水體pH對偽魚腥藻生長及葉綠素熒光參數的影響

王茂偉,周利,*,高靜思,朱佳

1.青島理工大學環境與市政工程學院,青島 266033

2.哈爾濱工業大學深圳研究生院,深圳 518055

3.深圳職業技術學院建筑與環境工程學院,深圳 518055

0 前言

隨著人類生產、生活等活動的進行,水體富營養化問題越來越嚴重,國內太湖、滇池和巢湖等湖泊的水體富營養化問題已經對人們的生存環境質量構成了潛在的威脅[1-3]。南方某市某梯級水庫群發生藍藻水華時的優勢種群為偽魚腥藻[4],偽魚腥藻也是富營養化水體中常見的有毒水華藻種[5-6],常作為微囊藻的伴生種被微囊藻的膠鞘多糖包被而一起在富營養化水體中形成水華。同時,該藻能夠產生典型嗅味物質2-甲基異莰醇(2-MIB)[7-8],嚴重影響水質安全。但目前國內外對該課題的研究較少,關于pH 對偽魚腥藻的生長特性和光合生理方面的研究更是鮮有報道。

有學者認為水體pH 是變化的,不能作為預測藻類生長量的指標[9],但是鑒于水華的發展和形成是各種因素影響下的綜合結果,研究者們開展了很多關于pH 對微藻影響的研究。有大量研究表明,不僅pH 會影響藻類生長,藻類的生長也會影響水體pH,改變后的pH 也是大多數藻類能夠適應的pH 環境[10-12]。多數研究發現藍藻偏好較高pH,但也有研究表明,在酸性條件下,也會發生藍藻水華[13]。本試驗以偽魚腥藻為研究對象,研究不同pH 對其生長及葉綠素熒光參數的影響,為偽魚腥藻增殖和水華暴發機理的研究提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所需偽魚腥藻(FACHB-1277)購自中科院水生生物研究所淡水藻種庫,用BG 11 培養基培養,經實驗室擴大培養后用于試驗。試驗在光照培養箱中進行,光照強度2000 lx,光暗比12 h:12 h,溫度25 ,℃ 為保證光照均勻,每天定時手動搖瓶3 次,并任意交換錐形瓶位置。實驗所用所有玻璃器皿均經121 ,30℃ min 高溫滅菌后使用。

1.2 接種

取適量的藻液以5000 r·min-1的速度離心10 min,棄掉上清液,用15 mg·L-1的碳酸氫鈉溶液洗滌后離心,重復3 次,用無菌水稀釋后分別接種于試驗所用BG 11 培養基內。以BG 11 培養基為參比,接種密度為OD665≈ 0.02[14]。

1.3 試驗設置

試驗一共分為2 個試驗組,a 組自試驗開始時調整pH 至設定值不再人為調節并每天測定一次pH,b組每天測定pH 后用0.1 mol·L-1HCl 或者NaOH 調節pH 至初始設定值。2 組試驗設置的pH 梯度均為3、5、7、8、9、11、13。每個處理組設置三個平行樣。

1.4 葉綠素a(Chla)及葉綠素熒光參數的測定

利用浮游植物分類熒光儀(PHYTO-PAM WALZ)對葉綠素熒光各個參數進行測定。測定葉綠素熒光參數前將樣品暗適應5 min,各參數可在儀器上直接讀出。Fv/Fm為最大光系統 Ⅱ( PSⅡ )的光能轉換效率,可看作潛在最大的光合效率;ETR 為光抑制時的最大潛在相對電子傳遞速率,可作為一定光強下單位生物量內光合作用速率的探針;Ik為半飽和光強,反映了浮游植物光適應能力。

1.5 數據處理

采用SPSS 22.0 進行單因素方差分析,利用Origin 8.0 進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 pH 對偽魚腥藻葉綠素a 含量的影響

不同pH 條件下2 組試驗的葉綠素a 濃度變化情況如圖1所示(a 代表未調控pH 試驗組,b 代表調控pH 試驗組,下同)。單因子方差分析表明,在整個培養周期中,2 組試驗中pH 對偽魚腥藻葉綠素a 濃度影響均極顯著(P＜0.01)。pH 為3、13 試驗組的偽魚腥藻接種后便死亡。不調控pH 試驗組中,在pH為5—11 范圍內偽魚腥藻均能正常生長,但pH 5 試驗組葉綠素a 濃度顯著(P＜0.05)低于7—11 試驗組,pH 為7—11 試驗組葉綠素a 濃度差異不顯著(P＞ 0.05)。

調控pH 試驗中,pH 5 試驗組在試驗前7 d 葉綠素a 含量略微增長,從第8 d 開始葉綠素a 濃度接近0 μg·L-1。在pH 為7—11 范圍內,偽魚腥藻葉綠素a含量與pH 顯著正相關(P＜0.05),而且pH 為9 和11試驗組的葉綠素a 含量高于未調控試驗組中相應pH下葉綠素a 含量。

2.2 試驗期間pH 動態變化情況

圖1 試驗期間偽魚腥藻葉綠素a 含量變化曲線 Figure1 Curve of Chlorophyll a content of Pseudanabaena sp.in the experiment

圖2 試驗期間pH 變化情況 Figure2 Change of pH in the experiment

試驗期間各試驗組實際pH 變化情況如圖2所示。未人為調控pH 試驗中,在試驗開始前4 d,初 始pH 為5—9 的試驗組pH 均迅速上升,pH 為11 的試驗組pH 在試驗前3 d 下降后也迅速上升,初始pH為5—11 試驗組pH 最終調節到約10.9—11.5 范圍內。人為調控pH 試驗組的pH 變化趨勢未調控pH組類似,不同的是pH 為5 的試驗組在試驗第2 d pH上升后,從第3 d 開始,隨著藻細胞的死亡,pH 迅速下降,而且調控pH 試驗中各組之間pH 差異較大,初始pH 為7—11 試驗組pH 最終調節到約9.5—11.3。2 組試驗中,pH 為3 和11 的試驗組pH 基本保持不變。通過以上分析說明偽魚腥藻偏好堿性環境,而且對水體的適應能力及調節能力較強,對pH 為5—11 水體能迅速作出反應,調節pH 至適宜生長的范圍。

2.3 pH 對偽魚腥藻葉綠素熒光參數的影響

2.3.1 pH 對偽魚腥藻最大光能轉化效率(Fv/Fm)的影響

pH 對偽魚腥藻最大光能轉化效率(Fv/Fm)的影響如圖3所示。從圖中可以看出,未調控pH 試驗中,Fv/Fm總體趨勢為先增大后減小,pH 為11 試驗組的Fv/Fm最大,在整個試驗周期中維持在0.28以上,pH 為5 試驗組Fv/Fm低于其它實驗組。調控pH 試驗中,pH 為11 試驗組Fv/Fm顯著大于其它試驗組,pH 為7—9 試驗組差異不大,pH 為5 試驗組Fv/Fm顯著低于其它試驗組,從實驗第5 d 開始便趨于0。

2.3.2 pH 對偽魚腥藻最大相對電子傳遞速率(ETR)的影響

pH 對偽魚腥藻最大相對電子傳遞速率的影響如圖4所示。從圖中可以看出,在整個試驗周期內,2 組試驗ETR 均先增大后減小,pH 為5 的試驗組ETR均顯著低于其它試驗組,其中人為調控pH 試驗組的ETR 從第5 d 開始趨于0,而且該組試驗中,ETR隨著pH 增大而增大。

2.3.3 pH 對偽魚腥藻半飽和光強(Ik)的影響

pH 對偽魚腥藻半飽和光強的影響如圖5所示。從圖中可以看出,2 組試驗中除pH 為5 試驗組外,其它pH 下的Ik差異不大,而且在培養期內的變化趨勢基本一致。未人為調控pH 試驗中pH為5 試驗組的Ik值在實驗后期pH 上升,而調控pH試驗中pH 為5 試驗組的Ik值從第5 d 開始迅速下降,趨向于0。

圖3 pH 對偽魚腥藻最大光能轉化效率的影響 Figure3 Effect of pH on Fv/Fm of Pseudanabaena sp.

圖4 pH 對偽魚腥藻最大相對電子傳遞速率的影響 Figure4 Effect of pH on ETR of Pseudanabaena sp.

圖5 pH 對偽魚腥藻半飽和光強的影響 Figure5 Effect of pH on Ik of Pseudanabaena sp.

3 討論

水體pH 主要從兩方面對微藻產生影響,一方面通過改變環境酸堿度,酸性或堿性太強均會影響細胞膜的滲透性及酶的活性等,從而對藻細胞產生傷害;另一方面通過影響碳酸鹽平衡系統及不同形態無機碳(等)分配關系而影響藻類的生長。其中自由CO2是藻類光合作用易于吸收的形態,當pH 達到9.0 時,水體中的CO2濃度很低[15-16]。此時,水體中的碳酸氫鹽為主要碳源,支彥麗[17]利用pH 漂移技術,從碳酸氫鹽的利用角度,將藻類分為三類,第一類是不能利用HCO3-,漂移試驗中pH 終值一般很少超過9;第二類是具有利用HCO3-能力的,其pH 可漂移至9;第三類是強HCO3-利用者,本試驗中偽魚腥藻最適初始pH 為11,顯然為第三類。藻類利用碳酸氫鹽的機理為:藻類能夠借助細胞表面的碳酸酐酶(CA)將水環境中的HCO3-轉化為可以被吸收和固定的CO2[18-19],或者通過陰離子交換機制使HCO-3直接進入胞內,交換出OH-[20-21],完成碳酸氫鹽的利用,其中前者叫做無機碳濃縮機制(CCM),CA 在此過程中起關鍵作用。

2 組試驗中,偽魚腥藻在pH 為3 和13 條件下均不能生長,但在初始pH 為堿性的條件下的生長情況明顯好于酸性條件下,這與大多數藍藻偏好堿性條件相似。而且偽魚腥藻對環境有很強的適應與調節能力,未人為調控試驗組中,對pH 5—11 的環境調節能力很強,使水體最終pH 趨向10.9—11.5,這也可以認為是偽魚腥藻的最適pH 范圍,其中初始pH 5 的試驗組pH 最高上升到11.2,上升了6.2個單位。調控pH 試驗中,雖然每天調控pH 至初始值降低了其自我調控能力,但偽魚腥藻均努力調節pH 至較適宜的生長范圍。藍藻大多偏好堿性環境,但最適pH達11.0左右的藻卻很少,銅綠微囊藻的最適pH 為9.5 左右[22-23],水華魚腥藻為8.0—9.0,浮游顫藻為7.0—8.0[16]。pH 影響藻類對營養鹽的吸收、細胞內生化組分以及各種酶的活性,離子及酶在水體中的解離狀態和行為也受pH 影響,過高或者過低的pH 均會對以上的生理活動造成不利影響[24]。維持細胞內外的離子平衡對藻類的生長也非常重要,水體中pH 的變化使得藻類需要消耗大量的能量來維持這個平衡[25],隨著培養周期的延長,藻液pH 總體升高,但是低pH 條件下,pH 的波動范圍更大,這也是本試驗中低pH 試驗條件下偽魚腥藻生長受到抑制的原因之一。藻類的光合作用、營養鹽吸收等生理活動均需要酶的參與,偽魚腥藻的最適pH 能達到11,可能是此pH 條件下,偽魚腥藻細胞用于營養鹽吸收、光合作用等酶的活性最高,在如此高的pH 條件下,偽魚腥藻的細胞也沒有受到破壞,說明其抗氧化系統[26]功能非常強大,能有效保護細胞膜的完整性。而且此pH 下,水體中幾乎不含CO2,偽魚腥藻需要啟動上述提及的無機碳濃縮機制(CCM)來提供足夠的碳源,可見偽魚腥藻的具有很高的CCM 功能。

當植物受到脅迫時,用于光化學反應的能量下降,而以熱能和熒光形式耗散的能量增加,因此葉綠素熒光參數的變化可以反應出植物受脅迫的程度,是光合作用良好的探針[27]。本試驗調控pH 試驗中pH 5 試驗組的各熒光參數均顯著低于其它組,并且隨著培養時間的增加,各熒光參數趨于0,說明此條件下的偽魚腥藻光合系統受到破壞。而不人為調控試驗中pH 5 試驗組的各熒光參數雖然低于其它組,但是各參數均處于正常范圍內,光合系統并未被破壞。在pH 7—11 范圍內,Fv/Fm、ETR 總體上隨pH增大而增大,各試驗組的Ik值差異不大。但是試驗后期,未調控試驗中,pH 5 試驗組的Ik值上升,處于較大值,筆者認為原因是偽魚腥藻在經歷短期的逆境(低pH)馴化后,隨著pH 恢復正常,使其具有了更強的耐受飽和光強的能力,郭連旺[28-29]等也指出,適當的逆境鍛煉,有利于提高植物的某些光合能力。而且生物中普遍存在補償與超補償效應,是生物體在遭受逆境脅迫后,其生長和生理機能受到制約,但當恢復到適宜的生長條件后,生長狀況和生理指標得到不同程度的恢復[30-31]。當pH 5 處理組pH 恢復正常后,葉綠素a 濃度雖然未超過其它試驗組,但其生長速度卻顯著加快,Ik值也增大,這應該是出現補償效應的結果。

偽魚腥藻對水體pH 的適應范圍大,調控能力強,水體pH 不適時仍有發生偽魚腥藻水華的可能,因此通過調控pH 來控制偽魚腥藻水華是有風險的,若要調節pH 來控制偽魚腥藻的生長,必須使pH 處于恒定狀態。本試驗由于條件所限,沒有從分子生物學方面探究偽魚腥藻對pH 的適應及調控能力,以后條件允許,應該加強此方面的研究。

4 結論

在不人為調節pH 條件下,偽魚腥藻在pH 5—11 范圍內均能正常生長,在人為調節pH 條件下偽魚腥藻在pH 7—11 范圍內均能正常生長,且pH 越大,生長情況越好。pH 為3 和13 條件下偽魚腥藻均不能生長。

偽魚腥藻對水體pH 的調節能力極強,在初始pH 5—11 范圍內,將pH 最終調至10.9—11.5,此pH范圍可以認為是偽魚腥藻最適pH 范圍。調控pH 試驗中,雖然每天調控pH 至初始值降低了其自我調控能力,但偽魚腥藻均努力調節pH 至較適宜的生長范圍。

水體pH 變化會影響偽魚腥藻的生長,偽魚腥藻的增殖也會影響水體pH,兩者交互作用,互為因果關系。

在pH 5—11 范圍內,Fv/Fm、ETR 總體上隨pH增大而增大,除pH 5 試驗組外各試驗組Ik值差異不明顯,不調控pH 試驗中,pH 5 試驗組后期Ik顯著增大,人為調控pH 試驗中pH 5 試驗組各熒光參數均顯著低于其他組。