氮磷比率對3種典型赤潮藻生長的影響

近年來，日本海盜事件在世界上迅速蔓延，對人類健康、社會經濟、資源、生態環境和水產養殖的影響也越來越顯著。研究發現,有毒赤潮能引起水生動物急性毒性和亞急性毒性,嚴重破壞了正常的海洋生態系統。營養鹽是海洋生態系統的物質基礎,赤潮的發生往往與水體中營養鹽的組成與含量有著密切的關系。氮和磷是海洋微藻生長必需的生源要素,N∶P比率在浮游植物的種間競爭中發揮著關鍵作用,N∶P比率不僅對藻類的生長發育造成影響,甚至對藻細胞內物質的合成和積累也有影響。人類活動引起的營養物質輸入增加(或減少)改變了不同海域營養物質之間的供應比率,必然影響天然浮游植物群落結構組成,其結果可能有利于有害或潛在有害的種類的增殖。東海原甲藻、球形棕囊藻和尖刺擬菱形藻是中國沿海典型赤潮的原因種類。東海原甲藻(Prorocentrumdonghaiense)隸屬甲藻綱(Pyrrophyceae)原甲藻屬(Prorocentrum),為我國東海赤潮新記錄種,分布于我國廣東和香港以及日本和韓國海域,近年來不斷在我國的長江口及其臨近海域引發大規模赤潮。球形棕囊藻(Phaeocystisglobosa)隸屬定鞭藻綱(Haptophyceae或Prymnesiophyceae)定鞭藻目(Prymnesiales),為我國南海赤潮新記錄種,是重要的海洋初級生產者,在溫帶和極地的海洋中能形成有害赤潮,死亡分解后產生灰白色泡沫。球形棕囊藻赤潮能產生二甲基丙磺酸(DMSP)和二甲基硫醚(DMS),給漁業和海洋環境造成極大危害,嚴重影響海洋生態系統的結構與功能。尖刺擬菱形藻(Pseudo-nitzschiapungens)隸屬羽紋硅藻綱(Pennatae)擬菱形藻屬(Pseudo-nitzschiaPeragallo),是一種在全球近岸海域分布極廣的潛在有毒硅藻,也是我國沿海的優勢種類,該屬藻類能產生軟骨藻酸(Domoicacid,DA)毒素,形成記憶缺失性貝毒(ASP),引起國內外學者的關注。3種具有代表性的赤潮種類的生長與氮磷營養鹽及其比率的關系一直少有研究,研究氮磷及其比率對有害赤潮藻的影響有助于深入探討海洋水體富營養化引起的營養比率變化對浮游植物群落演替的潛在影響,以及在赤潮形成中發揮的作用,并為赤潮的預測和防治工作提供理論指導。1材料和方法1.1藻體的采集和分離試驗藻種東海原甲藻、尖刺擬菱形藻和球形棕囊藻均采自我國東海和南海的赤潮高發海區,經毛細管分離培養成單細胞株系,保存于暨南大學水生生物研究中心藻種庫。1.2基礎介質與密度試驗藻種于室內光照培養箱(CC275TL2H型人工氣候箱,杭州雪中炭)中用50mL帶蓋玻璃試管培養,培養溫度為(24±1)℃,光照強度約為120μE/m2·s,光暗比為12L∶12D。基礎介質為人工海水(鹽度為30.5)。選用f/2培養基。1.3藻細胞的np比率試驗設置貧磷(PO3?443--P濃度為0.362μmol/L)和富磷(PO3?443--P濃度為36.2μmol/L)2種條件,調整培養液中的NO-3-N濃度,使N∶P比率分別為5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1、50∶1和100∶1,以不添加NO-3-N的培養液作為對照。將處于氮、磷饑餓狀態的藻細胞分別接種于上述培養基,分裝至50mL帶蓋玻璃試管,培養液體積為35mL,置于人工氣候箱中進行一次性培養。每個N∶P比率重復3次。東海原甲藻和尖刺擬菱形藻的接種密度約為500cells/mL,球形棕囊藻的接種密度約為10000cells/mL。1.4葉綠素a含量測定每24h用TD-700型熒光儀(TurnerDesigns)測定培養液葉綠素a含量,采用Guillard的計算方法確定特定比生長率μ(單位:/d),即根據指數生長期的葉綠素a熒光值通過最小二乘法擬合得到。1.5數據計數使用SPSS13.0軟件進行數據統計分析。2結果2.1富磷條件對東海原甲藻特定比生長率的影響在貧磷條件下,隨著N∶P比率的升高,東海原甲藻的生長速率也相應增大,但上升趨勢不明顯,當N∶P=100∶1時,其特定比生長率最大,達到0.28/d(圖1)。在富磷條件下,其特定比生長率維持在0.6—0.9/d之間,各試驗組之間的差距并不大,但均明顯高于對照組;當N∶P比率為30∶1時,東海原甲藻的特定比生長率達到最大值0.86/d。方差分析結果表明,東海原甲藻在N∶P比率為30∶1條件下的特定比生長率顯著高于其余試驗組(p<0.05)。2.2比生長率的增加在貧磷條件下,當N∶P比率由25∶1上升至100∶1過程中,球形棕囊藻的特定比生長率顯示出逐漸增大的趨勢(圖2)。然而,與東海原甲藻相比,球形棕囊藻的特定比生長率增幅相當有限。當N∶P比率為100∶1時,而其特定比生長率不足0.3/d。0.362μmol/L的磷濃度限制了球形棕囊藻的增殖,即使大幅增加氮輸入仍不能有效地促進球形棕囊藻的生長速率。在富磷條件下,各試驗組的特定比生長率均高于0.75/d,明顯高于對照組,各試驗組之間的差異不大。其中,N∶P比率為30∶1試驗組的特定比生長率達到最高值(0.87/d)。2.3不同磷營養條件對尖刺擬三角形藻生長的影響在貧磷條件下,即使不添加氮源,尖刺擬菱形藻的特定比生長率仍高達0.99/d,甚至高于多數加氮試驗組(圖3)。由此可見,尖刺擬菱形藻對長期氮饑餓的抗性很強,而且對氮、磷營養的需求量很低。各試驗組尖刺擬菱形藻的特定比生長率介于0.89—1.08/d,其中,N∶P比率為10∶1試驗組具有最高值1.08/d。在富磷條件下,N∶P比率從10∶1增加到100∶1的過程中,各試驗組尖刺擬菱形藻的特定比生長率逐漸下降(圖3),表明過高的磷營養已經抑制了尖刺擬菱形藻的生長。N∶P比率為10∶1的試驗組具有最高的特定比生長率(0.79/d),與貧營養條件下的實驗結果完全一致。方差分析結果顯示,N∶P比率為10∶1的試驗組與對照組和其他各試驗組具有極顯著差異(p<0.01)。3討論3.1低氮條件下的生長特性氮、磷在海洋環境中的含量、形態構成、數量變動不僅影響著赤潮生物的生理、生化組成,還決定了赤潮形成的規模和程度。實驗結果表明,不同氮磷濃度對赤潮藻生長的影響較大。在貧磷條件下,0—36.2μmol/L的氮僅能維持東海原甲藻的生存,特定比生長率較低,當氮的濃度為36.2μmol/L時生長最快;在富磷條件下,生長速率明顯比貧磷條件下快,當氮的濃度為1.086mmol/L時生長最快。相比較而言,磷對東海原甲藻影響較大,0.362μmol/L的低磷明顯不利于其生長,這與周偉華的結論一致。球形棕囊藻與東海原甲藻非常相似,在貧磷條件下,隨著氮營養濃度的升高,生長速率緩慢增加;當處于富磷條件下時,氮營養從0mmol/L增加到3.62mmol/L,生長速率明顯加快,與貧磷條件相比,差異十分顯著。徐寧等對球形棕囊藻的赤潮成因進行了分析,通過對比球形棕囊藻赤潮發生前后的DIN和DIP,發現在其增殖過程中,氮、磷的濃度變化較大,本實驗結果與之相符。王艷等研究結果表明磷酸鹽對球形棕囊藻生長的影響極為顯著,而硝酸鹽對其生長的影響顯著。尖刺擬菱形藻的情形剛好相反,在貧磷條件下的特定比生長率都較高,即使不添加氮也能保持較高的特定比生長率;在富磷條件下,特定比生長率均顯著低于貧磷條件。由此可見,氮濃度在0—3.62mmol/L內,尖刺擬菱形藻均能生長,且在低氮低磷條件下,其特定比生長率更高。陳菊芳等通過對大亞灣海域擬菱形藻種群的季節變化及其與環境因子之間的關系研究發現,擬菱形藻數量在N、P含量分別為15.7μg和5.6μg時達到高峰,說明擬菱形藻對水域中N、P等營養鹽含量的要求不高,這與本文結果一致。3.2浮游植物群落的養分含量與生物量的關系實驗結果表明,3種赤潮藻各自具有其最適的氮磷比率。藻類的生長與水體中氮磷營養之間的比率關系密切。N∶P比率表明赤潮發生過程中水體的營養狀況,是藻類受N或P限制的重要指標。高N∶P比率可能意味著P限制,低N∶P比率也有可能意味著N限制,N∶P比率不僅可影響環境中浮游植物的群落結構,也暗示了特定海區赤潮發生的限制因子,從而為赤潮監測提供指示因子。Hodgkiss和Ho分析了1982—1989年間香港吐露港海水N∶P比率與赤潮發生次數的關系,認為營養鹽比例(例如氮磷比值)是赤潮事件更為重要的調控因素,并認為大部分甲藻赤潮生物生長的最適N∶P比率為6∶1—15∶1,并且指出東海原甲藻生長最適N∶P比率為6∶1—13∶1。典型赤潮藻的最適N∶P比率一般介于15∶1—30∶1之間,甲藻類傾向于較低的N∶P比率,而多數硅藻則喜好較高的N∶P比率(表1)。雖然浮游植物對氮磷元素的吸收比率大致遵循Redfieldratio(16∶1),但最佳N∶P比率比也會因浮游植物種類的不同而變化。實際上,海洋微藻各自具有其最適的N∶P比率,Redfieldratio僅僅是整個浮游植物群落的平均最適營養比率,它更多的反映了浮游植物群落中優勢類群的N∶P比率需求。另一方面,實驗結果也證實,在營養鹽充足的條件下,N∶P比率在0—100之間波動(天然水體常見的變動范圍)對3種赤潮藻生長速率的影響并不大。因此,赤潮的發生雖然與N∶P比率有關,但首先取決于水體氮、磷濃度是否達到臨界水平。在臨界營養水平之下,即使處于最適氮磷比率,赤潮藻的生長速率仍然很低;而在營養充足的條件下,即使偏離最適氮磷比率,其他條件滿足時,赤潮藻仍有可能保持較高的增殖速率。因此,赤潮藻的種群生長速率首先取決于營養需求,其次才是營養比率。此外,赤潮的發生除需氮、磷等主要營養物質外,還需要一些微量物質,如鐵、錳、銅等痕量金屬離子,溶解性維生素(如VB12),游離氨基酸及其他一些能促進浮游植物細胞生長的有機物質。在缺乏游離態鐵、錳的情況下,浮游植物細胞生長代謝受到了抑制,因而即使在最適宜的光照、鹽度、pH值和基本營養條件下,也不會急劇增殖形成赤潮。因此