光照和温度对麦可属生长动力学的影响

李俊鹏,潘伟斌,2*,黄晓佳

光照和温度对麦可属生长动力学的影响

李俊鹏1,潘伟斌1,2*,黄晓佳1

1. 华南理工大学环境与能源学院, 广东 广州 510006 2. 工业聚集区污染控制与生态修复教育部重点实验室, 广东 广州 510006

本文以麦可属（）为研究对象，研究其在不同温度、光照强度下的生长特性，基于Lehman模型、Steele模型，建立麦可属的光温模型。结果表明：当温度恒定时，麦可属生长的最佳光照强度为3 000 lx；当光照恒定，麦可属生长的最佳温度为20 ℃。光照、温度协同作用下，麦可属对光热条件的变化呈单峰响应，麦可属的最佳生长温度为20.4 ℃，最佳生长光照强度为3 203 lx，最大比生长速率可达0.426 d-1。合适的光照和温度是麦可属水华形成的重要因素，光温模型可以为麦可属水华预警提供依据。

麦可属; 光照; 温度; 生长动力学

超微型浮游植物（Picophytoplankton，≤ 3 μm）广泛分布于水生态系统中，其比表面积大、碳同化效率高，在湖、库等水体的初级生产力占比可达90%[1]。但由于超微藻尺寸较小，形态特征简单，描述和鉴定困难，超微藻水华常常被忽略，随着流式细胞技术、分子生物学技术的广泛应用，超微藻水华逐渐受到关注[2,3]。

麦可属（）是典型的超微真核浮游植物，广泛分布于富营养湖泊、河流中，能适应复杂多变的环境，有报道在长江梅溪河、鄱阳湖、巢湖、东山湖等水体均出现麦可属水华[4-6]。Shi等报道，麦可属是鄱阳湖的优势浮游植物，其能适应高浊度、弱光照的环境，能适应广泛的营养环境，麦可属占绝对优势地位是导致鄱阳湖浮游植物多样性低的主要原因[6]。

光热条件等环境因素是影响浮游植物生长的主要条件。Liu C等研究了氮磷比对微胞藻、麦可属、聚球藻间竞争关系的影响[4]。Saadaoui I等筛选具有高生长速率的微藻，发现麦可属具有较高的生长速率和抗氧化能力，在光照为100 μmol·s-1·m-1，温度为30 ℃时，其比生长速率可以达到0.6 d-1[7]。Liu C等对巢湖中分离的麦可属进行基因组分析，揭示了麦可属能适应低营养水平、高浊度、低温环境的机制[8]。但目前麦可属在温度、光照等因素协同作用下的生长动力学研究还未见报道，麦可属对温度、光照等环境因素的响应特征尚不明晰。本研究在不同的光照、温度梯度下模拟培养环境，基于Lehman模型和Steele模型，建立麦可属对光热条件的生长动力学模型，以期为预测麦可属的生长动态过程及麦可属水华形成提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

麦可属（FACHB-2057，）购自中国科学院淡水藻种库。

1.2 麦可属培养

麦可属采用BG11培养基培育备用，培养温度为25 ℃，光照强度约为2 000 lx。实验所用玻璃器皿均经过10% HCl浸泡过夜，所用培养基和玻璃器皿均经过高压蒸汽灭菌，且操作过程处于无菌环境。

麦可属动力学实验采用分批培养实验，各批次实验的光照、温度设置如表1。麦可属样品培养在500 mL锥形瓶中，接种密度约为5×105cells·L-1，每个样品设置两个平行样，每日定时摇动锥形瓶，每日定时取样计数计算藻密度。相对于培养基总体积，样品量较少，因此可以近似认为取样过程不影响培养基的供应和藻类的生长。

表 1 实验参数梯度设置

比生长速率是指每单位藻细胞在单位时间内增加的现存量，其计算公式：

式中，1为1时刻藻类的现存量，2为2时刻藻类的现存量。当麦可属的日平均增长率低于10%时，认为藻细胞生长进入稳定期，可以停止试验[9]。

1.3 生长动力学模型

麦可属的生长过程符合S形曲线，可采用Logistic生长模型描述藻细胞的生长变化过程[10]：

式中，()为时刻藻细胞的生物量，g·L-1；为藻细胞的最大生物量，g·L-1；0为藻细胞的初始生物量，g·L-1。

Steele模型、Lehamn模型分别可以描述连续光照、温度变化下藻细胞的生长动力学，综合Steel模型和Lehman模型，建立藻细胞在光照、温度协同作用下的生长动力学模型[11-13]：

式中，μ,T为温度、光照强度下藻细胞的比生长速率，d-1；I为藻细胞的最佳光照强度，lx；T为藻细胞的最佳生长温度，℃；T为藻细胞最低生长温度，℃。

实验数据录入SPSS、Origin进行统计分析，利用非线性回归方法拟合各模型参数。

2 结果与分析

2.1 光照对麦可属的生长动力学

不同光照下，麦可属的生长过程如图1所示。麦可属的生长主要经历3个阶段：适应期、对数期、稳定期。在第0～5 d，麦可属增长缓慢，处于生长适应期。光照对麦可属的适应期的影响不大，低光照（1 000 lx）下麦可属的生长适应期略长。第5 d后，麦可属开始快速增长，进入对数生长阶段。随着养分的消耗和代谢产物的积累，藻细胞生长速率逐渐降低，麦可属生长进入稳定期。

采用Logistic模型拟合麦可属的生长曲线，各拟合参数如表2所示。1 000 lx、3 000 lx、5 000 lx、7 000 lx光照强度下，麦可属的最大生物量分别为3.2、8.0、7.3、4.0 g·L-1，略低于Logistic模型的拟合值，实际值约为模拟值的89%～95%。在低光照（1 000 lx）环境下，麦可属的最大生物量较低，在中光照（3 000～5 000 lx）环境下最大生物量较高，而高光照（7 000 lx）环境下麦可属生物量大幅下降，仅为3 000 lx时的51.5%，说明过量光照抑制了麦可属的生长。在1 000～7 000 lx光照环境下，麦可属的比生长速率分别为0.363、0.366、0.360、0.343 d-1，光照强度为3 000 lx时麦可属的比生长速率最大，光照强度为7 000 lx时最小。

图 1 不同光照强度下麦可属生物量变化

表2 不同光照强度下麦可属的生长参数

光照对麦可属的生长呈现出低光照促进、高光照抑制的现象，适当提高光照强度能有效促进麦可属的生长，但过低或过高的光照均不利于麦可属的生长。相比于大型浮游植物，超微型浮游植物通常更能适应弱光环境，而当光照强度超过藻细胞的光饱和点，会产生过量活性氧抑制藻细胞的生长[14]。

2.2 温度对麦可属的生长动力学

不同温度下，麦可属的生长过程如图2所示。与不同光照环境下麦可属的生长过程相似，在培养的前5～6 d，麦可属生长速率缓慢，处于适应期；随后藻细胞增长速度加快，进入对数增长期；随着营养物质消耗和代谢产物积累，麦可属生长速率降低，16～20 d后麦可属进入稳定期。

采用Logistic模型拟合麦可属的生长曲线，各拟合参数如表3所示。光照强度为3 000 lx，温度为15、20、25 ℃时，麦可属最大生物量分别为4.0、7.2、5.2 g·L-1。与光照梯度实验相似，温度梯度实验的麦可属最大生物量略小于Logistic模型的拟合值。在温度为20 ℃的培养环境最利于麦可属的生长，此时麦可属的生物量生物量最大，分别是培养温度为15 ℃、25 ℃时的1.7倍、1.4倍。在温度为15 ℃、20 ℃、25 ℃的环境下，麦可属的最大比生长速率分别为0.366 d-1、0.395 d-1、0.381 d-1，20 ℃时麦可属的比生长速率达到最大值，而温度继续升高反而抑制了麦可属的生长。

麦可属的生长对温度变化表现为单峰响应，合适的温度能有效促进麦可属的生长。温度是影响藻细胞内的代谢过程的重要因素，在低于最适生长温度时，温度的升高对藻细胞生长有积极的作用，而在超过最适温度时，由于热胁迫影响，酶活性会出现急剧下降，通常超微蓝藻对高温依赖性较高，而真核超微藻对温度的适应性较强[15,16]。麦可属的比生长速率在20 ℃时达到最大，属于喜温类群，但麦可属在较大稳定范围内均可维持较高比生长速率，为其成为自然水体中春秋季的优势类群提供条件。

2.3 麦可属生长动力学模型

光照、温度是影响麦可属生长的重要因素，自然环境中的藻类生长往往同时受到多个环境因素的共同影响。研究表明，藻类的温度敏感性对光感受器有重要作用，通过温度调节的感光机制使得藻细胞可以对光照、温度等环境信息进行整合[17,18]。为了探索光照、温度对麦可属生长的协同作用，构建了麦可属对光照、温度的动力学模型。麦可属的光温模型如图3所示。根据光温模型拟合，麦可属的最佳生长温度为20.4 ℃，最佳生长光照强度为3 203 lx，最大比生长速率为0.426 d-1。麦可属的比生长速率对温度、光照呈现单峰响应。

图2 不同温度下麦可属生物量变化

表3 不同温度下麦可属的生长参数

图 3 麦可属的光温模型

3 讨论

3.1 麦可属对光照的响应

藻类能通过改变胞内色素组成或光合酶量适应光照强度的变化，在适度范围内，光照强度与光合作用光合作用几乎线性相关，而高光照强度可能会对藻类产生抑制作用[19,20]。本实验中，低光照水平下，麦可属依然可以维持相对较高的比生长速率（1 000 lx，0.363 d-1），这可能是因为麦可属对光照变化具有很强的适应性，能通过多种光色素的表达适应光照环境的变化。Liu C等研究，麦可属具有趋光素、隐色素、光敏色素的同源基因而缺乏视紫素，因而可以吸收红光和蓝光，不能吸收绿光，同时麦可属具有大量捕光色素蛋白复合体，保证了麦可属弱光环境的适应能力[8]。另外，麦可属具有叶黄素循环机制和超氧化物歧化酶（如Fe-Mn SOD），能通过耗散过剩光能、清除过量活性氧，缓解强光对麦可属抑制作用[8,21]。这些机制保证了即使在弱光或强光环境中，麦可属依然能保持较高的比生长速率，提高了麦可属对光照变化的适应能力。

Shi X等报道，麦可属主导了巢湖的真核浮游植物群落，而在低日照、低水体透明度的春冬季，真核藻类占浮游植物77～97%，远高于日照充沛的夏季[6]，说明麦可属对弱光环境的适应有利于其在高浊度、低光强的水体中大量繁殖成为优势藻种。

3.2 麦可属对温度的响应

麦可属有多种对应对低温胁迫的机制：（1）具有吡咯啉-5-羧酸还原酶的编码基因，可以合成脯氨酸来缓解寒冷引起的渗透胁迫；（2）含有抗氧化酶(如Fe-Mn SOD、CAT、APX等)和抗氧化剂(如谷氨酸和β-胡萝卜素)的生物合成途径，可以清除低温胁迫下产生的过量活性氧；（3）高含量的不饱和脂肪酸降低了麦可属细胞膜的相变温度[8]。这些机制保证了麦可属在低温环境下保持一定活性，即使在温度为15 ℃的环境下，麦可属的比生长速率依然可以达到0.366 d-1。

研究表明，高温胁迫会使得藻细胞体内活性氧含量增高、抗氧化系统活性降低，影响藻细胞生长[22,23]。当稳定超过20 ℃时，麦可属的比生长速率逐渐下降。在20～25 ℃时，麦可属可以维持较高的比生长速率，该温度接近于鄱阳湖、东山湖等温带湖泊春秋季水温，一定程度解释了麦可属水华发生的原因。麦可属对温度胁迫具有多种响应机制，为麦可属的广泛分布提供的合适的温度条件。

3.3 光温模型分析

综合Lehman温度动力学模型和Steel光照动力学模型，建立麦可属的光温模型。当温度为20～25 ℃，光照强度为2 000～4 000 lx时，麦可属可以维持较高的比生长速率，该光热条件接近于春秋季的高浊度水体，与自然水体中麦可属水华发生时的光热条件基本相一致，说明该模型可以较好反映温度、光照协同作用对麦可属的影响。

4 结论

（1）温度恒定时，麦可属生长的最佳光照强度为3 000 lx；光照恒定时，麦可属生长的最佳温度为20 ℃，适当的光照和稳定有利于麦可属的生长和生物量的积累；

（2）根据光温模型拟合，麦可属生长特性对温度、光照变化单峰响应，麦可属的最佳生长温度为20.4 ℃，最佳生长光照强度3 203 lx，最大比生长速率为0.426 d-1。当温度为20～25 ℃，光照强度为2 000～4 000 lx时，麦可属可以维持较高的比生长速率。该光热条件接近于麦可属水华发生的自然水体环境，光热模型较好反映了实际水体中光热条件对麦可属的影响，为麦可属水华的预警提供依据。

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Effects of Light and Temperature on Growth Kinetics of

LI Jun-peng1, PAN Wei-bin1,2*, HUANG Xiao-jia1

1.510006,2.510006,

was selected for the study. The effects of interaction between light and temperature on the growth ofwere evaluated by a designed experiment with gradients of light and temperature. Based on Lehman model and Steele model, the photo-thermal model ofis established. The results showed that the optimum light intensity was 3000 lx under constant temperature. While the light intensity was constant, the optimum temperature was 20 ℃. Under the synergistic effects of light and temperature, the optimum growth temperature was 20.4 ℃, the optimum growth light intensity was 3203 lx and the maximum specific growth rate ofwas 0.426 d-1. Appropriate light intensity and temperature are importance for the formation ofblooms. The photo-thermal model will provide important foundation for prediction ofblooms.

; light; temperature; growth kinetics

X171

A

1000-2324(2022)02-0240-06

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.02.009

2021-09-30

2021-10-26

2019年广东粤海水务股份有限公司项目:湖泊水生态系统健康评价及生态恢复对策研究(D5190580)

李俊鹏(1996-),男,硕士研究生,主要从事生态工程与环境修复研究. E-mail:595139040@qq.com

Author for correspondence. E-mail:pwbpan@scut.edu.cn