不同光照條件對2個品種(系)壇紫菜光合作用、呼吸作用的影響

權 偉， 王怡娟， 應苗苗， 周慶澔， 陳思航， 許曹魯

(1.溫州科技職業學院/浙江省溫州市農林漁生態系統增匯減排重點實驗室，浙江溫州325006；2.浙江省溫州市洞頭區水產科技推廣站，浙江溫州325700)

壇紫菜(Porphyrahaitanensis)廣泛栽培于我國的浙、閩、粵3省沿海地區，其產量占全國紫菜產量的 75% 左右[1]，光合作用與呼吸作用中溶解氧(dissolved oxygen，DO)、溶解無機碳(dissolved inorganic carbon，DIC)的供應及利用是壇紫菜養殖過程中的基本理論問題之一。DO通常是指通過大氣交換或經生物、化學反應溶解于海水中的氧氣，它是海洋生命活動不可缺少的重要物質，也是衡量海水環境質量的標準之一[2]。DIC是海洋碳系統中最主要的存在形態之一，也是海洋碳循環和全球碳循環研究中極其重要的部分[3-4]。壇紫菜在養殖過程中隨著潮汐變化會經歷反復干出和沉水循環，沉水階段通過光合作用利用水體中的DIC，釋放DO，通過呼吸作用消耗水體中的DO，釋放DIC。

包括壇紫菜在內的大型海藻是近岸海洋生態的主要初級生產者，其強大的光合固碳能力顯著增加了海洋碳匯強度[5-7]。大型海藻養殖能夠降低水體無機碳濃度，促進大氣CO2向海水轉移，進而降低大氣CO2濃度。同時，伴隨養殖大型海藻的收獲，形成了一個“可移出的碳匯”。所以，大力發展近海海藻養殖具有重要的碳匯生態意義及社會意義。

目前對壇紫菜光合生理的研究主要集中在生態環境因子(營養鹽、CO2濃度升高、紫外輻射、溫度、pH值)對光合作用的影響[8-13]，壇紫菜在不同的光照、黑暗持續時間及不同光照度條件下，產氧、固碳速率會呈現怎樣的變化很少涉及，開展相關研究可為壇紫菜生理生態、固碳機理的研究及其人工栽培提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料

養殖試驗壇紫菜(三水)及海水采集于2014年12月，取自素有“浙江省紫菜之鄉”美譽的浙江省溫州市洞頭區。洞頭自20世紀60年代開始試養壇紫菜，至今已有50多年養殖歷史，截至2017年，洞頭紫菜養殖面積2 000多hm2，堪稱“海上田園”。洞頭本地菜為洞頭本地傳統養殖品系的俗稱，浙東1號從寧波大學引進。采集的壇紫菜用原海水在實驗室內暫養約12 h，養殖試驗海水基本理化參數見表1。

1.2 方法

養殖試驗于2014年12月13—14日在溫州科技職業學院園林與水利工程學院組培室進行。將完整的壇紫菜放入盛有250 mL海水的透明廣口玻璃瓶內，玻璃瓶經高溫高壓滅菌，從培養瓶放入光照或黑暗環境下開始計時。

不同光照時間養殖試驗的光照度為2 800 lx，日光燈為光源，溫度23.1 ℃，黑暗養殖時溫度為20.5 ℃，分別于處理后1、2、3.5、5、6、8、10、12 h時用英國Aquaread Ap-2000水質分析儀測定DO含量；光照、黑暗養殖試驗分別設置了3個時間梯度處理，L2(光照2 h)、L6(光照6 h)、L12(光照12 h)，D2(黑暗2 h)、D6(黑暗6 h)、D12(黑暗12 h)，處理時間截止后立即撈出壇紫菜，用Whatman GF/F 0.45 μm玻璃纖維濾膜抽濾，濾液DIC含量用島津TOC-LCPH總有機碳分析儀測定；不同光照度試驗另外同時設置了1500、2000、3800lx3個梯度的光照度，光照6 h后測定DO、DIC含量。所有處理同時設置空白對照，處理和對照均為3個重復。養殖試驗結束后，將養殖后撈出的壇紫菜放至80 ℃烘箱內，烘24 h至恒質量，稱干質量DW。

表1 養殖試驗海水基本理化參數背景值

光合產氧速率、呼吸耗氧速率指單位質量(干質量)壇紫菜在單位時間內引起水體DO含量的變化。用下式計算：

RO[mg/(kg·h)]=(CT-C0)×V/(DW·T)。

式中：CT是試驗結束時有壇紫菜的光合作用瓶DO的含量，mg/L；C0是空白對照瓶中(無壇紫菜)DO的含量，mg/L；V是養殖用水體積，L；DW是試驗壇紫菜的干質量，kg；T是試驗處理時間，h。

光合固碳速率、呼吸作用釋放DIC速率指單位質量(干質量)壇紫菜在單位時間內引起處理水體DIC含量的變化。用下式計算：

光合熵(photosynthetic quotient，PQ)指光合作用凈產氧量與光合作用固碳量的比值(摩爾比)，通過下式計算：PQ=產氧量/碳吸收量=Δ[O2]/Δ[DIC]。

呼吸熵(respiration quotient，RQ)指呼吸作用釋放DIC量與呼吸作用耗氧量的比值(摩爾比)，通過下式計算：RQ=碳釋放量/耗氧量=Δ[DIC]/Δ[O2]。

1.3 統計分析

采用Excel 2003對文中數據進行計算及作圖處理。所有統計分析用SPSS 17.0統計軟件，不同品種(系)壇紫菜各指標的差異性分析用配對樣本t檢驗方法，不同處理時間、不同光照度間各指標的差異性分析用單因素方差分析方法。

2 結果與分析

2.1 不同處理下2個品種(系)壇紫菜的產氧、耗氧速率

2.1.1不同光照時間對光合產氧速率的影響 由圖1可知，洞頭本地菜、浙東1號光合產氧速率在12 h內隨著光照時間的延長均呈下降趨勢，不同處理時間光合產氧速率差異極顯著(P<0.01)。洞頭本地菜光合產氧速率由2 897.52 mg/(kg·h)降至422.61 mg/(kg·h)，浙東1號由2 746.93 mg/(kg·h)降至368.62 mg/(kg·h)。相同光照時間下，洞頭本地菜光合產氧速率均高于浙東1號。

2.1.2 不同光照度對光合產氧速率的影響 由圖2可知，洞頭本地菜、浙東1號光合產氧速率隨著光照度的增加先升高后降低，均在光照度2 800 lx條件下最高，分別達1 270.49、1 043.97 mg/(kg·h)，在3 800 lx條件下最低，分別降至517.48、284.23 mg/(kg·h)，不同光照度間光合產氧速率差異極顯著(P<0.01)。相同光照度條件下，洞頭本地菜光合產氧速率均高于浙東1號，差異顯著(P<0.05)。

2.1.3 不同黑暗時間對呼吸耗氧速率的影響 由圖3可知，洞頭本地菜、浙東1號呼吸耗氧速率(用其絕對值比較)在 12 h 內隨著黑暗時間的延長均呈下降趨勢，不同處理時間呼吸耗氧速率差異極顯著(P<0.01)。洞頭本地菜呼吸耗氧速率由1 092.55 mg/(kg·h)降至296.66 mg/(kg·h)，浙東1號由1 182.35mg/(kg·h)降至263.80 mg/(kg·h)。相同黑暗時間下，洞頭本地菜與浙東1號之間差異不顯著。

2.2 不同處理下2個品種(系)壇紫菜的固碳、釋碳速率

2.2.1 不同光照時間對光合固碳速率的影響 由圖4可知，洞頭本地菜、浙東1號光合固碳速率隨著光照時間的延長均呈先上升后下降的趨勢，不同光照時間光合固碳速率差異極顯著(P<0.01)。在L6時最高，洞頭本地菜光合固碳速率達1 042.62 mg/(kg·h)，浙東1號達976.35mg/(kg·h)。相同光照時間處理下，洞頭本地菜光合固碳速率均高于浙東1號，但差異不顯著。

2.2.2 不同光照度對光合固碳速率的影響 由圖5可知，洞頭本地菜、浙東1號光合固碳速率隨著光照度的增加均呈先上升后下降的趨勢，不同光照度間光合固碳速率差異極顯著(P<0.01)。在2 800 lx時最高，洞頭本地菜光合固碳速率達1 042.62 mg/(kg·h)，浙東1號達976.35mg/(kg·h)。相同光照度條件下，洞頭本地菜光合固碳速率均高于浙東1號，但差異不顯著 (P>0.05)。

2.2.3 不同黑暗時間對呼吸作用DIC釋放速率的影響 由圖6可知，洞頭本地菜、浙東1號呼吸釋碳速率(用其絕對值比較)隨著黑暗時間的延長逐漸降低，不同黑暗時間呼吸作用釋放DIC速率差異極顯著(P<0.01)。在D2時最高，洞頭本地菜呼吸作用釋放DIC速率達455.32 mg/(kg·h)，浙東1號達404.97 mg/(kg·h)。相同黑暗時間處理下，洞頭本地菜呼吸釋碳速率均高于浙東1號 (P>0.05)。

2.3 不同處理下2個品種(系)壇紫菜的光合熵、呼吸熵

2.3.1 不同光照時間對光合熵的影響 由圖7可知，洞頭本地菜、浙東1號光合熵隨著光照時間的延長逐漸降低，均在L2時達到最高，浙東1號最高，為1.06，不同光照時間光合熵差異極顯著(P<0.01)。L2、L12相同光照時間處理下洞頭本地菜光合熵均低于浙東1號，L6處理下洞頭本地菜光合熵高于浙東1號 (P>0.05)。

2.3.2 不同光照度對光合熵的影響 由圖8可知，洞頭本地菜、浙東1號光合熵隨著光照度的增加，光合熵先增加后降低，不同光照度間光合熵差異極顯著(P<0.01)。2個品種(系)壇紫菜光合熵在2 000 lx時最高，洞頭本地菜達0.54，浙東1號達0.44。3 800 lx時最低，光合熵均為0.19。相同光照度條件下，洞頭本地菜光合熵均高于浙東1號 (P>0.05)。

2.3.3 不同黑暗時間對呼吸熵的影響 由圖9可知，洞頭本地菜、浙東1號呼吸熵隨著光照時間的延長呈降低趨勢，均在D2時最高，洞頭本地菜達1.43，浙東1號達1.01，不同黑暗時間呼吸熵差異極顯著(P<0.01)。在相同黑暗時間處理下，洞頭本地菜呼吸熵均高于浙東1號 (P>0.05)。

3 討論

3.1 壇紫菜在光照條件下的光合作用特性

海水中的DIC是海洋中自養生物合成有機物質的碳素來源[14]，海水中DIC的主要成分包括海水中溶解的CO2、HCO3-以及CO32-，其中HCO3-占DIC的85%以上，CO32-占9%左右，其余為溶解的H2CO3和CO2[4]。大型海藻通過利用海水中溶解的無機碳進行光合作用，不但利用海水中游離CO2作為光合碳源，而且還可以利用海水中存在的大量HCO3-[15-16]。水體中游離的CO2分子可以自由透過細胞質膜，HCO3-經質膜外碳酸酐酶(CA)催化水解成游離CO2后以CO2分子形式擴散進入細胞膜[17]。大型海藻養殖能夠顯著改變海水中無機碳的含量，明顯提高海水的DO水平[18]。

光照是光合作用的能源，因此光照對藻類的生長影響很大。壇紫菜等紅藻的光合色素和光能轉化，除了一般植物具有的葉綠素a外，還有重要的捕光色素——藻膽蛋白[19]。葉綠素在光合作用中起吸收和傳遞光量子的作用，其含量的大小可以反映植物葉片光合作用功能的強弱。光照影響紫菜體內色素含量[20]，鼠尾藻異形葉的葉綠素a含量與最大凈光合速率(Pn,max)呈正相關[21]，但未發現條斑紫菜光合色素含量與光合效率的相關性[22]。

在本研究中，隨著光照時間的延長，光合固碳速率呈先上升后下降的趨勢(在L6時最高)，這可能與大型海藻對DIC的利用機制有關。在光照條件養殖初期，壇紫菜的光合作用首先吸收了能夠被直接利用的CO2，隨著水體CO2含量的降低，快速激發了壇紫菜利用HCO3-的濃縮機能，水體中存在的大量HCO3-被吸收利用，使得光照初期光合固碳速率升高。壇紫菜利用HCO3-作為光合作用時的碳源、胞外CA催化的HCO3-脫水作用、其低的米氏常數(Km)值及低的無機碳補償點表明壇紫菜具有濃縮碳的作用[23]。隨著光合作用的進行，水中的無機碳含量降低，從而導致水體CO2分壓降低，大氣向水體擴散CO2，但是水體與大氣交換有一個滯后作用，培養液中的碳源已難以滿足其光合作用的需求，致使光照后期光合固碳速率下降。充足的碳源能提高壇紫菜光合作用強度，海水攪動較大的海域能夠及時補充光合作用消耗的DIC，可以減弱水體DIC濃度降低對光合作用產生的抑制，促進壇紫菜的生長。本研究表明，隨著光照時間的延長，2個品種(系)壇紫菜光合產氧速率均呈下降趨勢，可能與水體中溶解無機碳濃度不斷下降及大氣向水體擴散CO2的補給不及時有關。王云霞研究發現，紫菜葉狀體培養過程中隨著發育現象的出現，各組織的光合放氧速率均呈現降低的趨勢[24]，這與本研究結論相一致。

在本研究中，在不同的光照度下，2個品種(系)壇紫菜光合產氧速率、光合固碳速率均在光照度2 800 lx條件下最高。光照度大于2 800 lx后，固碳速率隨著光照度升高而降低的原因可能是藻體受到損傷抑制了光合作用。研究光照度對壇紫菜光合呼吸作用的影響時，還必須結合考慮培養時的溫度、營養和碳源，在營養不足、碳源缺乏的情況下，片面地提高光照度可能造成生理作用受抑制。壇紫菜絲狀體生長在 3 000 lx 時達到最高效率[13]，嚴興洪等發現，壇紫菜葉狀體細胞的適宜發育光照度為2 000～3 000 lx，過高或過低的光照度均會抑制苗假根形成和生長[25]。條斑紫菜葉狀體光系統(PS)Ⅰ活性隨溫度和光照度的升高而呈現先升高后降低的趨勢，光照度為2 320 lx時具有最高的PSⅠ活性[26]，上述研究結論的最適光照度與本研究結論較為接近。

不同品種(系)大型海藻的光合呼吸生理作用有一定的差異性，隨著光照度從20 μmol/(m2·s)提高到 1 200 μmol/(m2·s)，不同品種(系)條斑紫菜光合效率的下降幅度有一定差異[22]；黃瑤的研究表明，在未充CO2的試驗條件下，鼠尾藻比石莼和海黍子總無機碳 DIC吸收速率高，最高達到423.36 μmol/(g·h)，添加營養鹽對大型藻類的總無機碳吸收速率 RDIC影響差異不顯著，添加營養鹽能夠提高龍須菜的光合產氧速率，充CO2對石莼、鼠尾藻和海黍子RDIC的影響差異顯著[18]；蔡繼晗等在浙江省蒼南縣沿浦灣海域養殖試驗表明，洞頭本地菜單養殖周期產量高于浙東1號，產量高表明其凈光合效率較高[27]。本研究表明，相同光照時間、光照度處理下，洞頭本地菜光合產氧速率、光合固碳速率均高于浙東1號，這與蔡繼晗等研究結論[27]相吻合。

光合熵(PQ)是反映大型藻類光合生理特性的重要指標，光合熵較為敏感，可以作為衡量大型藻類固碳能力的動態參數，不同類型大型藻類PQ與其無機碳利用機制有關，試驗大型藻類的光合熵在0.36～1.18[18]。本試驗中，隨著光照時間的延長，2個品種(系)壇紫菜光合熵逐漸降低，這可能是由于隨著光照時間的延長，水體中DIC逐漸降低，壇紫菜光合利用DIC的難度增強，須要消耗更多的能量獲取DIC，使得光呼吸作用增強，同時水體中逐漸升高的DO含量為壇紫菜的光呼吸作用提供了充足的氧氣，消耗了更多的DO，致使產氧量下降、PQ降低。本研究表明，在不同光照度下，2個品種(系)壇紫菜光合熵在2 000 lx時最高，此時產氧效率較高，有利于水體DO含量的升高。2個品種(系)壇紫菜光合熵在較高光照度3 800 lx時最低，高光照度可能抑制了壇紫菜的光合作用，激發了光呼吸作用，致使產氧效率降低。相同光照度條件下，洞頭本地菜光合熵高于浙東1號，表明洞頭本地菜產氧效率優于浙東1號，洞頭本地菜固碳效率弱于浙東1號。

3.2 壇紫菜在黑暗條件下的呼吸作用特性

呼吸作用是植物體內非常重要的生理過程，為植物的生命活動提供大部分能量，但容易受到外界環境的影響。藻體的光合作用與呼吸作用均受到高鹽度海水的顯著影響，隨著鹽度的增加，光合放氧率逐漸降低，呼吸耗氧率也逐漸降低[28]。

本試驗中，隨著黑暗時間的延長，2個品種(系)的壇紫菜呼吸耗氧速率呈下降趨勢。這可能是由于隨著光照時間的延長、水體中DO含量的降低，有氧呼吸受到抑制，通過酶的催化作用而發生無氧呼吸，壇紫菜共同發生有氧呼吸與無氧呼吸，但由于無氧呼吸釋放的ATP較少，同時由于DO含量的降低對有氧呼吸的抑制，綜合導致暗呼吸作用強度將低，呼吸耗氧速率逐漸下降。

RQ可以作為判斷呼吸底物的類型和供氧情況的指標之一[29]。本研究表明，隨著黑暗時間的延長，2個品系的壇紫菜呼吸熵呈下降趨勢。D2時，2個品種(系)的壇紫菜呼吸熵均>1，表明此時呼吸作用主要的呼吸底物為糖類，同時進行了有氧呼吸與無氧呼吸，隨著呼吸作用時間延長，易被呼吸作用利用的糖類減少。D6時，2個品種(系)的壇紫菜呼吸熵均<1，表明呼吸底物由糖類轉換為脂肪，無氧呼吸雖能提高呼吸熵，但由于強度較弱未能明顯提高呼吸熵。

本研究中，相同黑暗時間處理下，洞頭本地菜呼吸釋碳速率、呼吸熵均高于浙東1號，可能是由于洞頭本地菜為洞頭本地長期養殖的品系，能更好地適應當地的環境條件，呼吸作用更強烈。也可能是洞頭本地菜暗呼吸作用時存在較強的DO濃縮機制，可以高效利用水體中低含量的DO，同時洞頭本地菜無氧呼吸作用稍強的緣故，須開展進一步的研究探討。

4 結論

洞頭本地菜較高的光合作用、呼吸作用強度，表現了對光環境較強的適應性。2個品種(系)壇紫菜光合產氧速率與光合固碳速率均在2 800 lx時最高，表明該光照度下產氧強度最大。光合熵在2 000 lx時最高，此時固定單位量碳的產氧效率最高。隨著時間的延長，2個品種(系)壇紫菜光合產氧速率、呼吸耗氧速率、呼吸作用釋放DIC速率、光合熵、呼吸熵基本呈下降趨勢，這可能與本研究的試驗方法有關，隨著試驗時間的延長，光合作用、呼吸作用的反應底物含量降低，影響了其作用強度。