上海海洋大学学报  2016, Vol. 25 Issue (2): 217-222   PDF    
提高CO2和硝氮浓度对羽毛藻生化组成和营养盐吸收的影响
崔丽香, 何文辉 , 李鲜鲜, 蔡清洁, 张奥    
上海海洋大学 水产与生命学院, 上海 201306
摘要:以羽毛藻为研究材料,利用CO2培养箱通入不同CO2浓度的空气进行培养,探究在高浓度CO2和高浓度硝氮条件下羽毛藻生理生化的变化。结果表明,高浓度CO2或硝氮都能显著促进藻体的生长,高碳高氮下藻体的相对生长率比低碳低氮组高出63.77%。另外,高浓度CO2会使藻体中的叶绿素、类胡萝卜素、藻红蛋白、藻蓝蛋白、可溶性蛋白和可溶性碳水化合物的含量下降,而使硝酸还原酶活性升高,其中明显的表现为高碳低氮组叶绿素a含量比低碳低氮组降低了39.01%,高碳高氮组比低碳高氮组降低了49.26%,相应类胡萝卜素高碳组分别降低了47.62%和43.24%,增加硝氮浓度能够提高藻体中色素含量,可溶性蛋白和可溶性碳水化合物的含量;在高浓度硝氮下,提高CO2浓度能使硝酸盐和磷酸盐的吸收率显著升高。由此得知大气CO2浓度升高或海水富营养化会促进羽毛藻的生长,并且这两个条件的改变会对羽毛藻在生化组成和营养盐吸收方面产生深刻的影响。
关键词羽毛藻    CO2    硝氮    生化组成    营养盐吸收    

工业革命以来,人类大量使用化石燃料,砍伐森林,大气中CO2浓度以前所未有的速度增加,联合国气候变化委员会预计到21世纪末,大气CO2浓度将加倍。这种CO2浓度的变化将会对植物产生深刻的影响,对于陆生植物,已经有很多广泛而深入的研究[1, 2],但是,水生植物,尤其是海洋藻类与CO2浓度变化关系的研究相对较少。

氮是大型海藻生长所必需的营养元素之一,也是引发赤潮的一个重要因素,目前已对一些赤潮藻氮营养问题做了较多的研究[3],在富营养化的水体中氮元素大量增加。因此,可以利用大型海藻对营养盐的吸收特点回收海水中过量的无机营养,延缓并改善水域富营养化问题[4, 5, 6]

大型海藻作为海洋生态系统的初级生产力之一广泛分布于潮间带或潮下带,对海洋生态系统的碳循环起着非常重要的作用[7]。本实验研究对象羽毛藻(Caulerpa serrulata)属于绿藻门(Chlorophycophyta)、绿藻纲(Chlorophyceae)、管藻目(Siphonales)、厥藻科(Caulerpaceae)、厥藻属(Caulerp Lamouroux) 、杉叶蕨藻(Caulerpa taxifolia)的一种,产于热带及亚热带的海区,是一种重要的大型经济绿藻,自然分布于潮间带或低潮线下的岩石、珊瑚礁或泥沙海底上[8] ,由于羽毛藻具有极高的观赏价值和强烈的吸收氮磷的特征,多用于海水水族中藻缸的建立。目前,一些学者已经对杉叶蕨藻在生殖和营养价值[9]等方面做了研究,但是对于厥藻属中的羽毛藻在生长、生理生态和氮磷等营养盐代谢方面的研究还很少。本文探讨了羽毛藻对大气中CO2浓度升高和水体中硝氮浓度增加的响应,以期为全球环境变化背景下羽毛藻作为景观藻类培养和其对海水富营养化的生物修复作用提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 实验材料

实验所需材料羽毛藻于2014年7月采自海南省西岛附近潮间带的岩石上,采集后置于盛有少量海水的样品袋中,在4 h内用低温箱(5 ℃)空运回实验室并暂养2 d以适应实验条件,选择个体一致健康的藻体用作后续实验材料。暂养条件为:高压灭菌的人工海水(pH 8.2;盐度33;NO3-N浓度10 μmol/L;无机磷浓度0.5 μmol/L;温度24 ℃;光照强度为150 μmol/(m2·s),光暗周期为12 h∶12 h,用充气泵24 h充气。

1.2 不同实验条件羽毛藻的培养

实验藻体放入装有2 L高压灭菌海水的三角烧瓶中,置于CO2培养箱中培养10 d。根据CO2和氮浓度的不同分为4个实验处理:C0N0,低碳低氮;C+N0,高碳低氮;C0N+,低碳高氮;C+N+,高碳高氮。低碳、高碳分别代表所充过滤空气中CO2浓度为390 μL/L和720 μL/L,低氮、高氮代表培养液中分别加入NaNO3使无机氮浓度为10 μmol/L和500 μmol/L,高碳通过调节CO2培养箱中CO2的浓度获得,4个处理中均加入Na2HPO4作为营养补充,无机磷的浓度为50 μmol/L。每个三角烧瓶中放入4 g藻体(湿重),每2天换一次培养海水,光照温度条件和暂养时候相同。培养10 d后对藻体进行各生理指标的测定。

1.3 实验方法 1.3.1 相对生长率的测定

测定在实验期间藻体鲜重的变化,利用公式

式中:W0为初始鲜重,Wt为t天后的鲜重,称量前用滤纸吸干藻体表面的水分。

1.3.2 生化指标的测定

参照JENSEN的方法[10]测定叶绿素a(Chl.a)和类胡萝卜素(Car)的含量,称取0.2 g鲜重的藻体剪碎,使用100%丙酮研磨,定容到15 mL,在4 ℃的冰箱中放置24 h,以5 000 r/min的速度离心15 min后为待测液;参照SIEGELMAN和KYCIA的方法[11]测定藻红蛋白(PE)和藻蓝蛋白(PC)的含量,用0.1 mol/L的磷酸缓冲液研磨0.1 g鲜重的藻体定容到10 mL,离心后为待测液;可溶性蛋白含量测定采用考马斯亮蓝G-250染料结合法;可溶性碳水化合物含量测定采用苯酚-硫酸法。

1.3.3 硝酸还原酶(NR)的测定

参照CORZO和NIELL的方法[12],称取0.1 g藻体置于10 mL已配好的缓冲液中,充氮气2 min后密封,在设定为30 ℃的培养箱中黑暗条件下反应30 min,测定亚硝氮(NO-2-N)的含量[11],用每克湿重藻体每小时产生的NO-2-N量来表示NRA(μmol/NO-2h-1g-1FW)。

1.3.4 营养盐吸收速率的测定

一个培养周期结束后藻体经历两个光周期两个暗周期,测定培养介质中硝酸盐和无机磷的浓度,以培养前后硝酸盐和磷酸盐浓度的减少速率来表示吸收速率:

式中:N0为实验前培养介质中硝酸盐或磷酸盐的浓度(μmol/L),Ntt小时后硝酸盐或磷酸盐的浓度(μmol/L),V为三角烧瓶中海水的体积(L),g为实验时称取的藻体的鲜重(g)。

1.4 数据处理

所有测定结果表示为平均数±标准差(n≥3),全部数据用Excel 2007和SPSS 17.0进行处理,采用One-Way ANOVA对实验结果进行方差分析,以P<0.05作为差异的显著水平。

2 结果 2.1 生长

图1所示,C0N0处理条件下的羽毛藻相对生长率最低,C+N+处理下的相对生长率最高,他们分别与其他2组存在显著性差异(P<0.05),这说明升高大气CO2浓度或者增加海水中硝氮浓度都会促进羽毛藻的生长。

图1 不同C、N条件对羽毛藻的相对生长率的影响 Fig.1 Effects of different C and N growth treatments on the growth of Caulerpa serrulata
2.2 生化指标的测定

图2可以看出,在NO-3浓度一样的条件下培养的羽毛藻,高CO2浓度培养的藻体,Chl.a、Car、PE和PC这4种色素含量均小于低CO2浓度培养时藻体的含量;在CO2浓度一样的条件下培养的羽毛藻在NO-3浓度高时4种色素含量较高。

图2 不同C、N条件对羽毛藻Chl.a、 Car、PE和PC含量的影响 Fig.2 Effects of different C and N treatments on the contents of Chl.a,Car,PE and PC in Caulerpa serrulata

由此可知,高浓度NO-3可以提高羽毛藻藻体中4种色素的含量,而高浓度CO2会降低它们在藻体中的含量。

图3所示,NO-3浓度一样的条件下,高CO2浓度下培养的羽毛藻可溶性蛋白的含量都低于正常CO2浓度下藻体的含量(P<0.05); CO2浓度相同的条件下硝氮浓度增加会提高羽毛藻中可溶性蛋白的含量(P<0.05)。

图3 不同C、N条件对羽毛藻 可溶性蛋白含量的影响 Fig.3 Effects of different C and N treatments on the contents of soluble protein in Caulerpa serrulata

图4可以看出,在低CO2浓度时提高硝氮浓度会增加可溶性碳水化合物的含量,在相同的硝氮浓度下,提高CO2浓度会降低羽毛藻藻体中可溶性碳水化合物的含量。

图4 不同C、N条件对羽毛藻 可溶性碳水化合物的影响 Fig.4 Effects of different C and N treatments on content of carbohydrate in Caulerpa serrulata
2.3 硝酸还原酶活性

图5所示相同硝氮浓度下提高CO2浓度能够提高硝酸还原酶活性(P<0.05),而相同CO2浓度条件下提高硝氮浓度反而会降低硝酸还原酶活性(P<0.05)。

图5 不同C、N条件对羽毛藻的硝酸还原酶活性的影响 Fig.5 Effects of different C and N treatments on Nitrate reductase(NR) activity in Caulerpa serrulata
2.4 营养盐吸收速率的测定

图6可知,提高硝氮浓度能显著提高羽毛藻对N和P的吸收速率(P<0.01),低硝氮浓度下增加CO2浓度能提高藻体对N和P的吸收速率(P<0.05),高硝氮浓度下增加CO2浓度能提高藻体对N的吸收速率(P<0.05),但并没有显著提高对P的吸收速率(P>0.05)。

图6 不同C、N条件对羽毛藻NO-3吸收的影响 Fig.6 Effects of different C and N conditions on NO-3 uptake rates in Caulerpa serrulata

图7 不同C、N条件下培养对羽毛藻 PO3-4吸收的影响 Fig.7 Effects of different C and N growth treatments on PO3-4 uptake rate in Coulerpa serrulata
3 讨论

大型海藻的生长是一个与外界环境相关的复杂生理生化过程,不同种类的海藻对高浓度CO2的反应也不同。以往研究表明,高浓度CO2能促进石莼属中的Ulva rifida[14, 15]、条斑紫菜(Porphyra yezoensis)[16] 、两种江蓠属海藻(Gracilaria sp.和G.chilensis)[17]以及酵母状节荚藻(Lomentaira articulata)[18]等大型海藻的生长,其中一些海藻能够利用HCO-3作为碳源进行光合固碳作用,当CO2浓度增高时能够提高水体中的无机碳浓度,减少自然海水中碳限制这一现象,从而促进大型海藻的生长,另一些海藻不能利用HCO-3进行固碳作用,但高浓度CO2能通过提高水体中的CO2/ O2比值来促进固碳,降低光呼吸,从而也能提高海藻的生长。本研究中高浓度CO2能提高羽毛藻的生长速率,这可能是因为羽毛藻能直接利用周围海水中的HCO-3作为其无机碳源,藻体内存在CCM浓缩机制,提高实验时CO2浓度相应提高了培养水体中HCO-3的浓度,由此也就显著地促进了羽毛藻的固碳作用,促进了羽毛藻的生长。但也有报道高CO2 浓度对江蓠属的Gracilaria gaditana[19]等海藻生长没有影响,对紫菜属中Porphyra linearis[20]的生长起抑制作用,这可能是由于CO2 浓度增加使培养水体的pH值下降,海水酸化对海藻的生长起到了抑制作用,另外不同的CO2浓度会导致水体中无机碳浓度不同,对海藻的影响也有所差距,这就体现在高浓度CO2会抑制某些海藻的生长,因此高浓度CO2对大型海藻生长的影响机制有待进一步研究。

大型海藻在生长过程中要大量吸收N、P等营养物质,为其生理活动及细胞组织结构的组成提供原材料。海水中可供海藻利用的无机氮源主要分为硝态氮和氨态氮。硝酸盐是大型海藻重要的无机氮源,被大型海藻吸收后用于合成自身的蛋白质、氨基酸、各种色素和藻红蛋白等有机物。本研究中增加培养水体中的硝氮后无论CO2条件如何都会使羽毛藻的生长明显加快。无机氮是大型海藻生长的营养物质基础,自然生长下海藻通常处于氮限制的状态。实验中当硝氮浓度增加时为藻体提供了外部生长信号,调动海藻有关生长控制基因的合成表达,从而使藻体利用外部营养盐进行生长的生理活动底物浓度增高,增加了同化作用,进而促进海藻的生长。另外本实验发现当CO2和硝氮浓度同时增加时,羽毛藻的生长速率并不是二者分别单独增加时的加倍。 其原因可能是在硝氮限制的条件下,CO2浓度的增加对 Rubisco(1,5-二磷酸核酮糖羧化酶 /加氧酶)并没有明显的抑制作用,而在硝氮供应充足情况下 ,CO2浓度的增加减少了 Rubisco的合成,从而一定程度上降低了碳的同化。

本研究中,CO2浓度增加会降低藻体的Chl.a、Car、PE、PC和可溶性蛋白含量,硝氮浓度增加却会提高它们在藻体中的含量,即C0N+ 处理中含量最高,C+N0中最低,这与江蓠属的Gracilaria gaditana[21]研究结果一致。大型海藻藻体内的氮库主要分为无机氮库、蛋白性氮库和非蛋白性氮库如叶绿素等组成,一般而言大型海藻在自然海水处于氮缺乏的状态,当硝氮浓度增加时能为藻体中各种蛋白的合成提供营养,这样会导致以氮为底物的氮代谢得到加强,并为藻体储存多余的氮源[22] ,所以在高硝氮浓度下培养的羽毛藻藻体中各种色素和可溶性蛋白含量均得到增加。

硝酸还原酶是海藻氮代谢中的关键酶之一,它可以将硝酸根还原成亚硝酸根,在亚硝酸还原酶的作用下将亚硝酸根转化成铵离子,硝酸还原酶是一种诱导酶,会强烈地受到培养水体中硝酸盐浓度的影响,MERCADO等[23]发现CO2浓度增加会使紫菜(Porphyra leucosticted)的硝酸还原酶活性增加,本研究在硝氮加富情况下硝酸还原酶活性也得到加强。在硝氮供应充足的情况下CO2浓度增加促进了羽毛藻对N、P营养盐的吸收,这与石莼属的Ulva lactuca[24]、褐藻Hizikia fusiforme[25]和红藻Gracilaria chilensis[17]的研究结果一致,硝酸还原酶浓度的变化会受到细胞内硝酸盐浓度的刺激,二者变化趋势相同。

硝氮浓度增加大大促进了羽毛藻对N、P营养盐的吸收速率,硝酸还原酶浓度的变化会受到细胞内硝酸盐浓度的刺激,二者变化趋势相同,大型海藻对于营养盐的吸收是一个主动运输的过程,培养水体硝酸盐浓度增高,即底物浓度增加,藻体对营养盐的吸收率也就相应增大。本研究得出高浓度营养盐下培养的羽毛藻比自然海水中具有更高的氮磷吸收率。藻体在高浓度CO2培养下具有更高的固碳作用,能为海藻主动吸收营养盐的过程提供更多的能量,从而促进营养盐的吸收,但是对于氮和磷吸收效率的提高程度不同,可能因为吸收氮和磷都需要能量,二者有竞争关系,因此大型海藻对营养盐的吸收利用机制还需要进一步研究。

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Effects of increased atmospheric CO2 and N supply on biochemical compositions and nutrient uptake in Caulerpa serrulata
CUI Lixiang, HE Wenhui , LI Xianxian, CAI Qingjie, ZHANG Ao    
College of Fisheries and Life Science, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China
Abstract: The seaweed, Caulerpa serrulata were incubated to investigate the effects of increased atmospheric CO2 and N supply in seawater on the seaweed. Results indicate that either increased atmospheric CO2 or N supply can enhance the relative growth rate. The relative growth rate of C+N+ was higher than that of C0N0 group by 63.77%.In addition, Increased CO2 decreased the contents of pigments, soluble protein and carbohydrates, and the contents of chlorophyll a in C+N0 was 39.01% lower than that in C0N0 group. C+N+ group was lower than those of C0N+ group by 49.26%, and corresponding Car in high carbon group decreased by 47.62% and 43.24%. Increased atmospheric CO2 reinforces the activity of nitrate reductase under the conditions of both enriched and unenriched N supply, and high N supply stimulates the uptake of N and P.
Key words: Caulerpa serrulata    CO2    nitrate    biochemical composition    nutrient uptake