赤潮藻类细胞磷库变化特征及其对赤潮生消的指示作用研究

The previous research had found that many red tide species have obvious cell phosphorus pools，including extracellular and intracellular phosphorus pools, can help algal live through the period of phosphorus deficiency period. However, it is doubtful whether the effect of cell phosphorus pools on the generating and vanishing process of red tide could be determined through the judgment of red tide development stage by variation characteristics of cell phosphorus pools. In order to solve this scientific problem, the present research will study the variation characteristics and differences of the cell phosphorous pools of three typical red tide species, namely Skeletonema costatum, Prorocentrum donghaiense and Karenia mikimotoi. In the present research proposal, the distribution of cell phosphorous pools of the three species will be verified by researching the variation characteristics of the cell phosphorus pools at different growth phases and phosphate concentrations as well as the absorption processes of phosphorus on extra-cellular matrix, cell surface and internal cell. Besides, using the second-order absorption dynamic model to compare the absorption kinetics characteristics of the three species. Finally, making use of the water environment data collected from the field in high frequency HAB occurrence seasons in East China Sea and cell phosphorus content of red tide species in different development stages to analysis the effect and indicative function of variation of cell phosphorus pools on the generating and vanishing process of red tide. The present research can provide theoretical basis and data support for understanding the biological significance of main red tide species and judging the red tide generating and vanishing process based on the variation characteristics of cell phosphorus pools including surface-adsorbed and intracellular phosphorus pools ratio at different stages.

前期研究发现很多赤潮藻类细胞存在明显的磷库，并且分为胞内和胞外磷库，这个特点有利于藻类度过磷缺乏时期。但是赤潮藻类细胞磷库对赤潮生消过程有何影响，能否通过细胞磷库的变化特点判断赤潮不同发展阶段呢？针对这一科学问题，本项目拟对三种典型赤潮藻类——中肋骨条藻、东海原甲藻和米氏凯伦藻细胞磷库的变化特征及其差异性展开研究：通过研究在不同磷酸盐浓度和生长阶段下三种赤潮藻类细胞磷库的变化特点，磷在基质、细胞表面吸附以及细胞内部的吸收过程，探明三种藻类的细胞磷库分布特征，并应用二阶吸收动力学模型，比较磷元素在三种藻类细胞体内的吸收动力学特征，最后结合东海赤潮高发季节现场采集的水环境数据及赤潮藻类在不同发展阶段的细胞磷库含量，解析细胞磷库变化对硅甲藻赤潮生消进程的影响及指示作用。本研究预期成果能够为了解细胞磷库变化对主要赤潮藻类的生物学意义以及根据其细胞体内磷库特征判断赤潮生消进程提供理论依据和数据支持。

本项目研究发现在不同磷酸盐和温度梯度培养下中肋骨条藻、东海原甲藻和米氏凯伦藻均存在细胞磷库，并且细胞内外磷库存在不同的变化特征。硅藻中肋骨条藻在低磷和高温条件实际存活时间较短（10d左右），而两种甲藻则在不同磷酸盐和温度下均能长时间均能长时间存活（30d以上），藻类生长呈现出一定的周期波动。进一步重点研究东海原甲藻和米氏凯伦藻磷酸盐吸收动力学模型发现应用二阶吸收动力学模型（12d）描述两种藻类细胞直观拟合效果、参数的生物学意义、统计检验结果还是基本动力学过程等方面比常规一阶吸收动力学模型更好。另外，通过长时间（30d）数据分析藻类密度和细胞内部磷库与总磷库的比例均存在明显周期性波动，而且有一定的时间滞后效应。在赤潮现场调查方面，于2016年和2018年春季在浙江南部和北部对东海原甲藻和中肋骨条藻赤潮进行了连续跟踪监测，其中1次完整的东海原甲藻赤潮大约持续10-12d，而中肋骨条藻赤潮生消非常快速（2-3d），在调查期间（半个月）发现三个赤潮高峰，往往高峰过后第二天中肋骨条藻丰度就大规模下降，调查期间发现水体磷酸盐变化比较大，特别是中肋骨条藻赤潮爆发初期磷酸盐含量较高，而后大幅下降。此外，调查结果还发现两种赤潮爆发一方面均导致浮游植物群落结构生物多样性降低，而东海原甲藻赤潮对浮游动物群落结构也产生了不利影响，赤潮生消期间浮游动物由水母类、毛颚类以及桡足类为主的群落向水母类和毛颚类为主的群落演替，饵料生物组成和丰度均受到不利影响，中肋骨条藻赤潮对浮游动物群落结构的影响则不明显。由于赤潮现场调查的随机性，本项目两次现场调查尝试测定赤潮优势种不同生消时期的细胞内外磷库时结果均不理想，有待后期进一步对采样方法等进行优化。本项目结合实验室不同硅甲藻磷酸盐吸收动力学和赤潮现场调查研究，阐明了东海赤潮高发区常见硅甲藻优势种的磷酸盐二阶吸收动力学过程以及赤潮本身对浮游生物群落结构的影响程度，对今后深入了解赤潮生消机制提供了更多的理论依据和数据支持。