控(微囊)藻鲢、鳙排泄物光能与生长活性

王银平，谷孝鸿，曾庆飞，* ，谷先坤，毛志刚

(1.中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室，南京 210008;2.中国科学院大学，北京 100049)

为了控制藻类水华，经典生物操纵理论提出利用浮游动物遏制藻类［1］。然而，对于蓝藻水华严重爆发的水体，浮游动物根本不能有效摄食这种藻类，因此有学者提出放养滤食性鲢(Hypophthalmichthys molitrix)、鳙(Aristichthys nobilis)直接牧食水华蓝藻的非生物操纵理论，以此达到控制蓝藻生产力、消除蓝藻水华的目的［2］。在蓝藻水华期间，鲢、鳙肠内微囊藻含量占食物总量的80%—100%［3］，对浮游藻类具有良好的控制作用［4-5］;但也有研究表明，鲢、鳙对水华蓝藻(微囊藻)的消化利用率只有 25%—30%［6］，排泄物中大量的活性藻类直接参与到水体的营养物质再循环，可能引起水华藻类生物量的激增［7-8］。

鲢、鳙属于典型的滤食性鱼类，对食物的选择取决于摄食时食物的可得性和颗粒物大小，颗粒小于鲢、鳙鳃耙间距的藻则不能有效被鲢鳙摄食，且鱼肠中藻是否被消化很大程度上取决于藻的种类。Datta等将从鲢、鳙排泄物中提取出的微囊藻在过滤的湖水中培养，4 d后发现生物量增加了7—8倍［9］。微囊藻被鲢摄食后，没有造成生理上的破坏，最终以单细胞存在［10］。Kolmakov等研究了鲫鱼、鲢排泄物中蓝藻的生长速率、生物量及潜在光合活性;Jancˇula等比较了罗非鱼、鲢排泄物中蓝藻光合反应慢补偿面积(SCA)，均得到了一致的研究结果，即微囊藻经鲢代谢后其生长速率和光合活性增强［11-12］。可见，鲢、鳙排泄物很有可能对藻类激增做出直接贡献，而目前这方面的研究还较少。已有研究多集中在对单个叶绿素荧光参数的室内模拟研究，不能完全还原藻类生长环境和保证藻类同水体间营养物质信息的交换。

植物叶绿素荧光动力学技术能够快速灵敏、无损伤地反映PSⅡ的状况以及植物对光能的吸收、传递、耗散、分配等潜在特点，是研究植物光合生理方法及植物与逆境胁迫关系的理想探针［13-14］。本研究借助藻类叶绿素荧光技术，研究微囊藻被鲢、鳙摄食后，其叶绿素荧光活性、叶绿素a浓度(Chl a)、细胞密度及胞外多糖含量的变化，探讨滤食鱼类控藻的生态后效，以期为生物控藻可行性研究提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与实验设计

依托太湖湖泊生态系统研究站原有试验场地，构建规格为1 m×1 m×1.5 m(长×宽×高)敞口式聚乙烯不透水围隔9个(鲢组、鳙组和对照组各3个)，围隔内为经200 μm筛网预滤的湖水。实验用鲢(体重(84.8±2.3)g，体长(17.7±1.2)cm)、鳙(体重(76.6±1.7)g，体长(17.2±1.5)cm)购于中国水产科学研究院淡水渔业研究中心，实验前驯化喂养7 d，并进行7—10 d微囊藻摄食驯化。实验开始时，将饥饿72 h的健壮鲢、鳙分别放入微囊藻水华严重的围隔中，每组10条，对照组不放鱼。

待排泄稳定，分别收集围隔内漂浮的条状排泄物，用去离子水缓缓冲洗排泄物表面附着物后转入盛有经0.2 μm滤膜预滤湖水的锥形瓶中超声振荡打匀，随后等量移取至透析袋中(截流分子量14 KD，半周长150 mm)，透析袋分别悬挂在对应围隔中进行原位渗透培养。对照组透析袋中加入未被摄食的经超声震荡的微囊藻悬浮液。实验期间，每天定时摇动透析袋4次，每2 d取样测定藻类叶绿素荧光参数、叶绿素a和胞外多糖浓度、藻细胞密度，培养周期13 d。于实验第1天，第7天和第13天取样进行藻种鉴定。

1.2 叶绿素荧光参数测定

利用德国Walz公司生产的双通道PAM-100荧光仪，按照梁英等［15］的方法对藻类叶绿素荧光参数进行测定。暗适应15—20 min后测量，进行淬灭分析，选取达到稳定后的荧光值进行统计分析。

叶绿素荧光的主要参数包括:基础荧光Fo，最大荧光Fm，可变荧光Fv，光下基础荧光F'o，光下最大荧光F'm，光下可变荧光F'v，最大光能转化效率Fv/Fm，PSⅡ潜在活性(Fv/Fo)，实际光能转化效率(Yield)，光合电子传递速率(ETR)，光化学淬灭(qP)，非光化学淬灭(NPQ)。

1.3 叶绿素a、细胞密度及胞外多糖测定

叶绿素a浓度:经热乙醇法［16］提取后，利用紫外分光光度计比色测定后计算得出。

细胞密度:前期培养阶段，将藻群体用超声波击散均匀后稀释成不同梯度，分别测定各梯度藻液在680 nm处的吸光度(A680)，同时采用流式细胞仪测出各梯度相应的细胞密度，即可得到细胞密度(C，个/mL)和A680之间的线性关系C=A×A680+B。实验期间，自接种之日起，每天同一时间取样，同样方法测定吸光度。

游离胞外多糖浓度:取10 mL藻液，12000 r/min离心20 min用Whatman GF/C滤膜抽滤后，将上清液移入截留分子量为3500的透析袋中，加去离子水透析72 h，并用磁力搅拌器搅拌，每12 h换1次去离子水。透析结束后，取透析过的多聚糖样品1 mL于试管中，利用蒽酮硫酸法［17］对游离胞外多糖(EPS)含量进行测定。

1.4 藻类形态鉴定与细胞计数

取混合定量样品100 mL，用鲁格试剂固定后，经36—48 h沉淀，浓缩至10 mL。将浓缩水样充分摇匀后，吸出0.1 mL置于0.1 mL计数框内，在高倍显微镜下观察100—200个视野(重复3次)，以确定浮游植物的种类和数量［18］。

1.5 数据处理

文中数据方差及相关分析采用 Excel、SPSS Statistics 17.0 软件进行，利用 Sigmaplot 12.0 软件完成作图。

2 结果与分析

2.1 鲢、鳙滤食对微囊藻叶绿素荧光参数的影响

微囊藻经鲢、鳙摄食后，叶绿素荧光参数 Fv/Fm、Fv/Fo、Yield和ETR与对照组相比，均有所降低(图1)。鳙组藻类初始值Fv/Fm和Fv/Fo极显著低于对照组(P＜0.01)，分别为对照组的 82.6%和70.0%，ETR初始值为对照组的81.8%，鲢组藻类初始ETR显著低于对照组(P＜0.05);而鲢、鳙组初始qP及NPQ显著高于对照组(P＜0.05)。鲢、鳙组藻类初始值Chl a浓度、细胞密度及胞外多糖含量均极显著低于对照组(P＜0.01)。鳙组藻类各初始值总体上均低于鲢组，但相差较小，仅Chl a浓度及细胞密度显著低于鲢组(P＜0.05)，但鳙组藻类NPQ却显著高于鲢组(P＜0.05)。排泄物藻类培养期间，鳙组藻类的Fv/Fm、Fv/Fo及ETR前期下降，第5天降至实验期间最小值，随后迅速增长，第13天极显著高于对照组(P＜0.01);鲢组藻类的 Fv/Fm、Fv/Fo及 ETR仅在初期有所下降，从第3天开始恢复增长，后期均极显著高于对照组(P＜0.01)，且鲢组藻类Fv/Fm、Fv/Fo在第4—8天极显著高于鳙组(P＜0.01)，随着后期鳙组藻类活性恢复，鲢、鳙组之间的差距逐渐缩小。鲢组藻类Yield实验期间总体高于鳙组，实验第5天时，鲢组藻类的Yield与鳙组差值达到实验期间最大值，未达到显著水平。鲢组藻类qP一直上升，且始终高于鳙组，后期达到显著水平(P＜0.05)，鳙组藻类qP总体上介于鲢组与对照组之间，仅第3天低于对照组。鳙组藻类NPQ前期略低于鲢组，后期却显著高于鲢组(P＜0.05)，鲢、鳙组藻类NPQ前期极显著高于对照组(P＜0.01)，后期极显著低于对照组(P＜0.01)。

图1 鲢、鳙排泄物培养期间藻类叶绿素荧光参数随时间的变化Fig.1 Time dependent course of cyanobacteria photosynthetic activity after passage through the digestive tract of fish compared with colonies in control phytoplankton samples

相关分析表明(表1)，鲢、鳙组藻Fv/Fo均与细胞密度呈正相关关系，鲢组达到极显著水平(P＜0.01)，而鳙组相关性不显著。鲢组藻类Fv/Fm及Yield与细胞密度、Chl a浓度呈极显著正相关(P＜0.01)。鲢、鳙组藻细胞密度、Chl a浓度、EPS含量均与叶绿素荧光 ETR、qP呈极显著正相关(P＜0.01)，而与 NPQ 极显著负相关(P＜0.01)。

表1 鲢、鳙排泄物培养期间藻类细胞密度、Chl a浓度、EPS含量与叶绿素荧光参数之间的相关分析Table 1 Correlation analysis of phytoplankton cell density、chlorophyll a and extrtracellular exopolysaccharide concentration with chlorophyll fluorescence parameters in the control and experimental cultures

2.2 鲢、鳙滤食对藻类Chl a浓度、细胞密度及EPS含量的影响

鲢、鳙滤食对藻类Chl a浓度影响见图2。对照组Chl a浓度在200—230 μg/L之间波动，且初期高于鲢、鳙组。鲢组藻类Chl a浓度在初期、末期增幅较大，实验期间(除第5天)总体高于鳙组。鳙组藻类Chl a浓度增速平缓。后期鲢组藻类Chl a浓度极显著高于鳙组(P＜0.01)，最大相差 108.4 μg/L。对照组Chl a浓度仅与qP呈显著负相关(P＜0.05)，鲢组藻类Chl a浓度与除NPQ外的叶绿素荧光参数呈极显著正相关(P＜0.01)，而鳙组藻类Chl a浓度仅与ETR正相关达到极显著水平(P＜0.01)。

鲢、鳙滤食对藻类细胞密度的影响见图2。对照组藻类细胞密度在实验期间呈现上升趋势，但一直在(1—2)×106个/mL之间变化。鲢、鳙组藻类细胞密度培养期间增长迅速，第9天开始，鲢组藻类细胞密度极显著高于鳙组(P＜0.01)，第9天相差最大为1.65×106个/mL，均极显著高于对照组(P＜0.01)，实验结束时藻类细胞密度分别为对照组的3.9、3.2倍。相关分析表明，鳙组藻类细胞密度分别与ETR、NPQ呈极显著正相关和负相关(P＜0.01)，而鲢组藻类细胞密度除与NPQ呈极显著负相关外(P＜0.01)，与其他叶绿素荧光参数均呈极显著正相关关系(P＜0.01)。

鲢、鳙滤食对藻类EPS含量的影响见图2。对照组藻类EPS含量在实验期间变化不大;鲢、鳙组藻类EPS含量初期基本不变，后期增长迅速;末期时鳙组藻类EPS含量极显著高于鲢组(P＜0.01)，最大相差25.0 mg/L，且均极显著高于对照组(P＜0.01)。相关分析表明，对照组藻类EPS含量与NPQ呈显著正相关关系(P＜0.05)，与其它叶绿素荧光参数显著正相关(P＜0.05);鳙组藻类EPS含量与叶绿素荧光参数之间的相关关系与对照组相反;鲢组藻类EPS含量与NPQ呈极显著负相关(P＜0.01)，而与其它叶绿素荧光参数极显著正相关(P＜0.01)。

图2 鲢、鳙排泄物培养期间藻类细胞密度、Chl a浓度及EPS含量随时间变化Fig.2 Phytoplankton cell density，Chl a and extrtracellular exopolysaccharide concentrations in the control and experimental cultures

2.3 鲢、鳙滤食对藻种类的影响

原位培养期间藻类群落结构和生物量变化如表2所示。试验初期对照组微囊藻占藻类总生物量的72.0%，经滤食后，鲢、鳙组微囊藻生物量分别占总浮游藻类的65.8%和59.3%，小型藻类生物量所占比例上升。排泄物培养期间，浮游藻类生物量急剧增加，实验结束时，鲢、鳙组浮游藻类总生物量分别为对照组的7.78、6.55倍，其中以微囊藻的增速最为明显，对总浮游藻类生物量增长的贡献率达到95%以上。

3 讨论

鲢、鳙滤食藻类并对其生长起到一定抑制，说明鲢、鳙在一定程度上能够控制藻类的爆发。刘健康等通过东湖3次原位围隔实验研究发现，东湖中已经消失14a的微囊藻水华重新出现在无鱼围隔中［2］，由此推断微囊藻消失是由于鱼类放养率增大，若使微囊藻从强大的牧食压力下释放出来，水华会重新出现。闫玉华等指出鲢、鳙排泄物中存在大量未消化的蓝藻［19］，而这些蓝藻细胞是否会直接参与群体的增殖尚需进一步研究证实［20］。

本研究原位培养鲢、鳙排泄物，发现藻类叶绿素荧光及生长活性初始值降低，鳙组藻类初始生长及光合活性低于鲢组，而胞外多糖含量却相反，这一定程度上与鲢、鳙的消化器官有关。鳙消化道各段细长的肠绒毛，均匀分布的粘液细胞延长了藻细胞在鳙鱼肠内停留时间，数量大且发达的消化细胞有利于对滤食藻类进行消化吸收，而鲢消化道肠绒毛短粗，粘液细胞小，中后段数量很少，降低了其消化吸收能力［21］，由此可知鲢对藻类的损伤不及鳙。鲢、鳙组藻类Fv/Fm、Fv/Fo在实验前期下降，说明鲢、鳙滤食使PSⅡ反应中心受损，继而电子传递受阻，阻止藻细胞同化力的形成，进一步影响对碳的同化与固定，最终抑制光合作用的原初反应。实验组qP下降表明，电子由PSⅡ的氧化侧向PSⅡ反应中心传递受阻，用于进行光合作用的电子减少，以热或其他形式耗散的光能增加。NPQ实验初期处于较高水平，这说明卡尔文循环活性受抑制的程度增大，PSⅡ的潜在热耗能量增强。这都说明藻类受滤食伤害后，自我保护机制加强。鲢、鳙组藻类叶绿素荧光参数(除NPQ外)值经过短暂的下降后开始恢复，说明鲢、鳙组藻类经过短时间的适应性调节后，PSⅡ开放的反应中心比例增加，并且随着时间延长，光合电子链的传递速率得到一定程度恢复，从而维持正常的光合反应。同时NPQ下降到较低水平，说明藻细胞的卡尔文循环活跃，能量利用率开始提高，光合反应恢复正常状态，这与其他叶绿素荧光参数的变化趋势吻合。对照组细胞密度、Chl a浓度及EPS含量变化较小，而鲢、鳙组藻类细胞密度与Chl a浓度增长迅速，这与藻的浓度变化结果一致，主要是微囊藻的大量生长所贡献。胞外多糖是藻类胞外多聚物的主要成分，在不适状态下分泌，以对其自身进行保护［22］。藻细胞从第3天开始，大量分泌胞外多糖，进行自身保护，说明鲢、鳙的滤食，对藻细胞造成了损伤，胞外多糖含量在实验末期达到最大值［23］。

表2 鲢、鳙排泄物原位培养期间藻类群落结构和生物量变化Table 2 The variation of phytoplankton community structure and biomass during in situ incubation

本研究中，鲢、鳙组藻类被滤食后仍能正常进行光合作用，并且活性一周左右就恢复，细胞密度和Chl a浓度由初期缓慢上升至中后期的快速增加，说明微囊藻生长与光合活性恢复并迅速增强;同时，鲢、鳙组微囊藻胞外多糖在第4天时急剧增加，说明鲢、鳙滤食对藻类生理造成一定伤害，但为非致死性影响。Miura等研究指出鳙摄食蓝藻后，排泄物中蓝藻叶绿素含量与光合活性为原来2倍［24］。Jancˇula等培养鲢排泄物后，发现藻类生长速率显著提高［12］。藻类生长活性增高，可能是有效利用了鲢、鳙体内活性无机营养元素。Lewin等利用33P标记的活体微囊藻和死微囊藻饲喂拟鲤，发现排泄物中活微囊藻的33P放射活性明显高于死微囊藻，证明了微囊藻非但不能被拟鲤消化吸收，反而还能利用肠道消化物中的磷［25］。藻类被鲢、鳙滤食后，生长活性明显超出原有水平，呈现超补偿生长状态。藻的超补偿生长是指藻类在遭受某种不利的环境因子胁迫后，当该胁迫过程被解除时，其生长速率和生物量等超出未受胁迫的生长水平的现象［26］。鳙摄食对藻类生理上造成轻微伤害，使其对营养及光能等的利用受阻，藻类经鱼摄食后排出，进入原有生境后出现超补偿生长，产生这种现象可能原因有:(1)自然藻类以群体形式存在，鲢、鳙滤食后藻以单细胞存在。Topachevskii等指出，微囊藻经过鳙肠后，微囊藻群体表面黏液胶鞘被消化吸收，而藻细胞最终单个存活［27］。单个藻细胞经过机械重组，重新形成小型藻群体。初形成的小型藻群体黏液胶鞘薄，吸收营养元素更快而有利于藻类快速增长。(2)鲢、鳙仅刮食掉附在藻群体表面的细菌。Kamjunke等研究指出，拟鲤滤食仅将微囊藻群体表面附着的共生细菌去除，藻群体部分变小，但没有对单个藻细胞造成生理上的损伤。表面寄生细菌的去除有利于微囊藻细胞更好的接受光照与吸收水体内营养元素，从而刺激了藻细胞生长［28］。

绿藻、硅藻及隐藻总生物量实验期间增幅极小，增幅最明显的鲢组中，绿藻、硅藻及隐藻总量分别增加了 1.79、0.39 mg/L 和 0.47 mg/L，而蓝藻总量增加123 mg/L，增幅远高于其它藻类。可见，鲢、鳙滤食对绿藻、硅藻及隐藻没有明显影响，而对蓝藻的生长具有明显促进作用。这说明鲢、鳙对藻类刺激肯定具有种属特异性，即部分藻类被鲢、鳙摄食后能够被彻底消化和抑制，而某些藻类在经过鲢、鳙肠时不会被消化，相反生长受到刺激。鳙对藻类造成的损伤持续时间较鲢长，并且总体上相关参数值较鲢组低，说明这种特异性也可能和鱼的生理构造有关。鲢、鳙滤食后藻类出现超补偿生长，因此一般来说不适宜作为控藻生物［7，29］。但在特定条件(有限水域，足量优质鲢、鳙)下也能达到控藻效果。陈少莲等［30］指出，鲢、鳙对微囊藻消化吸收率较低，但是对排泄物的二次摄食消化率明显提高。由此可知，在有限的水域，经过多次滤食，鲢、鳙最终能够很好的控制微囊藻的生长。因此，利用鲢、鳙作为生物操纵鱼类来控制水库或湖泊藻类的生长，需人们对水体动植物群落结构及相互关系的了解，并根据湖泊(水库)水体特点及时合理投放鲢、鳙才可达到预期效果。

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