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HCO -3对铜绿微囊藻、四尾栅藻和小环藻增长特性及竞争行为的影响

2024-07-21 来源:乌哈旅游
维普资讯 http://www.cqvip.com 牛态环境2007,l 6(2):347-35 1 Ecology and Environment http://www.jeesci.com E-mail:oditor@j ̄esci.com HC03-对铜绿微囊藻、四尾栅藻和小环藻 增长特性及竞争行为的影响 杨苏文 ,姜 霞 ,金相灿 中国环境科学研究院湖泊生态环境创新基地,北京100012 摘要:HCOf为湖泊水体中藻类重要的无机碳源,其含量多少的变化对藻类优势利I的形成起到重要作用。文章采用含HCO3。 培养基HAC与无HCO;‘培养基HA对铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)、四尾栅藻(Scenedesmus Quadricauda)和小环藻 (Cyclotella sp.)进行纯培养和共培养竞争实验,考察HCO;。对藻类优势种形成的影响。利用logistic利 群增长模型拟合纯培 养 藻的牛长曲线,并求出最大增长速率,以及Lotka.Voltcrra竞争模型求出各自竞争参数。铜绿微囊藻与四尾栅藻在HAC 中纯培养和共培养的牛物最 和最大增长速率,均远大于在HA中,表明这两利-藻的增殖需要HCO;‘作为碳源平衡胞内营 养平衡;小环藻不能在有HCO;‘的培养基中生存。在HAC中,铜绿微囊藻 四尾栅藻的平均抑制作用相当,实现共存。 铜绿微囊藻在无HCO;‘环境中对营养资源更具竞争力,其对四尾栅藻的平均抑制作用是相反抑制的1.6倍,对小环藻的抑 制是相反抑制的6l倍;四尾栅藻在无HCO;。环境中竞争力弱于铜绿微囊藻强于小环藻,其对小环藻的抑制是相反抑制的 l0倍;小环藻在HA竞争试验中被淘汰。 关键词:HCO;-;铜绿微囊藻;四尾栅藻;小环藻;竞争 中图分类号:XI71.5 文献标识码:A 文章编号:l672.2175(2007)02.0347.05 我国浅水湖泊水华暴发基本形成了春秋季硅 藻为优势种,夏季为蓝藻和硅藻为优势种,而绿藻 为四季常见藻,很少形成水华的规律l¨,针对这j 种藻类优势种演替机理的研究成为重要的研究课 题,目前国内外在资源限制研究方面取得一定进 展,如氮限制【 、磷限制p卅和氮磷共同限制 刀等。 这些藻类共培养竞争试验的考察的营养盐主要集 1.2方法 1.2.1 实验设计 以HAc和HA培养基l 】进行_一藻的纯培养和共 培养实验,其中纯培养的部分参数已有报道【 ,本 文主要讨论有无HCO3"共培养条件下j种藻的竞争 行为;每个处理组有2个重复。试验过程的所有操 作都在无菌条件下进行。 1.2.2饥饿培养 中在氮磷营养盐上,藻种主要集中在蓝藻与绿藻【8J、 或蓝藻与硅藻上【9J。HCO3"作为自然水体中含量最多 的阴离子之一,同时也是藻类重要的无机碳源【川, 其含量多少的变化对藻类优势种的形成起到重要 作用。但其对蓝藻、绿藻与硅藻-一藻生长及竞争的 影响却鲜见报道。本文选用三种藻的代表藻在实验 室条件下研究HCO3"对其增长特性及竞争行为的影 响,为探讨太湖藻类水华发生及优势种演替规律提 供一些思路。 将藻种以4500 r-min ,5min离心,去掉上清液, 采用无氮饥饿培养基溶液洗涤,离心,去上清液, 重复洗涤,离心1次;然后用无氮饥饿培养基稀释 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0.3 mol・r HCI中浸泡30 min,经双玻重蒸水冲洗、烘干; 121℃高压蒸汽灭菌30 min备用。 1.2.4接种 1材料和方法 1.1藻种 微囊藻和栅藻的初始密度为5x 104 cells・mL-0, aeruginosa— 铜绿微囊藻(Microcyst ̄FACHLB一912) 和 小 环 藻 ( Cyclotella sp.一FACHLB一986),南中科院水生生物研究所藻种 库…J提供;四尾栅藻(Scenedesmus quadri- 接种在500 mL的锥形瓶中,培养基体积为150 mL, 日光灯冷光源,2000x(1+5%)lx,光照周期12h:12 h。培养温度(25:L-0.5)℃,每天摇动培养瓶2次。 1.2.5细胞计数 cauda一03923)为中国环境科学研究院湖泊生态环境 创新基地从太湖水中分离提纯藻种。 自接种的次日起为第l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。整个取样过 基金项目:国家自然科学基金项目(20507017);国家“973”项目(2002CB412304) 作者简介:杨苏文(1970一),女,助理研究员,硕士,主要从事环境徽生物研究。Tel:+86.IO.84913896;E-mail:yangsw@craes.org.cn ・通讯作者;・・责任作者:姜曩,女。剐研究员。 收疆日期:2006-09 ̄2 维普资讯 http://www.cqvip.com 348 牛态环境第l6卷第2期(2007年3 ) 程都在无菌操作台上进行。采用血球计数板在 Nikon.E 1 000显微镜下计数。 1.3数据整理 1.3.1 生长曲线的拟合 拿 = 8 叶。 0 1 ̄2logistic种群增长模型拟合单藻的增长过程。 每个处理组的最大生物量作为各自K的估计值。应 用逻辑斯谛方程的对数形式Ln[( ,)伽=a—rt,以 最小二乘法进行回归分析,获得该藻生长方程的斜 静 霉 暴 O lO 2O 3O 40 t/d 率和截距作为a和,.的估计值。 1.3.2竞争抑制参数的计算 利用Lotka.Volterra竞争模型: ◆▲●一………HAC中M实测生物量 ● IIA中M实测生物量 HAC中S实测生物量 一HA中S实测生物量 一一一HA中M拟合曲线 HA中C实测生物量C HA中S拟合曲线 一…HA中C拟合曲线 HAC中M拟合曲线 一HAC中S拟合曲线 圈1 HAC与HA中铜绿徽囊藻(图例中简称M.IV,-FI ̄)、四尾栅藻 (圈倒中简称S。IV,-FI ̄)与小环藻(圈倒中简称C.以下同) 两藻或l一藻共培养时分别采用两藻或 藻 Lotka.Volterra竞争模型的差分形式详见后面讨论 如 加 m 5 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ O 部分。两藻竞争抑制参数可直接F}1模型求出,i藻 竞争的6个抑制参数利用最小二乘法估计。 1.3.3抑制起始点的确定 纯培养增长趋势及logistic模型拟合曲线 Fig.1 The growth trend and logistic model fit curve Of aeruginosa. 4 2 O 8 6 4 2 quadricauda andCyclotellasp.inmonocultureinHAC andHA ∞∞∞ ∞∞ ∞∞ O 藻类增长曲线的拐点,为logistic方程二阶导数 等于零时的时间fD值,这时 , .1n2)/r[¨】。 1.3.4回归分析、方差齐性检验、数据处理和曲线 图绘制 2.2 HAC与HA中铜绿微囊藻、四尾栅藻与小环 藻共培养增长行为 藻在HAC与HA中共培养持续时间均为32 d,生长曲线及logistic种群增长模型拟合曲线见网 2。F}1表2(下页)可知,i藻在HAC中混合培养 在SPSS l 1.0和Excell XP上进行。 2结果与讨论 2.1 HAC与HA中铜绿微囊藻、四尾栅藻与小环 藻纯培养增长行为 HAC与HA中__藻纯培养持续时间均为32 d。 生长曲线及logistic种群增长模型拟合曲线见图1。 铜绿微囊藻与四尾栅藻HAC中最大生物量约为HA f 搴 = 8 畸 2 划 襁 基 暴 的3倍,最大增长速率约为其2倍。小环藻在HAC 中纯培养第2天已镜检不到活藻细胞,在HA中最 大生物量达到l O 量级。生长参数及拟合方程见表 1。结果表明,在氨氮为氮源的培养条件下,铜绿 微囊藻与四尾栅藻的生长需要以HCO3-为碳源维持 胞内碳氮平衡,小环藻则不需要以HCO3"作为碳源。 有研究表明,小环藻不适宜在HCOf浓度较高的环 境中生存【J引,本实验支持这一观点。 0 10 2O 30 0 4t/d ◆ ——M实测生物量 M拟合曲线 …▲ S实测生物量 --S拟合曲线 圈2 HAC中铜绿徽囊藻(M)、四尾栅藻(S)共培养增长 趋势及logistic模型拟合曲线 Fig.2 Thegrowthtrendandlogisticmodelfit curveofM.aeruginosa. quadricaudaandCyclotella sp.inmixed cultureinHAC 襄1 HAC和HA纯培养铜绿徽囊藻、四尾橱藻与小环藻logistic对数形式模型的参数、方程与抑制起始时间 Table I The parameters,equations nd areflection time of logistic logarithm model ofM.aeruginosa.S=quadricauda ,ndCyclaotellasp.inmonoculturcinHACandHA 维普资讯 http://www.cqvip.com 杨苏文等:Hco,一对铜绿微囊藻、四尾栅藻和小环藻增长特性及竞争行为的影响 表2 HAC和HA共培养铜绿徽囊藻、四尾栅藻与小环藻logistic对数形式模型的参数、方程与抑制起始时间 Table 2 The parameters,equations and reflection time oflogistic logarithm model ofM.aeruginosa,S quadricauda and Cyclotella sp 349 inmixed cultureinHACandHA 铜绿微囊藻与四尾栅藻的最大生物量均大于HA, 而小于各自纯培养的最大生物量。其中,共培养 HAC中铜绿微囊藻的藻细胞数量为HA的2.7倍, 与纯培养呈相同趋势,而生物量仅为其各自纯培养 的1/2。共培养HAC中四尾栅藻的藻细胞数量为 HA的4.2倍,分别为其纯培养生物量的1/4和1/5。 HAC中小环藻在共培养下仍不能成活;在HA中细 胞数量仅达到lO ,是纯培养条件下的l/5。研究结 果表明,铜绿微囊藻生物量的下降主要与是否含有 HC03"直接相关,与四尾栅藻和小环藻对其抑制作 用不显著相关;四尾栅藻生物量的下降不仅与是否 铜绿微囊藻对四尾栅藻,和铜绿微囊藻对四尾栅藻 竞争抑制参数,其值如表3所示。 南上表求出从抑制出现点到抑制稳定点(竞争 含有HC03 相关,还与铜绿微囊藻与小环藻对其抑 制作用相关;是否含有HCO3"对小环藻的存活起至 关重要的作用,同时四尾栅藻和铜绿微囊藻对其抑 制作用非常强烈,内容详见竞争行为讨论部分。 2.3铜绿微囊藻、四尾栅藻与小环藻HAC中共培 养竞争行为 小环藻在HAC中共培养与纯培养出现相同现 象,其藻细胞在第2天即消亡,因此,铜绿微囊藻 和四尾栅藻在HAC中的竞争行为采用两藻 Lotka.Volterra模型的差分形式计算各自竞争参数: ( )/( 广 .1)=,.—V_呦.I( r_^rm l— fsⅣS I)/Km (M M )/(f,广 .1)= .I(珞-Ⅳs l川。f?v_砌.I)/K ̄ 双方生物量增加量小于5%)之间。【 和。【。 平均值分 别为2.104+0.972,3.864+0.915;从抑制稳定点到抑 制衰减点(竞争双方生物量减少量大于5%)之间 平均值分别为3.199- ̄1.410,2.008+0.939。结果表明, 在HAC中两藻共培养抑制初期,四尾栅藻对铜绿 微囊藻的抑制作用大于铜绿微囊藻对四尾栅藻的 抑制作用;而当两藻生物量均达到共培养条件下的 最大生物量后,铜绿微囊藻对四尾栅藻的抑制作用 超过了四尾栅藻对铜绿微囊藻的抑制作用。如果不 区分抑制区段,则 和。【。,的平均值分别为 2.560-&0.822与2.356+0.732,表明在此HCO3"浓度 下铜绿微囊藻与四尾栅藻的相互抑制作用不明显, 能够实现共存。 2.4铜绿微囊藻、四尾栅藻与小环藻HA中共培养 竞争行为 铜绿微囊藻、四尾栅藻和小环藻在HA培养基 中共培养时实现共存,因此,采用三藻Lotka— Volterra方程的差分形式计算各自竞争参数【2】: (Ⅳm,厂Ⅳm )/( .1)= .1川 .I)/Km ‰?v_呦.I( _^r咖.1川 — 一式中^r砌,^ 分别为共培养中铜绿微囊藻和四尾栅 藻在时间 时的数量(×1(y4 cells・mL- );人r砌-l'ⅣS 分别为共培养中铜绿微囊藻和四尾栅藻在时间 .。 时的数量(×10 cells・mL" );rm,rs分别为铜绿微囊藻 和四尾栅藻的增长率(由单种纯培养经回归计算获 得); , 分别为铜绿微囊藻和四尾栅藻的最大环 境容量(由单种纯培养获得);Ot ,Ot。,分别为共培养中 1)/( 广 .1)= I(磊 Ⅳs 川。fⅣ_呦一I川 ^ .i)/Ks (Ⅳc, Ⅳc )/(f,广 .1)= r。Ⅳc I(K厂。v 一I— 。f^ .1— 。 .I)/K ̄ 式中^ 为共培养中小环藻在时间 时的数量(×lo4 cells・mL );Ⅳc 为共培养中小环藻在时间 一l时的 数量(×10 cells・mL- );rc为小环藻的增长率; 为 裹3 HAC共培养铜绿徽囊藻、四尾栅藻在抑制点出现后Lotka-Volterra模型的竞争参数 Table 3 The competitive parameters ofLotka—Volterra model ofM.aeruginosa,S quadricauda inmixed cultureinHAC aftertheapperence ofthe reflectionpointtime Incubating time Co-culture M.aeruginosa Co-culture s.quadricauda ‰ as, l093 532.5 2.794 1.577 982.5 482.5 2.729 935 6O2.5 335 3.061 3.O12 625 5.624 0.695 2.164 维普资讯 http://www.cqvip.com 0 0 0 们 0 O如  0 如 0 m 0 0 0 吕 8 叶o 0 搬 翟 聂 t/d ◆ M实测生长量 ■ S实测生长量 ▲ C实测生长量 一M拟合曲线 ……s拟合曲线 一…c拟合曲线 圈3 HA中铜绿擞囊藻(M)、四尾栅藻(S)与小环藻(c)共 培养增长趋势及logistic模型拟合曲线 Fig.3 The growth trend and logistic model ift cuwe ofM.aeruginosa, quadricaudaandCyclotella sp.inmixed cultureinHA 小环藻的最大环境容量; , 。, ,,% 分别为 HA共培养铜绿微囊藻对小环藻、四尾栅藻x, ̄tb环 藻,小环藻对铜绿微囊藻和小环藻对四尾栅藻的竞 争抑制参数,其值见表4。 在HA j藻共培养竞争试验中,而铜绿微囊藻 对四尾栅藻的平均抑制作用是其相反抑制的1.6 倍,大于其在HAC中对四尾栅藻的抑制作用;铜 绿微囊藻对小环藻的抑制是其相反抑制的6 l倍, 四尾栅藻对小环藻的抑制是其相反抑制的10倍, 由于小环藻受到铜绿微囊藻和四尾栅藻的强烈抑 制,获得营养资源的竞争力很低,最终淘汰出局。 只有铜绿微囊藻和四尾栅藻实现了稳定共存。 3结论 铜绿微囊藻、四尾栅藻在HAC中纯培养和共 培养的生物量 和最大增长速率,.均远大于在HA 中。表明铜绿微囊藻和四尾栅藻在以氨氮为氮源时 需要HCO3"作为补充碳源,小环藻则不能在有 HCO3"的培养基中生存。 在HAC中铜绿微囊藻、四尾栅藻和小环藻共 培养,小环藻仍不能成活,铜绿微囊藻与四尾栅藻 的生物量均小于纯培养;两者竞争初期抑制作用为 四尾栅藻大于铜绿微囊藻,后期为铜绿微囊藻大于 四尾栅藻,两者的平均抑制作用相当,能够实现共 存。最终生物量趋同。在HA中三藻共培养各自生 物量均小于纯培养,其中铜绿微囊藻与四尾栅藻生 物量还小HAC;在HA中铜绿微囊藻对四尾栅藻的 抑制作用远大于在HAC中,表明铜绿微囊藻在氨 氮为氮源时,在缺乏HCO3"环境中对营养资源更具 竞争力,而四尾栅藻则相反,其竞争力弱于铜绿微 囊藻强于小环藻;铜绿微囊藻在两种培养基中均为 竞争优势种,其为我国多数浅水湖泊夏季水华优势 种的结论相一致;而小环藻在竞争试验中被淘汰与 其为浅水湖泊春季和夏季水华爆发的优势种¨J的结 论不符,其机理会在后续的竞争试验中考察。 参考文献: …秦伯强,胡维平,陈伟民,等.太湖水环境演化过程与机理【M】.北 京:科学出版社,2004:257.262. 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YANGSuwen‘JIANGXialJINXiangcanl ,,ResearchCenterofLakeEnvironment,ChineseResearchAcademyofEnvironmentalScience,Beijing 100012,China Abstract:HCo3 is one of the important carbon resources for algaes in lakes.The changes of its concentration in、vatcr body have great effect on formation ofdominant algaes.Microcystis aeruginosa,Scenedesmus quadricauda and Cyclotella sp.were examined in HAC which included HCO; in culture medium and in HA without HCO; in this artica1.Growth culw'es of this three algaes in monoculture were fitted by logistic growth—model respectively.The max specific growth rate,.of those algaes were carried out. While competitive parameters were calculated wiIh Lotka-Volterra competition mode1.The max capacity K and max growth rate,.of M.aeruginosa and s.quadricauda in HAC were lager than in HA without reference to pure or mixed culter.It indicatd tehat the growth ofM aeruginosa and quadHcauda need HCO; as carbon source to balance its C:N:P ratio.Cyclotella sp.could not survive in HAC.M.aeruginosa and S.quadricauda whose mutual inhibiting effect were equal were coexist in HAC.The ompetictive ability ofM,aeruginosa was higher in HAthan HAC,The inhibiting effect ofM.aeruginosa on S.quadricauda Was I.6 times than reverse and on Cyclotella sp.was 61 times than reverse.The competitive ability ofS.quadncauda was weaker than aeruginosa nd s ̄ongear than Cyclotella sp.The inhibiting effect ofS.quadricauda on Cyclotella sp.was 10 times than reverse.Cyclotella sp. Was eliminatd in eompetiction experimentations in HA. Key words:HC ‘;Microcystis aeruginosa;Scenedesmus quadricauda;Cyclotellasp.;competition 

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