全 文 ：氮磷对微囊藻和栅藻生长及竞争的影响
万蕾1 , 朱伟1 , 2 , 赵联芳1 , 2
(1.河海大学环境科学与工程学院 ,南京　210098;2.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室 , 南京　210098)
摘要:为了揭示不同营养条件下 , 藻类优势种的形成规律 ,选取了 3 种具有代表性水体的营养盐浓度 , 对于蓝藻水华的常见种
铜绿微囊藻和绿藻水华的常见种四尾栅藻进行了竞争实验.通过竞争抑制参数对相互间的竞争关系进行了分析.结果表明 ,
在贫营养水平下 ,栅藻的存在能够刺激微囊藻的生长 , N P值越小 ,刺激作用越明显 , 微囊藻也能刺激栅藻的生长;富营养水平
下 ,竞争抑制作用与 N P有关;超富营养水平下 ,栅藻对微囊藻的抑制能力约为微囊藻对栅藻的抑制能力的 3倍 , N P值的变
化对竞争抑制作用的影响不明显.在较低氮磷浓度的水体中 ,微囊藻容易成为优势种 , 而在较高的氮磷浓度的水体中 ,四尾栅
藻更容易成为优势种.
关键词:氮磷;铜绿微囊藻;四尾栅藻;竞争
中图分类号:X52　文献标识码:A　文章编号:0250-3301(2007)06-1230-06
收稿日期:2006-08-30;修订日期:2006-10-24
基金项目:国家高技术研究发展计划(863)项目(2003AA601070 ,
2003AA601100)作者简介:万蕾(1981～ ),女 ,博士研究生 ,主要研究方向为污染水体
的生态修复技术及藻华暴发机理 , E-mail:hjwanl@163.com
Effect of Nitrogen and Phosphorus on Growth and Competition of M .aeruginosa
and S.quadricauda
WAN Lei
1 ,ZHU Wei1 , 2 ,ZHAO Lian-fang1 , 2
(1.College of Environmental Science and Engineering , Hohai University , Nanjing 210098 , China;2.State Key Laboratory of Hydrology-Water
Resources and Hydraulic Engineering ,Hohai University , Nanjing 210098 , China)
Abstract:In order to disclosure the formation rule of predominant species in different nutrition conditions , three kinds of nutrition concentration
were selected for the competition experiments with the common species of blue-green algae bloom Microcystis aeruginosa and the common
species of green algae bloom Scenedesmus quadricauda.The competition relation was analysed by the competition parameters.The results
indicate, in low nutrition , Scenedesmus quadricauda can stimulate the growth of Microcystis aeruginosa in mixed culture , the simulation
becomes evident in low N P ratio and M.aeruginosa can also stimulate the growth of S.quadricauda;in eutrophic condition , inhibition effect
is connected with N P;in hyper-eutrophic condition , the inhibition effect of S.quadricauda on M.aeruginosa is about three times as that of
M.aeruginosa on S .quadricauda , and the effect of N P ratio on competition inhibition parameters isn t evident.In low concentration N and
P water , M.aeruginosa is easy to become predominant species , while in high concentration N and P water , S .quadricanda is easy to
become predominant species.
Key words:N and P;Microcystis aeruginosa Kǜtz;Scenedesmus quadricauda;competition
　　随着水体污染程度的加剧 ,水华暴发越来越频
繁 ,对人类生产和生活带来了巨大的危害[ 1] .发生水
华的水体形态从湖泊 、水库到河流不同 ,从七八十年
代开始 ,我国的一些大中型湖泊如江苏太湖 、武汉东
湖频频暴发水华[ 2] ,到了 90 年代 ,长江支流汉江也
开始暴发水华[ 3] .但是 ,不同水体产生水华的优势种
不同 ,如湖泊蓝藻水华的优势种是微囊藻 ,而汉江发
生硅藻水华的优势种是小环藻[ 3] ,苏州河网地区常
常发生绿藻水华.调查研究发现 ,水体中氮磷浓度不
同可能是水体中浮游植物竞争产生优势种不同的原
因之一.研究不同氮磷浓度条件下浮游植物相互间
的竞争关系 ,对于确定不同水体浮游植物的优势种
及解释水华暴发机理具有非常重要的意义.
关于水华暴发机理的研究 ,对 N 、P 浓度及 N P
值与蓝藻尤其是微囊藻的生长关系的研究较多 ,如
赵孟绪等[ 4] 通过对影响蓝藻水华发生的主要因子进
行分析发现 ,汤溪水库蓝藻的生长基本不受氮磷浓
度的影响;刘镇盛等[ 5] 认为磷是抚仙湖浮游植物生
长的主要限制因子;Xie等[ 6] 认为较低的N P不是蓝
藻水华发生的条件而是结果.但关于藻类种间竞争
关系的研究较少 ,Hyenstrand等[ 7] 研究了栅藻和聚胞
藻在不同的无机氮的供给方式下的生长竞争情况;
陈德辉等[ 8] 研究了在特定氮磷浓度下微囊藻和斜生
栅藻的生长及竞争关系 ,初步揭示了在多种藻类竞
争条件下微囊藻水华形成的原因.目前的研究没有
涉及藻类的竞争结果与氮磷浓度的关系 ,为了进一
步明确不同营养水平下各种藻类在混生条件下 ,优
势种的形成机理 ,必须对在不同氮磷浓度水平下浮
第 28 卷第 6期
2007 年6 月 环　　境　　科　　学ENVIRONMENTAL SCIENCE
Vol.28 , No.6
Jun., 2007
DOI :10.13227/j.hjkx.2007.06.011
游植物的种间竞争关系进行系统的研究.本实验选
取了蓝藻水华常见的优势种铜绿微囊藻和绿藻水华
常见的四尾栅藻 ,进行不同营养条件下的竞争实验 ,
研究竞争条件下二者之间的相互影响 ,揭示了在不
同营养水平下优势种在与其它藻类共同生长过程中
竞争取胜的机理.
1　材料与方法
1.1　材料
实验所用铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)购
自中国科学研究院武汉水生生物研究所 ,四尾栅藻
(Scenedesmus quadricauda)分离自水华暴发期间的苏
州苗家河表层水体 ,两者均经室内扩大培养用于实
验.实验用培养基为微囊藻和栅藻均适宜的 BG11
培养基[ 9] ,在配制不同氮磷浓度时 ,以培养基为基
础 ,改变了氮磷浓度及氮磷比.
1.2　方法
1.2.1　培养方法
培养采用国际标准的“瓶法” ,即采用 250 mL 锥
形瓶 ,每瓶加入 100 mL 培养液 ,实验所用藻液经 15
mg L的NaHCO3 离心洗涤[ 10] .为了使实验时培养基
的营养水平保持相对恒定 ,研究竞争关系时采用半
连续培养的方法 ,考虑藻类对环境的适应性和营养
盐浓度的变化 ,在实验前期每隔 2 ～ 3 d 离心更换培
养液的30%左右 ,上清液的藻类数量在总量的 2%
以内 ,忽略不计.实验在光照培养箱中进行 ,培养温
度 24℃±1℃,光暗比 12 h 12 h ,光强2 500 ～ 3 000
lx ,每隔2 ～ 4 h手工摇晃1次 ,并随机更换锥形瓶的
位置.每个实验设置了 2个平行样.
1.2.2　现存量的计数方法
现存量的计数是从接种的次日起 ,每天或隔天
相同时间在显微镜下采用 0.1 mL 的生物计数框用
视野法[ 11]计数 ,并按下式计算细胞数量.
N = AAc × 1Va n (1)
式中 , N 为每 mL 水样中的藻类数量(cell mL);A 为
计数框面积(mm2);Ac 为计数面积(mm2);Va 为计数
框的体积(mL);n为计数所得藻类的数目.
1.2.3　竞争抑制参数的计算
(1)生长曲线的拟合　以逻辑斯谛方程拟合藻
类的增长过程.首先进行参数估计 , 每个处理组的
最大生物量(Xmax)作为各自 K 的估计值.应用逻辑
斯谛方程的对数形式:
ln[(K -N) N] =a -rt (2)
　　以最小二乘法进行回归分析 , 获得该方程的斜
率和截距作为 a 和 r的估计值.
(2)竞争抑制参数的计算　利用 Lotka-Volterra
的竞争模型的差分形式:
(N sn -N sn-1) (t n -t n-1)=
r sN sn-1(K s -N sn-1 -αNmn-1) K s (3)
(Nmn -Nmn-1) (t n -t n-1)=
rmNmn-1(Km -Nmn-1 -βN sn-1) Km (4)
式中 , N sn , Nmn分别为共培养中栅藻和微囊藻在时
间 t n时的数量(×104 cell mL);N sn-1 , Nmn-1分别为共
培养中栅藻和微囊藻在时间 t n-1时的数量(×104
cell mL);r s , rm分别为栅藻和微囊藻的增长率(由单
种培养经回归计算获得);K s , Km分别为栅藻和微
囊藻的最大环境容量(由单种培养获得);α, β分别
为共培养中微囊藻对栅藻和栅藻对微囊藻竞争抑制
参数.
应用上述公式计算共培养藻类增长曲线在拐点
以后的每一单位时间的所有竞争抑制参数 , 取其平
均值作为该种竞争抑制参数的估计值.
(3)抑制起始点的确定　即藻类增长曲线的拐
点 , 为逻辑斯谛方程二阶导数等于零时的时间 t p
值 , 这时 N=K 2 , tp =(a-ln2) r.因为是差分形
式 , 故 t p 对(a-ln2) r 取整数.
1.3　营养水平的确定
为了研究微囊藻和栅藻在不同营养水平下的生
长竞争情况 ,必须确定几种有代表性的水体营养水
平.根据实地调查 ,参考浙江的千岛湖 、江苏的太湖
以及苏州的城市河道苗家河 3类水体的营养水平及
实际水体和藻类适宜生长的 N P 范围 ,确定竞争实
验采用的氮磷浓度见表 1.
表 1　实验采用的氮磷比及氮磷浓度 mg·L-1
Table 1　Concentration of N and P and N P ratio mg·L-1
N P 贫营养 富营养 超富营养
10 N=0.1 , P=0.01 N=2 , P=0.2 N=10 , P=1
15 N=0.15 , P=0.01 N=3 , P=0.2 N=15 , P=1
20 N=0.2 , P=0.01 N=4 , P=0.2 N=20 , P=1
2　结果与分析
2.1　贫营养水平下藻类的竞争
在贫营养水平下培养 10 d 左右后藻类的数量
基本趋于稳定.将这一时期内显微镜下计数得到的
藻类数量随时间的变化结果整理为图 1.从图 1中
可以看出 ,在贫营养水平下 ,随 N P 值的增大 ,单独
培养微囊藻和栅藻的最大现存量都有所增加 ,但微
12316 期 万蕾等:氮磷对微囊藻和栅藻生长及竞争的影响
囊藻的增加更为明显.在共同培养条件下 ,栅藻的最
大现存量都比单独培养的有所增加 , 增加倍率在
0.6 ～ 1.6之间不等.而微囊藻则根据不同 N P 值条
件 ,生长状况有一定的变化.
图 1　贫营养条件下栅藻和微囊藻的生长曲线
Fig.1　Growth curve of M.aeruginosa and
S.quadricanda in low nut rition
　
在贫营养水平下 ,对栅藻和微囊藻的生长过程
进行参数拟和并计算二者之间的竞争抑制参数 ,结
果见图2.图中α为微囊藻对栅藻的竞争抑制参数 , β
为栅藻对微囊藻的竞争抑制参数.从图 2中可以看
出 ,微囊藻对栅藻的竞争抑制参数α均为负值 ,也就
是说在贫营养条件下 ,微囊藻的存在不但不能抑制
栅藻的生长反而刺激栅藻的生长 ,这种刺激作用随
N P 值的增大而更加明显.从栅藻对微囊藻的竞争
抑制参数 β来看 ,当N P值较小时 ,栅藻的存在也对
微囊藻的生长起到了极大的刺激作用 ,随 N P 值的
增大 ,刺激作用减小 ,当 N P 值为 20时 ,栅藻对微囊
藻的生长产生了一定的抑制作用.
图 2　微囊藻和栅藻之间的竞争抑制参数(贫营养)
Fig.2　Competitive inhibition parameters of M.aeruginosa
and S.quadricauda (in low nut rition)
　
2.2　富营养水平下的竞争
在富营养水平情况下 ,铜绿微囊藻和四尾栅藻
虽在第 20 d时生长基本趋于稳定 ,由于这一营养水
平在我国污染水体中有较大的代表性 ,因此对竞争
条件下的微囊藻和栅藻的生长情况延长了实验的时
间 ,实验得到的微囊藻和栅藻生长曲线见图 3.从图
3中可以看出 ,在富营养水平下 ,随 N P 值的增大 ,
单独培养微囊藻和栅藻的最大现存量都呈增加趋
势 ,但变化并不明显.与单独培养相比 ,在存在竞争
的共同培养条件下 ,微囊藻和栅藻的数量都有所减
少 ,表现出互相抑制的作用.
在富营养水平下 ,对单独培养和共同培养中栅
藻和微囊藻的生长过程(衰亡期之前)进行逻辑斯缔
方程的参数估计 ,并计算竞争抑制参数(图 4).从图
4中可以看出 ,α和 β值均随N P值的增加而呈增加
趋势 ,在低N P为 10 时 ,无论是栅藻对微囊藻还是
微囊藻对栅藻的抑制作用还不甚明显;但 N P为 15
时 ,抑制作用渐趋显著 ,两者的相互抑制作用强度相
当;但当 N P 值增加到 20时 ,栅藻对微囊藻的竞争
抑制参数是微囊藻对栅藻的近 4倍.
2.3　超富营养水平下的竞争
在超富营养水平下 ,微囊藻和栅藻的生长情况
见图5.由于在试验进行到 14 d时 ,微囊藻培养中出
现杂藻 ,因此 ,实验周期定为 14 d.从图 5中可以看
出 ,当水体中氮磷的浓度较高时 ,单独培养的四尾栅
藻的生长情况明显好于铜绿微囊藻.从实验期间的
最大现存量(第 10 d的数据)分析 ,单独培养微囊藻
1232 环　　境　　科　　学 28 卷
图 3　富营养条件下微囊藻和栅藻生长曲线
Fig.3　Growth curve of M.aeruginosa
and S.quadricauda in eut rophic condition
　
图 4　微囊藻和栅藻之间的竞争抑制参数(富营养)
Fig.4　Competitive inhibit ion parameters of M.aeruginosa
and S.quadricauda(in eutrophic condition)
　
在N P 值为15时的最大现存量最大 ,单独培养栅藻
的最大现存量变化不大.共同培养条件下 ,微囊藻的
数量比单独培养大幅度减少.共同培养栅藻的数量
也比单独培养栅藻的数量少 ,最大现存量减少的百
分比从 27%～ 44%不等.
图 5　超富营养条件下微囊藻和栅藻生长曲线
Fig.5　Growth curve of M.aeruginosa
and S.quadricauda in hyper-eut rophic condition
　
在超富营养水平下 ,对单独培养和共同培养中
栅藻和微囊藻的生长过程(第 10 d 之前)进行逻辑
斯缔方程的参数估计并计算竞争抑制参数 ,结果见
图 6.从图6 中可以看出 ,在高浓度氮磷情况下 ,无
论N P值的大小 ,四尾栅藻对铜绿微囊藻的竞争抑
制参数 β明显大于铜绿微囊藻对四尾栅藻的抑制参
数α,并且α和 β均随 N P 值的增大而减小.栅藻对
微囊藻的抑制参数为微囊藻对栅藻的竞争抑制参数
的 3倍左右.
12336 期 万蕾等:氮磷对微囊藻和栅藻生长及竞争的影响
图 6　微囊藻和栅藻之间的竞争抑制参数(超富营养)
Fig.6　Competitive inhibit ion parameters of M.aeruginosa
and S.quadricauda(in hyper-eutrophic condition)
3　讨论
通常认为铜绿微囊藻适宜在较低N P值的水体
中生活 ,如果在氮和磷含量均较高的水体中 ,这一结
论也应是正确的.但从实验结果看 ,在营养盐浓度较
低的水体中 ,无论是氮还是磷只要有一种营养盐浓
度较高 ,均会刺激铜绿微囊藻的生长.由于铜绿微囊
藻对氮磷亲和力(半饱和常数)的不同 ,氮磷比对铜
绿微囊藻生长的影响并不表现在一个确定值上 ,也不
能用某一确定比例来衡量一个特定水环境中影响铜
绿微囊藻生长的限制性营养元素 ,而应结合氮 、磷浓
度与氮磷比进行综合考察确定[ 12] .而四尾栅藻单独
培养时的最大现存量均随 N P值的增大而增大.
在本研究确定的 3种营养水平中 ,铜绿微囊藻
最为适宜的是富营养水平 ,也就是N为2 ～ 4mg L ,P
=0.2 mg L的范围 ,这时它的最大现存量远远大于
本次实验设定的贫营养水平和超富营养水平.同样 ,
四尾栅藻也在富营养水平时出现了最大现存量.与
铜绿微囊藻不同的是 ,在超富营养水平下四尾栅藻
仍然保持了较高的现存量 ,与富营养水平的差异不
是非常明显 ,也就是说 ,与铜绿微囊藻相比四尾栅藻
更耐污一些.
从共同培养的实验结果可以看出 ,在富 、超富营
养条件下 ,铜绿微囊藻与四尾栅藻的最大现存数都
低于单独培养实验得到的数值 ,说明了两者之间存
在着明显的互相竞争和互相抑制.而在贫营养条件
下 ,铜绿微囊藻与四尾栅藻的最大现存数却高于单
独培养实验得到的数值.在实验中发现 ,在贫营养水
平下形体较小的微囊藻可以寄生于四尾栅藻藻体内
(见图 7).显微镜下的这种现象在贫营养水平下较
为多见 ,而在富 、超富营养水平下没有观察到.说明
在营养较少的条件下 ,有可能通过寄生 、互相依存提
高了营养的利用率.
图 7　微囊藻寄生于栅藻的照片
Fig.7　Photoes of M.aeruginosa eroded S.quadricauda
　
在不同的富营养化水体中 ,水华的优势种有所
不同.秦伯强[ 2 ,13] 指出 ,在富营养化之前 ,水体中以
甲藻和绿藻居多 ,发生富营养化后 ,水体中蓝藻的数
量急剧增多 ,但是在水体进一步污染 ,氮磷浓度进一
步升高以后 ,原先具有竞争优势的蓝藻等会逐渐失去
优势.根据本研究的实验结果 ,从机理上进一步明确
了在竞争过程种优势种的形成机理 ,仅仅以栅藻和微
囊藻而言 ,在较贫营养的条件下 ,易于发生微囊藻水
华 ,而较富营养的条件下更易于发生栅藻水华.
4　结论
(1)无论在单独培养条件下还是在共同培养条
件下 , 富营养水平 , 也就是本实验所设定的 N 为
2 ～ 4 mg L ,P=0.2 mg L的范围均适宜微囊藻和栅藻
的生长.
(2)在竞争条件下 ,铜绿微囊藻更适宜于中等偏
低的营养水平 ,而四尾栅藻却适宜于中等偏高的营
养水平 ,这也许是解释污染严重的水体更容易暴发
绿藻水华的机理.
(3)在大多数营养条件下 ,铜绿微囊藻与四尾栅
藻表现出相互竞争 、相互抑制的作用.但是在贫营养
水平 、N P 值小的情况下 ,也会表现出互相促进的共
生现象 ,这可能是由于微囊藻寄生提高了营养的利
用效率.
(4)在氮和磷浓度均较低的贫营养的水体中N P
值会对藻类的生长 、繁殖产生明显的影响.一旦氮 、
磷浓度达到一定水平 ,N P 值对藻类生长 、繁殖的影
响不再明显.
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