温度和光强对4种常见水华藻叶绿素荧光特性的影响

许 珍，殷大聪，陈 进，许继军

(长江科学院 a.水资源综合利用研究所； b.流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室，武汉 430010)

温度和光强对4种常见水华藻叶绿素荧光特性的影响

许 珍a,b，殷大聪a,b，陈 进b，许继军a,b

(长江科学院 a.水资源综合利用研究所； b.流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室，武汉 430010)

为探寻藻类水华暴发的机理，实现水华的预测预警和防治，深入研究藻类的生理生态学特性十分重要。以4种常见水华藻类(汉斯冠盘藻、小环藻、斜生栅藻和铜绿微囊藻)为研究对象，应用叶绿素荧光技术研究了不同温度梯度和光照强度对4种常见水华藻类叶绿素荧光特性的影响。研究结果显示：汉斯冠盘藻对低温有良好的适应性，高温易造成热胁迫，其适宜的生长温度为3～22 ℃；在3～22 ℃条件下，随着光强的增强，其电子传递速率显著增加，表明其具有强的光保护能力和光能利用效率；铜绿微囊藻对高温有着较好的适应性，适宜温度为15～30 ℃，10 ℃以下会受到低温胁迫，光能利用效率随温度上升而升高；小环藻表现出对高温的适应性，3～10 ℃低温导致生长迟滞；相比而言，斜生栅藻对温度的适应范围更广，在22～30 ℃条件下，斜生栅藻具有更高的光能利用效率和光量子产量。研究结果显示了不同藻类生理生态学特性的差异，为水华的预测预警和治理提供参考。

水华；藻类；冠盘藻；富营养化；叶绿素荧光特性

1 研究背景

随着经济的快速发展，污染物排放日益加剧，导致水体中的营养盐物质的增加，从而产生水体的富营养化问题。水体富营养化最直接的后果是水华的暴发。水体中的营养盐过量积累，促使水体中的初级生产者——浮游藻类快速增殖，从而导致个别藻类在数量上占据绝对优势进而形成水华现象[1-3]。目前水华问题成为制约经济社会发展一项重要因素。

我国的太湖、巢湖和滇池3大湖泊，常年受水华困扰[4-7]。这3大湖几乎每年都会发生大规模的蓝藻水华事件(主要优势种包括微囊藻、束丝藻等)，严重影响了周边的经济发展和人民生活。此外，由于河流筑坝及跨流域调水，一定程度上对水文情势产生影响，进而对浮游生物的时空演替产生一定的影响，特别是在一些库尾或入库支流的缓流区，水华事件时有发生。如三峡库区的蓝藻水华、库区支流香溪河硅藻水华(优势种为冠盘藻和针杆藻)、绿藻水华(优势种包括空球藻、小球藻、栅藻等)和硅甲藻水华，以及丹江口库区的甲藻水华和汉江中下游地区春季硅藻水华等水华问题日益凸显，且暴发的频率和程度有加剧的趋势[8-16]。水华爆发期间，藻类的疯狂增殖严重威胁到水生态系统的稳定性，甚至威胁饮用水的安全，给当地的生态环境和居民的生产生活带来了严重影响。

水华的暴发是外界环境条件和藻类自身的生理生态学特性相互耦合相互作用的结果，特定的藻类在适宜的外界环境条件下快速增殖，从而产生水华问题，适宜的环境条件和藻类自身生理生态学特性是水华暴发的充要条件[10-11]。因此，深入研究藻类自身的生理生态学特性对于认识藻类水华暴发机理，以及构建水华预测预警和防治系统显得尤为重要。

自1931年Kautsky第1次肉眼发现了叶绿素荧光现象后，叶绿素荧光技术得到了深入的发展和广泛的研究[17]。叶绿素荧光技术作为光合作用研究的活体探针，可以快速、灵敏、无损伤地探测出逆境环境条件下植物体的生理生态学响应，可以有效筛选出植物的适应生长条件[18]。因此，叶绿素荧光在研究植物光合作用特性、外界环境条件的胁迫生理反映、海洋科学、水环境遥感监测等领域都得到了广泛的应用[19-23]，是研究植物生理生态学的重要技术手段。

近年来，长江流域河湖库多次暴发蓝藻、硅藻及绿藻水华，如三峡库区的蓝藻水华、硅藻水华，太湖、巢湖、滇池常年暴发蓝藻水华，汉江中下游经常暴发春季硅藻水华(主要是冠盘藻水华)，因此本研究以常见的4种淡水水华藻类：汉斯冠盘藻(Stephanodiscushantzschii)、铜绿微囊藻(Microcystisaeruginosa)、小环藻(Cyclotellasp.)和斜生栅藻(Scenedesmusobliquus)为研究对象，运用叶绿素荧光技术研究4种藻在不同的温度和光照条件下的叶绿素荧光参数变化，分析其生物学特性，研究结果以期为水华的预测预警和防治提供参考。

2 材料与方法

2.1 藻培养条件

试验所需的汉斯冠盘藻(Stephanodiscushantzschii)、铜绿微囊藻(Microcystisaeruginosa)、小环藻(Cyclotellasp.)和斜生栅藻(Scenedesmusobliquus)4种藻购自中国科学院水生生物研究所淡水藻种库。将汉斯冠盘藻和小环藻转接至CSI培养基，铜绿微囊藻和斜生栅藻转接至BG11培养基进行扩大培养，汉斯冠盘藻置于温度为(10±1) ℃，光照强度为5 000 lux环境下培养，把其他3种藻置于温度为(22±1) ℃，光照强度为5 000 lux环境下培养，每7 d用转接1次，连续转接3次，使得每种藻处于对数生长期。扩大培养后，取一部分藻液用相应的培养基调节4种藻的初始光密度(OD值)至0.1以上，然后把每一种处于对数生长期的藻样分别转接至50 mL的锥形瓶中，每瓶装有藻液约25 mL，每种藻样分为5组，置于(3±1)，(10±1)，(15±1)，(22±1)，(30±1) ℃的光照培养箱中培养3 d，每个温度下设置3个平行试验，培养光强为5 000 lux，光暗周期为12 h∶12 h，每天手动摇匀三角瓶3～4次，并随机调整三角瓶放的位置。

2.2 不同温度下藻生长曲线

将生长期的4种藻分别转接到250 mL的三角瓶中，置于(3±1)，(10±1)，(15±1)，(22±1)，(30±1) ℃的光照培养箱中，在光强为5 000 lux条件下培养，每天手动摇匀三角瓶3～4次，并随机调整三角瓶放置位置，每2～3 d用分光光度计在680 nm条件下测定藻液吸光度，绘制藻类生长曲线，并计算藻类的比生长速率，藻类的比生长速率计算公式为

(1)

式中：μ为比生长速率(1/d) ，表示生物量增加1倍需要的天数；DOt为第t天藻类的密度；DOt+1为第t+1天藻类的密度。

2.3 叶绿素荧光参数测定

2.4 光响应曲线拟合

光响应曲线的测定采用13个光强梯度(64，164，264，364，464，564，764，964，1 164，1 364，1 564，1 864，2 064 (μmol/m2)/s的光化光，测定每个光强下的相对电子传递速率rETR(relative Electron Transfer Rate)，每个光强下的处理时长为20 s。光响应曲线的拟合采用Eilers-Peeters模型[10]，公式为：

P=PAR/(a×PAR2+b×PAR+c) ;

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：P为光合速率；PAR为光强；a，b，c为计算参数，根据拟合结果求得光响应曲线的初始斜率α，也称光能利用效率，反映植物体的光能利用效率；Ik为半饱和光强，反映植物体对强光的耐受能力；rETRmax为最大相对电子传递速率，反映植物体的光合活性高低。

图1 4种藻在不同温度下的生长曲线Fig.1 Growth curves of four algae underdifferent temperatures

3 结果与讨论

3.1 4种藻在不同温度环境条件下生长状况

温度是影响藻类生长的重要环境因子。不同温度下藻类的生长速率有很大差异，同一温度的不同藻类，其生长繁殖速率也有显著的差异。4种藻在光照强度为5 000 lux，不同温度环境条件下的生长状况见图1。

由图1可知：汉斯冠盘藻在3～15 ℃条件下生长状况明显优于22 ℃和30 ℃，3 ℃条件下在第9天藻密度达到了最高值0.455，是初始藻密度的4.8倍，最大比生长速率达到了0.422 d-1(表1)；10 ℃和15 ℃条件下，汉斯冠盘藻生长状况基本一致，最大比生长速率分别为0.326 d-1和0.320 d-1；22 ℃条件下，在前7 d，藻类呈现一定的生长增殖速率，7 d后藻类密度明显下降，最大比生长速率为0.303；30 ℃环境条件下，汉斯冠盘藻密度呈现负增长，在第5天显微镜检发现藻类的细胞色素体大多溶解，显示藻类对高温环境的不适应而对低温条件有着较好的适应性。殷大聪等通过对取自汉江的原水进行室内培养发现，汉江水华硅藻对低温有较好的适应性，与本研究所得结果相一致，特别是在3 ℃条件下培养期间，出现过短时间培养箱控温错误，培养液结冰，但藻类依然生长状况良好，显示了汉斯冠盘藻对低温有着非常好的适应性[10-11, 24]，Toporowska等[25]研究发现，在冬季有冰盖的湖泊中，Stephanodiscusminutulus的密度可以高达3.9×107个/L，Jung 等[26-27](2009)的研究结果也显示了汉斯冠盘藻对低温有着非常强的适应性，这也揭示了汉江春季硅藻水华发生的时期为冬春季的原因。

表1 4种藻不同温度下比生长速率表

小环藻在3 ℃和10 ℃的低温条件下增长缓慢，在第11天达到最大，最大比生长速率仅为0.051d-1和0.045d-1；15 ℃和22 ℃条件下生长状况较好，其次是30 ℃条件下，尤其是15 ℃最佳，最大比生长速率达到0.161d-1，30 ℃环境下生长速率较低温3 ℃和10 ℃快，但低于15 ℃和22 ℃条件下生长，显示了小环藻适宜的温度范围为15～22 ℃，与王敏等[15](2011)研究结果相一致。

铜绿微囊藻在3 ℃和10 ℃的低温条件下生长几乎停滞，特别是3 ℃条件下，其比生长速率为负值，且第14天显微镜检的时候，已经很难见到活体铜绿微囊藻了，表明低温对其有明显的抑制作用；在15，22，30 ℃条件下，其生长状况较好，特别是30 ℃生长最好，增殖速度最快，比生长速率高达0.591 d-1。说明了为何铜绿微囊藻水华总是在夏季高温晴朗天气暴发。斜生栅藻表现出对高温有着较好的适应性，随着温度的升高，其增殖速率加快，低温环境条件并未对其生长产生抑制，只是降低了其生长增殖的速率。

3.2 温度对4种藻光合活性的影响

叶绿素荧光是反映植物体光合系统II活性状态的重要指示性指标，叶绿素荧光技术可以通过在线活体检测光合作用过程的各项指标，来判断植物体的生物学特性，可以用来筛选植物体适宜的外界环境因子，是一种高效无损伤的检测分析技术。

每种植物都有其适宜的温度生长范围，在适宜的温度范围内，其生长状况良好，而不适宜的温度就会对其生长产生抑制，表现在叶绿素荧光上就会对其荧光指标参数产生一定的影响。

汉斯冠盘藻在3～22 ℃的光能利用效率(α值)处于较高水平，且在15 ℃时达到最大，在22 ℃之后α值显著下降。汉斯冠盘藻在不同温度下的Fv/Fm，Yield，rETRmax也表现出同样的趋势。说明汉斯冠盘藻对低温具有良好的适应性，适宜的生长温度为3～22 ℃，高于22 ℃的温度条件下易受到热胁迫，光合系统II(PSII：photosynthetic system II)反应中心部分关闭，光能利用效率下降，30 ℃的电子传递速率基本为0(图2)。

图2 不同温度下4种水华藻叶绿素荧光参数变化Fig.2 Variation of Chlorophyll fluorescence parametersof four algae under different temperatures

小环藻和斜生栅藻的α，Fv/Fm，Yield， rETRmax变化趋势一致，在3～15 ℃均明显上升，15～30 ℃缓慢上升，说明3～15 ℃的低温环境是抑制小环藻和斜生栅藻光合活性的重要因子，同时也说明了小环藻和斜生栅藻对高温的适应性。小环藻在3 ℃时的rETRmax与Yield值均为0，而斜生栅藻在3 ℃时的 rETRmax与Yield值分别为21.533和0.065，说明了斜生栅藻对温度的适应范围更广。

铜绿微囊藻在3 ℃时的α，rETRmax，Fv/Fm，Yield均为0，10 ℃下的值较低且结果一致性较差，在3～22 ℃范围内α和Fv/Fm以及Yield呈上升趋势，22～30 ℃上升趋势更为明显，说明了铜绿微囊藻对高温的适应性，最适宜的温度范围为22～30 ℃，3～10 ℃下会受到低温胁迫。

小环藻、斜生栅藻和铜绿微囊藻在15～30 ℃时的Ik值较大，说明15～30 ℃情况下，藻细胞对自身生理的调节能力较强，为适宜的生长温区。汉斯冠盘藻在3～15 ℃时的Ik值较大，表明3～15 ℃更适宜于汉斯冠盘藻生长，与之前的结论一致[10- 11]。横向比较4种藻的荧光特性可以发现，低温3～15 ℃条件下，汉斯冠盘藻的α和Ik均大于其他3种水华藻类，说明低温条件下汉斯冠盘藻具有更高的光能利用效率和光保护能力。高温22～30 ℃条件下，其他3种水华藻类的光能利用效率和光保护能力明显大于汉斯冠盘藻，其中斜生栅藻的光能利用效率和光量子产量最大。

3.3 光照强度对4种藻光合活性的影响

铜绿微囊藻、小环藻和斜生栅藻的光饱和点随着温度的下降而降低，在15～30 ℃下，光合活性与光强呈正相关，铜绿微囊藻和小环藻在3 ℃条件下由于受到低温抑制，光合系统的电子传递速率几乎为0，斜生栅藻在3 ℃下的光合活性随光强增强有略微上升趋势，表现出一定的低温度抑制现象，说明3种藻在高温下有较强的光能利用效率和光保护能力，其中斜生栅藻对温度的适应性更广。汉斯冠盘藻在30 ℃下由于受到热胁迫，光合活性为0，在3～22 ℃条件下，15 ℃条件下各个光照条件下的光合活性最高(图3)，且在试验设置的光强范围内未产生光抑制现象，表明汉斯冠盘藻低温下有较强的光能利用效率和光保护能力。

图3 4种水华藻不同温度PSII系统电子传递速率随光强的变化Fig.3 Variation of electron transfer rate withillumination of four bloom algal PSII systems

4 结 论

一直以来，“水华”问题一直困扰着水生态系统的健康与安全，影响社会经济的发展。由于水华问题发生突然，一旦暴发影响面积广泛，给水华的预测预警及防治带来了巨大的困难。本研究运用叶绿素荧光技术，对常见淡水水华藻类的生理生态学特性进行了分析研究，研究结果较好地揭示了水华暴发与环境因子之间的相关性，因此运用叶绿素荧光设备对易发生水华的水体进行在线监测，构建预测预警系统成为可能；同时可以采取不利于水华藻类增殖的技术措施进行水华的防治，因此本研究技术有着广泛的应用价值。

本研究的主要结论如下：

(1) 汉斯冠盘藻对低温具有良好的适应性，高温对其造成热胁迫，其适宜的生长温度为3～22 ℃，特别是低温3～15 ℃条件下生长较好，汉斯冠盘藻较其它藻具有更强的光保护能力和光能利用效率，且半饱和光强显著高于其它藻，表现出对高光强有着非常好的适应性，这与汉斯冠盘藻为优势种的硅藻水华经常暴发在早春季节的情况相吻合。

(2) 铜绿微囊藻表现出对高温较好的适应性，适宜温度为15～30 ℃，10 ℃以下易受到低温胁迫，其光能利用效率和光保护能力随温度上升而升高，解释了蓝藻水华经常发生在夏季的原因。

(3) 斜生栅藻对高温具有良好的适应性，但在3 ℃下仍具有一定的光合活性，说明斜生栅藻对温度的适应范围更广。相比而言，在高温22～30 ℃条件下，斜生栅藻具有更高的的光能利用效率和光量子产量，因此在温度较高且营养盐丰富的静水条件下，斜生栅藻具有更强的竞争力。

(4) 小环藻的叶绿素荧光参数的变化结果表明，小环藻对高温条件具有良好的适应性，过低温度会产生低温胁迫。

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(编辑：姜小兰)

Effects of Temperature and Illumination on Chlorophyll FluorescenceCharacteristics of Four Common Bloom Algae

XU Zhen1,2, YIN Da-cong1,2, CHEN Jin1,2, XU Ji-jun1,2

(1.Water Resources Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010,China； 2.Hubei Provincial Key Laboratory of Basin Water Resources and Eco-environmental Sciences, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010,China)

Characteristics of algal physiological ecology is important for researchers to explore the mechanism of algal bloom outbreak and forecast and prevent algal bloom. Four common bloom algae were taken as research objects, namelyStephanodiscushantzschii,Cyclotellasp.,Scenedesmusobliquus, andMicrocystisaeruginosa. The effects of temperature and illumination on the chlorophyll fluorescence of the four bloom algae were studied by chlorophyll fluorescence technology. Results reveal thatStephanodiscushantzschiihas strong adaptability to low temperature with suitable temperature ranging from 3 ℃ to 22 ℃, while high temperature could easily lead to thermal stress. In particular, under suitable temperature, its electron transport rate obviously increases with the increase of illumination, which indicatesStephanodiscushantzschiihas strong light protection and light utilization ability.Microcystisaeruginosahas good adaptability to high temperature with suitable temperature of 15～30 ℃, while blow 10 ℃ it will suffer from temperature stress, and its utilization efficiency of light energy improves with temperature rising. In addition,Cyclotellasp. also shows adaptability to high temperature, while low temperature (3～10 ℃) may cause growth retardation. In comparison,Scenedesmusobliquusdisplays a wider adaptation to temperature, and shows higher utilization efficiency of light energy and light quantum yield under certain temperature range (22～ 30 ℃). The results show the differences of physiological ecology characteristics of the four algae, and provide reference for the prediction, early warning and management of algal bloom.

water bloom；algae；Stephanodiscus；eutrophication；chlorophyll fluorescence characteristics

2016-09-29；

2016-11-08

国家自然科学基金项目(51279011)；国家重点研发计划项目(2016YFC0502201)；湖北省自然科学基金项目(2016CFA092)；中央级公益性科研院所基金项目(CKSF2012041/SZ)

许 珍(1992-)，女，河南驻马店人，硕士研究生，主要从事水文水生态方面的研究工作，(电话)13871285437(电子信箱)891492322@qq.com。

10.11988/ckyyb.20161004

2017,34(6):39-44

X83

A

1001-5485(2017)06-0039-06