水柱和沉积物中微囊藻群体越冬能力的比较研究

Microcystis bloom is one of the most serious environmental problems in China. After the outbreak algae bloom, part of the Microcystis colonies will persist in the water column or sink to the sediment, and overwinter in the water column or sediment. The overwintering Microcystis populations have the potential to provide a large inoculum for the following algae blooms during warmer seasons. The duration of low temperature may be the key factor determining whether Microcystis can overwinter in water column and sediment. In this study, the survivability of overwintering Microcystis in water column and sediment, which was represented by survival time, was determined by microcosmic experiment. By comparing the duration of low temperature and the survival time of overwintering Microcystis in water column and sediment, the main sources and relative contributions of Microcystis water bloom were evaluated. Aiming to evaluate the effects different environmental factors and the mechanism of overwintering, single Microcystis colony cultivation experiment was also carried out under controlled temperature, illumination and dissolved oxygen. The dynamic changes of colonial morphology, cell viability and cellular microcystin content were analyzed during the cultivation. The results of this study would be beneficial for the reveal of the formation mechanism of Microcystis bloom, and also provide theoretical support for the control of Microcystis blooms from the perspective of "inoculum reduction".

微囊藻水华是我国面临的最主要的环境问题之一。水华暴发后期，部分微囊藻群体会停留在水柱或者下沉至沉积物中越冬，为夏季微囊藻水华提供“种源”。低温的持续时间可能是决定微囊藻能否在水柱和沉积物中越冬的决定因素。本研究拟通过微宇宙试验定量研究不同温度下，微囊藻在水柱和沉积物中的存活时间，以此表征其越冬能力。通过比较湖泊低温持续时间和该温度下微囊藻在水柱和沉积物中的存活时间，评估微囊藻水华“种源”的主要来源及相对贡献。拟开展单个微囊藻群体培养实验，监测不同温度、光照和溶解氧条件下，水和沉积物中微囊藻群体的形态、细胞活性和微囊藻毒素含量的动态变化，解析影响微囊藻越冬的主要因素及机制。本研究的开展有利于更全面的揭示微囊藻水华形成机制，为从“种源”的角度控制微囊藻水华提供理论支持。

大量的微囊藻可能在秋季水华后期下沉到沉积物中进行越冬。在温度升高时沉积物中的微囊藻复苏到水柱中，为水柱提供“种源”，促进微囊藻水华的发生。微囊藻独特的生活史策略，被认为是其在富营养水体中占据优势并形成水华的重要原因。然而，越来越多的证据表明，微囊藻也可以在水柱中越冬，甚至出现冬季微囊藻水华。为了更全面的厘清微囊藻的生活史策略，尤其是其越冬策略，本项目对微囊藻在水柱和沉积物中的越冬能力进行了对比研究。结果表明：（1）水温对微囊藻的动态和越冬策略有决定性作用。低温下（4-8°C），微囊藻在沉积物中的越冬能力显著高于水柱中。如果低温时间持续较长，微囊藻会彻底从水柱中消失，沉积物成为微囊藻越冬的主要场所。冬季气温升高显著促进水柱中微囊藻的增殖，但加速沉积物中微囊藻的死亡，最终导致水柱成为微囊藻越冬的主要场所。（2）在冬季寒冷的浅湖（如太湖、巢湖），微囊藻在沉积物中的越冬能力更高。对于冬季温暖的湖泊（如滇池），水体更适合微囊藻越冬。无论如何，灵活的越冬策略使微囊藻能够保存足够数量的“种源”。随着全球气候变化，全年性微囊藻也可能在其他湖泊发生，水柱中越冬微囊藻可能成为夏季微囊藻水华的主要的“种源”。（3）沉积物中的微囊藻在低温条件下存活的时间更长，且小尺寸的微囊藻群体更容易在沉积物中越冬。具有产毒能力的微囊藻可能越冬能力更弱。（4）比较了两株产毒的铜绿微囊藻和两株不产毒的惠氏微囊藻的越冬能力，其中惠氏微囊藻越冬能力高于铜绿微囊藻。即使在4℃下，水柱中惠氏微囊藻依然有较高的繁殖率。温度波动对沉积物中微囊藻的越冬过程影响较小，但对水柱中微囊藻越冬能力影响较大，且惠氏微囊藻的越冬能力受到较大促进。（5）滇池蓝藻水华优势种主要为微囊藻属的挪氏微囊藻、惠氏微囊藻。综合三年微囊藻细胞密度的调查，微囊藻水华在滇池已经成为了全年性的现象，即使在冬季，微囊藻的细胞密度依然在5×107 cells/L以上。