全 文 ：文章编号:0253-2468(2000)-03-0349-06　　　中图分类号:X52 , Q178.1　　　文献标识码:A
微囊藻栅藻资源竞争的动力学过程
Ⅰ.光能和磷营养的半饱和参数及其生长率动态
陈德辉1 ,章宗涉1 ,刘永定2 ,顾林娣1 ,袁峻峰1 ,宋立荣2
(1.上海师范大学生物系 ,上海　200234;2.中国科学院水生生物研究所 ,武汉　430072)
摘要:以 Tilman提出的“资源竞争机制学说”为依据 , 在单因子(光 、磷)限制条件下 ,测定并计算铜绿微囊藻(Microcystis
aeruginosa)和斜生栅藻(Scenedesm usobliqu us)的半饱和常数,以双因子交互作用模型预测它们的生长动态.结果表明:在光
强为 10.0～ 17.1μE和磷浓度为 3.10～ 20.0μmol的范围内 ,微囊藻的生长率大于栅藻的生长率.说明磷的增加是微囊藻成
为水华的充分条件 ,但不是必要条件 ,至少低光强是一个重要的作用因子.
关键词:资源竞争;动力学;蓝藻水华;铜绿微囊藻;斜生栅藻
The dynamics of Microcystis aeruginosa Kǜtz and Scenedesmus obliquus
(Turp.)Kǜtz Competition for resources———
Ⅰ .Growth dynamics and half-saturated constant of phosphorus-limited and irradi-
ance of light-limited
CHEN Dehui1 ,ZHANG Zongshe1 ,LIU Yongding2 ,GU Lindi1 ,YUAN Junfeng1 , SONG Lirong2
(1.Shanghai Normal University , Shanghai 200234;2.Inst itute of Hydrobiology CAS ,Wuhan 430072)
Abstract:The experiments were craried out based on Tilman s mechanistic theory of resource competition.The specific grow th rates
of Microcystis aeruginos and Scenedesmus obliquus were measured with phosphorus-limited or irradiance of light-limited, andhalf-sat-
urated constants of M .aeruginos and S.obliquus were calculated , then their growth dynamics were predicted by the modification of
Monod equat ion for interact ion between pohsphou rs and the irradiance.The results displayed that growth rate of M.aerugions is larg-
er than that of S.obliquus in the range of irradiance between 10.0～ 17.1μE.m-2.s-1 and phosphorus.3.10 ～ 20.0μmol·L-1.
This illustrates that the phosphorus is one , not full of requiremen ts for M .aerug inos bloom exploding , but low irradiance of ligh t is
necessary at least.
Keywords:resources competi tion;dynamics;microcystis aeruginosa Kǜ tz;Scenedesmus obliquus(Turp.)Kǜ tz;cyanobacteria bloom
收稿日期:1999-01-18;修订日期:1999-07-15
基金项目:国家自然科学基金资助(项目号:39370141和 39730380)
作者简介:陈德辉(1962—),男 ,副研究员(博士)
近几年蓝藻水华在长江流域的通江湖泊频频爆发 ,并且泛滥成为灾害.其中以分解时产生
异味 ,含有毒素 ,有时甚至引起人 、畜中毒的微囊藻“水华”受到世人关注[ 1] .“七五”期间全国
湖泊富营化调查资料及其他文献报道都表明 ,并不是所有富营养型湖泊或同一湖泊每年都出
现以微囊藻占优势的浮游植物群落[ 2] .有关蓝藻水华大量出现的机理 ,国内外都进行了广泛
的研究 ,认为主要由于营养元素的增多引起 ,并且以氮 、磷等元素的藻类生长潜力(AGP)的测
试作为判断藻类大量出现的手段.AGP 测试的目的在于以营养盐浓度和藻类生物量的线性关
系来判断湖泊的营养状态 ,而不在于探讨某一种类是否成为优势 ,所以还不能充分地说明蓝藻
水华出现的原因[ 3] .本文以 Tilman(1976)提出的“资源竞争机制学说”为理论依据[ 4] ,认为光
第 20卷第 3期
2000 年 5 月
环　境　科　学　学　报
ACTA SCIENT IAE CIRCUMSTANTIAE
Vol.20 , No.3
May , 2000
DOI :10.13671/j.hjkxxb.2000.03.019
是藻类生长的重要资源 ,并开展光对藻类种群数量动态的研究.由 Monod(1950)提出的种群
增长率和营养浓度之间的关系模型[ 5] ,进行试验设计.测定单因子(光 、磷)限制条件下 ,铜绿
微囊藻(Microcystis aeruginosa)和斜生栅藻(Scendesmus obliquus)的生长率;以此计算这两种
藻类光和磷的半饱和常数 ,比较其生长率的动态变化;并利用修正的 Monod方程对两种藻类
的竞争结果作了预测.
1　材料和方法
1.1　材料
铜绿微囊藻 [ Microcystis aerugionosa Kǜtz , M.A.] 、斜生栅藻 [ Scendesmus obliquus
(Turp.)Kǜtz ,S.O.] ,取自中科院武汉水生生物研究所.保存在 14 ℃的光照培养箱中 ,在试验
前两周转接到液体的藻类测试培养基(AAM)中 ,在正式试验前实行饥饿培养.
1.2　方法
1.2.1　接种藻液的准备　将饥饿培养的藻类以 5000 r/min离心 5 min ,去掉上清液;15 ppm
NaHCO3洗涤 ,离心 ,去上清 ,去除吸附性的营养;重复洗涤 ,离心一次;应用饥饿培养基稀释至
接种所需的藻细胞浓度[ 6] .试验所需的所有玻璃器皿经过冲洗后 ,在0.1mol/ L HCl中浸泡30
min ,经过双玻重蒸水冲洗 、烘干;121 ℃高压蒸汽灭菌备用.
磷浓度的设置如下:0.136 ～ 16.95μmol/L P-PO4.光强度系列设置如下:微囊藻 , 13.2—
218.4μE·m-2·s-1;栅藻 12.0—444.0μE·m-2·s-1.应用等对数法进行设置.
营养液的配制如下:称取烘干恒重的 K2HPO4配成 1000倍于磷浓度系列中的最高浓度的
储藏母液.整个试验以 AAM 为基本成份 ,配制成缺磷的饥饿培养基 ,按所设置的浓度加入所
需的磷母液的量.
1.2.2　接种培养　微囊藻和栅藻的初始密度为4.0×104 cell/mL ,在 120或 150mL 的锥形瓶
中 ,先加入 49mL 的培养液 ,然后每瓶加入 1 mL 的接种藻液 ,每个处理组有 3个重复.日光灯
冷光源 ,120±8.4μmol.s-1·m-2 ,光周期 12L :12D;培养温度 25±1℃;在光照期间 ,每隔 2 h ,
摇动培养瓶一次.
1.2.3　细胞计数和增长率(μ)的计算　自接种的次日起 ,每日在同一时间 ,利用微量吸液器
吸取 1mL 的藻类培养液 ,移至经高压灭菌的加有 0.05 mL 鲁哥氏液的青霉素瓶中 ,整个取样
过程都是在无菌操作台上进行的.采用平板计数法 ,在 Olypus双筒显微镜下 ,进行细胞计数.
以公式 μ=ln(x n/ x n-1)/(t n-t n-1),(x n:当天的细胞数值;x n-1:前一天的细胞数值;tn :对
应于 xn 的培养天数;t n-1:对应于 xn-1的培养天数)计算指数生长期内的藻类比增长率极值 ,
单位为 d-1[ 7] ,作为藻类在某一光强度或某一营养浓度下增长率(μ,d-1)的估计值.
1.2.4　半饱和常数的计算 　参考 Hanes-Woolf 方法将 Monod 方程 , μ=(μmax·Cs)/(ks +
C s),整理成 C s/μ=k s/ μmax +Cs/μmax的形式[ 8](C s 为对应的资源量 ,即磷浓度或光强度 , k s
对应资源半饱和常数),以统计学的最小二乘法的程序求出上述方程的斜率(1/μmax)和截距
(ks/μmax).斜率的倒数和截距的乘积即为半饱和常数(k s).
1.2.5　增长参数的模拟计算　以 Monod方程为基础 ,利用增长率公式 , μ=μmax·[ C I/(C I+
k I)]·[ Cp/(Cp+k p)]模拟运算每种藻类在磷与光强两因子组合条件下 ,增长率的动态变化.
根据实验结果设定:磷的浓度范围为 0.10—20μmol·L-1 ,光强度范围为 10—500 μE·m-2·
350 环　　境　　科　　学　　学　　报 20 卷
s-1 ,应用等对数设置法 ,将上述 3个因子分为 25 个运算步长(见表 1).所有的模拟运算都在
Pentium120计算机上进行.
表 1　模拟微囊藻栅藻增长率的磷浓度(Cp , μmol·L-1)和光强度(C I , μE·m-2.s-1)的等对数运算步长设置
Table 1　The gradient step of phosphorus concent ration(C p ,μmol·L -1)and irradiance of ligh t(C I ,μE.m-2.s-1)for calculat ing
grow th rate of M.aeruginosa and S.obliquus
运算步长 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Cp 0.10 0.12 0.15 0.19 0.23 0.29 0.36 0.44 0.55 0.67 0.83 1.03 1.27
C I 10.0 11.7 13.7 15.6 18.7 21.9 25.6 29.9 35.0 40.9 47.8 55.9 65.4
运算步长 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Cp 1.57 1.94 2.40 2.96 3.67 4.54 5.61 6.93 8.57 10.6 13.1 16.2 20.0
C I 76.5 89.4 104.6 122.3 143.0 167.2 195.5 228.7 267.4 312.7 365.6 427.6 500.0
3　结果
3.1　微囊藻和栅藻在磷限制下的生长率
磷限制条件下试验的结果见表 2 ,随着磷浓度的增加 ,生长率呈上升的趋势.对试验结果
进行方差分析表明 , F 值大于临界值(p<0.01),即处理组间差异极显著(表 2).对试验结果
(即 Cp 与 Cp/ μ)进行回归分析 ,结果见表 3.求出微囊藻的回归方程为 Cp/μ=0.375+0.910
Cp.斜率的倒数为微囊藻在磷饱和时最大生长率(μmax)等于 1.098 ,其与截距的乘积即为磷的
半饱和常数(k p),是 0.412μmolP .同理 ,求出栅藻的回归方程为 Cp/μ=0.021+0.533Cp.磷
饱和时最大生长率(μmax)等于 1.880 ,半饱和常数(k p)是 0.039μmol(P).
表 2　不同磷浓度[ Cp] 下微囊藻和栅藻生长率(μ, d-1)及其方差分析
Table 2　Grow th rate(μ, d-1)of M.aeruginosa and wi th phosphorus(C p)gradient and it s ANOVA
微　　囊　　藻 栅　　　　　藻
C p , μm ol·L -1 μ平均值 标准差 C p/ μ C p , μmol·L -1 μ平均值 标准差 Cp/ μ
0.136 0.658 0.023 0.207 0.136 1.78 0.013 0.076
0.339 0.770 0.096 0.440 0.339 1.506 0.021 0.225
0.849 0.752 0.021 1.128 0.849 1.820 0.021 0.467
2.153 0.788 0.068 2.733 2.153 1.263 0.006 1.705
6.005 0.977 0.197 6.146 6.005 1.241 0.101 4.588
16.950 1.083 0.044 15.640 16.95 1.344 0.123 12.618
F值 8.193>F　512 ,0.01(5.06) F值 40.63>F　512 ,0.01(5.06)
表 3　磷浓度(Cp)及其与微囊藻 、栅藻生长率之比(Cp/ μ)的回归分析结果
Table 3　The result s of regression analysis betw een phosphorus concent ration(C p)and the ratio of
the C p to grow th rate of M .aeruginosa and(C p/μ)
微　囊　藻 栅　　藻
系数 下限(95%) 上限(95%) r 2 系数 下限(95%) 上限(95%) r 2
截距 0.375 -0.0826 0.833 0.998 截距 0.021 -0.368 0.409 0.989
斜率 0.910 0.848 0.971 斜率 0.533 -0.195 1.261
3513 期 陈德辉等:微囊藻栅资源竞争的动力学过程
3.2　微囊藻和栅藻在光限制下的生长率
两种藻光限制条件下生长率的试验结果见表 4 ,对结果的方差分析表明 ,处理组间的差异
远大于随机误差.两种藻的生长率随着光强的增大而增大.对试验结果(即 C I 与 C I/ μ)进行
回归分析 ,结果见表 5.求出这次试验微囊藻的回归方程 C I/μ=22.39+0.821CI.则计算此方
程斜率的倒数得到微囊藻光饱和时最大生长率(μmax)为 1.22 ,它与截距的乘积即为微囊藻光
的半饱和常数(k p), 是 27.31 μE·m-2·s-1.同理 ,求出栅藻的回归方程:CI/μ=27.98+
0.496CI.栅藻光饱和时最大生长率(μmax)为 2.02 ,半饱和常数(k p),是 56.41μE·m-2·s-1.
表 4　不同光强度(CI)下微囊藻和栅藻的生长率(μ, d-1)及其方差分析
Table 4　Grow th rate(μ)of M.aeruginosa and w ith irradiance(C I)gradien t and i ts ANOVA
微　　囊　　藻 栅　　　　　藻
C I ,μE μ平均值 标准差 C I/ μ C I ,μE μ平均值 标准差 C I/ μ
13.20 0.435 0.118 30.35 12.00 0.515 0.164 23.32
36.00 0.806 0.089 44.67 60.00 1.129 0.145 60.55
100.80 0.872 0.042 115.60 108.00 1.237 0.050 87.33
123.60 0.913 0.071 135.40 156.00 1.396 0.032 111.80
168.00 1.094 0.054 153.50 204.00 1.486 0.069 137.30
202.80 1.103 0.024 183.90 252.00 1.640 0.050 153.60
218.40 1.085 0.119 201.40 300.00 2.024 0.323 148.30
F值 27.53>F　614 ,0.01(4.03) 348.00 1.611 0.011 216.1
396.00 1.740 0.042 227.60
444.00 1.820 0.156 244.00
F值 30.74>F　920 ,0.01(1.96)
表 5　光强度(CI)及其与微囊藻和栅藻生长率之比(CI/ μ)的回归分析结果
Table 5　The result s of regression analysis between i rradiance(CI)and the ratio of the irradiance to grow th
rate of M.aeruginosa and(C I/μ)
微　　囊　　藻 栅　　　　　藻
系数 下限(95%) 上限(95%) r 2 系数 下限(95%) 上限(95%) r 2
截距 22.39 5.918 38.85 0.993 截距 27.98 9.737 46.23 0.986
斜率 0.821 0.706 0.935 斜率 0.496 0.427 0.564
4　分析和讨论
蓝藻“水华”出现和富营养化机理的研究 ,原来都侧重于 N 、P 营养和藻类生物量相互关系
的研究 ,或者是营养状态的评价 ,或者是营养潜力的测试.限制性营养条件下藻类等微生物的
生长率和基质浓度之间的关系已由著名的莫若特方程加以描述 ,其中的半饱和常数是生物种
间竞争能力的重要指标.藻类的光合自养特性 ,和光辐射作为生态系统的能量来源 ,决定了光
辐射是藻类生存的最重要的资源之一.引入资源竞争概念之后 ,将光强类比于 N 、P 等营养元
素 ,讨论藻类利用光的动力学过程.
4.1　饥饿培养和浓度设置
有关藻细胞对 P 的奢侈消费 , Makereth报道美丽星杆藻贮存的磷超过所需的 20倍以
上[ 9] ;Gerloff分析了微囊藻细胞中的磷含量和临界值问题[ 10] ;Reynolds 则有较详细的论
述[ 11] .所以要测定藻细胞在营养限制条件下的动力学参数 ,必须进行饥饿培养以去除藻细胞
352 环　　境　　科　　学　　学　　报 20 卷
中多余的磷.根据 Droop提出的营养的细胞份额(cell quota)概念[ 12] ,和 Nalew ajko 所报道的藻
类 P浓度的最低需求量[ 13] ;设置了本试验的磷浓度系列.藻类进行光合作用固定 CO2 ,对光强
不存在“奢侈消费” ;故不必进行无光强输入“饥饿培养” .在光补偿点和光饱和之间 ,藻类的生
长动态只与光强度有关.培养过程中各处理组的最大比增长率都是在接种后的第二或第三日
得到.此时藻的光吸收在 0 ～ 0.09之间 ,透光率大于 95%,藻细胞几乎没有遮光效应.
4.2　半饱和常数的测定方式
Dugdale应用 Monod方程描述藻细胞中 P浓度和半饱和常数之间的关系[ 14] ;当应用半饱
和常数作为种群竞争和演替的参数时 ,以细胞对营养元素的吸收率作指标显然是不合适的.竞
争演替而成为优势是以数量的增加为前提的 ,藻类的数量增加是一个增长的概念;另一方面吸
收并不能代表整个生长过程 ,从细胞对营养成分的吸收到细胞的生长繁殖 ,包含一系列的生理
生化过程(Droop).故本研究借鉴 Monod的方法 ,以比增长率作为测定半饱和常数的指标.
4.3　生长动态的比较
以上述的结果为基础进行藻类生长动态的比较.
在磷限制条件下 ,微囊藻和栅藻的 Monod方程分别为 μ=1.10Cp/(0.412+Cp)和 μ=
1.88Cp/(0.039+Cp).它们的曲线见图 1 ,在整个磷浓度区间内 ,栅藻的生长率总是高于微囊
藻的生长率 ,并且高出的幅度都在 0.8以上.从理论上预测 ,无论P 处于高浓度还是低浓度 ,半
饱和常数低的种如栅藻比半饱和常数高的种如微囊藻更具有优势.这或许可以说明有些湖泊
尽管 P 含量很高 ,但是并不是每年都出现微囊藻水华.
在光限制条件下 ,微囊藻和栅藻的 Monod 方程分别为 μ=1.22C I(27.31+C I)和 μ=
2.02Cp(56.41+Cp).它们的曲线见图 2 ,当光强为 18.7μE时 ,两者的生长率相等;小于 18.7
μE 时 ,微囊藻的生长率大于栅藻的生长率;大于 18.7μE时则相反 ,微囊藻的生长率小于栅藻
的生长率.从理论上可以预言:在较低的光强下 ,铜绿微囊藻的增长率明显的高于斜生栅藻的
增长率 ,具有更高的成为优势的概率.
图 1　不同磷浓度下微囊藻和栅
藻的生长率
Fig.1　Grow th rate of M .aerug-
inosa and S.obliquus
with phosphorus gradient
图 2　不同光强度下微囊藻和栅
藻的生长率
Fig.2　Grow th rate of M.aerug-
inosa and S.obliqu us
wi th irradiance gradient of
light
图 3　不同光强度和磷浓度下栅藻
和微囊藻增长率的差
Fig.3　The difference w ith grow th
rate of M.aeruginosa to
that of S .obliqu us in com-
bination i radiance of ligh t
wi th phoshorus
3533 期 陈德辉等:微囊藻栅资源竞争的动力学过程
　　应用修正的 Monod方程 μ=μmax[ C I/(C I+k I)]·[ Cp/(Cp+k p)] ,描述两种限制性因子
相互作用时 ,藻类生长的动态过程.以此计算不同光强度和磷浓度相互作用下栅藻和微囊藻的
生长率 ,这两种藻类生长率的差(Δμ)见图 3.此时两种藻类生长率相等的状态 ,由图 2的一个
点变为一条线 ,即 Δμ为零的那条曲线.同样地 ,微囊藻生长率大于栅藻生长率区域 ,也由一个
线段区间变为一个平面(由 C I=10.0 ～ 17.1μΕ, Cp=3.10 ～ 20.0μmol和 Δμ为零的曲线构
成);而栅藻生长率大于微囊藻生长率的区域 ,则是 Δμ为零的曲线右下方的平面.
4.4　微囊优势过程
从以上的分析中可知:磷的增加是微囊藻成为水华所必须的 ,但并非是充分的条件.至少
光强度是一个重要的作用因子.因此微囊藻成为优势的可能过程是这样的 ,当水体营养增多到
一定的时候 ,即 Cp大于等于 3.10μmol时 ,而水体的中部或下部的光强则有可能下降到 17.1
μE·m-2·s-1以下 ,微囊藻大量繁殖 ,然后通过伪空泡的调控作用(Walsby A E et al ,1980[ 15] ;
Okada M [ 16]),而上升到水面 ,爆发成为“水华” ;同时随着悬浮物的增多 ,透明度的下降 ,则可
能使可以繁殖大量微囊藻的水层上升.
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