低溫對藻體吸放氧速度的影響

自２０世紀(jì)８０年代初，雷衍之等［１－２］提出并推廣“冰下生物增氧技術(shù)”以來，人們開始認(rèn)識到即使在溫度較低的冬季，越冬池中同樣存在著數(shù)量可觀的浮游植物，并能進(jìn)行正常的光合作用，其光合放氧是冰下水體溶氧的主要來源［３］。但是低溫狀況下浮游植物的放氧能力究竟如何，至今卻鮮有報(bào)道，關(guān)于溫度對浮游植物光合放氧能力影響的研究也主要集中在１０ ℃以上［４－８］，而弄清楚低溫下，特別是０℃附近浮游植物的光合放氧能力，對越冬池中的溶解氧變動，以及各種越冬對象的安全越冬具有十分重要的理論與實(shí)踐指導(dǎo)意義，為此，筆者選擇了海水越冬池中常見的蛋白核小球藻（Ｃｈｌｏｒｅｌｌａｐｙｒｅｎｏｄｅｓａ）和裸甲藻（Ｃｙｍｎｏｄｉｎｉｕｍｓｐ．）進(jìn)行了低溫下的光合放氧和呼吸耗氧試驗(yàn)，對低溫下浮游植物的光合放氧能力進(jìn)行了初步研究，以期能夠?qū)Ｋ靥帘滤w的產(chǎn)氧能力評估提供理論依據(jù)。

１　材料與方法

１．１　藻種來源及培養(yǎng)

試驗(yàn)用蛋白核小球藻、裸甲藻均采自遼寧省盤錦光合水產(chǎn)有限公司三角洲分公司試驗(yàn)池。采回后培養(yǎng)于４℃恒溫培養(yǎng)箱，光照周期為１２Ｌ∶ １２Ｄ。小球藻較純，鏡檢中僅發(fā)現(xiàn)極少量橢圓小球藻（Ｃ．ｅｌｌｉｐｓｏｉｄｅａ），其生物量占總生物量的９９％以上；裸甲藻中含有少量等鞭金藻（Ｉｓｏｃｈｒｙｓｉｄａｃｅａｅｓｐ．）和藍(lán)球藻（Ｃｈｒｏｏｃｏｃｃｕｓ?。螅穑?，其生物量占總生物量的８０％～９０％。營養(yǎng)鹽按Ｃｏｎｗａｙ配方配制，添加量與用水的體積比為１∶１０００。試驗(yàn)用海水（鹽度為２３）經(jīng)沉淀、過濾后煮沸，錐形瓶也經(jīng)煮沸消毒。培養(yǎng)期間每日搖瓶數(shù)次。培養(yǎng)一周后開始試驗(yàn)。

１．２　主要儀器設(shè)備

控制溫度采用ＭＰＧ－１０Ｃ型低溫循環(huán)槽（上海一恒科技有限公司），精確度±０．１℃。循環(huán)槽規(guī)格３０．０ｃｍ×２４．０ｃｍ×２０．５ｃｍ。使用ＺＤＳ－１０Ｗ－２Ｄ型水下照度計(jì)（上海市嘉定學(xué)聯(lián)儀表廠）測定光照度。

１．３　光合放氧、呼吸耗氧速率的測定

光合放氧、呼吸耗氧速率的測定采用改良后的黑白瓶法：用２５ｍＬ的標(biāo)準(zhǔn)磨口玻璃試管制作黑、白瓶。溶解氧（ＤＯ）的測定采用半微量碘量法［９］。通過測定試驗(yàn)前后的溶解氧變化求得凈光合放氧或呼吸耗氧ΔＰＤＯ（ｍｇ／Ｌ），然后按下式計(jì)算凈光合放氧速率和呼吸耗氧速率ｖ［μｍｏｌ／（ｍｇ?ｈ）］［４］：ｖ＝ΔＰＤＯ×１０００３２×Ｐｃｈｌａ×ｔ式中，Ｐｃｈｌａ為葉綠素ａ的質(zhì)量濃度（ｍｇ／Ｌ），ｔ為曝光持續(xù)時間（ｈ）．

１．４　葉綠素含量的測定

采用９５％丙酮做萃取液的分光光度法測定葉綠素的含量。測定時取一定量的藻液（一般為１００～２００ｍＬ），用孔徑為０．４５μｍ的醋酸纖維濾膜抽濾，抽干后將藻液及濾膜一同放入具塞離心管中，加入體積分?jǐn)?shù)為９５％的丙酮溶液至１０ｍＬ，振蕩提取葉綠素，放置冰箱冷藏過夜，３０００ｒ／ｍｉｎ離心１５ｍｉｎ，取上清液測定其吸光值，然后按下式計(jì)算其葉綠素含量［１０］：Ｐｃｈｌ－ａ＝（１１．８５Ａ６６４－１．５４Ａ６４７－０．０８Ａ６３０）×Ｖ０×１０００Ｖ×ＬＰｃｈｌ－ｂ＝（２１．０３Ａ６４７－５．４３Ａ６６４－２．６６Ａ６３０）×Ｖ０×１０００Ｖ×ＬＰｃｈｌ－ｃ＝（２４．５２Ａ６３０－１．６７Ａ６６４－７．６０Ａ６４７）×Ｖ０×１０００Ｖ×Ｌ式中，Ｖ為抽濾水樣體積（ｍＬ）；Ｖ０為樣品丙酮提取液體積（ｍＬ）；Ｌ為提取液測定吸光度Ａ?xí)r采用的比色皿規(guī)格（ｃｍ）．

１．５　不同溫度條件下光合放氧速率的測定

由于測定溫度與低溫循環(huán)槽顯示溫度相差約０．６℃，故試驗(yàn)溫度以實(shí)測溫度為準(zhǔn)。２種藻類分別設(shè)－１、０、１、２、３、４℃６個梯度組，每組３個平行，在光照度為２１００ｌｘ的條件下曝光１０ｈ，做初級生產(chǎn)力試驗(yàn)，測定其光合放氧速率。

２　結(jié)果

２．１　低溫對２種單胞藻光合放氧速率的影響

在試驗(yàn)控制條件下，不同溫度下２種單胞藻的光合放氧速率結(jié)果見表１、圖１。由表１、圖１可見，在低溫條件下，小球藻和裸甲藻仍具有較強(qiáng)的光合放氧能力。即使在－１ ℃時，裸甲藻和小球藻每單位質(zhì)量葉綠素ａ在單位時間內(nèi)的光合凈放氧速率仍可 分 別 達(dá) （１１．９２±０．９７）μｍｏｌ／（ｍｇ?ｈ）和（３０．７８±２．１８）μｍｏｌ／（ｍｇ?ｈ）。并且在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，２種單胞藻的凈光合放氧速率隨溫度的變化曲線基本相似，均隨溫度升高呈指數(shù)增長，擬合其回歸方程見表２。由表１可見，在－１～４ ℃，溫度提升對浮游植物的放氧能力具有顯著促進(jìn)作用。方差分析表明，小球藻的光合凈放氧能力－１ ℃和０ ℃，２ ℃和３℃之間差異不顯著，其他組間差異極顯著；而裸甲藻的－１℃、０℃和１℃之間，２℃和３℃之間差異不顯著，其他組間差異極顯著。

２．２　低溫對２種單胞藻呼吸耗氧速率的影響

試驗(yàn)條件下不同溫度對２種單胞藻呼吸耗氧速率的影響見表１、圖２。由表１、圖２可見，在低溫情況下，浮游植物的呼吸耗氧速率很低。在－１ ℃時，小球 藻 和 裸 甲 藻 的 呼 吸 耗 氧 速 率 分 別 僅 為（２．３０±０．１．４９）μｍｏｌ／（ｍｇ?ｈ）和（２．３４±０．８５）μｍｏｌ／（ｍｇ?ｈ）。方差分析表明，在水溫低于２ ℃時，２種單胞藻不同溫度組間的呼吸耗氧速率均無顯著差別。但隨著溫度的升高，呼吸耗氧速率亦如其光合放氧速率一樣呈指數(shù)增長，但不同藻類其增長速度也有所不同，２種試驗(yàn)單胞藻的增長回歸方程見表２。

３　討論

３．１　浮游植物光合放氧、呼吸耗氧速率與溫度的關(guān)系

溫度是一切酶促反應(yīng)的控制因子，它對光合作用的光反應(yīng)過程影響不大，對暗反應(yīng)的酶促反應(yīng)過程的影響較大［１１］，因此水溫與初級生產(chǎn)力的關(guān)系密切。溫度降低會對浮游植物的光合作用產(chǎn)生重大影響。一般認(rèn)為，在浮游植物的最適溫度以下隨著溫度的降低，浮游植物的生長逐漸減緩直至停止生長、甚至消失，其光合作用的強(qiáng) 度 也隨之 逐漸 降低［１２－１３］。但在一些海洋浮游植物中，當(dāng)溫度在其適溫范圍內(nèi)降低時，能夠通過增加細(xì)胞碳和單位葉綠素ａ的固碳量，即通過增加細(xì)胞中酶的數(shù)量來補(bǔ)償由于溫度下降所引起的酶活性的減弱，從而減輕對浮游植物生長和光合作用的影響［１４］，如當(dāng)水溫由２０℃降至７℃時，骨條藻（Ｓｋｅｌｅｔｏｎｅｍａ?。悖铮螅簦幔簦酰恚└骷?xì)胞碳含量增加１倍［１５］，細(xì)胞仍保持較強(qiáng)的光合作用能力。本試驗(yàn)中，通過對２種單胞藻在低溫下不同溫度梯度的光合放氧、呼吸耗氧速率的測定表明，低溫條件下浮游植物仍具有一定的光合放氧能力。即使在－１ ℃時，葉綠素ａ光合放氧速率仍可達(dá)１１．９２～３０．７８μｍｏｌ／（ｍｇ?ｈ）。雖然僅為很多浮游植物最適溫度時放氧速率的１／２０～１／７［４－７］，但考慮到試驗(yàn)光照度僅２１００ｌｘ，遠(yuǎn)低于越冬期間的自然光照度（１０?。玻玻浮担罚贰。玻叮欤保埃海埃埃?，其實(shí)際光合放氧速率應(yīng)更大一些。而且此時的呼吸耗氧也低，僅為其凈放氧速率的１／１３～１／５，表明浮游植物在低溫條件下仍具有向水中供給足夠氧氣的能力。吳曉東等［１６］在對太湖、巢湖和玄武湖處于越冬期間的浮游植物進(jìn)行原位光合作用活性的研究時也發(fā)現(xiàn)，大部分浮游植物在越冬期間仍具有光合作用活性。２００７—２００８年對盤錦部分海水越冬池的調(diào)查及海水越冬試驗(yàn)表明，海水越冬池的溶氧冰封時一般在溶解度附近，封冰后溶氧一般都上升，經(jīng)過一段時間后其溶氧就達(dá)到過飽和，有的到一月中旬左右開始長期維持在２０ｍｇ／Ｌ，低時也在１５ｍｇ／Ｌ以上。這顯然是海水浮游植物在低溫下光合作用產(chǎn)氧的結(jié)果。同時，方差分析表明２種單胞藻不同溫度組間的放氧速率差異均顯著，表明低溫條件下溫度的小幅升高對浮游植物的光合放養(yǎng)速率具有顯著促進(jìn)作用。在溫度較高時，特別是在浮游植物的最適溫度附近改變時，溫度的小幅增減對其放氧速率影響不大［４－５，７］，但在溫度較低的越冬期間，水溫的小幅升高卻有著非常的意義。２００８—２００９年的越冬試驗(yàn)中，由于采取了添加淡水等措施，使越冬池中、下層水溫大幅上升，最低在３ ℃以上，封冰后水中溶氧迅速上升，１１月底約１３ｍｇ／Ｌ，至１２月中旬基本上超過２０ｍｇ／Ｌ。雖然后期由于浮游動物的大量發(fā)生，部分池塘出現(xiàn)了底層溶氧偏低的情況，但這至少也說明在低溫范圍內(nèi)，溫度的提高可以增加浮游植物的放氧能力。

３．２　低溫條件下單胞藻光合放氧、呼吸耗氧速率與種類的關(guān)系

單胞藻的光合放氧、呼吸耗氧速率與其種類有著密切的關(guān)系。葉綠體是光合作用的主要器官，但葉綠體變化很大，因植物種類不同而有很大區(qū)別，從而對光合放氧效果產(chǎn)生顯著影響。同時葉綠體是一種不穩(wěn)定的細(xì)胞器，能隨著環(huán)境條件的改變而產(chǎn)生不同的適應(yīng)性變化［１７－１９］。在藻類中，葉綠體形狀多樣，大小不等，有網(wǎng)狀、帶狀、片狀、星狀等多種形態(tài)。此外，不同浮游植物其色素體的組成，含量也有很大不同。比如綠藻門的色素主要是葉綠素，金藻、黃藻主要是葉黃素，而藍(lán)藻門則主要是藻膽素［２０－２２］。植物細(xì)胞色素的種類組成和含量在光合作用中具有決定性的作用，因?yàn)檫@些不同色素種類對光的需求范圍和固碳能力都不同，最終必然表現(xiàn)為浮游植物光合放氧能力的不同。而且，眾多的研究表明［４－８，２３］，影響浮游植物光合放氧、呼吸耗氧速率的因素很多，光照、溫度、鹽度、營養(yǎng)條件等均能影響其光合放氧速率，不同浮游植物都有自己最適的環(huán)境條件。比如同在２０ ℃時，瑪塔亞歷山大藻（Ａｌｅｘａｎｄｒｉｕｍ?。簦幔恚幔颍澹睿螅澹┑?光 合 放 氧 速 率 可 達(dá)２２０μｍｏｌ／（ｍｇ?ｈ），而錐狀斯氏藻（Ｓｃｒｉｐｐｓｉｅｌ?。欤幔簦颍铮悖瑁铮椋洌澹幔┑墓夂戏叛跛俾蕿椋保福唉蹋恚铮欤ǎ恚?ｈ）［４］。

本試驗(yàn)中，不同溫度下裸甲藻的光合放氧速率僅為小球藻的１／３～１／２，二者的呼吸耗氧速率卻沒有顯著差別。表明低溫條件下，不同浮游植物的光合放氧能力與高溫時一樣，有著很大差別。海水越冬池越冬期間浮游植物的種類組成對冰下水體的溶氧變動具有重要意義。但其原因究竟是因?yàn)樯亟M成和含量的差別、還是二者對某些環(huán)境因子的要求不同，或是兼而有之，還有待進(jìn)一步的研究。