海水升温对大亚湾浮游植物群落结构和光合活性的影响
热带海洋学报 JOURNAL OF TROPICAL OCEANOGRAPHY
2015年 第34卷 第2期: 24?31
收稿日期：2014-04-16; 修订日期: 2014-05-04。孙淑杰编辑
基金项目：国家自然科学基金项目(41276160、41106140), 中国科学院战略性先导科技专项(XDA11030203)
作者简介：谢艳辉(1988~), 女, 湖南省永州市人, 硕士研究生, 研究方向为浮游植物生理生态。E-mail: xieyanhui11@https://www.wendangku.net/doc/3a14173236.html, 通信作者：刘胜。E-mail: shliu@https://www.wendangku.net/doc/3a14173236.html,
海水升温对大亚湾浮游植物群落结构和光合活性的影响
谢艳辉1, 2, 李涛1, 3, 简伟军4, 胡思敏1, 2, 田媛1, 2, 刘胜1
1. 中国科学院南海海洋研究所, 中国科学院热带海洋生物资源与生态重点实验室, 广东 广州 510301;
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 中国科学院海南热带海洋生物实验站, 海南 三亚 572000;
4. 深圳大学深圳市海洋生物资源与生态环境重点实验室, 广东 深圳 518060
摘要: 大亚湾核电站运行以来, 其温排水造成了局部区域海水明显升温, 区域浮游植物群落结构也发生显著改变。为研究海水升温对浮游植物群落结构及光合活性的影响, 于2013年夏季采集大亚湾核电站温排水区域浮游植物, 进行室内升温胁迫和恢复培养, 每天观测其群落结构和不同粒级(小型、微型、微微型)浮游植物光合活性的变化。结果表明, 升温实验中, 3个处理组(35℃、33℃、29℃)在培养前期均是硅藻占优势, 在培养后期变为蓝藻(念珠藻Nostoc sp.或微囊藻Microcystis sp.)占优势; 高温处理组(35℃和33℃), 前2天浮游植物生物量均持续增加, 最大光量子产量基本恒定在正常状态, 而后均开始下降, 且35℃下降幅度较33℃高, 培养过程中小型和微型浮游植物的生物量与光合活性均大于微微型; 29℃对照组中, 不同粒级浮游植物生物量和光合活性与实验前相差不大。恢复实验结果显示, 虽然受到高温胁迫, 排水口小型和微型浮游植物在正常温度(29℃)和较低温度(25℃)下均可恢复到正常光合水平, 而微微型浮游植物的恢复活性相对较低。总体而言, 35℃和33℃均对浮游植物造成了高温胁迫, 35℃的胁迫效应更为严重; 小型和微型浮游植物的高温耐受能力及相应的受损恢复能力均高于微微型。由此推测, 在大亚湾核电站温排水区, 短期高温刺激造成的浮游植物光合损伤在其被带离高温区后可得到恢复, 甚至可促进浮游植物快速生长。 关键词: 大亚湾; 核电温排水; 浮游植物; 群落结构; 光合活性
中图分类号: P735 文献标识码: A 文章编号: 1009-5470(2015)02-0024-08
Influence of ocean warming on the community structure and photosynthetic efficiency of phytoplankton in Daya Bay
XIE Yan-hui 1,2, LI Tao 1,3, JIAN Wei-jun 4, HU Si-min 1,2, TIAN Yuan 1,2, LIU Sheng 1
1. Key Laboratory of Tropical Marine Bio-resources and Ecology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China;
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. Tropical Marine Biological Research Station in Hainan, Chinese Academy of Sciences, Sanya 572000, China;
4. Shenzhen Key Laboratory of Marine Bioresourse and Eco-enviromental Science, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China
Abstract: Since the start of operation of Daya Bay Nuclear Power Plant, a distinct temperature increase has happened in the surrounding waters, resulting in changes of phytoplankton community structure. To evaluate the warming effects on the phytoplankton community structure and photosynthetic efficiency, warming-up and recovery experiments were conducted on different granulometric classes (micro-, nano-, pico-) from the waters infall and outfall of the plant in the summer of 2013. The results are as follows. In the warming-up experiments, the dominant community changed from the diatom on the early stage to the cyanobacteria (Nostoc sp. and microcystis sp .) on the later stage in all of the three groups (35, 33 and 29). In the ℃℃℃high-temperature incubation groups (35 and 33), the phytoplankton biomass increased continuously while the maximum ℃℃quantum yield maintained almost at the normal state on the first two days. Then, both parameters began to decline, and the
谢艳辉等: 海水升温对大亚湾浮游植物群落结构和光合活性的影响 25 effects of 35 were stronger than those of 33. Photosynthetic efficiency of
℃℃micro- and nano-phytoplankton was stronger
than that of pico-phytoplankton in both groups of 35 and 33. However, the biomass and photosynthetic efficiency showed
℃℃
no significant differences among different granulometric classes in the control group (29). In the recovery experiments,
℃
photosynthetic efficiency of the micro- and nano-phytoplankton recovered quickly at normal (29) or lower (25)
℃℃
temperatures after experiencing the temperature stress from thermal discharge, while that of the pico-phytoplankton was
relatively weak. In summary, the high temperature stress happened to phytoplankton at 35 and 33, and the threatening
℃℃
effects of 35 were more seriously. Both
℃micro- and nano-phytoplankton showed greater capacity than pico-phytoplankton in
terms of tolerance to high temperature and recovery. Our results suggested that the short-term stimulus of high temperature
could promote rapid growth of phytoplankton from the outfall of the Daya Bay Nuclear Power Plant, and photosynthetic
damage could be recovered after phytoplankton being carried away from the high temperature region.
Key words: Daya Bay; discharge from nuclear power plant; phytoplankton;community structure; photosynthetic efficiency
浮游植物是海洋生态系统的主要初级生产者, 作为海洋食物链传递的物质基础, 其对维持生态系统稳定具有重要意义。全球变暖导致海水升温, 这种趋势在热带和亚热带海域尤其显著, 其直接效应是导致了全球浮游植物叶绿素a含量持续下降(Boyce et al, 2010), 而在中国, 1950～2006年间南海中部升温达到了0.92℃(蔡荣硕等, 2009)。大亚湾地处亚热带, 在叠加了大亚湾核电站温排水影响后, 其海水升温更为明显。已有研究显示, 海水升温导致了大亚湾核电站温排水影响区域叶绿素a浓度逐年上升, 网采浮游植物优势种群小型化(郝彦菊等, 2010), 群落结构有由硅藻优势向甲藻优势转移的趋势(Li et al, 2011)。这些研究结果均为现场采集样品, 经显微镜检分析得出, 主要针对小型(Micro)和微型(Nano)浮游植物, 缺乏微微型(Pico)方面的信息。
浮游植物能利用叶绿素等光合色素进行光合作用, 将无机物合成为有机物并贮存能量, 这个过程是生物赖以生存的关键, 其光合活性反映了植物的生长状态及变化趋势。植物叶绿素分子吸收光能后有光合作用、放热和发散荧光3种耗能方式, 这3个过程相互竞争, 因此, 叶绿素荧光提供了有关光合作用的多方信息(Schreiber, 1998)。近年来, 据荧光原理研发的饱和脉冲调制(pulse amplitude modulation, PAM)荧光技术在植物生理生态学研究中得到普遍应用(Maxwell et al , 2000), 其测量得到的最大光量子产量(F v/F m, 其中F v为最大可变荧光, F m为最大荧光。)可作为植物光合生理状态的一个指标(Schlensog et al, 2001)。目前PAM主要用于单种藻研究, 尚未用于不同粒级浮游植物光合活性研究。
本文以大亚湾核电站温排水区域浮游植物为研究对象, 关注海水升温对其群落结构、不同粒级浮游植物光合活性及其高温受损恢复能力的影响, 以期为深入研究大亚湾核电温排水的升温效应对浮游植物的影响提供数据和理论基础, 也为PAM技术应用于自然现场浮游植物检测提供基础资料。
1 材料与方法
1.1实验材料
实验材料为自然海水, 于2013年夏季采自大亚湾核电站进水口区域(22°35′52″N, 114°33′10″E)和排水口区域(22°36′27″N, 114°33′42″E), 进、排水口采样点现场水温分别为29.18℃和36.7℃。水样采集后立即运回实验室分装进行实验。
1.2实验方法
1.2.1 实验设计
1) 进水口水样的升温胁迫
本课题组前期研究发现, 在大亚湾核电站温排水影响区域, 35℃和33℃可能分别是浮游植物生长的上限温度和浮游植物群落变化的阈值温度(Li et al, 2011)。因此, 本实验设置35℃和33℃为胁迫温度, 29℃为对照, 每个温度处理设置两个平行。水样经充分混匀, 分别装入6个经高温灭菌处理的2L三角瓶中, 每瓶 1.5L, 置于光照培养箱(GXZ-260B)中进行培养。培养条件: 光暗循环为14h︰10h, 光照强度约为100μmol·m–2·s–1。每天监测各处理组不同粒级浮游植物F v/F m值变化, 当F v/F m值明显下降时, 取各处理组水样300mL, 加入f/10培养基, 每天取样操作同以上实验组。培养期间每天摇瓶2次。取样前均充分混匀, 每天测定不同粒级浮游植物荧光参数, 并同时取镜检样品、分级叶绿素a样品和营养盐样品。
2) 排水口水样的常温恢复
水样处理及光照培养条件同上。进水口取样点水温为29℃, 实验室单种藻保种培养温度为25℃, 因此分2个温度梯度(25℃、29℃)进行恢复培养, 每