不同光照條件下米氏凱倫藻和東海原甲藻生長的溫度生態幅

文世勇, 劉希真, 王紫竹, 余 駿,張豐收,劉永健,宋琍琍

1 國家海洋環境監測中心,大連 116023 2 浙江省海洋監測預報中心,杭州 310012

謝爾福德耐受性定律(Shelford′s law of tolerance)表明生物對其生存環境的適應有一個生態學最小量和最大量的界限,生物只有處于這兩個限度范圍之間生物才能生存,這個最小到最大的限度稱為生物的耐受性范圍[1- 2]。表征藻類生態幅的重要特征參數主要有藻類生長的最適溫度、適溫范圍(適宜藻類生長的溫度上限及下限)、耐受溫度范圍(藻類生存的溫度上限及下限)。不同環境條件下藻類生長的生態幅也有所改變。海水溫度高低及其變化情況,是浮游植物生長的關鍵因素之一。不同的浮游植物對溫度的反應存在有明顯差別。

根據國家海洋局發布的歷年的《中國海洋災害公報》統計數據表明米氏凱倫藻(Kareniamikimotoi)和東海原甲藻(Prorocentrumdonghaiense)是我國東南沿海地區赤潮的主要優勢種。海水溫度對海洋浮游植物生物生長狀況影響機制的研究關注已久,如Talling針對水溫的季節性變化對某些藻類生長率的影響做了分析概括[3]；Yentsch 和Lee根據不同藻種的溫度響應機制,對藻種最大生長率作了歸納整理[4]；Goldman 和Carpenter分析了溫度對種群生長的動態影響機制[5],Eppley依據多個藻種的實驗培養數據,建立了浮游植物群落最大比生長率的溫度響應模型[6]；Moisan等根據Eppley 經驗模型進一步給出了單一藻種最大比生長率的溫度響應模式[7]；陳艷攏等根據Moisan經驗模型和Shelford耐受性定律建立了赤潮藻類的溫度生態幅(最適溫度、適溫范圍及耐受范圍)定量表達模型[8]。目前,獲取海洋藻類的最適溫度、適溫范圍及溫度耐受范圍的途徑一般根據實驗設計的溫度梯度對藻類生長特性影響的實驗培養結果得到相應的最適溫度、適溫范圍及溫度耐受范圍[9- 15]；或者是根據赤潮生肖過程中現場監測得到的生物量大小與溫度的對應關系來確定[16- 21],但是由于實驗結果和現場監測結果的離散性,造成難以準確地定量表達出赤潮藻類的溫度生態幅參數。

本文通過一次性培養實驗研究了不同光照條件下不同溫度對米氏凱倫藻和東海原甲藻生長的影響,分別建立了米氏凱倫藻和東海原甲藻在不同光照條件下生長的溫度生態幅模型,并分別獲取了米氏凱倫藻和東海原甲藻生長的最適溫度、適溫范圍及耐受溫度范圍,為研究藻類生長生理生態提供支持,以期為闡明米氏凱倫藻和東海原甲藻這兩種藻形成赤潮的機理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗藻種選取近幾年來東海近岸海域多發藻種——米氏凱倫藻(Kareniamikimotoi)和東海原甲藻(Prorocentrumdonghaiense)為實驗藻種,藻種由暨南大學赤潮與水環境研究中心藻種庫提供。采用5000 mL錐形燒瓶置于光照培養箱內靜置培養。光照度(日光燈)約58.5 μmol m-2s-1,光暗比為12L∶12D。藻種培養用人工海水配置的 f/2 培養液,其中氮濃度為75 μmol/L,磷濃度為1 μmol/L,實驗用人工海水按照Harrison配方配制(鹽度為30.5‰ PSU)。

1.2 實驗方法

實驗包括4個溫度水平(18,22,25,28℃)和3個光照水平(28.32,75.06,111.66 μmol m-2s-1)。在無菌條件下,分別將處于指數生長期的米氏凱倫藻和東海原甲藻藻液接種于3000 mL新鮮的f/2 培養液中(為保持藻種生長環境的前后一致,實驗結束后所剩藻液至少不少于初始藻液的2/3),使藻數量約為50×104個/L,同一藻種相同溫度各水平保持相同起始密度。每隔24 h取樣用魯哥氏液固定后,血球計數板計數,然后換算為藻細胞密度,培養時間約25 d。

1.3 數據處理分析方法

在顯微鏡下用計數框隔天計數,每瓶計數3次,后根據平行樣的均值再取平均值作為當天的藻類細胞密度,記錄一個生長周期左右,以培養時間為橫坐標,每1 mL液體中的細胞數為縱坐標,繪制細胞密度-培養時間t的藻類生長曲線。

根據公式(1)和公式(2)分別計算出藻類在不同條件下的最大比生長速率,以環境要素為橫坐標,藻類最大比生長速率為縱坐標,繪制藻類最大比生長率-環境要素的關系曲線。

(1)

式中,μ′表示藻類比生長速率(d-1),N為藻類細胞密度(個/L),t表示藻類的生長時間(d)。

(2)

式中,μmax表示藻類最大比生長速率(d-1),μ′同式(1)。

采用單因素方差分析法(One-Way ANOVA analysis)對不同培養條件下的細胞數、比生長速率和最大比生長速率差異顯著性進行分析。

2 結果

2.1 不同光照條件下不同溫度水平對米氏凱倫藻和東海原甲藻生長特性的影響

根據實驗培養結果,分別得到在28.32,75.06,111.66 μmol m-2s-1不同光照條件下,不同溫度水平(18,22,25,28℃)對米氏凱倫藻細胞密度的影響和東海原甲藻細胞密度的影響(圖1),并根據公式(1)和公式(2)得到28.32,75.06,111.66 μmol m-2s-1不同光照條件下,不同溫度水平(18,22,25,28℃)對米氏凱倫藻比生長率的影響和東海原甲藻比生長率的影響(圖2)。

從圖1和圖2上均可看出,米氏凱倫藻和東海原甲藻生長經歷了延滯期、指數增長期、穩定期和衰亡期4個階段,表現為“S”型生長曲線。當培養光照強度為28.32 μmol m-2s-1時,米氏凱倫藻在18、22、25℃和28℃條件下的藻細胞數分別為1238.93×104,2160.31×104,1891.56×104個/L和1023.78×104個/L,其比生長率分別為1.13,1.87,1.64和0.91 d-1,東海原甲藻在18、22、25℃和28℃條件下的藻細胞數分別為1209.59×104,1659.54×104,1373.02×104個/L和857.56×104個/L,其比生長率分別為1.18,1.73,1.38 d-1和0.72 d-1；當培養光照強度為75.06 μmol m-2s-1時,米氏凱倫藻在18、22、25℃和28℃條件下的藻細胞數分別為1854.29×104,3198.51×104,2774.93×104個/L和1484.92×104個/L,其比生長率分別為1.71,2.81,2.45和1.33 d-1,東海原甲藻在18、22、25和28 ℃條件下的藻細胞數分別為1786.33×104,2425.22×104,1984.47×104個/L和1225.43×104個/L,其比生長率分別為1.77,2.55,2.01 d-1和1.05 d-1；當培養光照強度為111.66 μmol m-2s-1時,米氏凱倫藻在18、22、25℃和28℃條件下的藻細胞數分別為1763.3×104, 3015.89×104,2597.69×104個/L和1377.76×104個/L,其比生長率分別為1.59,2.58,2.25 d-1和1.22 d-1,東海原甲藻在18、22、25℃和28℃條件下的藻細胞數分別為1680.98×104,2263.49×104,1836.18×104個/L和1123.81×104個/L,其比生長率分別為1.62,2.34,1.82d-1和0.92d-1。

此外,從圖1和圖2上還可看出,無論是米氏凱倫藻還是東海原甲藻,在相同培養光照條件下,在設定的溫度水平范圍內,分別存在一個適宜米氏凱倫藻和東海原甲藻生長的最適溫度Topt,且當T≤Topt時,米氏凱倫藻和東海原甲藻細胞密度和比生長率隨著溫度的升高而顯著增大(ANOVA,P<0.05)；而當T≥Topt時,米氏凱倫藻和東海原甲藻細胞密度和比生長率隨著溫度的升高而顯著減小(ANOVA,P<0.01)。此外,隨著培養光照強度的升高,米氏凱倫藻和東海原甲藻細胞密度和比生長率均呈現“先升后降”的變化趨勢。

圖1 不同光照條件下不同溫度對米氏凱倫藻和東海原甲藻細胞密度的影響Fig.1 Cell density of Karenia mikimotoi and Prorocentrum donghaiense in various temperature at different light intensities

圖2 不同光照條件下米氏凱倫藻和東海原甲藻比生長率與溫度的關系曲線Fig.2 Maximum specific growth rate of Karenia mikimotoi and Prorocentrum donghaiense as a function of temperature at different light intensities

2.2 不同光照條件下米氏凱倫藻和東海原甲藻的溫度耐受性模型的建立

根據圖2,并結合藻類生長遵循的謝爾福德耐受性定律,在數據分析平臺(OriginLab 7.5)下通過模型擬合(圖2),分別得到不同光照條件米氏凱倫藻和東海原甲藻比生長速率與溫度之間的關系響應模型(3)、及其對應的模型參數(表1)及模型的相關性分析(圖3)。

(3)

式中,μmax為藻類最大比生長速率(d-1)；T為溫度(℃)；Topt為適宜藻類生長的最適溫度(℃)；σ為藻類對溫度的耐受度；a為參數。

2.3 不同光照條件下米氏凱倫藻和東海原甲藻的溫度生態幅定量表達

藻類生長的最適溫度是在其他環境條件不變情況下,藻類生長處于最佳生長狀態的溫度。藻類生長的適溫范圍是指藻類生長處于較好生長狀態的溫度范圍。藻類生長的耐受溫度范圍是指當過低或過高都會使藻類生長受到抑制,乃至死亡的溫度范圍。根據前期建立的生態幅定量表達式的研究成果[22],分別獲取了米氏凱倫藻和東海原甲藻在不同培養光照條件下的最適溫度、適溫范圍(適宜藻類生長的溫度上限及下限)、耐受溫度范圍(藻類生存的溫度上限及下限)(表2)。

表1 不同培養條件下米氏凱倫藻和東海原甲藻比生長率與溫度的耐受性擬合模型(3)的相應參數

圖3 藻類比生長率模型值與實驗值的相關性分析Fig.3 Correlation analysis of the model value and the experimental value

Table2ThetemperatureecologicalamplitudeofKareniamikimotoiandProrocentrumdonghaienseatdifferentphotosyntheticallyactiveradiationconditions

實驗藻種Experimental algae最適溫度The optimum temperature for algal growth/℃溫度適宜生長范圍Suitable temperature ranges for algal growth/℃溫度生態幅(耐受限度)Tolerance temperature ranges for algal growth/℃實驗條件Experimental conditions米氏凱倫藻22.4817.93—27.0313.38—31.58光照強度為28.32 μmol m-2 s-1Karenia mikimotoi22.3717.82—26.9213.27—31.47光照強度為75.06 μmol m-2 s-122.3317.78—26.8813.23—31.43光照強度為111.66 μmol m-2 s-1東海原甲藻22.1017.59—26.6113.08—31.12光照強度為28.32 μmol m-2 s-1Prorocentrum21.9917.48—26.512.97—31.01光照強度為75.06 μmol m-2 s-1donghaiense21.9317.42—26.4412.91—30.95光照強度為111.66 μmol m-2 s-1

3 討論

海水溫度是控制浮游藻類生長的一個重要理化因子。本文研究結果表明在本實驗設置的溫度梯度范圍內,均存在一個最適實驗藻種生長的溫度(Topt)。當T≤Topt時,實驗藻種的細胞數和比生長速率均隨著溫度T的增大而增大；當T≥Topt時,實驗藻種的細胞數和生長速率均隨著溫度T的增大而減小,說明過低和過高的溫度都不利于實驗藻種的生長,只有在合適的溫度條件下才有利于實驗藻種生長,這個結果與Shelford耐受性定律相一致[1- 2],與其他研究者關于溫度對藻類生長特性的影響機制得到的結論也是相一致的[6- 8,23]。此外,隨著培養光照強度的升高,實驗藻種的細胞密度和比生長率均呈現“先升后降”的變化趨勢,表明過低和過高的光照強度都不利于實驗藻種的生長,只有在合適的光照強度條件下才有利于實驗藻種生長,這個結果與Shelford耐受性定律相一致[1- 2],與其他研究者關于光照強度對藻類生長特性的影響機制得到的結論也是相一致的[24- 28]。

從表2可知米氏凱倫藻和東海原甲藻在不同光照強度條件下的最適溫度均不同,且隨著培養光照強度的升高而降低的變化趨勢(表2),表明實驗藻種在不同光照條件下的最適溫度并不是一個固定值,這與“當某種生物對某一特定生態因子不是處在最佳狀態時,對其他生態因子的耐受限度可能隨之下降”[29- 30]是一致的。不同光照條件下最適生長溫度的變化導致了相應的藻類溫度適宜生長范圍和溫度生態幅(耐受限度)也隨著變化(表2)。Gentien的研究結果表明米氏凱倫藻生長范圍為4—31℃[9]；沈盎綠在室內實驗結果表明米氏凱倫藻的最適生長溫度24℃[10]；龍華和杜琦根據福建連江海域的氏凱倫藻赤潮的現場監測數據得出米氏凱倫藻適宜的溫度范圍為20—24℃,最高的細胞密度出現在23℃[16]；姚煒民等根據浙江海域米氏凱倫藻赤潮的連續監測分析得出米氏凱倫藻生長所需最佳水溫為23.4—23.8℃[17],這些結果與本文得到的米氏凱倫藻結果(表2)存在一定的差異。陳炳章等在室內實驗結果表明東海原甲藻的最適生長溫度為22℃[11]；由希華在室內實驗結果表明溫度對東海原甲藻的生長有極顯著性影響,在本實驗溫度范圍內東海原甲藻的適溫范圍為17—26℃,最適溫度為23—26℃[12]；趙水東的室內實驗結果表明東海原甲藻的最適生長溫度范圍為20—27℃,最適溫度為24℃,溫度對東海原甲藻生長有極顯著的影響[13]；鄧光等在室內實驗結果表明東海原甲藻的藻適宜的溫度范圍是15—30℃,最適溫度22—28℃,低于9℃和高于33℃,不能進行光合作用[14]；Xu等的室內實驗結果表明東海原甲藻可以在10—27℃溫度范圍內正常生長[15]；沈盎綠在室內實驗結果表明東海原甲藻的最適生長溫度20℃[10]；王金輝和黃秀清對2000年5月、2001年5月、2002年5月在東海長江口和舟山海域發生的東海原甲藻赤潮應急監測資料和野外生態調查資料分析結果表明東海原甲藻的適溫范圍15—25℃,最適溫度、為18—22℃[18]；龍華根據福建海域的監測數據表明東海原甲藻適宜水溫范圍為18—28℃,最適水溫為22—28℃[19]；陳翰林等根據東海赤潮高發區東海原甲藻赤潮的跟蹤調查數據認為東海原甲藻的最適生長溫度在19℃左右[20]；李榮茂根據福建北部海域的東海原甲藻赤潮應急跟蹤監測資料及赤潮發生海域的生態浮標連續監測數據分析結果表明福建沿岸的東海原甲藻的適溫范圍在18.2—21.8℃[21],這些結果與本文得到的東海原甲藻結果(表2)存在一定的差異。產生這些差異性的原因主要是：(1)溫度對浮游植物生長的影響存在一定的種間特異性[31]；(2)其他實驗條件存在差異,導致了實驗結果的差異性。因此,不同學者在不同實驗條件下得到的研究結果也不相同。通過對藻類溫度生態幅的研究有助于了解溫度對藻類生長的影響機制。