多环境因子对微藻生长竞争影响的室内模拟研究综述

葛裕豪，刘雪梅，杨 旭，吴燕锋 张 婧

（1.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林 长春 130102；3.黑龙江大学 信息管理学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

0 引言

微藻是一类包括绿藻、蓝藻、硅藻、金藻、裸藻、甲藻等多个门类的单细胞或多细胞光合水生微生物，除蓝藻门外均属于真核生物[1]。微藻作为水生生态系统的初级生产者，为水生食物链和食物网提供物质和能量支撑，是水生生态系统的重要组成部分[2]。适量微藻可提高水体中溶氧量和鱼类食物，促进水产养殖生物的生长和繁殖；过量微藻则会引发藻华，降低水质、透明度和自净能力，并通过产生的藻毒素威胁水生生物和人畜健康[1]。此外，由于微藻的生长繁殖受气候变化和人类活动的双重影响，多环境因子（物理、化学和生物等）对微藻的生长、竞争机制尚不清晰，故给水体藻华的有效治理带来了挑战[3-4]。为了深入了解多环境因子对不同微藻种类生长、竞争的影响机制和规律，通过综述国内、外近十年关于多环境因子对不同微藻种类生长、竞争影响的室内模拟研究进展，提出未来的研究方向和展望。室内模拟是揭示多环境因子对微藻生长、竞争机制的有效方式之一[5-7]，通过模拟不同的生态环境，研究微藻的生理特征和生长响应机制，也可通过模拟微藻的生物量积累和竞争过程，为水华的形成、维持和消退提供理论依据。

1 物理因素对微藻生长竞争的室内模拟试验

对微藻产生影响的物理因素主要包括光、温度和扰动等因子，通过作用于藻种光合作用、呼吸速率、硝化速率和反硝化速率等生物地球化学过程来影响藻种生长竞争。物理因子实验的设置梯度及对象见表1。

表1 物理因子实验的设置梯度及对象

1.1 光照

在影响微藻生长、竞争的环境因素中，光照可通过作用于微藻的光合作用、色素合成、酶活性等方面来调控微藻的代谢速率、生物量积累和营养吸收等生理过程[8]。如：王菁等[9]对普通小球藻（Chlorella vulgaris）和鱼腥藻（A nabaena sp.）的研究发现，鱼腥藻和普通小球藻的最大细胞浓度均随光照强度的增加而升高，但两者的最适光强不同，且在共同培养时，两者之间的竞争抑制参数随着光照强度而变化[10]。除光照强度，其他光照条件（如光照周期、光照频率、光照波长和光照强度波动等） 也可对微藻生长和竞争产生影响。如：XU Y 等[11]研究发现，盐生杜氏藻（Dunaliella salina）的生长速率和生物量均随光照时间的延长而增加。李默楠等[12]研究发现，当光照波长组合分别为450～465 和650～660 nm 时，钝顶螺旋藻（Spirulina platensis）的产量达到最高，同时红光对螺旋藻的影响大于蓝光。卿人韦等[13]研究发现，在光照周期性波动的条件下，铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）和斜生栅藻（Scenedesmus obliquus）的生物量、色素含量和酶活性均有所降低。由此可见，光照对不同藻种的生长和竞争均有显著影响，不同藻种对光照的需求和利用有所差异，光照变化可导致微藻群落结构和功能的变化[14]。因此，了解不同藻种的最适光强和光照对微藻竞争的影响机制，对于水体富营养化治理和水产养殖有重要意义。

1.2 温度

温度是影响微藻生长和竞争的重要环境因子之一，通过改变细胞膜流动性、脂质组成和酶活性等方式，可调节微藻的代谢速率、光合效率和营养吸收等生理过程。温度变化可导致微藻群落结构和功能变化，过高或过低的温度均可抑制微藻的生长[8,15-16]。王菁等[16]研究发现，普通小球藻单种培养时，该藻的最大细胞浓度随温度的增加而增加，35 ℃为最适生长温度；而鱼腥藻在单独培养时，30～35 ℃为最适生长温度。李晓莉等[17]研究发现，舟形藻（Navicula pelliculosa）在单种培养中，其最大细胞浓度在25～30 ℃时达到最大值，而达到35 ℃时则停止生长。除了温度数值变化，其他温度条件（如温度波动、温度梯度、温度周期等）也可对微藻生长和竞争产生影响。DESCAMPS-JULIEN 等[18]研究发现，小环藻（Cyclotella）和脆杆藻（Fragilaria）在波动温度下均表现出相互补偿动态，导致了它们共存。水温的增加使微藻更容易获取和利用光能，增加光抑制发生的光能水平，导致深层水体中光能限制的情况更加严重，微藻生长受到光限制的深度变得更浅[19]。因此，研究温度对微藻生长和竞争的影响，需考虑多种温度因素和多种微藻物种及它们之间的相互作用。

1.3 水力条件

水力条件是影响藻华爆发的重要因素之一。湖泊作为主要的水华发生水体，其流速通常较低，较少超过0.2 m/s[20]，受外界影响通常可导致其水力条件发生变化。相关研究表明，水流对单种培养和共同培养的微藻生长和竞争均有显著影响，不同藻种对水流的需求和利用均有差异，水流改变可导致优势藻种的变化[21-23]。铜绿微囊藻生长的最适流速为0.15 m/s，相对有利流速为低流速（0.05～0.12 m/s），相对不利流速为高流速（0.20～0.30 m/s）[21]。野外观测表明，水动力降低容易发生藻华，如：王红萍等[24]研究发现，当汉江流速低于0.225 m/s 时，硅藻水华容易发生。赵孟绪等[25]认为，汤溪水库汛期时水体反常的稳定性是导致水华提前暴发的关键因子。国外学者也尝试采用改变水动力的方法来控制微藻水华，如：HEO W M 等[26]研究发现，扬水曝气装置可抑制Dalbang湖蓝藻生长，由于湖水深度较浅并不会对浮游植物的总生物量产生影响。TSUKADA H 等[27]在Yogo 湖采用扬水曝气装置发现，改变水动力可控制有害蓝藻，使原本蓝藻优势转变为硅藻优势。一些学者通过室内模拟探究水动力对微藻生长的作用机理[28]，湖泊水动力的改变可引起一系列复杂变化（如：①颗粒物沉降、水体透明度变化；②水体光合作用强度变化；③微藻的自然沉降速率、絮凝等变化）。王华等[29]研究表明，小扰动有利于微藻生长的原因：一方面是因为小扰动可提高微藻营养物质的利用率。且可降低藻细胞生长到一定阶段产生次级代谢产物的浓度，减少对其生长的抑制作用；另一方面扰动可防止绿藻自然的沉降。而静止状态与高强度扰动对微藻生长均有明显的抑制作用。王艺兵等[30]认为，扰动本身对微藻生长影响不大，在扰动速度为0.1 m/s 时有微弱的促进作用，在扰动速度为0.2～0.5 m/s 时有较大的促进作用；因此，水体扰动速率的降低并不是蓝藻水华快速生长的直接原因，其它因素（如悬浮物浓度降低）引起光合作用增强，补充碳源，水动力降低有利于蓝藻发挥浮力机制而形成优势藻种等间接原因是蓝藻水华暴发的主要诱因[30]。

2 化学因素对微藻生长竞争的室内模拟试验

2.1 营养盐

微藻作为河流水质状态与生态健康的重要指示生物，其种类、数量和群落结构均主要受营养盐水平影响。其中，N，P 等营养元素是浮游微藻生长的必需营养物质，也是水体富营养化的主导因素。当水体中TN 质量浓度大于0.2 mg/L，TP 质量浓度大于0.02 mg/L 时，水体为富营养化状态[31]。除了N，P 的绝对浓度外，氮磷比的变化也会明显改变水体中营养盐的限制状态，对微藻生长及群落结构演替具有重要影响。在一定Fe2+浓度条件下，微藻生长速率v1＞v2＞v3＞v4（v1,v2,v3和v4时的ρ（N）∶ρ（P）分别为40∶1，80∶1，20∶1 和5∶1），最佳ρ（N）∶ρ（P）为40∶1[32]。①当ρ（N）∶ρ（P）小于7～10 时，普遍认为水体中微藻生长处于氮限制状态；②当ρ(N)∶ρ(P)大于22.6～30时，则认为其处于磷限制状态；③当ρ（N）∶ρ（P）介于以上两者之间时，为微藻的最适生长区间[33]。水体中无机磷浓度超过微藻实际需求量时，可造成微藻的物质成分（如叶绿素a 含量）发生变化，进而限制其生长[34]。磷胁迫对有毒微藻产毒代谢的影响尚不明确，有毒微藻的产毒基因在不同磷源条件下表达有差异[35]。ZHOU Y P 等[36]认为，氮与产毒有关，磷可能只是协同作用。李璇等[37]认为，有毒微藻在磷缺乏环境中启动各种磷利用机制，通过调节细胞内储存或利用外源有机磷（如提高磷的转运速率或增加有机磷的水解等）。因此，探究不同磷源对有毒微藻生长和产毒代谢的影响及其分子机理，对于理解和控制水华暴发具有重要意义。

2.2 pH 值

除以上影响因素外，藻类生长还与pH 值、Fe2+和CO2浓度等因素有关。pH 值是影响藻类生长和竞争的重要环境因子，其通过影响藻类的碳酸氢盐平衡、光合作用、色素合成和酶活性等方式调节藻类的生理过程（如生长速率、生物量积累和营养吸收等）。许海等[38]研究发现，3 种淡水蓝藻（铜绿微囊藻、鱼腥藻和斜生栅藻）适宜的pH 值分别为9.0，8.0 和10.0，而3 种淡水绿藻（浮游颤藻、绿球藻和雷氏衣藻）适宜的pH 值分别为7.0，8.0 和7.0。其他pH 值条件（如pH 值波动、pH 值梯度和pH 值周期等） 可对藻类生长和竞争产生影响。不同pH 值波动也可对鱼腥藻和普通小球藻的生长和竞争产生影响，王菁[10]研究发现，pH 值在周期性波动下，鱼腥藻和普通小球藻的生物量、色素含量和酶活性均有所下降。王艺兵等[30]研究发现，四尾栅藻对pH 值适宜范围较广，具有较强的耐酸耐碱性；惠氏微囊藻适宜在偏碱性的水体中生长；菱形藻更适宜在偏中性的水体生长。在碳源充足（pH 值≤8.3）情况下，对硅藻生长有微弱的促进作用；在碳源比较缺乏（pH 值＞8.3）情况下，3 种藻在高扰动下的生长速率均较高[30]。然而，试验中对培养基的pH 值调节较为困难，pH 值调节需使用适当的酸碱物质（如稀盐酸、稀氢氧化钠、碳酸氢钠等），酸碱物质可能对藻类本身或其他水质参数（如渗透压、电导率、溶解氧等）产生影响；需考虑水体中其他物质（如CO2，HCO3-，HPO42-等）对pH 值的影响，以上物质可能与酸碱物质发生反应或缓冲作用，影响pH 值变化[39]。

2.3 水中Fe2+和CO2 浓度

铁元素作为藻类生长的必需元素，在适宜的氮磷比条件下，Fe2+质量浓度为0 时，藻类基本不生长；Fe2+质量浓度为1.2 mg/L 时，藻类的叶绿素含量和增长速率均最大；Fe2+质量浓度达到4.8 mg/L 时，藻类生长则受到抑制[32]。因此，除控制氮磷比外，控制水体中铁元素含量也可控制或减弱水华发生强度。藻类光合作用的高效性依赖于羧化酶RuBisCO 催化位点的CO2聚集机制（CCM），这种机制有助于CO2的固定[40]。CO2浓度变化可改变水体中不同形式碳源的比例，从而影响不同藻种对碳源的利用效率和竞争力。当CO2浓度增加时，具有CCM 的藻种相对于CCM 的藻种会处于劣势，原因是因为CCM 需要消耗能量，而高浓度下CO2则能量供应不足；反之，当CO2浓度降低时，具有CCM 的藻种相对于CCM的藻种会处于优势。此外，不同类型的CCM 也会影响不同藻种之间的竞争力。在高pH 值下，具有类囊体CCM 可利用水体中较丰富的碳酸根作为碳源，而细胞质CCM 只能利用水体中较稀缺的游离CO2作为碳源，因此，具有类囊体CCM 的绿藻相对于具有细胞质CCM 的硅藻会处于优势[40]。

化学因子试验的设置情况见表2。

表2 化学因子试验的设置情况

3 应对多环境因素变化的室内模拟试验策略

微藻室内模拟研究概述示意见图1。

图1 室内模拟试验概述示意

目前，单因子模拟研究较多，而缺乏多因子的综合模拟研究，并且关于溶藻细菌、沉水植物、挺水植物和浮游植物等微生物和水生植物的化感物质[41-42]对微藻影响的室内模拟控制试验均较少。研究微藻生长、竞争机制可为水体治理富营养化提供新的思路。

（1）不同培养反应器

附着式微藻培养是一种利用固定载体让微藻附着生长的培养方式，相比悬浮微藻培养，可节省水资源、减少占地面积、提高生物产量和水处理效率。为提高附着式微藻培养的生产力和质量，建议：①利用发光细菌提供散射光，改善微藻生物膜的光照环境；②建立综合评价体系，对附着微藻培养系统的生产力、化学成分、酶活性等指标进行全面和可比较的评价；③深入研究微藻生物膜内的物质转移、EPS 分泌、基因表达等过程，为附着微藻培养系统的优化和规模化提供理论依据。

（2）单藻种

室内模拟试验的未来发展方向主要包括：探讨物种与环境因子的关联性和竞争性；设计高效、低成本的新型光生物反应器；优化适宜工业化应用的藻种；开发微藻在能源、环境、食品和医药等领域的应用。此外，室内模拟试验还可结合分子生物学、遗传学、代谢组学等技术，深入研究微藻在不同环境压力下的分子机制，揭示微藻的响应模式和适应策略。

（3）多藻种

因室内模拟试验存在着不足和挑战，无法反映真实环境中存在的多种复杂因素和随机事件的影响；该种试验通常只观察和测量部分或表面的微藻特征和指标，无法深入了解其内在的分子机制和调控网络；只涉及部分或局部的微藻物种和群落，无法反映其在全球或区域尺度上的多样性和分布以及与其他水生生物之间的相互作用。未来在多环境因子下的室内模拟试验可从以上不足之处进行改进和突破。

4 结论及展望

通过对藻类室内模拟试验大量文献的综述，总结了物理因素（光照、温度、流速、浊度和扰动等）和化学因素（pH 值、CO2浓度、盐度、Fe2+浓度、N，P 浓度及其化学计量比等） 协同作用导致藻类的快速增殖并引起藻华。由于以上环境因子之间存在着复杂的相互作用和协同效应，故影响着微藻的生理代谢、生物化学组成、群落结构和功能。通过综述多环境因子对微藻生长、竞争影响的室内模拟研究的主要内容、方法和进展，总结出目前存在的问题和不足，并对未来研究方向进行展望：

（1）增加试验设计的复杂性和实际性，考虑更多的环境因子和其组合效应，模拟更接近自然环境的条件，提高试验结果的可靠性和适用性。

（2）引入更多的微藻种类和群落类型，探索不同微藻之间的相互作用和竞争机制，揭示微藻群落结构和功能对环境因子变化的响应规律。

（3）利用分子生物学、遗传学、代谢组学等高通量技术，深入研究微藻在不同环境压力下的分子机制和调控网络（如基因表达、信号转导、代谢调节等），并通过转录组、蛋白质组、代谢组等多组学分析，揭示微藻的响应模式和适应策略。

（4）结合数值模拟和人工智能等技术，构建湖泊气候-水文-水质-藻华机理模型，利用室内模拟试验数据进行参数化和验证，量化多环境因子对微藻生长竞争的影响及贡献率，预测未来气候变化情景下湖泊微藻群落的变化趋势和生态效应。