稀土元素La(Ⅲ)對銅綠微囊藻生長和生理特性的影響

盧桂蓉，王應軍，范子奇

四川農(nóng)業(yè)大學環(huán)境學院，成都 611130

銅綠微囊藻是引起我國湖泊藍藻水華的優(yōu)勢藻種之一，其大量增殖會釋放危害人體健康的藻毒素[1]，并破壞自然生態(tài)系統(tǒng)[2]。氮、磷是易限制藻類生長的元素[3]。研究發(fā)現(xiàn)，在貧營養(yǎng)湖泊中，少量的稀土能作為藍藻細胞的一種營養(yǎng)元素被利用與儲存，并對藻細胞的生長和生理活性產(chǎn)生影響，稀土的輸入是引起低營養(yǎng)水體發(fā)生“水華”現(xiàn)象的原因之一[4-5]，因此，有研究開始關(guān)注稀土元素能否取代氮、磷，進而引發(fā)貧營養(yǎng)水體向富營養(yǎng)方向發(fā)展[6]。

如今，稀土元素的優(yōu)質(zhì)功能不斷被挖掘，導致市場需求量急劇增加，稀土礦山挖采過程中產(chǎn)生的廢水會對環(huán)境造成嚴重的污染。在詹鴻峰等[7]對某地區(qū)離子型稀土礦礦山廢水的調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn)，該礦山廢水中含有較多的鑭(La)、釹、鐠和釔等稀土元素，其含量分別可達0.70、0.15、0.25和0.14 mg·L-1。而La作為稀土中含量第二豐富的元素，因其獨特的物化性質(zhì)被廣泛應用，使得大量的La從原礦區(qū)逐漸轉(zhuǎn)移至其他區(qū)域環(huán)境，以枯水期長江部分流域為例，其含量達到0.1 mg·L-1[8]，遠遠超過世界淡水中含量的平均水平，且含量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，因此，在自然水體中存在高濃度La的可能性也逐漸增加。

但是，目前關(guān)于稀土對水生植物影響的研究較少，已有實驗表明La3+能提高植物葉綠素含量、促進植物對營養(yǎng)元素的吸收、刺激幼苗的萌發(fā)生長[9]，增強植物在逆境下的抗逆性[10-11]。根據(jù)物化性質(zhì)可把稀土元素分為輕、重2種稀土。其中，杜金戈等[12]研究證明重稀土釔對缺N或P脅迫影響下的銅綠微囊藻有明顯的“Hormesis”效應[13]，而La作為一種輕稀土，在營養(yǎng)元素限制的條件下，對銅綠微囊藻是否有類似的影響機制，目前尚無清楚的認知。因此，本實驗以缺N、缺P脅迫的實驗條件模擬貧營養(yǎng)水體，測定不同濃度La3+對銅綠微囊藻生長量及抗氧化酶活性等生理指標的影響，進一步研究輕稀土元素La對貧營養(yǎng)水體發(fā)生富營養(yǎng)化現(xiàn)象的影響及作用機制，并為潛在的稀土污染風險評價及預測提供參考依據(jù)。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 受試藻種與鑭貯備液的配制1.1.1 受試藻種

本實驗所使用的藻種是銅綠微囊藻FACHB912，購自中國科學院水生生物研究所藻種庫(FACHB)，此株系從太湖中經(jīng)過分離、純化后獲得。在藻種購得后，用BG-11培養(yǎng)基進行擴培，并將培養(yǎng)的光照度設置為2 000～2 500 lx，溫度為(25±0.5) ℃，光暗比為12 h∶12 h。

1.1.2 鑭貯備液

稱取0.5888 g La2O3(AR，成都恒瑞新材料有限公司)，再加入少量的超純水以及濃鹽酸(AR)并進行加熱溶解，當鹽酸充分揮發(fā)后，轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶用超純水定容至刻度線，再移取1 mL定容后的溶液至1 000 mL容量瓶中用超純水定容，得到濃度為5 mg·L-1的La3+溶液，將貯備液經(jīng)蒸汽高壓滅菌后備用。

1.2 藻類培養(yǎng)實驗與指標測定1.2.1 藻類培養(yǎng)

當銅綠微囊藻處于對數(shù)生長期時，取一定量的藻液，經(jīng)5 000 r·min-1離心10 min后收集藻細胞，分別用不含P、不含N以及不含N、P的BG-11培養(yǎng)基洗滌4次后，重新接種到新的缺P、缺N以及同時缺N、P的BG-11培養(yǎng)基中；再取適量藻液重新接種到含有N、P元素的BG-11培養(yǎng)基中(對照組),將所有組的藻密度均調(diào)為1.2×106cells·mL-1。在無菌環(huán)境下，分別向錐形瓶中加入500 mL含藻的缺P的BG-11培養(yǎng)基、缺N的BG-11培養(yǎng)基、缺N、P的BG-11培養(yǎng)基、正常BG-11培養(yǎng)基，再分別加入0、2.5、5、12.5和25 mL La3+儲備液，使各錐形瓶中La3+濃度分別為0、0.10、0.20、0.50和1.00 mg·L-1，并分別設置3個平行。將接種后的培養(yǎng)基均置于光照培養(yǎng)箱中靜置培養(yǎng)16 d，培養(yǎng)條件與擴培條件相同。在同時缺N、P組中，銅綠微囊藻不能正常生長，后續(xù)指標均未測量。

1.2.2 藻密度測定

采用分光光度法測定銅綠微囊藻數(shù)量，每天定時取3 mL藻液，在波長為680 nm處測定其吸光度，再通過相應的標準曲線換算出培養(yǎng)液中藻細胞的濃度[14]。

1.2.3 葉綠素a含量的測定

采用丙酮萃取法[15]。在實驗的第4、8、12和16天，從培養(yǎng)基中取10 mL藻液，經(jīng)5 000 r·min-1離心10 min，棄去上清液，再加入5 mL 90%丙酮，搖勻后在溫度為4 ℃下避光萃取24 h，再經(jīng)5 000 r·min-1離心10 min，取上清液，用90%的丙酮作參照，分別在波長630、645、663和750 nm處測定其吸光度，并按以下公式計算葉綠素a含量[16]。

式中：V1為提取液體積(mL)；V2為藻液體積(mL)；ρ為藻細胞密度(cells·mL-1)；Chla為葉綠素a含量(μg·(108cells)-1)。

1.2.4 粗酶液的提取

在實驗的第4、8、12和16天取10 mL藻液，10 000 r·min-1離心10 min，收集藻細胞，加0.05 mg·L-1、pH為7.8的磷酸緩沖液1.5 mL，并于液氮內(nèi)反復凍融5次后用勻漿器研磨5 min，然后在4 ℃下40 000 r·min-1離心10 min，所得上清液即為粗酶液。

1.2.5 可溶性蛋白含量、抗氧化酶活性、丙二醛含量和可溶性糖的測定

取由實驗1.2.4所提取的粗酶液，以考馬斯亮藍法測定可溶性蛋白含量[17]，以愈創(chuàng)木酚法[18]測定過氧化物酶(POD)活性，以鉬酸銨比色法[19]測定過氧化氫酶(CAT)活性，以硫代巴比妥酸TBA比色法[20]測定丙二醛(MDA)含量，以蒽酮硫酸比色法[21]測定可溶性糖含量。以上指標均采用南京建成生物工程研究所測試盒測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

結(jié)果采用Origin2019軟件進行處理和繪圖，同時，使用SPSS 20.0軟件進行差異顯著性分析及檢驗，當P<0.05差異顯著。

2 結(jié)果與討論(Results and discussion)

2.1 La3+對銅綠微囊藻生長量的影響

由圖1可知，在對照組中，培養(yǎng)初期藻細胞處于適應階段，生長差異不明顯，第10天藻細胞進入對數(shù)生長期。藻的生長量總體高于缺N和缺P這2組，可知N、P元素的缺乏會對藻類的正常生長產(chǎn)生不利影響[22]。當La3+濃度在0～1.00 mg·L-1范圍內(nèi)，銅綠微囊藻生長量隨La3+濃度增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢，均表現(xiàn)為促進作用。在La3+濃度為0.50 mg·L-1時，La3+對銅綠微囊藻的刺激作用達到最大，藻細胞的增長幅度明顯高于不加稀土La3+的空白組(P<0.01)，在第16天達到最大生物量1.77×105cells·mL-1，比空白組(0 mg·L-1La3+)生物量增加了43.59%。

在缺P組中，藻細胞增長較為緩慢，當La3+濃度為0.10～0.20 mg·L-1時，藻細胞的生長幅度顯著高于單一缺P組(P<0.01)，且La3+濃度為0.20 mg·L-1時，促進作用達到最大，在第16天達到最大生物量6.59×106cells·mL-1，比單一缺P組增加了7.32%；隨著La3+濃度的增加(0.50～1.00 mg·L-1)，銅綠微囊藻的生長受到抑制，其藻細胞的生長幅度低于空白組(P<0.01)，且濃度越大，抑制作用越強。

在缺N組中，在La3+濃度為0 mg·L-1時，藻可以維持11 d的緩慢生長，其細胞密度最大為2.71×106cells·mL-1，而La3+濃度為0.10～1.00 mg·L-1時，藻細胞量在7 d緩慢增加后迅速減少，且藻細胞在整個培養(yǎng)期內(nèi)的生長量均低于單一缺N組，說明La3+在缺N脅迫下，對銅綠微囊藻表現(xiàn)為迫害作用。銅綠微囊藻在缺N培養(yǎng)基中細胞的生物量明顯低于缺P培養(yǎng)基中的生長，銅綠微囊藻對P缺乏的耐受能力高于對N缺乏的耐受能力(P<0.01)。銅綠微囊藻在適應期結(jié)束后未迅速進入對數(shù)生長期，而出現(xiàn)停止生長甚至下降的趨勢，因此，測定藻細胞內(nèi)各生理指標意義不大，后續(xù)分析中不考慮缺N組。

由此可見，缺乏N、P營養(yǎng)元素不利于銅綠微囊藻的生長，而適量的La能促進藻類的生長。缺P會降低銅綠微囊藻對稀土La3+濃度的耐受能力，可能是因為藻細胞對稀土的富集能力與磷元素有關(guān)。崔宜淳[23]的培養(yǎng)實驗結(jié)果表明，少量稀土元素能夠改變藻類細胞器的某些結(jié)構(gòu)及相應的功能，此外，稀土可以與某些特定的酶結(jié)合，并激活酶的活性，進而加快藻細胞的生長代謝，促進藻類生長，這一結(jié)論與呂赟等[24]對水華魚腥藻的培養(yǎng)實驗結(jié)果相似；而在高濃度稀土的培養(yǎng)下，藻類的生長會受到抑制，相關(guān)實驗研究也證明，過量的稀土元素會競爭性地結(jié)合活性中心，抑制多種與藻類生長相關(guān)酶的活性，導致藻類的生長受到抑制[25]。銅綠微囊藻對P缺乏的耐受力高于對N缺乏的耐受力，適宜濃度的稀土La3+能短時間抵抗由于缺P造成的損害，維持銅綠微囊藻的正常生長；但在缺N脅迫下，稀土La3+不能減少缺N脅迫的損害，反而與缺N共同對銅綠微囊藻的生長造成了負面影響。

2.2 La3+對Chl a含量的影響

大多數(shù)藻細胞通常需要通過光合作用才能合成維持其自身正常生命代謝活動所需要的有機物，而Chla作為一種重要的光合色素，具有吸收并轉(zhuǎn)化光能的功能，其轉(zhuǎn)換效率即光合作用效率能夠直接反映藻細胞將光能轉(zhuǎn)化為自身所需化學能的能力，是光合作用的重要指標之一[26]。因此，Chla可以作為評估植物或藻類生長狀況的一項重要指標。

如圖2所示，在對照組中，Chla含量在整個培養(yǎng)周期內(nèi)均呈現(xiàn)增加趨勢，隨著藻進入對數(shù)期，Chla增長幅度增加，且增加量隨著La3+濃度的升高呈現(xiàn)先增后減的趨勢。在La3+濃度為0.50 mg·L-1時Chla含量達到最大，在第4、8、12和16天的生長量分別比空白組藻Chla的含量提高了22.81%、45.68%、71.00%和80.95%(P<0.01)。即適宜濃度的稀土La3+能提高銅綠微囊藻的光合效率，促進葉綠素的合成。

在缺P組中，低濃度的La3+(0.10～0.20 mg·L-1)對Chla表現(xiàn)為刺激作用(P<0.01)，濃度為0.20 mgL-1時促進作用達到最大，其Chla含量在第12天為0.89 mg·L-1，比單一缺P組(0 mg·L-1La3+)中銅綠微囊藻中Chla含量提高了31.75%，而高濃度的La3+(0.50～1.00 mg·L-1)表現(xiàn)為抑制作用，在La3+濃度為1.00 mg·L-1抑制作用達到最大，第16天的Chla含量為0.57 mg·L-1，比單一缺P組降低了15.48%。在相同La3+濃度下，缺P組藻細胞內(nèi)Chla含量低于對照組，即缺P會影響藻細胞內(nèi)Chla的合成，這一結(jié)果與張杰等[9]研究La對水稻幼苗影響的實驗結(jié)果類似。本研究表明，適宜La3+濃度能夠刺激細胞內(nèi)Chla的合成從而提高光合效率，有利于銅綠微囊藻細胞合成大量有機物。已有的研究表明，適宜的稀土元素可以作為一種中間物質(zhì)與K+、Na+和Ca2+等離子發(fā)生相互作用，調(diào)節(jié)細胞對某些營養(yǎng)元素的吸收效率，進而增加細胞內(nèi)葉綠素的合成量，而高濃度La3+對細胞的活化作用低于Mg2+，使細胞內(nèi)葉綠素的合成受到較強的抑制作用[27]。

圖1 在不同生長環(huán)境下不同濃度La3+對銅綠微囊藻生長量的影響注：(a)對照組；(b)缺磷組；(c)缺氮組。Fig. 1 Effects of La3+ with different concentration on the growth of Microcystis aeruginosa under different growth environmentsNote:(a) Control group; (b) Phosphorus deficiency group; (c) Nitrogen deficiency group.

圖2 不同濃度La3+處理下對葉綠素a (Chl a)的影響注：(a)對照組；(b)缺磷組。Fig. 2 Chlorophyla (Chl a) content under different La3+ treatmentsNote: (a) Control group; (b) Phosphorus deficiency group.

2.3 La3+對可溶性糖含量的影響

可溶性糖在植物的整個生命周期中具有十分重要的作用。已有的研究表明，可溶性糖可作為植物生長發(fā)育和有關(guān)基因表達的重要調(diào)節(jié)因子之一，也是維持藻細胞正常滲透壓的重要調(diào)節(jié)物質(zhì)，能表示藻類細胞的抗逆性大小，其含量在一定的程度上能夠定性地反映藻類細胞抵御外界不良環(huán)境的能力[28]。同時，可溶性糖作為植物光合作用的主要產(chǎn)物，是儲存、積累及運輸有機物的主要形式[29]。

如圖3所示，對照組中，在整個培養(yǎng)周期內(nèi)，隨著培養(yǎng)時間的延長，不同La3+濃度處理下的藻細胞內(nèi)可溶性糖的含量均逐漸減少。在La3+濃度為0.10～0.50 mg·L-1時，可溶性糖含量低于空白組，且隨La3+濃度增加可溶性糖含量減少。在前半個周期中，當La3+濃度為1.00 mg·L-1時，可溶性糖含量明顯高于空白組(P<0.01)。在第4、12和16天中，La3+濃度為0.50 mg·L-1時，可溶性糖含量分別達到同一時間測定的最低量，分別為425.89、195.32和114.73 mg·L-1。

缺P脅迫下，La3+濃度在0.10～0.02 mg·L-1范圍內(nèi)可溶性糖含量減少，在La3+濃度為0.10 mg·L-1時，可溶性糖含量最低，其在第4、8、12和16天含量分別為554.34、421.02、305.93和224.74 mg·L-1，分別比單一缺P脅迫下的銅綠微囊藻中可溶性糖含量降低了11.91%、26.13%、33.40%和28.89%。當稀土La3+的濃度大于0.20 mg·L-1時，可溶性糖的含量隨稀土La3+濃度增加而增多。

不同濃度的稀土La3+對缺P組和對照組的藻有不同的影響機制，缺P組中藻內(nèi)可溶性糖的含量整體高于對照組，且在可溶性糖含量最低時對應的稀土La3+濃度存在差異。在輕度脅迫下，可溶性糖可作為滲透壓調(diào)節(jié)劑，維持著細胞內(nèi)滲透壓平衡[30]；有研究表明，重金屬脅迫下，細胞內(nèi)的可溶性糖會出現(xiàn)幾種不同的變化趨勢[30-33]。在本實驗中，可溶性糖的含量隨著稀土La3+濃度增加呈現(xiàn)先減后增的趨勢，這與王瓊等[30]的實驗結(jié)果一致，可知對照組中可溶性糖含量的變化趨勢主要是由于滲透壓引起。在缺P組中，低濃度的La3+可能通過改變細胞器結(jié)構(gòu)功能，促進細胞利用糖類作為能量供給來加快藻類細胞的代謝；而高濃度的La3+可能使細胞外滲透壓增大，藻細胞破滅導致可溶性糖流出，測定出的可溶性糖含量增加。同時，在高濃度La3+的脅迫下，藻細胞的結(jié)構(gòu)受損，而P元素是細胞內(nèi)能量直接來源ATP合成的必要元素，缺P會導致ATP含量減少，使可溶性糖的利用量大大降低，可溶性糖在細胞內(nèi)的積累量增加，造成其含量明顯高于對照組中的含量。

圖3 不同濃度La3+處理下可溶性糖含量變化注：(a)對照組；(b)缺磷組。Fig. 3 Soluble sugar content under different La3+ treatmentsNote: (a) Control group; (b) Phosphorus deficiency group.

2.4 La3+對可溶性蛋白含量的影響

藻細胞中的大部分可溶性蛋白質(zhì)是參與藻類各種代謝有關(guān)的酶類，因此，可溶性蛋白含量可以作為衡量藻類或植物的生理生化反應及總代謝的重要指標之一。

由圖4可知，對照組中，濃度為0.10～1.00 mg·L-1的稀土La3+能顯著提高銅綠微囊藻的蛋白質(zhì)含量(P<0.01)，在濃度為0.50 mg·L-1時，藻類蛋白質(zhì)含量達到最大，在第8、12和16天的含量分別為0.70、1.45和1.91 mg·L-1，分別比空白組中銅綠微囊藻的蛋白質(zhì)含量提高了22.81%、46.46%和0.24%。蛋白質(zhì)的含量與光合作用密切相關(guān)，在此濃度范圍內(nèi)，稀土La3+促進Chla的合成，提高了藻細胞的光合速率，使光合作用制造的蛋白質(zhì)明顯增多。

缺P組中，在La3+濃度為0.10～0.20 mg·L-1時，蛋白質(zhì)含量高于單一缺P組，表現(xiàn)為促進作用，且在濃度為0.2 mg·L-1時促進作用最明顯，在第12天的蛋白質(zhì)含量提高量最大(P<0.01)，為34.54%；隨著培養(yǎng)液中La3+濃度增加(La3+濃度>0.2 mg·L-1)，藻細胞內(nèi)的可溶性蛋白的含量呈下降趨勢。

缺P組中，蛋白質(zhì)含量及增長速度均低于相同濃度La3+處理下的對照組，對照組中的蛋白質(zhì)含量在第16天最高達到1.906 mg·L-1，比缺P組中最高含量0.844 mg·L-1提高55.7%。因此，缺P會影響藻細胞內(nèi)蛋白質(zhì)的合成，進而影響藻類的正常代謝。低濃度的La3+均能增加可溶性蛋白質(zhì)的含量，已有的研究結(jié)果表明，適量的稀土能通過某種機制將信號傳遞到細胞內(nèi)，促進鈣調(diào)蛋白(CaM)基因表達，激活依賴于CaM的各種酶活性，引起蛋白質(zhì)含量升高[34]；而高濃度的La3+則抑制CaM基因表達[35-36]，使合成的蛋白質(zhì)等有機物量減少。

圖4 不同濃度La3+處理下蛋白質(zhì)含量變化注：(a)對照組；(b)缺磷組。Fig. 4 Protein content under different La3+ treatmentsNote: (a) Controll group; (b) Phosphorus deficiency group.

2.5 La3+對CAT、POD活性的影響

植物在生長發(fā)育過程中需要吸收、利用氧氣來維持自身的正常生長代謝，在此過程中，細胞內(nèi)會生成一定量的有害物質(zhì)活性氧(ROS)[37]?；钚匝踝鳛樽匀簧磉^程中產(chǎn)生的有害代謝產(chǎn)物，具有氧化植物細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸，以及破壞植物細胞正常結(jié)構(gòu)和生理功能的危害作用[38-39]。在植物正常的生長過程中，植物體內(nèi)的ROS會保持一種動態(tài)平衡，即植物體內(nèi)產(chǎn)生的ROS與體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)清除ROS的物質(zhì)存在一定關(guān)系[40]。但是，當植物細胞受到嚴重脅迫時，細胞體內(nèi)產(chǎn)生的ROS將無法及時被抗氧化系統(tǒng)消除，進而大量累積，抑制了抗氧化酶活性[41]。

如圖5和圖6所示，缺P組中，CAT和POD的活性均隨La3+濃度的增加，表現(xiàn)出先增后減的趨勢。在第12天，La3+濃度達到0.20 mg·L-1時，CAT和POD活性均達到最高，分別為11.29 U·(108cells)-1和7.29 U·(108cells)-1，比單一缺P組分別提高了25.58%和30.65%(P<0.01)；而高濃度La3+下，CAT和POD活性下降，可能是因為高濃度的La3+破壞了藻細胞內(nèi)的抗氧化平衡，導致抗氧化酶活性降低。在第16天時，在長時間的缺P和La3+的協(xié)同脅迫下，銅綠微囊藻受到抑制作用增強，葉綠素合成減少，蛋白質(zhì)含量下降，CAT活性也隨之下降。對照組中，CAT和POD的活性與缺P組表現(xiàn)出類似的變化趨勢，但CAT(P<0.01)和POD在La3+濃度為0.5 mg·L-1時活性達到最大值。

對比2組實驗可以發(fā)現(xiàn)，缺P組中CAT和POD活性高于對照組，而藻細胞對La3+的耐受能力低于于對照組，即營養(yǎng)元素P的缺乏會加重銅綠微囊藻膜脂過氧化的程度。與杜金戈等[12]的實驗結(jié)果類似，即低濃度的稀土元素能促進酶活性的增強，高濃度則抑制酶活性。

圖5 不同濃度La3+處理下過氧化氫酶(CAT)活性變化注：(a)對照組；(b)缺磷組。Fig. 5 The catalase (CAT) activity under different La3+ treatmentsNote: (a) Control group; (b) Phosphorus deficiency group.

圖6 不同濃度La3+處理下過氧化物酶(POD)活性變化注：(a)對照組；(b)缺磷組。Fig. 6 The peroxidase (POD) activity under different La3+ treatmentsNote: (a) Control group; (b) Phosphorus deficiency group.

2.6 La3+對MDA含量的影響

MDA是細胞膜脂過氧化過程中的一種重要產(chǎn)物，常作為反映植物衰老生理和抗性生理狀況的指標，其含量可用來表達細胞膜膜脂過氧化的程度，間接確定膜系統(tǒng)受損程度以及植物的抗逆性。因此，MDA的含量可以作為判斷細胞膜結(jié)構(gòu)損傷程度以及藻體受脅迫程度的重要依據(jù)[46-47]。

如圖7所示，在對照組和缺P組中，不同La3+濃度對銅綠微囊藻中MDA含量變化有相似的影響，但在缺P和稀土La3+同時脅迫下，銅綠微囊藻MDA含量高于單一稀土La3+脅迫下的含量。

在缺P組中，MDA含量隨稀土La3+濃度的增加表現(xiàn)出先減少后增加的趨勢，且不同La3+濃度處理下MDA含量均隨處理時間的延長而增加。在第16天，稀土La3+濃度為0.10～0.20 mg·L-1時，MDA含量低于單一缺P組(P<0.01)，在稀土La3+濃度為0.20 mg·L-1時，MDA達到最低含量2.25 mg·L-1，比單一缺P組中MDA含量降低6.25%，而La3+濃度>0.20 mg·L-1時，MDA含量上升，即適量的稀土元素La3+有利于銅綠微囊藻抵御缺P脅迫。

對比CAT、POD活性和MDA含量可知，低濃度的稀土La3+能增強細胞中抗氧化酶的活性，降低MDA含量，減少缺P脅迫對細胞的損害，維持藻細胞的正常生長代謝；而高濃度的La3+嚴重阻礙抗氧化酶的合成，使藻類細胞的抗氧化體系無法正常運行，細胞膜脂過氧化，干擾和破壞細胞的正常功能。同時，產(chǎn)生并積累的大量MDA反過來抑制抗氧化酶活性[48]，嚴重影響藻細胞的正常生命代謝水平。

2.7 生理毒理指標相關(guān)性

此外，本研究對藻的生理毒理指標進行了相關(guān)性分析。由表1可知，生物量、葉綠素a含量、可溶性蛋白含量、CAT活性、POD活性、MDA含量之間均呈顯著正相關(guān)(P<0.05或P<0.01)。其中，銅綠微囊藻的生物量與CAT活性、POD活性、MDA含量之間相關(guān)系數(shù)達到0.90以上，呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(P<0.01)，說明銅綠微囊藻的生長狀況與酶活性存在一定的關(guān)聯(lián)；而CAT、POD作為藻細胞內(nèi)2種重要的抗氧化酶，在一定程度上，其活性對藻細胞受損程度有相似的反映；同時，銅綠微囊藻藻細胞密度對于葉綠素a和可溶性蛋白的合成有重要的影響，直接影響兩者的含量。但是，可溶性糖與其他6項生理毒理學指標均呈顯著負相關(guān)(P<0.05)，即在實驗測定時間內(nèi)，在一定濃度稀土La的影響下，銅綠微囊藻藻細胞中可溶性糖含量越低，藻細胞抗氧化酶活性越高，銅綠微囊藻生長越好。

綜上所述，不管是正常水體還是在缺P的貧營養(yǎng)水體中，輕稀土La3+對銅綠微囊藻的生態(tài)學效應在細胞層次上均表現(xiàn)出典型“Hormesis”現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為：

(1)在對照組中，低濃度La3+(0.10～0.50 mg·L-1)對銅綠微囊藻的生長有一定促進作用，高濃度(>0.50 mg·L-1)La3+對銅綠微囊藻的生長有一定抑制作用。

圖7 不同濃度La3+處理下丙二醛(MDA)含量變化注：(a)對照組；(b)缺磷組。Fig. 7 Malondialdehyde (MDA) content under different La3+ treatmentsNote: (a) Control group; (b) Phosphorus deficiency group.

表1 生理毒理指標相關(guān)性Table 1 Correlation of physiological and toxicological indexes

(2)在缺P的脅迫下，低濃度La3+(0.10～0.20 mg·L-1)對銅綠微囊藻的生長有一定促進作用，表現(xiàn)為藻密度、蛋白質(zhì)、葉綠素a和抗氧化酶活性的明顯增加，可溶性糖含量降低，銅綠微囊藻生長狀態(tài)良好，稀土La3+對藻細胞的抗氧化體系表現(xiàn)出一定的保護作用；高濃度La3+(0.50～1.00 mg·L-1)對銅綠微囊藻的生長有破壞作用，表現(xiàn)為藻密度、蛋白質(zhì)、葉綠素a和抗氧化酶活性的下降，可溶性糖含量增加，抗氧化平衡遭到破壞，膜脂過氧化嚴重，藻類代謝處于較低水平。

(3)在缺N組中，不同濃度La3+對銅綠微囊藻的生長均表現(xiàn)為抑制作用，銅綠微囊藻不能正常生長。

(4)在一定時間、適宜La3+濃度內(nèi)，P缺乏與否，稀土刺激生物效應同樣存在，但缺P會降低銅綠微囊藻對La3+濃度和La3+處理時間的耐受能力。

本研究表明，在貧營養(yǎng)水體中，La對銅綠微囊藻產(chǎn)生的“Hormesis”現(xiàn)象在實際工程中有重要的應用意義。它可以為稀土在實際工程應用上的使用量提供合理依據(jù)，并為由稀土元素引發(fā)的潛在環(huán)境事故提供一定理論依據(jù)；同時，也可據(jù)此推測稀土元素La3+的輸入可能引發(fā)貧營養(yǎng)水體發(fā)生藻類大量繁殖現(xiàn)象，但其更深層次的影響機制還有待進一步研究。