在模拟条件下光强对底泥藻类迁移至水柱的影响

周起超李 林熊 倩, 3闪 锟, 3宋立荣

(1. 中国科学院水生生物研究所, 淡水生态与生物技术国家重点实验室, 武汉 430072; 2. 云南省环境科学研究院(中国昆明高原湖泊国际研究中心), 高原湖泊流域污染过程与管理云南省重点实验室, 昆明 650034; 3.中国科学院大学, 北京 100049)

在模拟条件下光强对底泥藻类迁移至水柱的影响

周起超1, 2李 林1熊 倩1, 3闪 锟1, 3宋立荣1

(1. 中国科学院水生生物研究所, 淡水生态与生物技术国家重点实验室, 武汉 430072; 2. 云南省环境科学研究院(中国昆明高原湖泊国际研究中心), 高原湖泊流域污染过程与管理云南省重点实验室, 昆明 650034; 3.中国科学院大学, 北京 100049)

发生于太湖、巢湖、滇池及一些水库、池塘等水体的藻类水华因其对饮用水安全与景观的影响而受科学家与大众普遍关注。水华发生是物理、化学、生物及藻类自身的综合作用结果, 基于微囊藻生活史特征[1], 孔繁翔和高光[2]将长江中下游湖泊蓝藻水华的发生过程划分为休眠、复苏(底泥藻类恢复活性与生长并向水柱迁移)、生长、上浮和聚集4个阶段。底泥是蓝藻等藻类休眠与复苏的重要场所[3], 蓝藻等藻类的复苏或迁移至水柱的过程常受多种环境因子影响[4—11], 光照被认为是引起藻类从底泥迁移到水柱的重要因素[6, 11]; 然而, 此前的研究主要关注有无光照两种条件[6, 9], 或对所需光强高低持不同观点[1, 4], 故而有必要研究底泥藻类向水柱迁移所需的光强大小问题。

同时, 在水华发生过程中浮游植物组成结构往往会发生变化, 如太湖梅梁湾中蓝藻晚于硅藻、绿藻到夏季才占据优势[12, 13], 但水柱中藻类演替的种源来自哪里的问题仍难以说明。根据野外观测, 太湖底泥中藻类丰度高,水华早期藻类光合活性先于水柱中升高, 底泥中某种藻类的生物量与水柱中亦有一定规律性, 如底泥中微囊藻减少, 随之水柱中增多。换言之, 底泥可能为水柱中藻类的演替提供了种源, 不同藻类从底泥迁移至水柱中的顺序可能有异, 且不同藻类发生迁移与否还可能与光强大

小有关[6, 11]。

此外, 水华早期水柱中的藻类生物量有限, 而对水华早期的监测对于水华的预警预测尤为重要, 亦即利用一种快速有效的能监测水柱藻类生物量及其组成的方法显得很有必要。传统的叶绿素测定方法具有快速与重复性好等优点, 但其步骤繁琐、耗时较长[14], 且不能对藻类进行有效分类, 而基于Phyto-PAM的方法或许可行[14, 15]。因此, 本文通过模拟试验研究了基于 Phyto-PAM 检测的不同光强对藻类从底泥向水柱迁移及不同藻类的迁移顺序的影响, 旨在揭示水华早期光强与底泥藻类迁移至水柱及其提供演替种源的关系。

1 材料与方法

1.1 材料及其预处理

底泥和湖水分别用彼得森采泥器和柱状有机玻璃采水器于2012年7月采自于太湖竺山湾(31.45° N, 120.03° E)湖底和水面以下 0.5 m处, 镜检发现底泥中含蓝藻(微囊藻)、绿藻、硅藻等, 水柱中以微囊藻为主。将底泥于20℃、黑暗条件下处理数日, 预处理后底泥中蓝藻、绿藻、硅藻的光系统Ⅱ最大光化学量子产量(Fv/Fm)分别为 0.03、0.09、0.38。将湖水用GF/C滤膜(Whatman, UK)抽滤备用。1.2 模拟试验

模拟装置: 圆柱体, 材料为有机玻璃, 仅下底面封闭,底面内径15 cm、外径16 cm, 高70 cm。

试验设计: 将预处理后的底泥充分混匀后注入模拟装置底部, 高4 cm, 并将经GF/C滤膜抽滤的湖水小心注入(垫以泡沫, 不翻动底泥), 约10 L; 为避免水柱表层生长微生物膜, 且为避免对底泥的扰动, 以可调式水族充气泵在水柱中部进行持续充气; 通过可调光强节能灯(20 W、cool daylight, Philips, 中国)使光照垂直入射, 使水面入射光强分别为0、5、30和90 μE/(m2·s)(根据本过滤湖水实测光强数据进行指数拟合得出的漫射衰减系数约为 0.893/m, 经计算, 实验开始时各处理组底泥表面的光强分别为0、3.0、18.1和54.3 μE/(m2·s), 光暗比12L︰12D, 在空调房中控制培养水温约20 , ℃ 每组设三个平行。本实验在暗室中开展, 其中无光照组四周及模拟装置上方均用黑色透气遮光材料包裹, 且各处理组间均用黑色透气遮光材料分隔以避免环境漫射光及各光强条件的相互影响。

1.3 样品测定

使用YSI Professional Plus多参数水质分析仪(Yellow Springs Instruments, USA)测定水柱水温、pH、电导率和矿化度, 浊度使用Hach 2100Q(Hach, USA)测定, 因进行通气培养, 故未测定溶解氧浓度; 溶解态总氮与溶解态总磷浓度根据《湖泊富营养化调查规范》[16]测定。

为提高相对较小体系的叶绿素浓度测定精度且不因取样量过大而影响培养体系, 利用调制叶绿素荧光仪Phyto-PAM(Walz, Effeltrich, Germany)分类测定叶绿素荧光活性与生物量[14, 17], 测定前将样品暗适应10min。在测定过程中, 仪器连接好后开机并打开Phyto Win软件, 每次测定时在样品杯中放入样品 3 mL, 盖上盖子后调节Gain至最适信号强度。在Setting窗口中设置Meas. Freq. 为2, 切换到Algae窗口; 点击SAT-Pulse测定Fv/Fm, 并从对应的Blue、Green、Brown下读取数据; 在Setting窗口中设置 Meas. Freq.为 32, 切换到 Algae窗口; 点击Chl[MF32]测定叶绿素浓度, 并从对应的 Blue、Green、Brown下读取数据; 因对水样的镜检中并未观察到其他杂色藻类, 故而可认为本研究中Blue、Green、Brown分别代表蓝藻、绿藻、硅藻。

1.4 数据分析

非参数分析Nonparametric Tests-K Independent Samples (Kruskal-Wallis H)由SPSS 16.0完成, P＜0.05表示显著性。

2 结果

2.1 水体理化参数

不同光强下水柱中理化参数如表 1所示, 各参数均未表现出组间的显著性差异。

2.2 藻类叶绿素荧光活性

各门藻类 Fv/Fm变化如图 1所示: 黑暗和低光强[5 μE/(m2·s)]的两个处理组中, 均未检测到蓝藻、绿藻的值, 且硅藻的值维持在较低水平。蓝藻(图1a), 90 μE/(m2·s)时检测到活性早于 30 μE/(m2·s), 且随着培养时间延长其活性逐步升高; 绿藻(图1b), 90 μE/(m2·s)时检测到活性早于30 μE/(m2·s); 硅藻(图1c), 起初90 μE/(m2·s)处理组的活性高于30 μE/(m2·s), 24d后反之。

2.3 藻类叶绿素相对含量

当入射光强小于或等于 5 μE/(m2·s)时, 均未检测到蓝藻和绿藻, 硅藻生物量维持较低水平, 硅藻叶绿素相对浓度均小于2.0 μg/L (图2a、b); 当入射光强达到30 μE/(m2·s) 时, 水柱中第24天出现绿藻、第36天出现蓝藻(图2c); 当入射光强为90 μE/m2·s时, 水柱中第9天出现绿藻、第18天出现蓝藻(图2d)。30、90 μE/(m2·s)光强下, 藻类生物量的明显降低或与水柱中观察到的浮游动物出现(主要为Daphina spp.)及其捕食作用有关。

表1 不同光强下水柱理化参数Tab. 1 Parameters of water column under different light intensity

图1 水柱中藻类Fv/Fm变化Fig. 1 Variation of Fv/Fmin water column during the experiment

图2 水柱中藻类叶绿素a相对含量及其组成变化Fig. 2 Variation of relative Chl.a concentration and composition of algae in water column during the experiment

3 讨论

无论是纯种的蓝藻、绿藻或硅藻, 还是其混合样品, Phyto-PAM 测定叶绿素的方法与传统方法均有很好的线性关系[15], 且该方法应用于自然水体进行浮游植物分类测定的灵敏度、精密度与准确度较好[14]。在本研究中, 虽不是以传统方法测定的叶绿素浓度与藻类组成为表征参数, 但 Phyto-PAM 测定的相对含量并不影响分析光强对底泥藻类迁移至水柱的影响, 如水柱中不同门藻类从无到有的现象。

Karlsson-Elfgren等[6]认为光照和温度是促进蓝藻Gloeotrichia echinulata萌发的最重要因子, 也有人认为底泥扰动及被动悬浮比光照和温度对藻类复苏的影响更大[9, 18]; 蓝藻水华的发生亦会随着温度、日照时长与总辐射的增加以及风速的减小而提前[19], 增加营养盐对复苏的生物量亦有贡献[10]。本研究设置的 20℃被认为是底泥藻类生长与复苏的适宜温度[10, 20], 溶解态氮磷浓度较高且不具组间显著性差异(或与底泥释放有关); 其他理化因子亦不具组间显著性差异; 因而, 各处理组间的差异可认为是由光强引起的。

光照能引起底泥藻类向水柱迁移[11], 有人认为低光强是引起复苏的条件之一[4], 也有人认为相比黑暗或低光强, 光照与相对高的光强更利于收集泥水界面的群体微囊藻[1], 李阔宇等[20]发现光强为 30 μE/(m2·s) 时(其试验所设的最高入射光强)更利于底泥藻类的生长与向水柱中迁移, 本研究的结果与微囊藻复苏及向水柱中迁移更易发生于浅水区的现象吻合[11, 18, 21], 即不考虑风浪对底泥的再悬浮等作用对光衰减系数的影响, 浅水区入射至底泥表层的光强高于深水区, 即使浅水区域的藻类复苏亦可归于光强与风浪的联合作用[22]。本研究初始底泥中的硅藻光合活性明显高于绿藻和蓝藻, 且黑暗与低光强处理组水柱中仍可检测到一定的硅藻, 或是因为黑暗条件下藻类可通过调节浮力上浮[23], 如有些硅藻可通过调节细胞内脂质成分进而调节浮力, 还可能与被动悬浮有关[9], 而光照与底泥悬浮对复苏的影响有累积效果[24]。

尽管有时并不能在底泥中检测到发生水华的蓝藻[25],且底泥藻类对水柱中藻类生物量与水华程度的贡献大小方面有不同观点[10, 26, 27], 但底泥为水柱中藻类提供种源是毋庸置疑的。Cao等[28]对太湖梅梁湾藻类复苏情况的研究表明, 3—5月份的前四周绿藻与总浮游植物复苏量高于蓝藻, 第 5周开始转变为蓝藻复苏加快且其占浮游植物总复苏量的比例逐渐升高; 张晓峰等[3]的研究亦表明绿藻的复苏最大量要早于蓝藻。虽然蓝藻复苏晚于硅藻和绿藻的时间差异被认为与温度的逐渐升高有关[29], 但本研究中各处理组的差异主要为光照强度, 较高光强的两个试验组均表现出硅藻先于绿藻先于蓝藻迁移至水柱的现象, 且入射光强更高的组别绿藻与蓝藻光合活性于更早时间表现出升高趋势且被检测到的时间更早, 说明光强对不同藻类从底泥中迁移至水柱的时间与顺序均有重要影响。

相比真核的绿藻与硅藻, 蓝藻更耐低光强[30], 其中硅藻在 14—20℃时对高光强的抵抗能力最强[30], 多地水华的优势种铜绿微囊藻显示出对“微光”的适应性要强于“低光”[31]; 20℃时, 若光照减弱(黑暗)可导致蓝藻的细胞镇重物降低与伪空胞增多, 进而引起蓝藻上浮[23]。在本研究中, 可能是因为硅藻、绿藻上浮至水柱中生长后形成了一定的遮蔽效果, 并为蓝藻的上浮与生长创造了相对较低的光强条件。然而, 入射光强越高, 绿藻、蓝藻出现的时间越提前, 可能是相对更耐高光强的硅藻、绿藻先后上浮于水柱中生长后, 并一定程度上为在底泥中完成生活史部分阶段的浮游动物进入水柱(试验期间观察到浮游动物进入水柱的现象, 数据未显示)提供了食物, 进而对底泥产生一定的生物扰动作用而使蓝藻迁移至水柱[32]。

4 结论

底泥中的硅藻是否会迁移至水柱与光强大小无关;入射光强达30 μE/(m2·s)[底泥表面的初始光强为18.1 μE/ (m2·s)]及以上时, 底泥中的绿藻、蓝藻先后迁移至水柱,且水柱中出现绿藻、蓝藻的时间随光强的升高而提前; 该迁移现象应是光照(光强)与生物扰动共同作用的结果, 并可为水柱中浮游植物的群落演替提供种源。

致谢:

感谢长江流域水环境监测中心提供仪器使用。

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IMPACTS OF LIGHT INTENSITY ON ALGAL MIGRATION FROM SEDIMENT TO WATER COLUMN UNDER SIMULATED CONDITIONS

ZHOU Qi-Chao1, 2, LI Lin1, XIONG Qian1, 3, SHAN Kun1, 3and SONG Li-Rong1
(1. State Key Laboratory of Freshwater Ecology and Biotechnology, Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072, China; 2. Yunnan Key Laboratory of Pollution Process and Management of Plateau Lake – watershed, Yunnan Institute of Environmental Science (Kunming China International Research Center for Plateau Lake), Kunming 650034, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

光强; 藻类水华; 底泥; 迁移; 演替

Light intensity; Algal blooms; Sediment; Migration; Succession

Q178.1

A

1000-3207(2015)04-0845-05

10.7541/2015.111

2014-09-23;

2015-02-03

国家重点基础研究发展计划项目(No.2008CB418000); 国家水体污染控制与治理科技重大专项(No.2013ZX07102-005)资助

周起超(1985—), 男, 浙江松阳人; 博士; 主要从事藻类生理生态学与湖泊生态环境研究。E-mail: qchzhou@gmail.com

宋立荣, E-mail: lrsong@ihb.ac.cn