【摘 要】
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目前,由于人类大范围地使用化石燃料,大气中CO2的浓度已经超过了400ppm,到21世纪末,大气中CO2的浓度将超过700 ppm。而大气中CO2浓度的上升会使得水体碳酸体系发生许多变化,直接导致了水相CO2浓度的升高,这对藻类的生长影响最为显著。与海洋水体系统相比,淡水水体的碱度更小且缓冲能力更弱,因此,水相CO2浓度的增加对于淡水水体碳酸体系的改变会更大。而水相CO2是水华藻类生长的限制因子之
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目前,由于人类大范围地使用化石燃料,大气中CO2的浓度已经超过了400ppm,到21世纪末,大气中CO2的浓度将超过700 ppm。而大气中CO2浓度的上升会使得水体碳酸体系发生许多变化,直接导致了水相CO2浓度的升高,这对藻类的生长影响最为显著。与海洋水体系统相比,淡水水体的碱度更小且缓冲能力更弱,因此,水相CO2浓度的增加对于淡水水体碳酸体系的改变会更大。而水相CO2是水华藻类生长的限制因子之一,因此水相CO2浓度的改变会对藻类产生直接且至关重要的影响。对水华期间不同水相CO2浓度对混合藻类的生长生理特征以及固碳能力影响的原位研究还较少。为此,本文研究的实验区域位于三峡库区澎溪河流域的高阳平湖,以平湖原生藻类作为研究对象,设计了4个水相CO2浓度梯度(分别为6.80μmol/L、13.60μmol/L(对照)、20.41μmol/L、27.21μmol/L)进行了藻类的原位受控实验,并用一个设计好的连续流装置对同区域的藻种进行了室内培养与受控实验,并测得了几个具有代表性的荧光参数,综合分析了不同水相CO2浓度条件下,水体水华优势藻的生理指标、群落演替关系及固碳能力特征。本研究得到了以下主要结论:(1)无论是原位实验还是室内实验,混合藻的光合作用都能够较为有效地缓冲水相CO2浓度的增加引起的水体p H的变化,使得水体p H值的变化保持在适宜其细胞生长繁殖的弱碱性范围内。(2)在室内实验中,随着水相CO2浓度的增加,混合藻的藻细胞总数目和叶绿素a浓度均呈现出先升高后降低的态势,原位实验中生物量与叶绿素a浓度降低趋势不明显。两次实验中,水相CO2浓度为20.41μmol/L时均会促进藻细胞的生长,而水相CO2浓度27.21μmol/L条件下,藻类的生长均不如6.8μmol/L,主要是两个原因的综合:一是高浓度水相CO2对藻细胞生长的抑制;其次是低浓度水相CO2激发了藻细胞的碳浓缩机制(CO2-Concentrating Mechanism,CCM),让藻细胞能够在碳胁迫条件下生长。(3)室内实验中的水相CO2浓度的升高改变了藻细胞的群落结构,表现为席藻属占比下降,而微囊藻属、鱼腥藻属、小球藻属的占比都有所上升,其中蓝藻门均占据优势藻地位。两次实验中,水相CO2浓度6.8μmol/L条件下,蓝藻的CCM机制比绿藻更有效,能够更好地利用碳酸氢盐,所以其在低水相CO2浓度水环境中也能较好生长,从而引起反应器中藻类群落的迅速演替,一举成为水体中优势藻种。原位实验中高水相CO2浓度条件下绿藻门藻细胞数目占比明显上升,但室内实验没有这个现象发生,可能是因为碳酸盐浓度的升高扩大了绿藻门在水体中的竞争优势。(4)两次实验中,水相CO2浓度为20.41μmol/L时藻生物量都最大,且氮利用率最高;水相CO2浓度27.21μmol/L时TP的波动最大(cv值为0.24),且利用率最高,可能是因为过高的水相CO2浓度使得藻类在生长时消耗了更多的磷。室内实验中,第7天藻细胞的C:N、C:P、N:P元素摩尔比在第7天时均有所增加。相比初始值而言,其中20.41μmol/L时藻细胞的C:N、C:P、N:P元素摩尔比的增长量均为最大。水相CO2浓度27.21μmol/L时藻细胞的C:P、N:P元素摩尔比增长量均为最小。(5)对各个反应器内混合藻的光合活性参数测定发现,水相CO2浓度的增加对微藻光合活性参数具有明显影响,但是不同光合活性参数间存在一定差异。Fv/Fm基本随着水相CO2浓度的增加而增加,变化较大;α、r ETRmax与Ik随着水相CO2浓度的增加呈现先增加后减少的趋势,均在水相CO2浓度为20.41μmol/L时取得最大值。(6)水相CO2浓度的适当增加会提高单位水体藻细胞的固碳量及CO2固定速率,水相CO2浓度为20.41μmol/L时,单位水体藻细胞的固碳量及CO2固定速率均明显降低。水相CO2浓度为6.80μmol/L时,单位水体藻细胞的固碳量相比对照组有所降低,但藻细胞CO2固定速率变化不明显。
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