低温对藻体吸放氧速度的影响

自２０世纪８０年代初，雷衍之等［１－２］提出并推广“冰下生物增氧技术”以来，人们开始认识到即使在温度较低的冬季，越冬池中同样存在着数量可观的浮游植物，并能进行正常的光合作用，其光合放氧是冰下水体溶氧的主要来源［３］。但是低温状况下浮游植物的放氧能力究竟如何，至今却鲜有报道，关于温度对浮游植物光合放氧能力影响的研究也主要集中在１０ ℃以上［４－８］，而弄清楚低温下，特别是０℃附近浮游植物的光合放氧能力，对越冬池中的溶解氧变动，以及各种越冬对象的安全越冬具有十分重要的理论与实践指导意义，为此，笔者选择了海水越冬池中常见的蛋白核小球藻（Ｃｈｌｏｒｅｌｌａｐｙｒｅｎｏｄｅｓａ）和裸甲藻（Ｃｙｍｎｏｄｉｎｉｕｍｓｐ．）进行了低温下的光合放氧和呼吸耗氧试验，对低温下浮游植物的光合放氧能力进行了初步研究，以期能够对海水池塘冰下水体的产氧能力评估提供理论依据。

１　材料与方法

１．１　藻种来源及培养

试验用蛋白核小球藻、裸甲藻均采自辽宁省盘锦光合水产有限公司三角洲分公司试验池。采回后培养于４℃恒温培养箱，光照周期为１２Ｌ∶ １２Ｄ。小球藻较纯，镜检中仅发现极少量椭圆小球藻（Ｃ．ｅｌｌｉｐｓｏｉｄｅａ），其生物量占总生物量的９９％以上；裸甲藻中含有少量等鞭金藻（Ｉｓｏｃｈｒｙｓｉｄａｃｅａｅｓｐ．）和蓝球藻（Ｃｈｒｏｏｃｏｃｃｕｓ　ｓｐ．），其生物量占总生物量的８０％～９０％。营养盐按Ｃｏｎｗａｙ配方配制，添加量与用水的体积比为１∶１０００。试验用海水（盐度为２３）经沉淀、过滤后煮沸，锥形瓶也经煮沸消毒。培养期间每日摇瓶数次。培养一周后开始试验。

１．２　主要仪器设备

控制温度采用ＭＰＧ－１０Ｃ型低温循环槽（上海一恒科技有限公司），精确度±０．１℃。循环槽规格３０．０ｃｍ×２４．０ｃｍ×２０．５ｃｍ。使用ＺＤＳ－１０Ｗ－２Ｄ型水下照度计（上海市嘉定学联仪表厂）测定光照度。

１．３　光合放氧、呼吸耗氧速率的测定

光合放氧、呼吸耗氧速率的测定采用改良后的黑白瓶法：用２５ｍＬ的标准磨口玻璃试管制作黑、白瓶。溶解氧（ＤＯ）的测定采用半微量碘量法［９］。通过测定试验前后的溶解氧变化求得净光合放氧或呼吸耗氧ΔＰＤＯ（ｍｇ／Ｌ），然后按下式计算净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为叶绿素ａ的质量浓度（ｍｇ／Ｌ），ｔ为曝光持续时间（ｈ）．

１．４　叶绿素含量的测定

采用９５％丙酮做萃取液的分光光度法测定叶绿素的含量。测定时取一定量的藻液（一般为１００～２００ｍＬ），用孔径为０．４５μｍ的醋酸纤维滤膜抽滤，抽干后将藻液及滤膜一同放入具塞离心管中，加入体积分数为９５％的丙酮溶液至１０ｍＬ，振荡提取叶绿素，放置冰箱冷藏过夜，３０００ｒ／ｍｉｎ离心１５ｍｉｎ，取上清液测定其吸光值，然后按下式计算其叶绿素含量［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为抽滤水样体积（ｍＬ）；Ｖ０为样品丙酮提取液体积（ｍＬ）；Ｌ为提取液测定吸光度Ａ时采用的比色皿规格（ｃｍ）．

１．５　不同温度条件下光合放氧速率的测定

由于测定温度与低温循环槽显示温度相差约０．６℃，故试验温度以实测温度为准。２种藻类分别设－１、０、１、２、３、４℃６个梯度组，每组３个平行，在光照度为２１００ｌｘ的条件下曝光１０ｈ，做初级生产力试验，测定其光合放氧速率。

２　结果

２．１　低温对２种单胞藻光合放氧速率的影响

在试验控制条件下，不同温度下２种单胞藻的光合放氧速率结果见表１、图１。由表１、图１可见，在低温条件下，小球藻和裸甲藻仍具有较强的光合放氧能力。即使在－１ ℃时，裸甲藻和小球藻每单位质量叶绿素ａ在单位时间内的光合净放氧速率仍可 分 别 达 （１１．９２±０．９７）μｍｏｌ／（ｍｇ?ｈ）和（３０．７８±２．１８）μｍｏｌ／（ｍｇ?ｈ）。并且在试验温度范围内，２种单胞藻的净光合放氧速率随温度的变化曲线基本相似，均随温度升高呈指数增长，拟合其回归方程见表２。由表１可见，在－１～４ ℃，温度提升对浮游植物的放氧能力具有显著促进作用。方差分析表明，小球藻的光合净放氧能力－１ ℃和０ ℃，２ ℃和３℃之间差异不显著，其他组间差异极显著；而裸甲藻的－１℃、０℃和１℃之间，２℃和３℃之间差异不显著，其他组间差异极显著。

２．２　低温对２种单胞藻呼吸耗氧速率的影响

试验条件下不同温度对２种单胞藻呼吸耗氧速率的影响见表１、图２。由表１、图２可见，在低温情况下，浮游植物的呼吸耗氧速率很低。在－１ ℃时，小球 藻 和 裸 甲 藻 的 呼 吸 耗 氧 速 率 分 别 仅 为（２．３０±０．１．４９）μｍｏｌ／（ｍｇ?ｈ）和（２．３４±０．８５）μｍｏｌ／（ｍｇ?ｈ）。方差分析表明，在水温低于２ ℃时，２种单胞藻不同温度组间的呼吸耗氧速率均无显著差别。但随着温度的升高，呼吸耗氧速率亦如其光合放氧速率一样呈指数增长，但不同藻类其增长速度也有所不同，２种试验单胞藻的增长回归方程见表２。

３　讨论

３．１　浮游植物光合放氧、呼吸耗氧速率与温度的关系

温度是一切酶促反应的控制因子，它对光合作用的光反应过程影响不大，对暗反应的酶促反应过程的影响较大［１１］，因此水温与初级生产力的关系密切。温度降低会对浮游植物的光合作用产生重大影响。一般认为，在浮游植物的最适温度以下随着温度的降低，浮游植物的生长逐渐减缓直至停止生长、甚至消失，其光合作用的强 度 也随之 逐渐 降低［１２－１３］。但在一些海洋浮游植物中，当温度在其适温范围内降低时，能够通过增加细胞碳和单位叶绿素ａ的固碳量，即通过增加细胞中酶的数量来补偿由于温度下降所引起的酶活性的减弱，从而减轻对浮游植物生长和光合作用的影响［１４］，如当水温由２０℃降至７℃时，骨条藻（Ｓｋｅｌｅｔｏｎｅｍａ　ｃｏｓｔａｔｕｍ）各细胞碳含量增加１倍［１５］，细胞仍保持较强的光合作用能力。本试验中，通过对２种单胞藻在低温下不同温度梯度的光合放氧、呼吸耗氧速率的测定表明，低温条件下浮游植物仍具有一定的光合放氧能力。即使在－１ ℃时，叶绿素ａ光合放氧速率仍可达１１．９２～３０．７８μｍｏｌ／（ｍｇ?ｈ）。虽然仅为很多浮游植物最适温度时放氧速率的１／２０～１／７［４－７］，但考虑到试验光照度仅２１００ｌｘ，远低于越冬期间的自然光照度（１０　２２８～５７７　２６ｌｘ，１０：００），其实际光合放氧速率应更大一些。而且此时的呼吸耗氧也低，仅为其净放氧速率的１／１３～１／５，表明浮游植物在低温条件下仍具有向水中供给足够氧气的能力。吴晓东等［１６］在对太湖、巢湖和玄武湖处于越冬期间的浮游植物进行原位光合作用活性的研究时也发现，大部分浮游植物在越冬期间仍具有光合作用活性。２００７—２００８年对盘锦部分海水越冬池的调查及海水越冬试验表明，海水越冬池的溶氧冰封时一般在溶解度附近，封冰后溶氧一般都上升，经过一段时间后其溶氧就达到过饱和，有的到一月中旬左右开始长期维持在２０ｍｇ／Ｌ，低时也在１５ｍｇ／Ｌ以上。这显然是海水浮游植物在低温下光合作用产氧的结果。同时，方差分析表明２种单胞藻不同温度组间的放氧速率差异均显著，表明低温条件下温度的小幅升高对浮游植物的光合放养速率具有显著促进作用。在温度较高时，特别是在浮游植物的最适温度附近改变时，温度的小幅增减对其放氧速率影响不大［４－５，７］，但在温度较低的越冬期间，水温的小幅升高却有着非常的意义。２００８—２００９年的越冬试验中，由于采取了添加淡水等措施，使越冬池中、下层水温大幅上升，最低在３ ℃以上，封冰后水中溶氧迅速上升，１１月底约１３ｍｇ／Ｌ，至１２月中旬基本上超过２０ｍｇ／Ｌ。虽然后期由于浮游动物的大量发生，部分池塘出现了底层溶氧偏低的情况，但这至少也说明在低温范围内，温度的提高可以增加浮游植物的放氧能力。

３．２　低温条件下单胞藻光合放氧、呼吸耗氧速率与种类的关系

单胞藻的光合放氧、呼吸耗氧速率与其种类有着密切的关系。叶绿体是光合作用的主要器官，但叶绿体变化很大，因植物种类不同而有很大区别，从而对光合放氧效果产生显著影响。同时叶绿体是一种不稳定的细胞器，能随着环境条件的改变而产生不同的适应性变化［１７－１９］。在藻类中，叶绿体形状多样，大小不等，有网状、带状、片状、星状等多种形态。此外，不同浮游植物其色素体的组成，含量也有很大不同。比如绿藻门的色素主要是叶绿素，金藻、黄藻主要是叶黄素，而蓝藻门则主要是藻胆素［２０－２２］。植物细胞色素的种类组成和含量在光合作用中具有决定性的作用，因为这些不同色素种类对光的需求范围和固碳能力都不同，最终必然表现为浮游植物光合放氧能力的不同。而且，众多的研究表明［４－８，２３］，影响浮游植物光合放氧、呼吸耗氧速率的因素很多，光照、温度、盐度、营养条件等均能影响其光合放氧速率，不同浮游植物都有自己最适的环境条件。比如同在２０ ℃时，玛塔亚历山大藻（Ａｌｅｘａｎｄｒｉｕｍ　ｔａｍａｒｅｎｓｅ）的 光 合 放 氧 速 率 可 达２２０μｍｏｌ／（ｍｇ?ｈ），而锥状斯氏藻（Ｓｃｒｉｐｐｓｉｅｌ　ｌａｔｒｏｃｈｏｉｄｅａ）的光合放氧速率为１８０μｍｏｌ／（ｍｇ?ｈ）［４］。

本试验中，不同温度下裸甲藻的光合放氧速率仅为小球藻的１／３～１／２，二者的呼吸耗氧速率却没有显著差别。表明低温条件下，不同浮游植物的光合放氧能力与高温时一样，有着很大差别。海水越冬池越冬期间浮游植物的种类组成对冰下水体的溶氧变动具有重要意义。但其原因究竟是因为色素组成和含量的差别、还是二者对某些环境因子的要求不同，或是兼而有之，还有待进一步的研究。