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《河南師范大學學報》2016年第二期

摘要：

以北京城市水體為媒介，在高溫熱浪條件下，研究溫度和堿度兩個變化因子對銅綠微囊藻和蛋白核小球藻生長規(guī)律的影響．結果表明：銅綠微囊藻對溫度和堿度變化的適應能力較強，其最適溫度為35℃，且添加10mmol／L的堿度條件下生長較好；蛋白核小球藻對高溫的耐受能力不如銅綠微囊藻，其最適溫度為30℃，且低溫時低堿度水平促進生長，隨著溫度的升高，需要同時提高水體的堿度才能保證蛋白核小球藻的旺盛繁殖，否則就會產生一定程度的抑制作用．

關鍵詞：

高溫熱浪；典型藍綠藻；生長規(guī)律

近年來，由于全球氣候變化，極端天氣事件頻發(fā)，已經嚴重危害到人類的正常生活，全球氣候變暖也因此成為社會十分關注的話題［1］．自20世紀80年代中后期以來，北京年平均氣溫呈現顯著的增暖趨勢［2－3］．氣候變暖主要是由于大氣中CO2排放量持續(xù)增加，通過汽水平衡又可導致水中無機碳含量升高，從而改變水體的pH和堿度水平，對藍綠藻水華的暴發(fā)具有一定影響［4－6］．因溫度、水體碳源強度等是影響藍綠藻繁殖的必要條件［7］，而高溫熱浪天氣（我國一般把日最高氣溫達到或超過35℃時稱為高溫，連續(xù)數天（3d以上）的高溫天氣過程稱之為高溫熱浪，或稱之為高溫酷暑）頻繁出現，水體蒸發(fā)增強、水位下降、沉積物中營養(yǎng)物質釋放、水體營養(yǎng)鹽濃度增加，均增加了藻類暴發(fā)的風險［8－9］．因此，城市水體中藻類在高溫熱浪情境下頻繁暴發(fā)是城市水管理部門最棘手的問題之一．北京市區(qū)共有大小湖泊30余個，絕大部分湖泊與河道相通［10］．

自2002年以來北京河湖水體已大多數處于富營養(yǎng)化狀態(tài)，并在夏秋季節(jié)局部暴發(fā)藻類水華現象，給首都的生態(tài)環(huán)境和聲譽均造成了不良影響［11－12］．微囊藻是一類全球性分布的淡水藍藻，其中的銅綠微囊藻可產生藻毒素，在淡水水體中常常大量繁殖，并且持續(xù)時間較長，控制難度大，危害也更為嚴重［13］．另外由于城市水資源的短缺，再生水已作為景觀水體的重要補水，因其營養(yǎng)鹽含量豐富，在外界適宜條件下，也促進了水華暴發(fā)，且常見藻種有微囊藻、小球藻等［14］．目前研究較多的是常溫［15－16］和水體較低堿度范圍內［17－18］藻類的生長情況，而對高溫和高堿度情境下淡水藻類的生長規(guī)律較少涉及．鑒于高溫熱浪對藻類暴發(fā)產生嚴重影響，實驗選用北京市景觀水體水華的優(yōu)勢藻種銅綠微囊藻和以再生水為補給源的水體水華重要物種蛋白核小球藻為研究對象，在高溫熱浪情境下，建立以北京城市水體為營養(yǎng)環(huán)境的高溫熱浪模擬實驗，分別進行溫度和堿度兩個因子變化對典型藍綠藻生長規(guī)律的影響效果研究，從而為進一步揭示藻類對高溫熱浪的適應和響應機制提供初步的實驗依據。

1材料與方法

1．1試劑和儀器M11培養(yǎng)基；硝酸鉀（KNO3），磷酸氫二鉀（K2HPO4）等．實驗中使用的儀器有顯微鏡（XSP－44X．9），紫外可見分光光度計（SPECORD50），高速離心機（HC－3518），抽濾裝置（津騰），濁度計（WGZ－1S），pH計（PB－10），自動電位滴定儀（ZDJ－5），高壓蒸氣滅菌器（MLS－3780），人工氣候箱（LRH－300－GSI），智能光照培養(yǎng)箱（GTOP）．另外還需要容量瓶、洗瓶、比色管、錐形瓶（500mL）等．1．2實驗方法

1．2．1藻種擴大培養(yǎng)從中國淡水藻種庫購買微囊藻及蛋白核小球藻藻種，使用M11培養(yǎng)基（母液：硝酸鈉（NaNO3）100mg／L，磷酸氫二鉀（K2HPO4）10mg／L，硫酸鎂（MgSO4•7H2O）75mg／L，氯化鈣（CaCl2•2H2O）40mg／L，碳酸鈉（Na2CO3）20mg／L，檸檬酸鐵6mg／L，乙二胺四乙酸二鈉（Na2EDTA•2H2O）1mg／L，調節(jié)pH值為8．0）稀釋10倍制成工作液進行培養(yǎng)，在25℃、光照強度4000lx（光照時間12h，黑暗時間12h）條件下連續(xù)培養(yǎng)30～40d，藻細胞密度達到1．0×106mL后，以1∶5的比例擴大培養(yǎng)，以供實驗過程使用．

1．2．2水樣的采集與處理本課題小組對北京市33個景觀水體進行了采樣調查，結果發(fā)現，目前北京大多數景觀水體在夏季已明顯出現了藻類暴發(fā)現象．其中，對人們日常生活造成影響比較明顯的是人口居住密度很高的北運河系［19］．因而，本研究在北運河系上選取了2個藻類繁殖尤為嚴重的景觀水體作為室內研究的水質媒介．其中，第1個采樣點為海淀區(qū)白石橋附近的紫竹院公園，紫竹院湖水質處于中度富營養(yǎng)化狀態(tài)［10］，2014年4～6月進行了3次取水樣．第2個采樣點為北京市玉淵潭公園．玉淵潭公園位于北京市海淀區(qū)西三環(huán)中路東側，園中主湖玉淵潭為北京市娛樂性水域之一［20］，其水質也已達到中度富營養(yǎng)化程度．實驗水樣分別取自2個采樣點的表層水體（0．5m）．取樣現場測定的指標有氣溫、水溫以及光照，從調查結果看，北京市夏季水溫僅比氣溫低1～2℃．同步取樣測定的指標有pH、濁度、葉綠素以及cTP和cTN（見表1）．水樣帶回實驗室后，放入高壓滅菌鍋中進行滅菌處理．取出后靜置1h，待水樣冷卻，上清液倒入滅菌后的500mL錐形瓶中，每瓶倒入300mL，待用．

1．2．3接種及指標測試從培養(yǎng)基中吸取一定體積的藻液以6000r／min的速度離心5min，棄掉上清液，再用蒸餾水清洗殘余培養(yǎng)液，離心，棄掉上清液，重復2次后接種于水樣中，使接種后的初始藻細胞密度為1．0×105mL－1．在培養(yǎng)體系中加入2．0mg／LTN（硝酸鉀）和0．2mg／LTP（磷酸氫二鉀），作為藻種生長所需的氮源和磷源，使實驗體系的氮、磷質量濃度處于富營養(yǎng)水平．接種結束后，用透氣膜封住錐形瓶口．每個條件分別做3個平行樣．實驗過程中每2d測定一次兩種典型藻類在不同堿度條件下的藻細胞密度、cTN和cTP．藻類計數采用血球計數板人工計數的方法，每個樣品計數200個以上；TN測試采用過硫酸鉀氧化－紫外分光光度法；cTP測試采用鉬銻抗分光光度法，直至藻類生長至衰亡期．

1．3室內模擬實驗條件在實驗室內用人工氣候箱模擬高溫熱浪條件下的兩個主要氣候因子———高溫、CO2的變化對銅綠微囊藻和蛋白核小球藻生長規(guī)律的影響．對溫度的研究主要集中在高溫熱浪情境下，設置為30℃（對照溫度條件）、35℃和40℃．大氣中CO2濃度的變化通過汽水平衡會導致水中無機碳含量的增加，由于本研究所選實際水體pH為8．2～8．5，故選擇以NaHCO3調整水體無機碳濃度［21］，同時以堿度來指示水中無機碳的變化，設置堿度增加梯度為0mmol／L（實際水樣堿度水平）、5mmol／L和10mmol／L．

2結果與分析

2．1銅綠微囊藻

2．1．1高溫對銅綠微囊藻生長趨勢的影響銅綠微囊藻的生長遵循著微生物生長的一般規(guī)律，即在外界條件不適于藻類生長時，銅綠微囊藻的生長會非常緩慢，表現為停滯期；當營養(yǎng)充足、環(huán)境條件適宜時則迅速生長，由于其繁殖能力強、世代較短，藻類生物量劇增，進入對數生長期；隨后相當一段時間內藻類生物量處于穩(wěn)定狀態(tài)，藻體死亡率和新生率相當，此時為穩(wěn)定期；隨著營養(yǎng)物質被大量消耗至匱乏狀態(tài)，藻類開始大量死亡，進入衰亡期［22］．從圖1可以看出，在實際水樣堿度條件下，銅綠微囊藻對溫度的適應范圍非常寬，在30℃、35℃和40℃的條件下均可很好繁殖．由于培養(yǎng)體系處于富營養(yǎng)水平，銅綠微囊藻幾乎沒有經過停滯期，很快便進入對數生長期．35℃條件下，銅綠微囊藻的生長速率最快，可以很快達到峰值，并且細胞密度峰值大于其他兩個溫度，同時，cTN和cTP的消耗速度最快，達到對數期之后，藻開始出現衰亡現象，原本在藻細胞中的營養(yǎng)元素會釋放出來，因而出現cTN，cTP質量濃度上揚的趨勢（見圖2）．但不容忽視的是，在極端高溫40℃條件下，銅綠微囊藻依舊可以較好地生長，可見，銅綠微囊藻對高溫有較強的耐受能力

2．1．2堿度對銅綠微囊藻生長趨勢的影響在研究堿度對銅綠微囊藻生長的影響時，我們采用了控制變量法，即溫度為定量，探討不同堿度條件下銅綠微囊藻的生長規(guī)律．由前面的實驗已知銅綠微囊藻的最適溫度為35℃，所以選擇35℃溫度為定量．從圖3銅綠微囊藻的藻細胞密度變化情況可以看出，35℃時銅綠微囊藻在不同堿度條件下均可以生長，3d后即達到對數生長期，且堿度增加10mmol／L時，銅綠微囊藻藻細胞密度明顯高于另外兩個堿度條件，是其藻細胞密度的1．5～2．5倍．從cTN、cTP變化曲線（見圖4）中也可看到，1～3d銅綠微囊藻處于旺盛生長階段，水體中氮、磷等營養(yǎng)元素被大量消耗，呈直線下降趨勢，之后，銅綠微囊藻進入衰亡期，隨著胞內氮、磷的釋放，cTN，cTP的數值出現上升趨勢．

2．2蛋白核小球藻

2．2．1高溫對蛋白核小球藻生長趨勢的影響由圖5可知，不管是未添加堿度（0mmol／L）還是添加了5mmol／L或10mmol／LNaHCO3的培養(yǎng)體系中，蛋白核小球藻的生長情況都是30℃時最好，且培養(yǎng)到第5d時藻數目達到最大值．40℃時，堿度增加0mmol／L和5mmol／L條件下，蛋白核小球藻的生長周期很短，第3d藻液就開始衰亡，說明蛋白核小球藻在低堿度條件下對40℃高溫的耐受力較弱．但是，當堿度增加10mmol／L時，40℃條件下的藻卻一直生存下來，并在第7d達到對數期，且藻細胞密度比接種時多了一個數量級，說明極端高溫條件下，較大的堿度會對蛋白核小球藻的生長起到促進作用，而在中低堿度水平下其最適生長溫度在30℃左右．

2．2．2堿度對蛋白核小球藻生長趨勢的影響由圖6可以看出，在30℃時，即對照溫度條件下，未增加堿度的實際水體更能促進蛋白核小球藻的增殖，其次為增加5mmol／LNaHCO3的培養(yǎng)水體，而增加10mmol／L的堿度會產生一定程度的抑制作用．隨著溫度升高至35℃，堿度為5mmol／L時的藻細胞長勢最好，這個條件下的蛋白核小球藻數量明顯高于另外兩個條件．當溫度進一步升高至40℃的極端高溫時，實際水體和增加5mmol／LNaHCO3的培養(yǎng)液中藻的生長周期都很短，而且基本達不到對數期就已經死亡，只有堿度增加10mmol／L水體中的蛋白核小球藻生長狀況良好．由此可知，在滿足氮、磷充足時，一定溫度條件下，低堿度水平促進蛋白核小球藻的生長，而極端高溫條件下只有同時具備高堿度條件才能保證蛋白核小球藻的旺盛繁殖．

3討論

在我國大部分富營養(yǎng)化水體中，藍藻門中的銅綠微囊藻在數量和發(fā)生頻率上之所以占有優(yōu)勢［23］，是由于銅綠微囊藻對溫度和堿度變化都具有較強的適應性．由實驗結果分析可知，在30℃、35℃和40℃的高溫條件下，銅綠微囊藻均具有較好的耐受能力．與此同時，藻細胞對堿度變化的適應能力也很強，在實際水體（0mmol／L）、增加5mmol／L堿度和增加10mmol／L堿度條件下均可以生長，而且堿度越高銅綠微囊藻的長勢就越好．這主要是因為銅綠微囊藻可吸收水體中的HCO3－，在細胞中經擴散進入羧體后，通過碳酸酐酶（CA）催化脫水形成CO2，引起胞內CO2濃度升高［24－25］，從而促進細胞的生長和發(fā)育．蛋白核小球藻是再生水作為景觀水補水時的常見藻種［14］，屬于綠藻門中的小球藻屬．與銅綠微囊藻的適宜溫度不同，對比多個高溫條件（30℃、35℃和40℃）下的實驗結果發(fā)現，蛋白核小球藻在對照溫度30℃時長勢最好，且在未添加NaHCO3的水體中繁殖速度最快．這是因為通常情況下，在高CO2濃度或低pH水體中，綠藻往往成為水華優(yōu)勢藻種［26］．因而隨著實驗所添加NaHCO3逐漸增加，水體pH呈上升趨勢，蛋白核小球藻生長受到一定程度的限制．

4結論

從本課題小組的調查結果可知，北京城市景觀水體在夏季的溫度范圍是23～40℃，堿度范圍是0．87～17．71mmol／L，其中堿度介于4～12mmol／L的居多，約占74％．通過室內模擬實驗研究可得到如下結論：1）銅綠微囊藻對溫度變化具有較強的適應性，且最適溫度為35℃；而蛋白核小球藻在30℃時的長勢最好，當水溫極端升高至40℃，其生長周期就會變短，繁殖速率減緩．由此可見，典型藍藻的溫度適應范圍比綠藻更寬，對高溫的耐受力也更強．如果高溫熱浪情況繼續(xù)加劇，城市水體中典型藍藻水華比部分綠藻水華更容易暴發(fā)．2）銅綠微囊藻對堿度變化的適應能力很強，且堿度增加10mmol／L時藻細胞生長最快，消耗氮、磷的速度也最快；而蛋白核小球藻的生長規(guī)律有所不同，在低溫時低堿度水平促進生長，隨著溫度的升高，只有同時提高水體的堿度才能保證藻細胞的旺盛繁殖，否則就會產生一定程度的抑制效果．因而，在全球氣候變暖的大趨勢背景下，水體堿度的增加會促進部分綠藻水華的大規(guī)模暴發(fā)，從而嚴重影響城市水體的景觀效果．

作者：張君枝 邱麗佳 張艷娜 馬文林 張質明 洪辛璐 李卓霖 單位：北京建筑大學 北京應對氣候變化研究和人才培養(yǎng)基地 中國石油勘探開發(fā)研究院