不同硝酸盐浓度下渤海和黄海聚球藻生长曲线、色素含量变化——结果与讨论、结论-上海谓载科技有限公司

不同硝酸盐浓度下渤海和黄海聚球藻生长曲线、色素含量变化——结果与讨论、结论

来源：海洋科学发布时间:2024-10-08 14:54:38 浏览：81 次

2结果与讨论

2.1富集聚球藻的主要类群

流式细胞分析结果显示，富集样品主要为富含PC的聚球藻(图1)。高通量测序共测得269 977条序列，在97%的相似度下，共获得295个OTUs，其中OTU183为优势度最高的类群。系统进化分析结果表明，富集聚球藻以5.1亚类的cladeⅧ型为主，相似序列均分离自近海海域的浮游生物样本。

图1富集样本B12和H19的流式细胞荧光信号图以及系统进化树

注:*表示该OTU在样品中的相对丰度。B12和H19分别为采集于2020年8月渤海B12(38.87°N，119.67°E)和黄海H19(33.00°N，124.01°E)站位的聚球藻富集样本

聚球藻作为中国近海浮游植物的主要类群，种群多样性丰富，按系统发育组成可分为Subcluster 5.1、5.2和5.3三个大的亚类，包含至少20多个分支，按捕光色素蛋白组成可分为富含PC型和富含PE型的聚球藻。结果显示，聚球藻富集样本B12和H19样品间种群结构差异不明显，原位聚球藻经富集培养后种群趋于单一化。富含PE的聚球藻在硝酸盐浓度较高的环境中处于竞争劣势，因此在培养过程中其相对丰度降低，PC型聚球藻成为主要类群。聚球藻系统进化分析归类的cladeⅧ型是隶属于Subcluster 5.1的一类富含PC的聚球藻，对盐度和营养盐变化有较高的适应性，在河口区域的相对丰度远高于外海。

2.2不同硝酸盐浓度对聚球藻生长的影响

富集培养的聚球藻接种至改良的SNAX培养基中，聚球藻无适应期，快速进入对数生长期，且比生长速率迅速达到最大值(图2)。对数生长期时，不同硝酸盐浓度实验组间的聚球藻细胞生物量差异不大;对数生长期后，聚球藻细胞密度随硝酸盐浓度的增高而逐渐增高。当硝酸盐浓度为0.1、1.0、10.0μmol·L–1时，聚球藻培养体系所能支持的生物量较小且差异不显著。聚球藻细胞在对数生长期达到一定丰度后，细胞丰度不再增长，最高细胞密度为4.49×106 cells·mL–1。当硝酸盐浓度为100.0μmol·L–1时，聚球藻培养体系可支持的生物量更大，聚球藻细胞可持续增长直至稳定，最高细胞密度为1.35×107 cells·mL–1。不同硝酸盐浓度下，B12和H19聚球藻的生长特性存在差异，B12的对数生长期持续时间均少于H19。

图2不同硝酸盐浓度下聚球藻细胞密度以及最大比生长速率

注:B12和H19分别为采集于2020年8月渤海B12(38.87°N，119.67°E)和黄海H19(33.00°N，124.01°E)站位的聚球藻富集样本。标有不同小写字母者表示组间有显著性差异，标有相同小写字母者表示组间无显著性差异

高硝酸盐浓度可以支持的聚球藻生物量更大。在藻类生长初期，硝酸盐并不会成为藻类生长的限制因子;随着聚球藻的生长，硝酸盐浓度为0.1、1.0、10.0μmol·L–1的实验组氮源不足，藻细胞通过内源呼吸维持自身代谢和光合作用，藻细胞生长受到限制;而100.0μmol·L–1硝酸盐可提供给聚球藻细胞更多的营养，从而细胞不断增殖，达到稳定。实验采用了半连续培养方式，聚球藻细胞未呈现明显的衰亡期。聚球藻对不同硝酸盐浓度具有较强的适应性，但不同硝酸盐浓度组间生长状况存在较大差异，这主要是由其对硝酸盐吸收能力的不同引起。已有研究结果也发现，聚球藻在较高硝酸盐浓度下，生长会出现延迟效应，硝酸盐浓度由5μmol·L–1升高至156μmol·L–1时，其半饱和常数由较低水平(0.1~8μmol·L–1)提高至较高水平(1~156μmol·L–1)。聚球藻对硝酸盐浓度变化的迅速适应，可促使其在硝酸盐浓度波动较大的近海环境中细胞稳定增殖，获得相较于原绿球藻的竞争优势。

2.3不同硝酸盐浓度对聚球藻色素含量的影响

随着硝酸盐浓度的增高，聚球藻的Chl a浓度逐渐增高，藻胆蛋白含量无明显变化(图3)。以第15 d聚球藻藻细胞数计算单位细胞内的Chl a和藻胆蛋白含量，发现硝酸盐浓度升高对单位藻细胞内的Chl a累积无明显影响，但藻胆蛋白含量降低。当硝酸盐浓度为100.0μmol·L–1时，单位细胞内PC、PE和APC的含量最低，分别为0.779 pg·cell–1、1.002 pg·cell–1、0.726 pg·cell–1。同一硝酸盐浓度下，H19的Chl a含量显著高于B12(P<0.05)。在1.0μmol·L–1硝酸盐浓度下，B12样本的藻胆蛋白含量低于检出限。

图3不同硝酸盐浓度下聚球藻总叶绿素a、藻胆蛋白的浓度

Chl a作为一种光合色素，在光合作用中起到捕获光能的作用，能有效吸收、传递和转化光能，驱动有机碳转化为无机碳，是光能转化效率的重要表征参数。硝酸盐主要是利用光合作用中的H2O氧化形成O2的过程中释放的ATP进入细胞。随着硝酸盐浓度的增加，光能转化效率逐渐提高，光合作用增强，从而产生更多的ATP，促使更多的硝酸盐主动输入细胞，形成一种正反馈机制，有助于聚球藻将更多的光能转化为自身化学能，从而提高其初级生产力。除了Chl a，聚球藻还可利用藻胆体捕获和传递光能。氮是聚球藻藻胆蛋白的重要组成元素，直接影响藻胆体的合成。有研究表明，微藻主要通过调配用于氮固定和色素合成的能量，平衡氮缺乏的不利影响。高硝酸盐浓度下，聚球藻细胞密度较大，用于氮固定的能量较多，而用于藻胆蛋白合成的能量较少。这也是不同硝酸盐浓度下藻胆蛋白含量差异不大的主要原因。另外高硝酸盐浓度下，聚球藻细胞密度变大的同时，细胞间的遮光效应增强，单位细胞的捕光能力受到一定抑制。

2.4不同硝酸盐浓度对聚球藻光合生理参数的影响

不同硝酸盐浓度对B12和H19的Fv/Fm的影响不同。B12各组间的Fv/Fm无显著差异(P>0.05)，而H19的Fv/Fm随硝酸盐浓度的增大而逐渐减小(P<0.05)(图4)。当硝酸盐浓度为100.0μmol·L–1时，H19的Fv/Fm值与浓度为0.1μmol·L–1时相比，减少了43.27%，表明在高硝酸盐浓度的环境中，聚球藻H19所捕获的光能超过自身可利用的能力，光合作用受到的胁迫增大。不同浓度的硝酸盐对两种聚球藻富集样本的Qy影响不显著。

图4不同硝酸盐浓度下聚球藻的光合生理参数

Fv/Fm和Qy分别表示PSII的最大光化学效率和荧光量子产率，能够反映环境条件对藻细胞光合作用的胁迫。一般认为，硝酸盐可以通过其中间产物亚硝酸盐抑制植物光合作用。高浓度硝酸盐下，细胞膜内的质子通透性通常高于细胞膜两侧的质子梯度，从而导致光合作用所受到的胁迫增大。Sahay等和Chen等发现高亚硝酸盐浓度可抑制光合作用中心的电子传递速率和叶绿体产氧速率，使藻细胞的Fv/Fm值降低。

2.5不同硝酸盐浓度下培养体系中的营养盐及碳氮含量的变化

随着培养条件中硝酸盐浓度的增高，培养结束后H19的NO3-和PO43-的浓度逐渐降低(图5)。同时，当硝酸盐浓度为100.0μmol·L–1时，培养体系内的TIC和TOC的浓度较低，分别为9.96 mg·L–1和7.08 mg·L–1，TN的浓度无显著差异(P>0.05)(图6)。以第15 d培养体系中聚球藻藻细胞数计算单位细胞释放的TIC、TOC和TN含量，分别为0.68 mg·cell–1、0.48 mg·cell–1和1.55 mg·cell–1。结果表明随着硝酸盐浓度的增高，藻体利用氮和磷的生理反应会加快，对氮和磷的同化率会略有升高，导致其培养体系中测得的氮和磷营养盐浓度较低。虽然高硝酸盐浓度能够促进聚球藻对氮和磷的转化速率，但是培养体系中的总有机碳含量并没有显著提高，聚球藻生物量的增加主要提高了食物链的底层供给，对于溶解有机碳的输出影响较小。在实际海域，固碳并不等于储碳，有机物的过量可能导致大量细菌滋生，从而将浮游植物固定的有机碳再次释放入大气中，同时消耗大量氧气，使生态系统进入恶性循环。因此，适当的营养盐浓度将有助于避免富营养化并促进浮游植物生长，提高生物泵效率从而保持较高的储碳能力。

图5不同硝酸盐浓度下聚球藻培养体系中NH4+、NO3–、NO2–和PO43–浓度

图6不同硝酸盐浓度下聚球藻培养体系中的TIC、TOC和TN浓度

氮是影响微藻生长的重要因素。过低的氮浓度会影响微藻细胞的三羧酸循环及叶绿素合成，降低其光合效率，而过高的氮浓度会导致微藻细胞中毒，生长受到抑制。已有研究表明，氮添加可促进浮游植物净生长率的增加，但PSII光合作用参数Fv/Fm和σPSII与氮添加并无直接关系;氮缺乏条件下微藻生理水平上的响应与光照过量相似，会发生光合色素降解光合能力下降的现象，而代谢水平上合成胞外聚合物的能力会增强进而影响藻际环境微生物的丰度。硝酸盐的同化主要依靠活性的硝酸盐转运蛋白(NRT)，硝酸还原酶(NR)和亚硝酸盐还原酶(NiR)。其中，NRT主要负责将硝酸盐输送入细胞，NR和NiR促进硝酸盐还原为铵。当硝酸盐浓度较高时，NRT、NR和NiR基因的表达量较高，从而促进硝酸盐的同化。聚球藻在全球海洋中数量巨大、分布广泛且周转迅速(相当于海洋中浮游植物的五倍)，是海洋异养生物的主要食物来源之一，同时也为异养细菌提供了重要碳源和营养源。高浓度的硝酸盐可促进海洋中的聚球藻增殖，提升氮磷同化速率，提高底营养级的供给。但本研究也存在一定的局限性。富集样品的聚球藻种群趋于同质化，与实际海域原位聚球藻有差异，主要原因是富集培养条件过于单一，培养基中的营养盐浓度较高，导致聚球藻中的机会类群迅速适应成为绝对优势种。B12和H19以rpoC1为标记的种群组成差异不大，优势种均为OTU183，但实验结果中两者对硝酸盐的响应在生长特性、光合参数方面存在较大的差异，主要由聚球藻在原海域生态位中水平转移造成的适应性基因的转入引起。另外培养实验的“瓶颈效应”也会影响浮游植物响应特征。在30 mL至4 L的容积范围内，培养瓶容积对浮游植物生长有显著影响。采用围隔开展原位培养实验将有助于进一步探究不同硝酸盐浓度对聚球藻种群的影响。

3结论

通过研究不同硝酸盐浓度下聚球藻的生长趋势、光合色素含量、光合生理参数以及培养体系中碳氮含量的变化，发现聚球藻对硝酸盐浓度具有较高的适应能力。聚球藻在不同硝酸盐浓度下均能实现生长，当硝酸盐浓度较高时，聚球藻培养体系可支持的生物量显著提高，且对光能的转化效率更高，光合作用更强。光合作用产生的能量促进了聚球藻对硝酸盐以及碳、磷等营养物质的吸收，但其捕获的光能超过自身可利用的能力，导致其光合效率降低。研究结果证实高硝酸盐浓度能够促进聚球藻将更多的光能固定为自身化学能，提高氮、磷在海洋食物链的吸收转化，然而其产生增量的效率较低，对浮游生态系统的储碳促进作用相对较小。

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