实验室条件下蓝藻结皮对低温光照胁迫的响应与微结构变化

低温光照是荒漠化地区蓝藻结皮经常面临的环境条件之一.报道了实验室条件下低温光照处理对蓝藻结皮形态、生理特性和超微结构的影响.本研究中,首先通过接种具鞘微鞘藻和爪哇伪枝藻形成人工蓝藻结皮,接着以人工蓝藻结皮为材料进行低温光照处理:28℃+60μE.(m2.s)-1(对照)、10℃+60μE.(m2.s)-1、2℃+60μE.(m2.s)-1和2℃+黑暗.在不同低温光照处理的第0、5和12 d分别测定蓝藻结皮光合活性(Fv/Fm)、叶绿素a、胞外多糖、伪枝藻素、类胡萝卜素和藻蓝蛋白的含量及藻蓝蛋白/叶绿素比值,同时采用扫描电镜观察低温光照处理下蓝藻结皮的微结构变化.此外,对结皮的表观形态特征如结皮颜色、厚度和干重等进行了测定.与对照结皮相比,低温光照下结皮的表观形态受到不利影响,所测定的结皮各项生理指标均呈现显著下降(P<0.05).在2℃+60μE.(m2.s)-1处理12 d时,结皮生物量、光合活性、胞外多糖含量、伪枝藻素含量、类胡萝卜素含量和藻蓝蛋白含量分别比同期对照结皮下降了61.48%、94.89%、66.37%、31.01%、59.38%和65.91%.电镜观察表明,低温光照导致蓝藻结皮的超微结构受到明显破坏,表现为结皮层出现大量蜂窝状空隙,藻丝体数量减少,呈网格状分布,对沙粒的束缚能力减弱等.研究表明低温光照对蓝藻结皮的形态和生理活性具有明显的抑制效应,而低温黑暗能较好地促进蓝藻结皮生理活性和结皮表观形态的恢复.本研究初步探索了蓝藻结皮对低温光照胁迫的耐受性,同时对于了解蓝藻结皮在野外极端环境条件下的生存状况具有一定的理论意义.     

生物结皮的发育演替与微生物生物量变化

生物结皮在荒漠地区的生态恢复中具有重要的生态学意义,且不同发育演替阶段的结皮具有不同的生态功能.通过野外调查、显微观察结合微生物定量分析对腾格里沙漠东南缘沙坡头地区生物结皮的发育演替进行了研究.结果表明该地区的生物结皮一般按照"藻结皮→地衣结皮→藓结皮"的模式发育演替.随着结皮的发育演替,光合生物生物量逐渐增加,微藻生物量却呈现先增加后减少的趋势.其中,具鞘微鞘藻(Microcoleus vaginatus)作为结皮藻类中的第一优势种,在藻结皮中生物量最大,达到0.33 mm3·g-1,而爪哇伪枝藻(Scytonema javanicum)和(一种)念珠藻(Nostoc sp.)在晚期的地衣结皮中生物量达到最大.另外,研究发现异养微生物生物量在藻结皮中开始增加,但在地衣结皮中呈下降的趋势,最后在藓结皮中异养微生物生物量再次增加并达到最大.其中细菌数量的增加与结皮有机碳、Na+含量的增加显著相关(P<0.05),真菌数量的增加与K+、Na+含量的增加显著相关(P<0.05).本研究观察了沙坡头地区生物结皮发育演替的模式,并从环境适应与功能需求的角度探讨了生物结皮发育演替过程中微生物生物量的变化特征,对于理解结皮的发育演替以及荒漠化地区生态恢复过程中结皮的维护管理具有重要的理论与实践意义.     

UV-B辐射增强与秸秆施用对大豆田土壤呼吸的影响

利用LI-8100开路式土壤碳通量测量系统测定土壤呼吸,研究了UV-B辐射增强和秸秆施用对大豆田土壤呼吸的影响.结果表明,UV-B辐射增强20%使土壤呼吸速率降低了30.31%,秸秆施用使土壤呼吸速率提高了14.51%,UV-B辐射增强+秸秆施用复合处理对土壤呼吸速率没有显著影响.UV-B增强提高了施用秸秆的碳转化率.对照、UV-B增强、秸秆施用和UV-B增强+秸秆施用4种处理的土壤呼吸与土壤温度都存在极其显著的指数关系(p0.01),拟合方程的决定系数R2分别为0.434、0.563、0.451和0.513.土壤呼吸温度敏感系数Q10值分别为1.55、1.91、1.80和1.71.可见,UV-B辐射增强、秸秆施用和UV-B辐射增强+秸秆施用提高了大豆田土壤呼吸的Q10.     

UV-B辐射增强对麻花艽叶片光合作用及相关生理参数的影响

采用20 W和40 W的UV-B灯辐射增强处理,测定分析了UV-B辐射增强对麻花艽(Gentiana straminea Maxim)叶片净光合速率及相关生理参数的影响. 结果显示:2008年8月3日,研究区大气温度从09:00开始上升,到14:00达到最高点,叶温和大气饱和水气压变化与气温变化趋势相似;光合有效辐射强度从07:00开始上升,至13:00达到最高,之后下降;麻花艽叶片净光合作用速率(P_n)、气孔导度(G_s)、胞间CO₂浓度(C_i)、蒸腾速率(E)和水分利用效率在对照下最高,在40 W UV-B辐射下最低;P_n在08:00—10:00最高,G_s在07:00—08:00最高,C_i在日出及日落时最高,E在09:00—13:00及14:00—18:00最高,水分利用效率在日出后最高;P_n与G_s,叶片温度,大气温度,光合有效辐射和大气饱和水气压亏缺呈正相关,与C_i呈负相关,与光合有效辐射强度的相关系数较高. P_n在光合有效辐射强度为0～800 μmol/(m2·s)时随光合有效辐射强度增加而增加,在2 200～3 000 μmol/(m2·s)时变化不大;G_s和E随光合有效辐射强度的增加而增加;C_i在光合有效辐射强度为0～800 μmol/(m2·s)时,随光合有效辐射强度的增加而呈下降趋势;水分利用效率在光合有效辐射强度为0～800 μmol/(m2·s)时随光合有效辐射强度的增加而呈增加的趋势,在800～3 000 μmol/(m2·s)时呈下降趋势. 说明UV-B辐射增强将使高寒草甸植物叶片P_n,G_s,C_i,E和水分利用效率降低.      

3种胡枝子抗氧化酶和渗透调节物质对干旱和增强UV-B辐射的动态响应

为探究干旱和增强UV-B辐射对3种胡枝子(美丽胡枝子、二色胡枝子、牛枝子)抗氧化酶活性和渗透调节物质的影响,采用盆栽试验,研究了正常生长(CK)、干旱胁迫(D)、增强UV-B辐射(UV-B)及二者复合胁迫(D+UV-B)下各植物叶片中抗氧化酶活性和渗透调节物质的动态响应.结果表明:3种处理下各植物叶片中SOD活性较对照值均呈先下降后上升趋势,且与单因子处理相比,牛枝子和二色胡枝子在复合胁迫下其SOD活性更高;增强UV-B辐射和复合处理下POD活性随胁迫时间总体呈先上升后下降趋势;CAT活性在干旱和复合胁迫下高于对照值,而在增强UV-B辐射下较对照值有所下降.3种植物叶片渗透调节物质含量(可溶性蛋白、可溶性糖、游离脯氨酸)在各处理中较对照值均有所增加,并呈先上升后下降趋势,但种间差异显著.3种处理均导致各植物叶片内MDA含量不同程度的升高,升高幅度的大小依次为牛枝子＞美丽胡枝子＞二色胡枝子.通过隶属函数法综合评价得出,复合处理下二色胡枝子和美丽胡枝子具有较强的抗氧化能力,牛枝子抗氧化能力较弱.综上,与干旱胁迫和增强UV-B辐射相比,复合胁迫对植物的伤害程度更小,说明干旱与增强UV-B辐射可以相互缓减彼此对植物的伤害,且美丽胡枝子和二色胡枝子在抵抗干旱胁迫和增强UV-B辐射方面具有一定优势.     

不同类型生物结皮对坡面产流特征的影响

生物结皮是黄土高原地区坡面水土流失不可忽略的影响因素,目前生物结皮对坡面产流特征的影响仍不明确.在陕北神木县六道沟小流域通过径流小区放水试验,以裸地为对照,研究了浅色藻结皮、深色藻结皮、混合结皮(藻+藓)以及藓结皮4 种类型生物结皮对坡面产流特征的影响.结果表明:① 浅色藻结皮、深色藻结皮和混合结皮较裸地显著降低了初始产流时间,三者的初始产流时间较裸地分别减少89.0%、96.2%和96.0%;而藓结皮则较裸地显著增加了初始产流时间.② 浅色藻结皮和混合结皮较裸地显著延长了退水持续时间,其退水持续时间分别是裸地小区的2.28和2.13倍;而深色藻结皮的退水持续时间与裸地差异不显著.③ 深色藻结皮和藓结皮的径流流速较裸地分别降低了29.1%和67.3%;藓结皮的径流流速显著低于其他生物结皮小区;各生物结皮小区的径流深与裸地均无显著差异;浅色藻结皮的径流深显著高于深色藻结皮.④ 不同类型的生物结皮较裸地明显改变了坡面产流过程和径流量;浅色藻结皮小区的径流系数显著高于裸地,深色藻结皮和混合结皮小区的径流系数较裸地差异不显著;浅色藻结皮小区的径流系数是深色藻结皮小区的2.44 倍,差异显著;放水时段内,藓结皮小区没有径流流出.以上结果表明,生物结皮是坡面产流特征的重要影响因素,影响程度与生物结皮的发育阶段和生物组成有关.     

不同水分梯度下UV-B辐射对2个稻田土壤碳氮转化的影响

UV-B辐射对土壤碳氮转化的影响与土壤物理化学性质有关,为明确土壤水分状态对UV-B辐射的影响,以有机质含量不同的两个水稻土(有机质含量低的记为L,高的记为H)为研究材料,在室内研究了含水量为25%(W1)、50%(W2)和100%(W3)时,UV-B辐射对土壤总有机碳(TOC)、可溶性有机碳(DOC)、铵态氮(NH_4~+-N)、硝态氮(NO_3~--N)以及累积净矿化氮量的影响.结果表明:120 h后,与避光(对照,CK)相比,UV-B辐射显著降低了土壤TOC的含量(P0.05);UV-B辐射下,水分从低到高,L土壤的TOC分别降低了9.9%、4.5%和6.3%,H土壤降低了10.9%、5.6%和6.3%.但与对照相比,UV-B辐射却促使土壤DOC增加;且在UV-B辐射下水分为100%的处理中,土壤DOC含量高于25%和50%的处理,120 h时,L土壤的DOC分别增加了21.5%(W1)、9.4(W2)和26.3%(W3),H土壤分别降低了26.7%(W1)、14.2%(W2)和33.8%(W3).与对照相比,UV-B辐射使NH_4~+-N含量有所下降;且在UV-B辐射中,NH_4~+-N含量的变化幅度在不同水分条件下的整体表现为W1W2W3.较对照处理,UV-B辐射促进NO_3~--N的累积,NO_3~--N变化幅度在不同水分条件下的表现为:W1W3W2.24 h后与对照相比,UV-B辐射对土壤累积净矿化氮量有显著影响(P0.05),且UV-B辐射下累积净矿化氮量在不同水分之间差异显著(P0.05).这表明光降解在土壤有机质的稳定中扮演着重要角色,UV-B辐射会加速土壤有机碳的损失,影响土壤矿质态氮的转化,且水分不同,UV-B辐射对土壤碳氮转化的影响存在一定差异.     

人工生物结皮的发育演替及表土持水特性研究

为了解接种蓝藻对荒漠地区表土持水特性的改善作用,对库布齐沙漠东缘达拉特旗地区人工接种蓝藻后形成的生物结皮进行了发育演替及持水特性研究.结果表明,在人工接种荒漠蓝藻之后,藻结皮能够很快形成,并在一些微环境下藻结皮直接演替为藓结皮(接种2~3 a后).随着结皮的发育演替,表土生物量、多糖含量、厚度以及孔隙度增加,而土壤容重减小;同时,形成结皮之后表土质地也发生了明显的变化,其中沙粒含量逐渐减少,粉粒、黏粒含量增加.实验还发现随着结皮的发育演替,表土含水量与饱和持水量都呈增加的趋势,即:藓结皮>藻结皮>流沙,藻结皮中的含水量(饱和持水量)为流沙中的1.1~1.3倍,藓结皮中的含水量(饱和持水量)为流沙中的1.8~2.2倍.相关分析表明表土含水量及饱和持水量与表土生物量、多糖含量、厚度、容重、粉粒和黏粒含量呈正相关,与表土孔隙度和沙粒含量呈负相关.通过逐步回归分析发现影响含水量的主要因素为表土黏粒的含量,而影响饱和持水量的主要因素为表土孔隙度.     

UV-B辐射增强对大豆叶绿素荧光特性的影响

利用脉冲振幅调制叶绿素荧光仪测定大豆不同生育期叶片的荧光参数和快速光曲线,以研究UV-B辐射增强对大豆叶绿素荧光特性的影响.结果表明, UV-B辐射增强20%条件下,大豆幼苗期、分枝-开花期和结荚期的叶绿素含量分别降低了5.03%、 7.70%和10.38%;分枝-开花期,F_v/F_m值降低了6.13%;幼苗期和分枝-开花期,有效量子产量(Y)在PAR>366 μmol·(m~2·s)~(-1)时显著降低,最大潜在相对电子传递速率(P_m)分别降低了28.92%和15.49%;但对三叶期和结荚期的Y和P_m无显著影响.UV-B辐射增强使三叶期和幼苗期半饱和光强(l_k)分别降低了21.18%和23.17%;使分枝-开花期的初始斜率(α)降低了21.05%;并显著降低了幼苗期PAR>366 μmol·(m~2·s)~(-1)的非光化学淬灭(NPQ)和分枝-开花期PAR>366 μmol·(m~2·s)~(-1)的光化淬灭(qP).本研究意味着UV-B辐射增强抑制了PSⅡ的电子传递活性,损伤了捕光系统和耗散保护机制,破坏了大豆光合系统,使其光合效率下降.     

UV-B辐射对亚热带森林凋落叶氮、磷元素释放的影响

UV-B辐射对凋落物分解过程的影响已成为全球变化生态学研究中的前沿和热点问题之一.采用分解袋法对自然和UV-B辐射滤减两种环境下亚热带6种代表性树种(杉木、马尾松、木荷、香樟、青冈和甜槠)凋落叶氮、磷元素的释放动态进行了研究.结果表明,凋落叶氮元素的动态表现为直接富集、释放-富集和释放-富集-释放3种模式,磷元素的动态表现为直接释放、富集-释放-富集和无明显变化3种模式.与对照相比,UV-B辐射滤减显著延缓了甜槠凋落叶氮元素及青冈和甜槠凋落叶磷元素的释放(P<0.05),但促进了香樟凋落叶磷元素的释放(P<0.05),对其他树种凋落叶的氮或磷释放无显著影响.凋落叶的初始氮含量和C/N比值不能解释氮释放动态,C/P比值可以部分解释磷的释放.全球环境变化背景下UV-B辐射在湿润亚热带地区森林生态系统过程中的作用尚需进一步认识和理解.     

镧对UV-B胁迫下大豆幼苗类黄酮含量与抗氧化能力影响

为进一步认识La(Ⅲ)提高类黄酮含量及减轻UV-B辐射伤害植物机制,以大豆幼苗为材料,采用水培实验的方法研究了La(Ⅲ)对UV-B辐射胁迫下大豆幼苗类黄酮抗氧化能力的动态影响.结果表明, UV-B辐射(T1:0.15W·m-2和T2:0.45W·m-2)胁迫下,大豆幼苗类黄酮含量在胁迫期和恢复期均先升后降,质膜透性、MDA含量先升(1～5d)后降(6～11d),类黄酮对O·-2和·OH的清除率与其含量变化趋势近同.各处理组类黄酮含量La(Ⅲ) UV-B>UV-B>La(Ⅲ)>CK, La(Ⅲ) T1>La(Ⅲ) T2;质膜透性、MDA含量UV-B>La(Ⅲ) UV-B>CK>La(Ⅲ), La(Ⅲ) T2>La(Ⅲ) T1;类黄酮对O-2和·OH清除率La(Ⅲ) UV-B>UV-B>La(Ⅲ)>CK, La(Ⅲ) T1, La(Ⅲ) T2,表明La(Ⅲ)对类黄酮的调控作用,提高了清除活性氧自由基的运行效率,降低了MDA浓度,维持了质膜正常透性,且对低剂量(T1)的防护效果优于高剂量(T2),进而在防御系统层面实现了La(Ⅲ)对UV-B辐射伤害大豆幼苗的防护效应.     

蓝藻胞外聚合物对供水管网水质的影响

针对游离态蓝藻胞外聚合物（EPS）在常规水处理工艺中不易去除、残留蓝藻EPS极易进入供水管网的特性,研究了蓝藻EPS对供水管网水质变化及生物稳定性的影响.针对管道使用时限分析了不同管道内部产生附膜条件下,蓝藻EPS对供水管网中余氯、浑浊度、生物稳定性、有机组分等主要水质指标变化规律的影响.结果表明,蓝藻EPS加快了管网余氯衰减速度,导致管网水质浑浊度在12~24h后即超出生活饮用水卫生标准上限,并使管网水质生物稳定性降低,BDOC在72h内增加37.2~39.5%,AOC增加365~393%,总活菌数升高18~20倍.阐明了蓝藻水华爆发时期净水厂出厂水残留蓝藻EPS在管网余氯存在前提下,仍然能够作为微生物营养基质和代谢能量,而促进管道内细菌生长繁殖,增加微生物代谢活性,刺激微生物胞外有机组分分泌释放,导致管网水质二次污染.     

蓝藻胞外聚合物对供水管网水质的影响

针对游离态蓝藻胞外聚合物（EPS）在常规水处理工艺中不易去除、残留蓝藻EPS极易进入供水管网的特性,研究了蓝藻EPS对供水管网水质变化及生物稳定性的影响.针对管道使用时限分析了不同管道内部产生附膜条件下,蓝藻EPS对供水管网中余氯、浑浊度、生物稳定性、有机组分等主要水质指标变化规律的影响.结果表明,蓝藻EPS加快了管网余氯衰减速度,导致管网水质浑浊度在12~24h后即超出生活饮用水卫生标准上限,并使管网水质生物稳定性降低,BDOC在72h内增加37.2~39.5%,AOC增加365~393%,总活菌数升高18~20倍.阐明了蓝藻水华爆发时期净水厂出厂水残留蓝藻EPS在管网余氯存在前提下,仍然能够作为微生物营养基质和代谢能量,而促进管道内细菌生长繁殖,增加微生物代谢活性,刺激微生物胞外有机组分分泌释放,导致管网水质二次污染.     

胶网藻对水体中恩诺沙星的毒性响应及去除作用

恩诺沙星是医药及水产养殖业广泛使用的喹诺酮类抗生素,是我国地表水中残留量较多的抗生素种类之一;然而有关该抗生素对水体中浮游植物毒理作用以及后者对其去除作用的研究还鲜见报道.本研究以绿藻门的胶网藻(Dictyosphaerium sp.)为对象,通过12 d室内培养实验,分析在不同浓度(0、 5、 25、 50和100 mg·L~(-1))恩诺沙星暴露的条件下,胶网藻的生长、光合作用活力和胞外多糖的响应变化及其对不同浓度恩诺沙星的去除效率.结果表明,各处理组中胶网藻的生物量和光合色素含量均随培养时间的增加而升高,但与对照组相比,恩诺沙星对胶网藻的生长和光合色素积累均产生显著抑制作用(P0.01).通过拟合分析,计算出恩诺沙星对胶网藻96 h半数致死浓度(LC_(50))为(241.29±7.33) mg·L~(-1),表明胶网藻能够适应高浓度的恩诺沙星胁迫.同时发现,当恩诺沙星浓度5 mg·L~(-1)时,能够促进胶网藻的最大光合速率(F_v/F_m),但浓度5 mg·L~(-1)时则对胶网藻具有抑制作用(P0.01);实际光合速率(Yeild)和最大电子传递速率(ETR_(max))在12 d内呈现先降后升的变化趋势,胶网藻在6 d后可逐渐适应胁迫环境而恢复一定的光合活力.此外,恩诺沙星可刺激胶网藻释放胞外多糖,水溶性多糖(RPS)和胞外胶鞘多糖(CPS)含量均随恩诺沙星浓度升高而增加.实验结束时, 4个无藻对照组(5、 25、 50和100 mg·L~(-1))中恩诺沙星的去除率分别为7.27%、 5.56%、 5.30%和4.88%,而添加胶网藻的处理组其去除率分别为对照组的3.21、 3.01、 2.69和2.83倍,表明胶网藻对于恩诺沙星的去除具有显著的促进作用(P0.01).本研究结果为理解喹诺酮类抗生素对水体初级生产者的生态毒性提供了新资料,同时也为水体抗生素残留的生态去除和淡水微藻的生物资源化利用提供了新的思路.     

Effect of cerium on photosynthetic characteristics of soybean seedling exposed to supplementary ultraviolet-B radiation

Effects of cerium （Ce^3＋） on photosynthetic characteristics were investigated by hydroponics under laboratory conditions when soybean seedlings were exposed to two levels of supplementary UV-B radiation. UV-B radiation badly inhibited the photosynthesis in soybean seedling, leading to a reduction in net photosynthetic rate （Pn）, Hill reaction activity, light saturated photosynthetic rate （Ps） and apparent quanta yield （AQY）, as well as the CO2 and light saturated photosynthetic rate （Pro） and carboxulation efficiency （CE）. On the contrary, Ce obviously promoted the photosynthesis of plants by increasing Hill reaction activity, accelerating electron transport and photophosphorylation, and enhancing carboxylation efficiency. For Ce＋UV-B treatments, the values of photosynthetic parameters were still lower than those of the control, but obviously higher than those of UV-B treatment. The results indicated that Ce alleviated the inhibition of UV-B radiation on the photosynthesis in soybean seedling to a certain extent. In correlating of Pn with Hill activity, AQY and CE, we found that the changes of photosynthetic rate were mainly influenced by the regulating effect of Ce on Hill activity and AQY at low level （0.15 W/m^2） of UV-B radiation, but were dominated by the regulating effect of Ce on CE at high level （0.45 W/m^2）. Thus, Ce could regulate many aspects in photosynthesis of soybean seedling under UV-B stress. The regulating mechanism was close related with the dosage of UV-B radiation.