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低温对两种单胞藻光合放氧和呼吸耗氧速率的影响



全 文 :第31卷第2期
2012年2月
水 产 科 学
FISHERIES SCIENCE
Vol.31No.2
Feb.2012
低温对两种单胞藻光合放氧和呼吸耗氧速率的影响
周 波1,2,李晓东2,3,雷衍之2,李永函2
(1.四川省农科院 水产研究所,四川 宜宾 644003;2.大连海洋大学,辽宁 大连 116023;
3.盘锦光合水产有限责任公司,辽宁 盘锦 124000)
摘 要:采用改良后的黑白瓶法测定了蛋白核小球藻和裸甲藻在低温下的光合放氧和呼吸耗氧速率。
研究结果表明,低温条件下蛋白核小球藻和裸甲藻仍具有一定的光合放氧能力。在光照度为2100lx,
温度为-1℃时,蛋白核小球藻和裸甲藻叶绿素a光合放氧速率分别为(30.78±2.18)μmol/(mg·h)
和(11.92±0.97)μmol/(mg·h);呼吸耗氧速率分别为(2.30±1.49)μmol/(mg·h)和(2.34±0.85)
μmol/(mg·h)。在-1~4℃,2种单胞藻的净光合放氧速率和呼吸耗氧速率随温度变化的曲线基本
相似,均随温度升高呈指数增长,但其增长幅度随种类不同而有较大差异。
关键词:蛋白核小球藻;低温;裸甲藻;光合放氧速率;呼吸耗氧速率
中图分类号:S963.213 文献标识码:A 文章编号:1003-1111(2012)02-0098-04
收稿日期:2011-04-20; 修回日期:2011-05-26.
基金项目:辽宁省海洋渔业科研项目(200819).
作者简介:周波(1981-),男,博士研究生;研究方向:水产养殖生态学.E-mail:zhoubo2002@yahoo.cn.通讯作者:李晓东
(1963-),男,教授级高级工程师,博士;研究方向:水产养殖生态学.E-mail:lxd001@ceraap.com.
  自20世纪80年代初,雷衍之等[1-2]提出并推
广“冰下生物增氧技术”以来,人们开始认识到即使
在温度较低的冬季,越冬池中同样存在着数量可观
的浮游植物,并能进行正常的光合作用,其光合放
氧是冰下水体溶氧的主要来源[3]。但是低温状况
下浮游植物的放氧能力究竟如何,至今却鲜有报
道,关于温度对浮游植物光合放氧能力影响的研究
也主要集中在10℃以上[4-8],而弄清楚低温下,特
别是0℃附近浮游植物的光合放氧能力,对越冬池
中的溶解氧变动,以及各种越冬对象的安全越冬具
有十分重要的理论与实践指导意义,为此,笔者选
择了海水越冬池中常见的蛋白核小球藻(Chlorella
pyrenodesa)和裸甲藻(Cymnodiniumsp.)进行了
低温下的光合放氧和呼吸耗氧试验,对低温下浮游
植物的光合放氧能力进行了初步研究,以期能够对
海水池塘冰下水体的产氧能力评估提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 藻种来源及培养
试验用蛋白核小球藻、裸甲藻均采自辽宁省盘
锦光合水产有限公司三角洲分公司试验池。采回
后培养于4℃恒温培养箱,光照周期为12L∶12
D。小球藻较纯,镜检中仅发现极少量椭圆小球藻
(C.ellipsoidea),其生物量占总生物量的99%以
上;裸甲藻中含有少量等鞭金藻(Isochrysidaceae
sp.)和蓝球藻(Chroococcus sp.),其生物量占总生
物量的80%~90%。营养盐按Conway配方配制,
添加量与用水的体积比为1∶1000。试验用海水
(盐度为23)经沉淀、过滤后煮沸,锥形瓶也经煮沸
消毒。培养期间每日摇瓶数次。培养一周后开始
试验。
1.2 主要仪器设备
控制温度采用 MPG-10C型低温循环槽(上海
一恒科技有限公司),精确度±0.1℃。循环槽规格
30.0cm×24.0cm×20.5cm。使用ZDS-10W-2D
型水下照度计(上海市嘉定学联仪表厂)测定光照
度。
1.3 光合放氧、呼吸耗氧速率的测定
光合放氧、呼吸耗氧速率的测定采用改良后的
黑白瓶法:用25mL的标准磨口玻璃试管制作黑、
白瓶。溶解氧(DO)的测定采用半微量碘量法[9]。
通过测定试验前后的溶解氧变化求得净光合放氧
或呼吸耗氧ΔPDO(mg/L),然后按下式计算净光合
放氧速率和呼吸耗氧速率v[μmol/(mg·h)]
[4]:
v=ΔPDO×100032×Pchla×t
式中,Pchla为叶绿素a的质量浓度(mg/L),t为曝光持
续时间(h).
1.4 叶绿素含量的测定
采用95%丙酮做萃取液的分光光度法测定叶
绿素的含量。测定时取一定量的藻液(一般为100
~200mL),用孔径为0.45μm的醋酸纤维滤膜抽
DOI:10.16378/j.cnki.1003-1111.2012.02.008
滤,抽干后将藻液及滤膜一同放入具塞离心管中,
加入体积分数为95%的丙酮溶液至10mL,振荡
提取叶绿素,放置冰箱冷藏过夜,3000r/min离心
15min,取上清液测定其吸光值,然后按下式计算
其叶绿素含量[10]:
Pchl-a=(11.85A664-1.54A647-0.08A630)×
V0×1000
V×L
Pchl-b=(21.03A647-5.43A664-2.66A630)×
V0×1000
V×L
Pchl-c=(24.52A630-1.67A664-7.60A647)×
V0×1000
V×L
式中,V 为抽滤水样体积(mL);V0 为样品丙酮提取液
体积(mL);L为提取液测定吸光度A 时采用的比色皿规格
(cm).
1.5 不同温度条件下光合放氧速率的测定
由于测定温度与低温循环槽显示温度相差约
0.6℃,故试验温度以实测温度为准。2种藻类分
别设-1、0、1、2、3、4℃6个梯度组,每组3个平行,
在光照度为2100lx的条件下曝光10h,做初级生
产力试验,测定其光合放氧速率。
2 结果
2.1 低温对2种单胞藻光合放氧速率的影响
在试验控制条件下,不同温度下2种单胞藻的
光合放氧速率结果见表1、图1。由表1、图1可见,
在低温条件下,小球藻和裸甲藻仍具有较强的光合
放氧能力。即使在-1℃时,裸甲藻和小球藻每单
位质量叶绿素a在单位时间内的光合净放氧速率
仍可分别达(11.92±0.97)μmol/(mg·h)和
(30.78±2.18)μmol/(mg·h)。并且在试验温度
范围内,2种单胞藻的净光合放氧速率随温度的变
化曲线基本相似,均随温度升高呈指数增长,拟合
其回归方程见表2。
由表1可见,在-1~4℃,温度提升对浮游植
物的放氧能力具有显著促进作用。方差分析表明,
小球藻的光合净放氧能力-1℃和0℃,2℃和3
℃之间差异不显著,其他组间差异极显著;而裸甲
藻的-1℃、0℃和1℃之间,2℃和3℃之间差异
不显著,其他组间差异极显著。
2.2 低温对2种单胞藻呼吸耗氧速率的影响
试验条件下不同温度对2种单胞藻呼吸耗氧
速率的影响见表1、图2。由表1、图2可见,在低温
情况下,浮游植物的呼吸耗氧速率很低。在-1℃
时,小球藻和裸甲藻的呼吸耗氧速率分别仅为
(2.30±0.1.49)μmol/(mg·h)和(2.34±0.85)
μmol/(mg·h)。方差分析表明,在水温低于2℃
时,2种单胞藻不同温度组间的呼吸耗氧速率均无
显著差别。但随着温度的升高,呼吸耗氧速率亦如
其光合放氧速率一样呈指数增长,但不同藻类其增
长速度也有所不同,2种试验单胞藻的增长回归方
程见表2。
表1 低温对2种单胞藻光合放氧和呼吸耗氧速率的影响(平均值±标准差) μmol/(mg·h)
温度

小球藻
净放氧 呼吸耗氧
裸甲藻
净放氧 呼吸耗氧
-1  30.78±2.18AB  2.30±1.49a 11.92±0.97a 2.34±0.85A
0 28.98±4.37A  2.36±1.68a 10.86±1.39a 2.67±0.28A
1  35.46±0.79B  3.30±0.43a 15.80±1.22a 2.66±0.81A
2  47.33±2.86C  2.69±0.41a 20.96±3.59a 3.47±0.53B
3  47.41±2.62C  4.87±0.55b  22.26±0.78b  6.17±0.95B
4  60.6±2.10D  6.98±0.61b  32.28±0.69c  8.37±1.25C
注:同列上标不同字母表示差异显著(A,B,C,D:P<0.01;a,b,c,d:P<0.05).
99第2期 周 波等:低温对两种单胞藻光合放氧和呼吸耗氧速率的影响
  表2 2种单胞藻光合放氧速率、呼吸耗氧速率与温度的非线
性回归分析
名称 回归方程 相关系数
小球藻净放氧速率 y=32.33e0.147x  r2=0.910
小球藻呼吸耗氧速率 y=2.49e0.214x  r2=0.817
裸甲藻净放氧速率 y=12.88e0.211x  r2=0.924
裸甲藻呼吸耗氧速率 y=2.551e0.262x  r2=0.884
3 讨论
3.1 浮游植物光合放氧、呼吸耗氧速率与温度的
关系
温度是一切酶促反应的控制因子,它对光合作
用的光反应过程影响不大,对暗反应的酶促反应过
程的影响较大[11],因此水温与初级生产力的关系密
切。温度降低会对浮游植物的光合作用产生重大
影响。一般认为,在浮游植物的最适温度以下随着
温度的降低,浮游植物的生长逐渐减缓直至停止生
长、甚至消失,其光合作用的强度也随之逐渐降
低[12-13]。但在一些海洋浮游植物中,当温度在其适
温范围内降低时,能够通过增加细胞碳和单位叶绿
素a的固碳量,即通过增加细胞中酶的数量来补偿
由于温度下降所引起的酶活性的减弱,从而减轻对
浮游植物生长和光合作用的影响[14],如当水温由
20℃降至7℃ 时,骨条藻(Skeletonema costatum)
各细胞碳含量增加1倍[15],细胞仍保持较强的光合
作用能力。
本试验中,通过对2种单胞藻在低温下不同温
度梯度的光合放氧、呼吸耗氧速率的测定表明,低
温条件下浮游植物仍具有一定的光合放氧能力。
即使在-1℃时,叶绿素a光合放氧速率仍可达
11.92~30.78μmol/(mg·h)。虽然仅为很多浮
游植物最适温度时放氧速率的1/20~1/7[4-7],但考
虑到试验光照度仅2100lx,远低于越冬期间的自
然光照度(10 228~577 26lx,10:00),其实际光合
放氧速率应更大一些。而且此时的呼吸耗氧也低,
仅为其净放氧速率的1/13~1/5,表明浮游植物在
低温条件下仍具有向水中供给足够氧气的能力。
吴晓东等[16]在对太湖、巢湖和玄武湖处于越冬期间
的浮游植物进行原位光合作用活性的研究时也发
现,大部分浮游植物在越冬期间仍具有光合作用活
性。2007—2008年对盘锦部分海水越冬池的调查
及海水越冬试验表明,海水越冬池的溶氧冰封时一
般在溶解度附近,封冰后溶氧一般都上升,经过一
段时间后其溶氧就达到过饱和,有的到一月中旬左
右开始长期维持在20mg/L,低时也在15mg/L以
上。这显然是海水浮游植物在低温下光合作用产
氧的结果。
同时,方差分析表明2种单胞藻不同温度组间
的放氧速率差异均显著,表明低温条件下温度的小
幅升高对浮游植物的光合放养速率具有显著促进
作用。在温度较高时,特别是在浮游植物的最适温
度附近改变时,温度的小幅增减对其放氧速率影响
不大[4-5,7],但在温度较低的越冬期间,水温的小幅
升高却有着非常的意义。2008—2009年的越冬试
验中,由于采取了添加淡水等措施,使越冬池中、下
层水温大幅上升,最低在3℃以上,封冰后水中溶
氧迅速上升,11月底约13mg/L,至12月中旬基本
上超过20mg/L。虽然后期由于浮游动物的大量
发生,部分池塘出现了底层溶氧偏低的情况,但这
至少也说明在低温范围内,温度的提高可以增加浮
游植物的放氧能力。
3.2 低温条件下单胞藻光合放氧、呼吸耗氧速率
与种类的关系
单胞藻的光合放氧、呼吸耗氧速率与其种类有
着密切的关系。叶绿体是光合作用的主要器官,但
叶绿体变化很大,因植物种类不同而有很大区别,
从而对光合放氧效果产生显著影响。同时叶绿体
是一种不稳定的细胞器,能随着环境条件的改变而
产生不同的适应性变化[17-19]。在藻类中,叶绿体形
状多样,大小不等,有网状、带状、片状、星状等多种
形态。此外,不同浮游植物其色素体的组成,含量
也有很大不同。比如绿藻门的色素主要是叶绿素,
金藻、黄藻主要是叶黄素,而蓝藻门则主要是藻胆
素[20-22]。植物细胞色素的种类组成和含量在光合
作用中具有决定性的作用,因为这些不同色素种类
对光的需求范围和固碳能力都不同,最终必然表现
为浮游植物光合放氧能力的不同。而且,众多的研
究表明[4-8,23],影响浮游植物光合放氧、呼吸耗氧速
率的因素很多,光照、温度、盐度、营养条件等均能
影响其光合放氧速率,不同浮游植物都有自己最适
的环境条件。比如同在20℃时,玛塔亚历山大藻
(Alexandrium tamarense)的光合放氧速率可达
220μmol/(mg·h),而锥状斯氏藻(Scrippsiel la
trochoidea)的光合放氧速率为180μmol/(mg·
h)[4]。
本试验中,不同温度下裸甲藻的光合放氧速率
仅为小球藻的1/3~1/2,二者的呼吸耗氧速率却没
有显著差别。表明低温条件下,不同浮游植物的光
合放氧能力与高温时一样,有着很大差别。海水越
冬池越冬期间浮游植物的种类组成对冰下水体的
溶氧变动具有重要意义。但其原因究竟是因为色
素组成和含量的差别、还是二者对某些环境因子的
要求不同,或是兼而有之,还有待进一步的研究。
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Effects of Low Temperature on Photosynthesis Rate and
Respiration Rate in Two One-Celed Alga Species
ZHOU Bo1,2,LI Xiao-dong2,3,LEI Yan-zhi 2,LI Yong-han2
(1.Fisheries Institute,Sichuan Agricultural Academy,Yibin 644003,China;2.Dalian Ocean University,
Dalian 116023,China;3.Panjin Guanghe Fisheries LtD,Co.,Panjin 124000,China)
Abstract:Photosynthesis rate and respiration rate were determined in algae Chlorella pyrenodesa and
Cymnodiniumsp at low temperature by improved white and black bottle method.The results showed that
the algae had a certain ability of photosynthesis and oxygen releasing under low temperature.There were
the photosynthesis rate of(30.78±2.18)μmol/(mg·h)and(11.92±0.97)μmol/(mg·h)and the res-
piration rate of(2.30±1.49)μmol/(mg·h)and(2.34±0.85)μmol/(mg·h)per unit Chl in the algae
at light intensity of 2100lx,and at water temperature of-1℃.Within temperature of-1℃and 4℃,
the variation curves of photosynthesis rate and respiration rate expressed in exponential growth were
found similar in the two species algae,changing with the elevated temperature,but the growth scope var-
ying with species.
Key words:low temperature;photosynthesis rate;respiration rate
101第2期 周 波等:低温对两种单胞藻光合放氧和呼吸耗氧速率的影响