不同光照条件下米氏凯伦藻和东海原甲藻生长的温度生态幅

文世勇, 刘希真, 王紫竹, 余 骏,张丰收,刘永健,宋琍琍

1 国家海洋环境监测中心,大连 116023 2 浙江省海洋监测预报中心,杭州 310012

谢尔福德耐受性定律(Shelford′s law of tolerance)表明生物对其生存环境的适应有一个生态学最小量和最大量的界限,生物只有处于这两个限度范围之间生物才能生存,这个最小到最大的限度称为生物的耐受性范围[1- 2]。表征藻类生态幅的重要特征参数主要有藻类生长的最适温度、适温范围(适宜藻类生长的温度上限及下限)、耐受温度范围(藻类生存的温度上限及下限)。不同环境条件下藻类生长的生态幅也有所改变。海水温度高低及其变化情况,是浮游植物生长的关键因素之一。不同的浮游植物对温度的反应存在有明显差别。

根据国家海洋局发布的历年的《中国海洋灾害公报》统计数据表明米氏凯伦藻(Kareniamikimotoi)和东海原甲藻(Prorocentrumdonghaiense)是我国东南沿海地区赤潮的主要优势种。海水温度对海洋浮游植物生物生长状况影响机制的研究关注已久,如Talling针对水温的季节性变化对某些藻类生长率的影响做了分析概括[3]；Yentsch 和Lee根据不同藻种的温度响应机制,对藻种最大生长率作了归纳整理[4]；Goldman 和Carpenter分析了温度对种群生长的动态影响机制[5],Eppley依据多个藻种的实验培养数据,建立了浮游植物群落最大比生长率的温度响应模型[6]；Moisan等根据Eppley 经验模型进一步给出了单一藻种最大比生长率的温度响应模式[7]；陈艳拢等根据Moisan经验模型和Shelford耐受性定律建立了赤潮藻类的温度生态幅(最适温度、适温范围及耐受范围)定量表达模型[8]。目前,获取海洋藻类的最适温度、适温范围及温度耐受范围的途径一般根据实验设计的温度梯度对藻类生长特性影响的实验培养结果得到相应的最适温度、适温范围及温度耐受范围[9- 15]；或者是根据赤潮生肖过程中现场监测得到的生物量大小与温度的对应关系来确定[16- 21],但是由于实验结果和现场监测结果的离散性,造成难以准确地定量表达出赤潮藻类的温度生态幅参数。

本文通过一次性培养实验研究了不同光照条件下不同温度对米氏凯伦藻和东海原甲藻生长的影响,分别建立了米氏凯伦藻和东海原甲藻在不同光照条件下生长的温度生态幅模型,并分别获取了米氏凯伦藻和东海原甲藻生长的最适温度、适温范围及耐受温度范围,为研究藻类生长生理生态提供支持,以期为阐明米氏凯伦藻和东海原甲藻这两种藻形成赤潮的机理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验藻种选取近几年来东海近岸海域多发藻种——米氏凯伦藻(Kareniamikimotoi)和东海原甲藻(Prorocentrumdonghaiense)为实验藻种,藻种由暨南大学赤潮与水环境研究中心藻种库提供。采用5000 mL锥形烧瓶置于光照培养箱内静置培养。光照度(日光灯)约58.5 μmol m-2s-1,光暗比为12L∶12D。藻种培养用人工海水配置的 f/2 培养液,其中氮浓度为75 μmol/L,磷浓度为1 μmol/L,实验用人工海水按照Harrison配方配制(盐度为30.5‰ PSU)。

1.2 实验方法

实验包括4个温度水平(18,22,25,28℃)和3个光照水平(28.32,75.06,111.66 μmol m-2s-1)。在无菌条件下,分别将处于指数生长期的米氏凯伦藻和东海原甲藻藻液接种于3000 mL新鲜的f/2 培养液中(为保持藻种生长环境的前后一致,实验结束后所剩藻液至少不少于初始藻液的2/3),使藻数量约为50×104个/L,同一藻种相同温度各水平保持相同起始密度。每隔24 h取样用鲁哥氏液固定后,血球计数板计数,然后换算为藻细胞密度,培养时间约25 d。

1.3 数据处理分析方法

在显微镜下用计数框隔天计数,每瓶计数3次,后根据平行样的均值再取平均值作为当天的藻类细胞密度,记录一个生长周期左右,以培养时间为横坐标,每1 mL液体中的细胞数为纵坐标,绘制细胞密度-培养时间t的藻类生长曲线。

根据公式(1)和公式(2)分别计算出藻类在不同条件下的最大比生长速率,以环境要素为横坐标,藻类最大比生长速率为纵坐标,绘制藻类最大比生长率-环境要素的关系曲线。

(1)

式中,μ′表示藻类比生长速率(d-1),N为藻类细胞密度(个/L),t表示藻类的生长时间(d)。

(2)

式中,μmax表示藻类最大比生长速率(d-1),μ′同式(1)。

采用单因素方差分析法(One-Way ANOVA analysis)对不同培养条件下的细胞数、比生长速率和最大比生长速率差异显著性进行分析。

2 结果

2.1 不同光照条件下不同温度水平对米氏凯伦藻和东海原甲藻生长特性的影响

根据实验培养结果,分别得到在28.32,75.06,111.66 μmol m-2s-1不同光照条件下,不同温度水平(18,22,25,28℃)对米氏凯伦藻细胞密度的影响和东海原甲藻细胞密度的影响(图1),并根据公式(1)和公式(2)得到28.32,75.06,111.66 μmol m-2s-1不同光照条件下,不同温度水平(18,22,25,28℃)对米氏凯伦藻比生长率的影响和东海原甲藻比生长率的影响(图2)。

从图1和图2上均可看出,米氏凯伦藻和东海原甲藻生长经历了延滞期、指数增长期、稳定期和衰亡期4个阶段,表现为“S”型生长曲线。当培养光照强度为28.32 μmol m-2s-1时,米氏凯伦藻在18、22、25℃和28℃条件下的藻细胞数分别为1238.93×104,2160.31×104,1891.56×104个/L和1023.78×104个/L,其比生长率分别为1.13,1.87,1.64和0.91 d-1,东海原甲藻在18、22、25℃和28℃条件下的藻细胞数分别为1209.59×104,1659.54×104,1373.02×104个/L和857.56×104个/L,其比生长率分别为1.18,1.73,1.38 d-1和0.72 d-1；当培养光照强度为75.06 μmol m-2s-1时,米氏凯伦藻在18、22、25℃和28℃条件下的藻细胞数分别为1854.29×104,3198.51×104,2774.93×104个/L和1484.92×104个/L,其比生长率分别为1.71,2.81,2.45和1.33 d-1,东海原甲藻在18、22、25和28 ℃条件下的藻细胞数分别为1786.33×104,2425.22×104,1984.47×104个/L和1225.43×104个/L,其比生长率分别为1.77,2.55,2.01 d-1和1.05 d-1；当培养光照强度为111.66 μmol m-2s-1时,米氏凯伦藻在18、22、25℃和28℃条件下的藻细胞数分别为1763.3×104, 3015.89×104,2597.69×104个/L和1377.76×104个/L,其比生长率分别为1.59,2.58,2.25 d-1和1.22 d-1,东海原甲藻在18、22、25℃和28℃条件下的藻细胞数分别为1680.98×104,2263.49×104,1836.18×104个/L和1123.81×104个/L,其比生长率分别为1.62,2.34,1.82d-1和0.92d-1。

此外,从图1和图2上还可看出,无论是米氏凯伦藻还是东海原甲藻,在相同培养光照条件下,在设定的温度水平范围内,分别存在一个适宜米氏凯伦藻和东海原甲藻生长的最适温度Topt,且当T≤Topt时,米氏凯伦藻和东海原甲藻细胞密度和比生长率随着温度的升高而显著增大(ANOVA,P<0.05)；而当T≥Topt时,米氏凯伦藻和东海原甲藻细胞密度和比生长率随着温度的升高而显著减小(ANOVA,P<0.01)。此外,随着培养光照强度的升高,米氏凯伦藻和东海原甲藻细胞密度和比生长率均呈现“先升后降”的变化趋势。

图1 不同光照条件下不同温度对米氏凯伦藻和东海原甲藻细胞密度的影响Fig.1 Cell density of Karenia mikimotoi and Prorocentrum donghaiense in various temperature at different light intensities

图2 不同光照条件下米氏凯伦藻和东海原甲藻比生长率与温度的关系曲线Fig.2 Maximum specific growth rate of Karenia mikimotoi and Prorocentrum donghaiense as a function of temperature at different light intensities

2.2 不同光照条件下米氏凯伦藻和东海原甲藻的温度耐受性模型的建立

根据图2,并结合藻类生长遵循的谢尔福德耐受性定律,在数据分析平台(OriginLab 7.5)下通过模型拟合(图2),分别得到不同光照条件米氏凯伦藻和东海原甲藻比生长速率与温度之间的关系响应模型(3)、及其对应的模型参数(表1)及模型的相关性分析(图3)。

(3)

式中,μmax为藻类最大比生长速率(d-1)；T为温度(℃)；Topt为适宜藻类生长的最适温度(℃)；σ为藻类对温度的耐受度；a为参数。

2.3 不同光照条件下米氏凯伦藻和东海原甲藻的温度生态幅定量表达

藻类生长的最适温度是在其他环境条件不变情况下,藻类生长处于最佳生长状态的温度。藻类生长的适温范围是指藻类生长处于较好生长状态的温度范围。藻类生长的耐受温度范围是指当过低或过高都会使藻类生长受到抑制,乃至死亡的温度范围。根据前期建立的生态幅定量表达式的研究成果[22],分别获取了米氏凯伦藻和东海原甲藻在不同培养光照条件下的最适温度、适温范围(适宜藻类生长的温度上限及下限)、耐受温度范围(藻类生存的温度上限及下限)(表2)。

表1 不同培养条件下米氏凯伦藻和东海原甲藻比生长率与温度的耐受性拟合模型(3)的相应参数

图3 藻类比生长率模型值与实验值的相关性分析Fig.3 Correlation analysis of the model value and the experimental value

Table2ThetemperatureecologicalamplitudeofKareniamikimotoiandProrocentrumdonghaienseatdifferentphotosyntheticallyactiveradiationconditions

实验藻种Experimental algae最适温度The optimum temperature for algal growth/℃温度适宜生长范围Suitable temperature ranges for algal growth/℃温度生态幅(耐受限度)Tolerance temperature ranges for algal growth/℃实验条件Experimental conditions米氏凯伦藻22.4817.93—27.0313.38—31.58光照强度为28.32 μmol m-2 s-1Karenia mikimotoi22.3717.82—26.9213.27—31.47光照强度为75.06 μmol m-2 s-122.3317.78—26.8813.23—31.43光照强度为111.66 μmol m-2 s-1东海原甲藻22.1017.59—26.6113.08—31.12光照强度为28.32 μmol m-2 s-1Prorocentrum21.9917.48—26.512.97—31.01光照强度为75.06 μmol m-2 s-1donghaiense21.9317.42—26.4412.91—30.95光照强度为111.66 μmol m-2 s-1

3 讨论

海水温度是控制浮游藻类生长的一个重要理化因子。本文研究结果表明在本实验设置的温度梯度范围内,均存在一个最适实验藻种生长的温度(Topt)。当T≤Topt时,实验藻种的细胞数和比生长速率均随着温度T的增大而增大；当T≥Topt时,实验藻种的细胞数和生长速率均随着温度T的增大而减小,说明过低和过高的温度都不利于实验藻种的生长,只有在合适的温度条件下才有利于实验藻种生长,这个结果与Shelford耐受性定律相一致[1- 2],与其他研究者关于温度对藻类生长特性的影响机制得到的结论也是相一致的[6- 8,23]。此外,随着培养光照强度的升高,实验藻种的细胞密度和比生长率均呈现“先升后降”的变化趋势,表明过低和过高的光照强度都不利于实验藻种的生长,只有在合适的光照强度条件下才有利于实验藻种生长,这个结果与Shelford耐受性定律相一致[1- 2],与其他研究者关于光照强度对藻类生长特性的影响机制得到的结论也是相一致的[24- 28]。

从表2可知米氏凯伦藻和东海原甲藻在不同光照强度条件下的最适温度均不同,且随着培养光照强度的升高而降低的变化趋势(表2),表明实验藻种在不同光照条件下的最适温度并不是一个固定值,这与“当某种生物对某一特定生态因子不是处在最佳状态时,对其他生态因子的耐受限度可能随之下降”[29- 30]是一致的。不同光照条件下最适生长温度的变化导致了相应的藻类温度适宜生长范围和温度生态幅(耐受限度)也随着变化(表2)。Gentien的研究结果表明米氏凯伦藻生长范围为4—31℃[9]；沈盎绿在室内实验结果表明米氏凯伦藻的最适生长温度24℃[10]；龙华和杜琦根据福建连江海域的氏凯伦藻赤潮的现场监测数据得出米氏凯伦藻适宜的温度范围为20—24℃,最高的细胞密度出现在23℃[16]；姚炜民等根据浙江海域米氏凯伦藻赤潮的连续监测分析得出米氏凯伦藻生长所需最佳水温为23.4—23.8℃[17],这些结果与本文得到的米氏凯伦藻结果(表2)存在一定的差异。陈炳章等在室内实验结果表明东海原甲藻的最适生长温度为22℃[11]；由希华在室内实验结果表明温度对东海原甲藻的生长有极显著性影响,在本实验温度范围内东海原甲藻的适温范围为17—26℃,最适温度为23—26℃[12]；赵水东的室内实验结果表明东海原甲藻的最适生长温度范围为20—27℃,最适温度为24℃,温度对东海原甲藻生长有极显著的影响[13]；邓光等在室内实验结果表明东海原甲藻的藻适宜的温度范围是15—30℃,最适温度22—28℃,低于9℃和高于33℃,不能进行光合作用[14]；Xu等的室内实验结果表明东海原甲藻可以在10—27℃温度范围内正常生长[15]；沈盎绿在室内实验结果表明东海原甲藻的最适生长温度20℃[10]；王金辉和黄秀清对2000年5月、2001年5月、2002年5月在东海长江口和舟山海域发生的东海原甲藻赤潮应急监测资料和野外生态调查资料分析结果表明东海原甲藻的适温范围15—25℃,最适温度、为18—22℃[18]；龙华根据福建海域的监测数据表明东海原甲藻适宜水温范围为18—28℃,最适水温为22—28℃[19]；陈翰林等根据东海赤潮高发区东海原甲藻赤潮的跟踪调查数据认为东海原甲藻的最适生长温度在19℃左右[20]；李荣茂根据福建北部海域的东海原甲藻赤潮应急跟踪监测资料及赤潮发生海域的生态浮标连续监测数据分析结果表明福建沿岸的东海原甲藻的适温范围在18.2—21.8℃[21],这些结果与本文得到的东海原甲藻结果(表2)存在一定的差异。产生这些差异性的原因主要是：(1)温度对浮游植物生长的影响存在一定的种间特异性[31]；(2)其他实验条件存在差异,导致了实验结果的差异性。因此,不同学者在不同实验条件下得到的研究结果也不相同。通过对藻类温度生态幅的研究有助于了解温度对藻类生长的影响机制。