海洋微藻对CO加富响应的实验生态学研究

摘要

近几十年来，由于人口急剧增加，工业迅猛发展，及森林的滥砍滥伐等植被的破坏和地表水的逐年减少，大气CO2的浓度以前所未有的速度稳步增加成为全球性的重大环境问题之一。CO2等温室气体的增加导致全球气温的上升即“温室效应”的加剧，随之而来的是海平面的上升、生物多样性的丧失和沙漠化的加剧等等，这己影响到整个地面生态系统的变化。全球CO2浓度升高对生态系统中的绿色植物将产生直接的影响，进而使生物从生态系统、群落、种群、个体、细胞以及分子各个层次水平上发生变化。海洋占地球表面积的71％，对海洋生物对CO2变化响应研究具有重要意义。在整个海洋食物网中，海洋微藻是CO2加富最直接的响应者，它不仅驱动着整个海洋生态系统的能流和物流，直接和间接地养育着几亿吨的海洋动物，而且对调节全球变化起着重要的作用。研究海洋微藻对CO2加富的响应显得尤为重要。 本文采用实验生态学的方法从种间、种群、生理生化和分子水平研究了6种海洋微藻：小球藻(Chlorella．sp)、亚心形扁藻(Platymanas subcordiformis)、金藻8701(Isochrysisgalbana．Parke8701)、中肋骨条藻(Skeletonema costatum)、盐藻(Dunaliella salina)和赤潮异弯藻(Heterosigmaakashiwo)对大气CO2浓度升高的响应。研究结果如下： 1．海洋微藻种群增长对CO2加富的响应 6种海洋微藻的种群增长对CO2加富都作出了一定的响应，即CO2加富(5000μl/L)能够显著促进6种海洋微藻：小球藻、盐藻、金藻8701、中肋骨条藻、亚心形扁藻和赤潮异弯藻的种群增长。使其种群增长进入静止期的时间缩短，种群达到的最大细胞密度显著提高(p＜0.05)。 6种海洋微藻的种群增长对CO2加富(5000μl/L)响应的敏感性存在一定的差异，按敏感性由低到高的顺序依次为：小球藻＜盐藻＜金藻8701＜中肋骨条藻＜亚心形扁藻＜赤潮异弯藻，赤潮异弯藻对CO2加富最敏感，而小球藻对CO2加富最不感。 2．双藻共培养条件下海洋微藻种群竞争对CO2加富的响应 以赤潮异弯藻和中肋骨条藻为目标微藻，在共培养条件下研究了二者的竞争作用及其对CO2加富的响应变化。结果发现：起始接种密度对赤潮异弯藻和中肋骨条藻的种群增长有明显的影响。即随着接种密度的提高，2种赤潮微藻种群增长进入指数生长期的时间都相应地提前，进入静止期的时间同样都相应地提前，而种群增长所达到的最大细胞密度均相应地降低。共培养条件下，中肋骨条藻在与赤潮异弯藻的竞争中始终占优势，且随着中肋骨条藻相对起始接种密度的提高，其种群竞争生长的优势越加明显，对赤潮异弯藻种群生长的抑制作用愈加显著。CO2加富处理可改变赤潮异弯藻和中肋骨条藻种群竞争的关系，使中肋骨条藻种群竞争能力降低，赤潮异弯藻种群竞争能力大大提高。 3．多藻共培养条件下海洋微藻种群竞争对CO2加富的响应 选用3种海洋微藻--亚心形扁藻、中肋骨条藻和金藻8701为实验藻种，研究了多藻共培养条件下微藻竞争性平衡以及对CO2加富的响应变化。结果表明：在正常条件(通空气)下，金藻8701的种群增长动态表现为弱竞争型，中肋骨条藻的种群增长动态为强竞争型，亚心形扁藻种群增长动态为增长型。因此，在多藻共培养体系中，种群竞争向有利于中肋骨条藻种群增长的方向发展，使中肋骨条藻最终成为优势种，而亚心形扁藻则成为亚优势种，金藻8701成为劣势种。 CO2加富(通含5000μl/L CO2的空气)处理改变了3种海洋微藻的种群增长动态，同时引起了种群竞争平衡的变化。CO2加富条件下，中肋骨条藻的种群增长动态表现为为增长型，而亚心形扁藻种群增长动态表现为强竞争型，而金藻8701种群增长动态仍然表现为弱竞争型。因此，在多藻共培养体系中，种群竞争向有利于亚心形扁藻种群增长的方向发展，使亚心形扁藻由正常条件下的亚优势变化为CO2加富条件下的优势种，而中肋骨条藻则由正常条件下的优势种变化为CO2加富条件下的亚优势种。 4．海洋微藻大分子物质合成动态对CO2加富的响应 选用3种海洋微藻--中肋骨条藻、赤潮异弯藻和小球藻探讨CO2浓度升高对海洋微藻大分子物质合成动态的影响。结果表明：3种海洋微藻DNA合成动态对CO2加富显示出类似的响应，表现在DNA合成速度加快，DNA合成量增加。 3种海洋微藻相比，赤潮异弯藻的DNA的合成对CO2加富最敏感，其次是中肋骨条藻，而小球藻的DNA的合成对CO2加富最不敏感。 3种海洋微藻RNA合成动态对CO2加富同样显示出类似的响应，表现在RNA合成速度加快，RNA合成量增加。3种海洋微藻相比，中肋骨条藻的RNA的合成对CO2加富最敏感，其次是赤潮异弯藻，而小球藻RNA的合成对CO2加富最不敏感。 3种海洋微藻蛋白质合成动态对CO2加富显示出不同的响应，赤潮异弯藻蛋白质合成对CO2加富最敏感，表现在蛋白质合成速度加快，蛋白质合成量显著增加。中肋骨条藻蛋白质的合成对CO2加富相对不敏感，而小球藻蛋白质的合成对CO2加富没有显示出响应性变化。 5．海洋微藻对CO2加富的生理生化响应 选用中肋骨条藻、赤潮异弯藻和小球藻为实验藻种，从生理生化层次继续研究其对CO2加富的响应变化，结果发现：3种海洋微藻的光合速率、光合固碳速率和碳酸酐酶活对CO2加富都作出了明显的响应变化，与对照组相比差异显著(p＜0.05)。说明CO2加富处理刺激了3种海洋微藻的碳酸酐酶活性，从而提高了它们的光合速率和光合固碳速率，这将对其生长产生间接的促进作用。三种海洋微藻相比，赤潮异弯藻的响应最明显，其次是中肋骨条藻，小球藻的响应相对最不明显。 3种海洋微藻的硝酸还原酶活性和对N、P的吸收速率对CO2加富都作出了明显的响应变化，与对照组相比差异极显著(p＜0.01)。指示CO2加富处理刺激了3种海洋微藻的硝酸还原酶活性，从而提高了它们对N、P的吸收速率，这将对其生长产生间接的促进作用。三种海洋微藻对P吸收速率的响应敏感性顺序是赤潮异弯藻＞中肋骨条藻＞小球藻，对N吸收速率的敏感性顺序是中肋骨条藻＞赤潮异弯藻＞小球藻，而硝酸还原酶活性对CO2加富响应敏感性顺序是赤潮异弯藻＞小球藻＞中肋骨条藻。 3种海洋微藻叶绿素a含量对CO2加富处理都没有作出明显的响应(p＞0.05)。在CO2加富条件下，其叶绿素a含量与对照组相比无显著差异(p＞0.05)。

目录

文摘

英文文摘

声明

1文献综述和立论依据

1.1温室效应

1.1.1温室气体

1.1.2增温

1.2 CO2浓度升高对植物的影响

1.2.1对生物量的影响

1.2.2对品质的影响

1.2.3对植物生长发育的影响

1.2.4对植物形态结构的影响

1.2.5对植物光合作用的影响

1.2.6对植物呼吸作用的影响

1.2.7对植物质膜透性的影响

1.3 CO2浓度升高对藻类影响的研究

1.3.1 CO2浓度升高对浮游植物的影响

1.3.2 CO2浓度升高对大型海藻的影响

1.4国内相关研究现状

1.5结语

1.6立论依据

参考文献

2海洋微藻种群增长对CO2加富的响应变化研究

2.1材料与方法

2.1.1藻种

2.1.2培养基

2.1.3培养方法

2.1.4 CO2加富处理

2.1.5细胞密度和比生长率的测定

2.1.6数据分析

2.2结果

2.2.1 CO2加富条件下6种微藻种群增长

2.2.2 6种微藻种群增长对CO2加富的敏感性比较

2.3讨论

2.3.1 CO2浓度升高对6种海洋微藻种群增长的促进作用

2.3.2 6种海洋微藻种群增长对CO2浓度升高的敏感性分析

2.4小结

2.4.1 CO2加富对6种海洋微藻种群增长的影响

2.4.2 6种海洋微藻对CO2加富的敏感性差异

参考文献

3双藻共培养条件下微藻种群竞争对CO2加富的响应变化研究

3.1材料和方法

3.1.1藻种来源

3.1.2单养实验

3.1.3混养实验

3.1.4培养条件和方法

3.1.5 CO2加富处理

3.1.6细胞密度的计算

3.1.7数据分析

3.2结果

3.2.1单养实验中2种赤潮微藻的生长

3.2.2混养实验中2种赤潮微藻的竞争作用

3.2.3 CO2加富对2种赤潮藻种群竞争的影响

3.3讨论

3.3.1不同接种比例下两种赤潮微藻竞争关系变化的原因

3.3.2克生作用的途径和方式

3.3.3 CO2加富引起藻间竞争关系变化的原因

3.4小结

3.4.1不同起始接种密度对2种赤潮微藻种群增长的影响

3.4.2混养条件下2种赤潮微藻的竞争作用

3.4.3 CO2加富对2种赤潮微藻种群竞争的影响

参考文献

4多藻共培养条件下微藻种群竞争对CO2加富的响应

4.1材料与方法

4.1.1实验藻种

4.1.2培养方法与条件

4.1.3 CO2加富处理

4.1.4细胞密度的测定

4.1.5数据分析

4.2结果

4.2.1正常条件下3种微藻种间竞争关系

4.2.2 CO2浓度升高对3种微藻种间竞争的影响

4.3讨论

4.3.1影响群落结构的因素

4.3.2 CO2浓度升高对植物群落的影响

4.4小结

4.4.1正常条件下3种微藻种间竞争平衡

4.4.2 CO2加富对3种微藻种间竞争平衡的影响

参考文献

5海洋微藻大分子物质合成动态对CO2加富的响应

5.1材料和方法

5.1.1藻种来源

5.1.2培养方法和条件

5.1.3 CO2加富处理

5.1.4放射性同位素标志实验

5.1.5核酸和蛋白质的提取及放射性同位素掺入测定

5.1.6细胞密度的计算

5.1.7数据分析

5.2结果

5.2.1 CO2加富条件下3种海洋微藻DNA合成动态

5.2.2 CO2加富条件下3种海洋微藻RNA合成动态

5.2.3 CO2加富条件下3种海洋微藻蛋白质合成动态

5.3讨论

5.3.1环境变化和环境污染对海洋微藻生长和大分子物质合成的促进作用

5.3.2海洋微藻大分子物质合成对CO2加富的敏感性差异

5.4小结

5.4.1 3种海洋微藻DNA合成动态CO2加富的响应

5.4.2 3种海洋微藻RNA合成动态CO2加富的响应

5.4.3 3种海洋微藻蛋白质合成动态CO2加富的响应

参考文献

6海洋微藻对CO2加富的生理生化响应

6.1材料和方法

6.1.1藻种来源

6.1.2培养方法和条件

6.1.3 CO2加富处理

6.1.4光合作用的测定

6.1.5光合固碳速率的测定

6.1.6碳酸酐酶活性的测定

6.1.7叶绿素a的测定

6.1.8营养盐吸收速率的测定

6.1.9硝酸还原酶活性的测定

6.1.10细胞密度的计算

6.1.11数据分析

6.2结果

6.2.1 CO2加富条件下3种海洋微藻光合速率的变化

6.2.2 CO2加富条件下3种海洋微藻叶绿素a含量的变化

6.2.3 CO2加富条件下3种海洋微藻光合固碳速率的变化

6.2.4.CO2加富条件下3种海洋微藻碳酸酐酶活性的变化

6.2.5 CO2加富条件下3种海洋微藻营养盐吸收速率的变化

6.2.6 CO2加富条件下3种海洋微藻硝酸还原酶活性的变化

6.3讨论

6.3.1 CO2加富对海洋藻类光合作用的影响

6.3.2 CO2加富对海洋微藻对硝酸盐吸收的影响

6.4小结

6.4.1 3种海洋微藻的光合作用对CO2加富的响应

6.4.2 3种海洋微藻的营养盐吸收对CO2加富的响应

参考文献

发表论文

致谢