The diel rhythms in the phosphate $(P_i)$ uptake rates for 3 species of green algae were examined in a P-limited cyclostat under a 12:12 h light/dark (L/D) cycle. For Ankistrodesmus convolutus and Chlorella vulgaris, the $P_i$ uptake rates based on the cell number increased during the daytime and decreased at night. In contrast, Chlamydomonas sp. exhibited the opposite uptake pattern. The cell densities also oscillated under a L/D cycle, dividing at a species-specific timing rather than continually dividing. In general, the cell densities exhibited an inverse relationship with the $P_i$ uptake rates. There were no allelopathic effects between species except for Chlamydomonas sp. on A. convolutus, reducing its growth about 30%. A competition experiment between A. convolutus and C. vulgaris in a P-limited cyclostat resulted in the dominance of C. vulgaris, regardless of the relative initial cell densities. C. vulgaris also dominated in a mixed culture with Chlamydomonas sp., irrespective of the initial seeding ratio and dilution rate. However, Chlamydomonas sp. and A. convolutus coexisted in the competition experiment with gradual decrease of Chlamydomonas sp., when equally inoculated. Mathematical expressions of the oscillations in the $P_i$ uptake rate were used to develop two types of competition models. The first model was based on Lotka-Volterra model and competition coefficients were calculated from the oscillation equations of $P_i$ uptake rates. The experimental results conformed to the model predictions. The second simulation model was based on Droop model, modified to reflect the effects of diel rhythms in $P_i$ uptake rates and cell division gates. The simulation results for each of the single species conformed reasonably well to the experimental data. The results of the competition experiments also matched the predictions of competition simulation, although the experimental competition processes were generally more delayed than the competition simulations. However, the simulation model based on Droop equation was superior to the Lotka-Volterra model, because it provided detailed explanation for underlying mechanisms of competition and more flexibly applicable to various environmental conditions. Both models that incorporated the effect of rhythmic nutrient uptake theoretically demonstrated that species diversity could be enhanced by different oscillation patterns in resource uptake, even under conditions of limitation by the same resource.
담수계에 흔히 분포하는 미세조류 중에서 3 종의 녹조류를 대상으로12 시간/12 시간 명암 주기 광조건하에서 인(phosphorus) 제한 cyclostat으로 배양하면서 인흡수율의 일주기 리듬 및 이에 따른 종간경쟁 관계를 실험적, 이론적으로 조사하였다. Ankistrodesmus convolutus와 Chlorella vulgaris의 인흡수율은 명주기에 증가하고 암주기에 감소하였으나, Chlamydomonas sp.는 이들과 반대의 경향을 보였다. 세포밀도도 종에 따라 특이적인 일주기 리듬을 나타내었는데, 대체적으로 인흡수율과는 반대양상을 보였다. 조류의 생장 중에 누출(leakage)되는 화합물이 다른 종의 생장에 미치는 영향을 조사한 결과, Chlamydomonas sp.가 A. convolutus의 생장을 30%정도 감소시키는 것 외에 조사된 조류의 종간 타감작용(allelopathy)은 없는 것으로 판단되었다. 경쟁실험에서는 C. vulgaris가 다른 2 종에 우세하였으며, A. convolutus가 Chlamydomonas sp.에 약한 우세를 나타내었다. 인흡수율의 일주기성 차이가 조류 종의 종간경쟁에 미치는 영향을 평가하기 위하여 2 가지 경쟁모델을 개발하였다. 첫번째 모델은 Lotka-Volterra 모델에 기반한 것으로, 인흡수율의 주기성으로부터 경쟁계수(competition coefficient)를 계산하여 경쟁결과를 예측할 수 있었다. 이 모델은 계산이 간편하다는 장점은 있으나, 경쟁의 상세한 기작에 대한 설명을 제시하지 못 하였으며, 다양한 조건에 적용하기 어렵다는 단점이 있었다. 두 번째 모델은 Droop 모델을 기본으로 인흡수율의 주기성과 세포분열의 주기성을 고려하여 개발하였다. 이 모델은 많은 실험결과와 복잡한 계산과정을 거쳐야 하는 단점이 있으나, 경쟁이 이루어지는 과정을 쉽게 알 수 있고, 다양한 조건에 적용할 수 있다는 장점이 있었다. 개발된 2 가지 경쟁모델에 의한 예측결과는 연속배양에 의한 실험적 결과와 매우 유사하였다. 결론적으로, 본 연구는 서로 다른 조류 종이 한 기질에 대해 제한을 받는 경우에도 기질흡수에 대한 일주기성의 차이에 의해 공존이 가능하다는 것과 기질흡수의 일주기성의 차이가 종다양성을 증가시키는 데 일조하고 있다는 것을 실험적, 이론적으로 입증하였다.
