赤潮异弯藻对有机氮的利用能力

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氮(N)是海水中最为重要的营养元素之一,对浮游植物生长具有重要作用。浮游植物可以直接利用水体中的可溶性无机氮(DIN),但在自然水体中,可溶性有机氮(DON)含量也相当丰富,一般占总含量的 50%以上[1]。许多浮游植物特别是一些鞭毛藻类能利用水体中 DON,对有机营养物质的利用是这些浮游植物种群竞争的重要生态策略[2, 3, 4]。赤潮异弯藻(Heterosigma akashiwo)属于针胞藻类(Raphidophyceae),是近岸海域广布种,其赤潮曾在日本、美国、加拿大等海域发生,造成水产养殖业的巨大损失[5, 6, 7]。该藻也是我国沿海的常见赤潮生物,曾在大连湾、渤海湾、胶州湾等海域多次形成有害赤潮[8, 9]。虽然已有一些研究报道了赤潮异弯藻能利用尿素等 DON[10],但自然海水中可供藻类吸收利用的 DON 种类繁多,这些研究未能完全反映赤潮异弯藻对有机营养盐的利用能力。为了探讨赤潮异弯藻在有机污染日趋严重的近海海域的竞争优势,本文模拟我国近岸海域的营养盐浓度条件,研究了不同 N 源(DIN 和 7 种 DON)对赤潮异弯藻生长的影响,以揭示赤潮异弯藻种群增殖和赤潮发生的环境背景,为我国沿海赤潮异弯藻赤潮发生机制研究以及预防预测提供科学依据。1 材料与方法 1.1 藻种来源及培养赤潮异弯藻采自南海大亚湾海域,在实验室进行分离、纯化,并建立单种培养株系。实验前,反复在对数生长期转接 3~4 次,使细胞达到同步培养。培养基采用经调整的去硅 f/2 培养基[11],如果没有特别交待,培养基中的 N 和 P 浓度设置在自然海水水平,分别为 500 μg/L N 和 74 μg/L P,其余元素与 f/2 培养基中相同。培养基所用人工海水由 Red coral Sea 牌无氮无磷海盐配制,pH 为 7.9 ±0.1,盐度为 31~33,经测定配制的人工海水中 N、P 水平为未检出。人工海水、培养基母液通过 121℃高压蒸汽灭菌 20 min 后,在无菌操作台中配制。所用容器等均经过高压灭菌后使用。藻细胞在温度为 20±1℃、光照为 100 μE、光暗比为12 h:12 h 的恒温光照培养箱中进行培养。1.2 藻细胞数量测定取对数生长期藻细胞培养液,稀释成不同藻细胞数量,用叶绿素荧光仪(美国 Turner Designs 公司Trilogy 实验室荧光仪)测定荧光值,并计数藻细胞数量,得到叶绿素荧光与藻细胞数量的相关关系:y = 0.0047x- 6.278,R2=0.9912,其中 y 为叶绿素荧光值,x 为藻细胞数量。在实验过程中,测定叶绿素荧光值,并以此公式换算成细胞数量。1.3 实验设计实验共设置了 4 个对照组和 7 个有机 N 实验组,各实验组的 N 源见表 1。除了 N0P、NP0 和 N0P0三个营养盐缺乏对照组外,其他实验组的 N、P 浓度均为 500 μg/L N 和 74 μg/L P。实验中的 7 种有机 N均购自美国 AMRESCO 试剂公司,纯度＞99%。其他所有药品均为国产分析纯试剂。1.4 计算与分析 1.4.1 相对环境容量的计算环境容量是在一定条件下所能达到的最高种群数量(最大细胞数量),表示藻细胞在不同环境条件下的生长潜力。本文将各 DON 实验组以及 N、P 缺乏条件下所能达到的最大细胞数量与 DIN、DIP 实验组的最大细胞数量百分比,定义为相对环境容量(%),以比较 DON 及营养盐缺乏对赤潮异弯藻生长的影响。当最大藻细胞数量小于初始接种数量时,表示藻细胞不能进行生长增殖,相对环境容量为 0。1.4.2 特定生长率的计算特定生长率用以下公式进行计算:μ(d-1) = (ln(Nt/N0))/(t2-t1)。其中:Nt 和 N0 分别为 t2和 t1 时的细胞数量。根据公式求出每天藻细胞的特定生长率,其中的最大值为最大生长率(μmax),表示在一定 N 营养源下,藻细胞分裂的最大能力。2 结果与讨论赤潮异弯藻在营养盐缺乏条件下,基本上不生长,N0P、NP0 和 N0P0 组的细胞数量均低于初始细胞数量(图 1),说明赤潮异弯藻不能耐受营养盐缺乏条件。除丝氨酸和尿酸外,其余 5 种 DON 均能被赤潮异弯藻很好地利用。从最大细胞数量来看(图 2a),赤潮异弯藻在不同 N 源下的生长优劣程度为苏氨酸>尿素>丙氨酸>谷氨酸>NO3(NP)>甘氨酸,其中苏氨酸实验组的生长远远高于无机营养的 NP 组,最大细胞数量为 NP组的 253%,尿素、丙氨酸和谷氨酸组的相对环境[LL]容量为 125%~153%,对甘氨酸的利用水平与无机营养盐组相当,但是丝氨酸和尿酸两个实验组藻细胞数量均低于初始细胞数量。最大比生长速率 μmax能表示藻细胞瞬间最大生长潜力,赤潮异弯藻在不同有机 N 源下的 μmax 在0.01~0.60 /d 之间,甘氨酸、丙氨酸、苏氨酸、谷氨酸四个氨基酸组的 μmax均明显高于无机营养盐的 NP组(p<0.05)(图 2b),而尿素组与 NP 组相当,其余两个有机 N 组以及营养盐缺乏对照组的最大比生长速率均很低,说明在培养过程中几乎没有生长。在自然水体中,N 主要以 DIN、DON 以及颗粒性有机 N(DPN)的形式存在,大部分浮游植物可以直接或间接地利用 DON,尿素和氨基酸均可作为浮游藻类的 N 源[12]。本研究中,赤潮异弯藻对各种有机 N 源均具有很好的利用能力,在本研究中的 7 种 DON 中仅不能利用丝氨酸和尿酸两种 N 源,在苏氨酸、尿素、谷氨酸、丙氨酸培养基中的生长状况均优于无机营养盐,相关研究也显示多种 DON 比 DIN 更能有效促进褐潮生物 Aureococcus anophagefferens 的生长和赤潮发生[13]。但是不同浮游植物对 N 的利用能力具有一定差异,如日本纤囊藻(Fibrocapsa japonica)能有效利用甘氨酸和苏氨酸,但对谷氨酸利用率较低[3];东海原甲藻能够有效利用氨盐、硝酸盐、亚硝酸盐和尿素,但对甘氨酸、L-丙氨酸和 L-苏氨酸却并不能有效利用[14];卵形卡盾藻不能利用尿素、尿酸等有机氮[3]。虽然赤潮异弯藻不能耐受营养盐缺乏条件,但近岸海域的富营养化为其赤潮的发生提供了物质基础。随着有机物质污染的加剧,有机营养元素也成为近岸海域 N 库的重要组成部分[1, 12]。赤潮异弯藻对 DON 具有较强的利用能力,同时也能在多种可溶性有机磷(DOP)下生长良好[15],可使之在激烈的种群竞争中占据优势,并促进其赤潮的形成。许多有毒有害鞭毛藻类具有较强的有机营养物质利用能力[1, 2, 12, 16],近岸海域丰富的有机营养物质可能是近年来全球范围有毒有害赤潮频繁发生的重要原因[10, 12, 17]。3 结 论(1)赤潮异弯藻对多种 DON 具有较强的利用能力,在苏氨酸、尿素、丙氨酸、谷氨酸 4 种 DON 下的生长明显优于硝态 N。(2)赤潮异弯藻不能耐受营养盐缺乏环境,在无 N、无 P 或者两种均缺乏的条件下无法维持有效生长。(3)赤潮异弯藻对有机营养盐较强的利用能力,可使之在激烈的种群竞争中占据优势,而近岸海域的富营养化及有机污染为其赤潮的发生提供了物质基础。