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目的
在过去的几十年内,气候变化导致有害藻华(HABs)爆发的频率在全球范围内逐年增加,对生态系统造成显著影响,并危害着人类健康。因此,关注气候变化背景下,有害藻华对人类健康的影响已成为一个新的研究热点。人类活动排放了大量的温室气体(如CO2),造成全球变暖,一方面导致海洋混合层变浅,使得海洋表层浮游植物接受的光照辐射增强,另一方面,过多的CO2溶于海水导致海水酸化(海水pH下降,溶解的CO2增多)。与此同时,由于农业生产和生活污水的排放,近岸水体富营养化加剧,水体N∶P发生较大改变。因此,有害藻华的爆发及生消演替受到多重环境因子的叠加作用。但在此背景下,有害藻华种的生长和毒性会发生何种改变,目前尚缺乏认识。本文选取了两种产毒的光合自养微生物血红哈卡藻(Akashiwosanguinea)和米氏凯伦藻(Kareniamikimotoi)作为研究对象,探讨有害藻华种的生理及毒性对多因子交互作用的响应机制。
方法
1海水酸化、温度和光照对血红哈卡藻的影响实验
本实验设置两种温度(低温:LT=20℃,高温:HT=28℃)、两种不同的CO2浓度(低CO2∶LC=400μatm,高CO2∶HC=1000μatm)和两种光照条件(低光照:LL=50μmolphotons·m-2·s-1和高光照:HL=200μmolphotons·m-2·s-1),共8种处理,分别为HCHTHL、HCHTLL、HCLTHL、HCLTLL、LCHTHL、LCHTLL、LCLTHL、LCLTLL。选取对数生长期的细胞用无菌F/2培养基稀释后开展三因子交互实验。培养七天后,测定其生长、光合参数、色素以及细胞的溶血活性变化。
2海水酸化和低磷对米氏凯伦藻的影响实验
本实验将产毒甲藻米氏凯伦藻培养十天,以测定细胞在两种不同磷酸盐浓度下对海水酸化的生理和毒性响应。选取提前在海水酸化(pH=7.8,CO2=1100μatm)环境下适应培养约三个月的细胞进行双因子交互实验。检测了米氏凯伦藻的生理参数(生长、rETR)和毒理参数(溶血活性和对斑马鱼胚胎的毒性)在两种CO2浓度(450和1100μatm)和两种P浓度(4.67和37.75μmolL-1)共四种处理下的变化情况。
结果
1海水酸化、温度和光照对血红哈卡藻的影响实验
血红哈卡藻在所有处理中均能持续生长,但高CO2(HC)刺激细胞生长的速度快于低CO2(LC)。所有HC处理的色素(叶绿素a和类胡萝卜素)均呈下降趋势。在所有高温(HT)处理中,光化学效率(Fv/Fm)略有下降。高光(HL)促进了紫外吸收物质(UVabc)的积累,且不受温度和CO2的影响。LC处理的溶血活性在HT和HL暴露时下降,HC则减轻HT和HL对溶血活性的负面影响。所有HC和HL处理以及高温*高光(HTHL)和高CO2*高温*高光(HCHTHL)处理与低CO2*低温*低光(LCLTLL)处理相比,对生长均有正面影响。高温(HT、高光(HL和HT*HL的处理对溶血活性有负面影响。
2海水酸化和低磷对米氏凯伦藻的影响实验
在高磷(HP)条件下,酸化促进了米氏凯伦藻的生长和rETRmax。与低CO2*高磷(LCHP)处理相比,低磷(LP)和高CO2*低磷(HCLP)处理抑制了细胞的生长和Ek。与LCHP相比,所有高CO2(HC)处理下细胞对斑马鱼胚胎的毒性作用均增强,而所有HC处理和LP处理的细胞溶血活性(EC50)均提升。
结论
气候变化引起的升温(HT)、高CO2(HC)、高光照(HL)及水体富营养化对有害藻华种有显著影响。本研究观察到的生理毒理特性表明,血红哈卡藻和米氏凯伦藻通过调整细胞内不同代谢机制,改变细胞内能量分配,在未来气候条件下具有良好的继续爆发藻华的能力,对环境及人类的影响增强。
在过去的几十年内,气候变化导致有害藻华(HABs)爆发的频率在全球范围内逐年增加,对生态系统造成显著影响,并危害着人类健康。因此,关注气候变化背景下,有害藻华对人类健康的影响已成为一个新的研究热点。人类活动排放了大量的温室气体(如CO2),造成全球变暖,一方面导致海洋混合层变浅,使得海洋表层浮游植物接受的光照辐射增强,另一方面,过多的CO2溶于海水导致海水酸化(海水pH下降,溶解的CO2增多)。与此同时,由于农业生产和生活污水的排放,近岸水体富营养化加剧,水体N∶P发生较大改变。因此,有害藻华的爆发及生消演替受到多重环境因子的叠加作用。但在此背景下,有害藻华种的生长和毒性会发生何种改变,目前尚缺乏认识。本文选取了两种产毒的光合自养微生物血红哈卡藻(Akashiwosanguinea)和米氏凯伦藻(Kareniamikimotoi)作为研究对象,探讨有害藻华种的生理及毒性对多因子交互作用的响应机制。
方法
1海水酸化、温度和光照对血红哈卡藻的影响实验
本实验设置两种温度(低温:LT=20℃,高温:HT=28℃)、两种不同的CO2浓度(低CO2∶LC=400μatm,高CO2∶HC=1000μatm)和两种光照条件(低光照:LL=50μmolphotons·m-2·s-1和高光照:HL=200μmolphotons·m-2·s-1),共8种处理,分别为HCHTHL、HCHTLL、HCLTHL、HCLTLL、LCHTHL、LCHTLL、LCLTHL、LCLTLL。选取对数生长期的细胞用无菌F/2培养基稀释后开展三因子交互实验。培养七天后,测定其生长、光合参数、色素以及细胞的溶血活性变化。
2海水酸化和低磷对米氏凯伦藻的影响实验
本实验将产毒甲藻米氏凯伦藻培养十天,以测定细胞在两种不同磷酸盐浓度下对海水酸化的生理和毒性响应。选取提前在海水酸化(pH=7.8,CO2=1100μatm)环境下适应培养约三个月的细胞进行双因子交互实验。检测了米氏凯伦藻的生理参数(生长、rETR)和毒理参数(溶血活性和对斑马鱼胚胎的毒性)在两种CO2浓度(450和1100μatm)和两种P浓度(4.67和37.75μmolL-1)共四种处理下的变化情况。
结果
1海水酸化、温度和光照对血红哈卡藻的影响实验
血红哈卡藻在所有处理中均能持续生长,但高CO2(HC)刺激细胞生长的速度快于低CO2(LC)。所有HC处理的色素(叶绿素a和类胡萝卜素)均呈下降趋势。在所有高温(HT)处理中,光化学效率(Fv/Fm)略有下降。高光(HL)促进了紫外吸收物质(UVabc)的积累,且不受温度和CO2的影响。LC处理的溶血活性在HT和HL暴露时下降,HC则减轻HT和HL对溶血活性的负面影响。所有HC和HL处理以及高温*高光(HTHL)和高CO2*高温*高光(HCHTHL)处理与低CO2*低温*低光(LCLTLL)处理相比,对生长均有正面影响。高温(HT、高光(HL和HT*HL的处理对溶血活性有负面影响。
2海水酸化和低磷对米氏凯伦藻的影响实验
在高磷(HP)条件下,酸化促进了米氏凯伦藻的生长和rETRmax。与低CO2*高磷(LCHP)处理相比,低磷(LP)和高CO2*低磷(HCLP)处理抑制了细胞的生长和Ek。与LCHP相比,所有高CO2(HC)处理下细胞对斑马鱼胚胎的毒性作用均增强,而所有HC处理和LP处理的细胞溶血活性(EC50)均提升。
结论
气候变化引起的升温(HT)、高CO2(HC)、高光照(HL)及水体富营养化对有害藻华种有显著影响。本研究观察到的生理毒理特性表明,血红哈卡藻和米氏凯伦藻通过调整细胞内不同代谢机制,改变细胞内能量分配,在未来气候条件下具有良好的继续爆发藻华的能力,对环境及人类的影响增强。