温度、光照和氮磷浓度对谷皮菱形藻生长的影响

温度、光照和氮磷浓度对谷皮菱形藻生长的影响
徐婷婷;路建周;靳萍;杨佩昀;高伟;蔺庆伟;马剑敏
【摘要】In this study , the effects of temperature , illumination , nitrogen and phosphorus concentration on the growth of Nitzschia palea were investigated.The results showed that N.palea could survive and grow in a wide range of temperature 15~35 ℃with the highest growth rate on
35 ℃.N.palea had a relatively higher cell density during illumination of 1 000~5 000 lx, and it had the maximum cell density at1 000 lx while grown fastest at 5 000 lx.In the experment of nitrogen and phosphorus concentration , the nitrogen concentration was set two groups 1 mg/L and 11 mg/L, and each group set one phosphorus concentration gradient 0.05, 0.1, 0.5 mg/L.The consequence indicated that there was highly significant difference between the specific growth rate of different treatment.Under the condition of low nitrogen concentration (1 mg/L) with phosphorus concentration of 2 mg/L, the N.palea could reach the maximum specific growth rate.However, under the condition of high N stress (11 mg /L) with phosphorus concentration of 0.1 mg/L, the algae specific could grow fastest.%以硅藻中的谷皮菱形藻（ Nitzschia palea）为实验材料，研究了温度、光照、氮和磷浓度对其生长的影响。

结果显示，谷皮菱形藻对温度的适应范围较广，15～35℃范围内均可生长，当温度为35℃时比生长率最大。

在光照1000～5000 lx范围内，谷皮菱形藻均能达到较高的细胞密度，光照为1000 lx时，其最终细胞密度最大，光照5000 lx时，比生长速率最大。

在氮磷浓度实验中，氮浓度分别定位于1 mg/L和11 mg/L，每个氮浓度下设置磷浓度梯度为0.05、0.1、0.5、2
mg/L，结果显示不同处理间藻的比生长速率存在极显著差异。

在低氮条件下，磷浓度为2 mg/L时比生长速率最大；在高氮条件下，磷浓度为0.1 mg/L时比生长速率最大。

【期刊名称】《淡水渔业》
【年(卷),期】2014(000)003
【总页数】6页(P39-44)
【关键词】谷皮菱形藻( Nitzschia palea);温度;光照;氮;磷
【作者】徐婷婷;路建周;靳萍;杨佩昀;高伟;蔺庆伟;马剑敏
【作者单位】河南师范大学生命科学学院，河南新乡 453007;安阳幼儿师范高等
专科学校，河南安阳 455000;河南师范大学生命科学学院，河南新乡 453007;河
南师范大学生命科学学院，河南新乡 453007;河南师范大学生命科学学院，河南
新乡 453007;河南师范大学生命科学学院，河南新乡 453007;河南师范大学生命
科学学院，河南新乡 453007
【正文语种】中文
【中图分类】S931.3
硅藻与人类的生活和生产关系十分密切，现已广泛应用于水产养殖、环境监测、再生能源等方面［1］。

目前国内对硅藻的研究主要以自然生态特征和分类学研究为主［2］，生态因子方面的研究也越来越受到重视［3-4］。

在硅藻的生长过程中，光照、温度等环境因子的变化会使硅藻的生长发生相应变化。

水体中氮磷浓度的变化，对控制硅藻数量也存在着显著影响。

不同藻种之间，最适宜的生长条件存在着较大差异。

作为常见的单细胞浮游藻类，谷皮菱形藻(Nitzschia palea)是硅藻中的代表种，它生长速度较快，营浮游或底栖生活，广泛分布于世界各海水、半咸水及淡水水域，是我国沿海常见的赤潮生物［5］。

谷皮菱形藻因含有丰富的营养物质，可以作为鲍、海胆、海参等名贵经济动物生长的饵料，是海洋渔业中应用较广的优良藻种［3］，而它能否在淡水养殖中得以推广，具有潜在经济价值和研究意义。

另外菱形藻属也是环境污染监测指示种，并具有净化污水的能力［6］。

本实验研究温度、pH和氮、磷浓度对谷皮菱形藻增殖的影响，为深入了解其生长繁殖规律提供科学依据，对该藻的培养、应用，以及了解该藻的暴发机理具有重要意义。

谷皮菱形藻(Nitzschia palea)由中国科学院水生生物种质库淡水藻种库提供。

选用D1培养基［7］培养藻种，于光照培养箱内保存，定期接种。

培养条件为:温度25℃，光暗比14 h∶10 h(光:暗)，光照度2 500 lx。

操作过程及器皿用常规方法
灭菌。

1.2.1 温度实验
将处于对数生长期的藻种接种到盛有200 mL D1培养液的250 mL三角瓶中，分别置于15、20、25、30、35℃光照培养箱中培养20 d，光照度2 500 lx，光暗
比为14 h∶10 h，每个处理设3个重复。

1.2.2 光照实验
将处于对数生长期的藻种接种到盛有200 mL D1培养液的250 mL三角瓶中，分别置于1 000、2 000、3 000、4 000、5 000 lx光照培养箱中培养20 d，温度
为25℃，光暗比为14 h∶10 h，每个处理设3个重复。

1.2.3 氮、磷浓度实验
将处于对数生长期的藻种接种于添加一定氮磷浓度的200 mL D1培养基中。

实验分8个处理组，以NaNO3为氮源，设置两个水平:N含量分别为1 mg/L和11 mg/L;以K2HPO4为磷源，设置四个浓度梯度:P含量分别为0.05、0.1、0.5和2
mg/L。

培养时间20 d，温度为25℃，光照度2 500 lx，光暗比为14 h∶10 h，每个处理设3个重复。

1.3.1 藻种密度
取处于对数生长期的谷皮菱形藻藻液，用紫外分光光度计扫描其在400～800 nm 的吸光值，确定其最大吸收峰的波长为676 nm(图1)。

以相同初始条件接种3瓶藻进行纯培养，培养14 d，每隔2 d用分光光度计测定藻液吸光值(OD)，并用血球计数板测定藻细胞密度，建立细胞数与吸光值OD间的回归方程:y=3.726
4x+0.079 8，其中x为吸光值(OD)，y为细胞密度(106个/mL)，回归系数
R2=0.976 7，P＜0.05，因此可以用吸光值直接反应藻细胞密度。

所有培养实验中，每天摇瓶1次。

接种后每2 d取藻液，在最大吸收峰波长下测定藻液吸光值，以吸光值的变化表示藻细胞的生长情况。

1.3.2 细胞生长率
采用以下公式计算谷皮菱形藻的比生长率:
式中:μ是比生长速率(d－1)，t1、t2为培养时间(d)，N1和N2分别为培养t1和t2时藻液的吸光值。

每个条件下的比生长率为生长指数期时的生长率平均值。

应用Excel 2003软件进行数据处理和作图，应用SPSS 17.0软件进行数据分析。

2.1.1 温度对谷皮菱形藻生长的影响
谷皮菱形藻在温度实验中的生长情况如图2所示，总体上，各个温度下均能正常生长，温度高能促进其较快生长，而温度低则明显抑制了该藻的生长，较低温度下该藻有较好的持续性。

高温下谷皮菱形藻较早进入指数生长期，30℃和35℃下藻的生长曲线几乎重叠，说明30℃和35℃下藻种的生长势相近，它们在第2天率先进入对数生长期，经过短暂的几天对数生长期后，很快停止生长，第12天达到最大细胞密度，14 d后开始衰亡。

20℃条件下藻种前期的生物量低于25℃条件下，而第6天后生长速度加快，并一直保持较高的生长速率，第18天时的生物量已超
过25℃条件下。

15℃条件下，谷皮菱形藻生长较缓慢。

2.1.2 比生长速率分析
根据式(1)计算谷皮菱形藻的比生长速率，结果如图3所示。

比生长速率的方差分
析表明，不同温度对其比生长速率影响极显著(P＜0.01)。

选用LSD(least significant difference)法进行多重比较，结果表明:所设置温度梯度间作用差异大，在P为0.05和0.01显著水平上，均可分为4个组别:25℃和30℃作用同为一组，其组间差异不显著。

因此，可以认为水温35℃时，谷皮菱形藻生长最快。

2.2.1 光照对谷皮菱形藻生长的影响
实验期间谷皮菱形藻的生长情况如图4所示。

不同光照度对其生长快慢有一定的
影响。

12 d以前，各个光照度下藻种的生长曲线大致相同，并无明显规律。

12 d 后，5 000、4 000、3 000 lx条件下的藻种相继到达稳定期，而1 000 lx和2 000 lx条件下依然保持较快生长，1 000 lx光照度下藻种生长最好，达到最大生
物量。

在第12天之前，弱光下(1 000 lx)细胞增长率显著低于其他4组，但其指数生长
期延长，在进入稳定期时细胞数目反超其他组。

而在高光照度下(5 000 lx)，谷皮
菱形藻指数生长期缩短，细胞老化加快。

2.2.2 比生长速率分析
根据式(1)计算谷皮菱形藻比生长速率，结果如图5所示。

LSD法多重比较分析，
不同光照处理间差异极大，在P为0.05和0.01显著水平上，均可分为3个组
别:1 000 lx和2 000 lx为一组，3 000 lx和4 000 lx为一组，5 000 lx为一组。

因此可以认为，光照度5 000 lx时藻种生长最快。

2.3.1 不同氮磷浓度对谷皮菱形藻生长的影响结果
由不同N浓度下的生长曲线(图6，8)可知，谷皮菱形藻在高氮(11 mg/L)条件下
较低氮(1 mg/L)时长势好。

在低氮不同磷浓度梯度下，种群增长幅度较小，第8天以前，各处理间生长曲线
相似，并无明显差别，第8天以后，磷浓度2 mg/L组细胞密度明显增加，而另外三组生长缓慢，没有明显差别。

在高氮不同磷浓度梯度下，在第8天以前，P浓度0.05、0.1、0.5 mg/L处理间
生长曲线相似，2 mg/L组相对生长缓慢。

在经过短暂的几天对数生长后，0.05、0.1 mg/L两组在第14天达到最大生长量，之后很快停止生长，进入衰亡期，而0.5 mg/L组持续性较好，直到20 d还处于对数生长期。

2.3.2 比生长速率分析
根据式(1)计算各处理下谷皮菱形藻比生长速率，结果如图7、9所示。

由方差分析可知，高氮和低氮条件下，其比生长速率差异显著(P＜0.05)，高氮条件下相对生
长较快。

在低氮条件下，不同磷浓度对其生长速率的影响显著(P＜0.05)。

进行LSD法多重比较分析，在P为0.05和0.01显著水平上，均可分为2个组别:0.01、0.1、0.5 mg/L为一组，2 mg/L为一组。

可以认为磷浓度2 mg/L时谷皮菱形藻生长最快。

在高氮条件下，不同磷浓度对其生长速率的影响极显著(P＜0.01)。

进行LSD法多重比较分析，在P为0.01显著水平上可分为3个组别:2 mg/L为一组，0.5 mg/L 为一组，0.1 mg/L和0.05 mg/L为一组。

可以认为磷浓度0.1 mg/L或0.05
mg/L时谷皮菱形藻生长较快。

温度是影响浮游植物生命活动的重要因素。

Eggert等［8］指出浮游植物的遗传特性决定了其对温度的耐受程度，每种微藻都有其最佳生长温度和最适生长的温度范围。

绝大多数硅藻在5～40℃的范围内都能存活，适温范围在15～30℃。

例如新月菱形藻(Nitzschia closterium)、铲状菱形藻(Nitzschia paleacea)、杷夫藻(Pavlova sp.)的适温范围分别为20～30℃，10～25℃和15～30℃［4］。

本实
验中的谷皮菱形藻在15～35℃下均能较快生长，在其适温范围内，细胞生长繁殖
的速度因温度而异:温度越高，细胞内的化学和酶促反应越快，生长就越快。

当温
度在35℃时，细胞比生长速率最大，但其衰亡也最快，这可能是营养元素的大量
耗尽和高温损害引起的，因为在高温下，细胞组分、蛋白质和核酸会受到不可逆的损害，细胞机能急剧下降。

相反，当温度较低(15℃)时，细胞新陈代谢速率减慢，藻种呈深棕色，以较低的速度生长繁殖。

多数学者认为当温度降低到一定程度之后，细胞质膜就会发生“冻结”，无法正常运输营养物质和产生质子梯度［9］，细胞就会停止生长。

不过低温一般不会导致谷皮菱形藻死亡，它可以在低温下较长期地保持其生活能力，因此可以用低温保藏藻种。

光是浮游植物生命活动的主要能量来源。

光照对微藻生长的影响因种而异，一般来说，硅藻的最适宜光照度范围为1 000～7 000 lx。

本实验中的谷皮菱形藻在光照度1 000～5 000 lx下均能良好生长，且在弱光下(1 000 lx)指数期持续时间最长，而当光照较强时，对强光的耐受性也较强。

该藻在5 000 lx光照下仍然有高生长率，虽然藻液的颜色明显淡于弱光照下，但并没有出现光抑制现象。

Anderson等［10］研究发现，浮游植物既能最大限度地利用光能，又能将强光对光合作用器
官潜在伤害降到最低。

有报道表明，14 444 lx光照度能导致菱形藻细胞分裂频率变慢，指数期缩短［11］，据此可推测谷皮菱形藻的光饱和点在5 000～14 444
lx之间。

大量研究表明，营养盐浓度，特别是氮磷浓度对浮游植物的代谢活动和生长速率有显著影响，而不同藻类的最适氮磷浓度存在较大差异。

李雅娟等［12］培养3种
底栖硅藻的最适氮、磷浓度范围分别为:盾卵形藻小型变种(Coccineis scutellum)3.08～12.32 mg/L，0.283 mg/L;咖啡形双眉藻(Amphora coffeaeformis)1.54～6.16 mg/L，1.13 mg/L;柔软舟形藻(Navicula
mollis)1.54～12.32 mg/L，0.141 mg/L。

普遍认为氮浓度过低可导致浮游植物光合作用效率降低，过高也会对生长不利。

低
氮(1 mg/L)实验中，磷浓度在0.05～0.5 mg/L范围内藻种生长极缓慢，明显受到抑制。

氮限制诱导藻细胞进入静止期，在氮限制下，藻的氨基酸合成受抑制，叶绿素a、光系统I和II反应中心蛋白合成减少，光能的利用效率降低，碳水化合物和脂类含量增加［13-14］。

而磷限制则可能导致1，5－二磷酸核酮糖的再生能力下降，质膜H+－ATP酶、核酮糖-1，5－二磷酸羧化酶活性降低，从而影响细胞代谢，限制植物生长［15］。

低氮实验中，磷浓度为2 mg/L时谷皮菱形藻长势较好，培养基添加较高磷含量可能具有一定的补偿性，使该藻在光合作用中对无机碳的亲和力提高，这可能与低氮浓度下藻种对光合无机碳(HCO3－和CO2)利用方式调整有关，藻细胞具有了较低的CO2补偿点，通过提高其对无机碳的亲和力来适应低氮环境［16］。

不同氮浓度下，最适磷浓度有所不同。

在高氮(11 mg/L)实验中，用不同浓度的磷处理该藻，生长曲线图显示磷浓度为0.05 mg/L已有明显的指数生长期，该浓度已能满足生长需要，而磷浓度为0.5 mg/L时该藻达到最大生物量。

研究表明硅藻在磷浓度越低时，其碱性磷酸酶活性越强［7］，由此可知，该藻在缺磷或磷胁迫时，可能具有此应对机制，这对于谷皮菱形藻能在不断变化的外界环境中生存繁殖具有重要意义。

在高氮(11 mg/L)实验中，磷浓度为2 mg/L(最高浓度)时其生长状况远不如较低浓度。

高浓度的氮或高浓度的磷可能导致水体中氮磷比值不协调，从而影响谷皮菱形藻的生长，此结果与丰茂武等［17］的研究结果相似。

在本实验中，增加磷含量的效果有一定的限度，高氮下谷皮菱形藻生长的最适磷浓度为0.5 mg/L。

进一步分析氮磷比对该藻生长的影响可知，氮磷比为0.5、22和110时长势相对较好，氮磷比为220时生长受抑制。

目前已有许多关于氮磷比对藻类生长影响的研究:当磷源充足的情况下，适合铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)生长的最佳比例为40∶1［17］;当氮、磷比在10～32范围内尖刺拟菱形藻(Pseudo-
nitzschia pungens Halse)有相对较大的生长，而当氮磷比小于5或大于100时，尖刺拟菱形藻的生长受到抑制［18］。

但也有一些人认为氮磷比对淡水藻类生长
的影响可能并不显著［19］。

由于藻类对氮、磷吸收率的不同，氮磷比对藻类生
长的影响并不表现在一个确定值上，也不能仅用该比例来确定一个特定水环境中影响藻类生长的限制性因素，而应结合氮、磷质量浓度与氮磷比进行综合考虑。

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