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《华南理工大学》 2015年
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海洋酸化背景下经济海藻龙须菜与坛紫菜的生物学特性

陈斌斌  
【摘要】:大型海藻在生物量生产及CO2生物削减方面具有很大的潜力,对缓解全球变暖起着非常重要的作用。大气中的CO2浓度不断升高引起了海水中碳酸盐体系及p H的变化,海水酸化以及气温上升对大型海藻的生理特性和化学组分等产生了很大的影响。本研究以我国南方海域主要栽培海藻龙须菜(Gracilaria lemaneiformis)和坛紫菜(Pyropia haitanensis)为研究对象,通过室内模拟海洋酸化条件等,着重研究了两种海藻在气候变化背景下对大气中CO2浓度升高以及与其他环境影响因素(如光照、营养物质、重金属离子等)的耦合效应的形态学及生理生态学响应,以及在该背景下经济海藻与其他藻类的种间竞争作用,为海藻栽培应对气候变化、以及沿岸海域生态系统的生态安全管理提供重要基础理论、对策思考和技术支持。两种海藻对酸化条件(大气CO2浓度从390μL?L-1升高至1,000μL?L-1,p H水平从8.17下降至7.78)的即时光合响应结果表明,在2 h酸化过程中,酸化后的海水对龙须菜的光合作用先促进后抑制,但在整个过程中龙须菜对光照条件的耐受能力几乎没有发生变化。而坛紫菜的电子传递速率以及对光能的利用效率经过短暂的抑制后,逐渐恢复。在1 h内坛紫菜对强光的耐受力先增加后降低。在面对酸化的海水时,龙须菜及坛紫菜在较短时间内仍然能保持相对较高的电子传递速率和光化学效率,但坛紫菜表现出比龙须菜更强的对短期酸化条件的适应能力。在高温下的栽培期内(栽培末期),虽然龙须菜仍能增加较少的生物量,但相对于培养前期与中期,高温期的阶段性收获量相对减少。海水酸化促进了高温条件下生长的龙须菜的生长速率,却也降低了龙须菜的氨基酸含量。过高的光照强度或海水酸化效应虽然会促进高温条件龙须菜的生物量积累,但会降低高温条件下生长的龙须菜的营养品质,致使龙须菜的品相及质量下降;但过低的光照条件下生长的龙须菜由于含水量较高,其生物量干重则相对较低。对龙须菜及石莼的竞争作用研究表明,在两种CO2水平下,经济海藻龙须菜的生长与光合作用效率均低于海藻石莼,而且石莼具有比龙须菜更高的光能利用效率。在混合培养时,龙须菜的生长及光合作用活性均受到了石莼的快速生长的影响,而且这种抑制作用在CO2水平升高时更加显著。由于石莼具有相对更高的对海水无机碳的利用能力,加之近海污染加重提供了大量的营养物质,石莼能借助于提高的海水无机碳含量大量增殖,这将会对龙须菜的栽培产生更加严重的负面影响。坛紫菜对CO2浓度增加的生长及生理响应受到海水中N-P等营养水平的影响。在三种营养水平条件下,CO2水平增加均显著地促进了坛紫菜对NO3-的吸收速率,但降低了其p H补偿点、藻胆蛋白含量以及可溶性蛋白(SP)含量。CO2水平升高只在营养物质加富时显著促进了坛紫菜的光合作用与生长。坛紫菜的硝酸还原酶活性与海水中的NO3-浓度并不是完全的正相关性,而且中等营养加富与高水平的营养加富对坛紫菜的生长等的促进作用之间的差异性并不显著。CO2水平与溶解性铁的耦合实验表明,CO2加富增加了坛紫菜中的Chl a,可溶性碳水化合物(SC)的含量以及SC/SP比值,却降低了SP含量。海水中添加铁离子(包括Fe(II)-EDTA和Fe(III)-EDTA)促进了坛紫菜的最大光量子产量等叶绿素荧光参数,进而促进坛紫菜的光合作用速率和生长。在高CO2水平时,坛紫菜对铁离子的利用效率增加,而且铁离子浓度增加更加显著地促进了坛紫菜的生长及光合作用,藻体中的SC含量以及SC/SP也显著升高,增加了的SC满足了构建藻体组织以及生长的物质及能量需求,这通过坛紫菜显著增加的生长速率以及呼吸作用反应出来。CO2加富在一定程度上有利于坛紫菜叶状体赤腐病的恢复。海水中CO2加富增加的DIC含量,满足了患病坛紫菜对无机碳的需求,并促进了坛紫菜的光合作用以及Chl a及Car细胞含量,但降低了坛紫菜的PE含量。患病坛紫菜可能利用在高CO2条件下新合成的细胞成份抵抗细菌性赤腐病。这可能被用于坛紫菜栽培过程中赤腐病病害防治。总之,在面对即时的海水酸化条件时,经济海藻龙须菜和坛紫菜的叶绿素荧光特性的响应有所差异。海洋酸化(CO2加富)对两种海藻光合作用及其他生理代谢的影响,受其它环境条件的影响。在营养条件及光照条件适宜时,海洋酸化能够促进两种海藻的光合作用与生长,并在一定程度上有利于坛紫菜对病害的抗性。但随着全球气候变化加剧,龙须菜的质量在栽培末期将会受到一定程度的负面影响,而且石莼的增殖将严重影响龙须菜的栽培。此外,海洋酸化条件下微量元素铁的溶解性增加,有利于坛紫菜的光合作用与生长,并最终影响栽培坛紫菜的产量。本研究表明,在研究大型海藻的生长及生理代谢对海洋酸化的响应机制时,应注重与其他环境条件的耦合效应,系统地阐释大型海藻在海洋酸化条件下的响应趋势。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:S917.3

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