陳家長(zhǎng) ,王菁,裘麗萍,孟順龍,范立民,宋超
1. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心//中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院內(nèi)陸漁業(yè)生態(tài)環(huán)境與資源重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無(wú)錫 214081;
2. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)漁業(yè)學(xué)院,江蘇 無(wú)錫 214081
水體富營(yíng)養(yǎng)化和有害藻類(lèi)爆發(fā)性生長(zhǎng)已經(jīng)成為制約我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。隨著我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖集約化程度的提高以及人工配合飼料的普遍使用,生產(chǎn)能力與養(yǎng)殖效益有了大幅度的提高,同時(shí)也帶來(lái)了較為嚴(yán)重的負(fù)面影響:養(yǎng)殖區(qū)域水體的污染、病原生物大量繁殖、生態(tài)環(huán)境惡化、生物多樣性遭到破壞(Habersack等,2014),甚至?xí)绊懙街苓叺貐^(qū)的環(huán)境(蘇雅玲和鄧一榮,2013;趙風(fēng)斌,2012;Lei等,2014)。
浮游植物是水生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)者,其種群變動(dòng)和群落結(jié)構(gòu)直接影響水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能(孟順龍,2013)。浮游植物間也存在著競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象,各種環(huán)境條件,如光照、溫度、營(yíng)養(yǎng)鹽等,對(duì)競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果具有重要影響(Fl?der等,2006;Zhang等,2013)。
普通小球藻和魚(yú)腥藻是池塘養(yǎng)殖水體中常見(jiàn)的藻類(lèi),其中普通小球藻能為好氧菌提供氧氣,使之將復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)分解為簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物,達(dá)到對(duì)富含養(yǎng)分的廢水進(jìn)行資源化處理的目的(胡開(kāi)輝等,2006);同時(shí)小球藻還是魚(yú)類(lèi)的優(yōu)良餌料,且對(duì)水體中的氮磷有一定的去除作用(余云龍等,2012;劉淑坡和李飛,2012);魚(yú)腥藻是富營(yíng)養(yǎng)化水體和養(yǎng)殖水體中主要水華藻之一。盡管目前有關(guān)小球藻和魚(yú)腥藻的研究較多(鄭曉宇等,2012;Zhai等,2009;Zhu等,2013),但這些研究大多是探討環(huán)境因素對(duì)單一藻種生長(zhǎng)特性的影響,而有關(guān)普通小球藻和魚(yú)腥藻種間競(jìng)爭(zhēng)的報(bào)道并不多見(jiàn)。為此,本研究選用淺水湖泊(太湖等)以及養(yǎng)殖池塘中常見(jiàn)有益藻——普通小球藻和常見(jiàn)有害藻——魚(yú)腥藻為試驗(yàn)藻種,探究不同pH下,普通小球藻和魚(yú)腥藻的種間競(jìng)爭(zhēng),以期揭示水體中常見(jiàn)藻類(lèi)的生長(zhǎng)過(guò)程及其與pH的相互關(guān)系,為水產(chǎn)養(yǎng)殖過(guò)程控制(曹煜成等,2012)和精準(zhǔn)培水技術(shù)的研究,以及控制養(yǎng)殖水體富營(yíng)養(yǎng)化提供研究基礎(chǔ)。
實(shí)驗(yàn)用普通小球藻(Chlorella vulga)、魚(yú)腥藻(Anabaenasp.strain PCC)購(gòu)自中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所。藻種擴(kuò)大培養(yǎng)采用BG11培養(yǎng)基。實(shí)驗(yàn)中使用的玻璃儀器均經(jīng)清水沖洗后,在質(zhì)量濃度為1%的稀鹽酸中浸泡30 min,再用無(wú)菌水沖洗,高溫滅菌,烘干備用。試驗(yàn)期間的培養(yǎng)條件與擴(kuò)大培養(yǎng)期間的培養(yǎng)時(shí)的條件一致,光照強(qiáng)度約為 2.5×103lx,光暗比12 h︰12 h,溫度為25 ℃。光照期間,每隔2 h手工搖勻錐形瓶1次,暗期則靜置。
本研究設(shè)置4個(gè)pH梯度,分別為6,7,8和9。每個(gè)pH均設(shè)置3個(gè)試驗(yàn)組,分別為普通小球藻單獨(dú)培養(yǎng)組(簡(jiǎn)稱(chēng)C組)、魚(yú)腥藻單獨(dú)培養(yǎng)組(簡(jiǎn)稱(chēng)A組)、普通小球藻和魚(yú)腥藻共同培養(yǎng)組(簡(jiǎn)稱(chēng)CA組)。每組試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)平行。
實(shí)驗(yàn)時(shí),將達(dá)到接種濃度的普通小球藻、魚(yú)腥藻在5000 r·min-1轉(zhuǎn)速下離心8 min,去掉上清液,用BG11培養(yǎng)基稀釋到實(shí)驗(yàn)所需濃度。各組普通小球藻、魚(yú)腥藻的初始接種密度均設(shè)置為 5×105cell·mL-1。在容積為250 mL錐形瓶中加入對(duì)應(yīng)pH的BG11培養(yǎng)液200 mL,然后置于智能光照培養(yǎng)箱(沃信儀器,無(wú)錫)內(nèi),在不同pH條件下進(jìn)行一次性培養(yǎng)(中間不更換培養(yǎng)液),每24 h用0.1 mol/L的HCl和0.1 mol/L的NaOH對(duì)pH進(jìn)行調(diào)節(jié)。
自實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后每24 h計(jì)數(shù)藻類(lèi)數(shù)量。計(jì)數(shù)方法參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第四版)》。當(dāng)所有藻類(lèi)生物量均出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)時(shí),試驗(yàn)結(jié)束,藻類(lèi)出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)前 1 d的生物量即為該種藻類(lèi)的最大現(xiàn)存量。
1.4.1 比生長(zhǎng)速率
根據(jù)藻液細(xì)胞密度計(jì)算比生長(zhǎng)速率。比生長(zhǎng)速率的計(jì)算方法為(Chu等,2007;孟順龍等,2012):
式中:μn為第n天的比生長(zhǎng)速率;Nn為第n天的細(xì)胞密度(cells·L-1);Nn-1為第n-1天的細(xì)胞密度(cells·L-1);tn為對(duì)應(yīng)于Nn的培養(yǎng)天數(shù);tn-1為對(duì)應(yīng)于Nn-1的培養(yǎng)天數(shù)。同時(shí),將藻類(lèi)從試驗(yàn)開(kāi)始至生物量達(dá)最大現(xiàn)存量這一時(shí)間段內(nèi)的比生長(zhǎng)速率的平均值定義為藻類(lèi)的平均比生長(zhǎng)速率(μ),用于比較藻類(lèi)生長(zhǎng)速率的大小。
1.4.2 生長(zhǎng)曲線擬合
以邏輯斯諦方程擬合藻類(lèi)的增長(zhǎng)過(guò)程。首先進(jìn)行參數(shù)估計(jì),每個(gè)處理組的最大生物量(Nmax)作為各自的K估計(jì)值。應(yīng)用邏輯斯諦方程的對(duì)數(shù)形式(式 2),以最小二乘法進(jìn)行回歸分析,獲得該方程的斜率和截距作為a和r的估計(jì)值。
式中:N為藻類(lèi)生物量;K為最大生物量;r為內(nèi)稟增長(zhǎng)率;t為培養(yǎng)時(shí)間。
1.4.3 競(jìng)爭(zhēng)抑制參數(shù)的計(jì)算
利用Lotka-Volterra競(jìng)爭(zhēng)模型的差分形式(式3、式4)計(jì)算競(jìng)爭(zhēng)抑制參數(shù)(孟順龍等,2012)。
式中:Nc和Na分別為共同培養(yǎng)中的普通小球藻和魚(yú)腥藻在時(shí)間tn時(shí)的數(shù)量(×104cells·mL-1);Ncn-1和Nan-1分別為共同培養(yǎng)中普通小球藻和魚(yú)腥藻在時(shí)間tn-1時(shí)的數(shù)量(×104cells·mL-1);rc和ra分別為普通小球藻和魚(yú)腥藻的內(nèi)稟增長(zhǎng)率(由單種培養(yǎng)經(jīng)回歸計(jì)算獲得);Kc和Ka分別為普通小球藻和魚(yú)腥藻的最大環(huán)境容量(由單種培養(yǎng)獲得);α和β分別為共同培養(yǎng)中魚(yú)腥藻對(duì)普通小球藻和普通小球藻對(duì)魚(yú)腥藻的競(jìng)爭(zhēng)抑制參數(shù)。
應(yīng)用上述公式計(jì)算共同培養(yǎng)藻類(lèi)的增長(zhǎng)曲線在拐點(diǎn)以后至達(dá)到最大環(huán)境容量時(shí)間段內(nèi)每一單位時(shí)間的所有競(jìng)爭(zhēng)抑制參數(shù),取其平均值作為該種藻類(lèi)對(duì)另一種藻類(lèi)的競(jìng)爭(zhēng)抑制參數(shù)估計(jì)值。
參照Logistic方程,藻類(lèi)的增長(zhǎng)有一個(gè)從正加速到負(fù)加速的過(guò)程,即在增長(zhǎng)曲線的拐點(diǎn)之后,藻類(lèi)的增長(zhǎng)過(guò)程減緩并逐漸趨于穩(wěn)定在一個(gè)水平上。生物生長(zhǎng)拐點(diǎn)的生物學(xué)意義是生物個(gè)體從自由的快速增長(zhǎng)階段轉(zhuǎn)入相互抑制的生長(zhǎng)階段,也即密度制約的起始點(diǎn)(setting point)或抑制起始點(diǎn)(陳德輝等,1999)。因此,藻類(lèi)增長(zhǎng)曲線的拐點(diǎn)就是抑制起始點(diǎn),即邏輯斯諦方程二階導(dǎo)數(shù)等于零的時(shí)間tp值,這時(shí)N=K/2,tp=α/r(茅華等,2008),tp對(duì)α/r取整數(shù)(陳德輝等,1999)。
采用單因素方差分析對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理,并用t檢驗(yàn)方法對(duì)回歸方程進(jìn)行回歸顯著性檢驗(yàn);P<0.05時(shí),差異顯著。
不同pH下,普通小球藻、魚(yú)腥藻的生長(zhǎng)情況如圖1所示。方差分析表明,無(wú)論是在單種培養(yǎng)還是在共同培養(yǎng)體系中,pH對(duì)兩種藻類(lèi)的最大生物量均產(chǎn)生顯著影響。單種培養(yǎng)體系中,普通小球藻和魚(yú)腥藻的最大生物量隨著pH的增加而增加,pH 9時(shí)的最大生物量顯著高于其他組(p<0.05)。在相同培養(yǎng)時(shí)間下,普通小球藻的生物量基本表現(xiàn)為pH9>pH8>pH7>pH6;魚(yú)腥藻的生物量均表現(xiàn)為pH9>pH8>pH7>pH6。共同培養(yǎng)體系中,普通小球藻的最大生物量表現(xiàn)為 pH9>pH8>pH6>pH7,且 4種pH間最大生物量差異顯著(p<0.05),在相同培養(yǎng)時(shí)間下,普通小球藻的生物量在1~8 d中基本表現(xiàn)的為:pH9>pH7>pH8>pH6。共同培養(yǎng)體系中,魚(yú)腥藻的最大生物量隨pH的升高而增加,且4種pH間最大生物量差異顯著(p<0.05),同時(shí),在相同培養(yǎng)時(shí)間下的魚(yú)腥藻生物量也基本表現(xiàn)為pH9>pH8>pH7>pH6,這與單種培養(yǎng)體系相同。
由表1可見(jiàn),pH能夠?qū)煞N藻的平均比生長(zhǎng)速率產(chǎn)生影響。無(wú)論在單種培養(yǎng)還是共同培養(yǎng)下,魚(yú)腥藻的平均比生長(zhǎng)速率均表現(xiàn)為:pH9>pH8>pH7>pH6;而普通小球藻的平均比生長(zhǎng)速率在單種培養(yǎng)條件下表現(xiàn)為:pH9>pH7>pH8>pH6,在共同培養(yǎng)條件下表現(xiàn)為:pH9> pH8>pH6>pH7。單種培養(yǎng)體系中,普通小球藻和魚(yú)腥藻在不同pH下的生長(zhǎng)曲線基本符合S型生長(zhǎng)曲線(圖1),說(shuō)明不同pH下,單種培養(yǎng)藻類(lèi)的生長(zhǎng)曲線均可用Logistic模型擬合,并可以根據(jù)Logistic方程計(jì)算拐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間(表2)。同時(shí),為計(jì)算拐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間,共同培養(yǎng)體系中的普通小球藻、魚(yú)腥藻的生長(zhǎng)也用Logistic方程進(jìn)行了擬合,并由此得到各生長(zhǎng)曲線的拐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間(表2)。
圖1 不同pH普通小球藻和魚(yú)腥藻單種培養(yǎng)組及共同培養(yǎng)組的生長(zhǎng)曲線Fig. 1 Growth curves of Chlorella vulga and Anabaenasp.strain PCC in pure culture and mixed culture system s at different pH
表1 不同pH下普通小球藻和魚(yú)腥藻的平均比生長(zhǎng)速率Table 1 Mean μ of Chlorella vulga and Anabaenasp.strain PCC at different pH (μ)
以單種培養(yǎng)體系中擬合得到的K、r值和共同培養(yǎng)體系中普通小球藻和魚(yú)腥藻的細(xì)胞數(shù)帶入式(3)、(4),計(jì)算共同培養(yǎng)體系中普通小球藻對(duì)魚(yú)腥藻以及魚(yú)腥藻對(duì)普通小球藻競(jìng)爭(zhēng)抑制參數(shù)(表3)。
如表3所示,在4個(gè)pH條件下普通小球藻對(duì)魚(yú)腥藻的競(jìng)爭(zhēng)抑制參數(shù)(β)均大于魚(yú)腥藻對(duì)普通小球藻的競(jìng)爭(zhēng)抑制參數(shù)(α)。pH7.0時(shí)普通小球藻對(duì)魚(yú)腥藻的競(jìng)爭(zhēng)抑制參數(shù)(β)最大;魚(yú)腥藻對(duì)普通小球藻的競(jìng)爭(zhēng)抑制參數(shù)(α)則是pH6.0時(shí)最大。同時(shí),由表2可見(jiàn),單種培養(yǎng)體系中,4個(gè) pH條件下,魚(yú)腥藻出現(xiàn)拐點(diǎn)的時(shí)間都比普通小球藻晚;在共同培養(yǎng)體系中,在pH6.0、7.0、9.0時(shí),普通小球藻的拐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間均早于魚(yú)腥藻,而在pH8.0時(shí),普通小球藻和魚(yú)腥藻出現(xiàn)拐點(diǎn)的時(shí)間基本一致。
表2 不同pH下普通小球藻和魚(yú)腥藻的邏輯斯諦模型擬合參數(shù)及拐點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間Table 2 Parameters of Chlorella vulga and Anabaenasp.strain PCC regression coefficients of Logistic model and the inflection points at different pH
表3 不同pH下普通小球藻和魚(yú)腥藻的競(jìng)爭(zhēng)抑制參數(shù)Table 3 Inhibition parameters of Chlorella vulga and Anabaenasp.strain PCC after inflection point at different pH
水體pH主要從兩方面對(duì)微藻產(chǎn)生影響,一方面改變環(huán)境酸堿度,酸性太強(qiáng)(H+濃度高)或堿性太強(qiáng)(OH-濃度高)都會(huì)對(duì)藻細(xì)胞產(chǎn)生傷害,只有在適宜的酸堿度范圍內(nèi),藻細(xì)胞才能正常生長(zhǎng)繁殖;另一方面影響碳酸鹽平衡系統(tǒng)及不同形態(tài)無(wú)機(jī)碳分配關(guān)系來(lái)影響藻類(lèi)的生長(zhǎng)(王菁等,2013)。目前實(shí)驗(yàn)條件下還沒(méi)有辦法區(qū)分藻類(lèi)對(duì)pH的反應(yīng)究竟是由于受到酸堿傷害還是由于改變了碳酸鹽平衡系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)中,魚(yú)腥藻和普通小球藻在pH6時(shí)生長(zhǎng)均受到抑制,應(yīng)該是受到酸害的作用。大部分藻類(lèi)對(duì)pH的耐受范圍較窄,賀春花等(2011)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:顫藻在pH7.3~8.6的偏堿性條件下生長(zhǎng)良好;茅華等(2007)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示旋鏈角毛藻的最適pH為8.3;許海等(2009)研究了水華魚(yú)腥藻在pH6、7、8、9、10對(duì)3種淡水藍(lán)藻和3種淡水綠藻生長(zhǎng)的生長(zhǎng)情況,結(jié)果表明,水華魚(yú)腥藻最適生長(zhǎng)pH在8.0~9.0,綠球藻為7.0~8.0;歐陽(yáng)崢嶸等(2010)研究表明,小球藻適宜在中性偏堿的條件下生長(zhǎng),在pH6.0中,凈光合放氧速率下降為零。從本文的研究結(jié)果看,普通小球藻和魚(yú)腥藻的最大生長(zhǎng)量隨著pH的增大而增加,本試驗(yàn)中其最適生長(zhǎng)的pH均為9.0。
薛凌展(2010)的研究表明銅綠微囊藻pH在8~11范圍內(nèi)生長(zhǎng)良好,其最佳生長(zhǎng)pH值為9,而普通小球藻則pH在7~9之間生長(zhǎng)較好,其最佳pH值為 8。共同培養(yǎng)的試驗(yàn)結(jié)果顯示堿性環(huán)境中銅綠微囊藻的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)強(qiáng)于普通小球藻,pH為8~10時(shí)β值大于α值,而pH為7時(shí)普通小球藻占優(yōu)勢(shì),α值大于β值。從本研究結(jié)果看,試驗(yàn)pH下,共同培養(yǎng)中普通小球藻和魚(yú)腥藻的生長(zhǎng)量都遠(yuǎn)小于單種培養(yǎng)中的生長(zhǎng)量(P<0.05);pH7.0時(shí)普通小球藻對(duì)魚(yú)腥藻的競(jìng)爭(zhēng)抑制參數(shù)最大,分別為pH6.0、7.0、9.0下的1.27倍、1.42倍、4.33倍;魚(yú)腥藻對(duì)普通小球藻的競(jìng)爭(zhēng)抑制參數(shù)(α)則是pH 6.0時(shí)最大,分別是 pH 7.0、pH 8.0、pH 9.0時(shí)的 1.05、2.64、6.20倍。這種現(xiàn)象說(shuō)明,pH對(duì)藻類(lèi)的競(jìng)爭(zhēng)抑制參數(shù)能夠產(chǎn)生較大影響,且魚(yú)腥藻對(duì)普通小球藻的競(jìng)爭(zhēng)能力在pH6.0時(shí)環(huán)境下最強(qiáng),而普通小球藻對(duì)魚(yú)腥藻的競(jìng)爭(zhēng)能力則在pH7.0時(shí)最強(qiáng)。
從共同培養(yǎng)體系中普通小球藻和魚(yú)腥藻的拐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間看,在pH 6.0、7.0、9.0時(shí),普通小球藻的拐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間均早于魚(yú)腥藻,而在pH 8.0時(shí),普通小球藻和魚(yú)腥藻的拐點(diǎn)都出現(xiàn)第7天。生物生長(zhǎng)拐點(diǎn)的生物學(xué)意義是生物個(gè)體從自由的快速增長(zhǎng)階段轉(zhuǎn)入互相抑制的生長(zhǎng)階段,也即抑制的起始點(diǎn)(陳德輝,等,1999)。上述現(xiàn)象說(shuō)明,在pH 6.0、7.0、9.0時(shí),普通小球藻的生長(zhǎng)首先被抑制;而在pH 8.0時(shí),普通小球藻和魚(yú)腥藻幾乎同時(shí)對(duì)對(duì)方產(chǎn)生抑制。
藻類(lèi)種間抑制主要是通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)光照、營(yíng)養(yǎng)鹽等資源而產(chǎn)生的抑制以及分泌克生物質(zhì)而產(chǎn)生的抑制(鄭朔方等, 2005)。從本試驗(yàn)中魚(yú)腥藻和普通小球藻的競(jìng)爭(zhēng)抑制參數(shù)研究結(jié)果看(表3),在4個(gè)pH條件下,雖然魚(yú)腥藻對(duì)普通小球藻的抑制作用先于普通小球藻對(duì)魚(yú)腥藻的抑制作用,但魚(yú)腥藻對(duì)普通小球藻的競(jìng)爭(zhēng)抑制參數(shù)(α)均小于普通小球藻對(duì)魚(yú)腥藻的競(jìng)爭(zhēng)抑制參數(shù)(β);說(shuō)明在試驗(yàn) pH下,魚(yú)腥藻對(duì)普通小球藻的抑制能力均小于普通小球藻對(duì)魚(yú)腥藻的抑制能力,說(shuō)明普通小球藻在競(jìng)爭(zhēng)中占優(yōu)勢(shì)。這種現(xiàn)象可能是因?yàn)槠胀ㄐ∏蛟宸置诔龅哪撤N抑制物質(zhì)的作用強(qiáng)于魚(yú)腥藻分泌出的抑制物質(zhì)。
在試驗(yàn)所設(shè)pH條件下,無(wú)論在單種培養(yǎng)體系還是共同培養(yǎng)體系中,魚(yú)腥藻的最大現(xiàn)存量都隨著pH的升高而增加,說(shuō)明堿性條件對(duì)魚(yú)腥藻生長(zhǎng)有利,同時(shí)也表明魚(yú)腥藻是一種耐堿性藻類(lèi)。單種培養(yǎng)條件下,普通小球藻的最大現(xiàn)存量隨pH升高而增加;共同培養(yǎng)條件下,最大現(xiàn)存量隨pH的變化表現(xiàn)為pH9>pH8>pH6>pH7。
pH對(duì)藻類(lèi)的競(jìng)爭(zhēng)抑制參數(shù)能夠產(chǎn)生顯著影響,pH 6.0時(shí),魚(yú)腥藻對(duì)普通小球藻的競(jìng)爭(zhēng)抑制參數(shù)最大;而普通小球藻對(duì)魚(yú)腥藻的競(jìng)爭(zhēng)抑制參數(shù)則是在pH 7.0時(shí)最大。在4個(gè)pH條件下,魚(yú)腥藻對(duì)普通小球藻的競(jìng)爭(zhēng)抑制參數(shù)(α)均小于普通小球藻對(duì)魚(yú)腥藻的競(jìng)爭(zhēng)抑制參數(shù)(β);說(shuō)明抑制作用與環(huán)境中藻種的相對(duì)藻量有關(guān),在試驗(yàn)pH下,魚(yú)腥藻對(duì)普通小球藻的抑制能力均小于普通小球藻對(duì)魚(yú)腥藻的抑制能力,普通小球藻在競(jìng)爭(zhēng)中處于優(yōu)勢(shì)。
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