全 文 ：农业环境科学学报 2007,26(4):1264-1268
JournalofAgro-EnvironmentScience
摘 要:以不含碳酸盐的 BG11培养基为基础,设置 4个碳酸氢盐浓度,进行铜绿微囊藻和四尾栅藻单独生长试验和竞争试验,以
了解不同碳酸氢盐浓度下两种藻的单独生长和竞争生长状态。结果表明,在单独生长试验中,两种藻都能利用碳酸氢盐作为无机
碳源进行光合作用并保持正常生长态势。其中铜绿微囊藻生长较适宜的碱度水平为 2.4mmol·L-1左右,在高碱度水平的培养基中
的生长出现延迟现象,四尾栅藻总体上表现为碳酸氢盐碱度水平高的试验组中生物量高。在两种藻的竞争试验中,两者的生物量
均减少。铜绿微囊藻的竞争生长能力在高碱度组中不如四尾栅藻,但在极低碱度组中强于四尾栅藻。
关键词:碱度;铜绿微囊藻;四尾栅藻;生长;竞争
中图分类号:X171 文献标识码:A 文章编号:1672-2043(2007)04-1264-05
收稿日期:2006-10-13
基金项目:建设部科学技术项目(01-2-024);教育部南开大学-天津
大学联合研究项目(AJ0013)
作者简介:杨 威(1981—),女,硕士研究生,主要从事富营养化湖泊
藻类研究。E-mail:yangw8117@mail.nankai.edu.cn
藻类生长需要无机碳源作为营养物。螺旋藻[1]及
作为饵料的海洋藻类[2~6],在养殖过程中碳酸氢钠的作
用已经有过研究。
在富营养化湖泊中,浮游藻类大量繁殖,强烈的
光合作用常常会引起藻体细胞表面以及水体表层pH
值上升到弱碱性水平。例如,天津市新开湖西区2005
年水华发生期的平均 pH值为 8.41,总碱度为 3.82
meq·L-1;太湖的平均pH值(1998—2000年)为8.28[7];
巢湖水的 pH值偏碱性,年平均值为 7.25~7.67[8];
1992—1993年调查时,滇池全湖pH值平均值为8.8,
总碱度平均值为3.38meq· L-1[9],2001—2002年监测
时滇池外海4个区域的pH值均在8.5以上[10]。西班
牙境内的 SantaOlala湖是一个富营养化浅水湖,因
为初级生产力极强,使得湖水平均pH值为 9.52,总
碱度为2.26meq·L-1,水华生成藻中90%是蓝藻[11]。
由于pH值升高,进入水中的CO2将转化为HCO3
-
,
碱度水平对铜绿微囊藻和四尾栅藻生长和竞争的影响
杨 威 1,孙 凌 1,袁有才 1,钟 远 1,赵乐军 2,刘春光 1,庄源益 1
(1.南开大学环境科学与工程学院,天津 300071;2.天津市市政工程设计研究院,天津 300051)
EfectsofAlkalinityonGrowthandCompetitionofMicrocystisaeruginosaandScenedesmusquadricauda
YANGWei1,SUNLing1,YUANYou-cai1,ZHONGYuan1,ZHAOLe-jun2,LIUChun-guang1,ZHUANGYuan-yi1
(1.ColegeofEnvironmentalScience&Engineering,NankaiUniversity,Tianjin300071,China;2.TianjinMunicipalEngineeringDesignand
ResearchInstitute,Tianjin300051,China)
Abstract:Densepopulationsofphytoplanktoninalaketendtodepleteinorganiccarbon,withanassociatedrisingofpHthatisusualyabove
8.SothemajorformofinorganiccarbonisHCO3
-
.Algaewhichcanutilizebicarbonateasinorganiccarbonsourcebecomedominantineu-
trophicwater.MicrocystisaeruginosaandScenedesmusquadricaudabothhavetheabilitytouseHCO3
-
.Tounderstandtheefectsofalkalinity
ongrowthandcompetitionofM.aeruginosaandS.quadricauda,theexperimentswereconductedonBG11mediumwithdiferentconcentra-
tionsofbicarbonate.Theresultsshowedthatthetwoalgaebothgrewwelintheseparateexperimentsbecausetheycandirectlyorindirectly
usebicarbonateasinorganiccarbonsourceinphotosynthesis.TheoptimalalkalinityforgrowthofM.aeruginosawasabout2.4mmol·L-1.And
alagphenomenonoccuredduringthegrowthbeginningofM.aeruginosaathighalkalinity.ThedensityofS.quadricaudacelsincreased
withincreasingofbicarbonatelevels.Incompetitionexperiments,thedensityoftwoalgaecelsbothdecreasedcomparedtothatinseparate
experiment.Ifwithoutotherrestrictingfactorssuchasnutrientsandtemperature,thecompetitionabilityofM.aeruginosawashigherthanthat
ofS.quadricaudainthelowestalkalinitylevel,butlessthanthatofS.quadricaudainthehighalkalinitycondition.
Keywords:alkalinity;Microcystisaeruginosa;Scenedesmusquadricauda;growth;competition
第26卷第4期 农 业 环 境 科 学 学 报
形成碱度,使无机碳种类的相对组成发生变化。
Stumm和 Morgan[12]指出,淡水水体的 pH值在 8左右
时,碳酸氢盐-碳占水体中总无机碳的 90%左右;而
pH值为9左右时,游离CO2浓度接近于零。故在弱碱
性条件下(pH值8~9,天津地区大部分水体),总无机
碳中碳酸氢盐是主要的存在形态,也是藻类能够间接
或直接利用的主要碳源形态。有些严格利用CO2的浮
游植物在这种生境中由于碳源限制将受到抑制,而那
些能够间接或直接利用碳酸氢盐的藻类将会形成优
势,进而引起藻类种群和群落结构的变化。因此,研究
弱碱性水体中碳酸氢盐碱度对淡水生境中浮游藻类
特别是水华藻的生长及藻之间的竞争有重要而现实
的环境意义。
本工作结合南开大学新开湖水体的常规监测碳
酸氢盐碱度数据,并选择该水体的常见藻类铜绿微囊
藻(蓝藻)和四尾栅藻(绿藻)为试验藻种,研究它们在
不同碳酸氢盐碱度条件下的单独生长和竞争生长势
态,以了解它们在弱碱性水生境中的生长特性。
1 试验材料与方法
1.1试验藻种及培养基
铜绿微囊藻(Microcystisaeruginosa)由中科院武
汉水生生物研究所提供。四尾栅藻(Scenedesmus
quadricauda)纯种从位于南开大学新开湖东区湖水中
分离纯化得到。
以不含 Na2CO3的 BG11培养基为基础。基于新
开湖东、西两区常年监测数据中的碱度水平,设计 4
组NaHCO3碱度水平培养组。培养前加入NaHCO3溶
液,接种后测定碱度,以此作为起始碱度值。单独培养
和竞争培养各培养组的起始碱度值分别列于表 2和
表3。
1.2接种和培养
试验开始前两藻种均已扩大培养一周。铜绿微囊
藻和四尾栅藻在单独培养和竞争试验时初始藻细胞
密度均分别为2×105cels·mL-1和1×105cels·mL-1。
用统一规格的250mL广口锥形瓶,内装150mL
培养基,每个碱度设3个平行样。在无菌条件下将铜
绿微囊藻和四尾栅藻接入已经灭菌的培养基中。在恒
定的8000lx光强下培养,光暗比为12h∶12h。温度
控制在25℃左右。在光照期间,每天早中晚定时摇动
3次,使藻分布均匀,减少下沉。
1.3藻类计数和比增长率计算
每日上午10点准时采样,以消除pH值昼夜变
化影响。用血球计数板计数藻类数量。培养过程中藻
种的纯度鉴别参考胡鸿钧等编著的 《中国淡水藻类》
与中国科学院中国孢子植物志编辑委员会编著的《中
国淡水藻志》。当各处理组每天的平均增长值低于
5%时,认为该组藻类已经达到最大现存量,可停止后
续计数。
比增长率的计算公式为
μ=ln(χ2/χ1)/(t2-t1)
式中:χ1为某一时间间隔开始时的藻类现存数量,
cels·mL-1;χ2为某一时间间隔终结时的藻类现存数
量,cels·mL-1;t2-t1为某一时间间隔。
各处理组之间的差异用单因素方差(OneWay
ANOVA)LSD检验。
1.4pH值和碱度的测定
按照文献[13]介绍的测定和计算方法测量试验开
始和结束时的碳酸盐和碳酸氢盐碱度以及pH值(均
为当天上午10点)。
2 结果与讨论
2.1单独培养时铜绿微囊藻和四尾栅藻的变化
2.1.1碱度对两种藻生长的影响
在单独培养的条件下,铜绿微囊藻和四尾栅藻的
生长曲线及其标准偏差分别列于图1和图2中。与生
长相关的计算数据列于表1。从图中数据看出两种藻
都能单独生长在含不同碱度的培养基中。
对图 1中各处理组数据之间的差异性的单因素
方差检验结果表明,从第3d开始,4组之间的生长就
有了显著差别(LSD,P<0.05),而 T3组和其他 3组的
差别极为显著(LSD,P<0.01)。从图1看出,T1组的铜
0 4 8 12 16
60
50
40
30
20
10
0
藻
细
胞
密
度
/1
06
ce
lls
·
m
L-
1
t/d
T0
T1
T2
T3
图1 单独试验铜绿微囊藻生长曲线
Figure1M.aeruginosagrowthcurveinseparateexperiment
1265
2007年7月
绿微囊藻最快进入对数生长期,达到静止期时具有最
高的生物量。T3组的长势与T1处理组的相反。T2组
的长势仅次于T1处理组者。T0组达到静止期时的生
物量与T3处理组相当,但是该组进入对数生长期的
时间比T3处理组早。可见,铜绿微囊藻在不同碳酸氢
盐处理中的总体生长趋势顺序是 T1>T2>T0>T3。这
说明铜绿微囊藻在 BG11培养基中生长需要碳酸氢
盐碱度,在实验条件下最适宜的碳酸氢盐碱度水平是
T1组者,约为2.4mmol·L-1。碱度水平过高或过低都
将影响该藻在BG11培养基中的生长,尤其是在碱度
水平过高时,会延缓铜绿微囊藻进入对数生长期的时
间,减少静止期生物量。
从图2可看出,在生长试验第2～9d,S0处理组
的四尾栅藻生物量低于其他 3组,存在显著差别
(LSD,P<0.05),但到16d后差别消失了。而S1、S2、
S33组之间并未出现显著差别(LSD,P>0.05)。本试验
说明四尾栅藻在 BG11培养基中生长需要碳酸氢盐
碱度,碱度水平过低将降低该藻的最终生物量,而碱
度水平高时四尾栅藻可以正常生长。
从表1可以看出,四尾栅藻进入对数生长期要比
铜绿微囊藻提前,表明四尾栅藻可以很快地适应新的
培养条件。T3组进入对数生长期是在第4d,是因为
在前 3d中,铜绿微囊藻没有能够适应高碱度的条
件,使得它的延缓期变长。最大比增长率是一定条件
下藻类潜在增长率的最高表现 [10]。从表1的数据看
出,在单独培养过程中,两种藻的所达到的最大比增
长率大致接近。这说明两种藻对所处的培养基适应能
力相似,都具有潜在增长的趋势。从平均比增长率这
一项来看,铜绿微囊藻要比四尾栅藻生长快得多,这
也就解释了静止期铜绿微囊藻的藻细胞密度明显高
于四尾栅藻。
2.1.2单独试验中pH值和碱度的变化
培养试验开始前和结束后测定了pH值和碱度,
结果见表 2。培养前的碱度测定是在接种之后进行
的,T0和 S0组虽然是没有加入碳酸氢盐的空白组,
但是接种物已经含有一定量的碳酸盐和碳酸氢盐碱
度,接种物加入到 T0和 S0组后,由于该两组的起始
pH值小于8.2,其中的碳酸盐转化为碳酸氢盐碱度而
被测定出。其余6组由于加入的碳酸氢盐溶液pH值
升高,且升高幅度随碳酸氢盐加入量增加而增加。按
照 CO2,HCO3
-
,CO3
2-
相互间在不同 pH值的转化平衡
关系,当溶液的 pH值达到 9后,游离 CO2的含量已
经极少,加入的碳酸氢盐中有一部分转化成碳酸盐,
而且转化比例随溶液pH值升高而增加,如表2数据
所示。
在试验结束时,各处理组的pH值均上升,而且4
个处理组的pH值变得十分接近。这是光合作用固定
碳的结果,它打乱了原来培养基中CO2,HCO3
-
,CO3
2-
的
表1 单独试验中铜绿微囊藻和四尾栅藻生长相关数据
Table1CorelativedataofM.aeruginosaandS.quadricaudainseparateexperiments
注:T0-T3指铜绿微囊藻的4个NaHCO3水平培养组;S0-S3指四尾栅藻的4个NaHCO3水平培养组。下同。
0 4 8 12 16 20
16
12
8
4
0
藻
细
胞
密
度
/1
06
ce
lls
·
m
L-
1
t/d
s0
s1
s2
s3
图2 单独试验四尾栅藻生长曲线
Figure2S.quadricaudagrowthcurveinseparatecultures
杨 威等:碱度水平对铜绿微囊藻和四尾栅藻生长和竞争的影响1266
第26卷第4期 农 业 环 境 科 学 学 报
平衡,引起pH值的升高。López-Archila等 [11]在研究
富营养化浅水湖泊时发现 pH值增高是富营养化水
体的标志,它是由非常高的浮游植物初级生产活动引
起的。Qiu和Gao[14]在研究提高CO2浓度对藻类的生
长影响时,也记录到培养后期,pH值显著提升的数
据。按照Stumm和Morgan[12]提供的理论计算,当溶液
pH值提升到10,CO2浓度已接近零,碳酸氢盐也大部
分转化成碳酸盐。实验期间,藻类呼吸释放的和从大
气中溶入的 CO2也进入这种转化、循环和平衡过程
中。因此,碳酸盐碱度将随培养进程而增加。如表2数
据所示,8个培养组试验结束时与试验前相比碳酸盐
碱度水平均升高,且均高于碳酸氢盐。同时,表2数据
显示,与试验前相比,试验结束时铜绿微囊藻培养组
中只有T3组碳酸氢盐略减少,其余组碳酸氢盐增加。
但是,四尾栅藻的4个培养组碳酸氢盐降低。这是因
为藻类生长过程中利用CO2(由HCO3
-
解离出的)或直
接利用HCO3
-
为碳源,会使HCO3
-
碱度水平降低。
2.2竞争试验中铜绿微囊藻和四尾栅藻的变化
2.2.1碱度对竞争试验中两种藻生长的影响
两种藻的竞争生长状态如图3和图4,与生长相
关的数据列于表3中。
试验中铜绿微囊藻的藻细胞密度明显低于单独
培养的(图3比图1)。与单独培养时相比,两种藻在
静止期时藻细胞密度减少了约75%,其中J3组减少
得更多。在15d的生长期中,4组之间的差异极为显
著(LSD,P<0.01),尤其是 J3组与其他 3组的差异更
是明显。J3组中铜绿微囊藻生长缓慢还是由于高碱
度的影响,不过同组中的四尾栅藻在高碱度培养基中
生长迅速,明显在这一碱度条件中占优势(图4)。
在静止期,四尾栅藻的藻细胞密度约为单独培养
的一半(图4比图2)。4个处理组之间也存在着极为
显著的差异(LSD,P<0.01),J0组中的藻细胞密度要
明显低于其他3组,这与单独试验中四尾栅藻在很低
碱度条件下生长状况相似。竞争试验末期,J3的生物
量最高,其次是J2和J1,J0组最低,说明碱度能促进
四尾栅藻的生长。与单独培养时相比(与图2比),静
止期的藻细胞密度减少了约50%,其中J0组为80%。
由于培养过程中营养物质是一定的,竞争试验中铜绿
微囊藻的存在抑制了四尾栅藻的生长。
2.2.2竞争试验中pH值和碱度的变化
表2 单独试验前后pH值和碱度数据的变化
Table2ChangesofpHandalkalinityinseparateexperiments
注:CB代表碳酸盐碱度;BC代表碳酸氢盐碱度,下同。
0 2 4 6 8 10 12 14 16
15
12
9
6
3
0
藻
细
胞
密
度
/1
06
ce
lls
·
m
L-
1
t/d
J0
J1
J2
J3
图3 竞争试验铜绿微囊藻生长曲线
Figure3M.aeruginosagrowthcurveincompetitionexperiment
0 2 4 6 8 10 12 14 16
藻
细
胞
密
度
/1
06
ce
lls
·
m
L-
1
t/d
J0
J1
J2
J3
8
6
4
2
0
图4 竞争试验四尾栅藻生长曲线
Figure4S.quadricaudagrowthcurveincompetitionexperiment
表3竞争试验前后pH值和碱度数据的变化
Table3ChangesofpHandalkalinityincompetitionexperiment
注:J0~J3分别对应竞争试验中碱度的4个处理水平。
1267
2007年7月
试验结束时的 pH值水平与四尾栅藻单独试验
的最终pH值水平相接近,与铜绿微囊藻单独培养的
最终pH值的差别极为显著(LSD,P<0.01)。竞争试验
结束时的碳酸盐碱度水平与铜绿微囊藻单独培养试
验中的最终碳酸盐碱度水平相接近,与四尾栅藻单独
培养试验中的最终碳酸盐碱度水平的差别极为显著
(LSD,P<0.01);试验末期碳酸氢盐碱度水平接近于
零,这与铜绿微囊藻单独试验有显著差别(LSD,P<
0.01),而与四尾栅藻的差别并不明显。碳酸氢盐的减
少一方面是高pH值下平衡转化的结果,另一方面就
是藻类在高pH值(10以上)条件下,对于无机碳的利
用主要形式就是碳酸氢盐。
Taling[15]提及铜绿微囊藻有吸收利用 HCO3
-
的能
力。Findengg[16]和Miyachi等[17]发现绿藻不仅能直接利
用CO2,还能转运HCO3
-
使其进入细胞质,在碳酸酐酶
的作用下脱水生成 CO2进行利用。本试验的结果表
明,铜绿微囊藻和四尾栅藻都可以利用HCO3
-
生长,不
过在高碱度的条件下铜绿微囊藻的竞争生长能力不
如四尾栅藻,而在极低的碱度下四尾栅藻的竞争生长
能力不如铜绿微囊藻。
3 结论
(1)铜绿微囊藻和四尾栅藻各自能够在含不同碱
度水平的培养基中生长,它们均能够间接或直接利用
水中碳酸氢盐作为光合无机碳源。但是铜绿微囊藻对
于高碱度培养基的适应性差,而四尾栅藻的细胞密度
总体上随碳酸氢盐添加量增加而增加。
(2)与单独培养相比,竞争试验中铜绿微囊藻和
四尾栅藻的生物量均减少。铜绿微囊藻的竞争生长能
力在高碱度组中不如四尾栅藻,但在极低碱度组中强
于四尾栅藻。
参考文献:
[1]李夜光,胡鸿钧,龚小敏.螺旋藻培养液pH值变化的机理和碳源利
用率的研究[J].生物工程学报,1996,12(增刊):242-248.
[2]曹善茂.碳酸氢钠在单胞藻生产性培养中的应用[J].大连水产学院学
报,1997,12(3):52-58.
[3]戴玉蓉,卢敬让.NaHCO3在单胞藻藻种培养中的作用[J].齐鲁渔业,
1997,14(5):20-21.
[4]梁 英,麦康森,孙世春,等.NaHCO3浓度对塔胞藻、小球藻和新月
菱形藻生长的影响[J].黄渤海洋,2001,19(2):71-76.
[5]梁 英,麦康森,孙世春,等.NaHCO3浓度对等鞭藻 3011、等鞭藻塔
溪堤品系和绿色巴夫藻生长的影响[J].中国水产科学,2001,8(1):
37-40.
[6]张华军,潘双叶,李元广.NaHCO3在亚心形扁藻培养中的作用[J].浙
江海洋学院学报(自然科学版),2001,20(3):202-204.
[7]杨龙元,秦伯强,吴瑞金.酸雨对太湖水环境潜在影响的初步研究[J].
湖泊科学,2001,13(2):135-142.
[8]汪家权,孙亚敏,钱家忠,等.巢湖底泥磷的释放模拟实验研究[J].环
境科学学报,2002,22(6):738-742.
[9]庄玉兰,冯炽华,李建华.云南高原湖泊太湖新银鱼增殖生态研究
[J].水利渔业,1996,83:16-20.
[10]方 涛,敖鸿毅,刘剑彤,等.滇池水体理化环境状况时空分布格局
研究[J].水生生物学报,2004,28(2):124-130.
[11]López-ArchilaAI,MoreiraD,López-GarcíaP,etal.Phytoplankton
diversityandcyanobacterialdominanceinahypereutrophicshalow
lakewithbiologicalyproducedalkalinepH[J].Extremophiles,2004,
8:109-115.
[12]StummW,MorganJJ著,汤鸿霄等译.水化学-天然水体化学平衡
导论[M].北京:科学出版社,1987.91-170.
[13]国家环境保护总局,水和废水监测分析方法编委会编.水和废水监
测分析方法(第 4版)[M].北京:中国环境科学出版社,2002.120-
124.
[14]QiuB,GaoK.EfectsofCO2enrichmentonthebloom-formingcyanobac-
teriumMicrocystisaeruginosa(Cyanophyceae):Physiologicalresponses
andrelationshipswiththeavailabilityofdissolvedinorganiccarbon[J].
JPhycol,2002,38:721-729.
[15]TalingJF.Thedepletionofcarbondioxidefromlakewaterbyphyto-
plankton[J].JEcol,1976,64:79-121.
[16]FindenggGR.Inorganiccarbontransportinmicroalgae:uptakeofHCO3
-
ionsduringphotosynthesisoffivemicroalgalspecies[J].PlantSciLet,
1980,18:289-297.
[17]MiyachiS,TsuzukiM,AvramovaST.Utilizationmodesofinorganic
carbonforphotosynthesisinvariousspeciesofChlorela[J].PlantCel
Physiol,1983,24(3):441-451.
杨 威等:碱度水平对铜绿微囊藻和四尾栅藻生长和竞争的影响1268