专题3-藻类与环境

水生植物的化感作用
• 化感物质对藻细胞直接造成破坏； • 凤眼莲根系分泌物对栅藻有明显的抑制作 用；
• 细菌分泌的对藻类有益的胞外产物有类维 生素，酶类，糖肽类等；对微藻有害的为 蛋白类或酶类； • 微藻的胞外分泌物主要为溶解态的氨基酸， 刺激细菌生长，抑制细菌的胞外产物为类 抗生素类。
藻类与细菌 – 溶藻菌
• 溶藻菌对藻细胞的溶解和对藻生长的抑制 有四种情况 ： • 直接接触溶藻 • 释放有毒物质 • 非选择性杀伤藻细胞 • 藻同细菌竞争有限的营养物质失败
藻类的分布特点
• 藻类在长期演化过程中，以自身的形态构造、生 理和生态特点适应着生活的环境，从而形成了各 种生态类群(型)。就藻类生活环境的特点及其与 环境的相互关系，主要可分为浮游藻类、底栖藻 类和附着藻类等生态类群。
浮游藻类
• 浮游藻类个体非常微小，通常用肉眼看不清形态结构。浮 游藻类个体虽小，但种类多，数量也多，它包括了藻类的 绝大部分； • 生活在海洋中的硅藻、甲藻及蓝藻（超微藻类）的浮游种 类，是海洋初级生产力的重要组成部分，被称为海洋牧草； • 淡水浮游藻类中种类最多的是蓝藻门、硅藻门和绿藻门。 裸藻门、隐藻门和甲藻门种类虽不多，但在淡水浮游生物 中也极为常见，有时数量也很多，可形成优势种群； • 不论海洋或是内陆水体，不论是自然水体或是人工养殖水 体，浮游藻类的种类组成、数量变动，可随环境条件和时 间，而有明显地季节变化，也可受人类干扰而变化。
藻类与其他生物的关系
• • • • • • • • • 积极关系 （positive interaction) 互利共生 初级合作 偏利共栖 消极关系 （negative interaction） 竞争 捕食 寄生 抗生
藻类与其他生物的关系
共生 （symbiotic relationship） 两种微生物紧密生活在一起，彼此依赖，相 互为对方创造有利条件，有的达到了难以 分离的程度。生理上相互分工，组织上形 成了新的结构，彼此分离各自就不能很好 地生活。
藻类与细菌 – 溶藻菌
• 细菌杀藻物质主要是蛋白质、 多肽、 氨基 酸、 抗生素、 含氮化合物及源自文库一些未被鉴 定的高活性或高分子量而热不稳定或具有 扩散性的溶藻物质 ,这些最新研究成果的详 细报道将有助于我们对溶藻微生物和新型 生物杀藻剂的研究和运用。
藻类与病毒的关系 –噬藻体
• 藻病毒首先在蓝藻中发现，蓝藻病毒与真核藻病毒为完全 不同的两类病毒，蓝藻病毒与噬菌体相似，因此称为噬藻 体 (cyanophage)； • 真核藻类病毒的研究目前较少，主要为小球藻病毒和褐藻 病毒。
藻类与细菌 – 藻菌关系
(王少沛等 2008)
藻类与细菌 – 藻菌关系
• 藻际(Phycosphere) • 由于藻向环境释放了大量的有机物质，使 藻细胞周围形成了一种独特的可称之为藻 际的微环境；在这种环境中聚集着大量的 细菌，形成了具有独特结构与功能的藻际 细菌群落。
藻类与细菌 – 藻菌关系
制因子之一。静水湖泊中氧易被好氧微生物耗尽，江河流
域可由于水的流动不断补充氧。溶解氧在一定范围内随温 度的降低而增加。
影响初级生产力的环境因素
pH：淡水pH在3.7-10.5之间，大多数湖水平均pH7左右，
海水pH一般维持在8.0-8.3之间。适合微生物生长。
光：水体中光合带的范围 10-100m，清澈水体中可达 200m，水体表面微生物数量较下层少。
（Kevin R. Arrigo 2005）
• 上升的水流中NP比一般<16; • 在富营养(eutrophic)水体，高初级生产力引起有机C下沉，在底部缺氧区 在反硝化和厌氧氨氧化作用下氨氮和硝酸盐转换为N2，NP显著降低； • 在寡营养(oligotrophic)水体，固氮藻类因适应低N，低营养而富集，固氮 作用造成NP比升高； • 在海洋中，固氮作用远远低于厌氧反硝化过程，因此海底NP比<16;
• 大洋中氮和磷的摩尔比通常为15：1； • 大洋表层水中氮浓度通常比海底沉积物或陆地径流中的氮浓度低，因 此低盐水和浅水中的氮和磷浓度通常较高；河口区的氮和磷的摩尔比 通常低于15，氮经常是限制河口区浮游植物生长的营养盐； • 光合作用对氮和磷的需求比例为16：1。浮游植物细胞内氮和磷的含 量变异很大，有学者提出浮游植物近似地以10：1的比例摄取氮和磷。 • 当外界磷供应超出需求时，藻类可将一部分磷以多磷酸盐的形式贮存 在细胞内，具有这样储备的藻类能在不含磷的水中继续生长。当细胞
• 微型藻类最低生产力出现在深海海底沉积物中，最高生产力出
现于河口区屏蔽的潮间带和潮下带上部沉积物中。
藻类生产力的空间分布
LB-IB=净初级生产量 IB-DB=呼吸量 LB-DB=总初级生产量
藻类对环境的响应 – 温度
• 温度对藻类的分布具有重要影响。海藻的分布主要是以对温 度的要求来决定的。如40 N°以北的海区是以海带属 Laminaria的存在为特征的,在北半球40 N°以南是以马尾藻 Sargassum为特征的。 • 淡水藻类对水温的适应性也各异，一些有鞭毛能运动的鞭毛 藻类和小型藻类在冬天冰下水体中出现，许多硅藻和金藻在 春秋季节出现，而有些蓝藻和绿藻仅在夏天水温较高时才出 现。一些蓝藻如两栖颤藻Oscillatoria amphibia、O. carboniciphila、尖头颤藻O. acuminata 和温泉大颤藻O. principis thermalis（30~48℃）。
流水中的藻类
• 流水藻类由底栖和浮游藻类共同组成，能 在急流中生活繁殖，同细菌型的动物一同 形成粘土层，生理活性表面非常大，具有 强大的吸附力，能吸附污染水体中的有机 物并由生物群使之矿化，对流水的净化起 到很大的作用。
气生藻类
• 气生藻类多是暂时的，能离开水的环境而 在空气中生活，所需的水从水蒸气或降雨 中获得，当水源充足时就过渡到水生的形 式； • 典型的气生藻生活在石块，岩石，人工建 筑物，植物等上面。
藻类学专题 3
藻类与环境的关系
主要内容
• • • • • 藻类生存的生态系统 藻类对环境的响应 藻类与其他生物的关系 共生与竞争 上行-下行理论
藻类的分布
• 淡水生境 • 陆生和亚气生 • 海洋生境（海藻） • 特殊生境
①温泉藻类 ②冰雪藻类 衣藻、硅藻 ③植物体内生 鱼腥藻生于满江红中 ④附于动物体表 绿毛龟 ⑤在动物体内共生 绿草履虫 ⑥共生： 地衣中 ⑦寄生： 山茶上的头孢藻
藻类对环境的响应 – 重金属
• 重金属对藻类生理生化功能影响于藻类的光合作 用、碳代谢和藻类DNA、RNA、蛋白质合成及酶 活性等方面； • 藻类对重金属的吸收包括胞外的快速吸附与胞内 的缓慢富集两个阶段； • 藻类对重金属的耐逆性：植物络合素，金属硫蛋 白，谷胱甘肽，多磷酸体，热激蛋白等。
藻类对环境的响应 – 营养盐
土壤藻类
• 土壤藻类生活在土壤颗粒上薄的水层或颗 粒之间空隙的水中，大多数只能生活在土 壤表层几厘米的深度； • 包括蓝藻，绿藻，硅藻，黄藻等各种藻类。
极端生境中的藻类
• 温泉藻类
耐高温藻类，在超过50℃的温泉里，生活的主要是蓝藻；
• 冰雪藻类
耐低温藻类，生活在高山积雪和两极的冰川上；
• 盐水藻类
影响初级生产力的环境因素
营养：一般江河湖泊和池塘的营养较丰富，湖岸区域比 湖中央含有机物质多。海水和盐湖含有较高盐分，但其他
营养缺乏，雨水基本上是蒸馏水。
温度：淡水变化在0-36℃。海洋表面水，两极-1.7℃， 在热带和亚热带25-35℃，深海常常是0℃上少许，90%海 水小于5℃。 溶解氧：氧在水中溶解度较小，是水环境中最重要的限
藻类生产力的时、空特点
• 温带水域浮游植物生物量和初级生产力具有界限分明的季节周 期，最大值通常出现在春季，夏季下降，秋季出现第二个高峰， 但峰值较小；
• 在两极水域，浮游植物生物量和生产力呈单峰分布，夏季为高
峰期； • 热带水域浮游植物生物量和生产力也呈单峰分布，但其高峰出
现在冬季。
• 微型藻类也出现于透光层海底沉积物中，其生产力是浅海水域 固定碳收支的组成部分；
内部的磷消耗完后，一种适应机制是通过产生碱性磷酸酶水解含磷有
机物质来产生供光合作用利用的磷。
藻类对环境的响应 – 氮磷比
Redfield 比值
• 海洋浮游植物细胞、海水中的C : N : P比值，即经典Redfield 比，C : N : P = 106 : 16 : 1。 • N：P = 16：1 成为一个指标，假如环境N：P小于16，那就代表N 是 限制因素；若是大于16，那就是P是限制因素; • 海水中，氮常为限制因素，淡水中磷常为限制因素；
底栖藻类
• 底栖藻类指营固着或附着生活的藻类。它们以水体中的高 等植物、建筑物或其它物体以及水体底质为基质(matrix)， 用附着器(hapteron)、基细胞(basal ce11)或假根 (pseudorhize)等营固着生活； • 红藻、褐藻、轮藻和绿藻门的大型种类是底栖藻类的基本 组分，在水底形成藻被层，其中许多种类是重要的经济海 藻； • 小型底栖藻类是周丛生物的主要成员，对杂食性和刮食性 鱼类具有重要的饵料意义。裸藻、衣藻在阳光充足的温暖 季节，在河湾、湖泊潮湿地表大量繁殖，形成绿色斑块状 藻被层，有的绿藻甚至可在冰封的雪地上形成红色、褐色 或绿色的藻被层。
浮游藻类的群落演替
藻类的种群多样化
• Shannon -Weaver多样性指数(H’) • Margalef多样性指数 (d)
式中S为群落中的总种数，N为观察到的个体总数（随样本大小而增减）。 d值是进行水质生物监测和评价的重要参数,它能较为客观地反映出水体污 染状态和水质变化清况,即d值越低,污染越严重;反之, d值越高水质越好。
盐湖中的藻类来源于淡水，适应高盐分，并非海水种类。
藻类在生态系统中的地位
初级生产力 （primary productivity）：
指绿色植物利用太阳光进行光合作 用，把无机碳（CO2）固定、转化 为有机碳（如葡萄糠、淀粉等）这 一过程的能力。一般以每天、每平 方米有机碳的含量（克数）表示； 海洋和湖泊等水域生态系统的初级 生产力主要由藻类提供。
藻类与高等植物的关系
• 藻类相对于高等水生植物的竞争优势 1. 从水体吸收营养的效率较佳； 2. 对于弱光的适应较佳； 3. 对于光谱的适应较佳； 4. 对于碱性环境的适应较佳。
水生植物的化感作用
• 水生植物可通过向水体释放化感物质 （allelochemicals ）来抑制浮游植物的生 长。这是其在水体生态系统中与浮游藻类 竞争营养，光照和空间资源取得优势的有 效策略。
藻类与真菌的共生 – 地衣
• 组成：真菌(子囊菌，担子菌)单细胞藻类 (绿藻，蓝藻)共生组成一种植物体。 • 生理：地衣中的真菌和藻类已形成特殊形 态的整体了，在生理上相互依存，真菌异 养生活，藻类制造养料，真菌提供水分、 无机盐供藻类光合作用。
藻类与真菌的共生 – 地衣
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结构：有些种地衣真菌无规律地缠绕藻类细胞，另一些种地衣真菌与藻类形成一定层 排列;藻经光合作用产生碳素营养供给菌，菌丝除保护藻外，还通过吸水和失水作用， 积累高浓度的可溶性矿物盐供给藻； 当地衣繁殖时，表面生出珠状粉芽。其中含有少量藻细胞和真菌丝，粉芽脱离母体； 也可通过有性繁殖，产生子囊孢子或担孢子； 地衣生长速度平均一年不到2厘米。
藻类对环境的响应- 盐度
• 藻类可分布于海水、淡水和内陆盐水中。由于单细胞藻类 对环境的改变有很强的适应能力，由于世代时间极短，通 过较小的遗传变异，在一定时间内即可适应于盐度的颇大 变化； • 藻类细胞还能较迅速地合成多元醇或其衍生物、糖或多糖 和某种氨基酸等渗透调节物，用以迅速调节细胞的渗透压， 适应环境盐度的变化； • 很多淡水藻类耐盐上限达到15-20S（Beadle，1981）， 有些淡水习见浮游植物如小颤藻、颗粒直链藻、飞燕角甲 藻、铜绿微囊藻等甚至在150-180S之间出现（Hammer, 1981；何志辉等，1990；赵文，1992）。盐藻Dunaliella salina Teod.是典型的盐水藻类，能耐受320S的盐度。