“环境因素对藻类生长和竞争的影响”读书报告

“环境因素对藻类生长和竞争的影响”读书报告陈宏伟本次读书报告选择以环境因素对藻类生长和竞争的影响为主题，通过查阅文献，发现影响水体中藻类生长的因素多种多样，本次阅读选择了最常见的几个环境影响因素进行阅读，分别是温度、光照、氮、磷和pH等，选择了其中四篇中文与三篇外文文献进行阅读。基本了解了论文中各影响因素的实验设计、结果分析和作用机理等。1.部分环境因素对藻类生长和竞争影响的研究现状中国科学院南京地理与湖泊研究所的许海等将实验研究与实际情况相结合，通过批量培养实验研究了不同磷水平下N/P比对铜绿微囊藻（蓝藻）和斜生栅藻（绿藻）生长速率的影响,并在太湖蓝藻水华暴发期间，监测了梅梁湾和湖心区水体叶绿素a浓度和氮磷营养盐结构变化，以探讨N/P比对蓝藻优势形成的影响.结果表明氮磷浓度比N/P比对两种藻的生长影响更大。解释了梅梁湾蓝藻水华爆发的原因：即铜绿微囊藻对氮磷营养的生理需求和最大生长速率均相对较低,易在低氮磷浓度下形成优势.梅梁湾在水华暴发期间氮浓度一直远低于水华较轻的湖心区，而磷浓度远高于湖心区低N/P比是蓝藻水华暴发导致氮浓度下降，磷浓度升高的结果。中国科学院南京地理与湖泊研究所的殷燕测定了铜绿微囊藻、斜生栅藻在不同的光照强度下，在不同生长期的藻细胞密度、粒径、叶绿素a浓度、浮游植物的吸收系数以及比吸收系数。单因素方差分析表明，在整个培养周期中，光照强度对铜绿微囊藻及斜生栅藻的藻细胞密度、叶绿素a浓度以及440、675nm处吸收系数均有着显著的影响。相关性分析表明：藻类特征波段440、675nm吸收系数与叶绿素a浓度、藻细胞密度在不同光照条件下都存在着显著的正相关性，在不同光照强度及培养时期，藻类比吸收系数在一定的范围内波动，随光强增加比吸收系数呈上升趋势。铜绿微囊藻440、675nm处比吸收系数与叶绿素a浓度呈显著的负相关关系，而斜生栅藻比吸收系数与叶绿素a浓度之间无显著相关，体现了不同藻类由于色素组成及比例差异其色素包裹效应也各不相同。中国水产科学研究院淡水渔业研究中心的陈家长通过实验揭示水体中常见藻类的生长过程及其与pH的相互关系，他设置了6.0,7.0,8.0和9.0等4个pH梯度，通过室内实验模拟水体条件，研究不同pH条件下鱼腥藻和普通小球藻的生长和种间竞争。结果表明，无论是在单种培养还是在共同培养体系中，4个pH条件下两种藻类的最大生物量差异明显（P<0.05），鱼腥藻和普通小球藻的最适pH均为9.0。竞争试验结果表明，pH对藻类种间竞争抑制参数能够产生显著影响，在4个pH条件下普通小球藻对鱼腥藻的竞争抑制参数均大于鱼腥藻对普通小球藻的竞争抑制参数，与单种培养相比，鱼腥藻最大藻细胞数受到明显削弱，说明普通小球藻在竞争中占优势。中国环境科学研究院湖泊生态环境创新基地的金相灿通过批量培养实验，测定培养过程中藻的生物量、光合放氧速率及浮力等的变化，研究了2种典型水华蓝藻-水华微囊藻及孟氏浮游蓝丝藻在不同温度下的生长和光合作用特征及浮力调控的机制。结果表明2种藻的生长速率在10〜28^范围内都随温度升高而增大.2种蓝藻在10°C以上均能进行光合作用,且在实验温度范围内（10〜28C）随温度的升高而增强.当温度从28C转至13C以下温度培养时，2种蓝藻的浮力下降明显，这说明温度降低至13C以下，水华微囊藻下沉趋于休眠，而孟氏游浮蓝丝藻则趋于底栖继续生长;温度升高至13C以上，水华微囊藻趋于复苏和上浮，而孟氏浮游蓝丝藻趋于浮游。南京农业大学的王静对为了研究环境因素对藻类生长和竞争的影响，通过搜集文献资料对国内外的相关研究用英文进行了总结。总结过程中发现大部分研究是关于单因素对藻类生长的影响。同时也有多种不同因素相互作用的条件下对藻类生长与竞争的研究。这篇总结介绍了藻类在生态系统中所起的作用，重点研究了温度、光照、氮、磷和pH等环境因素对藻类生长和竞争的影响。结尾提出了作者需要研究的关键问题，并呼吁我们应该更多地了解藻类生长竞争与环境因素的关系并以此来改善我们的环境。中国水产科学研究院淡水渔业研究中心的李平研究通过批量控制实验，研究了1-萘酚对水体中常见的小球藻增殖的影响。实验研究了不同1-萘酚下的小球藻的生物量、叶绿素含量、丙二醛（MDA）含量和可溶性蛋白质含量的变化。1-萘酚浓度与所研究的量表现出有显著的剂量依赖关系。随着1-萘酚浓度的增加，叶绿素含量降低,MDA含量逐渐增加，可溶性蛋白含量先增加，然后下降。根据实验结果,1-萘酚可以显著抑制小球藻的增殖。中国环境科学研究院湖泊生态与环境研究中心的储昭升使用微观湖泊模拟系统研究在不同温度下铜绿微囊藻和莫氏藻的生长特征和竞争。实验结果表明当温度小于20r时，莫氏藻是优势种群，微囊藻受到压制。当温度为30r以上时，情况相反。颤藻在15°C和20r指数期较长（20天）、生长速率较低，而微囊藻的指数期较短（2-3天）增长率较高。在湖泊模拟系统中藻类之间的相互作用比在烧瓶中更强而且更复杂，容易受到光照和pH值的影响，因此生物量低于烧瓶中的藻类生物量。微囊藻与颤藻在不同温度下的竞争结果与太湖藻类群落的现场观测结果一致，表明温度是影响浅水湖泊中微囊藻与颤藻竞争的重要影响因子。2.实验设置2.1氮磷比对水华蓝藻优势分析实验实验设计：以BG-11培养基为基本培养液，通过外源添加NaNO3和K2HPO3调节溶液所需N/P比.试验设置3种磷浓度条件:0.02,0.20,2.00mg/L,调整培养液中的N浓度，使N、P原子比为4:1、8:1、16:1、32:1、64:1,具体实验设置如表1所示.将处于N、P饥饿状态的藻细胞分别接种于上述培养基，接种密度为5.0X104个细胞/mL,每个处理设置3个重复.1.1.3生物量的测定和增长率的计算自接种之日起，每天的同一时间，取少量藻类培养液用721型分光光度计在625nm处测其吸光度.当每组试验每天生物量的平均增长率低于5%时，认为该组试验已达到最大现存量，停止测定。表1宅且中N、P波麻艮N甲赎子比情fable1Nitrogenandphosphoiu&concenlrarionsaswellasNPatcniratiosusedmexperimtnt姓理p瞄Ni>P1=O.M4:1跆0.07fl-02S：L3#0.140.0216:14?0.290.0232:15£0.5BM：16#0.360.2&4:1?!«■0.720-20B：L卧1.45AJO16:12„S90-2032:15JS«41Ll=i.tii2.C04:1F2_COS：L13#14.452.C016:114?28.2.CO32:1n=57.81?00«41野外观测：于水华大量发生的7、8、9月，在太湖梅梁湾和湖心区各布设1个站位，监测水体浮游植物生物量,氮磷营养盐浓度和比例的动态变化，监测频率为每月2~3次，站位定点采用Garmin公司生产的GPSL2型全球卫星定位系统.用长2m,直径0.1m的柱状采水器采集混层水样，进行浮游植物生物量和水体化学指标分析.分析指标包括浮游植物叶绿素a、总氮、总磷、磷酸根离子、硝态氮、铵态氮，亚硝态氮。2.2光照强度对铜绿微囊藻和斜生栅藻生长及吸收特性分析实验铜绿微囊藻和斜生栅藻的藻种均保存于光照培养箱，此实验过程中设置低、中、高3个光照水平：5、50、100pmol/（m2-s），温度设置为藻类培养的最佳温度25°C，光暗周期比为12：12.采用BG11培养液（http://algae,/）进行培养，pH为7.1.把在光照培养箱中驯化1周处于对数期的铜绿微囊藻以及斜生栅藻接种于已灭菌的培养液中，培养液与藻液浓度比为6:1，以达到铜绿微囊藻的接种密度为60X104cells/ml左右，斜生栅藻的接种密度为40X104cells/ml左右.每个处理设置3个平行样实验持续时间为17d，采样频率为每隔1d测定一次，共采样9次.取样过程均在无菌操作台进行.测定的指标为：藻细胞个数、细胞粒径、Chl.a浓度、浮游植物吸收及比吸收系数。2.3pH对鱼腥藻和普通小球藻生长竞争分析实验本研究设置4个pH梯度，分别为6,7,8和9。每个pH均设置3个试验组，分别为普通小球藻单独培养组（简称C组）、鱼腥藻单独培养组（简称A组）、普通小球藻和鱼腥藻共同培养组（简称CA组）。每组试验设置3个平行。实验时，将达到接种浓度的普通小球藻、鱼腥藻在5000r•min-1转速下离心8min，去掉上清液，用BG11培养基稀释到实验所需浓度。各组普通小球藻、鱼腥藻的初始接种密度均设置为5X105cell・mL-1。在容积为250mL锥形瓶中加入对应pH的BG11培养液200mL，然后置于智能光照培养箱内，在不同pH条件下进行一次性培养（中间不更换培养液），每24h用0.1mol/L的HCl和0.1mol/L的NaOH对pH进行调节。自实验开始后每24h计数藻类数量。当所有藻类生物量均出现负增长时，试验结束，藻类出现负增长前1d的生物量即为该种藻类的最大现存量。2.4温度对水华微囊藻及孟氏浮游蓝丝藻生长的影响分析实验水华微囊藻由太湖梅梁湾分离，孟氏浮游蓝丝藻（原名孟氏颤藻）由日本霞浦湖分离.培养基为M11,其组成为1L去离子水中含有100mg的NaNO3、10mg的K2HPO4、75mg的MgSO4-7H2O、40mg的CaCl2・2H2O、20mg的Na2CO3、6mg柠檬酸铁和1mg的Na2EDTA・2H2O.将2种蓝藻置于500mL三角瓶中（200mLM11培养基），在不同温度下（6个温度梯度，温度范围10C〜28C）分别进行培养，光照强度为125pmol・m-2・s-1,光暗比为12h：12h。pH为8,接种量为3X104cells-mL-1,每组设置3个平行样.定时取样后，采用血球计数板在光学显微镜（OlympusBH-2）下计数。2.51-萘酚对普通小球藻生理指标的影响分析实验将小球藻在BG-11培养基中进行培养。实验室培养后将处于对数生长阶段的健康藻类收集用于实验。首先取200毫升的小球藻在BG-11培养基中培育，控制温度（25±2）C，光照强度为28003000lx，光照条件采用12小时光照12小时黑暗交替进行，每天摇动三次。1-荼酚浓度设计六个浓度（0.1,1.0,3.0,6.0，12.0和18.0毫克/升），每组浓度设置三个平行样。2.6温度对铜绿微囊藻和颤藻生长影响分析实验本次实验的铜绿微囊藻和颤藻在M11培养基重培养，设置温度为20C，光照条件采用12小时光照与12小时黑暗交替进行。湖泊模拟系统由两个人工湖（采用尺寸为高4米、直径1米的水箱），两个人造太阳（氙灯，5千瓦），一个消毒罐，监测系统，温度控制系统，消毒空气供应系统和蒸汽系统等组成。试验中采用湖泊模拟系统和小锥形烧瓶（500毫升）共同来来研究铜绿微囊藻和颤藻之间的生长与竞争。湖泊模拟系统的每个水箱包含2400升培养基，培养基深度3.4米。模拟湖水湍流，空气通过位于水箱底部上方0.7m处从而产生水面湍流。实验温度分别采用15°C,20°C和30°C调整pH值为8.0-8.5。在湖泊模拟系统中集中放置铜绿微囊藻和颤藻光照条件采用12小时光照与12小时黑暗交替进行，以模拟自然界阳光照射。另外采用烧瓶进行培养，烧瓶中含有150毫升M11培养基，在光照2000勒克斯下进行培养。使藻类的初始细胞密度相同并将不同的烧瓶放置在温度分别为15C，20C和30C的环境下进行培养。指标分析方法微囊藻毒素采用固相萃取一液相色谱方法测定致嗅物质（土臭素、2-MIB）采用固相微萃取一气相色谱/质谱联用仪测定・OH采用4-羟基苯甲酸（4-HBA）作为捕捉剂，液相色谱二极管阵列检测器进行检测氧自由基的总氧化剂浓度，采用余氯分析仪（哈希CL17,美国）在线监测，并依据USEPA330.5标准（CASNo.7782-50-5），采用N，N-二乙基对苯二胺分光光度法（BioquestCE2501，英国）校正TRO浓度（以Cl2计）。藻细胞活性的分析：染色剂为SYTOXGreen（LifeTechnologies，美国）核酸染色剂，当藻细胞受损死亡，在488nm蓝激发光激发下，呈现绿色荧光;活细胞呈现叶绿素的自体红色荧光。采用徕卡DM6000B全自动荧光显微镜，放大400倍，在自然光下找到藻细胞，分别在绿色激发光和蓝色激发光下观察判别死活、计数，以100格为一个计数单位，按1mL记录。水质指标检测由便携式pH计（METTLERTOLEDOSG2，美国），便携式浊度仪（HACHI1900C美国），便携式溶解氧（DO）检测仪（WTWIDS310，德国），紫外可见分光光度仪（Cecil-2501，英国）测定。三卤甲烷（THMs）采用气相色谱（AgilentTechnologies7890B，美国）测定，主要测定参数:分流比为1:2,进样口温度和检测器温度分别为200C和290C，柱型是HP-5MS，载气为氮气，流速控制在1.0mL・min—1，升温程序为35C保持9min;2°C*min—1升温至40°C;20°C・min—1升温至80°C;40°C・min—1升温至160°C保持4min。可溶性蛋白质含量用考马斯确定亮蓝G-250染色法，mg/g细胞内糖和蛋白质的含量分别采用恩酮比色法和酚琳试剂法进行测定收获与体会4.1氮磷比对水华蓝藻优势形成的影响通过文章知道了氮磷比对藻类生长的影响作用是非常复杂的，不仅仅与氮磷比有关，而且与氮磷各自元素的多少有关，具体表现在在低磷情况下（0.02mg/L）,铜绿微囊藻和斜生栅藻的生长均受到营养盐的限制,N/P比在4:1〜32:1范围内对生长速率没有影响，生长速率均较低；当磷浓度达到0.20mg/L时，斜生栅藻达到最大生长速率所需N/P比（64:1）高于铜绿微囊藻（32:1）,说明斜生栅藻生长需要更高的氮浓度;而在磷浓度升高到2.00mg/L时，不同N/P比下2种藻的生长均不受氮磷营养盐的限制,N/P比对2种藻的生长没影响,生长速率均达到最大值。铜绿微囊藻在磷浓度为0.02mg/L时，不同N/P比下的生长速率均高于斜生栅藻,当磷浓度为0.20mg/L，氮浓度为1.45mg/L时,斜生栅藻的生长速率开始高于铜绿微囊藻.因此，铜绿微囊藻易在氮磷浓度相对较低的水体形成优势。最后用理论联系实际，解释了夏季太湖梅梁湾蓝藻水华比湖心区更为严重这个现象水华导致无机氮浓度降低低，无机磷浓度升高,进而使N/P比降低（低于20:1）,低N/P比是蓝藻水华发生的结果。由于氮磷比对藻类的作用比较复杂，所以以后会多找这方面的文献阅读，从中找出一些规律。4.2光照强度对铜绿微囊藻和斜生栅藻生长及吸收特性的影响通过阅读这篇论文知道了光照强度对铜绿微囊藻及斜生栅藻生长趋势有着显著的影响.但不同的光照强度对不同藻类的影响是不同的，在此总结了光照对两种藻类作用的异同点.八、、：相同点：实验发现在50pmol/（m2-s）中光照强度下，两种藻的生长趋势最好.铜绿微囊藻受高光照强度的抑制比斜生栅藻明显，在培养的后期生长逐渐缓慢。低光照条件对两种藻的生长都有着不利的影响。研究发现光照强度对两种藻吸收系数有着显著的影响，在各个培养阶段，有着适宜光照条件（50pmol/（m2-s））下的两种藻吸收系数最大，而光能不足时吸收系数最小。在不同的光照条件以及不同的培养时期，两种藻的比吸收系数在一定的范围内波动，但趋势基本相同。不同点：在不同的光照条件以及不同的培养时期，铜绿微囊藻比吸收系数比斜生栅藻大，可能是由于藻细胞粒径不同导致.另外铜绿微囊藻在任一光照条件下比吸收系数与Chl.a浓度存在着显著的负相关，而纯培养的斜生栅藻比吸收系数则与Chl.a浓度基本没有关系。4.3pH对鱼腥藻和普通小球藻生长竞争的影响通过阅读这篇文章可以发现，在该实验所设pH条件下，无论在单种培养体系还是共同培养体系中，鱼腥藻的最大现存量都随着pH的升高而增加，说明碱性条件对鱼腥藻生长有利，同时也表明鱼腥藻是一种耐碱性藻类。单种培养条件下，普通小球藻的最大现存量随pH升高而增加；共同培养条件下，最大现存量随pH的变化表现为pH9>pH8>pH6>pH7。pH对藻类的竞争抑制参数能够产生显著影响，pH6.0时，鱼腥藻对普通小球藻的竞争抑制参数最大;而普通小球藻对鱼腥藻的竞争抑制参数则是在pH7.0时最大。在4个pH条件下，鱼腥藻对普通小球藻的竞争抑制参数（。）均小于普通小球藻对鱼腥藻的竞争抑制参数（B）;说明抑制作用与环境中藻种的相对藻量有关，在试验pH下，鱼腥藻对普通小球藻的抑制能力均小于普通小球藻对鱼腥藻的抑制能力，普通小球藻在竞争中处于优势。4.4温度对水华微囊藻及孟氏浮游蓝丝藻生长、光合作用及浮力变化的影响通过阅读文章可以发现温度对水华微囊藻及孟氏浮游蓝丝藻生长的影响比较规律，但不同温度下两种藻类的影响也不相同，整理后如下。相同点:对不同温度对2种蓝藻在10°C以上均能进行光合作用，且在实验温度范围内（10°C〜28C）随温度的升高而增强.当温度降低至13C以下时，2种蓝藻的浮力都明显下降。不通电:水华微囊藻在温度低于13C时几乎不能生长，达到16C能缓慢生长;孟氏浮游蓝丝藻在温度为10C时就能缓慢生长，当温度高于16C时即能够较好生长;当温度降低至13C以下时，水华微囊藻的生长受到抑制，细胞内出现糖积累，趋于休眠;而孟氏浮游蓝丝藻则在低温下仍有较高的生长速率，可能由浮游藻类变为底栖藻类.细胞内伪空胞、糖及蛋白质的变化表明。糖的积累使细胞密度增大是细胞浮力下降的主要原因。4.5环境因素对藻类生长和竞争的影响本文简要介绍了环境因素对藻类生长和竞争的影响，重点研究了温度，光照，氮素，磷等因子对藻类生长和竞争的影响。通过阅读这篇论文，简要了解了各影响因子对藻类生长的作用.简要介绍如下：（1）温度：藻类的生长和繁殖是明显受温度影响。水的温度从两方面影响藻类的生长：生物藻类的活性以及营养利用效率。此外温度的上升加深了水体的富营养化程度。温度会影响小球藻的大小和体积。虽然各种藻类在不同温度下生长情况不同，但是25C是大部分藻类的适宜成长温度。（2）光照：光合作用浮游植物的生长情况与日照强度有密切关系。合适的日照强度和波长能有效促进藻类生长。不同藻类具有不同的最佳光照强度，即使在相同的日照条件下，他们的能力也不尽相同研究表明，阴影可以降低藻类的浓度，阳光可以增加叶绿素的合成，但过强的光照水平会抑制叶绿素的合成。日照强度越高，细胞分裂越快，生物量越高。随着光强度的增加，总光合作用不断增加。但当阳光明媚时强度达到一定量，光合速度会减少甚至停止。(3)氮磷：氮、磷这些营养元素是光合作用的物质基础。氮和磷被认为是浮游植物暴发的限制因子。不同形态和浓度N和P.对藻类生长的影响情况不同。研究人员研究了三种不同的影响氮源对铜绿微囊藻繁殖的影响：铵态氮、硝态氮和尿素氮。他们发现最佳铵态氮浓度铜绿微囊藻生长速度为0.5mmol/L微囊藻生长中硝酸盐氮的最佳浓度应为1.5—5.0mmol/L，尿素氮最佳浓度应为0.5—1.5毫摩尔/升。4.61-萘酚对普通小球藻生理指标的影响通过文章中的实验结果表明：1-荼酚显着抑制了小球藻的生长。同时各种生化指标的测定表明：1-荼酚明显影响小球藻的叶绿素a含量，MDA含量和可溶性蛋白质含量。具体而言，随着1-荼酚浓度的增加叶绿素含量增加，MDA含量下降然而，小球藻的可溶性蛋白质含量随着1-荼酚含量的增加先增加后减小。研究发现1-荼酚的毒性作用主要由光诱导产生活性氧自由基或分解成活性中间体代谢物，通过光催化反应，破坏细胞结构以及细胞膜和其他细胞内大分子的功能1-荼酚破坏了藻类细胞中叶绿体的结构和功能，抑制叶绿体合成。该文章涉及化学机理与反应较多，须再进行仔细研究。4.7温度对富营养化湖泊模拟系统中铜绿微囊藻和颤藻的生长特征及竞争的影响这篇文章与第四篇文章均来自中国环境科学研究院湖泊生态与环境研究中心，但是第四篇论文仅仅是在实验室条件下，但是实验条件具有体积小，同质的特点，与现实水体中存在差异。本文章既有在烧瓶中培养铜绿微囊藻和颤藻，同时又创新性地设立了湖泊模拟系统进行对比实验，将理论与实际结合，对我们日常现实中处理水环境问题更具有参考性，同时也