环境因子对铜绿微囊藻生长影响的研究进展

孙俊惠，杨傲傲，李修岭

（临沂大学 生命科学学院，山东临沂 276000）

蓝藻水华通常是指富营养化水体中蓝藻大量增殖或聚集而造成的一种灾害现象，其暴发时水体中叶绿素a的浓度超过10 mg/m3或藻细胞超过1×107个/L，水体表面会形成一层蓝绿色并伴有恶臭的水膜[1-2]。我国淡水湖泊、水库数量众多，一旦暴发藻华，水体质量将会受到影响，进而威胁整个生态系统健康[3]。

微囊藻是最常见的淡水水华蓝藻，其中以铜绿微囊藻（Microcystic aeruginosa）分布最广、出现频次最多[4-5]。铜绿微囊藻是一类隶属于蓝藻门蓝藻纲色球藻目色球藻科微囊藻属的光能自养型单细胞藻类[6]。该藻暴发时，通过物理性聚集降低水体透明度，影响其他水生植物的光合作用，降低水中溶解氧含量[7-8]。另外，某些藻株能产生一种有毒的次生代谢产物——微囊藻毒素（Microcystins，MCs）。MCs是一类单环七肽类肝毒素，是富营养化水体中最常见的藻毒素之一，具有毒性大、分布广和结构稳定等特点[9-10]。MCs能专一性地与细胞内的蛋白磷酸酶结合，对肝、肾、心脏等多种器官造成不可逆的损伤[11-13]。此外，MCs的水溶性高，能通过灌溉、堆肥沤田等途径进入农田，被作物吸收积累，影响作物生长发育和农产品质量安全，并最终通过食物链危害人类健康[3,14-15]。

鉴于铜绿微囊藻在淡水生态系统中的重要作用，本文从非生物因子和生物因子两方面对影响该藻生理代谢的因素进行综述，以期为蓝藻水华预警和有效规避藻华危害提供科学参考，更好地服务农业。

1 非生物因子对铜绿微囊藻生长影响

1.1 光照

光照是植物生长的必要条件，光照强度将直接影响藻类的光合作用，进而影响藻类生物量的积累。薛升长等[16]将藻类生长所需的光照强度从小到大划分成光限制区、光过渡区、光饱和区和光抑制区4个范围 ：在光限制区内，藻类光合作用会受到限制，生长速率变慢，但随着光照强度的逐渐增强，藻类生长速率又会提高，并在光饱和区内达到最大，光照强度超过光饱和区后，藻类会因高光强对光色素的降解或光合机构的损伤而受到抑制。当外界环境条件一定时，不同类型的铜绿微囊藻最适生长的光照强度略有不同。如FACHB-315最适光强为1 000 lx[17]，而刘世明等[18]发现试验藻种在100 μmol/（m2·s）（约8 000 lx）光照强度时，生长速率和光合活性都显著高于其他组。总体来说，绝大多数铜绿微囊藻适宜的光照强度范围是2 000～6 000 lx。光照强度有可能通过影响藻类光合活性、放养速率、胞内色素组成、酶活性、脂肪和碳水化合物含量等对藻细胞生长产生影响[19-20]。

1.2 温度

温度能直接影响藻类细胞内的代谢或通过控制水体中各类营养物的溶解度、分解率等理化过程而间接影响藻类的生长，是影响藻类生长的重要因子[21-22]。温度过低时，藻细胞内酶的活性较低，藻的生长和光合作用受到抑制[23]；温度过高则会直接杀死藻细胞。结合春夏季较易出现铜绿微囊藻水华的情况，也在一定程度上说明了该藻生长与温度之间的动态关系。现有研究表明，绝大多数铜绿微囊藻细胞密度在25～30 ℃时达到最高[24-25]；个别情况下，铜绿微囊藻的最适生长温度超过30 ℃，如从松花湖中分离出的藻株最适温度为33 ℃[26]，铜绿微囊藻FACHB-469的最适温度不低于35 ℃[27]。

1.3 pH值

和温度、光照条件不同的是，水体的pH值与铜绿微囊藻存在一个动态的关系，即pH值可通过改变环境酸碱度和影响碳酸盐平衡系统及不同形态无机碳分配关系来影响藻类的生长[28]。可溶性的无机碳源在天然水体中主要以等形态存在，水体中CO2的存在形式存在以下变化：

藻类能利用CO2进行光合作用，释放O2，使得水体pH值和溶解氧含量升高[29-30]。即使生长在初始pH差别较大的水体中，铜绿微囊藻也会通过一系列生理生化反应调节pH到其适宜的偏碱性范围，展现强大的适应能力[31]。已有文献表明，碱性水体中铜绿微囊藻生长最快，如pH值为8.0～9.0[32]、9.0[33]、8.5 ～ 9.5[34]。

1.4 营养元素

1.4.1 氮、磷及氮磷比

氮、磷是藻类生长所需的重要营养元素，充足的氮磷在一定程度上能促进水华形成[35-36]。氮素是叶绿素的主要成分，对植物光合速率、暗反应的主要酶以及光呼吸等都有明显的影响。研究发现，初始氮浓度为0.2 mg/L时，铜绿微囊藻无法正常生长，而相同浓度的磷却能满足，即该藻对氮的需求量高于磷[37]，这有可能与其元素构成为C106H263O100N16P有关[38]。随着总氮浓度的增大，铜绿微囊藻的生物量也显著增加[37,39]。磷是藻类生长必不可少的一项营养物质，它既属于磷脂、核酸与蛋白质的重要组成部分，也是叶绿素合成的必备物质[40]。磷被认为是铜绿微囊藻生长的首要限制因子[41]，铜绿微囊藻最适生长的磷浓度范围为1.0～1.5 mg/L[42]。一定的氮磷比能影响铜绿微囊藻的生物量，促使其达到最大值[43]。氮磷比≤8时，藻细胞密度随着N或P含量的增加而增加；氮磷比为8和16时，铜绿微囊藻生长速度最快[44]。但比值不是确定的，氮磷比为4.5时铜绿微囊藻的生长也能达到最高[45]。

1.4.2 铁

铁居于植物必需微量元素的首位[46]。叶绿素和藻胆色素的生化合成依赖于铁的营养状态，铁限制的藻细胞色素浓度低。另外，硝酸盐和亚硝酸盐还原酶中含有铁原子，铁的营养状态会影响硝酸盐的吸收[47]。铁是限制铜绿微囊藻生长的重要因子，不同类型的铜绿微囊藻最适生长的铁离子浓度稍有不同，具有藻株特异性[48]。如FACHB-905的最适铁离子浓度为500～1 000 μg/L[49]，FACHB-912的最适铁离子浓度为 12.3 ～ 24.6 μmol/L[50]。

1.4.3 锌

锌是铜绿微囊藻生长必需的微量元素，对蛋白核结构的完整非常重要，但过量的锌会造成细胞膜通透性增加，使电解质漏失，引起细胞形态变异甚至死亡[51]。锌的浓度小于4 μmol/L时，能够促进铜绿微囊藻的生长；浓度大于6 μmol/L时，对藻有抑制作用，浓度越高，抑制效果越明显[49]；当锌的浓度达到800 μg/L时，铜绿微囊藻的生长发生停滞甚至死亡[51]。

1.4.4 铜

作为必需微量元素，低浓度的铜对铜绿微囊藻的生长起到促进作用，高浓度的铜由于对藻类细胞壁含硫基团具有很强的亲合力，会干扰藻类正常新陈代谢过程，对藻类的生长产生抑制作用[52]。研究发现，铜浓度为0.32～1.16 μmol/L时，可以较好地维持铜绿微囊藻的生长[53]。

1.4.5 钼

钼能通过影响硝酸还原酶的活性来促进植物的氮代谢，植物中的钼蛋白即固氮酶，缺乏钼会影响植物氮素正常同化[54]。研究表明，铜绿微囊藻生长所需钼的最适浓度为1～5 μg/L，当钼浓度为1.48 μg/L时，铜绿微囊藻生长速率最大[49-55]。

1.4.6 钴

重金属钴是藻类必需的微量元素。研究发现，必需性重金属在低浓度时可以促进藻类的生长，在高浓度时抑制藻类的生长，表现出低促高抑。当钴浓度为1.48 μg/L时，铜绿微囊藻的生长情况最好[55]。

2 生物因子对铜绿微囊藻生长影响

2.1 高等植物

许多植物对铜绿微囊藻的生长都有化感作用，基本表现出低促高抑的现象。比如，低浓度的白鹤芋、香菇草浸提液能促进藻的生长，但当浸提液浓度高于34 g/L时，藻生长就会受到抑制，抑制率＞90%[56]；沉水植物黑藻、苦草和绿狐尾藻的种植水对铜绿微囊藻的抑制作用随浓度升高而增强，50 g/L的苦草种植水其抑藻率为90.30%[57]；浮水植物凤眼莲的根部浸提液浓度＜1.0 g/L时对藻的生长有促进作用，浓度＞1.5 g/L时显著抑制藻的生长[58]；挺水植物香蒲的叶的浸提液对铜绿微囊藻的作用也表现为低促高抑，在其质量浓度为50 g/L时，抑制率可达91.37%[59]；荸荠浸取液对铜绿微囊藻的生长抑制率达到了91.40%[60]。

2.2 微生物

细菌对铜绿微囊藻的生长的抑制作用较为明显。溶藻菌的溶藻率能达到98.2%[61]；而暹罗芽孢杆菌（Bacillus siamensis）Sp37可100%抑制铜绿微囊藻NIES843的生长[62]；当芽孢杆菌（Bacillussp.）hsn03的添加量为体积比的7.0%时，对铜绿微囊藻的抑制作用最大[63]。真菌主要是通过分泌抗生素类物质和寄生于藻细胞两种方式对铜绿微囊藻的生长造成影响，其对铜绿微囊藻的抑制作用随浓度的增加而增加[64]。放线菌主要通过分泌抗生素等溶藻活性物质的方式抑制铜绿微囊藻的生长，当放线菌的菌液浓度为500 ml/L时，对藻的抑制率达到68.2%[65]。粘着剑菌（Ensifer adhaerens）仅需1.5 g/L在15天后就完全抑制铜绿微囊藻的生长[66]。链霉菌属（Streptomyces）LW9发酵液以5%的剂量作用于铜绿微囊藻，可表现出明显的溶藻效果，溶藻率79%～94%[67]。

3 其他环境因子对铜绿微囊藻生长影响

水体扰动对藻类生长的影响过程比较复杂。一定强度范围内的水体扰动可以促使底泥或沉积物释放氮、磷等营养盐，同时也会引起底泥或沉积物的悬浮，导致水体透明度下降。当扰动超过一定强度，会对藻类细胞产生机械损伤，破坏藻类细胞周围的浓度场，不利于藻的生长[68]。研究表明，室内及天然水体中的铜绿微囊藻生长的最适流速均为0.30 m/s，单独培养条件下最适宜的流速为0.35 m /s[69]。室内条件下，300 r/min的扰动速度是铜绿微囊藻生长的临界速度[70]。FACHB-905、FACHB-315在扰动条件为100～120 r/min时生长最好[71-72]。

此外，仅使用1 mg/L的微塑料（MPs）就可以抑制铜绿微囊藻的生长[73]。丙二酸浓度达到60 mg/L时，对铜绿微囊藻的抑制率达到87.26%[74]。而当氨基酸浓度为100 μmol/L时，铜绿微囊藻生长速率最快[75]。

铜绿微囊藻自身的细胞密度也会对它的生长产生影响。在初始细胞密度较低，即1×105个/mL时，单细胞藻毒素分泌量会增加，从而提高其环境适应能力；在初始细胞密度≥1×106个/mL时，铜绿微囊藻的适应期消失，生长速率提高[76]。

4 结语

蓝藻水华是在各种环境因子（外因）的耦合驱动下，结合水华蓝藻其独特的生理生态特性（内因），从而在合适的水文气象条件下集聚于水表而形成的生态灾害现象[77]。分析蓝藻水华发生的各种环境条件，将有助于应用分子生物学手段开展蓝藻生理过程的分析，把握蓝藻的变化规律，为水华暴发的防治提供科学的依据。