滇池铜绿微囊藻春化作用原理及其基因控制模型改进

为更好地阐述滇池铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa in Dianchi Lake)需求低温的原因、增长与低温高温之间的关系等,对长期的藻春化作用研究所获得的成果进行了梳理、归纳、凝练、提升,形成了藻春化作用原理。在此基础上,对旧的藻春化作用基因控制模型(假说)进行了改进。滇池铜绿微囊藻春化作用原理是:(1)该藻生长活动对低温有需求;(2)休眠高温具有停止藻增长的作用,生长高温具有抑制藻增长的作用;(3)诱导低温能解除休眠高温对藻的休眠作用,解除生长高温对藻的抑制作用;(4)藻的休眠程度和被抑制程度与休眠高温、生长高温的强度、作用时间呈正相关;(5)诱导低温解除藻的高温休眠作用、抑制作用的时间与藻的休眠程度、被抑制程度呈正相关;(6)连续低温诱导可出现最大藻增长率;(7)最适诱导低温产生藻春化作用和解除藻高温休眠作用的时间最短;(8)在最高到最适诱导温度(14~10℃)之间,藻的高温休眠作用、抑制作用的解除效果随诱导低温的降低而增强、随低温作用时间的延长而增强;在最适到最低诱导温度(13~7℃)之间,藻的高温休眠作用、抑制作用的解除效果随诱导低温的降低而减弱、随低温作用时间的延长而增强。滇池铜绿微囊藻春化作用原理可为该藻暴发的数量预测与工程控制提供新的科学理论和研究方法。对旧基因控制模型的改进主要是对激活基因、激活蛋白的结构、功能的细化,对调结蛋白特性的调整,对不同的诱导低温、休眠高温等温度起作用时调节蛋白构象变化的细化。改进后的新模型能够更好地阐释诱导低温与休眠高温等交互作用的藻春化作用原理。     

滇池铜绿微囊藻春化过程与诱导低温间的关系

在滇池铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa in Dianchi Lake)春化作用被揭示后,认识到该藻生长活动对低温有需求,分析冬季低温对滇池铜绿微囊藻生长的影响、春化过程与诱导低温间的关系等,对深入认识藻大暴发的春化过程具有重要意义。实验中先用31℃对藻高温休眠处理,然后用14~7℃低温诱导,最后在19℃、2 000 lx下培养3 d,算出平均藻增长率,用变温实验方法进行相关研究。实验结果为:藻生长启动的春化过程(诱导时间/诱导低温)为12 h/14℃、11 h/13℃、9 h/12℃、7 h/11℃、6 h/10℃、7 h/9℃、8 h/8℃、10 h/7℃,10℃为最适诱导低温;藻增长的最大春化过程实验中,10℃连续处理45 d后,平均藻增长率稳定在42.2%,这时藻数量2 d增长1倍,与藻暴发时的藻增长一致;低温间的掩盖实验表明,强低温的藻春化作用掩盖弱低温的藻春化作用,但在10~7℃内,掩盖作用是短时间的;对低温春化过程的累积作用分析表明,诱导低温在14~10℃波动对藻作用过程中,最强低温的间断春化过程具有累积作用,而诱导低温在10~7℃波动对藻作用过程中,最强低温的间断春化过程则没有累积作用;滇池的铜绿微囊藻的最适生长温度为19℃,而太湖的铜绿微囊藻为25℃,生长在滇池的铜绿微囊藻是铜绿微囊藻中适应云贵高原湖泊的一个生态型,即滇池铜绿微囊藻,学名Microcystis aeruginosa in Dianchi Lake;对春化作用重新定义分析,滇池铜绿微囊藻的春化作用属于广义春化作用。     

太湖铜绿微囊藻暴发的藻密度预测技术路线的验证

铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)的繁殖力受低温和高温调控,休眠与生长高温对藻繁殖产生的停止和抑制作用可被诱导低温解除,藻繁殖力恢复程度取决于诱导低温的强度和作用时间,藻繁殖力恢复程度越高,其繁殖速率越大。基于铜绿微囊藻春化作用原理,提出了该藻暴发的藻密度预测技术路线(初春现场采藻分析预测用增长率→藻暴发的预报温光出现时现场采藻计数→预测藻暴发的藻密度),用于指导分析未来最适温光出现时太湖铜绿微囊藻是否暴发这一预测工作。对该藻密度预测的技术路线可行性进行了验证,用3个标准评价预测结果。验证结果为:(1)8个实验组的预测用增长率预测的藻密度与生长的藻密度相关性显著,表明预测用增长率测试合理;(2)在对应预测的6 d中,8组中有5组的预测结果准确性指数I≥0.6,即预测结果在生长藻密度的60%~140%以内,表明大多数预测结果的准确性较好,满足了评价标准一;(3)7 d预测结果有效变化范围的下限为M=(62%~67%)Mt、上限为M=(133%~138%)Mt时,占81%的有准确性预测结果的出现几率Q≥62.5%,满足了评价标准二;(4)预测结果有效变化范围的下限为M=(60%~66%)Mt、上限为M=(134%~140%)Mt时,有准确性的、出现率≥60%的预测结果连续出现天数为6 d,满足了评价标准三;(5)当预测结果偏差范围为(100%±33%),有准确性预测结果的出现几率降低12.5%,连续出现天数为2 d。验证可知,在预测时长为6 d内,有准确性的预测结果有比较高的出现几率是可控的,而不是随机的,预测技术路线指导太湖铜绿微囊藻暴发的藻密度预测是可行的;调高预测结果准确性指数或延长预测时长,预测风险将会增大。     

HCO3-对铜绿微囊藻、四尾栅藻和小环藻增长特性及竞争行为的影响

HCO3-为湖泊水体中藻类重要的无机碳源,其含量多少的变化对藻类优势种的形成起到重要作用。文章采用含HCO3-培养基HAC与无HCO3-培养基HA对铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)、四尾栅藻(Scenedesmus Quadricauda)和小环藻(Cyclotellasp.)进行纯培养和共培养竞争实验,考察HCO3-对藻类优势种形成的影响。利用logistic种群增长模型拟合纯培养三藻的生长曲线,并求出最大增长速率r以及Lotka-Volterra竞争模型求出各自竞争参数。铜绿微囊藻与四尾栅藻在HAC中纯培养和共培养的生物量K和最大增长速率r均远大于在HA中,表明这两种藻的增殖需要HCO3-作为碳源平衡胞内营养平衡;小环藻不能在有HCO3-的培养基中生存。在HAC中,铜绿微囊藻与四尾栅藻的平均抑制作用相当,实现共存。铜绿微囊藻在无HCO3-环境中对营养资源更具竞争力,其对四尾栅藻的平均抑制作用是相反抑制的1.6倍,对小环藻的抑制是相反抑制的61倍;四尾栅藻在无HCO3-环境中竞争力弱于铜绿微囊藻强于小环藻,其对小环藻的抑制是相反抑制的10倍;小环藻在HA竞争试验中被淘汰。     

不同温度下铜绿微囊藻和斜生栅藻的最佳生长率及竞争作用

以温度为主要控制因子,研究了单独培养和按不同接种密度比混合培养下铜绿微囊藻(Microcystis aerugino-sa)和斜生栅藻(Scenedesmus obliquus)的生长状况。结果表明,在温度为7～35℃条件下,微囊藻比增长率随着温度的升高而增大,而栅藻增长率随着温度的升高先增大后减小。竞争体系对2种藻的比增长率均有影响,微囊藻在微囊藻与栅藻接种比例为10∶1的混合培养体系中增长最慢,栅藻则在微囊藻与栅藻接种密度比为1∶10的混合培养体系中增长最慢。不同温度条件下在2种藻不同接种密度比的混合培养体系中,微囊藻对栅藻的竞争抑制能力均大于栅藻对微囊藻的竞争抑制能力。藻种间的竞争抑制能力因温度的变化而得到不同程度的强化或减弱,铜绿微囊藻具有更强的竞争能力。     

铜绿微囊藻、四尾栅藻和小环藻竞争实验培养基的选择

改变培养基的氮源形态和碳源浓度,研究铜绿微囊藻、小环藻和四尾栅藻的单藻增长行为,筛选适宜的培养基作为混藻竞争实验的共培养基。研究表明,铜绿微囊藻和四尾栅藻在氨氮培养基中的最大生物量K和最大比增长速率r均不及以硝态氮为氮源的培养基;添加高浓度HCO3-(NaHCO3 1.410 mmol/L)能够提高铜绿微囊藻和四尾栅藻藻细胞对氨氮的吸收能力;较低碳源浓度(NaCO3 0.0943 mmol/L)的培养基中,四尾栅藻的初始比增长速率及生物量远高于铜绿微囊藻,但其最大比增长速率r低于铜绿微囊藻,在实验的第10天左右铜绿微囊藻的生物量超过四尾栅藻;小环藻不能在较高浓度碳源(NaHCO3 1.504 mmol/L)下存活;铜绿微囊藻、四尾栅藻与小环藻均可在以氨氮(HA)或硝态氮(HN)为氮源的培养基中单独培养并达到实验所需生物量,因此,HN和HA可以作为实验室内这三种藻共培养适宜的培养基,为今后研究藻类种间资源竞争机制提供实验依据。     

光合细菌对铜绿微囊藻生长的抑制效应

为了探讨光合细菌对水华藻类的控制作用,在实验室条件下,通过菌藻共同培养,研究了沼泽红假单孢菌(Rhodopseudomonas palustras)、球形红细菌(Rhodobacter sphaeroides)及其混合培养物对铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)生长的抑制效应.实验结果表明,光合细菌混合培养物对铜绿微囊藻抑藻作用最强,培养5 d时,铜绿微囊藻生物量降低率达58.9%,培养时间、培养温度、菌体投加量及培养基pH值等对光合细菌混合培养物的抑藻作用均有不同程度的影响.光合细菌混合培养物发挥抑藻作用的适宜条件为培养温度25℃,培养时间≤5 d,光合细菌投加量(V_(光合细菌菌悬液):V_(藻培养液)=1:80),藻培养基pH为8.0左右.     

赖氨酸对铜绿微囊藻细胞的抑制机理

在光照条件下赖氨酸可以有效地抑制铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)的生长,为了探讨其抑制机理,研究了不同含量赖氨酸对铜绿微囊藻细胞的毒理效应.结果表明:赖氨酸对不同品系铜绿微囊藻生长的抑制效果为无毒藻株＞低毒藻株＞高毒藻株,抑制率为95.52%～49.69%.在抑制前期.赖氨酸对铜绿微囊藻细胞抗氧化系统(SOD、MDA)和细胞膜完整性都没有显著影响,但对细胞色素(叶绿素a和藻胆蛋白)以及细胞酯酶活性具有显著影响;在抑制后期,铜绿微囊藻细胞破碎死亡,各种指标都发生显著性变化.铜绿微囊藻对赖氨酸的响应并不产生细胞脂质过氧化等一般的毒理效应,它可能是一种有序变化的死亡过程.     

荇菜(Nymphoides peltatum)对铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)生长的抑制效应及其机制

构建了荇菜(Nymphoides peltatum)与以铜绿微囊藻为优势种的自然藻体共培养系统,分析系统中各藻种藻细胞密度、藻体叶绿素a含量、荇菜生长指标及水下[光]照度的变化;同时以荇菜种植水配置培养基,在适宜光照条件下培养铜绿微囊藻,分析藻类生长生理指标随时间的变化.结果表明:共培养系统中藻类总藻细胞密度显著下降(P<0.05),其中铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)藻细胞密度下降最为明显,40 d时比初始藻细胞密度减少了94.68%,而三角四角藻(Tetraedron minimum)数量逐渐增多,成为优势藻种,表明荇菜对铜绿微囊藻生长具有明显抑制作用.共培养系统中荇菜鲜重、水下20 cm深处光衰减率均与藻类叶绿素a含量呈显著负相关(P<0.05),表明藻细胞光合能力的大小与荇菜植株的生长及其产生的遮光作用密切相关.随培养时间延长,添加荇菜种植水的培养基中铜绿微囊藻藻细胞光密度值(D650)下降明显;叶绿素a、藻胆蛋白(包括藻蓝蛋白、别藻蓝蛋白、藻红蛋白)相对含量均有不同程度的下降,培养9 d后4者相对含量分别降至5.27%、15.53%、21.11%和48.48%;藻细胞Ca2+Mg2+-ATP酶活性下降明显,表明荇菜种植水中存在着某种对铜绿微囊藻产生抑制作用的活性物质,通过对铜绿微囊藻光反应系统(PS Ⅰ和PS Ⅱ)的作用来阻碍藻细胞光合作用进程,抑制藻类生长,说明除了遮光效应外,分泌抑藻活性物质也是荇菜抑制铜绿微囊藻生长的重要机制.     

阿特拉津对铜绿微囊藻和四尾栅藻生长的影响

在实验室内利用MA培养液培养,通过测定藻生长量和叶绿素a含量,研究不同浓度下的阿特拉津对铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)和四尾栅藻(Scenedesmus quadricauda)生长的影响,并以藻细胞数表示的最大比生长率为指标,评价2种藻对阿特拉津的敏感性.结果表明,在0.001～5.000 mg·L-1质量浓度范围内,阿特拉津对铜绿微囊藻和四尾栅藻的生长表现出低浓度刺激、高浓度抑制的效应,且阿特拉津对四尾栅藻的刺激效应明显大于铜绿微囊藻.     

不同pH条件下Cr6+对3种藻的毒性效应(The Toxicological Effects of Cr6+ on Chlorella Vulgaris, Scenedesmus Obliquus and Microcystis Aeruginosa at Different pH Values)

目前我国水质量生态基准的研究较为零星、分散.研究了不同pH条件下Cr6+对3种藻的毒性效应,以期为我国水生态基准的科学制定以及基准的相关研究工作提供参考.选取小球藻、斜生栅藻和铜绿微囊藻3种典型的藻种,在pH为7.0,8.0和9.0三个条件下,依据OECD-201藻类生长抑制实验指南,以72h藻生物量为测试终点,计算3种藻的比生长率,以及Cr6+对3种藻产生毒性效应的NOEC、LOEC、EC10和EC20值.结果表明,在本实验条件下,在不同pH条件下藻种生长不同,小球藻的最适pH值为7.0,斜生栅藻和铜绿微囊藻的最适pH值为9.0;在不同pH条件下,Cr6+对小球藻、斜生栅藻和铜绿微囊藻的毒性作用不同,Cr6+对小球藻在pH=7.0时毒性最小,对斜生栅藻和铜绿微囊藻在pH=9.0时的毒性最小.在藻最适生长的pH条件下,Cr6+的毒性可以达到最小程度;铜绿微囊藻对Cr6+比斜生栅藻和小球藻更加敏感.     

水体扰动对铜绿微囊藻生长影响的规律及原因

在实验室条件下模拟不同扰动状态的水体,探讨铜绿微囊藻的生长与水体扰动之间的关系.结果表明,水体的扰动对铜绿微囊藻的生长同时存在促进和抑制作用.低速度扰动时,促进作用占主导地位;高速度扰动时,抑制作用占主导地位.实验发现中营养化条件下,当温度为25℃,光照为4000 lx,光暗比为12 h∶12 h时,300 r.min-1的扰动速度是铜绿微囊藻生长的临界速度.扰动过程可以为铜绿微囊藻的光合作用提供充足的二氧化碳是其能够促进铜绿微囊藻生长的潜在原因.     

嘉陵江出口段春季水华藻种鉴定

嘉陵江为三峡库区最大支流,对库区水环境具有重要影响,2004年夏进行了嘉陵江出口段藻类活动规律研究,2005年春首次发现嘉陵江出口段小环藻（Cyclotella）暴发。2008年春嘉陵江出口段小环藻暴发水样经中科院武汉水生所鉴定的水华藻种为极小冠盘藻（Stephanodiscus minutulus）,由于极小冠盘藻光学显微特征与小环藻暴发水样中主要小环藻光学显微特征不一致,因此需要弄清春季嘉陵江出口段水华小环藻分类地位。为认知春季嘉陵江出口段水华小环藻种,2009年春季于嘉陵江出口段小环藻发生期间,采集水样,离心浓缩,酸化处理,经电子显微镜扫描得到主要小环藻的电子显微照片,通过中国淡水藻志第四卷硅藻门中心纲相关小环藻特征分析比较,嘉陵江出口段春季水华小环藻种为星肋小环藻（Cyclotella asterocostata Grun.）。     

一株溶藻细菌对铜绿微囊藻的溶藻机理初探

为确定溶藻细菌S7（Chryseobaterium）对铜绿微囊藻的溶藻方式,分别采用高温灭菌（121~123℃）、离心（10 000 r.min-1）、0.22μm滤膜过滤等方式对S7菌液进行处理,检测其对铜绿微囊藻的去除效果。并通过对溶藻过程中叶绿素a和丙二醛（MDA）含量的测定,藻细胞显微结构的观察和细胞成分的红外光谱分析,初步探讨菌株S7对铜绿微囊藻的作用机理。结果表明,S7是通过释放胞外活性物质间接溶藻,该物质具有很强的热稳定性,不属于蛋白质类物质。该活性物质对铜绿微囊藻的叶绿素a有明显的去除效果,并可导致藻细胞膜脂过氧化产物MDA积累量的显著提高和藻细胞解体。藻细胞红外光谱分析表明,经过溶藻物质作用的藻细胞,其蛋白质结构遭到破坏。通过试验结果,推测出菌株S7的溶藻机理：溶藻物质先损伤铜绿微囊藻的细胞壁和粘质胶被,然后通过改变膜的选择透过性进入藻细胞内部,分解叶绿素a,破坏蛋白质,造成藻体正常生理功能的丧失,最终导致藻细胞破裂。     

0,0-二甲基-(2,2,2-三氯-1-羟基乙基)磷酸酯对4种藻类生长的影响

0,0-二甲基-(2,2,2-三氯~(-1)-羟基乙基)磷酸酯(敌百虫)为广谱杀虫剂,用途广泛,但对藻类的毒理学效应研究还有待完善。采用4种受试藻样,设置5个敌百虫浓度组(1、5、10、50和100 mg·L~(-1))和对照组,实验周期40 d,藻细胞的初始接种密度106cells·m L~(-1),光暗比12 h/12 h,24 h曝气,24 h磁力搅拌,实验温度25℃,p H 6.8,每隔24 h取样。结果表明:5 mg·L~(-1)、10 mg·L~(-1)、50 mg·L~(-1)浓度的敌百虫对铜绿微囊藻和小球藻的生长有促进作用,其中以50 mg·L~(-1)浓度组的促进作用最为显著,促进作用主要表现在生长峰值的延后以及生长对数期的延长,而高剂量(100 mg·L~(-1))的敌百虫则有抑制藻生长的作用。取50 mg·L~(-1)敌百虫浓度组以及铜绿微囊藻和小球藻作进一步深入研究,结果表明:50 mg·L~(-1)敌百虫浓度组的叶绿素a含量峰值比对照组高30%,细胞体内的SOD、ATP含量都高于对照组。敌百虫的使用浓度通常在0.1~1.0 mg·L~(-1),低于本实验最佳浓度。本实验中1 mg·L~(-1)敌百虫对藻生长影响效果不明显。     

溶藻放线菌对铜绿微囊藻和小球藻竞争生长的影响

从土壤中分离获得l株对铜绿微囊藻有明显抑制作用的橄榄网状链霉菌SG-001（Streptomyces olivoreticuli SG-001）,研究其对铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）和小球藻（Chlorefla pyrenoidosa）竞争生长的影响。结果表明：SG-001菌株的活性物质主要存在于无菌滤液中,能够强烈抑制铜绿微囊藻的生长,但对小球藻的生长具有明显的促进作用。当混藻中两种藻细胞初始接种浓度均为4.0×106 mL-1时,在BG11纯培养条件下,添加SG-001无菌滤液有利于小球藻生长,但对铜绿微囊藻抑制作用不明显;而SG-001无菌滤液对天然加富水样中的铜绿微囊藻具有明显抑制作用,在同时接种有铜绿微囊藻和小球藻的混合藻液中,添加SG-001无菌滤液能够明显提高小球藻的生长竞争能力,且水体中氨氮和可溶性总磷的去除率可分别达到85%和93.33%,而铜绿微囊藻在第8天时生长基本被小球藻抑制。     

酰胺类除草剂对铜绿微囊藻的生长影响及氧化损伤效应

酰胺类除草剂的广泛使用对水生生态环境构成了潜在风险。为探究其对藻类的毒性作用,以铜绿微囊藻为对象,分别从藻类生长和氧化损伤效应角度探讨了甲草胺、乙草胺和丁草胺对铜绿微囊藻的毒性影响。实验结果显示,酰胺类除草剂对藻类的影响存在明显的滞后效应和剂量–效应关系,低浓度暴露组刺激藻类增长,高浓度表现为抑制作用;3种酰胺类除草剂增加了铜绿微囊藻的氧化压力,并随着暴露时间的延长和浓度的增加而增强。其中,藻体内过氧化脂质降解产物丙二醛(MDA)含量明显增加,同时超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性也显著增强。经96 h暴露后,甲草胺(32.0 mg·L~(-1))、乙草胺(32.0 mg·L~(-1))和丁草胺(15.0 mg·L~(-1))暴露溶液中相对MDA含量分别为138%、204%和154%,相对SOD活性分别为116%、87%和115%,相对POD活性分别475%、278%和627%。结合生物量及氧化损伤效应实验结果可知,3种除草剂对铜绿微囊藻的毒性大小顺序为丁草胺乙草胺甲草胺。     

加拿大一枝黄花化感抑藻效应的初步研究

利用植物化感作用,可抑制有害藻类的生长,改善富营养化水体水质。文章选择我国重要的陆生入侵植物加拿大一枝黄花（Solidago canadensis L.）,系统研究了其根部、茎部和叶部水浸液对5种常见藻类：铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）、斜生栅藻（Scenedesmus obliquu）、蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa）、水华鱼腥藻（Anabaena flos-aguae）和羊角月牙藻（Selenastrum capricornutum）生长的化感效应。研究结果表明：（1）加拿大一枝黄花水浸液对铜绿微囊藻的生长有强烈的化感抑制效应,7 d抑制率为90%左右,根、茎、叶部水浸液的72 h-EC50由高到低依次为34.84、12.54和9.57 g.L^-1,叶部对铜绿微囊藻的抑制作用最强;（2）加拿大一枝黄花叶部水浸液除了对水华鱼腥藻的生长无显著影响外,对其余4种受试藻均有明显的抑制作用,即加拿大一枝黄花叶部的化感抑藻效应较具广谱性;（3）相同质量浓度、同一部位的加拿大一枝黄花水浸液对不同藻种的化感作用类型和作用强度有所不同,即化感抑藻效应存在选择性,且这种选择性与藻类的分类学特征无关;（4）对同一种藻,加拿大一枝黄花根、茎、叶等不同部位水浸液的化感效应也有所差异。