耿紅，姚慧，張鵬，宋發(fā)軍，林愛(ài)華，孟艷艷，張歡

(1中南民族大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,武陵山區(qū)特色資源植物種質(zhì)保護(hù)與利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430074；2中國(guó)科學(xué)院 水生生物研究所，武漢 430072)

湖泊富營(yíng)養(yǎng)化是當(dāng)今全球環(huán)境領(lǐng)域面臨的突出問(wèn)題[1]，嚴(yán)重時(shí)可爆發(fā)藍(lán)藻水華. 藍(lán)藻水華會(huì)破壞水體食物鏈，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)崩潰. 輪蟲(chóng)是淡水生態(tài)系統(tǒng)中浮游動(dòng)物的主要組成類(lèi)群，在食物鏈中起著承上啟下的樞紐作用[2]. 萼花臂尾輪蟲(chóng)(Brachionuscalyciflours)因繁殖快、世代周期短、易培養(yǎng)等特點(diǎn)被作為生態(tài)毒理學(xué)研究的模式生物[3]. 目前已有較多研究探討藍(lán)藻對(duì)浮游動(dòng)物種群的影響，如浮游動(dòng)物與藍(lán)藻的攝食關(guān)系及其影響因素[4]，銅綠微囊藻及其毒素對(duì)輪蟲(chóng)生活史的影響[5]，銅綠微囊藻對(duì)浮游動(dòng)物后代的耐受性影響[6]等，在這些研究中，多數(shù)集中于銅綠微囊藻及大型浮游動(dòng)物種群的研究. 而有研究表明，藍(lán)藻對(duì)浮游動(dòng)物的影響會(huì)隨藍(lán)藻種類(lèi)及浮游動(dòng)物類(lèi)群的不同而不同[7]. 集胞藻是單細(xì)胞非固氮藍(lán)藻，生長(zhǎng)周期短，易培養(yǎng)，不產(chǎn)生毒素，目前有關(guān)集胞藻對(duì)輪蟲(chóng)種群的影響研究幾乎未見(jiàn)報(bào)道.

水體溫度直接影響生物有機(jī)體的體溫，體溫的高低又決定了浮游動(dòng)物新陳代謝、生物體的生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖和行為等，從而影響浮游動(dòng)物的豐度[8,9]. 全球變暖及其引起的湖泊水體溫度升高已受到國(guó)際社會(huì)和學(xué)者的廣泛關(guān)注[10]，盡管已有研究表明溫度對(duì)輪蟲(chóng)的個(gè)體大小、生長(zhǎng)以及生活史特征有顯著的影響，但是很少有研究關(guān)注溫度與其他因子的交互作用對(duì)輪蟲(chóng)生長(zhǎng)及繁殖影響；且少量的關(guān)于溫度和食物濃度對(duì)輪蟲(chóng)種群增長(zhǎng)及繁殖的研究報(bào)道結(jié)果卻仍存在不一致性[11]. 本文以萼花臂尾輪蟲(chóng)(B.calyciflorus)為受試生物，采用動(dòng)態(tài)生命表實(shí)驗(yàn)，研究不同溫度下，不同濃度的集胞藻對(duì)輪蟲(chóng)種群生活史參數(shù)的影響，來(lái)探討溫度和集胞藻及其交互作用對(duì)輪蟲(chóng)生長(zhǎng)繁殖的影響. 旨在豐富浮游動(dòng)物與藍(lán)藻間的相互關(guān)系，為臂尾輪蟲(chóng)屬的生態(tài)參數(shù)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料.

1 材料與方法

1.1 輪蟲(chóng)的來(lái)源和培養(yǎng)

實(shí)驗(yàn)選用萼花臂尾輪蟲(chóng)為研究對(duì)象，萼花臂尾輪蟲(chóng)采自湖北省武漢市南湖水體，在實(shí)驗(yàn)室克隆培養(yǎng)半年以上，輪蟲(chóng)置于(25±1)℃恒溫光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行群體培養(yǎng)，光照強(qiáng)度為2200 lx，光照周期為12L:12D，所用培養(yǎng)基配方為EPA[5].

1.2 藻種來(lái)源和培養(yǎng)

蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidosa)為培養(yǎng)輪蟲(chóng)所用的綠藻食物，實(shí)驗(yàn)所用藍(lán)藻為集胞藻(Synechocystissp. PCC6803)，實(shí)驗(yàn)所用的藻種均由中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所淡水藻種庫(kù)提供. 綠藻培養(yǎng)基為HB-4，藍(lán)藻培養(yǎng)基為BG11[5]，置于(25±1)℃的恒溫光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行充氣培養(yǎng). 選取指數(shù)增長(zhǎng)期的綠藻和藍(lán)藻進(jìn)行離心(6000 r/min，10 min)、顯微鏡下計(jì)數(shù)并用EPA培養(yǎng)基稀釋到實(shí)驗(yàn)所需濃度.

1.3 動(dòng)態(tài)生命表實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)3個(gè)溫度梯度，分別為15、25、35 ℃，每個(gè)溫度下按照集胞藻濃度的不同再分別設(shè)4組，根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，每組綠藻和藍(lán)藻的濃度如下：第一組0 cells/mL集胞藻+105cells/mL蛋白核小球藻，第二組104cells/mL集胞藻+105cells/mL蛋白核小球藻，第三組105cells/mL集胞藻+105cells/mL蛋白核小球藻，第四組106cells/mL集胞藻+105cells/mL蛋白核小球藻.

實(shí)驗(yàn)前，將輪蟲(chóng)放置于15、25、35 ℃下預(yù)培養(yǎng)一周，同時(shí)將處于指數(shù)增長(zhǎng)期的集胞藻和蛋白核小球藻進(jìn)行離心、計(jì)數(shù)，放置4 ℃冰箱備用.

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，取帶卵的非混交雌體，放置于燒杯中，在15、25、35 ℃下培養(yǎng)；選取齡長(zhǎng)<3 h的輪蟲(chóng)幼體，分別放置于24孔板中進(jìn)行生命表實(shí)驗(yàn)，每孔放1只輪蟲(chóng). 總共有12組(3 溫度 × 4 濃度)，每組初始輪蟲(chóng)個(gè)數(shù)為18～23只. 每隔8 h觀察一次，記錄輪蟲(chóng)帶卵數(shù)，母體存活數(shù)，新生幼體數(shù)，并將新生幼體從培養(yǎng)體系中移除，24 h更換一次EPA培養(yǎng)液，實(shí)驗(yàn)至全部母體死亡為止.

1.4 生活史參數(shù)計(jì)算方法

根據(jù)動(dòng)態(tài)生命表實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算輪蟲(chóng)主要生活史參數(shù)[13]：

特定年齡存活率lx：X年齡組開(kāi)始時(shí)存活個(gè)體百分?jǐn)?shù)；

特定年齡繁殖率mx：X年齡組平均每個(gè)個(gè)體所產(chǎn)的雌性后代數(shù)；

凈生殖率R0：種群經(jīng)過(guò)一個(gè)世代后的凈增長(zhǎng)率，R0=∑lxmx；

世代時(shí)間T：完成一個(gè)世代所需要的時(shí)間，T=∑lxmxx/R0；

1.5 數(shù)據(jù)分析與處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)初步處理在Excel中進(jìn)行，計(jì)算得到輪蟲(chóng)生活史參數(shù)之后，采用非參數(shù)雙因素方差分析(Scheirer-Ray-Hare test)檢驗(yàn)溫度和集胞藻濃度對(duì)輪蟲(chóng)主要生活史參數(shù)的影響，利用多重比較(posthoc test)分析輪蟲(chóng)生活史參數(shù)在不同溫度和不同濃度下各組別的差異，多重比較的結(jié)果用字母標(biāo)注法標(biāo)出，方差分析和多重比較均在R軟件中完成.

2 結(jié)果與分析

2.1 萼花臂尾輪蟲(chóng)的存活率和繁殖率

隨著溫度升高，輪蟲(chóng)存活率開(kāi)始下降的時(shí)間提前，存活率下降速度加快，輪蟲(chóng)的存活時(shí)間變短(圖1). 集胞藻濃度對(duì)輪蟲(chóng)存活率的影響隨溫度的不同而有所不同，15 ℃時(shí)，輪蟲(chóng)的存活率呈現(xiàn)隨集胞藻濃度的增加而升高的趨勢(shì)；在25 ℃和35 ℃下，隨集胞藻濃度上升，輪蟲(chóng)存活率反而明顯下降. 溫度對(duì)輪蟲(chóng)的繁殖率影響較大，在15 ℃下，輪蟲(chóng)的初次繁殖高峰期從第5 d開(kāi)始，在25、35 ℃下輪蟲(chóng)的初次繁殖高峰期明顯提前. 集胞藻濃度對(duì)輪蟲(chóng)繁殖率的影響也有一定的規(guī)律性，當(dāng)溫度為15 ℃時(shí)，輪蟲(chóng)繁殖率隨集胞藻濃度的升高呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，但當(dāng)溫度升高為25 ℃和35 ℃時(shí)，集胞藻濃度的增加不僅沒(méi)有促進(jìn)輪蟲(chóng)繁殖率的提高，反而抑制了輪蟲(chóng)的繁殖.

圖1 3種溫度下不同實(shí)驗(yàn)組萼花臂尾輪蟲(chóng)存活率(lx)和繁殖率(mx)曲線Fig.1 Age-specic survival rate (lx) and fecundity (mx) of Brachionus calyciflorus at three temperatures in different treatments.

2.2 萼花臂尾輪蟲(chóng)的生活史參數(shù)

當(dāng)溫度為15 ℃時(shí)，輪蟲(chóng)的凈生殖率隨集胞藻濃度的升高而增加，高濃度組(105、106cells/mL)輪蟲(chóng)的凈生殖率顯著高于對(duì)照組(0 cells/mL)；當(dāng)溫度升高為25 ℃和35 ℃時(shí)，輪蟲(chóng)的凈生殖率隨集胞藻濃度的升高出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，其中105cells/mL集胞藻實(shí)驗(yàn)組輪蟲(chóng)的凈生殖率顯著低于對(duì)照組(圖2). 比較相同集胞藻濃度下，輪蟲(chóng)在不同溫度時(shí)的凈生殖率變化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)集胞藻濃度較低(0、104cells/mL)時(shí)，輪蟲(chóng)的凈生殖率隨溫度的升高而呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)；其中，集胞藻濃度為0 cells/mL時(shí)，15 ℃下輪蟲(chóng)的凈生殖率最低；集胞藻濃度為104cells/mL時(shí)，25 ℃下輪蟲(chóng)的凈生殖率最高；但當(dāng)集胞藻濃度升高時(shí)(105、106cells/mL)，輪蟲(chóng)的凈生殖率隨溫度升高而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，當(dāng)集胞藻濃度為106cells/mL時(shí)，35 ℃下輪蟲(chóng)的凈生殖率顯著低于對(duì)照組.

注：圖中字母標(biāo)注為多重比較的結(jié)果，不同字母表示不同處理組之間存在顯著差異；以下同圖2 3種溫度下不同實(shí)驗(yàn)組萼花臂尾輪蟲(chóng)凈生殖率變化Fig.2 Changes of net reproductive rate of Brachionus calyciflorus at three temperatures in different treatments

溫度對(duì)輪蟲(chóng)的世代時(shí)間有顯著影響，隨溫度的升高，輪蟲(chóng)世代時(shí)間明顯縮短，25 ℃和35 ℃條件下，各實(shí)驗(yàn)組輪蟲(chóng)的世代時(shí)間都顯著低于15 ℃. 相同溫度下，不同實(shí)驗(yàn)組輪蟲(chóng)的世代時(shí)間也隨集胞藻濃度的升高而呈下降趨勢(shì)；當(dāng)溫度為15 ℃時(shí)，這種下降達(dá)到顯著性水平，對(duì)照組輪蟲(chóng)的世代時(shí)間顯著長(zhǎng)于其他實(shí)驗(yàn)組輪蟲(chóng)(圖3).

圖3 3種溫度下不同實(shí)驗(yàn)組萼花臂尾輪蟲(chóng)世代時(shí)間變化Fig.3 Changes of generation time of Brachionus calyciflorus at three temperatures in different treatments

圖4顯示了不同溫度下，不同實(shí)驗(yàn)組輪蟲(chóng)的內(nèi)稟增長(zhǎng)率變化，當(dāng)溫度為15 ℃時(shí)，輪蟲(chóng)的內(nèi)稟增長(zhǎng)率隨集胞藻濃度的升高而顯著增加，與對(duì)照組(集胞藻濃度為0 cell/mL)相比，集胞藻濃度為104cells/mL時(shí)，輪蟲(chóng)的內(nèi)稟增長(zhǎng)率增加了67.4%，集胞藻濃度為105、106cells/mL時(shí)，輪蟲(chóng)的內(nèi)稟增長(zhǎng)率分別增加了119.6%、198.9%. 但當(dāng)溫度升高至25 ℃和35 ℃時(shí)，輪蟲(chóng)的內(nèi)稟增長(zhǎng)率隨集胞藻濃度升高的變化呈現(xiàn)波動(dòng)性，但仍能看出，輪蟲(chóng)的內(nèi)稟增長(zhǎng)率并沒(méi)有隨集胞藻濃度的升高而明顯增加，當(dāng)集胞藻濃度為105cells/mL時(shí)，輪蟲(chóng)的內(nèi)稟增長(zhǎng)率反而顯著低于對(duì)照組，其余實(shí)驗(yàn)組輪蟲(chóng)的內(nèi)稟增長(zhǎng)率與對(duì)照組沒(méi)有顯著差異，35 ℃下，106cells/mL集胞藻濃度組的輪蟲(chóng)內(nèi)稟增長(zhǎng)率增加幅度最大，也只有10.2%，由此可見(jiàn)，隨著溫度升高，集胞藻對(duì)于輪蟲(chóng)內(nèi)稟增長(zhǎng)率的促進(jìn)作用是明顯減弱的.

圖4 3種溫度下不同實(shí)驗(yàn)組萼花臂尾輪蟲(chóng)的內(nèi)稟增長(zhǎng)率變化Fig.4 Changes of intrinsic growth rate of Brachionus calyciflorus at three emperatures in different treatments

溫度和集胞藻濃度對(duì)輪蟲(chóng)凈生殖率(R0)、世代時(shí)間(T)和內(nèi)稟增長(zhǎng)率(rm)的方差分析結(jié)果見(jiàn)表1所示，溫度、集胞藻濃度以及兩者的交互作用對(duì)輪蟲(chóng)生活史主要參數(shù)都有極顯著影響.

表1 溫度與集胞藻濃度對(duì)輪蟲(chóng)生活史參數(shù)的方差分析Tab.1 Analysis of variance of temperature and Synechocystis concentration on lifeTable parameters of rotifer

注：*代表極顯著，P<0.001

3 討論

目前，雖然藍(lán)藻對(duì)輪蟲(chóng)種群影響的機(jī)制尚不是很清楚，但一般認(rèn)為，藍(lán)藻主要通過(guò)產(chǎn)生藍(lán)藻毒素[8,13]、形成群體或其他形態(tài)[7]以及低的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[14]對(duì)輪蟲(chóng)種群產(chǎn)生影響. 有關(guān)藍(lán)藻對(duì)輪蟲(chóng)種群的影響研究多集中于銅綠微囊藻上.有毒銅綠微囊藻所產(chǎn)生的微囊藻毒素對(duì)輪蟲(chóng)的生長(zhǎng)繁殖有負(fù)面的抑制作用[13], 無(wú)毒微囊藻由于缺乏脂肪酸及其他脂類(lèi)物質(zhì)，也會(huì)使輪蟲(chóng)的生殖能力下降[14]. 而本研究結(jié)果則顯示，當(dāng)溫度為15 ℃時(shí)，萼花臂尾輪蟲(chóng)種群的凈生殖率和內(nèi)稟增長(zhǎng)率都隨集胞藻濃度的升高而顯著增加，表明在一定條件下，集胞藻可以為輪蟲(chóng)種群提供營(yíng)養(yǎng)，是用于輪蟲(chóng)培養(yǎng)的潛在飼料[15]，這也進(jìn)一步說(shuō)明藍(lán)藻和輪蟲(chóng)間的相互關(guān)系隨藍(lán)藻種類(lèi)的不同而不同[7]，因此進(jìn)行不同種類(lèi)藍(lán)藻對(duì)輪蟲(chóng)種群的影響研究是很有必要的.

溫度是影響輪蟲(chóng)生活史特征的重要生態(tài)因子，本研究中，隨溫度的升高，輪蟲(chóng)的世代時(shí)間顯著縮短，這與前人的研究結(jié)果是一致的[7,8]. 溫度對(duì)輪蟲(chóng)凈生殖率的影響隨集胞藻濃度的不同而不同，當(dāng)集胞藻濃度較低(0、104cells/mL)時(shí)，輪蟲(chóng)的凈生殖率隨溫度的升高趨于增加；但當(dāng)集胞藻濃度升高時(shí)，輪蟲(chóng)的凈生殖率呈現(xiàn)相反的趨勢(shì). 由此看出，隨溫度的升高，集胞藻濃度對(duì)輪蟲(chóng)凈生殖率的促進(jìn)作用逐漸減弱，甚至出現(xiàn)抑制作用(當(dāng)集胞藻濃度為106cells/mL時(shí)). 種群內(nèi)稟增長(zhǎng)率綜合了特定年齡存活率和繁殖率、首次生殖年齡和生殖間隔等，因此，溫度常對(duì)其具有顯著影響[11]，這在本研究中也得到了證實(shí). 實(shí)驗(yàn)中輪蟲(chóng)種群的內(nèi)稟增長(zhǎng)率隨溫度的升高而增加，但增加的程度則隨溫度和集胞藻濃度的不同而不同. 以106cells/mL的集胞藻濃度為例，與對(duì)照組相比，15 ℃下輪蟲(chóng)種群的內(nèi)稟增長(zhǎng)率增加高達(dá)198.9%；而當(dāng)溫度升高到25 ℃和35 ℃，與對(duì)照組相比，輪蟲(chóng)種群的內(nèi)稟增長(zhǎng)率增加只有8.5%和12.1%. 由此可見(jiàn)，溫度的升高降低了集胞藻對(duì)輪蟲(chóng)種群的促進(jìn)作用. 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，曾觀察到較高溫度下集胞藻的聚集現(xiàn)象.可能是由于在高溫度下，集胞藻的高密度聚集，對(duì)輪蟲(chóng)的攝食活動(dòng)造成機(jī)械干擾[7]，從而影響輪蟲(chóng)種群的凈生殖率和內(nèi)稟增長(zhǎng)率. 溫度升高對(duì)水體浮游動(dòng)物的實(shí)際影響將取決于整個(gè)水體生態(tài)系統(tǒng)不同環(huán)境因素之間復(fù)雜的相互作用，考慮到浮游動(dòng)物在水生食物網(wǎng)中的重要性以及人們對(duì)全球氣候變暖的持續(xù)關(guān)注，顯然需要進(jìn)一步研究溫度與其他生態(tài)變量的綜合作用對(duì)輪蟲(chóng)及其他浮游動(dòng)物種群的影響.