全 文 ：j。 ～7f；
第 l9卷第 6期
l999年 li月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
V0l_l 9．No．6
Nov．，l999
微囊藻和栅藻共培养实验及其竞争参数的计
算 f j、f 一
堕焦竖 ，刘永定 ，丧 ，章宗涉。，宋立荣 ，陈 坚
(1 中国科学院水生生物研究所．武汉 430072；2 上海师范大学 ．上海 200234)
摘要 ：以Lotka—Vo]terra的双种竞争模型为基础，进行试验设计 共培养试验中，两种藻类的增长行为是不同的 ，培养前期
共培养中栅藻的数量太于纯培养中栅藻的数量，而在后期则相反，般囊藻则是在整十共培养过程中的数量都小于纯培养
中的数量 通过纯培养取得参数 和 r，变模型的微分形式为差分形式，以生长曲线拐点(密度制约起始点)出现的时间作
为计算竞争参数的起始时 间 经模拟计算获得竞争参数 ，表明傲囊藻对栅藻的抑制能力是栅藻对微囊藻抑制能力的 7
倍。并以此作为微囊 藻可能攥发成为“水华 的理由之一 应用所得的参数t拟合共培养中藻类的增长过程，效果报好
关麓词 ：铜绿散囊藻}斜生栅藻；竞争参数|共培养； 水华
Experiments of mixed culture and calculation of competitive pa—
rameters between Microcystis (Cyanobacteria) and Scenedesmus
(Green algae)
CHEN De—Hui ．LIU Yong—Ding ，YUAN lun—feng ，ZHANG Zong She ，SONG Li
rong ，CHEN Jian (1』⋯slit t of Hydrobiology，thf Chi~se Academy of Scie ．W㈣h ．430072 Chi {
2 Sha, ghal N oe l Uni~rsity，Shanghai 200234，China)
Abstract：The experiments were carried out based on the competitive model of Lotka—Vo Lterra．The growth
pattern of Scenedesmus obliquu~(Turp．)K0tz．is different from that of M icrocystis ocrtginosa Ktitz．．The
amount of S，obtiqrgrg$in mixed culture is Larger than that in pure culture during the beginning growth
stages‘but is smaller during the Later growth stages．The amount of M ．aeruglnosa in mixed culture is al—
ways smaller than that in pure culture in the whole growth duration．The competitive parameter(conver—
sion factor)of M ． gi 。 口as an equivalent number of S．obliquus is 4．53 and vice p m is 0．65．They
are calculated with the modified model：changing differentiated equation of the model into differential
form ，using the parameters—K (the maximum capacity)and r(growth rate)一derived from pure culture，sug—
gesting the reflection point(setting point of density dependent regulation，the authors called) of the
growth cur-e-es as the originated time．The inhibition effect of M ．aeruginosa on S，obtiquus is about seven
times as that of S．obhquus on M aeruginosa．It might be one of the reasons why the bLue-green algae like
M ．d “ginO$t~would explode to ‘water bloom ．The simulating curves of growth processes of two algae in
mixed cuhure is rather similar with those observing，by the modified mod els with the values of those pa—
ram eters．
Key words：M icrocystis aerug~nosa Kitz．·Scenedesmus obliquus(Turp．)Kiitz mixed eu[tureI competitive
parameters 1 water—bloom
文章鳙号 ：1000 0933(1999)06—0908—06 中圈舟娄号：Q949 2 文献标识码 ：A
基盘项 目；国家 自然科学基金资助项 目(39370141)
参加车研究工作的还有梅志平，葛东菱和孟志芳等同志。
啦稿 日期 1997—10 1 6；修订 日期 ；1998—10—25
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6期 陈德辉等 微囊藻和栅藻共培养实验及其竞争参数 的计算 909
竞争关系是种间关系的一种形式 。自 Lotka VoherraIt]提 出种群增长的双种竞争模型以后 ，Gause “。报
道 了两种酵母(Saccharomyces cervisia，Schizosaccharornyces kepher)的共培养试验 。其后 Park。。Birth ，
Park、Leslie＆Mertz： 分别报道 了甲虫间的竞争关系。在高等植物方 面。Wit 对大麦和燕麦在空间上的竞
争关系 ，Marshall和 Jain 对两种野生燕麦分别进行了种问竞争关系的研 究。Holm ＆Armstrong 报道了
硅藻和微囊藻种间的相互作用 ，刘世枚和黎尚豪0 研究了两种绿藻种群间的相互作用 =只有 Gause简单地
计算了两种酵母之 间的竞争参数 。为了深入探讨水体中优势种藻类之间的种 间关系，本文主要报道铜绿微
囊藻 (Microcystis aeruginosa KOtz．)和斜生栅藻 (Scen~desmus obliquus(Turp．)Kiatz．)的共培养试验及其
竞争抑制参数的计算。
1 材料和方法
1．1 材料 铜绿微囊藻(M．aeruginosa Ktitz．)和斜生栅藻(s．obliquus(Turp．)Kikz)t均来自中国科学院
水生生物研究所。保存在 14c的光照培养箱中，在试验前两周转接到液体的藻类j劁试基本培养基 (AAM)
中，在试验前两天进行饥饿培养 。
1．2 方法
1．2．1 试验的 |殳置 分别以 HGZ培养基和 I／2HGZ培养基进行试验“ ，每次试验有 3种处理 ，即栅藻的
单种培养、微囊藻的单种培养，以及栅藻和散囊藻的共培养 每个处理组有 3十重复 。试验过程的所有操作
都是在无菌条件下进行的。
1．2．2 接种藻液的准备 将饥饿培养的藻类离心，5000rpm，5min，去掉上清液；15mg／L NaHCO。溶槭洗
涤。离心。去上清液，去除吸附性的营养}重复洗涤，离一C．-1次 应用缺氯和缺磷的饥饿培养基稀释至接种所
需的藻细胞浓度 。。
1．2．3 玻璃器皿的洗涤 试验所需的所有玻璃器皿经过冲洗后 。在 0．1molHCI中浸泡 30min·经过双玻
重蒸水冲洗 、烘干}121℃高压蒸汽灭菌备用。
1．2．4 培养液浓度的设置和配制 将 HGZ培养基 1／2HGZ培养基和 AAM 培养基分别配成 100倍的储
藏母液 ]。以 AAM 为基本成分 ，配制成缺氰和缺磷的饥饿培养基，对栅藻和散囊藻进行饥饿培养
1．2．5 接种培养 微囊藻和栅藻 的初始密度为 4．0X10‘细胞／ml。在 120或 150ml的锥形瓶中，先加八
40或 48ml的培养液 。然后每瓶加入 lml的接种藻液 日光灯冷光源 ，120：k 7 ~emol／s·m 。光周期 12L
12D。培养温度 25士1℃，在光照期间每隔 2h摇动培养瓶 1次。
1．2．6 细胞计数 自接种 的次 日起为第 1天 。在 同一时间计数直到藻类的数量增长小于或等于 5 为止。
利用微量吸液器吸取 lml的藻类培养液 ，移至经高压灭菌的加有 0．05mA鲁哥氏液的青霉索瓶中，整十取
样过程都是在无菌操作台上进行的。罘用平板计数法，在 Olympus双筒显微镜下 ，进行细胞计数t取得每 日
(f)细胞数 (Ⅳ)
1．3 数据整理
1．3．1 生长曲线的拟台 以逻辑斯谛方程拟台藻类的增长过程。首先进行参数估计，每十处理组 的最大
生物量(x⋯ )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)一口一rt，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 和 r的估计值。
1．3．2 竞争抑制参数的计算 利用 Lotka—Volterra的竞争模型的差分形式：
( 一 一 )／(f 一．)一 r,N⋯ (K 一 一 ⋯ )／K (”
(Ⅳ 一Ⅳ⋯ )，( f 一．)一 ⋯ (K 一N一 】 卢Ⅳ 一J)／K (2)
式 中。 Ⅳ ，Ⅳ 分别为共培养 中栅藻和微囊 藻在时间 t 时的数量(×lO cells／m1)；N ，Ⅳ一 分别为共
培养中栅藻和微囊藻在时间f 时的数量 (×10 cells／m])F tr 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 ，K 分别为栅藻和微囊藻的最大环境容量 (由单种培养获得) 。，p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的竞争抑制参数t取其平
均值作为该种的竞争抑制参数的估计值
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9l0 生 态 学 报 1 9卷
1．3．3 抑制起始点的确定 即藻类增长曲线的拐 ，为逻辑斯谛 方程二 阶导数等于零时的时间 值 ，这
时 Ⅳ一K／2，f 一( —In2)／r。因为是差分形式 ，故 f 对(Ⅱ In2)／r取整数。
1．3．4 回归分析、齐性检验 、数据处理和曲线圉绘制均在微软公司的中文 EXCEI 5．0上进行。
2 结果和分析
2．1 HGz培养基中栅藻和徽囊藻的共培养试验
HGZ培养基栅藻和微囊藻的共 培养试验结 果，即栅藻 、微囊藻在纯培养和共培养中增长过程见图 l。
在第 l天到第 5天之间纯培养 中栅藻的细胞数小于共培养中的细胞数 ，在 5天之后则反之；微囊藻则是在
整个培养过程中纯培养 中的细胞数总是大于共培养中的细胞数。栅藻在纯培 养和井培养中的最大生物量
分别为 2367．2×10aml和 1054．9×10、细胞个／m!：微囊藻的则分别为 837 3×10 和 322 8×1o’细胞十
对 HGZ中纯培养和共培养中栅藻和微囊藻生长过程进行逻辑斯谛方程( 一K，(1+ “ )．×1 cells／
m1))的参数估计井计算其拐点出现的时间，其结果见表 l
衰 1 HGZ共培井和纯培井中栅藻和微囊藻 的逻辑斯谛方程(N-K~(1+ 一 )×10’Cel s／roD)参数、回归系数置其拐
点出现的时间
Table 1 The parameters．regression coefficient and the reflection point。s time of Logistics equation i N= K “ 1+ ， )
×10‘Ce[1s／m]))oftwo algae grownin pure culture and mixed curarewithHGZ mediam
括号中P表示纯培养，M 表示共培养 ．以下类同 P in palenthesis㈨ n wiLh pure culture and M s with mixed
culture，the same below ①5 obliqu~．②s．口 iq““ ，⑨M g⋯ ，圆M ⋯ ⋯
以纯培养中拟合获得的 值、r值和共培养中拐点后的栅藻和徽囊藻的细胞数代人公式(1)、(2)t计
算各 自的竞争抑制参数 ( ，卢)见表 2。则拐点之后微囊藻对栅藻的竞争抑制参数妇)的平均值和栅藻对徽囊
藻的竞争抑制参数(卢)的平均值分剐是 4 72土1．36和 0．56~0．18
衰 2 HGZ共培井橱藻和艟囊藻在拐点出现后的现存量(细胞密度×10 ceils／m])置其竞争抑制参数
Table 2 The standing cry (10 cells／m1)and the competitive parameters ld and p)0r叫．口 n 门^$ and s obliq~us after
tp with HGZ medium
2．2 1／2HGZ培养基栅藻和微囊藻的共培养试验
1／2HGZ培养基栅藻和微囊藻的共培 养试验结 果，即栅藻 、微囊藻在纯培 养和共培养中的增长过 程见
圉 2。在第 1、2和第 4天 ，纯培养中栅藻的细胞数小于共培养中的细胞数，在第 4天z后则反之；微囊藻则
是在整个培养过程中纯培养中的细胞数 包是大于共培养中的细胞数 它们的虽大生物量分别为 1629．5×
10 ，678．3×10 cells／mL和 662．6×10’，301．4×10 cells／mL 对共培养中栅藻和微囊藻生 长过程进行逻辑
斯谛方程[Ⅳ一 ／(1+ ⋯ )，×1o cels／m1)]拟合 ，拟台方程的参数 ，回 系数( )l技其拐点 出现的时间见
表 3
以纯培养中拟台获得 的 值、r值和井培养中拐 后的栅藻和擞囊藻的细胞数代^公式 (11、(2)．计
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6期 陈德辉等 ：微囊藻和栅藻共培养实验及其竞争参数的计算 911
1 3 5 7 9 I1 I3
堵养天数 (d)The d ot culture
图 1 HGZ共培养和纯培养中栅藻和馓囊藻的生长曲线
Fig．1 The growth c~ve$of M ． aeraginosa and S
曲踟 “ both 1n mixed culture and in pure culture re—
spectlvely with HGZ medium
蕤
#矗(d)T7 6： ”
图 2 1／2HGZ共培养和纯培券中栅藻和赦囊藻的生长
曲线
Fig 2 The growth CHCves of M．⋯ g⋯ d and S．
obllquu~both in mixed culture and in pure culture re—
specfively with 1／2HGZ medium
算各 自的竞争抑制参数 ( ，卢)见表 4 则拐点之后徽囊藻对栅藻的竞争抑制参数 ( )的平均值和栅藻对微囊
藻的竞争抑制参数( )的平均值分别是 4．36：1．66和 0．785_0．05。
衰 3 1／2HGZ搀培井中的矗藻和擞 ●藻增长的逻辑斯谛方程 (N=K／(1一 一)×10‘cels／m1))ti,lt、回归系数和方程
拐点出现的时间
TaMe 3 The pmmmeters，r r 10ⅡeoetTlelent tud the relleetlon point time 0f Lo~stlcs equatlol01 IN=K~(1+ ⋯ )×
10‘eel[s／m1)3or two II~ae grown In pIre culture tnd mixed culture with HGz medium
固s．obliquu~，鼋s．obliquus，⑧M aeruginosa，固M aeruglno~a
衰 4 I／2HGZ搀培井矗藻和微●藻在拐点出现后的现存量 (×10‘celIslmD J~其竞争抑制参数
Table 4 The stnnd~ng erop(1O‘cells／m1)and the competitive parameters of M ㈣ J$O$tl and 5．oldiquus after reflec—
tion point with 1／2 HGZ medium in mixed culture
3 讨论
3．1 种间竞争模型 一般情况下．两个种群相互关系的非线性微分方程组 ，不能以显式的形式解出
d：e!dt： (bI一 ⅡI1 I 2Y)
dy几 一 y(b 2+ 口2I + 。22 )
(3)
(4)
咖 瑚 加
一I山 =8 ．0【)皇 口P1昌
霉 再群
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9l 2 生 态 学 报 l9卷
陈兰荪荨- 讨论了上述方程(3)和 (¨ 后，指出平衡 点( ’，2-。)存在的必要条 『牛和充分条『串 全局稳定
的充分条件是正平衡点 >O，J‘>。)存在 tⅡl <0曲 <0，即每一个种群本身是密度制约的。藻类的增长
象其它的微小生物(如细菌，酵母 )一样是属于这种状况的 ]。于是上述方程组就转化为 Lotka—Volterra的
竞争模型
dx／dt— xr1(Kl— — ay)／K1 (5)
a }di— yr|tK 一 ，一 ~x)／K! (
3．2 参数计算 这里速率对于甲乙两种数量的关系仍然是非线性的，为了解出竞争抑制参数，需要把伺
题简化。种群资源竞争的过程是一个与很多因素有关的过程 在两次试验中营养和光强都是饱和的，在其
它条件都是相同时，这两种藻樊共培养中的数量变化 ，主要是受另一种藻类的影响 此时假设共培养中，如
果投有另外一个种的存在，Ⅲ_I该种的增长行为应该和单种培养时的增长行为相同。所 ，应该利用纯培养
的参数，而不是 共培养过程确定的参数，代入 Lotka—Vohera双种竞争模型的差分形式，进行竞争抑制参
数的计算 种群的最大密度 值和种群的增长率 r值 由纯培养试验 中确定。同时以台适的单 位时间测定种
群的数量增长过程，这样数量增长的微分方程组就可 用差分方程组的方式来表示，由此两个参数的求解
过程，就转化为解一个线性的二元一次方程组，即方程式(1)和(2)联立。这样藻娄共培养时竞争状态何时
出现 ，成为解出竞争抑制参数的关键。通过对藻类增长过程的观察和分析，在整个增长过程中，藻类的增长
有一个从正加速到负加速的过程，即在增长曲线的拐点之后，藻类的增长过程减缓并逐渐趋于平衡。由此
作者认为．拐点的生物学意义表示生物个体从 自由的快速增长阶段转入了竞相利用有限资源的相互抑制
的生长阶段，称为密度制约的起始点(setting point)，或抑制起始点。因此，计算抑制起始点之后的竞争抑制
参数，才具有生态学意义
3．3 竞争参数 x 检验 两次共培养试验两种藻类的竞争抑制参数计算的结果见表 2，表 4，在拐点出现
之后，随着培养时间的增 加，竞争参数的值 ，越来越趋向于某一个值 ，即某一个常数。两次试验中 ，散囊藻对
栅藻的抑制参数(口)分别为 4．72和4．36；栅藻对散囊藻的抑制参数( )分别为0．56和0．73。对两次试验同
一 时间得到的 口值或 值 的齐性测验可知 ．它们的 ．IS 分剐为 2．3O和 0．17，都小于 ； (9．24)差异均 不
显著( >O．10)，实际上差异不显著的概率大于 5o [xl 5。l (4．2D]，差异是由试验误差产生的。两次试验
的口和声的平均值及其 95 的置信区间分别为 4 5土0．88和 0．65土0 10。这同时表明这一类参数在非限
制性营养条件下(饱和营养浓度 上)是不受营养浓度影响的。
3．4 竞争参数的说 明 在共 培养试验中，竞争抑制参数是一个种对 另一个种的转 化园子 。即 乙种(微囊
藻)的单位数量 (Ⅳ )相当于多少十 甲种(栅藻)的单位数量 (Ⅳ )，a=N，／Ⅳ ，对甲种数量增长的影响I反之
亦然。这种相对的数量关系 ，在两个种是不同的，但也不是互为倒数关 系。这种不同可能与每个种新胨代谢
的内在过程、步骤和速度等因素有关 从上述的结果可知微囊藻对栅藻的抑制能力相对而言是栅藻对徽囊
藻 抑制能 力的 7倍 ，这或许可以从一个方面说明，在合适 的条件下 ，徽囊藻为什么能够爆发戚为“承 华 的
理 由之一 因为它可能抑制 了许 多其它绿 藻的生长。同时竞争参数是在室内条件下 ，经试验和计算取得的}
若外推应用于其它状态下的种间关系，则要慎重地考虑其背景条件。
3．5 曲线 的拟台 对于这两次的共培养试验 ，利用竞争摸型的差分形式，计算栅藻和徽囊藻生长过程摸
拟的拟台曲线分别见图 3和图 4。将其分别与图 1和图 2的生长曲线比较，对增长趋势的模拟极其相似
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6期 陈德辉等：微囊藻和栅藻共培养实验及其竞争参数的计算 915
广 — 一 _『 7 9 11 13
培养天戡(d)Th,dam of cu【
圉 3 在 HGZ共培养中栅藻和微囊藻增长的模拟曲线
及其观测值
F ．3 The simulating growth㈣ es and their ohe erv—
ing vaines of／14- ㈣ ⋯ and S obllquusin mixed
culture respectively with HGZ medium
●
‘l 3
培养天
8
数fd) da粥
9 11
The of~uttu,e
l3

圈 4 在 1／8HGZ共培养和栅藻和 傲囊藻增长 的模拟
曲线及其观测值
Fig．4 The simulating growth elll~-e$and their ob~rv—
ing values of M．a~ ginosa and S．obl~uus in mixed
culture respe ctively with 1／ZHGZ medium
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