全 文 ：EDTA和铁对铜绿微囊藻和四尾栅藻生长和竞争的
影响
储昭升1 ,金相灿1＊ ,阎峰2 ,郑朔方1 ,庞燕1 , 曾清如2
(1.中国环境科学研究院湖泊环境创新基地 国家环境保护湖泊污染控制重点实验室 , 北京　100012;2.湖南农业大学资源环
境学院 ,长沙　410128)
摘要:铁限制不但会影响浮游植物的种群密度 , 而且会影响浮游植物的群落结构.为了探讨有机配体和铁的作用对湖泊中浮
游植物的种群竞争 ,采用批量培养的方法 , 研究了不同 EDTA及 Fe浓度下 ,太湖蓝藻铜绿微囊藻和绿藻四尾栅藻的生长和竞
争.结果表明 , 较高浓度的 EDTA(≥13.5 μmol L)可以抑制铜绿微囊藻的生长 , 但不抑制四尾栅藻 ,因而有利于四尾栅藻占据优
势;铁的浓度由 3μmol L增大至 18μmol L时 , 可缓解较高浓度 EDTA(13.5～ 27μmol L)对铜绿微囊藻的抑制作用 , 而增大其它微
量元素浓度(B、Mn 、Zn 、Cu 、Mo 等)则无此作用;说明高浓度 EDTA 与铁的螯合作用能抑制铜绿微囊藻而不抑制四尾栅藻.高浓
度 EDTA 对 2种藻具有不同影响的原因可能是2 种藻对铁的吸收机制不同.
关键词:铜绿微囊藻;四尾栅藻;EDTA;Fe
中图分类号:X524　文献标识码:A　文章编号:0250-3301(2007)11-2457-05
收稿日期:2006-12-20;修订日期:2007-02-13
基金项目:国家重点基础研究发展规划(973)项目(2002CB412301);科
研条件工作项目(JG-2004-24)
作者简介:储昭升(1973～ ),男 ,副研究员 ,主要研究方向为湖泊富营
养化及水华 , E-mail:chuzs@craes.org.cn
＊通讯联系人 , E-mail:jinxc@craes.org.cn
Effects of EDTA and Iron on Growth and Competition of Microcystis aeruginosa
and Scenedesmus quadricauda
CHU Zhao-sheng1 , JIN Xiang-can1 , YAN Feng2 , ZHENG Shuo-fang1 , PANG Yan1 , ZENG Qing-ru2
(1.State Environmental Protection Key Laboratory for Lake Pollution Control , Research Center for Lake Ecology &Environments , Chinese
Research Academy of Environmental Sciences , Beijing 100012 , China;2.College of Resources & Environment , Hunan Agriculture
University , Changsha 410128 , China)
Abstract:Not only population density of phytoplankton but also its community structure were influenced by iron limitation.The growth and
competition of a cyanobacterium Microcystis aeruginosa and a green alga Scenedesmus quadricauda at different iron and EDTA concentrations
were investigated using batch cultures.The results showed that the growth of M.aeruginosa was significantly inhibited whereas S.
quadricauda wasn t when EDTA at high concentrations (≥13.5 μmol L), and consequently , it favored the dominance of S .quadricauda.
Moreover , increasing iron concentration from 3 μmol L to 18 μmol L could greatly alleviate the growth inhibition of M.aeruginosa while
increasing concentration of other microelements e.g.B , Mn , Zn , Cu , Mo didn t.These results suggest that high EDTA concentration
decreases iron availability for M.aeruginosa , but not for S.quadricauda.The reason that the two algae respond to high EDTA concentrations
differently is that their adsorption strategies for iron should be different.
Key words:Microcystis aeruginosa;Scenedesmus quadricauda;EDTA;Fe
　　由于浮游植物对铁有较高的需求量 ,因此 ,在海
洋和淡水生态系统中都存在初级生产力的铁限制现
象[ 1 ～ 4] .海洋中存在较多的“高营养盐低叶绿素”区
域 ,研究表明其原因是总铁浓度较低 ,而且低含量的
铁与胶体及有机配体络合导致了铁对浮游植物的限
制[ 1 ,2] ;在淡水水体中 ,总铁含量虽然较高 ,但铁与水
体强有机物配体络合也可能导致浮游植物铁限
制[ 3 ,4] ,也就是说藻类的现存量不仅受总铁浓度的影
响 ,更受铁的形态影响.
铁限制不但会影响浮游植物的种群密度 ,而且
可能会影响浮游植物的群落结构.在铁限制的情况
下 , 一些蓝藻能分泌高选择性铁的有机配体
(siderophore), 以增强对铁的吸收;同时 , 这些
siderophore会抑制真核藻类对铁利用 ,从而可能导致
蓝藻在水体中占据优势[ 5] ;Matz等[ 6] 认为 ,蓝藻分泌
的 siderophore对真核藻类也可能具有直接的毒性 ,
如水华鱼腥藻分泌的 siderophore 对莱哈衣藻有直接
的毒性.在水环境中 , 存在着大量机配体(如腐殖
质),与藻类存在着复杂的作用[ 7 , 8] ,它们能够络合金
属离子 ,并不同程度地影响铁对于浮游植物的生物
可利用性.由于不同的藻类对铁的需求差异很大[ 9] ,
且吸收机制也不同[ 5 , 10] ,水体中有机物质的增加会
第 28 卷第 11期
2007 年11月 环　　境　　科　　学ENVIRONMENTAL SCIENCE
Vol.28 , No.11
Nov., 2007
DOI :10.13227/j.hjkx.2007.11.036
对不同藻类产生不同程度的影响 ,从而可能影响到
浮游植物的种群结构 ,进而影响水华的发生.
然而 ,水体有机配体 ,尤其是对铁络合能力较强
的配体 ,对不同藻类的影响的研究非常缺乏.在湖泊
富营养化过程中 ,水体有机物含量不断升高.水体中
大多数有机配体和 EDTA的络合能力相近 ,且均没
有特异性.本研究试图通过鳌合配体 EDTA 和铁的
作用 ,对太湖蓝藻铜绿微囊藻和绿藻四尾栅藻竞争
的影响 ,来探讨水体有机配体和铁对太湖浮游植物
群落结构以及蓝藻水华发生的影响.
1　材料与方法
1.1　藻种及培养基
铜绿微囊藻(FACHB-912)Microcystis aeruginosa
Kǜtz ,由中国科学院水生生物研究所淡水藻种
(FACHB)库提供 , 最初分离自太湖;四尾栅藻
Scenedesmus quadricauda(Turp.)Brèb 由太湖富营养
化水体中分离得到.
实验用培养基 M11的组成如下:NaNO3 100
mg L , K2HPO4 10 mg L , MgSO4 ·7H2O 75 mg L ,
CaCl2·2H2O 40 mg L , Fe-citrate · 5H2O 6 mg L ,
Na2CO3 20 mg L , Na2EDTA·2H2O 1 mg L.微量元素
A5 液组分如下:H3BO3 61 mg L , MnSO4·H2O 169
mg L , ZnSO4·7H2O 287 mg L , Cu SO4 ·5H2O 2.5
mg L , (NH4)6Mo7O24·4H2O 12.5 mg L.
1.2　藻类培养实验
铜绿微囊藻和四尾栅藻均在 M11培养基中培
养 ,通过改变培养基中柠檬酸铁和 EDTA的浓度来
研究铁和 EDTA 的影响:①在较低的铁浓度(cFe =
3.0μmol L)下 ,研究不同 EDTA 浓度中(0.27 、2.7 、
13.5 、27 μmol L)铜绿微囊藻和四尾栅藻的竞争;②
分别增加铁和其它微量元素(添加A5 液),改变微量
元素与 EDTA 的比例 ,研究铜绿微囊藻和四尾栅藻
的生长和竞争.
2种藻在 500 mL 三角瓶中(200 mL培养液),于
光照培养箱 (白光)中培养 , 光照强度为 25
μmol·(m2·s)-1 ,光暗比为 12 h∶12 h.2 种藻的接种
密度均为1×104 cells mL.培养基的初始 pH 值用 0.5
mol L的 HCl或NaOH调节至 8.0.
藻细胞用血球计数板(Minato TATAI)在光学显
微镜(Olympus BH-2)下计数 ,每次计数细胞 30 ～ 300
个 ,每个样品计数 3 次.当细胞密度每天增长小于
5%时 , 认为该实验组达到最大生物量 , 即可停止
实验.
2　结果与讨论
2.1　EDTA 对铜绿微囊藻和四尾栅藻生长的影响
(cFe =3.0μmol L)
单藻培养结果表明 , 高浓度 EDTA(≥13.5
μmol L)明显抑制铜绿微囊藻的生长 ,而且 EDTA浓
度的越大 ,抑制效果越明显;但 EDTA对四尾栅藻的
生长没有明显的影响 ,在 0.27 ～ 27 μmol L的 EDTA
范围内 ,四尾栅藻的生长曲线相似 ,最大生物量(t=
23 d)无显著差异(p>0.05)(图 1).
图 1　不同 EDTA浓度对铜绿微囊藻和四尾栅藻单藻培养的影响(cFe=3.0μmol L)
Fig.1　Effect of EDTA concentration on the growth of M.aeruginosa and S.quadricauda in uni-algal cultivation(cFe=3.0μmol L)
　　在接种量相同的情况下 ,铜绿微囊藻和四尾栅
藻的竞争结果表明 ,当 EDTA 浓度较低时(≤2.7
μmol L),铜绿微囊藻和四尾栅藻都生长很好 ,而且
两者生长曲线相似 ,最大生物量(t=20 d)没有显著
差异(EDTA为 0.27 μmol L和 2.7μmol L时 p值分别
为 0.444和 0.364);而当 EDTA 浓度较高时(≥13.5
2458 环　　境　　科　　学 28 卷
μmol L),四尾栅藻生长良好 ,铜绿微囊藻明显受到 抑制 ,四尾栅藻占据优势(图 2).
图 2　混藻培养体系中 EDTA浓度对铜绿微囊藻和四尾栅藻竞争的影响(cFe=3.0μmol L)
Fig.2　Effect of different EDTA concentration on competition of M.aeruginosa and S.quadricauda in co-cultivation(cFe=3.0μmol L)
　　有机配体 EDTA能和大多金属元素形成稳定的
络合物 ,在藻类培养基中 , EDTA 可用作金属离子缓
冲剂.在很多海洋藻类培养实验中 ,也常通过添加高
浓度的 EDTA(≥100μmo L)来模拟海水中铁限制条
件下浮游植物的生长[ 11] .在本研究中 ,高浓度的
EDTA抑制铜绿微囊藻的生长而对四尾栅藻没有影
响 ,其原因可能是高浓度的 EDTA与某种微量元素
络合 ,降低了该元素对铜绿微囊藻的生物可利用性.
2.2　添加微量元素 A5 液对铜绿微囊藻在高浓度
EDTA中生长的影响(cFe =3.0 μmol L)
M11培养基并未单独添加 B 、Mn 、Zn 、Cu 、Mo 等 5
种藻类生长所必须的微量元素 ,在其它营养盐中通
常都含有这些元素的杂质 ,因而能够满足藻类生长
的需要.但在高浓度 EDTA的情况下 ,这些微量元素
与EDTA的络合作用可能使藻类生长受限制.图 3
表明 ,在高浓度 EDTA(27μmol L)条件下 ,添加 1倍
及5倍的A5 液不能改善铜绿微囊藻的生长状态 ,相
反 ,5倍的A 5液对铜绿微囊藻的生长产生了抑制作
用.说明较高浓度的 EDTA与 B 、Mn 、Zn 、Cu 、Mo 等 5
种微量元素的络合作用 ,并未造成这些元素的限制.
2.3　添加铁后 EDTA对 2种藻抑制作用的影响
图 4 表明 ,当铁的浓度由 3 μmol L增大至 18
μmol L时 ,可明显缓解高浓度 EDTA(27μmol L)对铜
图 3　添加微量元素对铜绿微囊藻生长的影响(cFe=3.0μmol L)
Fig.3　Effect of minor elements on M.aeruginosa
growth(cFe=3.0μmol L)
绿微囊藻的抑制作用 , 其生长曲线与 2.7 μmol L
EDTA+18 μmol L Fe , 以及 0.27 μmol L EDTA +3
μmol L的对照样相似 ,最大生物量相差仅为 20%.进
一步加大 EDTA的浓度至 135μmol L时 ,微囊藻的生
长又受到了强烈的抑制.
当铁的浓度为 18 μmol L时 , EDTA 在 2.7 ～ 135
μmol L范围内变化 ,四尾栅藻的生长均没有受到明
显的影响(图 4).比较图 1和图 4还可以发现 ,当铁
浓度超过3μmol L时 ,增加铁和 EDTA浓度都不会明
245911 期 储昭升等:EDTA 和铁对铜绿微囊藻和四尾栅藻生长和竞争的影响
显影响四尾栅藻生长 , 四尾栅藻在不同的 EDTA
(0.27 ～ 135 μmol L)和铁浓度(3 ～ 18 μmol L)下培养
的最大生物量相差不到 25%.
2种藻的混合培养表明(图 5),在高铁条件下
(18 μmol L),当 EDTA浓度低于 27μmol L时 ,铜绿微
囊藻与四尾栅藻的生物量差别不大 ,当 EDTA增大
至 135μmol L时 ,四尾栅藻明显占据优势.与低铁条
件(3μmol L)相比(图 2),四尾栅藻占据优势所需的
EDTA浓度明显增高了.
以上实验说明 ,高浓度的 EDTA 可以抑制铜绿
　　　　　　
图 4　高铁浓度下不同 EDTA 浓度对铜绿微囊藻和四尾栅藻单藻培养的影响
Fig.4　Effects of high Fe concentration and different EDTA concentrat ion on unialgal cultivation of M.aeruginosa and S.quadricauda
图 5　高铁浓度下(18μmol L)不同 EDTA浓度对铜绿微囊藻和四尾栅藻混合培养的影响
Fig.5　Effects of EDTA concentration on competition of M.aeruginosa and S.quadricauda at high Fe concentration in mixed cultures(18μmol L)
微囊藻的生长而不抑制四尾栅藻 ,有利于四尾栅藻
占据优势;而且 ,高浓度的 EDTA 对铜绿微囊藻生长
的抑制作用是通过 EDTA与铁的络合 ,降低了铁的
生物有效性实现的.
高浓度的 EDTA能抑制铜绿微囊藻对铁的吸收
而不抑制四尾栅藻 ,其原因可能是 2种藻对铁的吸
收机制不同.在铁限制条件下 ,藻类对铁的吸收利用
主要有2种方式.第 1 种是分泌 siderophore ,与策略
Ⅱ型植物相同 , siderophore与铁的络合物可穿过细胞
膜[ 12] ,已经发现不少蓝藻和绿藻都采取这种方
式[ 13 ～ 15] ;第 2种方式是分泌三价铁离子螯合物的还
原酶(FCR),与策略 Ⅰ型植物类似[ 16 ～ 20] ,将三价铁离
子螯合物还原成二价铁离子和螯合物配体 , 然后
Fe
2+被输送到细胞内得以利用.FCR有很强的还原
能力 , 可以将多种铁的强螯合物还原[ 17] .Chaney
等[ 21] 的实验发现 ,一些策略 Ⅰ植物能从 Fe3+-HBED
强螯合物中吸收铁 , 而策略 Ⅱ型植物却不能.
Parparova 等[ 22] 往藻类大量聚集的湖泊 Kinneret中加
入 8羟基喹呤 ,发现能够大幅降低蓝藻的光合作用
速率 ,但对绿藻的影响很小.
EDTA是一种强螯合型有机配体 , 高浓度的
EDTA 能与铁 形成较稳定 的螯合物 , 可抑制
siderophores的作用 ,但对 FCR 的还原作用影响较
小.因此 ,笔者推测太湖分离的 2种藻在铁限制条件
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下 ,具有不同的铁的利用机制.铜绿微囊藻可能采取
第1种利用机制 ,而四尾栅藻采取第 2种利用机制.
太湖蓝藻水华优势种一般是微囊藻[ 23 ～ 25] ,由于
高密度的微囊藻水华和其分泌的藻毒素给湖泊水生
生态 、湖区人们的生活以及当地经济的发展都造成
了很大的危害.而四尾栅藻不形成水华 ,也不分泌藻
毒素 ,因此对环境危害相对较小.高浓度 EDTA可强
烈抑制蓝藻铜绿微囊藻而不抑制绿藻四尾栅藻 ,说
明水体中铁的强有机配位体的增大可能会降低蓝藻
水华发生的可能性.
3　结论
(1)较高浓度 EDTA(≥13.5 μmol L)能够通过
与铁的络合 ,抑制蓝藻铜绿微囊藻的生长 ,而不抑制
绿藻四尾栅藻 ,从而有利于四尾栅藻占据优势.
(2)较高浓度 EDTA(≥13.5 μmol L)对铜绿微
囊藻和四尾栅藻的影响不同可能与它们对于铁的吸
收机制不同有关.
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