绿潮迁移过程中环境要素与浒苔藻体生物学特征的相关性分析

浒苔(Ulva prolifera)引起的大规模绿潮起源于黄海南部,在向北迁移过程中生物量迅速扩增,在海州湾附近(35°N左右)迅速增加达到峰值。在绿潮漂浮迁移过程中,海水表层温度、溶解无机氮(dissolved inorganic nitrogen,DIN)和磷酸盐(PO4^3-P-)变化显著。本文以迁移过程中的浒苔为研究对象,分析了环境要素变化与浒苔藻体的生物学特征间的关系。结果显示,随着绿潮的漂浮迁移,浒苔藻体光系统Ⅱ最大光化学量子产量Fv/Fm从0.7逐渐降低至0.45左右,光系统Ⅱ实际光化学量子产量Y(Ⅱ)从0.55逐渐降至0.25左右;硝酸还原酶活性(nitrate reductase activity,NRA)从2.7μmol/L NO2^-/(mg·h)降至0.5μmol/L NO2-/(mg·h)左右;生殖分配率(RA)从15%逐渐上升至50%左右。相关性分析表明,DIN与浒苔藻体的生物学特征相关性呈极显著,表明在漂浮迁移中,DIN对浒苔的生物学特征至关重要。温度对浒苔藻体光合活性和NRA的影响极显著;光照强度对浒苔藻体光合活性的影响极显著,对NRA的影响显著;盐度和PO4^3--P显著影响浒苔藻体的光合活性和NRA,而这四种环境要素与浒苔形成生殖细胞的相关性不显著。本文认为,绿潮漂浮迁移过程中,浒苔藻体光合活性、营养盐吸收等生物学特征对环境中DIN的变化响应最敏感,其他环境要素对浒苔藻体的影响程度大小依次为温度、PO4^3--P、盐度和光照强度。绿潮漂浮迁移过程中环境要素的变化直接影响了浒苔的生长与生殖,尤其是海州湾附近(35°N左右)是浒苔藻体状态改变的分水岭。     

不同氮磷比值下浒苔与石莼的竞争作用研究

近年来，海水富营养化导致近海海域大型海藻过量繁殖，成为世界性的环境问题。自2007年以来，浒苔绿潮在黄海海域连续暴发，造成巨大经济损失。为探究浒苔大规模暴发与氮磷比值(N/P)的关系，及其与其他大型绿藻在不同N/P下的竞争机制，研究了浒苔(Ulva prolifera)与石莼(Ulva lactuca)在不同N/P下单独培养和共培养时的生长情况，探究了浒苔及石莼生长的变化；结合苏北浅滩海域现场N/P的调查结果，分析了浒苔绿潮暴发的可能机制。研究结果表明:(1)浒苔单独培养时，在一定范围内高N/P能促进浒苔的生长，氮对于浒苔的影响大于磷。(2)石莼单独培养时，低N/P下石莼长势最好，但改变N/P对石莼的影响并不显著。(3)浒苔和石莼共培养时，浒苔生长受到了一定限制，低N/P下浒苔生长受限更显著。(4)苏北浅滩海域高N/P更适合浒苔的生长，可能是浒苔绿潮能够大规模暴发的原因之一。     

绿潮藻浒苔光合固碳与防治海水酸化的作用Ⅰ.光合固碳与海水pH值提高速率研究

以黄海绿潮暴发的主要漂浮种类浒苔 (Ulva prolifera)为材料,在实验室条件下研究了浒苔光合参数、固碳速率及提升海水pH的作用,结果表明:浒苔光合作用半饱和常数K_m为0.25 mmol/dm3,光合作用饱和时海水溶解无机碳(DIC)浓度也只需1.2 mmol/dm3,为正常海水DIC浓度(2.4 mmol/dm3)一半,故黄海绿潮暴发时藻体可以一直保持光合作用饱和与旺盛生长状态。水生条件下浒苔藻体主要吸收海水中的DIC,0.5 g/dm3培养密度下,1个光周期内净光合固碳速率为10.92 mg /(g·d)(鲜重)。连续培养5 d,0.5,1.0和2.5 g/dm3培养密度组的DIC浓度从22 mg/dm3分别降为4.85,2.62和0.66 mg/dm3,表明DIC去除率随藻体培养密度提高而增强,分别可达77.78%,88.00%,96.98%;藻体吸收海水中无机碳的同时可使海水pH升高,0.5 g/dm3培养密度下,1个光周期内净提升pH速率高达0.96/(dm3·g·d)。连续培养5 d,0.5,1.0和2.5 g/dm3培养密度组第1天其pH分别可达到9.1,9.2和9.7,表明藻体密度越高pH提升越快,而且第5天pH均可稳定在9.9左右。浒苔暴露在空气中可直接吸收空气中CO₂,1个光周期内其光合固碳速率约为46.14 mg/(g·d),而在海水中的光合固碳速率为10.92 mg/(g·d),可见浒苔在空气中的光合固碳速率是水中的4.23倍。水生和气生时单位质量藻体的固碳效率因藻体间相互遮蔽而下降。结果可为今后黄海绿潮暴发机制及CO₂减排和防止海洋酸化作用的评估提供技术支撑。     

江苏－山东沿岸大型绿藻微观繁殖体时空分布特征研究

为研究暴发浒苔绿潮的黄海近岸水体中大型绿藻微观繁殖体时空分布和种群演替，以及绿潮对海域繁殖体群落结构的影响，本研究在江苏－山东沿岸设置4个站位，开展周年取样调查研究。通过室内培养和分子检测结合的方法，共鉴定出6种大型绿藻:缘管浒苔(Ulva linza)、浒苔(U. prolifera)、扁浒苔(U. compressa)、孔石莼(U. pertusa)、未命名种(Ulva sp.) 和盘苔(Blidingia sp.)。定量研究结果表明，各站位微观繁殖体丰度和种类组成具有明显时空变化特征，苏北浅滩与青岛近岸周年绿藻微观繁殖体丰度明显高于连云港燕尾港和日照岚山港站位；各站位丰度呈双峰型波动，春季到初夏达最高，秋季为次高峰，其他季节丰度较低。群落结构组成研究表明，苏北浅滩周年存在较高丰度的浒苔微观繁殖体(平均为77株/L)，其中造成黄海大规模绿潮的“漂浮生态型”浒苔占绝对优势，年均占浒苔微观繁殖体总数的75.7%；青岛近岸微观繁殖体种类组成波动显著，在夏季大规模浒苔绿潮到达时，优势种从缘管浒苔转变成浒苔，其中，“漂浮生态型”浒苔微观繁殖体数量急剧上升，并在绿潮消退时快速消失。对比研究显示，苏北浅滩海域是浒苔微观繁殖体“栖息地”，对维持浒苔种群、造成绿潮连年暴发具有重要作用；青岛近岸微观繁殖体群落受到大规模漂浮浒苔的季节性扰动，其组成结构在绿潮暴发期发生显著变化。     

不同模式高盐胁迫对浒苔光台生理及相关基因表达的影响

为探讨高盐及盐度变化对浒苔光合生理的影响以及浒苔在面临高盐胁迫时表现出的耐盐性,本文选取浒苔(Ulva prolifera)为供试材料,设置3个盐度变化处理组:对照组(CK)始终保持盐度25;处理组1(T1)经过盐度30适应3 d后增加到盐度35;处理组2(T2)长期处于盐度35,研究高盐及盐度变化对浒苔生长、光合色素含量、暗呼吸速率和光合放氧速率以及核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)和钙调蛋白(CaM)的基因表达量水平的影响。结果表明:与对照组相比,高盐会抑制浒苔的相对生长速率和光合生理,T1、T2处理组均显著抑制浒苔的生长以及净光合作用速率,且T2处理组的抑制作用更强。高盐处理对浒苔光合色素的含量及其比值、暗呼吸速率的影响不显著,但随着藻体的成熟,浒苔光合色素的含量显著降低,并且暗呼吸速率显著增加。高盐也同时影响了rbcL和cam的基因表达水平,比较0、3和6 d三个取样点结果,T1盐度递增组的基因表达量高于T2长期高盐组,盐度逐步提高有利于增加浒苔对高盐度的适应能力。这一结果有助于解释浒苔在形成绿潮草垫以及退潮干出期间对盐度提高的适应。     

苏北浅滩沉积物中的大型绿藻微观繁殖体的垂直分布和物种多样性

本研究通过在2017年秋冬季组织实施的2个绿潮种源调查航次,研究苏北浅滩紫菜养殖区沉积物中的大型绿藻微观繁殖体的垂直分布和物种多样性。对沉积物中的微观繁殖体的定量实验结果表明:表层泥样中绿藻微观繁殖体的丰度最高,随着深度的增加迅速降低。在9月份表层沉积物中丰度为9±2ind./g,而在11月份表层丰度达到98±25ind./g;与9月份相比, 11月份浅滩沉积物中绿藻繁殖体数量呈现出显著升高的趋势。通过对51个绿藻样品的分子鉴定发现:沉积物中存在石莼属(Ulva)、尾孢藻属(Urospora)、盘苔属(Blidingia)等大型绿藻的微观繁殖体;数量占优是石莼属繁殖体,主要包括曲浒苔(Ulva flexuosa)、浒苔(Ulva prolifera)、扁浒苔(Ulva compressa)、缘管浒苔(Ulva linza);其中曲浒苔占据的比例最高,在9和11月份分别达到80.94%和73.33%。在2个调查航次中,都从沉积物中发现了绿潮浒苔的微观繁殖体,这些微观繁殖体是绿潮浒苔在苏北浅滩种源维持的重要方式和关键阶段,也构成了黄海浒苔绿潮连年暴发的"种子库"。     

漂浮浒苔藻体健康评价及其在青岛近岸海域绿潮监测中的应用

我国黄海绿潮是目前世界上发生规模最大的绿潮灾害。浒苔(Ulva prolifera)由于其独特的生物学特性,在与其他海藻竞争中占据明显优势,导致暴发性生长从而形成浒苔绿潮。目前迫切需要验证并完善有效可行的漂浮浒苔藻体健康评价体系,来判断其生长状态、健康状况及增殖潜力。文章研究了黄海青岛海域漂浮绿潮藻浒苔光合作用的基本特性,并评价了其健康状况的等级。根据藻体状态对应其颜色和最大光量子产量(Fv/Fm)的差异,对2016年6—7月青岛近岸海域的漂浮浒苔藻体健康状态等级进行了测定和评价,发现各采样站位的浒苔藻体处于以下3个不同等级:Ⅱ级亚健康藻体,其Fv/Fm最高出现在站位L24,仅为0.66;Ⅲ级半健康藻体,其Fv/Fm最高出现在L2,为0.59;Ⅳ级衰老藻体,其Fv/Fm最高出现在L1,仅为0.40。其中,6月各采样站位主要以Ⅲ级和Ⅳ级藻体为主;而7月各站位主要以Ⅳ级藻体为主。结果表明,漂浮至青岛海域的绿潮藻浒苔大多状态较差,趋于衰亡,不能健康存活。研究处于不同时期漂浮浒苔藻体的光合生理参数,筛选合适的评价指标,并试用于绿潮监测和评价业务化工作中,对于今后确立黄海漂浮浒苔藻体健康评价方法以及预测绿潮发展趋势具有重要意义。     

黄海浒苔绿潮防灾减灾现状与早期防控展望

截至2019年，浒苔绿潮连续12年大规模暴发，对近海生态系统、沿岸环境与社会经济造成严重影响，已经成为黄海最严重的生态环境问题。本文总结了黄海浒苔绿潮防灾减灾现状与成效，分析了存在的问题，然后基于对该绿潮起源与成因的认识，将其早期分为3个关键过程，即浒苔微观繁殖体在养殖设施上的着生与生长过程，定生浒苔脱离附着基形成漂浮浒苔过程，浅滩漂浮浒苔进入深水区形成大面积绿潮过程。最后分别从加强新材料与技术研发防控绿藻着生、强化养殖设施回收管理严控定生绿藻落滩、浅滩汇聚通道拦截打捞等3种途径提出了早期防控措施建议，以期为黄海浒苔绿潮的源头防控提供科学依据。     

光照和盐度对浒苔类胡萝卜素生物合成的影响

浒苔是一种在“绿潮”灾害中主要参与的绿藻。类胡萝卜素的生物合成是一种维持藻类正常生命活动非常重要的基本的萜类代谢活动。在本研究中，我们首次报告了浒苔2-C-甲基-D-赤藓糖醇4-磷酸（MEP）途径中所有基因的完整序列，这是浒苔中唯一的类胡萝卜素合成途径。随后，我们将这些基因序列与其他物种进行了比较。此外，通过检测三种不同的光照（1 000 lx，5 000 lx和12000 lx）和盐度（12‰，24‰和40‰）培养条件下的类胡萝卜素含量和参与此代谢的关键基因的表达水平差异，我们发现浒苔类胡萝卜素的合成可能受光照和盐度的影响，低光照和高盐度可以促进类胡萝卜素的合成。本研究结果表明：浒苔MEP途径和下游途径中涉及的基因可以在分子水平影响其类胡萝卜素的生物合成。本研究有助于更好地了解这些参与浒苔类胡萝卜素生物合成基因的作用以及环境对这些基因的调控。     

黄海海域大规模绿潮成因与应对策略——“鳌山计划”研究进展

在青岛海洋科学与技术国家实验室"鳌山计划"支持下,本项目围绕黄海大规模浒苔绿潮的防控减灾,联合山东和江苏两地多个单位协作攻关,于2016年到2018年展开了多学科交叉研究,通过对绿潮藻浒苔(Ulva prolifera)的附着、入海等行为的加密观测,在大规模浒苔绿潮成因机制和防控策略方面取得了重要进展,确认了苏北浅滩源地,确认本海区大量紫菜(Pyropiayezoensis)栽培筏架提供的大面积合适附着基、典型的富营养化环境特点以及北向风生流是黄海大规模浒苔绿潮形成的重要条件。本项目解决了以下几方面的问题:1.锁定关键时段和海域并开展打捞船与无人机配合打捞;2.发现苏北浅滩存在独特浒苔种源;3.定量化研究了紫菜筏架拆除时人为去除筏架及绠绳上的附生绿藻量,明确这一过程大大促进了浒苔大量集中入海,成为浒苔绿潮形成的重要环节;4.定量化研究了浒苔在向北漂移,生物量和分布不断增加的过程;5.依据对浒苔緑潮的源头及其早期发生、发展几个关键过程的科学认识,提出了设置三道防线进行浒苔绿潮防控的策略以及在苏北浅滩开展浒苔绿潮初始生物量源头控制的具体建议。6.评价了浒苔绿潮对生态环境和养殖业危害的同时,关注了高生物量输入对受灾地可能带来生物北侵的生态风险。7.为保障2018年青岛上合峰会,项目组先期提交了绿潮防控建议,部署和开展的各项研究和现场调查结果为绿潮的预测防控提供了有力支撑。同时本项目还针对浒苔绿潮灾害的年际变化、马尾藻(Sargassumsp.)金潮灾害加剧、南黄海"三潮齐发"的复杂态势等新问题展开了观测与研究,为进一步制订更科学高效的防灾减灾方案,阐明全球变化和人类活动影响下的我国近海藻华灾害的演变奠定了基础。     

光合膜膜脂在八种海洋硅藻中的分布研究

利用超高效液相色谱-四级杆-飞行时间串联质谱(UPLC-Q-TOF-MS)对8种海洋硅藻的四种主要光合膜膜脂的分子结构和组成进行了定性定量分析。结果表明,海洋硅藻中MGDG含量最高,占四种光合膜膜脂的40%~70%左右,SQDG其次占10%~40%,而PG在4%~20%之间,DGDG占5%~20%;其中,各脂类分子的含量在0.14~99.79 nmol/mg干藻之间,而C_16:3/C_16:3-MGDG,C_20:5/C_16:3-MGDG,C_20:5/C_16:2-DGDG,C_20:5/C_16:1-DGDG,C_16:1/C_16:1-DGDG,C_14:0/C_14:0-SQDG,C_14:0/C_16:0-SQDG,C_14:0/16:1-SQDG,C_14:0/C_16:3-SQDG和C_18:1/C_18:1-PG等脂类分子在8种海洋硅藻的每一类膜脂中均有分布;与高等植物膜脂的脂肪酰基分布不同的是,海洋硅藻的MGDG与DGDG的sn-2位上的脂肪酸全部为C₁₆酸,可推断是通过类似高等植物典型的原核途径合成,而C₁₆酸和C₁₈酸在SQDG和PG的sn-2位上均有分布,可推断SQDG和PG存在原核和真核两种合成途径。     

扁浒苔PCR 快速检测方法研究

扁浒苔(Ulva compressa)能够导致绿潮灾害,对其开展快速检测技术研究是预防和控制其危害的重要技术手段。根据石莼属不同种类核糖体基因转录间隔区域(ITS)的序列设计了一对检测扁浒苔的特异性引物,并对其反应条件和体系进行了优化。PCR特异性检测结果表明,供试扁浒苔均扩增出与预期大小相一致的330 bp产物,而对缘管浒苔(Ulva linza)、浒苔(U.prolifera)、曲浒苔(U.flexuosae)、孔石莼(U.pertusa)的检测结果全为阴性。PCR灵敏度试验表明,该PCR体系最低可以检测到10 pg的扁浒苔DNA模板。本快速检测方法为扁浒苔的早期识别与有效治理提供了科学依据,对相关扁浒苔产业和生态学等研究也具有一定参考意义。     

温度、盐度和光照对浒苔生长和光合作用的影响

Intensive Pyropia aquaculture in the coast of southwestern Yellow Sea and its subsequent waste, including disposed Ulva prolifera, was speculated to be one of the major sources for the large-scale green tide proceeding in the Yellow Sea since 2007. It was, however, unclear how the detached U. prolifera responded and resumed growing after they detached from its original habitat. In this study, we investigated the growth and photosynthetic response of the detached U. prolifera to various temperature, salinity and irradiance in the laboratory. The photosynthetic rate of the detached U. prolifera was significantly higher at moderate temperature levels(14–27°C)and high salinity(26–32), with optimum at 23°C and 32. Both low(14°C) and highest temperature(40°C), as well as low salinity(8) had adverse effects on the photosynthesis. Compared with the other Ulva species, U. prolifera showed higher saturated irradiance and no significant photoinhibition at high irradiance, indicating the great tolerance of U. prolifera to the high irradiance. The dense branch and complex structure of floating mats could help protect the thalli and reduce photoinhibition in field. Furthermore, temperature exerted a stronger influence on the growth rate of the detached U. prolifera compared to salinity. Overall, the high growth rate of this detached U. prolifera(10.6%–16.7% d~(–1)) at a wide range of temperature(5–32°C) and salinity(14–32) implied its blooming tendency with fluctuated salinity and temperature during floating. The environmental parameters in the southwestern Yellow Sea at the beginning of green tide were coincident with the optimal conditions for the detached U. prolifera.     

春季季风间期赤道东印度洋浮游植物光合生理特征

Phytoplankton physiologies are dynamic and have sensitive responses to the ambient environment. In this paper,we examine photosynthetic physiologies of phytoplankton communities with Phyto-PAM in the eastern equatorial Indian Ocean during the spring inter-monsoon. Environmental parameters were measured to investigate the coupling between phytoplankton photosynthetic physiologies and their habitats. During the cruise, the water column was highly stratified. The mixed layer extended to about 75 m and was characterized by high temperature(28°C) and low nutrient level. The F_v/F_m values and chlorophyll a(Chl a) concentrations were lower at the surface, as consequences of nutrient depletion and photo-inhibition. Subsurface Chl a maximum(SCM) occurred between 75 and 100 m, and had the highest F_v/F_m values. The formation of SCM was a balance between nutrient availability and light limitation. The SCM may contribute significantly to pelagic food web and primary production in the water column. Phytoplankton in different layers encountered different light, trophic and hydrographic dynamics and evolved distinct photosynthetic characteristics. Despite of co-limitation of nutrient limitation and photo-inhibition, phytoplankton in the surface layer showed their acclimation to high irradiance, had lower light utilization efficiencies(α: 0.061±0.032) and could exploit a wide range of light irradiance. Whereas, phytoplankton in the SCM layers presented the highest light utilization efficiencies(α:0.146±0.48), which guaranteed higher photosynthetic capacities under low light level. These results provide insights into phytoplankton photo-adaption strategies in this less explored region.     

中沙大环礁四种大型海藻的光生理特征比较及其对升温的响应*

生活于珊瑚礁区的大型海藻可以与珊瑚一起为礁栖生物提供食物和栖息地, 它们在维护珊瑚礁生态系统生物多样性中起着极为重要的作用。本论文比较研究了生活于我国南海中沙大环礁区4种优势海藻的生化组分、光合特征及其对海水升温的生理响应,其中厚膜藻(Grateloupia ellipitica)和粉枝藻(Liagora samaensis)为红藻, 钙扇藻(Udotea flabellum)和仙掌藻(Halimeda discoidea)为绿藻。结果显示, 与绿藻相比, 红藻藻体叶绿素(Chl a)和类胡萝卜素含量更低且含有藻胆素, 红藻的光补偿点(E_C)和呼吸速率(R_d)均显著低于绿藻。海水升温提高了4种海藻的光能利用效率(α)、E_C、R_d和日净光合固碳量; 同时, 升温还降低红藻的饱和光强(E_K)、提高绿藻的最大光合放氧速率(P_max)。结果还显示, 海水升温在光强较低时提高红藻的光合放氧速率, 光强较高时则降低其放氧速率; 升温也提高绿藻的光合放氧速率, 但光强变化对升温效应的影响不显著。基于4种海藻的光生理特征以及升温效应的种间差异性可见, 短时间升温(~4℃)有利于中沙大环礁区海藻的光合作用; 与绿藻相比, 该升温效应更有利于红藻。     

绿潮藻浒苔微生物高效降解及生物乙醇制备

从绿潮藻暴发海域的底泥和腐烂浒苔(Ulva prolifera)中,筛选出一株可高效降解浒苔纤维素的微生物菌株(F菌株),通过刚果红染色实验以及真菌的ITS分析,鉴定为曲霉属真菌。以浒苔为诱导培养基制备F菌株的粗酶液,测得其滤纸纤维素酶活为34.79 U/m L。在发酵实验中,当酶解条件为6%的粗酶液添加量、反应温度为38℃、反应时间为60 h、pH为6.8时,浒苔纤维素降解效果最好,酶解液发酵乙醇产量最高达到28.98 g/L。     

苏北浅滩绿藻从定生到漂浮过程中的组成及其生长特性

本文研究了苏北浅滩紫菜养殖筏架上附生的定生绿藻及海面上的漂浮绿藻在3月底和5月初的群落组成及其演替变化。分别通过设置滩涂围隔实验和船基围隔实验,研究附着态和漂浮态绿藻和浒苔(Ulvaprolifera)的相对生长率,分析浒苔在苏北浅滩的实际生长状况以及滩涂潮水涨落对于浒苔成为优势种的影响,以期了解其暴发绿潮的原因。结果显示3月底定生绿藻群落主要以曲浒苔(U. flexuosa)和盘苔(Blidingia minima)为主要优势种,未见浒苔出现。5月初定生绿藻群落中主要以盘苔和扁浒苔(U.compressa)为优势种,其中浒苔只占15%。而在5月初海面漂浮的绿藻中,浒苔成为主要优势种,比例达到76%。在设置的船基围隔和滩涂围隔的生长实验中,均以5月初定生绿藻为初始生物量,其中附着态浒苔在转变为漂浮态浒苔过程中都获得了较高生长率,其平均相对生长率分别为53.0和64.2%/d,而漂浮态浒苔在船基围隔中获得相对生长率则较低,为19.1%/d。实验结果表明,定生绿藻中定生浒苔更快适应漂浮状态,可以通过高生长率迅速成为漂浮绿藻中的绝对优势种,为其暴发绿潮奠定生物量基础。