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温度和硅在水库浮游硅藻优势种生长和演替过程中的作用
张云
Subtype博士
Thesis Advisor李敦海
2018
Degree Grantor中国科学院水生生物研究所
Abstract饮用水源的水质一直备受关注,因为它直接关系到人类饮水的安全。随着河湖的污染加剧,水库逐渐成为重要的供水水源。与经常暴发蓝藻水华的浅水湖泊不同,饮用水水源水库常以硅藻占优势,在环境条件适宜的情况下,水库也会暴发硅藻水华,引起一系列的生态环境问题。有不少研究指出在不同的季节里占优势的硅藻种类各异,但很少有学者探究驱动这些潜在的水华硅藻种类季节变动的因素。目前国内对硅藻的研究主要偏重于海洋硅藻,对淡水硅藻的研究不多,尤其是在硅藻的生理生态及分子生物学方面,远不如海洋硅藻的研究领域广泛。在本研究中,我们以湖北省红安县唯一的饮用水源地——金沙河水库为研究对象,该水库总库容1.787亿m3,集水面积108 km2,平均水深12.53 m。首先调查了该水库的优势硅藻和环境因素的时空动态,来探究影响硅藻季节分布差异的主要环境因子,并将水库中优势硅藻进行了分离培养,进一步探究主要环境因子对这些优势硅藻的生理生态学方面的影响。本研究一方面力图揭示饮用型水源地中硅藻群落演替的机理,另一方面为填补对淡水硅藻某些研究领域还存在的空白提供数据支撑,最后,为同类水库的管理者提供水库水质管理的决策依据。具体研究内容和结果如下:1、通过周年调查发现,在一年的大部分时间中,湖北省黄冈市红安县金沙河水库的浮游植物群落中均以硅藻丰度为最高,硅藻丰度最高值为3.1×106 cells/L,且其中的5种优势硅藻丰度占总硅藻丰度的70.6%,这5种优势硅藻呈现明显的季节演替规律。经冗余分析(RDA)发现水温和硅是影响它们季节演替的主要环境因子,两者共解释了50.3%的硅藻变异程度;这两种环境因子随着季节的变化而改变,这种改变对硅藻有一定的限制或促进作用,并在时间尺度上的不同阶段发挥着各自的作用。通过对底泥藻类的周年调查发现,底泥中的藻类也以硅藻为主,并且硅藻丰度随着沉积物深度的增加而呈梯度减少;野外模拟实验表明底泥在水柱优势硅藻的季节演替过程中扮演着重要的角色,底泥为水柱提供硅藻种源,以供硅藻在适宜条件下再悬浮于上覆水层中进行大量生长,形成优势。5种优势硅藻经扫描电子显微镜和分子生物学方法分别鉴定为Achnanthidium catenatum(链状弯壳藻)、Fragilaria nanana(小针脆杆藻)、Ulnaria ulna(肘状针杆藻)、Asterionella formosa(美丽星杆藻)和Aulacoseira ambigua(模糊浮生直链藻),5种硅藻均适合用CSI培养基进行培养。2、室内恒温梯度实验表明,5种优势硅藻的最适生长温度范围不一致,Ac. catenatum和F. nanana的最适温度范围较广(10~30°C),U. ulna为广温适温种(10~30°C),它在20~30°C的比生长速率显著高于在10~15°C下的比生长速率,As. formosa为低温适应种(10~25°C),Au. ambigua为适温种(20~35°C)。5种优势硅藻对升温的响应具有物种特异性并受种间相互作用的影响。在没有种间相互作用的情况下,升温使Ac. catenatum和U. ulna在春季的丰度增加,使As. formosa在早春时的丰度增加,而对F. nanana和Au. ambigua的丰度没有明显的影响。种间相互作用不仅影响硅藻对升温的响应强度,还影响硅藻对升温的响应方式。3、测定了高温和低温胁迫下优势硅藻的叶绿素荧光参数及快速诱导动力学曲线(OJIP),以探究极端温度胁迫对硅藻光合性能的影响。结果表明,低温和高温胁迫均会损害硅藻的光合性能,高温胁迫下的损害程度明显大于低温胁迫。高温胁迫不仅伤害硅藻的光系统II(PSII)供体侧,阻碍电子向下游传递,还抑制PSII受体侧的电子传递。对低温胁迫敏感的种类在低温胁迫下主要是PSII受体侧的电子传递受到抑制。春秋适应种对高温和低温胁迫都比较敏感;广温种对低温胁迫不敏感,对高温胁迫能耐受的时间较长;广温适温种对低温和高温胁迫均具有较长时间的耐受性;低温适应种对低温胁迫不敏感,对高温胁迫极为敏感;高温适应种对低温胁迫较敏感,对高温胁迫相对于其它硅藻敏感性较弱。4、较高的初始梯度硅浓度或较低的恒定梯度硅浓度培养实验发现,硅藻对硅均具有高度依赖性。在本实验所设置的硅浓度梯度范围内,所有硅藻的比生长速率和生物量累积量都随着硅浓度的升高而增加,但过高的初始硅浓度也不利于硅藻的快速生长。在室内培养条件下,硅藻生长所需的硅阈值范围(< 0.04 mg/L)远低于硅藻在自然条件下生长所需的阈值范围(0.39~0.57 mg/L)。5、分离于金沙河水库的5种优势硅藻在混合培养条件下存在种间竞争,其中Ac. catenatum、F. nanana和U. ulna为竞争优势种,As. formosa和Au. ambigua则处于竞争弱势,且硅浓度越低,对处于竞争弱势的种类更不利。As. formosa在混养中被淘汰可能是因为F. nanana能够分泌某种(些)可抑制As. formosa生长的物质,但这种(些)物质经高温高压处理后失活。Au. ambigua在混养中最终被淘汰是因为它对营养盐的竞争能力不如其它硅藻,且较低的营养盐浓度不利于其生长,此外,Au. ambigua在混养中不受其它硅藻化感作用的影响。硅藻对硅的吸收动力学参数也显示Au. ambigua的半饱和常数(Ks)(3.530~3.842 μmol)在5种硅藻中最大,说明Au. ambigua对硅的亲和力较弱,在竞争中对硅的竞争能力也较弱;此外,硅藻对硅的最大吸收速率(Vm)与细胞体积成正相关,Ac. catenatum、F. nanana和U. ulna在高温下的半饱和常数(Ks)(分别为1.354 μmol,2.761 μmol和1.944 μmol)均高于低温下的Ks(分别为0.447 μmol,2.260 μmol和1.791 μmol),As. formosa在高温(28℃)下对硅无吸收,其Ks在低温(3.483 μmol)和常温(3.470 μmol)下没有显著差异,Au. ambigua的Ks在低温下(3.842 μmol)显著比常温(3.530 μmol)和高温(3.548 μmol)下的高。综上所述,饮用水源地金沙河水库优势硅藻的季节演替主要受水温和硅的驱动作用,这两种环境因子在时间尺度上的不同阶段限制或者促进硅藻的生长。底泥也在水柱优势硅藻的季节演替过程中扮演着重要的角色,是水柱中硅藻种来源的重要场所。水库优势硅藻的最适温度范围不一致,对升温的响应程度和方式各异,它们之间还存在种间相互作用,这种相互作用影响它们对升温的响应。极端温度胁迫会损害硅藻的光合性能,高温胁迫下的损害程度明显大于低温胁迫,不同种类的硅藻对极端温度胁迫的耐受程度和时间各不一致。硅藻对硅具有高度依赖性,但不同种类的硅藻对硅的亲和力不一致,Au. ambigua的Ks最大,对硅的亲和力最弱,因此在竞争中由于对营养盐的竞争能力不如其它硅藻而处于竞争弱势。As. formosa在竞争中也处于竞争弱势,可能是受到F. nanana分泌的某种(些)物质的抑制作用,但还需要进一步验证。
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.ihb.ac.cn/handle/342005/38997
Collection学位论文
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GB/T 7714
张云. 温度和硅在水库浮游硅藻优势种生长和演替过程中的作用[D]. 中国科学院水生生物研究所,2018.
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