铜绿微囊藻在生长因子交叉影响下生长趋势及生长模型探究

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摘要:淀山湖是上海市唯一的淡水湖泊,为上海市的水源地,近年来水华藻爆发严重。以淀山湖夏季优势藻种之一的铜绿微囊藻为对象进行研究,综合考虑温度、光照、氮、磷等生长因子的综合交叉作用对铜绿微囊藻的生理指标进行测定,探究铜绿微囊藻生长的一般趋势和淀山湖优势种的生理生长规律,并以此为依据探究淀山湖水华的发生机制,为相关部门提供有效数据支持。

关键词:铜绿微囊藻;温度;光照;氮;磷;生理生长规律

中图分类号:X171.5

文献标识码:A

文章编号:1674-9944(2010)07-0125-03

1 引言

淀山湖是上海市唯一的淡水湖泊,也是黄浦江上游的主要水源之一,主要功能是为上海市黄浦江上游提供洁净的水源。因此,淀山湖水体环境的保护就显得十分重要。本文以淀山湖夏季优势藻种之一的铜绿微囊藻为对象进行研究,绘制其生长曲线探究铜绿微囊藻生长的一般趋势并制作相关模型,经过数据分析,对统计数据进行基本特征描述,通过列联表检验,做生长因子和藻类生长的相关分析,根据最小二乘法的回归分析拟合铜绿微囊藻的生长模型,探究淀山湖优势种的生理生长规律,并以此为依据探究淀山湖水华的发生机制。

2 材料及方法

2.1 材料

(1)藻种。试验用铜绿微囊藻(Microcystis czerugiosa)购自中国科学院武汉水生生物研究所。

(2)培养基。使用BG-11培养基。

(3)藻种培养条件。适宜温度为28℃,光照强度为3000lx,光暗比为16∶8。同一批实验使用的器皿规格一致,统一使用500mL锥形瓶,实验体积为200mL。

2.2 接种

藻种试验前扩大培养1周,再饥饿培养48h。取一定体积的藻种以5000r/min的速度离心15min,弃掉上清液,用15mg/L的碳酸氢钠溶液洗涤后离心,重复3次,用无菌水稀释后用于接种,其起始的藻密度最低值在5.0×103mL-1左右。要求试验水样最后体积为200ml,接种量为2ml,则接种用藻种液应有的密度为5.0×104mL-1

左右。

2.3 藻种密度的测定

光密度(OD)的测定取纯种培养的藻液,测定其在可见光波长范围内的吸光度,得到其吸光度最大值对应的可见光波长为680nm,将其作为光密度测定波长。

2.4 测定生理指标:

本步骤由三组实验组成。

(1)第一组(营养盐相同条件下,进行n含量梯度实验,NaNO3 为氮源)。实验条件设定:使用2台光照培养箱进行同步实验(a,b)。设定温度与光照条件:a箱,28℃,光照100%,b箱,28℃,光照66%。营养盐设置6个梯度,含一个空白对照,每个梯度设定3个平行实验。培养基中N元素浓度梯度设定如表1所示。

表1 培养基中N元素浓度梯度设定

编号一二三四五对照

N/mg/L668299115132BG-11

注:对pH值进行设定为7.1

(2)第二组(营养盐相同条件下,进行P含量梯度实验,以K2HPO4 为氮源)。实验条件设定:使用2台光照培养箱进行同步实验(a,b)设定温度与光照条件与第一组实验相同。培养基中P元素浓度梯度设定如表2所示。

表2 培养基中P元素浓度梯度设定

编号一二三四五对照

P/mg/L0.050.20.51.55.4BG-11

注:对pH值进行设定为7.1。

(3)第三组。实验条件设定:使用1光照培养箱进行同步实验,温度设为30℃,光照设为66%。同步进行a,b两组实验,a为营养盐相同条件下,进行n含量梯度实验,NaNO3 为氮源,b为营养盐相同条件下,进行P含量梯度实验,以K2HPO4为氮源。培养基中N.P元素浓度梯度设定如表3所示。

表3 培养基中N.P元素浓度梯度设定

一二三四五对照

N

/mg/L668299115132空白BG-11

P/mg/L0.050.20.51.55.4空白BG-11

注:对pH值进行设定为7.1

2.5 增长参数的测定

本次试验直接以每日测得的吸光度值来判定每日铜绿微囊藻的生物量的变化状况。

2.6 数据分析铜绿微囊藻并绘制模型

根据各组实验中不同生长因子下的微囊藻生物量的数据,通过EXCEL软件进行数据处理,制作生长趋势图和增长值比较曲线图,对铜绿微囊藻在综合因子作用下生长规律与生理特性进行探究。此外,运用SPASS软件进行数据分析(对统计数据进行基本特征描述并通过列联表检验,做生长因子和藻类生长的相关分析,检验试验可靠性,分析实验误差,设计样本容量,根据最小二乘法的回归分析拟合铜绿微囊藻的生长模型)以此为依据,探究淀山湖优势种的生理生长规律。

3 结果与讨论

3.1 生长趋势及增长值比较曲线分析

每日中午12时,每瓶培养基中取2毫升培养液,在680nm波长下测定其吸光度,每个梯度设三个平行试验,记录数据并计算其平行试验结果的平均值作为最终吸光度值。根据增长率u计算公式u=(Nt-Nt-1)/(Tt-Tt-1)。u为日增长率,Nt为当天所取藻种测得的吸光度值,Nt-1为前一天所取藻种测得的吸光度值。Tt-Tt-1为所隔天数,由于每次取样都为中午12时,且为连续12天进行采样,所以Tt-Tt-1=1d。由此得出铜绿微囊藻连续13天增长率运用EXCEL制作生长趋势图与增长值比较曲线图。

3.2 不同生长因子作用下铜绿微囊藻生长模型的建立

在本实验中,通过观察实验数据绘制的图像发现,生长情况与生长天数并非线性关系,因此通过SPSS软件中的Curve Estimatim过程,试图拟合多种常用曲线,最后选择最佳模型。目前有两种广泛应用于描述动植物生长过程的生长曲线(Logistic和Gompertz),借助Nonlinear Regression过程完成这两个方程的拟合过程。设三个待定参数A、B、K,分别代表最大生长量,瞬时相对生长率,常数,然后带入一组初始值通过计算机的迭代,计算出上述三个参量。并同样把他们的R Square与之前的一些简单模型的R Square进行比较,最终得到一个令人满意的拟合情况。

通过制作经典生长模型Gompertz 模型及Logistic模型,可以预测铜绿微囊藻的生长趋势,带入天数可以计算出Y(吸光度值),从而预测n天时铜绿微囊藻的生长状况。此外,通过制作生长模型,还可以验证在3.1中得出的相关结论,证明结论的可靠性。

3.3 t检验实验变量对铜绿微囊藻生长的作用

运用SPASS软件对各组数据进行t检验,即将实验组的样本量差值与对照组的样本量差值进行比较,通过t检验可以探明实验中的变量是否会对铜绿微囊藻生长起到显著作用。

如对第一组试验中28℃,100%光照,N梯度条件下的实验结果进行t检验,分析结果显示,在28℃,100%光照条件下,仅当N的含量为66mg/L时,N的含量对铜绿微囊藻生长的改变作用显著,当N的含量为梯度82mg/L、99mg/L、115mg/L、132mg/L时没有显著性。

2010年7月

绿 色 科 技

第7期

以同样方法对其他各组实验数据进行t检验,分析结果显示:在28℃,66%光照条件下,当N的含量为66mg/L、82mg/L、99mg/L、115mg/L、132mg/L时N的含量对铜绿微囊藻生长的改变作用显著性递增,在含量为99mg/L、115mg/L、132mg/L时达到极为显著;

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在28℃,100%光照条件下,当P的含量为0.05mg/L、0.2mg/L、0.5mg/L时N的含量对铜绿微囊藻生长的改变作用极为显著,当P的含量为1.5mg/L、5.4mg/L时作用不显著;

在28℃,66%光照条件下,当P的含量为0.05mg/L、0.2mg/L、0.5mg/L时N的含量对铜绿微囊藻生长的改变作用极为显著当P的含量为梯度1.5mg/L、5.4mg/L时作用不显著;

在30℃,66%光照条件下,N的含量对生长并未起到显著改变;

在30℃,66%光照条件下,当P的含量为0.05mg/L、0.2mg/L、0.5mg/L时P的含量对铜绿微囊藻生长的改变作用极为显著,当P的含量为1.5mg/L、5.4mg/L时该关系不显著。

4 结语

本文采用可见分光光度法这一快速高效的方法对铜绿微囊藻在不同N、P浓度、不同温度以及不同光照条件下的生长状况进行检测分析。通过实验分析,我们可以知道N、P浓度对藻类的生长起着关键作用,但是在不同温度与不同光照下对于铜绿微囊藻的生长影响作用具有很大差别。比如随着温度的升高,N浓度梯度对藻的密度的影响变小,基本上处于无影响状态。因此在夏季,当温度达到一定高度时,控制氮的浓度对控制藻类的密度作用不大。随着P浓度的上升,铜绿微囊藻的密度是增加的,并呈现很明显的正比关系,由此可以看出磷含量对铜绿微囊藻的生长起着关键作用,降低水体中的磷含量可以减少水体中铜绿微囊藻的密度。同时藻本身的浓度基数大小也有较大影响,光照和温度虽然也有一定影响,但由于淀山湖的光照和温度并不能人为改变,所以只能通过光照和温度的变化了解何时蓝藻最可能爆发,而不能从本质上控制来避免。

因此为避免淀山湖蓝藻爆发还必须重点控制N、P浓度以及在淀山湖内的藻的基数,根据不同情况采取不同措施。目前由于淀山湖本身N、P含量已经严重超过富营养的标准,且由于经济等原因,大量减少淀山湖的N、P浓度是不现实的。解决淀山湖蓝藻的问题除了要稳步减少N、P排放、积极利用各种理化生物方法大量减少淀山湖本身已经富集起来的N、P等营养物质之外,在现阶段预防以及应对蓝藻爆发比较好的办法还是在蓝藻大面积出现前,进行物理清楚,实时监控,及早发现及早清除,并利用铜绿微囊藻在N浓度梯度为66mg/L时表现出极不稳地的生长状态,控制N浓度,在其增长值达到最低点时采取物理或者化学方法处理蓝藻,会增强其处理效果,从而降低蓝藻的大面积爆发带来的危害。通过相关结论,在不同温度不同光照下采取不同的措施,使治理方法更加精准有效,避免不必要的投入。

此外通过制作生长模型,以此为依据推测铜绿微囊藻将来的发展趋势,为淀山湖水华的治理提供有效的数据支持。通过t检验进行数据分析,在不同光照,不同温度条件下,NP浓度对铜绿微囊藻生长的作用显著度,这对在治理水华时控制NP浓度提供了理论依据,使治理方法能够更加精确有效。

参考文献:

[1] 余德辉.中国湖泊富营养化防治状况及存在的问题[A].中国湖泊富营养化及其防治国际学术研讨会专家论文集[C].北京:国家环境保护总局,2000.

[2] 金相灿.中国湖泊富营养化控制技术[A].中国湖泊富营养化及其防治国际学术研讨会专家论文集[C].北京:国家环境保护总局,2000.

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