紊流擾動對水華魚腥藻細胞生理的影響

高 遐肖 艷石錦安李 哲王 舒孫 瑩

(1. 四川農業大學風景園林學院, 成都 611130; 2. 中國科學院重慶綠色智能技術研究院, 重慶 400714; 3. 中國科學院水庫水環境重點實驗室, 重慶 400714; 4. 山東藥品食品職業學院, 威海 264200)

紊流擾動對水華魚腥藻細胞生理的影響

高 遐1,2,3肖 艷2,3石錦安1李 哲2,3王 舒2,3孫 瑩4

(1. 四川農業大學風景園林學院, 成都 611130; 2. 中國科學院重慶綠色智能技術研究院, 重慶 400714; 3. 中國科學院水庫水環境重點實驗室, 重慶 400714; 4. 山東藥品食品職業學院, 威海 264200)

三峽水庫成庫以來, 支流回水區頻繁出現水華現象,成為近10年來我國水庫生態學領域研究熱點[1]。水流條件是水華形成的主要誘導因素之一[2], 合適的流速條件能給藻類生長營造有利的外部環境[3]。溫度、光照和營養鹽是影響藻類生長的重要環境因子, 在自然水體中隨著深度的變化而變化[4]。普遍認為, 紊流擾動通過改變藻類在水體中的相對位置和分布, 從而改變藻類生長的環境因子, 間接影響藻類生長[5,6]。已有研究表明, 紊流擾動不僅間接影響藻類在水體中的相對位置, 且對藻類生理有直接影響[7—9]。水華魚腥藻(Anabaena flosaquae)是典型的有害水華藻種[10], 易在氮相對匱乏、磷相對豐足的水體中形成優勢, 在大量湖泊、水庫中均有發現。其生長總體受磷限制, 生長速率與無機態磷吸收顯著相關[11]。

本研究在控制其他外界條件相同的基礎上, 比較研究紊流擾動條件的有無對水華魚腥藻細胞生理、磷吸收與磷儲存及形態的影響, 旨在為水華的防治和控制提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 藻種及藻種培養

實驗選用的水華魚腥藻FACHB 245(Anabaena flosaquae)購自中國科學院水生生物研究所淡水藻種庫(FACHB-collection)。實驗前進行水華魚腥藻擴大培養后, 將藻細胞離心收集, 用無磷的BG11培養基洗滌去除藻細胞表面吸附的磷, 重復洗滌、離心3次, 轉入無磷培養基, 饑餓培養10d以消耗細胞內積蓄的磷, 即可作為實驗用藻種。

將經過饑餓培養的藻離心收集, 重復洗滌離心3次,接入新鮮培養基。實驗采用的BG11培養基, 磷濃度為2 mg/L。將稀釋后的藻液攪勻, 分別取1000 mL藻液于2個1 L燒杯中, 采用六聯攪拌反應器, 實驗組設置轉速為400 r/min, 對照組則為0, 在溫度28℃, 光照強度50 μmol/ (m2·s), 光周期12∶12h條件下進行單批次培養。通過Fluent模型建立及換算, 已知400 r/min對應的紊流耗散率為6.65×10-5m2/s3, 科莫尺度(Kolmogorov microscale)為0.34 mm, 在自然水體中屬較高水平[12,13]。

1.2 測定指標及方法

分別于接種后0、0.5d、1d、1.5d、2d、2.5d、3d、5d、7d和9d取新鮮藻液, 進行細胞密度的測定。于接種后0和9d時取新鮮藻液4 mL進行胞內總磷含量的測定。于9d時進行形態指標、光合活性和溶解性磷酸鹽測定。由于取樣量較少, 相對于培養液總體積可以近似認為符合實驗過程中“無底物和菌體的供應和移走”的要求。對照組藻細胞存在自然沉降現象, 取樣前適當攪拌使藻液混合均勻。

細胞密度與比生長速率細胞密度反應水華魚腥藻的生物量變化。取1 mL藻液, 加入魯哥試劑, 超聲波(功率90 W, 開2s關2s循環共計10s)將藻絲破碎后, 使用血球計數板在顯微鏡下進行測定。比生長速率根據以下公式計算得到[14]:

其中N表示每1 mL藻液中藻細胞數, t為取樣時間。

光合作用活性光合作用活性取最大光化學量子產量Fv/Fm、葉綠素含量Chl. a。取2 mL藻液, 暗適應5 min后用Phyto-PAM浮游植物分析儀測定。

磷吸收與磷儲存溶解性磷酸鹽(SRP)和胞內總磷(TCP)均采用國標法(鉬藍顯色法)測定。根據單位細胞內TCP含量, 根據以下公式計算磷吸收速率[15]:

其中W為胞內總磷含量, N為細胞密度, t為取樣時間間隔。

形態指標取水華魚腥藻藻絲長度和單個細胞長寬。取藻液制作臨時裝片, 使用顯微鏡結合Mshot顯微拍照軟件, 每個樣本隨機選取50個群體進行拍攝, 用校準好的明美顯微數碼測量分析系統測量并統計。由于水華魚腥藻細胞近似橢球形, 其比表面積(sv-1)計算公式如下:

其中w表示細胞寬度, l表示細胞長度。

1.3 數據處理

所有樣品測定指標均作三組平行。采用Origin 9.0進行實驗數據的統計分析和圖表繪制。用ANOVA雙尾檢驗分析數據顯著差異性, P＜0.05表示顯著性差異。數據采用平均值±標準誤表示。

2結果與討論

2.1 紊流擾動對水華魚腥藻生長的影響

指數生長期, 實驗組(0.34 mm)水華魚腥藻細胞密度始終高于對照組(圖 1)。實驗組和對照組9d時細胞密度分別為2.28×107和1.24×107cell/mL, 實驗組細胞密度幾乎是對照組的兩倍。從藻類生長周期來看, 對照組1—5d處于指數生長期, 增殖快速, 5—9d為穩定期, 生物量略微降低; 而實驗組1—7d均呈指數生長, 相比對照組生長周期延長。

圖 1 紊流擾動下水華魚腥藻細胞密度變化Fig. 1 Cell density of Anabaena flos-aquae under turbulence

同樣, 實驗組水華魚腥藻比生長速率明顯高于對照組(ANOVA, P＜0.05)。指數生長期, 實驗組和對照組比生長速率分別為0.216/d和0.109/d, 實驗組比生長速率幾乎是對照組的兩倍。

結果表明紊流擾動顯著促進水華魚腥藻的生長。

2.2 紊流擾動對細胞尺寸與藻絲長度的影響

在紊流擾動條件下, 水華魚腥藻單個細胞平均長度、寬度及長寬比均發生了變化(表 1)。選取指數生長期進行比較, 發現實驗組藻細胞平均長度相比對照組減小了22.2%, 而平均寬度增加了4.5%, 長寬比減小了25.9%。

進一步對實驗組和對照組水華魚腥藻藻細胞比表面積進行比較發現, 實驗組和對照組藻細胞比表面積分別為0.84±0.075和0.98±0.082, 實驗組相比對照組增加了16.7%。

細胞能夠通過調節自身大小和形狀以應對和適應環境變化[16]。細胞大小變化伴隨著細胞比表面積的變化,細胞體積減小, 比表面積增大[17]。普遍認為, 細胞營養鹽吸收速率取決于細胞比表面積大小, 細胞通過減小自身尺寸實現營養鹽吸收速率最大化[18,19]。紊流擾動下水華魚腥藻細胞大小的顯著變化(圖 2)是其適應紊流擾動環境的一種生存策略, 通過減小細胞尺寸, 增大營養鹽吸收速率。

表 1 紊流擾動下指數生長期水華魚腥藻細胞平均長度、寬度及比表面積Tab. 1 Cell length, width and surface-to-volume ratio of Anabaena flos-aquae under turbulence

圖 2 紊流擾動下水華魚腥藻細胞尺寸變化Fig. 2 Morphological changes of Anabaena flos-aquae under turbulence

經統計分析發現, 實驗組(0.34 mm)和對照組(0)藻絲平均長度均隨時間變化。實驗組和對照組藻絲平均長度分別為(108.2±8.6)和(147.2±11.7) μm, 實驗組相比對照組藻絲平均長度縮短了26.5%, 差異顯著(ANOVA, P＜0.05)。如圖 3所示, 在紊流擾動條件下, 實驗組不同長度藻絲所占比例相比對照組發生了明顯的變化, 實驗組0—100 μm群體數量明顯多于對照組。

圖 3 紊流擾動下水華魚腥藻藻絲長度頻數分布圖Fig. 3 Frequency distribution plot of filament length of Anabaena flos-aquae under turbulence

這與Thomas等[20]的研究結果一致, 在紊流擾動條件下培養的項圈藻藻絲長度短于靜置水體。一些學者認為紊流擾動造成細胞機械損傷從而導致藻絲變短[21], 在本實驗中, 實驗組和對照組12h時藻絲長度無明顯差異(分別為112和110 μm), 且與0相比略微變長(分別為105和104 μm), 可以認為, 實驗采用的紊流擾動強度不會造成機械損傷導致藻絲變短。由于藍藻藻絲長度與其自身浮力調節機制密切相關[22,23], 藻絲長度變化可能是其對紊流擾動環境的響應。

2.3 紊流擾動對水華魚腥藻光合作用的影響

通過實驗組和對照組光合作用活性的比較分析(表2), 結果表明實驗組與對照組最大光化學量子產量Fv/Fm無顯著差異(ANOVA, P＞0.05), 同時單位細胞內葉綠素含量Chl. a差異不顯著(ANOVA, P＞0.05), 因此可以認為,紊流擾動對水華魚腥藻光合作用影響不顯著。同時, 實驗初期水華魚腥藻光合活性Fv/Fm為0.270±0.018, 實驗結束時(9d)對照組和實驗組Fv/Fm分別為0.275±0.019和0.260±0.015, 未發生明顯變化, 表明實驗過程中營養鹽始終充足, 未對細胞生理構成脅迫。

表 2 紊流擾動下水華魚腥藻光合作用活性及葉綠素含量變化Tab. 2 Photosynthesis activity and Chl. a content of Anabaena flos-aquae under turbulence

該結果與Thomas等[24]的研究結果一致, 表明紊流擾動對藻細胞光合機構無顯著影響。但Wang等[26]研究發現, 不同藻種在相同強度的紊流擾動下, 光合活性受到不同程度的影響, 一些藻種則完全不受紊流擾動影響。

紊流擾動對水華魚腥藻光合作用無顯著影響, 可以認為紊流擾動并非通過促進光合作用加快藻細胞生長速率, 可能通過促進藻細胞營養鹽吸收等其他代謝途徑, 促進水華魚腥藻的生長。

2.4 紊流擾動對水華魚腥藻磷吸收速率的影響

在紊流擾動條件下, 實驗組培養液中溶解性磷酸鹽(SRP)含量相比對照組降低了13.5% (表 3), 紊流擾動促進了水華魚腥藻對磷元素的吸收。同時對單位細胞內總磷含量(TCP)進行測定, 紊流擾動下水華魚腥藻單位細胞內總磷含量顯著低于對照組(ANOVA, P＜0.05), 分別為0.276和0.174 pg/cell。

表 3 紊流擾動下水華魚腥藻SRP、TCP及磷吸收速率Tab. 3 SRP, TCP and P uptake rate of Anabaena flos-aquae under turbulence

進一步根據細胞內總磷含量變化計算魚腥藻磷吸收速率, 發現實驗組磷吸收速率明顯高于對照組, 分別為0.019和0.036 pg/(cell·d), 實驗組相比對照組提高了89.5%。

該結果表明紊流擾動顯著促進水華魚腥藻藻細胞磷吸收速率, 這與Wang等[25]的研究結果一致。如前所述,紊流擾動下細胞尺寸變小, 比表面積增大, 細胞營養鹽吸收速率加快, 可以認為, 磷吸收速率的增大可能是水華魚腥藻通過調節自身形態大小以適應紊流擾動環境的結果。單位細胞內磷含量的減少, 可能是藻細胞快速生長帶來的影響。

3結論

一定強度的紊流擾動能明顯促進水華魚腥藻的生長, 紊流擾動下藻細胞比生長速率是靜置水體中的近兩倍。

紊流擾動對水華魚腥藻細胞光合活性及單位細胞內葉綠素含量影響不顯著, 而對藻細胞磷吸收速率有顯著的影響, 實驗組藻細胞磷吸收速率相比對照組提高了89.5%, 可以認為紊流擾動對藻細胞生長的促進作用并非光合作用帶來的影響, 而是通過促進細胞營養鹽吸收,從而促進水華魚腥藻的生長。

紊流擾動下水華魚腥藻藻細胞形態發生顯著變化,細胞尺寸減小, 比表面積增大。潛在機制是藻細胞通過減小細胞尺寸, 加快磷吸收速率以適應紊流擾動環境。磷吸收速率與細胞形態的顯著變化為我們研究紊流擾動對藻類生長的影響提供了新的視角, 其生理機制有待進一步研究。

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EFFECT OF SMALL-SCALE TURBULENCE ON CELL BIOLOGY OF ANABAENA FLOS-AQUAE

GAO Xia1,2,3, XIAO Yan2,3, SHI Jin-An1, LI Zhe2,3, WANG Shu2,3and SUN Ying4
(1. College of Landscape Architecture, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China; 2. Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academy of Sciences, Chongqing 400714, China; 3. CAS Key Laboratory on Reservoir Water Environment, Chinese Academy of Sciences, Chongqing 400714, China; 4. Department of Traditional Chinese Medicine, Shandong Drug And Food Vocational College, Weihai 264200, China)

紊流擾動; 水華魚腥藻; 細胞生理

Small-scale turbulence; Anabaena flos-aquae; Cell biology

Q142

A

1000-3207(2017)02-0486-05

10.7541/2017.62

2016-04-18;

2016-07-18

國家自然科學基金項目(51309220); 重慶市基礎科學和前沿技術研究專項重點項目(cstc2015jcyjBX0006)資助 [Supported by the National Natural Science Foundation of China (51309220); the Chongqing Natural Science Program (cstc2015jcyjBX0006)]

高遐(1992—), 女, 浙江麗水人; 碩士研究生; 主要研究方向為藻類生理生態。E-mail: gaoxia92@outlook.com; 肖艷(1984—), 女,湖北荊州人; 博士; 主要從事藻類生理生態學研究。 E-mail: yxiao@cigit.ac.cn共同第一作者

石錦安, E-mail: shija5778@126.com