有機磷培養下水體浮游植物競爭與群落結構演替

蘇玉萍,張立香,陳楊鋒,李赫龍,佘晨興,鄧 瑤

1 福建師范大學環境科學與工程學院,福州 350007 2 福建省污染控制與資源循環重點實驗室(福建師范大學),福州 350007

磷是引起水體富營養化的重要營養元素之一,磷缺乏會阻斷細胞生命周期,使浮游植物不能繼續生長[1- 3]。浮游植物主要通過吸收利用外源輸入的磷和沉積物釋放的磷來滿足自身生長所需[4]。水體中的磷主要以無機磷和有機磷兩種形態存在,有機磷是構成水體和沉積物中總磷的重要組成部分,一般情況下,湖泊、水庫中有機態磷占總磷的50%—90%,在沉積物中有機磷可高達12%—60%,在海域中也高達50%—70%[5- 6]。

生物容易利用的磷是溶解性的正磷酸鹽[7- 8],溶解性有機磷(Dissolved organic phosphorus, DOP)也是浮游植物重要的磷源,通常情況下,浮游植物會優先利用無機磷,但是當外部磷源耗竭時,浮游植物能通過分泌胞外堿性磷酸酶,將水中溶解態的有機磷化合物水解成為溶解態的無機磷化合物,供自身生長所需[9- 11],因此在無機磷缺乏的水域同樣能暴發水華[12]。藻類對DOP的利用具有選擇性,不同種類的藻對DOP的利用能力不同[13- 14],有些藻類如米氏凱倫藻(Kareniamikimotoi)對有機磷酸酯的利用效果高于無機磷(NaH2PO4)[14]。Wang等人對浮游藻類在不同濃度草甘膦(GLYP)下的生長效應的研究結果顯示,不同藻類對GLYP的生長響應不同,有的藻類可以利用有機磷作為磷源增殖,有的藻類卻因有機磷的毒性而生長受到抑制[15- 16]。

限制浮游植物生長的營養物質的供應量以及比例的變化,特別是氮磷比值會對浮游植物群落結構造成影響[17- 18]；Wang等人在分批培養條件下研究了五種導致水華的浮游植物對九種溶解性有機磷化合物的利用,結果表明對溶解性有機磷利用能力強的藻類能在群落結構中占據競爭優勢,進而發展為水華優勢種[19]；Ou等人對不同形態有機磷條件下浮游植物的生長和競爭的研究表明,東海原甲藻(Prorocentrumdonghaiense)能利用溶解性有機磷使其在無機磷酸鹽耗盡時能夠在群落結構中占據優勢地位[12]；Hessen等人的研究表明,不同磷濃度以及溫度高低會影響綠藻門萊茵衣藻(Chlamydomonasreinhardtii)的堿性磷酸酶活性和RNA表達水平以及其細胞的生物量[20]；Lin等人分析了磷營養狀況的時間和空間變化,對浮游植物對磷吸收的物理和化學限制以及分子機制進行探討,說明了水華期間溶解性有機磷在浮游植物群落結構由硅藻門演替到甲藻門過程中起重要作用[21]；Sunda等人對生態系統破壞性藻類水華的發展和持續性的研究結果表明,有機磷對浮游植物群落結構變化有重要影響[22]。有機磷源條件下,天然水體中浮游植物生長競爭情況及群落結構演替規律以及機理尚未完全明確。

前期本課題組已經完成了54種有機磷對純種甲藻和綠藻的競爭增殖影響研究,選擇對純種甲藻和綠藻的增殖培養均有較好促進作用有機磷AMP進行本研究,探討在AMP條件下天然水體中浮游植物競爭和群落結構演替規律,為揭示甲藻水華形成機理和水體富營養化控制提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

九龍江(24°13′—25°51′N,116°47′—118°02′E)北溪發源于玳瑁山,屬于豐水帶河流。北溪流域是重要的飲用水源地,為流經之地近400萬人提供了生活飲用水。九龍江流域上游淺水湖泊中湖流等水動力條件比下游大型淺水湖泊差,不利于磷酸鹽釋放,營養鹽長期滯留于沉積物中,為富營養化暴發埋下隱患[23],另外加上有大量營養鹽匯入庫區,常有水華暴發[24]。水生態系統中的藻類主要有硅藻門、綠藻門、甲藻門、藍藻門、隱藻門等[25]。本研究選擇北溪流域十一個梯級水庫之一的西陂水庫。

山美水庫(深水水庫)(25°09′—25°13′N,118°23′—118°27′E)是一座集供水、灌溉、防洪和發電等功能為一體的綜合性大型水利樞紐工程,是泉州下屬晉江、惠安、豐澤8個市、縣、區的主要供水水源地,擔負著400多萬人的生活及生產用水。水生態系統中的藻類主要有硅藻門、綠藻門、甲藻門、藍藻門、隱藻門等,沉積物中的氮磷多以有機形式存在,總磷接近重度污染,整體呈富營養化趨勢[26]。

三十六腳湖(海島潛水水庫)(25°27′—25°29′N,119°44′—119°46′E)位于中國福州市平潭縣境內,是福建省最大的天然淡水水庫,也是平潭縣唯一的飲用水源地。課題組前期調研發現庫區總磷、總氮平均輸入負荷分別為2.390 t/a、46.040 t/a,呈富營養化趨勢,水生態系統中的藻類主要有甲藻門、硅藻門、綠藻門、藍藻門、隱藻門等。 3個水庫的主要浮游植物種類見表1。

表1 三個水庫主要浮游植物種類

1.2 樣品采集與分析

2015年12月采集西陂水庫表層水樣,2016年3月采集山美水庫表層水樣,2016年6月采集三十六腳湖表層水樣分別開展培養實驗。用2.5 L的有機玻璃采水器采集水面下0.5 m處水樣。采樣期間用GPS和聲納儀以及目視兩岸參照物定位[27]。采集1 L水樣,按水樣體積的1.5% 添加魯格氏碘液進行固定,用于分析水體浮游植物群落結構與豐度,另采集水樣帶回實驗室進行模擬實驗。所有水樣均裝入放有冰塊的保溫箱中,帶回實驗室后,盡快處理。

浮游植物分析：1 L水樣中加15 mL魯格氏碘液固定,靜置48 h,將樣品濃縮至30 mL,加入40%甲醛溶液保存,甲醛用量為樣品體積的4%,完成預處理。后期用移液槍移取預處理的樣品0.1 mL置于0.1 mL(20 mm×20 mm)的計數框內,在生物顯微鏡(Leica BM-E光學顯微鏡)下,以10×40倍進行觀察計數,按照章宗涉等人[28]的圖譜對視野中的藻類進行判定。采用視野法,按照公式(1)計算水體中浮游植物的細胞豐度,按照章宗涉等人的方法將其換算成生物量(mg/L)[28- 29]。

(1)

式中,N為細胞豐度(個/L)；S為計數框面積(mm2)；S0為計數視野面積(mm2)；V0為濃縮后體積(mL)；V為計數體積(mL)；n為計數所得藻類個數(個)。

1.3 實驗設計

對浮游植物進行為期5 d的磷饑餓處理。3個水庫原位水樣的磷濃度見表2。實驗設置原位水樣對照組和實驗培養組,培養組培養基設置及樣品添加量見表3,培養液為無磷f/2去硅培養液。選擇AMP是由于其是水中常見的有機磷成分,相對分子量較低,容易被生物利用,且已有研究表明AMP可以被一些水華常見藻種有效利用[19]。

取200 mL已處理實驗樣品置于250 mL錐形瓶內,放入生化培養箱中培養20 d,每個培養組設置2組平行樣。f/2去硅培養液中m(NaH2PO4·2H2O)=6 mg；6 mg NaH2PO4·2H2O中含磷的質量mP=6×(31/156)=1.2 mg；則200 mL培養液中含磷的質量mP=6×(31/156)×(200/1000)=0.238 mg。單磷酸腺苷AMP的相對分子質量為331,故需要含同濃度的磷的單磷酸腺苷的質量mAMP=1.2×(331/31)×(200/1000)=2.563 mg。培養基中不同磷源的磷濃度相同,均為6 mg/L。培養基添加頻率：實驗開始時一次性添加。對照組不添加磷。實驗溫度設置為25℃,光暗周期為L∶D=12 h∶12 h,光照強度為2000 Lux。培養液每日定時振蕩10 min(排除CO2影響)后放回生化培養箱。每隔5 d鏡檢一次,即在第0、5、10、15、20天同步測定浮游植物群落結構及豐度。

表2 三個水庫原位水樣磷濃度

表3 培養組的處理條件設置

1.4 實驗組浮游植物分析

取5 mL上層培養液,離心濃縮至1 mL。加入適量魯格氏碘液固定,完成預處理。分析方法與原位水樣浮游植物分析方法相同。

2 結果

2.1 原位表層水樣浮游植物群落結構及豐度

通過顯微鏡觀察并計數得到浮游植物群落結構和豐度,見圖1,各水庫的浮游植物主要門類及藻種見表1。

西陂水庫表層浮游植物生物量為0.51 mg/L,浮游植物主要以硅藻、甲藻為主,分別占總生物量的70.3%、19.1%,優勢種主要有針桿藻(Synedra)、擬多甲藻(PeridiniopisLemmermann)。

山美水庫表層浮游植物生物量為5.24 mg/L,浮游植物主要以甲藻、硅藻為主,分別占總生物量的59.2%、31.3%,優勢種為多甲藻(Peridiniales)、針桿藻(Synedra)等。

三十六腳湖水樣中浮游植物生物量為5.39 mg/L,浮游植物群落結構中甲藻和硅藻占有明顯的優勢,二者的生物量之和占總浮游植物生物量的93.6%,其中,甲藻和硅藻分別占50.5%和43.1%,優勢種主要為多甲藻(Peridiniales)、針桿藻(Synedra),而綠藻僅占5.0%。

圖1 三個水庫浮游植物群落結構特征

2.2 有機磷培養對浮游植物競爭與群落結構演替的影響

添加無機磷和有機磷進行實驗室模擬,西陂水庫、山美水庫、三十六腳湖實驗組浮游植物群落結構和生物量情況分別見圖2、圖3和圖4。

從圖2可看出,西陂水庫培養組實驗中,以無機磷作為磷源培養時,隨培養時間增加,藻類的生物量迅速增加。在培養后的第20天,總生物量從0.51 mg/L增至8.92 mg/L。群落結構變化明顯,從以硅藻、甲藻為主演替為以綠藻、藍藻和硅藻為主,分別占浮游植物生物量的37.7%、31.0%、27.1%。以有機磷為磷源的培養組中,浮游植物生物量也有一定增長,在培養后的第20天達到3.81 mg/L。浮游植物群落結構演替為以甲藻和綠藻為主,甲藻占據絕對優勢,其生物量占總生物量的81.8%。硅藻生物量的相對下降可能是因為硅藻對有機磷AMP的利用能力不如甲藻和綠藻,進而影響細胞生長,說明有機磷AMP的添加會影響浮游植物群落結構的演替。

從兩個培養組的結果差異上看,在無機磷培養下甲藻生物量無明顯變化,而在有機磷AMP培養下,甲藻在浮游植物群落結構中具有絕對的競爭優勢。盡管綠藻的初始生物量不高,但在無機磷和有機磷的培養條件下均能演替為優勢種,說明綠藻能有效利用的磷源形態更為廣泛,25℃溫度環境有利于其生長。

圖2 西陂水庫培養組藻類生物量及群落結構變化

從圖3可以看出,山美水庫培養組實驗中,無機磷培養組中浮游植物生物量在培養的前10 d呈緩慢下降趨勢,之后迅速上升。浮游植物生物量在培養20 d后由5.24 mg/L增長到11.77 mg/L,增加了近1倍,藻群落結構從以甲藻和硅藻為主演替為以藍藻、硅藻和綠藻為主,分別占總生物量的41.4%、26.6%、21.6%,甲藻的長勢較慢,且比重不斷降低,在培養后的第20天僅占總量的9.7%。而有機磷培養組中甲藻門的總生物量呈明顯增長的趨勢。在培養后的第20天,浮游植物生物量從5.24 mg/L增長到16.38 mg/L,增加了近2倍。說明多甲藻對有機磷AMP的利用能力強。在培養初期浮游植物生物量降低可能是由于其對培養環境的不適應,適應后呈快速增長的趨勢。浮游植物群落結構由開始時以甲藻、硅藻為主演替為以甲藻和綠藻為主,分別占總豐度的55.2%、33.5%。

圖3 山美水庫培養組藻類生物量及群落結構變化

從圖4可以看出,三十六腳湖培養組實驗中,隨培養時間增加,無機磷培養組中浮游植物群落結構明顯改變,甲藻日漸衰落,硅藻門競爭優勢日趨明顯。在培養的第15天到第20天,裸藻門也有一定增長。在培養的第20天,浮游植物總生物量達到11.12 mg/L,群落結構變化明顯,從以甲藻門和硅藻門為主演替為以硅藻、綠藻和藍藻為主,其生物量分別占總生物量的45.6%、18.9%、14.2%,裸藻的比例也有所增大,而甲藻的比例不斷減少,由實驗初期的占比50.6%降低至10.9%。有機磷培養組中浮游植物總生物量也明顯增長,在培養后的第20天達到15.70 mg/L,藻群落結構由以甲藻和硅藻為主演替為以綠藻和甲藻為主,分別占總生物量的24.3%和73.2%,甲藻競爭優勢明顯。

圖4 三十六腳湖培養組藻類生物量及群落結構變化

3 討論(Discussion)

三組培養實驗中表現出的共同規律是,多甲藻能有效利用有機磷AMP,多甲藻在無機磷培養組中逐漸失去競爭能力,而在有機磷培養組中增殖競爭優勢明顯,進而在藻群落結構中占據優勢。

在無機磷和有機磷培養組中,3個水庫的浮游植物生物量均有增長,但在培養20 d后,西坡水庫有機磷實驗組生物量顯著低于無機磷實驗組,而山美水庫和三十六腳湖正好相反,這可能是因為3個水庫的初始浮游植物生物量及藻種類結構不同,西陂水庫表層浮游植物主要以硅藻門針桿藻(Synedra)為主,占總生物量的70.3%左右；山美水庫表層浮游植物主要以甲藻門多甲藻(Peridiniales)為主,占總生物量的59.2%；三十六腳湖水樣中浮游植物群落結構中甲藻門多甲藻(Peridiniales)占50.5%,不同藻類對不同形態磷的利用能力不同。

浮游植物能利用有機磷增殖,這與已有的相關研究結果一致[30],不同藻類對溶解性有機磷的選擇性利用以及對其利用能力的強弱不同。Yamaguchi等人研究發現,在15種有機磷中,卵圓褐胞藻(Chattonellaovata)只能利用二磷酸腺苷(Adenosine diphosphate,ADP)和三磷酸腺苷(Adenosine triphosphate,ATP)維持自身生長[30]。Richardson等人利用29種有機磷對短凱倫藻(Kareniabrevis)和米氏凱倫藻(Kareniamikimotoi)進行實驗室培養發現,兩種藻均能較好的利用磷酸酯,但是對磷酸二酯和膦酸酯中的大部分有機磷利用效果較差[14]。Wang等人的研究也說明不同藻類對溶解性有機磷的利用能力不同[19]。

不同形態的磷對不同藻類增殖的影響存在明顯差異,這種差異性會導致水體中浮游植物群落結構的變化[31- 32]。在本研究中,無機磷培養組中藍藻門和硅藻門的藻種增殖速度比其他藻類快,說明藍藻和硅藻能夠更有效地利用無機磷,這與沉積物中無機磷所占比例較高的湖泊更容易爆發藍藻水華的結果相一致[33]。在有機磷培養組中,甲藻門和綠藻門的藻種能夠快速攝取AMP用于自身生長,其種群數量不斷增大,逐漸演替為群落的優勢種,在群落結構中占據主導地位,而藍藻卻未表現出這種特性。說明在無機磷缺失的環境下,甲藻門和綠藻門利用有機磷AMP的能力更強。這與Ren等人的研究一致[11]。另有報道指出,藍藻門中的擬柱孢藻在無機磷缺失的情況下能夠吸收利用有機磷β- 甘油磷酸酯、D- 葡萄糖- 6- 磷酸和(2- 氨基乙基)- 次膦酸增殖[34],但本實驗中在有機磷AMP培養下藍藻并沒有成長為群落的優勢種?？赡艿脑?一方面是本研究中所選用的有機磷AMP可能不是能被藍藻有效利用的有機磷；另一方面,本研究采用生物量“mg/L”而非細胞密度“個/L” 作為計算單位進行生物量結果的分析,對生物量的表達方式的差異導致了結果的不同。

從群落結構演替來看,盡管本實驗所采集的3個水庫的原位水樣中浮游植物的群落結構起點各不相同,但隨著培養實驗的進行,3個水庫的浮游植物群落結構演替方向日趨明顯并具有一致性：無機磷培養組中硅藻門和藍藻門逐漸演替為群落的優勢種,有機磷培養組中甲藻門和綠藻門逐漸演替為群落的優勢種,甲藻門占據絕對優勢。這與已有報道中的情況類似。Ou等人研究發現,以卵磷脂為有機磷源時甲藻的增殖速率遠大于硅藻,并占據絕對優勢；在無機磷缺乏的條件下,東海原甲藻的堿性磷酸酶活性比中肋骨條藻更大[12]。Wang等人對5種水華常見藻類的研究發現,相對于硅藻等其他藻類,甲藻能更有效的利用大多數核苷酸并保持良好的增長,甲藻對溶解性有機磷的利用能力和對營養限制的耐受能力為其提供了競爭優勢[19]。對磷營養利用機制的差異性可能是許多浮游植物群落中物種演替的重要原因[21]。趙桂英等人的研究表明甲藻門和綠藻門在無機磷缺失的環境下能夠通過分泌堿性磷酸酶分解利用有機磷,或者與水體中的細菌等微生物協同利用有機磷來滿足自身生長的磷需求[35]。

4 結論

本研究以無機磷(NaH2PO4·2H2O)和有機磷(AMP)分別作為磷源進行培養,探索西陂水庫、山美水庫、三十六腳湖三個富營養化程度不同的水體浮游植物競爭和群落結構演替的情況,結果表明：

(1)西陂水庫、山美水庫、三十六腳湖3個水庫的初始浮游植物總生物量分別為0.51、5.25、5.39 mg/L,培養20 d后,有機磷實驗組中,培養后的3個水庫浮游植物總生物量分別達到3.81、16.38、15.70 mg/L,浮游植物生物量分別增加了6.5、2.1和1.9倍,表明有機磷和無機磷一樣,能被浮游植物利用,但不同藻類利用效果存在差異。

(2)以無機磷作為磷源時,3個水庫浮游植物群落結構組成起點不同,但都演替以硅藻門和藍藻門為主；而在有機磷培養組中,3個水庫浮游植物群落結構演替為以甲藻門和綠藻門藻種為主,且甲藻門的競爭優勢明顯,其中,西陂水庫浮游植物群落結構由硅藻門(70.3%)、甲藻門(19.1%)演替為以甲藻門(81.8%)和綠藻門(16.7%)為主；山美水庫由甲藻門(59.2%)和硅藻門(31.3%)演替為甲藻門(55.2%)和綠藻門(33.5%)為主；三十六腳湖由甲藻門(50.5%)和硅藻門(43.1%)為主演替為甲藻門(73.2%)和綠藻門(24.3%)為主。

(3)本研究結果表明,有機磷AMP能有效促進甲藻門擬多甲藻屬的增殖,特別是西陂水庫甲藻門擬多甲藻對有機磷AMP的利用能力強,實驗結束時,甲藻門擬多甲藻所占藻生物量比例達到81.8%,這是否是2009年西陂水庫發生甲藻門擬多甲藻水華的原因,有待進一步結合野外觀測進行研究。