海水酸化對米氏凱倫藻和鹽生杜氏藻種群增長和種間競爭的影響*

胡順鑫 楊 丁 唐學(xué)璽 臧 宇 周 斌

(中國海洋大學(xué)海洋生命學(xué)院 青島 266003)

海水酸化對米氏凱倫藻和鹽生杜氏藻種群增長和種間競爭的影響*

胡順鑫 楊 丁 唐學(xué)璽 臧 宇 周 斌①

(中國海洋大學(xué)海洋生命學(xué)院 青島 266003)

大氣中CO2濃度升高導(dǎo)致的海水酸化改變了海洋生物賴以生存的化學(xué)環(huán)境, 將對其生長、繁殖和代謝產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。本研究采用實(shí)驗(yàn)生態(tài)學(xué)的方法, 以米氏凱倫藻(Karenia mikimotoi)和鹽生杜氏藻(Dunaliella salina)為研究對象, 探究在海水酸化條件下兩種微藻種群增長和種間競爭關(guān)系的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn): (1) 在單培養(yǎng)體系中, 隨著二氧化碳濃度升高, 米氏凱倫藻的環(huán)境負(fù)載能力(K)升高,而對其生長率進(jìn)入拐點(diǎn)的時(shí)間(Tp)、內(nèi)稟增長率(r)、進(jìn)入指數(shù)增長期(TEp)和靜止期的時(shí)間(TSp)均無顯著性影響; 對鹽生杜氏藻而言, 二氧化碳濃度升高顯著降低了鹽生杜氏藻的Tp和r值, 而對其K、TEp、TSp均無顯著性影響; (2) 在共培養(yǎng)體系中, 兩種微藻的K值均受到顯著抑制, 與單培養(yǎng)體系相比差異顯著(P＜0.05); 二氧化碳升高改變了兩種微藻的競爭關(guān)系, 微藻之間的競爭表現(xiàn)為向有利于米氏凱倫藻的方向發(fā)展。(3) 米氏凱倫藻去藻過濾液對鹽生杜氏藻產(chǎn)生抑制作用, 二氧化碳濃度升高加劇了這種抑制作用。

海水酸化; 米氏凱倫藻; 鹽生杜氏藻; 種群增長; 種間競爭

由于化石燃料的使用和植被破壞的加劇, 大氣中二氧化碳濃度(pCO2)不斷升高, 導(dǎo)致廣泛的環(huán)境、生態(tài)和氣候問題發(fā)生(Hughes, 2000; Solomonet al, 2009)。海洋是地球表面最大的碳源之一, 吸收了人類排放二氧化碳總量的四分之一; 大氣二氧化碳濃度升高也導(dǎo)致海水吸收更多的二氧化碳, 引起表層海水堿度下降, 導(dǎo)致海水酸化(ocean acidification)。自工業(yè)革命以來, 大氣中二氧化碳濃度由280ppmv上升到現(xiàn)在的399.6ppmv,海水pH值相應(yīng)下降了0.1個(gè)單位(Doneyet al, 2009)。在不改變現(xiàn)有能源使用結(jié)構(gòu)的情況下, 到22世紀(jì)初期,大氣二氧化碳濃度將升高至800—1000ppmv, 與工業(yè)革命前相比, 海水pH將會下降0.3—0.4個(gè)單位,pCO2將增加近 200%, 這種酸化速度在過去的幾億年間都未曾發(fā)生過(Gattusoet al, 1999; Caldeiraet al, 2003)。

海水酸化正改變海洋生物賴以生存的化學(xué)環(huán)境,進(jìn)而影響海洋中大部分生物的生長、繁殖、生理和代謝, 最終對海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。目前已經(jīng)有大量研究表明, 海水酸化會降低珊瑚、珊瑚藻類和貝類的鈣化量(Gaoet al, 1993), 從而降低顆石藻的鈣化速率, 導(dǎo)致細(xì)胞表面的鈣片脫落(Riebesellet al,2000), 對鈣化無脊椎動(dòng)物幼蟲的不利影響尤為顯著(Kurihara, 2008)。海水酸化對非鈣化生物也同樣會產(chǎn)生影響, Hein等(1997)指出, 走航調(diào)查時(shí)的二氧化碳加富實(shí)驗(yàn)表明, 二氧化碳濃度升高促進(jìn)了浮游植物群落的光合固碳; Wu等(2010)發(fā)現(xiàn), 二氧化碳濃度升高促進(jìn)了海洋硅藻三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)的生長和光合作用并且下調(diào)了其無機(jī)碳濃縮機(jī)制。浮游植物對二氧化碳濃度變化的響應(yīng), 因種類不同存在較大差異。例如, 生長在1000ppmv CO2的假微型海鏈藻(Thalassiosira pseudonana)的光合作用顯著高于在390ppmv條件下, 但是由于酸化條件下呼吸作用的增加, 生長速率并沒有增加(Yanget al, 2012)。在浮游植物種間競爭對二氧化碳的響應(yīng)方面, 李春雷(2009)發(fā)現(xiàn), 二氧化碳加富改變了金藻、中肋骨條藻和亞心形扁藻的種間競爭關(guān)系, 種群競爭向著有利于亞心形扁藻種群增長的方向發(fā)展, 使得亞心形扁藻由正常條件下的亞優(yōu)勢種變?yōu)槎趸技痈粭l件下的優(yōu)勢種。另外, 海水酸化將會影響動(dòng)物的受精(Havenhandet al,2008)及魚類嗅覺作用(Mundayet al, 2009)。然而, 海水酸化對有毒有害赤潮主要原因種——甲藻的影響鮮有報(bào)道。近年來, 有害赤潮的暴發(fā)頻率逐年增加, 已經(jīng)成為主要的海洋災(zāi)難之一。赤潮的生消過程與海水酸化有著密切的關(guān)系, 而有害赤潮藻種群生長以及與其他微藻的競爭關(guān)系對海水酸化的響應(yīng)仍未見報(bào)道。

米氏凱倫藻(Karenia mikimotoi)屬于裸甲藻目,凱倫藻屬, 為世界廣布種, 常見于熱帶和溫帶淺海水域。米氏凱倫藻能夠分泌具有一定細(xì)胞毒性的化感物質(zhì)(如溶血性毒素和魚毒素), 這些化感物質(zhì)的分泌能夠?qū)ζ渌Ｑ笊锂a(chǎn)生毒性效應(yīng)(周成旭等, 2007)。中國海洋災(zāi)害公報(bào)數(shù)據(jù)顯示, 近年來, 由米氏凱倫藻引發(fā)的赤潮屢見報(bào)道, 2003年至2009年我國近岸海域有 87次米氏凱倫藻赤潮, 累計(jì)發(fā)生面積超過36300km2; 2012年, 東海附近的大型有害赤潮優(yōu)勢種均為米氏凱倫藻。米氏凱倫藻已經(jīng)成為我國近岸海域主要的赤潮原因種之一。因此, 近期有關(guān)環(huán)境因子對米氏凱倫藻種群增長以及與其他微藻種間競爭關(guān)系的影響的報(bào)道頗多。例如, He等(2016)發(fā)現(xiàn), 在米氏凱倫藻和鹽生杜氏藻的混合培養(yǎng)體系中, 米氏凱倫藻為競爭優(yōu)勢種, 并且隨著溫度的升高或光照強(qiáng)度的降低, 米氏凱倫藻的競爭優(yōu)勢逐漸增大; 董文隆等(2011)發(fā)現(xiàn), 長時(shí)間的 UV-B輻射對米氏凱倫藻的種群生長有持續(xù)抑制效應(yīng); 斯丹等(2016)指出, 在米氏凱倫藻與中肋骨條藻的競爭過程中, 氮磷比濃度越高, 中肋骨條藻的競爭優(yōu)勢越明顯, 米氏凱倫藻所受抑制程度更大。本文選用米氏凱倫藻和鹽生杜氏藻為研究對象, 探究海水酸化對米氏凱倫藻和鹽生杜氏藻種群動(dòng)態(tài)變化以及種間競爭關(guān)系的影響, 以期為預(yù)測未來海水酸化對米氏凱倫藻赤潮的危害和生消的影響提供理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 藻種及培養(yǎng)條件

實(shí)驗(yàn)中所用的 2種海洋微藻——米氏凱倫藻(K.mikimotoi)和鹽生杜氏藻(D.salina)均取自中國海洋大學(xué)微藻種質(zhì)資源庫, 培養(yǎng)于裝有 f/2培養(yǎng)基的500mL三角瓶中, 海水取自青島市魯迅公園附近的自然海水, 光照強(qiáng)度為 80μmol/(m2·s), 光暗周期為12h:12h, 培養(yǎng)溫度為(20±0.1)°C, 每天定時(shí)搖動(dòng)三角瓶兩次, 防止微藻沉降。實(shí)驗(yàn)所用的兩種微藻均是處于指數(shù)生長期的藻種。

1.2 實(shí)驗(yàn)體系

1.2.1 海水酸化體系 海水酸化實(shí)驗(yàn)體系如圖1所示, 實(shí)驗(yàn)過程中選取了三個(gè)濃度的二氧化碳?xì)怏w, 二氧化碳濃度分別為390ppmv、1000ppmv (2100年的預(yù)測值)和 2000ppmv (2300年的預(yù)測值)。390ppmv為正常空氣(氣體取自人為干擾較小的室外),1000ppmv和2000ppmv濃度的CO2氣體是由高純二氧化碳?xì)怏w(99.99%)和空氣在二氧化碳光照培養(yǎng)箱(HP400G, 瑞華, 武漢)內(nèi)混合而成, 二氧化碳光照培養(yǎng)箱可以控制培養(yǎng)箱內(nèi)二氧化碳?xì)怏w的濃度。借助空氣壓縮泵將達(dá)到預(yù)設(shè)濃度的二氧化碳?xì)怏w通過0.22μm 的針式過濾器泵入培養(yǎng)瓶內(nèi)(Yanget al,2012)。微藻接種前, 預(yù)先向培養(yǎng)液中通各濃度的CO2氣體 24h, 使培養(yǎng)液中的碳酸鹽系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定, 測得穩(wěn)定后的 pH值分別為: 390ppmv: pHNBS8.10;1000ppmv: pHNBS7.78; 2000ppmv: pHNBS7.48。實(shí)驗(yàn)時(shí)先將目標(biāo)微藻培養(yǎng)至指數(shù)生長期, 然后分別接種到三種培養(yǎng)體系下進(jìn)行充氣培養(yǎng), 充氣速率為300mL/min。實(shí)驗(yàn)過程中每天用 pH計(jì)測定培養(yǎng)液中的 pH值, pH計(jì)(SevenCompactTM S210k, Mettler Toledo, 瑞士)使用前用 NBS(National Bureau of Standards, Hanna)標(biāo)準(zhǔn)緩沖液(pH 4.01、7.01和10.01)進(jìn)行三點(diǎn)校正。

1.2.2 單藻培養(yǎng)體系 將處于指數(shù)生長期的兩種海洋微藻分別接種于 300mL培養(yǎng)液中, 起始密度均為 5.0×104cell/mL,置于光照培養(yǎng)箱中連續(xù)培養(yǎng)18d。每隔5天用f/4培養(yǎng)基對培養(yǎng)液進(jìn)行加富; 每隔24h取1mL藻液, 用Lugol碘液固定, 通過血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)。每個(gè)培養(yǎng)瓶取3次計(jì)數(shù), 取平均值。每個(gè)二氧化碳濃度下, 設(shè)置三個(gè)平行樣品。

1.2.3 雙藻共培養(yǎng)體系 實(shí)驗(yàn)中將處于指數(shù)生長期的米氏凱倫藻和鹽生杜氏藻共同接種到300 mL培養(yǎng)基中, 起始藻細(xì)胞密度均為 5.0×104cell/mL, 密度之比為 1∶1, 連續(xù)培養(yǎng)18d, 設(shè)置三個(gè)平行組。每隔5天用f/4培養(yǎng)基對培養(yǎng)液進(jìn)行加富, 每隔24h取樣,血球計(jì)數(shù)板技數(shù), 觀察雙藻共培養(yǎng)體系中微藻細(xì)胞密度的變化。

1.2.4 米氏凱倫藻去藻過濾液培養(yǎng)鹽生杜氏藻在米氏凱倫藻去藻過濾液實(shí)驗(yàn)中, 在不同二氧化碳濃度下將米氏凱倫藻培養(yǎng)至指數(shù)生長期, 然后將米氏凱倫藻培養(yǎng)液經(jīng) 0.45μm醋酸纖維素膜過濾, 保留去藻過濾液。用f/2培養(yǎng)基對去藻過濾液進(jìn)行加富, 然后接種鹽生杜氏藻, 起始藻密度為 5.0×104cell/mL,以正常滅菌海水中單獨(dú)培養(yǎng)米氏凱倫藻為對照組,設(shè)置三個(gè)平行組, 連續(xù)培養(yǎng) 18d, 每隔 24h取樣觀察藻密度。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 環(huán)境負(fù)載能力、內(nèi)稟增長率和進(jìn)入平臺期時(shí)間的計(jì)算 利用Logistic方程的積分形式(公式(1))擬合兩種微藻種群增長曲線:

式中,Nt為時(shí)間為t時(shí)的種群數(shù)量(×104cell/mL);K為環(huán)境負(fù)載能力(×104cell/mL);r為種群內(nèi)稟增長率(/d);a為曲線對原點(diǎn)的相對位置;t為時(shí)間(d)

1.3.2 競爭抑制參數(shù)的計(jì)算 通過 Lotka-Volterra雙藻競爭模型的差分形式(Volterra, 1926):

在公式(2)和公式(3)中,tn代表種群進(jìn)入拐點(diǎn)的時(shí)間(d),分別代表共培養(yǎng)體系中鹽生杜氏藻和米氏凱倫藻在時(shí)間tn時(shí)的細(xì)胞密度(×104cell/mL);分別代表共培養(yǎng)體系中杜氏鹽藻和米氏凱倫藻在時(shí)間tn–1時(shí)的藻細(xì)胞密度(×104cell/mL);rD和rK分別代表杜氏鹽藻和米氏凱倫藻的內(nèi)稟增長率(/d)(單培養(yǎng)體系中計(jì)算所得);KD和KK分別代表杜氏鹽藻和米氏凱倫藻的環(huán)境負(fù)載能力(×104cell/mL)(單培養(yǎng)體系中計(jì)算所得);α和β分別代表共培養(yǎng)體系中米氏凱倫藻對鹽生杜氏藻, 鹽生杜氏藻對米氏凱倫藻的競爭抑制參數(shù)。理論上講, 兩種微藻競爭的可能結(jié)果有:

(1) 當(dāng)KD＞KK/β,KK＜KD/α?xí)r, 米氏凱倫藻在競爭中占有優(yōu)勢;

(2) 當(dāng)KK＞KD/α,KD＜KK/β時(shí), 鹽生杜氏藻藻在競爭中占有優(yōu)勢;

(3) 當(dāng)KD＜KK/β,KK＜KD/α?xí)r, 米氏凱倫藻和鹽生杜氏藻在競爭中共存;

(4) 當(dāng)KD＞KK/β,KK＞KD/α?xí)r, 可能出現(xiàn)平衡,但是這種平衡是不穩(wěn)定的。

1.3.3 統(tǒng)計(jì)分析 用 SPSS 19.0軟件的 one-way ANOVA在α=0.05水平上進(jìn)行組間差異性分析, 并用Sigmaplot 12.5作圖。數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(Mean±SD)方式給出(n=3)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同二氧化碳濃度下米氏凱倫藻的生長曲線及pH變化趨勢

不同二氧化碳濃度下, 米氏凱倫藻的生長曲線如圖1所示。不同二氧化碳濃度下的米氏凱倫藻生長曲線均呈現(xiàn)典型的“S”型增長模式。根據(jù)邏輯斯蒂種群增長模型對生長曲線進(jìn)行擬合的結(jié)果發(fā)現(xiàn)(表 1),二氧化碳濃度升高顯著提高了米氏凱倫藻種群的最大環(huán)境負(fù)載能力(P＜0.05), 且二氧化碳濃度越高, 對K值影響越顯著; 而二氧化碳濃度升高對米氏凱倫藻進(jìn)入拐點(diǎn)的時(shí)間(P＞0.05)、內(nèi)稟增長率(P＞0.05)、進(jìn)入指數(shù)生長期(P＞0.05)和靜止期的時(shí)間(P＞0.05)均無顯著性影響。培養(yǎng)過程中, 米氏凱倫藻培養(yǎng)體系的pH變化如圖1b所示, 結(jié)果表明, 培養(yǎng)體系中的pH隨著培養(yǎng)天數(shù)和藻細(xì)胞密度的增加而增加。

2.2 不同二氧化碳濃度下鹽生杜氏藻的生長曲線及pH變化趨勢

不同二氧化碳濃度下, 鹽生杜氏藻的生長曲線如圖2所示。不同二氧化碳濃度下的鹽生杜氏藻生長曲線均呈現(xiàn)典型的“S”型增長模式。根據(jù)邏輯斯蒂種群增長模型對生長曲線進(jìn)行擬合的結(jié)果發(fā)現(xiàn)(表 2),二氧化碳濃度升高顯著降低了鹽生杜氏藻進(jìn)入拐點(diǎn)的時(shí)間(P＜0.05)和內(nèi)稟增長率(P＜0.05), 而對種群的最大環(huán)境負(fù)載能力(P＞0.05)、進(jìn)入指數(shù)生長期(P＞0.05)和靜止期的時(shí)間(P＞0.05)無顯著性影響。培養(yǎng)過程中,鹽生杜氏藻培養(yǎng)體系中的pH變化如圖2b所示, 結(jié)果表明, 培養(yǎng)體系中的 pH值隨著培養(yǎng)天數(shù)和藻細(xì)胞密度的增加而增加。

2.3 共培養(yǎng)體系中米氏凱倫藻和鹽生杜氏藻的生長曲線及pH變化趨勢

在 390ppmv CO2條件下, 共培養(yǎng)體系中的鹽生杜氏藻和米氏凱倫藻的生長與單培養(yǎng)體系中相比均發(fā)生了明顯的變化(圖 3, 表 3)。與單培養(yǎng)體系相比,共培養(yǎng)體系中鹽生杜氏藻的K、Tp以及進(jìn)入指數(shù)生長期和靜止期的時(shí)間均顯著下降(P＜0.05), 但是r顯著增加(P＜0.05); 米氏凱倫藻只有K值和進(jìn)入指數(shù)生長期的時(shí)間顯著降低(P＜0.05), 而r、Tp進(jìn)入靜止期的時(shí)間均未發(fā)生顯著性變化(P＞0.05)。

圖1 不同二氧化碳濃度下米氏凱倫藻的生長曲線(a)及pH變化趨勢(b)Fig.1 The growth curves of Karenia mikimotoi (a)and the pH trend (b) at different pCO2

表1 不同二氧化碳濃度下米氏凱倫藻種群的生長參數(shù)Tab.1 The growth parameters of Karenia mikimotoi population at different pCO2

圖2 不同二氧化碳濃度下鹽生杜氏藻的生長曲線(a)及pH變化趨勢(b)Fig.2 The growth curves of Dunaliella salina (a) and the pH trend (b) at different pCO2

表2 不同二氧化碳濃度下鹽生杜氏藻種群的生長參數(shù)Tab.2 The growth parameters of Dunaliella salina population at different pCO2

圖3 共培養(yǎng)體系中, 不同二氧化碳濃度下鹽生杜氏藻(a)和米氏凱倫藻(b)的生長曲線及pH變化趨勢(c)Fig.3 The growth curves of Dunaliella salina (a) and Karenia mikimotoi (b) in co-culture and the pH trend(c) at different pCO2

在1000ppmv CO2條件下, 共培養(yǎng)體系中的鹽生杜氏藻和米氏凱倫藻的生長與單培養(yǎng)體系中的相比也發(fā)生了明顯的變化(圖3, 表3)。通過比較發(fā)現(xiàn), 與單培養(yǎng)體系相比, 共培養(yǎng)體系中鹽生杜氏藻在1000ppmv CO2條件下各種群參數(shù)的變化趨勢與390ppmv CO2條件下的變化趨勢相似。但是米氏凱倫藻表現(xiàn)出不同的變化, 1000ppmv CO2條件下, 相比于單培養(yǎng)體系, 除了共培養(yǎng)體系中的K值和進(jìn)入指數(shù)生長期的時(shí)間顯著降低(P＜0.05)外,r和Tp值也顯著性降低(P＜0.05)。

表3 共培養(yǎng)體系中不同二氧化碳濃度下鹽生杜氏藻和米氏凱倫藻種群的生長參數(shù)Tab.3 The growth parameters of Dunaliella salina and Karenia mikimotoi population at different pCO2 in the co-culture

在2000ppmv CO2條件下, 共培養(yǎng)體系中的鹽生杜氏藻和米氏凱倫藻的生長與單培養(yǎng)體系中的相比也發(fā)生了明顯的變化(圖3, 表3)。通過比較發(fā)現(xiàn), 與單培養(yǎng)體系相比, 共培養(yǎng)體系中鹽生杜氏藻在2000ppmv CO2條件下各種群參數(shù)的變化趨勢與390ppmv CO2條件下的變化趨勢相似。與單培養(yǎng)體系相比, 共培養(yǎng)體系中米氏凱倫藻K值、Tp值和進(jìn)入指數(shù)生長期的時(shí)間顯著降低(P＜0.05), 而r和進(jìn)入靜止期的時(shí)間均未發(fā)生顯著性變化(P＞0.05)。

培養(yǎng)過程中, 混合培養(yǎng)體系的pH變化如圖3c所示, 結(jié)果表明, 培養(yǎng)體系中的 pH隨著培養(yǎng)天數(shù)和藻細(xì)胞密度的增加而增加。

表4 不同二氧化碳濃度下鹽生杜氏藻和米氏凱倫藻的競爭抑制參數(shù)Tab.4 Results of competitive growth in co-culture ofDunaliella salina and Karenia mikimotoi in different pCO2

為了進(jìn)一步確定二氧化碳增加導(dǎo)致的海水酸化對兩種海洋微藻種間競爭關(guān)系的影響, 根據(jù) Lotka-Volterra雙藻競爭模型計(jì)算出抑制參數(shù)(表4), 結(jié)果表明, 在 390ppmv CO2條件下,Kk＞KD/β,KD＞KK/α, 米氏凱倫藻和鹽生杜氏藻在競爭中可能出現(xiàn)平衡, 但這種平衡是不穩(wěn)定的; 然而在 1000ppmv和 2000ppmv CO2條件下得到不同的結(jié)果,Kk＞KD/β,KD＜KK/α, 米氏凱倫藻在競爭中占據(jù)優(yōu)勢。

2.4 不同二氧化碳濃度下米氏凱倫藻對鹽生杜氏藻的化感作用

不同二氧化碳濃度下, 鹽生杜氏藻在米氏凱倫藻細(xì)胞過濾液中的生長曲線如圖4a所示。結(jié)果表明, 米氏凱倫藻的細(xì)胞過濾液能使鹽生杜氏藻的生長受到抑制, 差異極其顯著(P＜0.05), 說明米氏凱倫藻濾液中存在著抑制另一種微藻生長的化感物質(zhì)。另外, 通過比較不同二氧化碳濃度下鹽生杜氏藻在米氏凱倫藻細(xì)胞過濾液中的生長情況, 發(fā)現(xiàn) 1000ppmv和 2000ppmv CO2條件下, 鹽生杜氏藻的藻細(xì)胞密度顯著低于390ppmv CO2條件下的藻細(xì)胞密度, 說明高濃度二氧化碳條件下, 米氏凱倫藻細(xì)胞過濾液對鹽生杜氏藻的抑制作用更強(qiáng)。米氏凱倫藻細(xì)胞過濾液培養(yǎng)鹽生杜氏藻體系的pH變化如圖4b所示, 結(jié)果表明, 培養(yǎng)體系中的pH隨著培養(yǎng)天數(shù)和藻細(xì)胞密度的增加而增加。

圖4 不同二氧化碳濃度下鹽生杜氏藻在米氏凱倫藻細(xì)胞過濾液中的生長曲線(a)及pH變化趨勢(b)Fig.4 The growth curves of Dunaliella salina in filtrates medium of Karenia mikimotoi (a) and the pH trend (b) at different pCO2

3 討論

隨著大氣中二氧化碳濃度的不斷升高, 表層海水的 pH將不斷下降, 海水中的碳酸鹽系統(tǒng)將發(fā)生巨大的變化(Gattusoet al, 1999; Caldeiraet al, 2003)。未來的海水酸化必將對生存其中的海洋生物造成影響,尤其是生存在表層海水的浮游植物(高坤山, 2011)。實(shí)驗(yàn)過程中培養(yǎng)體系中的pH均隨著培養(yǎng)天數(shù)和藻細(xì)胞密度的增加而升高, 這與 Zou(2005)的結(jié)果相同。藻細(xì)胞的大量繁殖必定會吸收海水中更多的無機(jī)碳(CO2和 HCO3ˉ), 海水中 CO2減少, 必定會導(dǎo)致 pH的升高; 另外, 大部分藻類可以通過胞外碳酸酐酶水解HCO3ˉ來滿足光合作用對無機(jī)碳的需求, 而 HCO3ˉ水解生成CO2的同時(shí)也增加了海水中的OH–, 因此藻細(xì)胞吸收利用 HCO3ˉ也會導(dǎo)致海水中的 pH升高。藻類的其他生理過程(例如 NO3ˉ的吸收)也會使海水中的pH值升高(Axelsson, 1988)。另外, 藻類在生長的過程中會向外分泌某些溶解性有機(jī)物, 而這些有機(jī)物也將會改變海水中的pH。

目前已經(jīng)有大量研究表明, 二氧化碳升高導(dǎo)致的海水酸化將會使得顆石藻和珊瑚等鈣化生物表面的鈣質(zhì)溶解, 降低鈣化生物的鈣化作用, 而針對非鈣化生物的研究相對較少。已有研究表明, 二氧化碳濃度升高將下調(diào)浮游植物的無機(jī)碳濃縮機(jī)制, 但對其光合作用和生長的效應(yīng)不盡相同, 存在種間差異性,或促進(jìn)(Wuet al, 2010; Low-DéCarieet al, 2011), 或無影響(Chenet al, 2003; Fuet al, 2007), 或負(fù)面效應(yīng)(Montechiaroet al, 2010; Gaoet al, 2012)。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn), 單獨(dú)培養(yǎng)體系中, 二氧化碳濃度升高對兩種微藻的種群增長的影響既有相似性, 同時(shí)又存在一定的差異性。二氧化碳升高對米氏凱倫藻和鹽生杜氏藻進(jìn)入指數(shù)生長期和靜止期的時(shí)間均無顯著性影響。然而, 米氏凱倫藻最大環(huán)境負(fù)載能力顯著增加, 而對進(jìn)入拐點(diǎn)的時(shí)間(Tp)、內(nèi)稟增長率(r)無顯著性影響。對鹽生杜氏藻而言, 二氧化碳濃度升高降低了鹽生杜氏藻的Tp和r, 對最大環(huán)境負(fù)載能力無顯著影響。高濃度 CO2明顯促進(jìn)了米氏凱倫藻的生長, 最終導(dǎo)致了最大環(huán)境負(fù)載能力顯著提高, 這可能是由于高濃度 CO2條件下更多的得無機(jī)碳通過被動(dòng)擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞, 進(jìn)而減少了在無機(jī)碳獲取方面消耗的能量所導(dǎo)致的(Wuet al, 2010)。然而, CO2對生長的促進(jìn)作用并沒有在鹽生杜氏藻中得以體現(xiàn), 其最大環(huán)境負(fù)載能力未發(fā)生顯著變化并且內(nèi)稟增長率顯著降低, 其原因可能是 CO2升高在增加了光合固碳底物得同時(shí)會引起海水中的 pH值降低, 細(xì)胞需要消耗更多的能量來維持酸堿平衡, 進(jìn)而抵消了 CO2增加對鹽生杜氏藻的促進(jìn)作用, 甚至產(chǎn)生了負(fù)面效應(yīng)。浮游植物種群增長對 CO2升高響應(yīng)不同已被廣泛報(bào)道, 周立明等(2008)探究了三種赤潮微藻種群增長對二氧化碳濃度升高的響應(yīng), 結(jié)果表明, 三種微藻對二氧化碳濃度升高表現(xiàn)出不同的敏感性, 赤潮異彎藻最敏感, 塔瑪亞歷山大藻次之, 中肋骨條藻最不敏感; 于娟(2004)發(fā)現(xiàn), 高二氧化碳濃度促進(jìn)了6種海洋微藻的生長, 隨著時(shí)間的延長, 促進(jìn)效果更為明顯, 對二氧化碳的敏感性順序?yàn)? 塔胞藻＞亞心形扁藻＞小新月菱形藻＞金藻 8701＞鹽藻＞小球藻。浮游植物的種群生長對 CO2升高的響應(yīng)具有顯著的種間差異, 這種差異一方面歸結(jié)于物種自身生理、形態(tài)和遺傳等方面的特異性;另一方面, CO2升高對浮游植物類群將會產(chǎn)生正、負(fù)效應(yīng), 而正負(fù)效應(yīng)的凈值將決定浮游植物對其的最終響應(yīng)。

浮游植物對二氧化碳升高響應(yīng)具有明顯的種間差異性, 因此會改變目前浮游植物種群之間的競爭關(guān)系, 最終甚至?xí)绊懻麄€(gè)浮游植物的群落結(jié)構(gòu)。本研究結(jié)果表明, 與單培養(yǎng)體系相比, 共培養(yǎng)體系中米氏凱倫藻和鹽生杜氏藻的藻細(xì)胞密度均顯著降低。對共培養(yǎng)體系中米氏凱倫藻和鹽生杜氏藻生長曲線以邏輯斯蒂方程進(jìn)行擬合, 結(jié)果表明, 各二氧化碳濃度下, 共培養(yǎng)體系中鹽生杜氏藻和米氏凱倫藻的最大環(huán)境負(fù)載能力均顯著小于單培養(yǎng)體系的值。說明共培養(yǎng)體系中, 兩種微藻彼此間均存在抑制作用。表4結(jié)果顯示, 在 390ppmv CO2條件下,Kk＞KD/β,KD＞KK/α,米氏凱倫藻和鹽生杜氏藻在競爭中可能出現(xiàn)平衡,但這種平衡是不穩(wěn)定的; 然而在 1000和 2000ppmv CO2條件下得到不同的結(jié)果,Kk＞KD/β,KD＜KK/α, 米氏凱倫藻在競爭中占據(jù)優(yōu)勢。綜上可得, 二氧化碳濃度升高改變了米氏凱倫藻和鹽生杜氏藻的種間競爭關(guān)系, 從兩者間的不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)到米氏凱倫藻在競爭中占據(jù)優(yōu)勢。

通常而言, 海洋浮游植物之間的競爭方式主要有兩種, 一是通過對營養(yǎng)鹽的消耗速率來引起種間競爭的改變的資源利用型競爭, 另一種是直接的細(xì)胞接觸抑制或分泌化感物質(zhì)的相互干擾性競爭(Lampertet al, 2007)。本實(shí)驗(yàn)是在設(shè)定的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行的, 具有充足的營養(yǎng)物質(zhì)、光強(qiáng)以及適宜的溫度溫度, 因此我們推斷米氏凱倫藻與鹽生杜氏藻并非資源利用型競爭。而且已有研究表明, 米氏凱倫藻能夠分泌具有一定細(xì)胞毒性的化感物質(zhì), 這種化感物質(zhì)的分泌能夠?qū)ζ渌Ｑ笊镌飚a(chǎn)生一定的毒性效應(yīng)(周成旭等, 2007)。本研究中, 在營養(yǎng)物質(zhì)充足的情況下, 米氏凱倫藻細(xì)胞過濾液對鹽生杜氏藻的生長產(chǎn)生了明顯的抑制, 說明米氏凱倫藻是通過向?yàn)V液中分泌化感物質(zhì)從而抑制了鹽生杜氏藻的種群生長,另外, 藻細(xì)胞間的直接接觸以及細(xì)胞內(nèi)所含的活性物質(zhì)也會幫助其在競爭中占據(jù)更大的優(yōu)勢。另外, 通過比較不同二氧化碳濃度下的米氏凱倫藻去藻過濾液對鹽生杜氏藻的抑制作用, 結(jié)果發(fā)現(xiàn), 高濃度二氧化碳條件下米氏凱倫藻的無細(xì)胞過濾液對鹽生杜氏藻的抑制程度顯著大于低濃度二氧化碳條件下的抑制程度。已有研究表明, 化感作用效果與藻細(xì)胞密度成正相關(guān)關(guān)系(Granéliet al, 2003), 藻細(xì)胞密度越大時(shí), 分泌的化感物質(zhì)較多, 其毒性作用總體效果就越強(qiáng)。而單培養(yǎng)體系中, 高濃度條件下培養(yǎng)的米氏凱倫藻藻細(xì)胞密度顯著升高, 因此我們可以推測, 高濃度二氧化碳條件下米氏凱倫藻的競爭優(yōu)勢是由于藻細(xì)胞密度升高引起的單位體積培養(yǎng)液中化感物質(zhì)含量升高而導(dǎo)致的。另外, 高濃度二氧化碳條件下, 單位細(xì)胞分泌化感物質(zhì)增多可也能是導(dǎo)致米氏凱倫藻對鹽生杜氏藻抑制程度增加的原因。徐金濤等(2016)研究表明, 二氧化碳濃度升高顯著提高了塔瑪亞歷山大藻分泌的氨基甲酸酯類毒素(GTX1、GTX4), 從而改變了藻細(xì)胞的整體毒性作用。

雖然本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明海洋酸化條件下米氏凱倫藻去藻過濾液對杜氏鹽藻的抑制作用更明顯, 但是并沒有分析米氏凱倫藻所分泌的化感物質(zhì)的具體種類和數(shù)量以及對海洋酸化的響應(yīng)。因此, 進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)需探究海洋酸化條件下對米氏凱倫藻分泌化感物質(zhì)種類和數(shù)量上的變化情況, 以期為全面評估未來海洋酸化條件下米氏凱倫藻赤潮的危害提供理論根據(jù)。另外, 藻類的生存環(huán)境非常復(fù)雜, 藻類的關(guān)鍵生理過程的一些微小的變化都可能是幾個(gè)環(huán)境因子(如光強(qiáng), 營養(yǎng)鹽等)共同作用的結(jié)果, 并非單因子效應(yīng)。因此, 在研究海洋酸化的效應(yīng)的同時(shí), 應(yīng)將海洋酸化與溫度升高、營養(yǎng)鹽限制、光強(qiáng)增加以及UV-B輻射相結(jié)合, 進(jìn)一步探討海洋酸化和其他環(huán)境因子對海洋浮游植物的復(fù)合效應(yīng)。

4 結(jié)論

(1) 二氧化碳升高導(dǎo)致的海洋酸化改變了米氏凱倫藻和鹽生杜氏藻的種群生長, 兩種微藻種群生長對二氧化碳升高的響應(yīng), 既有相似性, 同時(shí)又存在一定的差異性。二氧化碳升高對米氏凱倫藻和鹽生杜氏藻進(jìn)入指數(shù)生長期和靜止期的時(shí)間均無顯著性影響。然而, 米氏凱倫藻最大環(huán)境負(fù)載能力顯著增加,而對進(jìn)入拐點(diǎn)的時(shí)間(Tp)、內(nèi)稟增長率(r)無顯著性影響。對鹽生杜氏藻而言, 二氧化碳濃度升高降低了鹽生杜氏藻的Tp和r, 對最大環(huán)境負(fù)載能力無顯著影響。

(2) 二氧化碳升高改變了米氏凱倫藻和鹽生杜氏藻的種間競爭關(guān)系, 競爭表現(xiàn)出向有利于米氏凱倫藻的方向發(fā)展。

(3) 米氏凱倫藻分泌的化感物質(zhì)對鹽生杜氏藻產(chǎn)生了抑制作用, 并且二氧化碳濃度升高加劇了這種抑制效應(yīng)。

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OCEAN ACIDIFICATION ON POPULATION GROWTH AND INTER-SPECIES COMPETITION BETWEENKARENIA MIKIMOTOIANDDUNALIELLA SALINA

HU Shun-Xin, YANG Ding, TANG Xue-Xi, ZANG Yu, ZHOU Bin
(College of Marine Life Science,Ocean University of China,Qingdao266003,China)

The effect of CO2-induced ocean acidification on population growth and inter-species competition between microalgaeKarenia mikimotoiandDunaliella salinawere investigated in differentpCO2at 390 (modern), 1000 (predicted value in 2100), and 2000 (predicted value in 2300) ppmv (parts per million by volume) under controlled laboratory conditions.The results showed that in mono-culture,pCO2could significantly increase the maximum environmental capacity (K) ofK.mikimotoi, while had no significant effects on the time at inflexion point (Tp), the intrinsic rate of increase (r), the time for entering exponential (TEp), and stationary growth phases (TSp); forD.salina, the values ofrandTpdecreased with elevatedpCO2, while the value ofK,TEpandTSpwere not significantly affected by elevatedpCO2.BothKvalues of the microalgae in co-culture were inhibited as compared to mono-culture (P＜0.05), and their competition changed simultaneously with elevatedpCO2.It seemed that elevatedpCO2broke the competitive balance and shift the competition gradually in favor ofK.mikimotoi.In the filtrate cultivation experiment, we found thatK.mikimotoifiltrate could significantly inhibit the growth ofD.salina, and the inhibitory effect was more significant under higherpCO2conditions.

ocean acidification;Karenia mikimotoi;Dunaliella salina; population growth; inter-specific competition

Q14

10.11693/hyhz20161100261

* 海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目, 201305027號; 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目, 41476091號。胡順鑫, 博士, E-mail:hushunxin001@163.com

① 通訊作者: 周 斌, 碩士生導(dǎo)師, 副教授, E-mail: zhoubin@ouc.edu.cn

2016-11-29, 收修改稿日期: 2017-03-07