丝状藻可通过权衡藻细胞生理特性以维持不同温度下的生长优势。