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固氮与非固氮蓝藻营养利用策略及其生态学意义; Nutrient utilization strategies of N2-fixing and non-N2-fixing cyanobacteria and their ecological significances
Wang SY(王司阳)
Subtype博士
Thesis Advisor周易勇
2017-05
Degree Grantor中国科学院水生生物研究所
Abstract蓝藻水华是湖泊富营养化的重要特征,因其能导致严重的水体生态、经济甚至健康危害,已成为世界性的环境问题。然而,氮与磷对固氮和非固氮蓝藻生长的限制作用以及藻类对营养限制的响应机制仍不甚明晰,故旨在控制水华的营养削减主张迄今众说纷纭,具代表性且有明显分歧的观点为磷的单独削减,或氮磷共同削减。由此引发出下述科学问题:1. 藻类对磷的需求是否具种类差异性?2. 固氮与非固氮蓝藻的营养利用策略有何异同?3. 固氮与非固氮蓝藻的营养利用策略在其水华过程中的作用?4. 藻类的营养利用策略对于受人类活动干扰水体的营养丰缺程度是否具有指示意义?生物化学和分子生物学技术的发展为回答上述问题提供了可能,如荧光标记技术能借助荧光显微镜判定藻类是否奢侈吸收磷并形成多聚磷酸体(polyphosphate bodies, PPB)或分泌胞外磷酸酶利用有机磷,编码磷转运蛋白(pstS)、磷酸酶(phoA、phoX和phoD)和固氮酶(nifH)基因表达的改变将从分子生物学水平上展示藻细胞对外界氮与磷浓度的响应策略。本文以上述问题为主线,以分子生物学与经典技术的结合为主要实验方法,着重探讨了藻类,尤其是固氮(水华鱼腥藻Anabaena flos-quae)和非固氮蓝藻(铜绿微囊藻Microcystis aeruginosa)对氮和磷生物可利用性的响应及其在蓝藻水华过程中的作用。最后,在东湖、巢湖和三峡水库初步验证了相关研究结论,主要研究结果如下:1、 2013年1月至2014年12月武汉市青菱湖逐月野外调查结果表明,草型湖区藻类生物量明显高于藻型湖区相应值,两湖区藻类群落结构亦有显著差异。路径方程分析结果显示,草型湖区藻类生物量主要受沉积物酸磷、碱磷等有机磷浓度的影响,而藻型湖区藻类生物量则与沉积物铁磷、钙磷等无机磷浓度显著相关。酶荧光标记(ELF)结果表明,微囊藻、鱼腥藻和平裂藻等蓝藻在两种类型湖区均可被检测到,但均未见ELF标记。绿藻(如栅藻,盘星藻,蹄形藻等)、甲藻常被磷酸酶荧光标记,暗示其磷限制状态以及并分泌胞外磷酸酶利用有机磷的补偿策略,草型湖区藻类的ELF标记百分比明显高于藻型湖区(分别为30%和10%),部分藻类在磷浓度较高的藻型湖区不分泌磷酸酶,而在磷浓度较低的草型湖区分泌。上述结果说明藻类可采用分泌胞外磷酸酶水解有机磷的策略来缓解磷的限制,胞外磷酸酶的产生在一定程度上受溶解反应性磷(SRP)浓度的调节,且这一策略具种类特异性。因此,藻类对磷的需求具有种间差异,绿藻和甲藻等对磷的需求较高,而蓝藻则相对较低。2、 室内培养实验结果表明,不同株系的铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)在缺磷条件下均未见ELF标记,即不分泌胞外磷酸酶,生物信息学分析结果亦表明,微囊藻合成的碱性磷酸酶位于细胞质内,且不具备信号肽功能,故难以通过经典的双精氨酸转运(twin arginine transport, Tat)途径分泌到胞外,上述结果暗示微囊藻可能难以借助分泌胞外碱性磷酸酶水解有机磷来缓解磷的限制,其对低磷的响应更多地依赖于无机磷的吸收和贮存。对不同浓度无机磷的响应结果表明,微囊藻在中低浓度时形成多聚磷酸体(PPB),当SRP浓度为0.059mg/L时,含PPB细胞占总细胞数的比例达最大值,约26.9%。相反,鱼腥藻则分泌胞外磷酸酶响应磷的缺乏,以phoD表达显著上调和ELF标记为证,pstS表达上调与PPB的储存亦为其对低磷的响应策略。值得注意的是,上述过程还受无机氮浓度的调节。加氮后,鱼腥藻的phoD表达明显上调且胞外磷酸酶活性显著提高,pstS的表达和PPB数量亦明显上升,此外,鱼腥藻的固氮作用较高的无机磷浓度有助于鱼腥藻异形胞分化与nifH的表达。简言之,固氮和非固氮蓝藻的磷利用策略明显不同,且固氮蓝藻对氮与磷的利用策略不仅受各自生物可利用性的调节,还相互影响。3、 2015年逐月野外调查结果表明,巢湖存在固氮蓝藻水华鱼腥藻与非固氮蓝藻铜绿微囊藻的演替。其中,3月时巢湖鱼腥藻优势最为明显,其平均比例达72.1%,而至6月时,微囊藻水华最为严重,其平均比例比达96.7%。主成分分析结果表明,氮磷营养变量以及pH、透明度等均为关键影响因子,且不同蓝藻水华时期,影响因子亦存在差异,鱼腥藻优势期时,总氮(TN)为最关键因子,而微囊藻优势期,总磷(TP)则为最关键因子。巢湖鱼腥藻-微囊藻演替期(5月-6月)的野外调查结果表明,鱼腥藻占优势时,可通过分泌胞外碱性磷酸酶缓解磷的限制,而随着鱼腥藻-微囊藻的演替,沉积物反硝化速率逐渐增高,水柱中DIN/SRP逐渐降低,此时水中SRP绝对浓度仍处以较低水平,微囊藻实施PPB策略的条件得以满足,故取代鱼腥藻成为水华优势种。武汉市官桥池塘2014年6月-7月密集野外调查结果亦表明,鱼腥藻占优势时,水柱DIN/SRP相对较高,此时鱼腥藻分泌碱性磷酸酶,而随着DIN/SRP的逐渐降低,鱼腥藻开始形成大量多聚磷酸体,微囊藻随之占据优势。简言之,不同水华蓝藻磷利用策略迥异,且与其演替相关,而无机氮浓度可能在其间产生重要的影响。 4、 经历隧道施工的东湖,水柱中碱性磷酸酶活性(APA)与溶解性总磷显著负相关,暗示着藻类磷的缺乏。在施工区域,水柱和沉积物的APA均显著低于其他湖区,表明施工湖区受到了来自沉积物的生物可利用性磷的补给,湖泊施工干扰可通过提高氧化还原敏感性磷的释放从而影响沉积物-水界面的磷循环模式,从而加速了水柱中藻类的生长。此外,三峡水库2012年8月-2013年4月四个季节不同断面Chl a浓度与总磷和SRP浓度均极显著负相关(P<0.01),但不同藻类胞外磷酸酶的ELF标记说明了磷对其生长的关键限制性作用, 这可能缘于泥沙对磷的吸附与沉降有效降低了其生物可利用性。总之,胞外碱性磷酸酶活性可有效指示湖泊和水库中藻类磷的缺乏。综上所述,藻类可通过增加无机磷的转运和分泌磷酸酶等方式来响应无机磷的缺乏,在磷丰富条件下吸收过量的磷并储存在PPB中以供缺磷时使用也是藻类克服磷限制的重要机制。固氮和非固氮蓝藻的磷利用策略迥异,且在其水华过程中具有重要作用;值得注意的是,固氮蓝藻的磷利用策略不仅受无机磷浓度的调节,还受控于氮的供给,换言之,氮的增加有助于蓝藻克服磷的限制,这一结果强调了在磷限制水体对氮的控制意义;此外,固氮蓝藻可通过固氮作用来缓解氮的限制,高磷浓度明显有助于固氮作用,这一结果又强调了在氮限制水体增加磷的风险,因此,氮和磷的代谢虽然在生物化学功能上是独立的,而在生理生态学上则相互依赖。总之,本文从生理生态学的角度阐明了氮磷代谢在细胞水平的相互依赖性,进而丰富了生态酶学的理论,同时为氮磷共同削减的湖泊管理决策奠定了理论基础。
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.ihb.ac.cn/handle/342005/31130
Collection水环境工程研究中心_学位论文
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GB/T 7714
王司阳. 固氮与非固氮蓝藻营养利用策略及其生态学意义, Nutrient utilization strategies of N2-fixing and non-N2-fixing cyanobacteria and their ecological significances[D]. 中国科学院水生生物研究所,2017.
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