高原湖泊微藻和微量金属元素的相互作用过程及实验模拟研究

微量金属元素的微藻生物地球化学主要通过研究微藻与微量金属元素的各种相互作用，在时空上了解微藻在微量金属元素的分布、迁移和富集等过程中所起的作用，以及由此引起的微藻本身的成分、结构、形态和功能在不同地球化学环境中的变异等。地球化学环境变化及由此产生的生态环境效应是目前研究的科学热点之一。工业革命以来，人为活动强烈地改变了地球表层的局部乃至全球的微量金属元素含量，对生物的正常生长乃至人类的健康构成了潜在的威胁。作为初级生产力，浮游藻类在水生生态系统中占有重要地位；它通过生物积累、光合作用及生物矿化，驱动着C、N、Si、P、O、，S、Fe等元素在水体内部的生物地球化学循环；微藻对环境变化敏感，能够很好的响应微量金属元素生物地球化学行为的变化。目前有关湖泊微量金属元素地球化学及浮游植物生态学的研究较多，但浮游植物和微量金属元素相互作用规律的系统研究较少，对湖泊微量金属元素复杂的生物地球化学行为的解释仍缺乏实验依据。本论文研究了高原湖泊阿哈湖、百花湖和红枫湖的微量金属元素和微藻的时空分布特征，探讨了两者之间的相互关系；研究了小球藻和衣藻对微量金属元素的生物吸收和生物吸附特征：研究了微量金属元素对微藻生理生化因子（生长速度和碳酸醉酶胞外酶）的影响；分析了微藻和微量金属元素的相互作用规律，为湖泊微量金属元素生物地球化学行为的解释提供科学依据。通过上述研究，获得了以下几点认识：1．阿哈湖、百花湖和红枫湖的微藻生物量在2002年出现了两个高峰，一个在春季，一个在秋季；这是水温、光照、营养源和捕食等多种因素综合作用的结果。百花湖和红枫湖的微藻以蓝藻和绿藻为主；阿哈湖的微藻春季以蓝藻和绿藻为主，秋季以硅藻为主。阿哈湖和红枫湖的叶绿素a含量在垂直方向随深度增加呈下降趋势，表层浮游藻类较多。2．阿哈湖、百花湖和红枫湖2002年过滤水中微量金属Co、Ni、Cu、zn、M。含量的月变化各不相同；其变化是微藻和降水等多种因素综合作用的结果。降水（酸雨）腐蚀湖泊流域的碳酸盐岩，其中的微量金属元素被溶解，随河流输入湖泊，影响了微量金属元素在湖水中的含量（如三个湖中的cu，阿哈湖中的Mo）。百花湖和红枫湖的蓝藻和绿藻的生物量变化与微量金属元素C。、Cu、zn、M。的含量变化正相关，可能是因为这些微量金属元素在某些程度上限制了蓝藻和绿藻的生长；阿哈湖的硅藻的生物量变化与微量金属元素的含量变化负相关，可能是由于硅藻对它们的富集造成了两者之间的负相关关系。浮游藻类通过吸附、吸收和富集溶解态微量金属元素，影响其在垂直方向的分布。溶解态微量金属元素在垂直方向的分布趋势并不完全相同，其垂直分布特征是本身的浓度大小、浮游藻类和湖底微生物等诸多因素共同作用的结果。3．微藻对微量金属元素生物吸附的平衡时间因对微藻处理方式的不同而不同。单离子体系和多离子体系中衣藻对同一微量金属的吸附情况不同，多离子体系中微量金属元素对吸附作用位点的相互竞争造成了这种差异。多离子体系中，死藻细胞对Cd、zn、cu、Co、Mn的吸附量的大小顺序与它们的原子量的大小顺序一致，这可能是在各种微量金属元素的相互竞争中，死的藻细胞优先选择原子量大的金属；活藻细胞对Cd、Fe、C。、Zn（Ni）的吸附量的大小顺序与它们的离子密度的大小顺序正好相反，这可能是由于活的藻细胞的生物调节作用使其优先选择离子密度小的金属。4．在单离子体系和多离子体系中，不论是活的藻细胞还是死的藻细胞，小球藻对各种微量金属的吸附量大于或相当于衣藻的吸附量；小球藻和衣藻对各种微量金属的吸附量一般随金属浓度的升高而增大。在单离子体系中，衣藻和小球藻对每种微量金属的生物吸收速度随浓度的变化趋势相似，一般是随金属浓度升高吸收速度先增加后减小，但增加和减小分界线处吸收速度对应的金属浓度大小各不相同；小球藻和衣藻对Mn、Fe、C。、Cu、zn（藻必需的微量金属营养元素）的吸收速度大于对Ni、Cd的吸收速度；这主要是因为同一藻类维持新陈代谢所需各种金属的量不同，对不同微量金属毒害的承受程度（生物调节能力）也不同；不同藻类对同一微量金属的需求量和毒害的承受程度也不相同。在单离子体系小球藻和衣藻对各种微量金属的吸附和吸收中，随着浓度的增加，吸收过程比吸附过程更快的达到饱和状态。5．各种微量金属对小球藻和衣藻生长的影响情况因金属种类和藻的种类的不同而不同。Cd·Cu、Ni、zn对小球藻和衣藻生长的毒害较大，而且对衣藻的影响比小球藻的影响大·随各种微量金属浓度的增加，小球藻和衣藻生长速度的变化趋势一般表现为先增大后减小，和它们对各种微量金属的吸收速度的变化趋势一致：可见吸收到藻细胞体内的微量金属的量和它们对细胞生长的影响有密切．的关系，藻细胞的生物调节在这个变化趋势中起了重要的作用。6．阿哈湖和红枫湖微藻碳酸醉酶胞外酶活性明显高于衣藻的CA。活性，主要是因为c入的活性与环境中HcO3一的浓度有关。cd、zn、cu和Pb对微藻c人的活性的抑制效应因金属浓度的不同而不同，而且抑制作用因微藻种类的不同而不同。微量金属元素对CA活性的影响主要通过三个途径：①．直接与CA这一含zn蛋白酶作用；②．间接影响藻细胞内CAe的新陈代谢：③．直接改变cA。的生物活性（例如Pb）。低浓度的Fe、Mn、Co 、Ni和cd刺激了衣藻碳酸配酶胞外酶（cAe）的活性，高浓度的各种金属抑制cAe的活性；cu和zn对衣藻cAe的抑制作用比其它金属离子的强。衣藻对Fe和Mn影响CAe的生物调节作用明显，其次是Co和Ni。7．微藻是影响高原湖泊微量金属元素地球化学行为的重要因素，影响情况因微藻种类而有所差异。微藻能强烈地改变环境中微量金属元素的含量，微量金属元素含量的变化也影响了微藻的生理生化功能。微藻和微量金属的相互作用因微藻和金属种类的不同而不同；这种种类差异性是造成微量金属元素生物地球化学行为复杂性的主要原因之一。