不同水域水华蓝藻磷利用策略的比较研究

Cyanobacteria bloom has been one of the serious environmental problems in China. Phosphorus potentially limits the growth and productivity of the bloom-forming cyanobacteria, which always accompanied by few ambient dissolved inorganic phosphorus (DIP). Dissolved organic phosphorus (DOP) mediated by phosphatase, which is capable of releasing phosphate through cleavage, could be important P sources in water bodies. Sediment can release DIP and DOP to water column. To generalize the strategies for assimilating phosphorus of bloom-forming cyanobacteria, reservoirs of Zhujiang catchment and lakes of Yangtze catchment are selected as the studied water bodies. Together with traditional and new techniques（e.g. Enzyme Labelled Fluoresce technique and Sequence Analysis of P-scavenging genes genomics technique），we will investigate sediment phosphorus release potential, population and community of phytoplankton,determine nutrient level and distribution of extracellular phosphatase in parallel and distinguish the effect of sediment phosphorus release on expression of P-scavenging genes, testing the hypothesis that cyanobacterium may rely on phosphatase to efficiently exploit organic sources of phosphorus to form blooms. Closure experiment, mesocosm bioassay and lab experiment are chosed as validate measure and the hypothesis will be verified in situ. Finally, biochemical and molecular biology mechanisms of Cyanobacteria bloom are expected to be illustrated. Namely, cyanobacteria bloom is a result of coupling between the sediment phosphorus release pattern and the algal phosphorus acquisition strategy. The findings will enrich the biological adaptability theory in the evolution and community succession from the point of molecular biology view. A warning to the occurrence of cyanobacteria bloom based on the sediments status may be developed.

蓝藻水华已成为我国突出的环境问题之一，磷是蓝藻生产力的关键限制性营养元素，蓝藻水华的发生常伴随较低的无机磷浓度，由胞外磷酸酶催化的有机磷亦为重要的磷源，沉积物可向水柱补给不同形态磷营养。本项研究拟以珠江流域水库和长江流域湖泊为研究对象，以经典与新兴技术（如酶荧光标记技术和酶基因序列分析技术）为实验手段，调查沉积物营养释放潜力、测定伴随蓝藻水华消长的水体营养水平以及胞外磷酸酶的活性与分布，判别沉积物磷释放对蓝藻磷酸酶基因表达的影响，揭示有机磷在水华过程中的关键作用，用围隔实验、微宇宙生物检测和室内培养方法予以验证，并在原位条件下进行检验，揭示水华蓝藻磷利用策略因时因地因种变化的本质，从而最终阐明水华的发生机理，即沉积物磷释放模式与蓝藻磷利用策略相耦合的结果，从而丰富生物进化和群落演替过程中的生物适应性理论并提供分子生物学证据，在此基础上建立沉积物营养状态对蓝藻水华的预警作用。

对低磷的高适应性是蓝藻能在无机磷浓度较低的诸多水域广泛分布并形成水华的重要因素，其生物学机制包括对无机磷和有机磷两种形态的适应。本项研究以珠江流域水库和长江流域湖泊为研究对象，以经典与新兴技术（如酶荧光标记技术和酶基因序列分析技术）为实验手段，研究了不同区域水华蓝藻对营养的原位响应，并以分离自野外的水华蓝藻为培养对象，研究了其在不同氮磷浓度下的磷利用策略。首先，蓝藻的磷利用策略具种类特异性，如固氮蓝藻和非固氮蓝藻在有机磷利用、无机磷吸收转运和附着生物营养协作等利用磷策略方面均明显不同。固氮种水华鱼腥藻可能通过提高酶的反应速度以及增强酶与底物的亲和能力(即减小Km值)两种方式有效地利用有机磷。而微囊藻鲜以分泌磷酸酶的方式克服磷限制，微囊藻全基因序列分析表明，该种无phoA基因，但某些铜绿微囊藻藻株具phoX基因，值得注意的是，已鉴定为铜绿微囊藻磷酸酶基因所编码的蛋白均位于细胞质内且不含有转运信号肽，这一发现进一步表明微囊藻可能不利用分泌磷酸酶的方式来克服磷限制，但其多聚磷酸体的形成则外界受磷浓度的调节。附着在微囊藻和鱼腥藻上的有机磷与无机磷细菌迥异，与水华鱼腥藻相比，铜绿微囊藻更加适应相对缺磷的环境或在低磷浓度下具有更强的吸收、贮存和利用磷营养的能力。其次，水华蓝藻的磷利用策略具区域特异性。如巢湖惠氏微囊藻多聚磷酸体形成的时间最早，比例最高，太湖铜绿微囊藻次之，惠州风田水库的微囊藻最低。不同区域的蓝藻蓄积多聚磷酸体的程度也存在差异，如惠州风田水库的微囊藻形成多聚磷酸体的比例也远低于巢湖和太湖的微囊藻。最后，水华蓝藻对磷的利用策略不仅受无机磷浓度调节，还受无机氮浓度调节。无机氮浓度的升高有助于鱼腥藻通过高效无机磷转运、形成多聚磷酸体和分泌磷酸酶等多种途径来克服磷的限制。