海洋微藻響應(yīng)重金屬復(fù)合脅迫的生理生態(tài)學(xué)機制

蔡卓平, 吳皓 劉偉杰 刁盼盼 駱育敏 段舜山

1. 廣東省生態(tài)學(xué)會, 廣州 510600 2. 暨南大學(xué)水生生物研究中心, 廣州 510632

海洋微藻響應(yīng)重金屬復(fù)合脅迫的生理生態(tài)學(xué)機制

蔡卓平1,2,*, 吳皓1,2, 劉偉杰1,2, 刁盼盼1,2, 駱育敏1,2, 段舜山1,2,*

1. 廣東省生態(tài)學(xué)會, 廣州 510600 2. 暨南大學(xué)水生生物研究中心, 廣州 510632

重金屬污染物進入海洋環(huán)境會破壞海洋生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。海洋微藻構(gòu)成了海洋食物鏈的基礎(chǔ), 是海洋生態(tài)系統(tǒng)主要的初級生產(chǎn)者。重金屬復(fù)合脅迫對海洋微藻產(chǎn)生毒性效應(yīng), 會阻礙藻細胞分裂、破壞DNA結(jié)構(gòu)、抑制光合作用、減少細胞色素合成、導(dǎo)致藻細胞畸變以及改變浮游植物種類組成等。海洋微藻在長期種系進化或個體發(fā)育過程中, 形成了一系列響應(yīng)重金屬復(fù)合脅迫的特殊生理生態(tài)機制。它們可以利用由酶類和非酶類組成的抗逆保護系統(tǒng), 減輕重金屬復(fù)合脅迫導(dǎo)致的生物毒害作用; 還可以通過調(diào)節(jié)金屬硫蛋白(Metallothionein, MT)等相關(guān)蛋白基因表達以維持正常的生理功能。探究海洋微藻響應(yīng)重金屬復(fù)合脅迫的生理生態(tài)學(xué)機制, 有利于為海洋重金屬污染的生物修復(fù)提供依據(jù), 具有重要的理論與現(xiàn)實意義。

海洋微藻; 重金屬; 復(fù)合脅迫; 生理生態(tài)學(xué)機制

1 前言

海洋環(huán)境中濃度較高且生物毒性顯著的重金屬元素包括鎘(Cd)、鉛(Pb)、銅(Cu)、鋅(Zn)、汞(Hg)、鉻(Cr)等, 它們通常具有環(huán)境殘留時間長、難以降解、并可沿著食物鏈傳遞富集、危害不可逆性等特點[1]。它們在海洋中累積到一定限度就會對海洋生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生嚴(yán)重的危害, 并可通過食物鏈直接或間接影響到人類健康[2]。重金屬對人體產(chǎn)生巨大的危害, 典型的例子是由于汞污染而引起的“水俁病”以及由鎘污染引起的“神經(jīng)骨痛”事件。其中“神經(jīng)骨痛”病就是因人體攝入鎘后, 骨骼弱化甚至骨折, 疼痛難忍而得名[3-4]。重金屬 Pb能導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)損壞, 也能引起腎臟、肝臟和大腦功能的衰竭; Cr通過食物鏈積累而影響人體生理功能,甚至導(dǎo)致一系列皮膚問題或肺癌。重金屬Cd也被認(rèn)為是 IA級致癌物, 對人類產(chǎn)生“三致性”危害(致癌、致畸、致突變)[5]。重金屬的污染往往是復(fù)合存在, 單一重金屬污染的狀況比較少見[6]。作為海洋生態(tài)系統(tǒng)主要的初級生產(chǎn)者, 海洋微藻響應(yīng)重金屬復(fù)合污染脅迫的生理生態(tài)特征對重金屬的累積和遷移都起到關(guān)鍵的作用。研究表明海洋微藻的酶類和非酶類物質(zhì)可以一定程度上調(diào)節(jié)重金屬復(fù)合脅迫的毒害效應(yīng)。金屬硫蛋白是一種廣泛存在于動物、植物以及微生物體內(nèi)的低分子量、富含半胱氨酸的蛋白質(zhì), 可對非必需重金屬(如鎘和鉛)進行脫毒[7]。認(rèn)識海洋微藻對重金屬復(fù)合脅迫的解毒機制, 有利于豐富海洋微藻的抗逆分子生態(tài)學(xué)理論, 同時也有利于海洋重金屬污染的生物修復(fù)研究工作。

2 海洋環(huán)境的重金屬復(fù)合污染

各種重金屬污染物從排放源排出進入環(huán)境水體后, 難以被水體自身凈化, 不斷發(fā)生沉降作用而進入沉積物中, 使得海洋沉積物成為重金屬的主要蓄集庫。水—沉積物界面是水相和沉積物相之間的轉(zhuǎn)換區(qū), 也是水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。沉積物中的各種重金屬元素在一定條件下可重新釋放并進入上覆水, 對海洋環(huán)境造成二次污染。海洋沉積物中的重金屬含量也能間接地反映出該區(qū)域的環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀[8]。通過對南黃海海域表層沉積物中的重金屬含量進行測定, 分析重金屬元素的分布特征, 采用地累積指數(shù)法和生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法評價沉積物中重金屬的污染水平及其對環(huán)境的潛在生態(tài)危害程度,發(fā)現(xiàn) Cu、Pb、Cd、Zn、Hg、As 的平均含量分別為17.1×10-6、19.6×10-6、0.092×10-6、77.3×10-6、0.021×10-6、6.97×10-6，空間分布特征整體表現(xiàn)為重金屬高值區(qū)主要分布在南黃海中部及偏東北部區(qū)域[9]。測定湛江港表層沉積物和海洋生物中Hg、Cu、Zn、Pb、Cd 等5種重金屬元素的含量, 分析評價沉積物和海洋生物中重金屬的含量分布及富集特征，結(jié)果表明, 除 Cd 外, 其他重金屬元素在沉積物中的含量均高于其在海洋生物體中的含量; 湛江港海域 Cu、Zn、Cd在生物體內(nèi)積累較嚴(yán)重[10]。分析2005—2015 年其中 4 年東碇臨時海洋傾倒區(qū)及鄰近海域表層沉積物中Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As 等6種重金屬的含量及時空分布特征, 并采用潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)對重金屬污染現(xiàn)狀及潛在生態(tài)風(fēng)險進行評價，結(jié)果表明Cd、Cu 的空間分布不均勻, 其余4 種重金屬指標(biāo)空間分布差異不大, 在表層沉積物中, As、Pb、Zn 富集程度相對較高, 而Cu、Hg、Cd 較低, 其中 As、Pb 和 Hg 為主要潛在生態(tài)風(fēng)險因子[11]。

3 海洋微藻對重金屬的生物吸附降解

海洋微藻吸附金屬的作用方式根據(jù)是否需要能量可分為被動作用方式和主動作用方式。前者主要是指通過物理、化學(xué)作用來吸附金屬的方式, 即金屬離子通過絡(luò)合、螯合、離子交換、物理吸附、氧化還原及微沉淀等作用結(jié)合至藻細胞表面, 其作用特點是吸附速度快、時間短、可逆、不依賴于細胞的能量代謝; 后者則是有代謝活性的細胞完成金屬轉(zhuǎn)移或細胞與金屬之間的反應(yīng), 即金屬離子主要是依賴擴散作用進行胞內(nèi)運輸, 此過程常伴隨有能量的消耗, 其特點是吸附速度慢, 作用持續(xù)時間長,一般是不可逆過程, 并可能被能量代謝抑制劑所抑制。許多學(xué)者認(rèn)為微藻吸附金屬的作用主要是前一種方式, 即被動作用方式。藻類對于重金屬離子的吸附性能主要由其細胞壁的結(jié)構(gòu)和組成決定。海洋微藻的細胞壁主要由多聚糖、蛋白質(zhì)和脂類組成,帶有一定的負(fù)電荷, 且具有較大的表面積和粘性。這些組分含有大量可以同金屬離子結(jié)合的基團, 有些基團可以靠靜電引力吸附金屬離子, 有的帶有孤對電子, 可以和金屬離子形成配位鍵而絡(luò)合吸附金屬, 有的基團表面吸附的離子可以與金屬離子發(fā)生離子交換作用。細胞膜是具有高度選擇性的半透過性膜, 這些特點也決定了海洋微藻可以富集許多離子[12]。

一般來說, 微藻吸附重金屬過程主要涉及到以下幾種機理。第一種是表面絡(luò)合機理: 微藻置于金屬溶液中時, 首先與金屬離子接觸的是細胞壁, 因此細胞壁的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)決定著金屬離子與它的相互作用特性。微藻細胞壁官能團所含的N、O、P、S 等原子可以提供孤對電子與金屬離子配位, 通過絡(luò)合作用吸附金屬離子, 絡(luò)合的方式可以是離子鍵或共價鍵。第二種是離子交換機理: 金屬離子除了能與藻細胞壁上的負(fù)電性官能團絡(luò)合而被吸附外,還能以離子交換的形式被吸附。此指的離子交換是藻細胞物質(zhì)結(jié)合的金屬離子被另一些結(jié)合能力更強的金屬離子替代的過程。第三種是氧化還原機理:變價金屬離子在具有還原能力的生物體上吸附, 有可能發(fā)生氧化還原反應(yīng)。一般來說, 氧化還原反應(yīng)需要有代謝活性的細胞參與, 但也有研究報道, 非活細胞也能吸附金屬離子并將其還原為元素態(tài)。第四種是無機微沉淀機理: 無機微沉淀是易水解金屬常見的吸附機理之一。易水解而形成聚合水解產(chǎn)物的金屬離子在細胞表面易形成無機沉淀物, 它們以磷鹽、硫酸鹽、碳酸鹽或氫氧化物等形式通過晶核作用在細胞壁上或細胞內(nèi)沉淀下來[13]。

4 海洋微藻應(yīng)對重金屬毒害的保護物質(zhì)

海洋微藻在長期種系進化或個體發(fā)育過程中形成了一系列耐受環(huán)境重金屬復(fù)合脅迫的特殊生理響應(yīng)體系。海洋微藻體內(nèi)存在著一個由酶類和非酶類組成的抗逆保護系統(tǒng), 以防御環(huán)境脅迫帶來的傷害。主要酶類物質(zhì)包括超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶、谷胱甘肽過氧化物酶等; 非酶類物質(zhì)包括還原型谷胱甘肽、還原型抗壞血酸等。海洋微藻受到重金屬復(fù)合脅迫時, 體內(nèi)會產(chǎn)生過多的活性氧物質(zhì), 使得活性氧的產(chǎn)生與清除處于一種非平衡狀態(tài), 此時海洋微藻體內(nèi)的抗氧化系統(tǒng)就可能增強，以清除多余的活性氧, 從而減輕由活性氧積累產(chǎn)生的氧化傷害[14]。在重金屬復(fù)合脅迫下, 海洋微藻還可能通過調(diào)節(jié)金屬硫蛋白(Metallothionein,MT)等相關(guān)蛋白基因表達以維持其正常的生理功能[15]。

金屬硫蛋白是一種富含半胱氨酸、熱穩(wěn)定性、可誘導(dǎo)型非酶低分子量金屬結(jié)合蛋白。研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)生物體內(nèi)的金屬硫蛋白分子結(jié)構(gòu)是由兩個大小相近的結(jié)構(gòu)域構(gòu)成啞鈴型, 兩個結(jié)構(gòu)域通過賴氨酸殘基相連。金屬硫蛋白鉸鏈區(qū)的存在使得兩個結(jié)構(gòu)域具有較大的柔性和可變性, 為調(diào)節(jié)生物體內(nèi)重金屬離子代謝提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。金屬硫蛋白在必需金屬元素的調(diào)節(jié)和非必需金屬元素的解毒等方面具有重要的作用, 其—SH能強烈螯合有毒的游離金屬離子, 減弱重金屬離子毒性, 并可將之排出體外, 從而實現(xiàn)解毒功能[16]。近年, 金屬硫蛋白作為監(jiān)測水環(huán)境重金屬污染的一個重要標(biāo)志物, 已經(jīng)得到廣泛關(guān)注。隨著分子生物學(xué)等技術(shù)手段在海洋環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用, 不同生物的金屬硫蛋白基因序列被相繼克隆, 這為從基因表達水平上反映海洋環(huán)境重金屬的污染狀況提供了可靠技術(shù)手段[7].

5 展望

在自然環(huán)境中, 重金屬之間以及它們與其他污染物之間會聯(lián)合作用而構(gòu)成復(fù)合污染, 因此重金屬污染常呈現(xiàn)復(fù)合性和多樣性[17]。重金屬之間的相互作用通常分為拮抗、加和或協(xié)同作用, 當(dāng)多種重金屬共同暴露于生物體時, 其作用效應(yīng)與單一重金屬暴露往往有很大的不同, 因此開展重金屬復(fù)合污染研究更能客觀體現(xiàn)環(huán)境中重金屬污染物與生物有機體之間的相互作用規(guī)律和機理[18]。此外, 不同的海洋藻類之間對重金屬脅迫也存在不同的生長響應(yīng)特征, 而重金屬對藻類生長的脅迫作用還會受到光照、溫度、營養(yǎng)鹽、pH等環(huán)境因子的直接影響或間接影響。一般情況下, 重金屬的毒性與溫度高低成正相關(guān); 水中的氧化還原電位與 pH是影響水中重金屬遷移轉(zhuǎn)化的兩個重要理化因素, 而重金屬在水中及海洋微藻內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化速率, 也一定程度決定了重金屬的生物毒性[19]。此外，由于金屬硫蛋白含大量巰基, 在空氣中極不穩(wěn)定, 在自然狀態(tài)下較難分離純化[20], 特別是在海洋微藻上的研究遠遠不足,今后有待進一步加強相關(guān)方面的研究工作。

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Physiological and ecological mechanism of marine microalgae responding to heavy metal complex stress

CAI Zhuoping1,2, WU Hao1,2, LIU Weijie1,2, DIAO Panpan1,2, LUO Yumin1,2, DUAN Shunshan1,2,*
1. Ecological Society of Guangdong Province, Guangzhou 510650, China 2. Research Center of Hydrobiology, Jinan University, Guangzhou 510632, China

heavy metals may enter the marine environment, and hence destroy the structure and function of marine ecosystem.Marine microalgae are the primary producers of marine ecosystem and constitute the basis of food chain in sea. The heavy metals are harmful to marine microalgae, which may hinder the algal cell division, destroy the DNA structure, inhibit the photosynthesis, reduce the cytochrome synthesis, cause cell distortion and even change phytoplankton species composition.During the long-term evolution or individual development of marine microalgae, a series of physiological and ecological mechanisms in response to heavy metal complex stress have been formed. They can start the protective system composed of enzymes and non enzymes to alleviate the toxic effect of heavy metals; they may also regulate the expression of metallothionein and other related protein genes in order to maintain the normal physiological function. Exploring the physiological and ecological mechanism of marine microalgae in response to heavy metal complex stress is beneficial to the bioremediation of marine heavy metal pollution, which is of both theoretical and practical significance.

marine microalgae; heavy metal; complex stress; physiological and ecological mechanism

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.03.031

X173

A

1008-8873(2017)03-216-04

蔡卓平, 吳皓, 劉偉杰, 等. 海洋微藻響應(yīng)重金屬復(fù)合脅迫的生理生態(tài)學(xué)機制[J]. 生態(tài)科學(xué), 2017, 36(3): 216-219.

CAI Zhuoping, WU Hao, LIU Weijie, et al. Physiological and ecological mechanism of marine microalgae responding to heavy metal complex stress[J]. Ecological Science, 2017, 36(3): 216-219.

2016-03-08;

2017-01-12

廣東省省級科技計劃項目(2015A070709013, 2016A070708011); 水體富營養(yǎng)化與赤潮防治廣東普通高校重點實驗室(暨南大學(xué))(KLGHEI KLB07007); 廣州市科技計劃項目(201707010481, 201609010091)

蔡卓平(1980—), 男, 博士, 主要從事生態(tài)學(xué)研究工作, E-mail: zpcai@scau.edu.cn

*通信作者:段舜山, 男, 博士, 教授, E-mail: tssduan@jnu.edu.cn