营养盐限制条件下塔玛亚历山大藻对东海原甲藻的化感作用研究

为明确塔玛亚历山大藻(Alexandrium tamarense)对东海原甲藻(Prorocentrum donghaiense)生长的化感作用,研究了在N、P限制及正常营养盐条件下(又称富营养)塔玛亚历山大藻无细胞滤液对东海原甲藻生长的影响,并探讨了3种不同营养盐条件下两种藻共培养时的生长状况。结果表明,半连续培养时,营养盐限制下,塔玛亚历山大藻无细胞滤液对东海原甲藻的生长均有一定影响。N限制下,5 d后东海原甲藻藻密度显著低于未加滤液的对照组,藻密度为1.02×107 cells L-1,对照组为1.7×107 cells L-1;P限制下,东海原甲藻藻密度与对照组差异不显著,5 d后藻密度为1.44×107 cells L-1;富营养条件下,东海原甲藻藻密度与对照组无明显区别。共培养时,塔玛亚历山大藻对东海原甲藻生长的抑制作用更为显著,N、P限制下,4 d后东海原甲藻全部死亡,且聚集成团形成沉淀;富营养条件下,仍有少量东海原甲藻存活(藻密度3.3×104 cells L-1)。这表明,塔玛亚历山大藻对东海原甲藻的生长有一定的化感作用。营养盐限制可促进塔玛亚历山大藻化感物质的合成和释放,化感作用是塔玛亚历山大藻抑制东海原甲藻生长的原因之一。     

不同营养条件对东海原甲藻和中肋骨条藻竞争参数的影响

以东海原甲藻和中肋骨条藻为研究对象,采用室内单种培养和混合培养,设置不同的氮、磷营养条件,研究了不同营养条件对两种微藻的生长状况和种间竞争参数的影响.结果表明:随着氮、磷浓度的增加,两种藻的最大生物量均呈增加趋势,混合培养中两种微藻的比生长率低于单独培养.在混合培养中,生长前期中肋骨条藻是优势种,随着培养时间的延长,东海原甲藻成为优势种,且优势种发生变化的时间与营养条件有关.混合培养中,东海原甲藻拐点出现时间在0.5 ～4.9 d,中肋骨条藻为0～2.6d,东海原甲藻拐点出现时间晚于中肋骨条藻.在各营养条件下,东海原甲藻对中肋骨条藻的竞争抑制参数β均高于中肋骨条藻对东海原甲藻的竞争抑制参数α,当N为128μmol·L-1、P为32 μmol·L-1时,东海原甲藻的竞争能力是中肋骨条藻的3.8倍,两者差异最为明显.     

东海原甲藻与中肋骨条藻的种间竞争数值模拟

研究探讨了两个零维箱式模型在东海典型赤潮藻东海原甲藻和中肋骨条藻竞争与演替研究中的应用。模型在采用不同接种密度下的单种培养实验数据进行参数校正后,被用来模拟不同N/P条件下单种培养实验以及两藻种共培养竞争实验,并以实验数据对其结果进行了验证。模拟结果表明,在单种培养条件下,模型能够较好地重现两种藻在不同N/P环境中的生长及对营养盐的利用;共培养实验的模拟结果显示,在所有初始细胞密度比例条件下,中肋骨条藻的最终密度均会超过东海原甲藻,且PO4的消耗主要源于中肋骨条藻的利用,与实验结果一致,表明模型能够很好地体现两种藻的竞争结果及对营养盐的竞争关系;由于模型不足以模拟除营养盐竞争以外的藻间相互作用,模拟结果未体现东海原甲藻细胞数迅速衰减这一现象,有待进一步研究。     

不同营养盐条件下赤潮高发区围隔生态系内多胺的变化

在东海赤潮爆发区域运用围隔生态系实验方法,研究了不同营养盐条件下围隔生态系内多胺浓度变化。结果表明:2010年选用东海原甲藻赤潮爆发处海水,东海原甲藻是各围隔生态系内主要优势种,没有种群演替现象发生。两种营养盐添加方式下各围隔内精胺浓度维持较高水平,都呈现先波折下降后波折上升的趋势,与东海原甲藻的生长变化正好相反;各围隔内腐胺浓度水平较高,变化起伏较大,其中有两个实验组腐胺整体变化趋势与东海原甲藻生长趋势类似;所有围隔内亚精胺浓度最低,波动较小。2011年取用中肋骨条藻赤潮爆发处海水,所有围隔生态系内优势种都发生了从中肋骨条藻到东海原甲藻的演替。各围隔生态系内腐胺浓度最高,在中肋骨条藻生长初期腐胺浓度下降,随着中肋骨条藻的生长有所上升,实验后期随着东海原甲藻的生长又整体呈现出下降趋势;各实验组精胺浓度较低,在中肋骨条藻消亡东海原甲藻出现的种群演替期间,都呈现出较大波动;各围隔内亚精胺浓度较低,在整个种群演替过程中没有明显的变化。围隔生态系中补充营养盐,通过对浮游植物生长的影响,间接影响围隔生态系内的多胺变化。     

强壮前沟藻化感物质分析

微藻化感作用是一种极其复杂的生理、生态学现象。选取强壮前沟藻指数生长初期Ⅰ和平台生长初期Ⅱ两个阶段的滤液对中肋骨条藻、海洋原甲藻、锥状斯氏藻及球等鞭金藻生长的影响进行了研究,并萃取了阶段Ⅱ的粗提物,抑藻检测表明其具有"杀藻"效应,通过GC/MS分析该粗提物中具有潜在化感作用的物质种类。研究发现强壮前沟藻两个生长阶段的滤液对中肋骨条藻均产生强烈致死效应(phaseⅠ:F=15.18475,P=0.00298<0.05;phaseⅡ:F=6.24559,P=0.03149<0.05);锥状斯氏藻在强壮前沟藻滤液中生长,实验结束时两个阶段中的细胞密度分别是对照组的79.3%和68.9%;海洋原甲藻在强壮前沟藻生长阶段Ⅱ滤液实验的最后3d,其生长受到显著抑制(F=4.84438,P=0.04925<0.05);而等鞭金藻在强壮前沟藻两个生长阶段滤液中被抑制现象不明显(P>0.05)。强壮前沟藻滤液实验表明,强壮前沟藻能够向微环境中分泌代谢产物来抑制中肋骨条藻和海洋原甲藻的生长,并且这种抑制效应具有种类特殊对应性。上述实验结果还表明,强壮前沟藻生长阶段Ⅱ的滤液具有的生长抑制作用较为明显。采用乙酸乙酯萃取强壮前沟藻生长阶段Ⅱ滤液中的代谢产物,检测发现其代谢粗提物具有溶藻效应,GC/MS分析结果表明粗提物中存在4种可能产生化感抑制作用的物质,其中二丁基羟基甲苯(Butylated Hydroxytoluene BHT)被认为具有抗滤过性病原体和抗微生物活性。     

米氏凯伦藻与东海原甲藻共培养条件下的种群竞争

米氏凯伦藻(Karenia mikimotoi)与东海原甲藻(Prorocentrum donghaiense)为有害赤潮生物,两者经常形成复合型赤潮.该文设置东海原甲藻的起始密度为400 cells·mL-1,米氏凯伦藻分别为200 cells·mL-1、400 cells·mL-1和800 cells·mL-1,通过共培养实验,初步研究米氏凯伦藻和东海原甲藻的种间关系.结果表明:共培养条件下,受到东海原甲藻的影响,米氏凯伦藻的生长受到抑制.米氏凯伦藻不同的起始密度对东海原甲藻的生长有不同的影响,较低的起始密度(200 cells·mL-1、400cells·mL-1)促进东海原甲藻的生长,使其增长率提高,生长曲线达到拐点的时间提前;高的起始密度(800 cells·mL-1)对东海原甲藻的生长有一定的抑制作用,使其增长率降低,生长曲线达到拐点的时间推迟.     

不同起始密度对3种赤潮微藻种间竞争的影响

通过共培养的方法,研究了不同起始密度对赤潮异弯藻和中肋骨条藻、塔玛亚历山大藻和赤潮异弯藻、塔玛亚历山大藻和中肋骨条藻之间种间竞争的影响。结果表明1赤潮异弯藻对中肋骨条藻的生长有一定的抑制作用,随着初始接种时赤潮异弯藻细胞密度的提高,这种抑制作用愈加明显。2塔玛亚历山大藻和中肋骨条藻与塔玛亚历山大藻和赤潮异弯藻之间的种间竞争结果相类似,即起始密度比例为A∶S(H)=1∶4时,中肋骨条藻和赤潮异弯藻分别在竞争中占优势;当起始密度比例为A∶S(H)=1∶1和A∶S(H)=4∶1,塔玛亚历山大藻在竞争中占优势。     

海水中藻菌共培养体系对碳氮磷的吸收转化

海洋环境中,细菌和微藻之间的物质交换是生源要素在自然界中迁移转化的重要方式。为进一步了解生源要素的生物地球化学循环,在实验室模拟条件下,研究了共培养体系中营养盐和有机物在细菌和微藻之间的转换。通过纯培养中肋骨条藻(Skeletonema costatum)、东海原甲藻(Prorocentrum donghaiense)、天然海水中的细菌以及藻菌混合培养,分析了营养盐和有机物随藻菌生物量的变化情况,并计算了溶解有机碳(DOC)和溶解有机氮(DON)的浓度比值[(DOC/DON)a]。结果发现,在共培养体系中,细菌对中肋骨条藻的生长有抑制作用,对东海原甲藻影响不明显;中肋骨条藻有利于细菌生长,东海原甲藻抑制细菌生长,这种不同可能与微藻的粒径有关。海洋细菌在2种藻的指数生长均期均会促进微藻吸收氨氮(NH_4-N),但在生长末期NH_4-N以释放为主。硝氮(NO_3-N)的浓度与藻的生长呈负相关,但在衰亡期NO_3-N略有增加,表明NO_3-N再生所需时间较长。细菌对硝氮的吸收量较少,但对其再生有贡献。细菌和中肋骨条藻对磷酸盐(PO_4-P)的吸收存在竞争,但与东海原甲藻的竞争关系不明显。不同培养体系中DOC浓度变化不同,在藻菌共培养体系中增加较快,纯藻培养体系中增加缓慢,在纯菌培养体系中缓慢减少。通过对DOC与DON浓度比值的分析,发现用判断颗粒有机碳(POC)来源的方法可以分析DOC的来源。     

东海两种赤潮生物种间竞争的围隔实验

1998年5月和2002年5月在东海赤潮高发区进行了两次添加营养盐诱发赤潮的围隔实验,结果表明,1998年5月实验开始时,具齿原甲藻和中肋骨条藻分别占群落总量的85％和11％,对照围隔中,具齿原甲藻一直处于优势,高峰时所占比例接近99％．加磷围隔中,中肋骨条藻显示出很强的竞争能力,第五天的数量与具齿原甲藻相等．2002年5月用4个围隔装置进行实验,在不同营养状况下两个种的增殖速率不同,营养盐浓度高的围隔中,中肋骨条藻的增殖速率比具齿原甲藻快得多,在营养盐限制条件下,具齿原甲藻比中肋骨条藻存活的要好。表明在营养盐丰富情况下,中肋骨条藻以其快速的繁殖在竞争中取得优势地位,导致中肋骨条藻形成的赤潮持续时间较短,消亡也快,而具齿原甲藻赤潮形成期较长,但在营养盐很低的情况下,还能维持较长时问．     

鼠尾藻对赤潮异弯藻和中肋骨条藻的抑制作用

通过共培养的方法,研究了鼠尾藻（Surgassum thunbergii）培养水的过滤液、新鲜组织、干粉末、水溶性抽提液对赤潮异弯藻（Heterosigma akashiwo）和中肋骨条藻（Skeletonema costatum）生长的抑制效应,建立了分隔共培养系统并证明了抑制物质的存在,排除了细胞直接接触抑制的可能性.结果表明,在共培养实验中,鼠尾藻新鲜组织、干粉末及水溶性抽提液对赤潮异弯藻和中肋骨条藻的生长具有显著的抑制作用,且在较高浓度下对两种赤潮微藻的生长具有致死效应.在一次性及半连续培养方式下,鼠尾藻培养水过滤液对赤潮异弯藻的生长无抑制效应,而对中肋骨条藻的生长具有显著的抑制效应.     

Competing phytoplankton undermines allelopathy of a bloom-forming dinoflagellate

Biotic interactions in the plankton can be both complex and dynamic. Competition among phytoplankton is often chemically mediated, but no studies have considered whether allelopathic compounds are modified by biotic interactions. Here, we show that compounds exuded during Karenia brevis blooms were allelopathic to the cosmopolitan diatom Skeletonema costatum, but that bloom allelopathy varied dramatically among collections and years. We investigated several possible causes of this variability and found that neither bloom density nor concentrations of water-borne brevetoxins correlated with allelopathic potency. However, when we directly tested whether the presence of competing phytoplankton influenced bloom allelopathy, we found that S. costatum reduced the growth-inhibiting effects of bloom exudates, suggesting that S. costatum has a mechanism for undermining K. brevis allelopathy. Additional laboratory experiments indicated that inducible changes to K. brevis allelopathy were restricted to two diatoms among five sensitive phytoplankton species, whereas five other species were constitutively resistant to K. brevis allelopathy. Our results suggest that competitors differ in their responses to phytoplankton allelopathy, with S. costatum exhibiting a previously undescribed method of resistance that may influence community structure and alter bloom dynamics.     

Interactions between Prorocentrum donghaiense Lu and Scrippsiella trochoidea (Stein) Loeblich III under laboratory culture

Interactions between Prorocentrum donghaiense Lu and Scrippsiella trochoidea (Stein) Loeblich III, two species of causative bloom dinoflagellates in China, were investigated using bi-algal cultures under controlled laboratory conditions. The growth of P. donghaiense and S. trochoidea were significantly suppressed when the initial cell densities were set at 1.9 × 10⁴ cells mL⁻¹ or 1.9 × 10⁵ cells mL⁻¹ for P. donghaiense and 1.0 × 10⁴ cells mL⁻¹ for S. trochoidea when the initial size/density ratio was 1:1 or 10:1, respectively, but no out-competement was observed in either bi-algal culture by the end. The simultaneous assay on the culture filtrate showed that P. donghaiense filtrate prepared at a lower initial density (1.9 × 10⁴ cells mL⁻¹) stimulated the co-cultured S. trochoidea at a density of 1.0 × 10⁴ cells mL⁻¹, but filtrate at a higher density (1.9 × 10⁵ cells mL⁻¹) depressed its growth. Differently, the filtrate of S. trochoidea at a density of 1.0 × 10⁴ cells mL⁻¹ significantly suppressed the growth of P. donghaiense at a density of 1.9 × 10⁴ cells mL⁻¹, but had little stimulatory effect on P. donghaiense at a density of 1.9 × 10⁵ cells mL⁻¹compared to the control (P > 0.05). It is likely that these two species of microalgae interact with each other mainly by releasing allelochemical substance(s) into the culture medium, and a direct cell-to-cell contact was not necessary for their mutual interaction. We then quantify their interactions in the bi-algal culture by using a mathematical model. The estimated parameters from the model showed that the inhibition exerted by S. trochoidea on P. donghaiense was about 43 and 24 times stronger than the inhibitory effect that P. donghaiense exerted on S. trochoidea when the initial size/density were 1:1 and 10:1, respectively. S. trochoidea seemed to have a survival strategy that was superior to P. donghaiense in the bi-algal culture under controlled laboratory conditions. We also observed a closely positive relationship between the initial cell density and its effect on the co-cultured microalga by measuring the fluorenscence: filtrate prepared from higher initial cell density had stronger interference on the co-cultured microalga. Moreover, pre-treated under different temperature conditions (30 °C, 60 °C and 100 °C) would significantly changed the effect of culture filtrate on the co-cultured microalga. Result inferred that P. donghaiense or S. trochoidea would release allelochemicals into the bi-algal culture medium and the allelochemicals might be a mixture with temperature-sensitive components in it.     

Competitive interactions between two allelopathic algal species: Heterosigma akashiwo and Phaeodactylum tricornutum

ABSTRACT

Both Heterosigma akashiwo and Phaeodactylum tricornutum have been reported to produce allelochemicals capable of inhibiting the growth of co-occurring microalgae. Here, potential allelopathy between H. akashiwo and P. tricornutum was evaluated using bi-algal culture, cell-free culture filtrate and a no-contact co-culturing system in nutrient-replete media. Experiments were also conducted in the no-contact co-culturing system under nutrient-limited conditions. In nutrient-replete bi-algal culture, the growth of P. tricornutum and H. akashiwo each tended to be strongly suppressed when the other species was inoculated at high cell densities. A mathematical model was used to simulate the growth interactions of the two species in bi-algal culture and showed that P. tricornutum outcompeted H. akashiwo over time with different initial cell densities under nutrient-sufficient conditions, indicating that P. tricornutum was more potent in allelopathy. Heterosigma akashiwo growth was inhibited both in the P. tricornutum culture filtrate and no-contact co-culturing system. This confirmed that the extracellular allelopathic compounds released by P. tricornutum were one of the sources of the H. akashiwo growth inhibition. Nutrient deficiency did not increase the extent of allelopathic activity of allelochemicals.     

东海原甲藻对羊栖菜合子生长及光合活性的化感作用研究

为评估东海原甲藻(Prorocentrum donghaiense)赤潮发生对羊栖菜(Sargassum fusiformis)幼苗产量的影响并探讨其化感机理,在实验室条件下分别利用浓度为1.00×10⁵cells/mL东海原甲藻活细胞悬浮液(LC)、细胞破碎液(RC)和无细胞滤液(FC)培养羊栖菜合子,并对其生长发育及光合活性进行测定。结果显示,LC、RC和FC均会抑制羊栖菜合子的生长、叶绿素a合成和光合活性,其中FC及LC对合子的抑制程度相似且均大于RC。JIP-test分析表明,FC及LC对合子的最大量子产率(φP_o)、性能指数(PI)及PSⅡ反应中心密度(RCs/ABS)的抑制作用显著大于RC。表明东海原甲藻主要通过向细胞外释放化感物质产生抑制作用,这些化感物质抑制了羊栖菜合子PSⅡ的电子传递,使PSⅡ部分光化学反应中心(RCs)失活,进而使大量激发能转化为热能被耗散掉。而RC中可能含有某些能够刺激羊栖菜合子生长的物质,从而在一定程度上抵消了化感物质的抑制作用。结果表明东海原甲藻对羊栖菜合子的抑制作用主要是由化感物质引起的,东海原甲藻赤潮可以抑制羊栖菜合子的发育和光合活性,减少羊栖菜种苗产量,并最终阻碍了羊栖菜产业的发展。     

光、温限制后铜绿微囊藻和斜生栅藻的超补偿生长与竞争效应

研究了铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)和斜生栅藻(Scenedesmus obliquus)低温和低光照限制后的超补偿效应,以及共培养条件下的竞争效应。结果表明,低温和低光照均显著抑制微藻的生长发育,但低温对铜绿微囊藻的抑制效应更强,而斜生栅藻则对低光胁迫更敏感。经过低光和低温培养后,铜绿微囊藻和斜生栅藻在恢复正常培养时藻细胞密度短期内都表现出超补偿增长效应,但不同藻类超补偿模式不同,斜生栅藻补偿生长时间不超过1周,而铜绿微囊藻的补偿效应可以持续10天;此外,统计结果表明铜绿微囊藻细胞密度对低温限制解除表现出更显著的补偿生长,斜生栅藻则在低光解除后表现出更强的超补偿效应。微藻叶绿素a指标在光恢复条件下都表现出显著的补偿效应,但温度恢复过程中叶绿素a含量与藻密度增长不同步,低温胁迫对恢复正常培养后微藻叶绿素a的形成产生了一定的负效应;铜绿微囊藻产毒株(912)在两种恢复模式下脱氢酶活性显著高于对照,产毒株(912)脱氢酶活性的补偿响应明显高于其它两种材料。共培养实验结果表明斜生栅藻同铜绿微囊藻产毒株(912)相比处于竞争劣势,而在同无毒株(469)的共培实验中,尽管连续正常培养情况下两者竞争能力差异不显著,但在恢复培养条件下斜生栅藻竞争能力显著高于后者。因此产毒型铜绿微囊藻低温和低光后的补偿生长效应以及对斜生栅藻的竞争优势可能是蓝藻爆发的内源性机制之一。     

东海原甲藻对羊栖菜合子生长及光合活性的化感作用研究

为评估东海原甲藻(Prorocentrum donghaiense)赤潮发生对羊栖菜(Sargassum fusiformis)幼苗产量的影响并探讨其化感机理,在实验室条件下分别利用浓度为1.00×10⁵cells/mL东海原甲藻活细胞悬浮液(LC)、细胞破碎液(RC)和无细胞滤液(FC)培养羊栖菜合子,并对其生长发育及光合活性进行测定。结果显示,LC、RC和FC均会抑制羊栖菜合子的生长、叶绿素a合成和光合活性,其中FC及LC对合子的抑制程度相似且均大于RC。JIP-test分析表明,FC及LC对合子的最大量子产率(φP_o)、性能指数(PI)及PSⅡ反应中心密度(RCs/ABS)的抑制作用显著大于RC。表明东海原甲藻主要通过向细胞外释放化感物质产生抑制作用,这些化感物质抑制了羊栖菜合子PSⅡ的电子传递,使PSⅡ部分光化学反应中心(RCs)失活,进而使大量激发能转化为热能被耗散掉。而RC中可能含有某些能够刺激羊栖菜合子生长的物质,从而在一定程度上抵消了化感物质的抑制作用。结果表明东海原甲藻对羊栖菜合子的抑制作用主要是由化感物质引起的,东海原甲藻赤潮可以抑制羊栖菜合子的发育和光合活性,减少羊栖菜种苗产量,并最终阻碍了羊栖菜产业的发展。