全 文 ：塔玛亚历山大藻对氮和磷的吸收及其生长特性 3
石岩峻1 　胡晗华2 3 3 　马润宇1 　丛　威2 　蔡昭铃2
(1 北京化工大学化学工程学院 ,北京 100029 ;2 中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室 ,北京 100080)
【摘要】　参照塔玛亚历山大藻 ( A lexandrium tam arense) 赤潮爆发时的物理条件 ,以 f/ 2 加富的人工海水
为培养基 ,设定了不同的氮、磷水平 ,研究了在室内批量培养条件下 ,塔玛亚历山大藻对无机氮、磷的吸收
和无机氮、磷对塔玛亚历山大藻细胞生长的影响. 结果表明 ,3 种氮浓度条件下 ,塔玛亚历山大藻的比生长
速率几乎没有差异 ,但低氮 (0. 0882 mmol·L - 1) 条件下 ,藻细胞的生物量最低 ;中氮 (0. 882 mmol·L - 1) 条
件下 ,藻细胞具有最大的生物量 ,分别比高氮 (2. 646 mmol·L - 1)和低氮下增加 44. 7 %和 53. 6 %. 随着培养
基中磷浓度的升高 ,藻细胞生物量也升高 ,在高磷 (0. 108 mmol·L - 1) 条件下达到最大值 17200 cell·ml - 1 ,
但在中磷 (0. 036 mmol·L - 1)条件下藻细胞具有最大的比生长速率. 藻细胞对氮、磷的吸收速率与生长状
态有密切关系 ,氮、磷限制条件下生长的藻细胞对氮、磷有快速的吸收. 研究显示 ,低的 N/ P 比有利于塔玛
亚历山大藻的生长分裂 ,对数生长后期适当补氮则有利于其生物量的积累.
关键词 　赤潮 　氮 　磷 　比生长速率 　塔玛亚历山大藻
文章编号 　1001 - 9332 (2003) 07 - 1143 - 04 　中图分类号 　Q948. 8 　文献标识码 　A
Nitrogen and phosphorus absorption and growth characteristics of Alexandrium tamarense. SHI Yanjun1 ,HU
Hanhua2 ,MA Runyu1 ,CON G Wei2 ,CAI Zhaoling2 (1 School of Chemical Engineering , Beijing U niversity of
Chemical Technology , Beijing 100029 , China ;2 S tate Key L aboratory of Biochemical Engineering , Institute
of Process Engineering , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100080 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2003 ,
14 (7) :1143～1146.
The uptake of nitrate and phosphate by A lexandrium tam arense and its growth characteristics were studied in
laboratory cultures , which were conducted using environmentally realistic levels of physical factors during red tide
occurrences. The results indicated that the specific growth rate had little difference under three nitrate levels
(low2nitrate , 0. 0882 mmol·L - 1 ; middle2nitrate , 0. 882 mmol·L - 1 ; high2nitrate , 2. 646 mmol·L - 1) . The cell
yield was the lowest at low2nitrate , a maximum yield was achieved at the middle2nitrate , which increased by
44. 7 % and 53. 6 % respectively ,compared with high2nitrate and low2nitrate. The cell yield increased with in2
creasing phosphate concentrations in cultures (low2phosphate , 0. 0036 mmol·L - 1 ; middle2phosphate , 0. 036
mmol·L - 1 ; high2phosphate , 0. 108 mmol·L - 1) , and the maximum yield (17200 cell·ml - 1) was observed at
high2phosphate concentration , while the maximum specific growth rate occurred at middle2phosphate. The
growth conditions had a significant effect on the uptake rate of nitrate and phosphate by cells , and the cells
grown in low2nitrate and low2phosphate cultures had a higher uptake rate. Further experiment suggested that
lower ratio of N/ P promoted the propagation of cells , and the supplementation of nitrate at later exponential
growth phase had a positive effect to the accumulation of biomass.
Key words 　A lexandrium tam arense , Red tide , Nitrogen , Phosphorus , Specific growth rate.3 国家重点基础研究发展规划项目 (2001CB409706) 和国家自然科
学基金资助项目 (20176060) .3 3 通讯联系人.
2002 - 12 - 18 收稿 ,2003 - 01 - 24 接受.
1 　引 　　言
有害赤潮肆虐于我国和世界各国沿海 ,是国际
社会共同关注的重大海洋环境问题和生态灾害 ,有
害赤潮已成为制约我国沿海经济可持续发展的重要
因素 ,引起了我国政府的高度重视和社会各界的普
遍关注. 围绕赤潮发生的原因生物学家已进行了大
量研究[2 , 6 , 7 , 10～12 , 15～17 ] . 长期以来 ,普遍认为氮和
磷是两个重要的因子. 海洋生物学家认为氮是海洋
环境中藻类自然种群生长的限制因子 ,湖泊生物学
家则倾向于磷是湖泊中净有机碳生产的限制因子 ,
开展了氮、磷限制条件下的研究[2 , 6 , 10 , 12 , 15 ] . 进一
步研究表明 ,多数海域中 N/ P 的变化与非硅藻类浮
游植物的生长密切相关 ,低 N/ P 有利于赤潮藻类的
“爆长”[6 ] .
塔玛亚历山大藻是常见的赤潮藻类 ,由其所形
成的赤潮在我国许多海域均有报道[14 , 18 , 19 ] . 许多
研究者对塔玛亚历山大藻生物学特性以及触发该藻
赤潮爆发的环境因子做过很多研究 ,这为阐明其爆
发机理有重要意义[7 , 13 , 17 ] . 另外 ,塔玛亚历山大藻
所产毒素表现出强烈的生物活性 ,有很高的药用价
应 用 生 态 学 报 　2003 年 7 月 　第 14 卷 　第 7 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,J ul. 2003 ,14 (7)∶1143～1146
值. 对其生长特性的深入研究 ,探讨影响其增殖的关
键环境因子或协同因子 ,有利于提高其生长速率 ,实
现高密度培养 ,可为开发利用该藻提供理论依据. 基
于此 ,本文研究了不同氮、磷浓度下塔玛亚历山大藻
的生长特性及其对氮、磷的吸收 ,以阐明氮、磷浓度
对塔玛亚历山大藻的增殖效应 ,同时 ,深入理解海洋
环境中氮、磷浓度变化与塔玛亚历山大藻赤潮爆发
的关系.
2 　材料与方法
211 　供试藻类
塔玛亚历山大藻 ( A lexandrium tam arense) 由中国科学
院海洋研究所提供. 将少量对数生长期的藻细胞接入盛 100
ml 相应培养基的 250 ml 的三角瓶中 ,置于温度为 22 ℃、光
强为 60μmol photon·m - 2·s - 1 、连续光照的植物培养箱中培
养.实验分成 6 组 ,营养盐浓度除提到外均按照’f/ 2’AW[3 ]
培养基所设浓度添加. 设定低中高 3 种氮浓度 ,分别为
0. 0882、0. 882 和 2. 646 mmol·L - 1 ;低中高 3 种磷浓度 ,分别
为 0. 0036、0. 036 和 0. 108 mmol·L - 1 .
212 　氮、磷吸收速率的测定
生长在不同氮、磷浓度下对数生长期的藻细胞适量经离
心收获 ,人工海水洗一次后 ,用新鲜的 100 ml f/ 2AW (氮、磷
按要求另加)重悬 ,置于同上植物生长箱中培养 ,定时取样测
定藻细胞对氮、磷的吸收速率. 测定藻细胞对氮的吸收时 ,使
培养液中 NaNO3 浓度为 88. 2 μmol·L - 1 ,用分光光度法
(A220nm) [1 ] ;测定藻细胞对磷的吸收时 ,使培养液中 NaH2 PO4
浓度为 7. 2μmol·L - 1 ,用磷钼酸分光光度法[5 ] .
213 　常规分析
用浮游生物计数框 (0. 1 ml) 隔天计算藻细胞数 ;通过对
数生长期藻细胞数的变化用公式μ= ( lnX t - l nX0 ) / t 计算
比生长速率 ,X0 表示初始细胞密度 , Xt 表示 t 天后细胞密
度.根据 Jeffrey 等[8 ]的方法按公式 Chl a = 11. 47·OD664 nm -
0. 40·OD630 nm (在 90 %丙酮中)计算叶绿素 a 含量.
3 　结果与分析
311 　不同氮浓度下塔玛亚历山大藻的生长
　　不同 NaNO3 浓度下塔玛亚历山大藻的生长曲
线如图 1. 由图 1 可知 ,各种氮浓度下 ,在接种后数
天藻细胞生长缓慢 ,第六天后进入不同程度的对数
生长期. 低氮和中氮浓度下 ,藻细胞的生长趋势相
近 ,而在高氮条件下藻细胞生长相对缓慢. 不同氮浓
度下 ,藻细胞的比生长速率差异不大 ,分别为 0. 47
d - 1 、0. 45 d - 1和 0. 45 d - 1 ,其中低氮下藻细胞具有
较高的比生长速率. 高氮下藻细胞比生长速率和和
中氮下相同 ,而稳定期生物量则明显低于中氮下藻
细胞生物量. 低氮下藻细胞生物量最低 ,分别比高氮
表 1 　不同氮、磷水平下塔玛亚历山大藻的比生长速率(μ) 和稳定期
生物量的差异
Table 1 Biomass and specif ic growth rate (μ) of Alexandrium
tamarense at different Na NO3 and Na H2PO4 levels
浓度
Concentration
(mmol·L - 1)
比生长速率
Specific
growth rate (d - 1)
生物量
Biomass
(104 cell·ml - 1)
低 N Low N (0. 0882) 0. 47 0. 97
中 N Middle N (0. 882) 0. 45 1. 49
高 N High N (2. 646) 0. 45 1. 03
低 P Low P (0. 0036) 0. 28 0. 23
中 P Middle P (0. 036) 0. 50 1. 51
高 P High P (0. 108) 0. 46 1. 72
图 1 　不同氮浓度水平下塔玛亚历山大藻的生长
Fig. 1 Growth of A lexandrium tamarense at different NaNO3 levels.
Ⅰ. 低 N Low N , Ⅱ. 中 N Middle N , Ⅲ. 高 N High N.
和中氮减少了 6 %和 35 %(表 1) .
312 　不同磷浓度下塔玛亚历山大藻的生长
　　不同 NaH2 PO4 浓度下塔玛亚历山大藻的生长
随时间的变化曲线基本呈现出“S”形 (图 2) ,但低磷
条件下 ,在藻细胞生长的后期 ,细胞数急剧下降. 低
磷下 ,在显微镜下观察对数后期藻细胞 ,均为单个 ,
且多数藻细胞游动变慢 ,并有藻细胞死亡后遗留的
空壳. 低磷下藻细胞比生长速率和生物量均最低 ,高
磷下藻细胞生物量最高 ,比中磷条件下增加 14 %.
藻细胞在中磷下具有最高的比生长速率 (表 1) .
313 　不同氮、磷浓度下塔玛亚历山大藻的叶绿素 a
含量
　　随着培养基中氮浓度增加 ,单位藻细胞叶绿素
a 的含量明显增加 ,特别是在高氮条件下藻细胞叶
绿素 a 含量明显高于中氮和低氮条件下藻细胞叶绿
素 a 含量. 中氮和低氮条件下 ,藻细胞的叶绿素 a 含
量差异不大. 与此相反 ,单位细胞叶绿素 a 含量随培
养基中磷浓度的增加而下降. 在高磷条件下 ,藻细胞
叶绿素 a 含量要明显低于低磷和中磷条件 (图 3) .
314 　不同氮、磷浓度下藻细胞对氮、磷的吸收速率
　　如表 2 所示 ,低氮和中氮条件下生长的塔玛亚
历山大藻细胞对 NaNO3 均有较高的吸收速率 ,而在
4411 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷
图 2 　不同磷浓度水平下塔玛亚历山大藻的生长
Fig. 2 Growth of A lexandrium tamarense at different NaH2PO4 levels.
Ⅰ. 低 P Low P , Ⅱ. 中 P Middle P , Ⅲ. 高 P High P.
图 3 　不同氮、磷浓度下塔玛亚历山大藻的叶绿素 a 含量
Fig. 3 Chlorophyll a content of A lexandrium tamarense at different
NaNO3 and NaH2PO4 levels.
短期内未能检测出高氮下藻细胞对氮的吸收 ,吸收
速率为负值 ,说明富氮条件下生长的藻细胞表现出
向外分泌硝酸盐. 不同氮浓度下塔玛亚历山大藻细
胞对 NaH2 PO4 的吸收速率差异明显 ,其中中氮下吸
收速率最高 ,高氮下吸收速率最低. 低氮和中氮下藻
细胞对氮、磷吸收比值 (N/ P)分别为 73∶1 和 63∶1.
表 2 　不同氮、磷水平下塔玛亚历山大藻对氮、磷的吸收速率( V)
Table 2 Nutrient uptake rate ( V) of Alexandrium tamarense grown at
different Na NO3 and Na H2PO4 levels
浓度
Concentration
(mmol·L - 1)
吸收速率 Uptake rate (V)
NaNO3
(μmol·106 cells - 1·h - 1)
NaH2PO4
(μmol·108 cells - 1·h - 1)
低 N Low N (0. 0882) 2. 36 3. 25
中 N Middle N (0. 882) 4. 20 6. 66
High N (2. 646) - 0. 20 1. 10
低 P Low P (0. 0036) 5. 87 9. 40
中 P Middle P (0. 036) 4. 20 6. 66
高 P High P (0. 108) 2. 69 - 35. 11
　　对 NaH2 PO4 的吸收速率 ,在低磷下的藻细胞远
高于中磷下的藻细胞. 同样 ,在短期内高磷下藻细胞
表现出向外分泌磷酸盐 ,检测到吸收速率为负值. 不
同磷浓度下培养的塔玛亚历山大藻细胞对 NaNO3
的吸收随培养基中磷浓度增加而下降. 低磷下的藻
细胞对 NaNO3 的吸收速率最大. 低磷和中磷下藻细
胞对氮、磷吸收比值 (N/ P)分别为 62∶1 和 63∶1.
4 　讨 　　论
411 　塔玛亚历山大藻的生长特性
　　在我们实验所设的氮浓度范围内 (N/ P 为 2. 5
～73. 5) ,不同氮浓度对塔玛亚历山大藻的比生长速
率几乎没有影响 ,但对其稳定期生物量有很大的影
响. 实验表明 ,氮限制可以显著促进塔玛亚历山大藻
细胞的分裂 ,低氮条件下的塔玛亚历山大藻最先进
入对数期 ,然后依次是中氮和高氮条件. 由于在藻细
胞的生长后期 ,氮缺乏对生物量的积累是不利的 ,因
而低氮下生物量明显偏低. 表 1 显示 ,中氮条件下生
物量最高. 高氮下生物量却与低氮下相当 ,这可能是
因为高氮抑制了藻细胞的分裂 ,藻细胞在经过很长
时间生长后才能进入对数期 ,而此时氮浓度才相对
降低 ,但最终还是导致高氮下稳定期藻细胞生物量
低于中氮条件. 因而可以认为 ,低氮对于刺激藻细胞
分裂有利 ,但后期适当补氮则有利于藻细胞生物量
的积累.
　　不同磷浓度 (N/ P 为 8. 2～245) 对塔玛亚历山
大藻的比生长速率和稳定期生物量均有显著的影
响. 随着培养基中磷浓度的升高 ,稳定期藻细胞生物
量也升高 ,在高磷条件下生物量最高. 低磷显然对塔
玛亚历山大藻的生长是不利的 ,不但细胞分裂缓慢 ,
而且生物量低. 低磷的影响 ,除了极低磷浓度本身的
影响外 ,还说明相对高的 N/ P 比不利于塔玛亚历山
大藻的生长. 中磷藻细胞的比生长速率最大 ,并有较
高的生物量. 高磷下 ,N/ P 比 (8. 2) 相对偏低 ,因而 ,
不但藻细胞分裂较快 ,而且由于氮并不缺乏 ,所以生
物量也达到最大值.
　　不同营养状态培养的塔玛亚历山大藻对无机
氮、磷的吸收实验进一步说明 ,塔玛亚历山大藻对
氮、磷的吸收比例为 62～73∶1 ,此范围可似为该藻
对氮、磷吸收的生理范围. 结合生长实验 ,低于此比
例下 ,藻细胞分裂加快 ,而高于此比例 ,藻细胞的分
裂缓慢. 由此说明不同氮、磷浓度对塔玛亚历山大藻
生长的影响实质为不同的氮、磷比例的影响. 大量的
研究表明 ,氮、磷限制均可限制浮游植物的光合作用
54115 期 　　　　　　　　　　　　石岩峻等 :塔玛亚历山大藻对氮和磷的吸收及其生长特性 　　　　　　　
和生长[3 ,9 ,15 ] ,但这种影响无疑是对产量的影响. 实
验也表明 ,过低的磷浓度限制塔玛亚历山大藻的生
长. 在低氮条件下藻细胞的生长并没有受到限制 ,与
该藻的培养密度低也有很大的关系 ,在所设浓度下
藻细胞对氮的需求仍然可以得到满足 ,而后期由于
细胞数增加 ,氮的限制效应才显现出来. 从不同氮浓
度的叶绿素 a 含量也可以看出 ,低氮一定程度上限
制了塔玛亚历山大藻的光合作用. 低磷下藻细胞叶
绿素 a 含量高于高磷下 ,是由于低磷对细胞分裂的
限制而使藻细胞明显增大所致.
412 　环境中氮、磷浓度在塔玛亚历山大藻赤潮形成
中的作用
　　不同地域分离得到的塔玛亚历山大藻生长特性
有差异. 通常而言 ,不同的该藻藻株形成赤潮的温度
在 20 ℃左右变动 , 高可至 30 ℃, 低可至 14
℃[11 ,17 ] .其它物理因子如光强、海流、风 ,以及化学
因子和生物因子等对赤潮的形成均有影响. 我们参
照塔玛亚历山大藻赤潮爆发时的基本物理条件 ,如
光强和温度等 ,配制人工海水并以 f/ 2 加富 ,从而掌
握该藻在不同的氮、磷水平下的生长特性. 结果显
示 ,水体中低的 N/ P 比可能诱发塔玛亚历山大藻赤
潮的爆发. 污染严重的海域 ,富营养化严重 ,氮含量
往往偏高 ,赤潮爆发前期其他优势生物对氮的过量
消耗可能触发塔玛亚历山大藻的爆长 ,进而引发塔
玛亚历山大藻赤潮 ,而磷的耗尽在它的消亡中起重
要作用[12 ] .
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作者简介 　石岩峻 , 女 , 1968 年 7 月生 ,博士生 , 主要从事
生物化工研究 , 发表论文数篇. E2mail : shiyanjun66 @sina.
com
6411 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷