海洋微藻種群增長和種間競爭的動態(tài)變化及其UV-B輻射增強的響應(yīng)：基于流式細胞術(shù)的研究探討.pdf

1、臭氧層衰減而導(dǎo)致的UV-B(280-320 nm)輻射增強是全球性的重大環(huán)境問題之一,海洋生態(tài)系統(tǒng)不可避免會受到紫外輻射的明顯影響。海洋微藻是海洋食物鏈的基礎(chǔ),是海洋的主要初級生產(chǎn)者,它不僅驅(qū)動著整個海洋生態(tài)系統(tǒng)的能流和物流,而且對調(diào)節(jié)全球變化起著重要的作用。海洋浮游植物的種群和群落的動態(tài)變化一旦受到破壞將會危及其它海洋生物及整個海洋生態(tài)系統(tǒng)。建立靈敏、快速的微藻生物分析方法將為預(yù)警性的指示和了解UV-B輻射增強對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響提供

2、基礎(chǔ)的依據(jù),也為深入了解水生生態(tài)系統(tǒng)對UV-B輻射增強的響應(yīng)過程與機制提供理論參考。流式細胞術(shù)(Flow Cytometry,FCM)是一種在功能水平上對單個細胞進行定量分析的檢測技術(shù),通過同步高速分析大量細胞的多個參數(shù)而對細胞生理狀態(tài)進行評價,在藻類生態(tài)學(xué)和毒理學(xué)的研究領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。目前該技術(shù)主要用以指示污染的退化程度以及污染脅迫條件下藻類的生理響應(yīng)等方面,在微藻種群增長、種間競爭及其脅迫.響應(yīng)生物標志物篩選方面的研究還未見

3、報道。
　　 本文因此以四種微藻:綠藻門的青島大扁藻(Platymonas helgolandica)、金藻門的球等鞭金藻(Isochrysis galbana)、黃藻門的赤潮異彎藻(Heterosigma akashiwo)和甲藻門的米氏凱倫藻(Karenia mikimotoi)為研究目標,在實驗生態(tài)條件下基于流式細胞術(shù)系統(tǒng)研究了微藻種群增長和種間競爭的變化對UV-B輻射增強的響應(yīng),探討了可能的作用機制,并篩選了能靈敏指示微

4、藻生理響應(yīng)變化的生物標志物。結(jié)果如下:
　　 1.UV-B輻射增強對微藻的急性毒性作用研究
　　 (1)利用流式細胞術(shù)能靈敏區(qū)分四種微藻:青島大扁藻、球等鞭金藻、赤潮異彎藻和米氏凱倫藻種群中微藻活體細胞、細菌、死亡微藻細胞碎片以及培養(yǎng)體系中的懸浮顆粒,從而對種群中微藻密度的變化進行準確判定。
　　 (2)根據(jù)熒光信號變化對細胞體積、內(nèi)容物復(fù)雜程度、葉綠素α熒光、存活率、酯酶活性、活性氧含量和種群密度的同步檢測,結(jié)

5、果表明,不同微藻對UV-B輻射增強的響應(yīng)存在較大的差別:在實驗的劑量和時間范圍內(nèi),a.四種微藻均呈現(xiàn)出活性氧含量不斷增加、種群密度不斷下降的變化趨勢;米氏凱倫藻的存活率隨輻射劑量的增加而不斷下降,但對青島大扁藻、球等鞭金藻細胞和赤潮異彎藻存活率的影響并不明顯。B.UV-B輻射增強能降低四種微藻的葉綠素口熒光和酯酶活性,但對細胞體積、內(nèi)容物復(fù)雜程度的影響因種而異:球等鞭金藻和米氏凱倫藻的體積大小和內(nèi)容物的復(fù)雜程度不斷下降,而在赤潮異彎藻中

6、細胞體積下降、內(nèi)容物復(fù)雜程度卻有所增加,在青島大扁藻中的變化不顯著。
　　 (3)基于流式細胞術(shù)的檢測研究發(fā)現(xiàn)不同種類微藻對UV-B輻射增強響應(yīng)的敏感性指標之間存在差異:青島大扁藻與球等鞭金藻的活性氧含量變化對脅迫最為敏感,其EC50分別為508.6 J·m-2和560.2 J·m-2;而酯酶活性則是赤潮異彎藻和米氏凱倫藻中對脅迫響應(yīng)的最敏感的指標,其EC50分別為為433.3 J·m-2和455.1J·m-2。
　　

7、2.共培養(yǎng)體系中UV-B輻射增強對微藻的急性毒性作用研究
　　 (1)用流式細胞術(shù)能靈敏區(qū)分共培養(yǎng)體系中的兩種不同種類的微藻;混合培養(yǎng)對微藻的生理指標產(chǎn)生了影響;與單獨培養(yǎng)體系中的同種微藻相比,與球等鞭金藻共培養(yǎng)可引起青島大扁藻和赤潮異彎藻存活率的降低,對其產(chǎn)生不利影響,卻可導(dǎo)致米氏凱倫藻存活率升高,對其產(chǎn)生有益作用;共培養(yǎng)體系中的球等鞭金藻的存活率均未產(chǎn)生顯著變化,但卻出現(xiàn)酯酶活性下降而活性氧含量上升的變化趨勢,說明混合培養(yǎng)雖

8、然未對球等鞭金藻產(chǎn)生致死作用,但對其生理活動產(chǎn)生了不利影響。
　　 (2)UV-B輻射增強可抑制共培養(yǎng)體系中微藻的種群生長,與未經(jīng)UV-B輻射處理的對照組相比,3種共培養(yǎng)體系中微藻密度均顯著降低,但對微藻生理活動的影響效果存在種間差異:共培養(yǎng)體系中青島大扁藻和米氏凱倫藻葉綠素口熒光降低、活性氧含量升高,表明其生理活動受到明顯抑制,而赤潮異彎藻則表現(xiàn)出酯酶活性上升和活性氧含量下降的變化趨勢;UV-B輻射對共培養(yǎng)體系中球等鞭金藻的作

9、用效果與共培養(yǎng)體系的微藻種類有關(guān):當與青島大扁藻共培養(yǎng)時活性氧含量隨UV-B輻射增強而不斷升高,而與赤潮異彎藻和米氏凱倫藻共培養(yǎng)時則表現(xiàn)出相反的變化趨勢,即活性氧含量隨UV-B輻射的升高反而有所下降。
　　 (3)與單獨培養(yǎng)體系相比,共培養(yǎng)體系中微藻對UV-B輻射響應(yīng)的敏感性發(fā)生變化,指示指標也有所不同:球等鞭金藻.青島大扁藻培養(yǎng)體系中2種微藻的生理敏感指標均為活性氧含量(EC50值分別為1187.1 J·m-2和694.6 J

10、·m-2);球等鞭金藻.米氏凱倫藻體系中微藻敏感生化指標均為酯酶活性,EC50值分別為612.6 J·m-2和391.0 J·m-2;球等鞭金藻-米氏凱倫藻體系中敏感指標分別活性氧含量和種群密度,EC50值分別為832.8 J·m-2和578.2 J·m-2。研究結(jié)果表明,活性氧含量和酯酶活性變化可作為靈敏指示UV-B輻射脅迫-響應(yīng)的生物標志物。
　　 3.長時間、亞致死劑量的UV-B輻射對微藻種群生長的影響
　　 (1

11、)運用實驗生態(tài)學(xué)方法研究了球等鞭金藻、赤潮異彎藻和米氏凱倫藻種群生長對UV-B輻射的響應(yīng)。長時間、亞致死劑量的UV-B輻射能明顯影響3種微藻種群的生長:3種微藻的種群密度均表現(xiàn)出低劑量(2.064 J·m-2·d-1)上升而高劑量(≥8.256 J·m-2·d-1)下降的趨勢;球等鞭金藻與赤潮異彎藻的環(huán)境容納量(carrying capacity,K)表現(xiàn)出低劑量(2.064J·m-2·d-1)上升而高劑量(≥8.256 J·m-2·d

12、-1)下降的趨勢,種群生長拐點時間(Tp)縮短;米氏凱倫藻K值無顯著變化,但Tp顯著延長。
　　 (2)長時間、亞致死劑量的UV-B輻射條件均能導(dǎo)致3種微藻細胞體積增大;球等鞭金藻和赤潮異彎藻的葉綠素α熒光與存活率均表現(xiàn)為逐漸下降的變化趨勢,但前者的內(nèi)容物復(fù)雜程度升高,而后者則無顯著變化;米氏凱倫藻內(nèi)容物復(fù)雜程度下降,葉綠素α熒光與存活率無顯著變化。
　　 4.長時間、亞致死劑量的UV-B輻射對共培養(yǎng)體系中微藻種群生長和

13、種間競爭的影響
　　 (1)混合培養(yǎng)抑制了微藻種群生長,與單獨培養(yǎng)體系中的對照組相比球等鞭金藻、赤潮異彎藻和米氏凱倫藻K值均顯著降低;
　　 (2)長時間、亞致死劑量的UV-B輻射能對共培養(yǎng)微藻的微藻種群增長的動態(tài)變化產(chǎn)生影響:球等鞭金藻.米氏凱倫藻體系中球等鞭金藻種群密度、K值和Tp降低,而米氏凱倫藻種群密度、K值和Tp顯著上升;球等鞭金藻-赤潮異彎藻體系中球等鞭金藻種群密度和K值降低,Tp顯著延長,赤潮異彎藻種群密度

14、與K值隨UV-B輻射劑量的增加呈現(xiàn)先升高(2.064-66.048 J·m-2·d-1)后降低(≥132.096 J·m-2·d-1)的趨勢。
　　 (3)長時間、亞致死劑量的UV-B輻射影響了共培養(yǎng)微藻的種間競爭作用,對UV-B輻射增強條件下共培養(yǎng)體系中微藻的種群密度變化進行數(shù)值模擬,結(jié)果顯示:隨輻射劑量的增加,球等鞭金藻.米氏凱倫藻體系中種群競爭狀態(tài)由球等鞭金藻占據(jù)優(yōu)勢轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定平衡狀態(tài),最終轉(zhuǎn)變?yōu)槊资蟿P倫藻占據(jù)競爭優(yōu)勢;