全 文 ：微小原甲藻的生长及其对锌限制的响应 3
胡晗华1 ,2 3 3 　石岩峻1 ,3 　丛　威1 　蔡昭铃1 　欧阳藩1
(1 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 ;2 厦门大学生命科学学院 ,厦门 361005 ;
3 北京化工大学化学工程学院 ,北京 100029)
【摘要】　研究了低中高 3 种 Zn2 + 浓度下 ,赤潮藻微小原甲藻的生长和生理响应. 结果表明 ,低 Zn (1. 4
pmol·L - 1)下 ,藻细胞的比生长速率和稳定期生物量分别为 0. 40 d - 1和 51100 cell·ml - 1 . 当 Zn2 + 浓度超过
24. 4 pmol·L - 1时 ,提高 Zn2 + 浓度 (181. 6 pmol·L - 1) ,藻细胞的比生长速率没有改变 ,为 0. 93 d - 1 ,而稳定
期生物量则略有下降 ,但均明显高于低 Zn 条件下藻细胞的比生长速率和稳定期生物量. Zn 限制条件下藻
细胞的叶绿素 a 合成受到影响 ,藻细胞光合作用需在更高光强下达到饱和. 随着 Zn2 + 浓度增加藻细胞光
饱和的光合作用速率 ( Pm)及光合作用效率 (α)均明显增大. 研究表明 ,富营养化水体中 ,高的 Zn 浓度是一
定条件下触发赤潮藻类爆发性增殖的重要因子之一.
关键词 　赤潮 　光合作用 　生长 　微小原甲藻 　锌限制
文章编号 　1001 - 9332 (2003) 07 - 1140 - 03 　中图分类号 　Q178. 53 　文献标识码 　A
Response of Prorocentrum minimum growth to zinc limitation. HU Hanhua1 ,2 ,SHI Yanjun1 ,3 , CON G Wei1 ,
CAI Zhaoling1 and OU YAN G Fan1 (1 S tate Key L aboratory of Biochemical Engineering , Institute of Process
Engineering , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100080 , China ;2 School of L if e Sciences , Xiamen U ni2
versity , Xiamen 361005 , China ;3 School of Chemical Engineering , Beijing U niversity of Chemical Technolo2
gy , Beijing 100029 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2003 ,14 (7) :1140～1142.
Studies on the growth and physiological response of red tide alga Prorocent rum minim um to three Zn2 + levels
were showed that the specific growth rate and biomass were limited in low Zn2 + 2grown cells (1. 4 pmol·L - 1 ,
which were 0. 40 d - 1 and 51100 cell·ml - 1 respectively. The specific growth rate was not significantly different
when the Zn2 + concentration in medium was increased over 24. 4 pmol·L - 1 ,but there was a slight decrease in
biomass ; however , both specific growth rate and biomass were much higher than those in low Zn2 + 2grown cells.
It was also showed that chlorophyll a synthesis was limited due to Zn2 + deficient ,and therefore ,the cells became
light saturated at higher irradiance under Zn2limited condition. Light2saturated photosynthetic rates ( Pm) and
photosynthetic efficiency (α) increased significantly with increasing Zn2 + concentrations. It was concluded that
Zn2 + concentration might be one of the key factors affecting red tide blooms in eutrophication environment .
Key words 　Red tide , Photosynthesis , Growth , Prorocent rum minim um , Zinc limitation.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 - 04 - 12 接受.
1 　引 　　言
赤潮藻的爆发是多种环境因子共同作用的结
果. 其中 ,赤潮爆发时水体温度和光强等物理因子较
易确定 ,水体中化学因子如氮、磷、铁和锰等对赤潮
藻类的影响有许多报道[5 ,8～10 ,14 ,15 ,18 ] . 许多研究表
明 ,水体中氮、磷和铁等营养源的浓度限制浮游植物
的生物量[5 ,8 ,19 ] . 其中在开放式大洋的某些区域 ,铁
浓度被认为是控制浮游植物产量的关键因子. 据此 ,
有学者提出了络合铁是触发赤潮爆发的原因之一 ,
并与氮协同作用 ( Fe2N co2limitation) [17 ] . 与此类似 ,
研究表明 ,锌可能限制海洋初级生产力 ,并因此影响
全球的碳循环[16 ] . 该假设认为 ,由于锌是光合作用
中碳酸酐酶的组分 ,锌的缺乏可能会限制藻类光合
作用 ,并且锌限制与无机碳有协同作用 ( Zn2C co2 limitation) .锌离子除了作为碳酸酐酶的组分外 ,还是酸性磷酸酶和碱性磷酸酶的组分 ,因而锌在浮游植物的营养源 ———碳和磷的代谢中起着重要作用. 由此 ,使得对有关锌浓度及其存在状态对藻类的影响越来越受到研究者的重视. 有不少关于锌限制对微藻生长、光合作用和生化组成影响的报道[2 ,3 ,5 ,12 ,16 ,19 ] . 然而 ,有关锌浓度对赤潮藻类的影响尚未见报道.微小原甲藻是一种常见的赤潮藻种 ,是我国赤潮爆发时的一种主要种类[20 ] . 我们以该藻为材料 ,在实验室条件下 ,通过控制培养基中的 Zn2 + 浓度 ,
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)∶1140～1142
研究微小原甲藻对 Zn2 + 浓度限制的生理响应 ,包括
藻细胞的生长和光合作用活性等. 为了解水体中锌
浓度对赤潮藻类的爆发提供理论依据.
2 　材料与方法
211 　材料与培养
微小原甲藻 ( Prorocent rum minim um ) 由中国科学院海
洋研究所提供. 用去离子水配制人工海水 (AW) ,根据 f/ 2 的
配方加入 NO3 - 、PO43 - 、不含 Co 的微量元素溶液、维生素溶
液和 200μmol·L - 1 EDTA ,Fe 用 FeCl2 替代 ,Zn2 + 按设定添
加. 接种少量对数生长期的藻细胞到盛 150 ml 相应培养基
的 250 ml 的三角瓶中 ,置于温度为 22 ℃、光强为 100μmol
photon·m - 2·s - 1 、光暗周期L/ D 为 12∶12 的植物生长箱中培
养.实验分成 3 组 ,设定低中高 3 种 Zn2 + 浓度 ,经计算可利
用 Zn2 + 浓度分别为 1. 4、24. 4 和 181. 6 pmol·L - 1 .
212 　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= (ln X t - ln X0 ) / t 计算
比生长速率 , X0 表示初始细胞密度 , X t 表示 t 天后细胞密
度.根据 Jeffrey 和 Humphrey 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[11 ] .
213 　光合作用对光强的响应曲线 ( P - I 曲线)测定
对数生长期的藻经离心后重新悬浮于新鲜的 f/ 2 加富
的人工海水 (‘f/ 2’AW)培养基[6 ]中. 温度以循环水浴控制在
22 ℃左右 ,按文献[13 ] 以 Clark 型氧电极 ( Hansatech Instru2
ments Ltd. ,U K)测量不同光强下藻的光合作用速率. 根据
Henley的方法以方程 P = Pm ×tanh (α×I/ Pm ) + R d 对实
验数据进行非线形参数估计 ,并计算各参数 [7 ] .
3 　结果与分析
311 　不同 Zn2 + 浓度下微小原甲藻的生长
　　如图 1 的生长曲线显示 ,低 Zn2 + 浓度下微小原
图 1 　Zn2 +浓度对微小原甲藻生长的影响
Fig. 1 Effect of Zn2 + on batch growth of Prorocent rum mini m um .
甲藻的生长缓慢 ,比生长速率最低. Zn2 + 浓度升高 ,
藻细胞的比生长速率增加 ,而当 Zn2 + 浓度为24. 4和
181. 6 pmol·L - 1 ,比生长速率相同. Zn2 + 浓度由
24. 4 pmol·L - 1增加到 181. 6 pmol·L - 1时 ,稳定期
藻细胞生物量略有下降. 由表 1 可见 ,低 Zn2 + 浓度
对微小原甲藻细胞的生长和分裂有显著限制作用.
表 1 　不同 Zn2 +浓度下微小原甲藻的比生长速率( ( ) 和稳定期生物
量的差异
Table 1 Biomass and specif ic growth rate (μ) of Prorocent rum mini2
mum at different Zn2 + concentrations
Zn2 +
(pmol·L - 1)
比生长速率
Specific growth
rate (d - 1)
稳定期生物量
Biomass (104 cell·ml - 1)
1. 4 0. 40 5. 11
24. 4 0. 93 9. 70
181. 6 0. 93 8. 26
312 　不同 Zn2 + 浓度下微小原甲藻的叶绿素 a 含量
　　随着 Zn2 + 浓度的增加 ,单位细胞叶绿素 a 含量
也明显升高 (图 2) . 低 Zn2 + 浓度下色素合成受到影
响可能是能量的限制. 由于 Zn2 + 与光合作用相关 ,
低 Zn2 +浓度下藻细胞光合作用可能受到一定程度
的限制 ,从而影响藻细胞的生化合成.
图 2 　不同 Zn2 +浓度下微小原甲藻的叶绿素 a 含量
Fig. 2 Chlorophyll a content of Prorocent rum mini m um at different
Zn2 + concentrations.
313 　不同 Zn2 + 浓度下微小原甲藻细胞的光合特性
　　Zn2 + 浓度对微小原甲藻细胞光合作用主要参
数 Pm 、α、R d 、Ik 和 Ic 有不同程度的影响 (表 2) . 随
着 Zn2 + 浓度增加藻细胞光饱和的光合作用速率
( Pm )及光合作用效率 (α) 均明显增大. 而且 ,以细胞
数为单位 Pm 及α增大的趋势更为显著. 不同 Zn2 +
浓度下藻细胞的暗呼吸速率 ( R d) 差别不大 ,趋势不
明显 ,其中 ,以细胞数为单位的 R d 随 Zn2 + 浓度增
加略有增大. 低 Zn 下光饱和点 ( Ik) 高于高 Zn 下光
饱和点 ,当 Zn2 + 浓度为 1. 4 和 24. 4 pmol·L - 1时 ,藻
细胞有同样相对高的光饱和点. 低 Zn 下的光补偿
点 ( Ic)也高于高 Zn 下光补偿点.
14117 期 　　　　　　　　　　　胡晗华等 :微小原甲藻的生长及其对锌限制的响应 　　　　　　　　
表 2 　不同 Zn2 +浓度下微小原甲藻光合作用对光强响应曲线参数 3
Table 2 Parameters for photosynthetic2light responses ( P2I) curves of Prorocent rum minimum cultured under different Zn2 + concentrations
光合作用参数
Photosynthetic
parameters
Zn2 + (pmol·L - 1)
1. 4 24. 4 181. 6
光饱和的光合作用速率 ( Pm) μmol O2 (108 cells·h - 1) 96. 0 ±8. 9 174. 2 ±9. 6 240. 6 ±8. 8
μmol O2 mg chl a·h - 1 240. 8 ±17. 2 319. 9 ±18. 5 341. 3 ±16. 9
光合作用效率 (α) μmol O2 (108 cells·h - 1) (μmol photons·m - 2·s - 1) 0. 39 ±0. 09 0. 58 ±0. 07 1. 31 ±0. 13
μmol O2 (mg chl a·h - 1) (μmol photons·m - 2·s - 1) 0. 98 ±0. 17 1. 07 ±0. 14 1. 86 ±0. 24
暗呼吸速率 ( R d) μmol O2 (108 cells·h - 1) - 31. 3 ±7. 5 - 34. 1 ±7. 2 - 49. 6 ±8. 0
μmol O2 (mg chl a·h - 1) - 78. 5 ±14. 4 - 62. 7 ±13. 9 - 70. 4 ±15. 3
光饱和点 ( I k) μmol photons·m - 2·s - 1 246. 6 299. 4 183. 3
光补偿点 ( Ic) μmol photons·m - 2·s - 1 80. 4 58. 7 37. 83 表中数值为 3 次实验的平均值 Data are represented as Means ±SD (n = 3) .
4 　讨 　　论
　　未受污染的海水中总 Zn 浓度为 0. 1～ 0. 2
nmol·L - 1左右 ,并多以络合态存在 ,由于藻细胞仅
能利用游离的 Zn2 + ,因而海水中可利用的 Zn2 + 浓
度限制了浮游植物的生物量. 在北太平洋中 Zn2 + 浓
度为 2 pmol·L - 1 ,Buitenhuis 的实验确定 Em iliania
huxleyi 对 Zn2 + 浓度的半饱和常数为 19 ±8 pmol·
L - 1 ,最低需求为 9 ±3 pmol·L - 1 [4 ] . Thalassiosi ra
weissf logii 藻生长在 Zn2 + 浓度低至 10 pmol·L - 1左
右时 ,即表现出 Zn 限制. 当 Zn2 +浓度在 1～10 nmol
·L - 1范围时 ,Zn 对藻细胞表现出毒害作用[12 ] . 我们
的研究表明 ,低 Zn 对赤潮藻微小原甲藻的生长和
光合作用同样有限制作用 ,低 Zn 下生长的微小原
甲藻需在更高的光强下光合作用才能达到饱和. 沿
海水域总 Zn 浓度通常为 0. 5～4. 5 nmol·L - 1 ,而河
口的总 Zn 浓度则可高达 4～500 nmol·L - 1 [1 ] . 由于
提高 Zn2 + 可以促进微小原甲藻的生长和光合作用 ,
因而在上述水体中 ,高的 Zn 浓度可能是一定条件
下触发赤潮藻类爆发性增殖的重要因子之一. 必须
注意的是 ,尽管有些水体总 Zn 浓度很高 ,但可利用
的 Zn2 + 浓度很低 ,这与水体中 Zn 的存在状态有密
切关系. 环境中其它化学因子 (金属螯合剂和 p H
等) 、物理因子 (温度) 的变化对可利用 Zn2 + 浓度有
重要影响 ,进而影响赤潮藻类的爆发. 因而 ,赤潮爆
发是多种环境因子的综合效应[1 ] .
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作者简介 　胡晗华 ,男 ,1971 年 11 月生 ,博士 ,主要从事藻
类生物学研究 ,发表论文 10 余篇. E2mail : hanhuahu @sohu.
com
2411 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷