温度和二氧化碳浓度升高对斜生栅藻和蛋白核小球藻及其牧食者萼花臂尾轮虫生理生态特征的影响

摘要

作为当代最受关注的热点问题之一，全球气候变化越来越受到重视，其原因在于它对地球环境和人类自身的潜在影响。在淡水生态系统中，蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa）和斜生栅藻（Scenedesmus obliquus）等绿藻、萼花臂尾轮虫（Brachionus caliciflorus）等浮游动物是牧食食物链的重要环节，是生态系统的重要组成部分之一。为此，本论文首先研究了温度和CO2浓度升高对蛋白核小球藻和斜生栅藻生理生态特征的影响，然后在相同的条件下研究了摄食两种绿藻的萼花臂尾轮虫的种群增长和生命表统计学参数，旨在为预测全球气候变化对淡水生态系统中绿藻-植食性轮虫两个营养级生物的影响积累资料。主要的研究内容和结果如下：
　　1、以蛋白核小球藻和斜生栅藻为研究对象，在25℃和400 ppm CO2（对照组）、28℃和400 ppm CO2（温度升高组）、25℃和750 ppm CO2（CO2升高组）和28℃和750 ppm CO2（温室效应组）等4种组合条件下对两种绿藻的比增长率、环境容纳量、内禀增长率、元素组成、细胞大小和脂肪酸含量进行了研究。结果显示，温度和CO2浓度组合对两种绿藻的环境容纳量、内禀增长率、细胞C含量、C:N比率和C:P比率均无显著性影响（P>0.05）。蛋白核小球藻的比增长率在对照组中最低，温度升高组和温室效应组中最高。斜生栅藻的比增长率在对照组中最低，温室效应组中最高，温度升高组和CO2升高组之间无显著性差异。蛋白核小球藻的细胞体积在温室效应组中最小，对照组大于温度升高组，但两者均与CO2升高组之间无显著性差异。斜生栅藻的细胞体积在温室效应组中较小，而其他三组间无显著性差异。两种绿藻细胞的平均N和P含量在对照组最高或趋于最高，在温室效应组中最低或趋于最低。蛋白核小球藻的细胞的N:P比率在温度升高组中显著高于其它三组，而斜生栅藻的细胞的N:P比率在对照组和温度升高组中显著低于CO2升高组和温室效应组。两种绿藻中，含量较高的脂肪酸主要有C16:0、C18:0、C18:2ω6和C18:3ω3，其中C16:0含量非常高。蛋白核小球藻的SFA含量在对照组和温度升高组中显著高于CO2升高组和温室效应组，而PUFA、ω3-PUFA和ω6-PUFA含量在对照组和温度升高组中显著低于CO2升高组和温室效应组；斜生栅藻的PUFA、ω3-PUFA和ω6-PUFA含量也在对照组和温度升高组中显著低于CO2升高组和温室效应组。
　　2、运用生命表统计学方法，以上述4种组合条件下连续培养6天、密度为2.0×106 cells/ml的蛋白核小球藻和斜生栅藻为食物，研究了相应条件下萼花臂尾轮虫的生命史参数，测定了培养液的pH值。结果表明，四种条件下轮虫培养液的pH变化幅度不大且各组变化幅度相似。生命表实验得出，以蛋白核小球藻为食时，萼花臂尾轮虫的生命期望、世代时间和平均寿命均在对照组最长，温度升高组次之，CO2升高组和温室效应组最短；轮虫的总生殖率和内禀增长率均在温室效应组最高，净生殖率在CO2升高组最低，后代混交率在对照组和温度升高组显著低于CO2升高组。PCA和多元回归分析表明，ω3-PUFA是影响种群内禀增长率的主要因子，且与种群内禀增长率之间呈正相关关系。以斜生栅藻为食时，萼花臂尾轮虫的生命期望、世代时间和平均寿命均在对照组和CO2升高组最长，温度升高组次之，温室效应组最短；轮虫的净生殖率以CO2升高组最高，内禀增长率按对照组、温度升高组、CO2升高组和温室效应组的次序逐渐显著地增高，后代混交率以温度升高组最低。细胞大小和ω3-PUFA是影响轮虫种群内禀增长率的主要因子，且后者的重要性更大；细胞大小与内禀增长率呈负相关关系，而ω3-PUFA含量与内禀增长率呈正相关关系。
　　3、运用群体累积培养法，以上述4种组合条件下连续培养6天、密度为2.0×106 cells/ml的蛋白核小球藻和斜生栅藻为食物，研究相应条件下萼花臂尾轮虫的种群动态。结果表明，以蛋白核小球藻为食时，温度和CO2浓度组合条件对轮虫的种群增长率、最大种群密度轮虫和种群中的平均混交雌体受精率有显著性影响（P<0.05），但对轮虫种群中的平均混交率无显著性影响（P>0.05）。四组间，温度升高组和温室效应组的种群增长率较高，对照组和CO2升高组较低；CO2升高组的最大种群密度显著高于对照组和温度升高组，而温室效应组与它们之间无显著性差异；温室效应组中的平均受精率显著高于对照组和温度升高组，但它们均与CO2升高组之间无显著性差异。以斜生栅藻为食时，温度和CO2浓度组合条件对轮虫的种群增长率、轮虫种群中的平均混交率和平均受精率均无显著性影响（P>0.05），但对最大种群密度有极显著性影响（P<0.01）。对照组中轮虫的最大种群密度显著高于其它三组，而其它三组间无显著性差异。
　　温室效应使萼花臂尾轮虫种群增长率升高，其统计学上是否显著取决于藻类食物种类。种群增长率和种群密度的动态变化势必影响到水生态系统的结构和功能。因此，全球变化的生态学效应不可忽视。

目录

声明

第一章 文献综述

1 全球气候变化背景

2 温度和CO2浓度升高对藻生理生态的影响研究进展

2.1 温度和CO2浓度升高对藻生长的影响

2.2 温度和CO2浓度升高对藻细胞大小的影响

2.3 温度和CO2浓度升高对藻类元素组成的影响

2.4 温度和CO2浓度升高对藻类脂肪酸组成的影响

3 温度和CO2浓度升高对浮游动物的影响

3.1 全球变暖对浮游动物物候学的影响

3.2 气候变暖对浮游动物物种分布的影响

3.3 CO2浓度升高对浮游动物生长和群落结构的影响

4 本研究的意义

第二章 温度和CO2浓度升高对两种绿藻的生理生态特征的影响

1 材料与方法

1.1 藻种及其培养条件

1.2 藻类实验的设计

1.3 藻细胞密度的测定和比增长率的计算

1.4 藻类元素组成和藻细胞大小的测定

1.5 藻类脂肪酸组成测定

1.6 数据的统计分析

2 结果与分析

2.1 藻类生长

2.2 细胞大小

2.3 藻细胞的元素和脂肪酸组成

2.4 藻细胞脂肪酸的含量

3 讨论

3.1 温度和CO2浓度升高对藻类生长的影响

3.2 温度和CO2浓度升高对藻细胞大小的影响

3.3 温度和CO2浓度升高对藻细胞元素组成的影响

3.4 温度和CO2浓度升高对藻类脂肪酸含量的影响

第三章 温度和CO2浓度升高对藻类牧食者萼花臂尾轮虫种群动态的影响

1 材料与方法

1.1 轮虫的采集与培养

1.2 轮虫的生命表实验和培养液pH的测定

1.3 轮虫生活史参数的定义和计算方法

1.5 数据的处理和分析

2 结果与分析

2.1 轮虫培养液pH测定结果

2.2 轮虫的存活率和繁殖率

2.3 轮虫的生命表统计学参数

2.4 PCA和多元线性回归分析

3 讨论

3.1 温度和CO2浓度升高对轮虫生活史特征的影响

3.2 藻类元素组成对轮虫生活史特征的影响

3.3 藻细胞形态和大小对轮虫生活史特征的影响

3.4 藻类营养物组成和含量对轮虫生活史特征的影响

第四章 温度和CO2浓度升高对萼花臂尾轮虫种群增长的影响

1 材料与方法

1.2 轮虫的种群增长实验

1.3 轮虫种群增长参数的定义和计算方法

1.4 数据的处理和分析

2 结果与分析

2.1 轮虫种群动态

2.2 种群增长率和最大种群密度

2.2 平均混交率和平均受精率

3 讨论

3.1 轮虫种群增长对温度和CO2浓度升高的响应

3.2 轮虫有性生殖对温度和CO2浓度升高的响应

3.3 温度和CO2浓度升高对淡水生态系统的影响

参考文献

致谢

附录：读研期间论文发表情况及获奖情况