銅脅迫對(duì)銅綠微囊藻葉綠素?zé)晒獾挠绊?/h1>

2015-03-18 12:22:06鄧春暖夏春英徐麗瓊

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)訂閱 2015年32期 收藏

關(guān)鍵詞：光化學(xué)微囊藻類

游 波，鄧春暖*，夏春英，徐麗瓊

(1．云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，云南昆明650500;2．山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東兗州272100)

隨著人類社會(huì)的發(fā)展，不少環(huán)境問(wèn)題日益凸顯出來(lái)。據(jù)了解，近十多年來(lái)，水體富營(yíng)養(yǎng)化已成為一個(gè)全球性關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題。美國(guó)、德國(guó)、澳大利大、日本、臺(tái)灣等二十多個(gè)國(guó)家和地區(qū)都曾對(duì)其境內(nèi)的水庫(kù)、淡水湖泊等飲用水源地中的水華現(xiàn)象進(jìn)行過(guò)報(bào)道［1］。水源地的富營(yíng)養(yǎng)化也是我國(guó)亟待解決的問(wèn)題。近年來(lái)，水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題日益嚴(yán)重。富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中形成的水華對(duì)城市供水安全構(gòu)成直接的威脅。我國(guó)成為世界上藍(lán)藻水華最嚴(yán)重、分布最廣泛的國(guó)家之一。理論上，防治水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題的根本方法是削減外源性營(yíng)養(yǎng)鹽，但對(duì)于已處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)的水體而言，在藻類異常增殖時(shí)采取應(yīng)急性工程措施最為關(guān)鍵，使其在短期內(nèi)得到有效控制，提高處理水源地富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題的效率［2］。微囊藻屬又名多胞藻屬。目前，世界上擁有25種，中國(guó)擁有18種，大部分種類呈現(xiàn)世界性分布，多生長(zhǎng)于淡水水體中。當(dāng)微囊藻藻種大量繁殖時(shí)，常在水面上形成一種綠色的粉末狀團(tuán)塊，被稱為水華。微囊藻的生長(zhǎng)速度極快，并且大量釋放毒素，對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)的健康、水體的正常功能構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。微囊藻也是引起藍(lán)藻水華的最常見藻類之一。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者研究了水體富營(yíng)化問(wèn)題的應(yīng)對(duì)措施，并且取得一定的成果。利用硫酸銅治理赤潮和水華是一種最常使用的方法。銅作為水體藻類的微量元素之一，其濃度的高低會(huì)對(duì)藻類生長(zhǎng)存在一定的影響。有關(guān)研究表明，高濃度的銅離子對(duì)微囊藻藻細(xì)胞的某些結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)狀態(tài)呈現(xiàn)顯著的影響［3］。有研究表明，Cu2+能夠抑制光合電子傳遞，使得光合作用CO2的固定受到阻礙;高濃度重金屬離子可能主要通過(guò)影響藍(lán)藻藻膽蛋白來(lái)抑制藻膽體的電子傳遞;銅綠微囊藻的生長(zhǎng)對(duì)銅較敏感;銅綠微囊藻光合量子產(chǎn)額(Yield)、最大光化學(xué)效率(FV/FM)等熒光參數(shù)在重金屬離子處理下出現(xiàn)較明顯的變化趨勢(shì)［4］。鄧春暖等［5］研究表明，在高鈣與銅同時(shí)處理的條件下，高鈣使得銅離子對(duì)微囊藻生長(zhǎng)的毒性加劇，表現(xiàn)為銅與高鈣同時(shí)處理可降低最大光化學(xué)效率，顯著抑制微囊藻細(xì)胞生長(zhǎng)，同時(shí)降低光合電子傳遞速率等，增強(qiáng)銅對(duì)微囊藻PSⅡ的毒害。通過(guò)對(duì)各種熒光參數(shù)的分析，筆者研究了微囊藻受不同濃度Cu2+脅迫時(shí)的生長(zhǎng)情況，以了解不同濃度銅離子對(duì)銅綠微囊藻的毒害作用。

1 材料與方法

1．1 試驗(yàn)材料 試驗(yàn)藻種為銅綠微囊藻，購(gòu)自中國(guó)科學(xué)院水生生物所淡水藻種庫(kù)。選用CuSO4·5H2O化學(xué)試劑進(jìn)行銅離子脅迫，利用葉綠素?zé)晒鈨x(FL3500，PSI，捷克)、紫外可見分光光度計(jì)(UV2800，上海Unico公司)等進(jìn)行測(cè)試。

1．2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 用BG-11培養(yǎng)基培養(yǎng)微囊藻。在培養(yǎng)期間，溫度為25℃，光照強(qiáng)度為30μmol/(m2·s)。將微囊藻培養(yǎng)到指數(shù)生長(zhǎng)期，備用。每天取適量藻液，用紫外可見光光度計(jì)測(cè)定OD680值。

將CuSO4·5H2O溶解于去離子水中，配制不同濃度的CuSO4溶液。待藻達(dá)到指數(shù)生長(zhǎng)期時(shí)，分別將20 ml藻液移入三角瓶中進(jìn)行Cu2+處理。在藻液中計(jì)入不同濃度的Cu2+溶液，獲得一系列添加不同銅離子濃度(0、0．010、0．050、0．075、0．100 mg/L)的藻液。每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)。以沒(méi)有額外加入Cu2+的樣品作為對(duì)照組。

1．3 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定 葉綠素?zé)晒鈪?shù)是一組用于描述植物光合生理狀況和光合作用機(jī)理的變量或常數(shù)，反映植物的“內(nèi)在性”的特點(diǎn)，被稱為研究植物光合作用與環(huán)境關(guān)系的內(nèi)在探針。研究中，測(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù)尤為重要。用葉綠素?zé)晒鈨x(FL3500，PSI，捷克)進(jìn)行快速上升熒光測(cè)量，測(cè)定F0(初始熒光，也稱基礎(chǔ)熒光，是光系統(tǒng)II反應(yīng)中心處于完全開放時(shí)的熒光產(chǎn)量)、FM(最大熒光產(chǎn)量，即PS II反應(yīng)中心處于完全關(guān)閉時(shí)的熒光產(chǎn)量)、FV(可變熒光強(qiáng)度)、FV/FM(最大光化學(xué)效率，反映PSⅡ反應(yīng)中心內(nèi)光能轉(zhuǎn)換效率)、FV/F0(PSII的潛在活性)等熒光參數(shù)。在銅脅迫處理24 h后，測(cè)定其快速上升熒光曲線。在測(cè)定前，將各個(gè)微囊藻處理樣品進(jìn)行10 min暗適應(yīng)。

1．4 數(shù)據(jù)處理分析 利用測(cè)得的葉綠素?zé)晒馇€，分析以下熒光參數(shù)，其含義見表 1［5］。

表1 快速葉綠素?zé)晒馇€JIP分析中使用的參數(shù)和公式

2 結(jié)果與分析

2．1 Cu2+處理對(duì)微囊藻FV/FM的影響 FV/FM為最大光化學(xué)效率，是重要的葉綠素?zé)晒鈪?shù)之一。研究FV/FM的變化差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果具有重要意義。

由圖1可知，與控制組相比，4個(gè)試驗(yàn)組差異性均達(dá)到0．05顯著水平。隨著Cu2+濃度的增加，微囊藻的FV/FM受到的抑制程度增強(qiáng)。當(dāng)加入0．01 mg/L濃度的Cu2+時(shí)，與控制組相比，受到4．9%的抑制;當(dāng)加入0．05 mg/L濃度的Cu2+時(shí)，與控制組相比，受到8．4%的抑制;當(dāng)加入0．075 mg/L濃度的Cu2+時(shí)，與控制組相比，受到15．4%的抑制;當(dāng)加入0．1 mg/L濃度的Cu2+時(shí)，與控制組相比，受到17．6%的抑制。這些數(shù)據(jù)均表明，隨著微囊藻溶液中銅離子濃度的增加，F(xiàn)V/FM不斷減小，受到的抑制作用逐漸增強(qiáng)。

2．2 Cu2+處理對(duì)微囊藻能量分配比率的影響 為進(jìn)一步了解不同濃度銅離子處理對(duì)微囊藻PSII的影響，試驗(yàn)中還需要對(duì)葉綠素?zé)晒膺M(jìn)行進(jìn)一步的分析。由表2可知，在銅處理下，φD0呈現(xiàn)不同程度的上升，隨著微囊藻藻液中所加入Cu2+濃度的上升，φD0也逐漸上升，而ΨO和φp0則出現(xiàn)不同程度的下降。φE0反映反應(yīng)中心吸收的光能用于電子傳遞的量子產(chǎn)額，即反應(yīng)中心吸收的光能將電子傳遞到電子傳遞鏈中QA下游的其他電子受體的概率。由此可知，銅脅迫對(duì)φE0沒(méi)有顯著的影響。

表2 微囊藻在加入不同濃度Cu2+處理后24 h能量分配指標(biāo)的變化

2．3 Cu2+處理對(duì)微囊藻反應(yīng)中心比活性參數(shù)的影響 ABS/RC是單位反應(yīng)中心吸收的光能。從表3可以看出，在Cu2+處理下ABS/RC亦呈現(xiàn)不同程度的上升。與此相似的是DI0/RC，即單位有活性的反應(yīng)中心耗散的光能，隨著Cu2+濃度的增加呈不同程度的增長(zhǎng)，而ET0/RC在前3組試驗(yàn)中逐漸減弱，說(shuō)明銅脅迫對(duì)單位反應(yīng)中心的電子傳遞有抑制作用。由此可知，銅脅迫下TR0/RC則沒(méi)有顯著的變化。

表3 微囊藻在加入不同濃度Cu2+處理后24 h反應(yīng)中心比活性參數(shù)的變化

3 結(jié)論與討論

銅是藻類生長(zhǎng)所必須的元素，在植物的新陳代謝中承載著不可替代的作用。作為藻類光合作用和呼吸作用中多種酶的輔助因子，低濃度的銅離子能夠提高酶的表達(dá)量，促進(jìn)藻類光合作用和細(xì)胞的增長(zhǎng)繁殖［3］，但高濃度的銅離子則可能抑制部分酶的活性，阻礙藻類光合作用，從而抑制藻類的增長(zhǎng)。以往研究表明，高濃度的Cu2+會(huì)產(chǎn)生致毒作用，如抑制鈍頂螺旋藻類生長(zhǎng)和光合作用，其原生質(zhì)膜的通透性會(huì)被改變，并且使K+從細(xì)胞中喪失［6］。也有研究表明，Cu2+對(duì)微囊藻的毒性效應(yīng)表現(xiàn)在對(duì)葉綠素含量的持久抑制效應(yīng)，Cu2+對(duì)微囊藻葉綠素的合成也存在不可逆的破壞作用，并且Cu2+可能抑制部分酶的活性，使得葉綠體結(jié)構(gòu)和功能受到損害，干擾其對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收和轉(zhuǎn)移［6］。

葉綠素?zé)晒馐沁M(jìn)行光合作用的重要指標(biāo)。要得到有關(guān)光能利用途徑的信息，對(duì)各種葉綠素?zé)晒鈪?shù)的分析是必不可少的。植物的生長(zhǎng)離不開光合作用。葉綠素含量會(huì)直接影響植物光合能力的強(qiáng)弱程度。有研究表明，Cu2+與葉綠素形成配位化合物，高濃度Cu2+會(huì)傷害到葉綠素，降低其含量，因此過(guò)量的Cu2+不利于葉綠素的形成和穩(wěn)定［7］。還有研究表明，Cu、Hg、Ni、Zn等重金屬離子能引起葉綠素酶活性的變化，使得葉綠素降解加快。此外，這些重金屬離子可以代替葉綠素的中心鎂原子，導(dǎo)致光合作用受到破壞［8－9］。有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明，在高濃度金屬脅迫下，斜生柵藻的光合量子產(chǎn)額、最大光化學(xué)效率等熒光參數(shù)均顯著降低，而且隨著重金屬離子濃度的增加和脅迫時(shí)間的加長(zhǎng)，上述參數(shù)的降幅越大［4］。上述的相關(guān)試驗(yàn)中采用的藻種為斜生柵藻，采用銅、鋅、錳3種重金屬離子分別與之發(fā)生脅迫作用，發(fā)現(xiàn)隨著重金屬離子濃度的增加，斜生柵藻的最大光化學(xué)效率受到的抑制作用增強(qiáng)。研究中，雖然采用的藻種不同，但是隨著銅離子濃度的增加，銅綠微囊藻藻液的最大光化學(xué)效率呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì)。

在高濃度銅離子與微囊藻藻細(xì)胞結(jié)合以后會(huì)與藻細(xì)胞發(fā)生相互作用，導(dǎo)致葉綠體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不同程度的破壞。前人研究表明，高濃度重金屬銅離子與藻細(xì)胞的相互作用會(huì)引起膜蛋白空間結(jié)構(gòu)和膜脂流動(dòng)性的改變，并且解離膜蛋白復(fù)合物，從而對(duì)藻類的光合作用和能量傳遞造成影響，抑制蛋白質(zhì)、核酸等物質(zhì)的有效合成，進(jìn)而使細(xì)胞正常的新陳代謝發(fā)生紊亂，其主要表現(xiàn)為藻體的電子傳遞速率、細(xì)胞密度、光和效率和葉綠素含量等呈顯著下降［9－11］。夏建榮等［12］研究表明，銅脅迫會(huì)使以單位反應(yīng)中心為單位的天線色素吸收的能量和用于熱耗散的能量增加，電子傳遞的量子產(chǎn)額和捕獲的激子能電子傳遞的效率明顯下降。還有研究表明，在銅與高鈣同時(shí)處理下，微囊藻生長(zhǎng)所受的毒性加劇，致使微囊藻藻細(xì)胞的生長(zhǎng)速度和PSII光化學(xué)效率、電子傳遞速率等均受到不同程度的抑制，增強(qiáng)重金屬銅離子對(duì)微囊藻PSII的毒害作用［5］。研究中，銅脅迫作用除了對(duì)最大光化學(xué)效率、用來(lái)推動(dòng)QA還原激子的比率、光合電子傳遞能力產(chǎn)生顯著影響之外，也對(duì)用于熱耗散的量子比率、單位有活性的反應(yīng)中心耗散的光能、單位反應(yīng)中心吸收的光能等也產(chǎn)生影響，具體表現(xiàn)為Cu2+濃度的增加降低了最大光化學(xué)效率、用來(lái)推動(dòng)QA還原激子的比率、光合電子傳遞能力，表明在重金屬銅離子的脅迫下微囊藻藻細(xì)胞的空間結(jié)構(gòu)遭到破壞，使得藻細(xì)胞的生長(zhǎng)速度受到抑制。而熱耗散量子比率、單位反應(yīng)中心耗散的能量、單位反應(yīng)中心吸收的光能等熒光參數(shù)均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，在一定程度上減少銅脅迫對(duì)光系統(tǒng)II的損害。該研究結(jié)果進(jìn)一步證明銅脅迫下微囊藻的各種葉綠素?zé)晒鈪?shù)發(fā)生變化，藻細(xì)胞的生長(zhǎng)受到抑制。

總之，銅脅迫對(duì)微囊藻藻細(xì)胞的生長(zhǎng)具有抑制作用。隨著Cu2+濃度的增加，最大光化學(xué)效率、用來(lái)推動(dòng)QA還原激子的比率、光合電子傳遞能力有所降低，表明在重金屬銅離子的脅迫下銅綠微囊藻藻細(xì)胞的生長(zhǎng)速度受到抑制。而熱耗散量子比率、單位反應(yīng)中心耗散的能量、單位反應(yīng)中心吸收的光能則呈上升趨勢(shì)，減少了銅脅迫對(duì)光系統(tǒng)II的損害。因此，在實(shí)際運(yùn)用領(lǐng)域中，該研究結(jié)論可以作為解決水體富營(yíng)養(yǎng)化中藍(lán)藻水華問(wèn)題的參考，如設(shè)置相適宜濃度的Cu2+來(lái)抑制藻類的生長(zhǎng)等。

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