水生植物化感作用抑藻研究進(jìn)展

湯 鵬，于魯冀，，彭趙旭，范鵬宇，李廷梅，任昆陽

(1. 鄭州大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450001；2. 鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001；3. 鄭州大學(xué) 環(huán)境政策規(guī)劃評(píng)價(jià)研究中心，鄭州 450003)

近年來，由于城市化、工業(yè)化發(fā)展加快，人類生產(chǎn)和生活過程中產(chǎn)生大量廢水，部分廢水未經(jīng)完全處理而被排放到天然水體中，導(dǎo)致水體中氮磷等營養(yǎng)元素含量劇增，水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象嚴(yán)重，藻類水華頻繁暴發(fā)[1-2]。目前，如何抑制藻類水華暴發(fā)已經(jīng)成為一個(gè)世界性難題。傳統(tǒng)的物理方法——遮光、曝氣、打撈等不僅耗時(shí)耗力且成本過高，處理后依然存在藻類二次暴發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)；化學(xué)投藥法雖然能達(dá)到快速殺藻的目的，但是會(huì)造成二次污染，只能作為應(yīng)急措施采用；生物濾食和投放微生物作為生物法，存在不可控的風(fēng)險(xiǎn)，在藻類已經(jīng)大范圍暴發(fā)的前提下處理效果不理想[3]。作為原材料的水生植物來源廣泛，價(jià)格低廉；另外不投加化學(xué)物質(zhì)，不產(chǎn)生二次污染，是一種生態(tài)友好的方法，現(xiàn)在愈來愈受到研究者們的關(guān)注。

相較于陸生植物，水生植物生長(zhǎng)迅速、次生代謝產(chǎn)物更加豐富，在自然條件下與藻類距離更近可有效減少水生植物的代謝產(chǎn)物在中途的損失，在實(shí)際的抑藻應(yīng)用中潛力更大。研究水生植物對(duì)藻類的化感抑制作用，理解化感作用機(jī)理，不僅能指導(dǎo)水華的預(yù)防和控制，而且可以為生態(tài)不完全水體的功能群恢復(fù)提供物種選擇和調(diào)控。本文總結(jié)了水生植物的化感作用及其作用物質(zhì)、機(jī)理，并展望了今后水生植物抑藻的研究方向。

1 水生植物化感抑藻作用

1937年，H. Molisch首次提出了植物化感作用(Allelopathy)這一概念，到1984年Rice在《Allelopathy》第二版中明確了植物化感作用的定義：植物通過將某種化學(xué)物質(zhì)釋放到環(huán)境中從而直接或間接地對(duì)其他植物造成有利或者不利的影響[4]。植物化感作用的研究與應(yīng)用最初主要集中于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)境生物治理等領(lǐng)域，直到20世紀(jì)末期，關(guān)于水生植物化感抑藻的研究日益增多。研究之初，針對(duì)水生植物是否通過化感作用來抑制藻類存在許多爭(zhēng)論，水生植物對(duì)藻類的抑制效果主要來源4種情況：(1)水生植物與藻類的營養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致；(2)水生植物遮蔽藻類生長(zhǎng)所需的陽光導(dǎo)致；(3)水生植物根系的微生物作用導(dǎo)致；(4)水生植物的化感作用導(dǎo)致。目前大量研究已證實(shí)水生植物對(duì)藻類的化感抑制作用，如Nakai等[5]通過共同培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，在排除營養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)、光照遮蔽及微生物作用的可能后，證實(shí)其受試水生植物金魚藻和穗狀狐尾藻是通過連續(xù)釋放化感物質(zhì)對(duì)席藻產(chǎn)生化感抑制作用；而這種化感抑制效應(yīng)在野外模擬試驗(yàn)中也有顯著影響。姚遠(yuǎn)等[6]通過控制光照和營養(yǎng)鹽濃度進(jìn)行微宇宙模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)苦草、金魚藻和穗花狐尾藻皆能通過化感作用特異性抑制藻類生長(zhǎng)從而調(diào)控杭州西湖湖西濕地的藻類群落結(jié)構(gòu)。國內(nèi)外已經(jīng)報(bào)道了很多具有化感抑藻作用的水生植物，主要包括挺水植物、浮水植物、沉水植物等，常見的具有化感抑藻作用的水生植物如表1所示。

表1 常見具有化感抑藻作用的水生植物Table 1 Common allelopathic algae-inhibiting aquatic plants

2 水生植物化感抑藻物質(zhì)

化感物質(zhì)是水生植物化感抑藻作用的關(guān)鍵，水生植物的次生代謝產(chǎn)物——化感物質(zhì)必須先釋放到水體中，通過水環(huán)境的傳送作用于目標(biāo)藻類從而起到抑藻的效果。迄今為止，已知的化感物質(zhì)主要分為14類：水溶性有機(jī)酸、直鏈醇、脂肪族醛和酮；簡(jiǎn)單不飽和內(nèi)酯；長(zhǎng)鏈脂肪族和多炔；萘醌，蒽醌和復(fù)合醌；簡(jiǎn)單酚，苯甲酸及其衍生物；肉桂酸及其衍生物；香豆素類；類黃酮；單寧；類萜和甾類化合物；氨基酸和多肽；生物堿和氰醇，硫化物和芥子油苷；嘌呤和核苷[4]。水生植物生長(zhǎng)代謝過程中通常會(huì)釋放多種化感物質(zhì)，而從水生植物種植水和浸提液中檢測(cè)到化感物質(zhì)主要為類萜化合物、簡(jiǎn)單酚、苯甲酸及肉桂酸衍生物等[22-25]。

水生植物日常代謝釋放到水體中的化感物質(zhì)濃度低，在100 FW/L的種植密度下單種化感物質(zhì)含量一般不超過100 μg/L，而大部分化感物質(zhì)的有效抑藻濃度往往要高于5 mg/L[24]，即水體中監(jiān)測(cè)到的化感物質(zhì)濃度一般低于其抑藻要達(dá)到的濃度。為了使水生植物化感抑藻更加高效便捷，這就需要獲取高濃度的化感物質(zhì)，通常通過萃取分離等手段從水生植物體內(nèi)進(jìn)行提取。如高云霓等[25]為研究苦草釋放的化感物質(zhì)對(duì)銅綠微囊藻的抑制作用，通過廣譜性固相萃取小柱富集培養(yǎng)3 d的苦草種植水；荊曉玲等[26]則采用乙醇萃取蘆葦干物質(zhì)，再經(jīng)過過濾分餾等步驟從蘆葦中分離得到具有強(qiáng)抑藻能力的化感物質(zhì)2-甲基乙酰乙酸乙酯(EMA)，并發(fā)現(xiàn)EMA能選擇性地抑制銅綠微囊藻和蛋白核小球藻的生長(zhǎng)，而對(duì)普通小球藻的生長(zhǎng)并沒有明顯的抑制效果。另外不少研究也發(fā)現(xiàn)高濃度的化感物質(zhì)才對(duì)藻類生長(zhǎng)起到抑制作用，濃度低時(shí)反而促進(jìn)藻類生長(zhǎng)[8,25-26]，這種現(xiàn)象叫作“低促高抑”。

化感物質(zhì)對(duì)藻類的抑制效果除了具有選擇性、低促高抑等特點(diǎn)外，它們之間還存在協(xié)同、相加和拮抗作用，這一點(diǎn)在前人的研究和綜述中已得到證實(shí)[24-25]。

3 水生植物化感抑藻作用機(jī)制

目前關(guān)于水生植物化感抑藻作用機(jī)制的研究多集中于細(xì)胞水平，主要關(guān)于影響藻類的光合系統(tǒng)、細(xì)胞膜通透性、酶活性等方面，而涉及基因水平的研究較少。

3.1 細(xì)胞水平

3.1.1 對(duì)光合系統(tǒng)的影響

光合作用是藻類生長(zhǎng)必不可少的條件之一，水生植物釋放出的化感物質(zhì)可以通過破壞藻類的光合系統(tǒng)，從而影響藻類的生理狀態(tài)進(jìn)而達(dá)到抑藻的目的。大量研究表明化感物質(zhì)對(duì)藻類光合系統(tǒng)的影響主要分為降低藻類細(xì)胞中葉綠素含量、阻斷電子傳遞兩個(gè)方面。

降低藻類細(xì)胞中葉綠素的含量，其機(jī)理是減弱光合能力。Gao等[27]發(fā)現(xiàn)化感物質(zhì)壬基酸可以降低小球藻和月牙藻細(xì)胞葉綠素含量，且小球藻表現(xiàn)得更為敏感。朱俊英等[28]利用穗花狐尾藻和銅綠微囊藻的共培養(yǎng)體系，發(fā)現(xiàn)銅綠微囊藻的光合作用能力受到化感物質(zhì)的顯著抑制，在處理第3天時(shí),銅綠微囊藻葉綠素含量及葉綠素?zé)晒鈪?shù)明顯降低。相較于葉綠素而言，藻膽蛋白更易受到化感物質(zhì)的抑制。吳程等[29]發(fā)現(xiàn)藻膽蛋白是粉綠狐尾藻分泌的化感物質(zhì)作用于銅綠微囊藻的靶位點(diǎn)，粉綠狐尾藻通過釋放化感物質(zhì)導(dǎo)致藻細(xì)胞中的葉綠素a和藻膽蛋白含量下降，且藻膽蛋白表現(xiàn)得更敏感受損。

阻斷電子的傳遞，其機(jī)理是破壞光合系統(tǒng)Ⅱ。Zhu等[19]的研究表明作為化感物質(zhì)之一的焦性沒食子酸能夠阻斷電子在銅綠微囊藻光合系統(tǒng)Ⅱ上的傳遞，抑制光合系統(tǒng)Ⅱ從而影響銅綠微囊藻的正常生長(zhǎng)。另外劉瑞等[30]也發(fā)現(xiàn)采用高濃度N-苯基-2-萘胺處理擬柱胞藻，其藻細(xì)胞光合系統(tǒng)遭到損傷，電子在光合系統(tǒng)Ⅱ的傳遞受阻，抑制了整個(gè)細(xì)胞的光合作用。

3.1.2 對(duì)細(xì)胞膜的影響

細(xì)胞膜是藻細(xì)胞重要的結(jié)構(gòu)和功能基本單位，化感物質(zhì)可以通過影響藻類細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，破壞其通透性，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)大量滲出，從而抑制藻類生長(zhǎng)。董穎娜等[8]發(fā)現(xiàn)香蒲水浸提液能明顯增大銅綠微囊藻細(xì)胞膜的通透性，相較于對(duì)照組而言，采用10.00 g/L香蒲水浸提液處理后的銅綠微囊藻細(xì)胞膜透性是其1.80倍。而胞內(nèi)外離子的交換速率會(huì)隨著細(xì)胞膜通透性的增強(qiáng)而加快。荊曉玲等[26]發(fā)現(xiàn)鄱陽湖本土水生植物菰的浸泡液可以改變銅綠微囊藻細(xì)胞膜通透性，離子通道開放紊亂使?jié)B透壓改變，藻細(xì)胞直徑逐漸縮短，體積減小，藻細(xì)胞程序性死亡。別聰聰?shù)萚31]發(fā)現(xiàn)在化感物質(zhì)鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)的作用下，短裸甲藻細(xì)胞膜通透性發(fā)生變化，24 h后靠近細(xì)胞膜處出現(xiàn)了大量的小體積液泡和明顯的淀粉粒；同時(shí)細(xì)胞膜出現(xiàn)大量的突起，使藻細(xì)胞生理狀態(tài)受到損傷。隨著藻細(xì)胞內(nèi)離子的大量滲出，水體中各種物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，而細(xì)胞內(nèi)含物滲出丟失，各種細(xì)胞器受到不可逆損傷，加速了藻細(xì)胞死亡。如楊小杰等[14]發(fā)現(xiàn)在鳳眼蓮和銅綠微囊藻共同培養(yǎng)體系中，僅幾天的培養(yǎng)藻細(xì)胞就出現(xiàn)了萎縮現(xiàn)象，類囊體發(fā)生分解，細(xì)胞結(jié)構(gòu)特別是葉綠體、線粒體產(chǎn)生顯著損傷，導(dǎo)致細(xì)胞生長(zhǎng)所需的能量和有機(jī)物供給不足，細(xì)胞代謝活性降低，生長(zhǎng)受到抑制。

3.1.3 對(duì)酶活性的影響

酶是生物體不可缺少的物質(zhì)，藻細(xì)胞的新陳代謝過程離不開酶的催化作用。正常情況下藻細(xì)胞內(nèi)的活性氧處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，水生植物通過釋放影響酶活性的化感物質(zhì)，改變?cè)寮?xì)胞的生理狀態(tài)，引起細(xì)胞內(nèi)活性氧積累，使藻細(xì)胞的抗氧化系統(tǒng)受到破壞，從而抑制其生長(zhǎng)。施軍瓊等[32]發(fā)現(xiàn)棕鞭藻濾液中存在某些化感物質(zhì)能引起銅綠微囊藻丙二醛(MDA)和過氧化氫酶(CAT)的含量顯著增加，誘導(dǎo)銅綠微囊藻細(xì)胞的膜脂過氧化，使藻細(xì)胞受到氧化損傷。鳳眼蓮根系分泌物可以在短時(shí)間內(nèi)使柵藻的超氧化物歧化酶(SOD)活性顯著下降，這時(shí)活性氧的產(chǎn)生和去除失去了平衡，活性氧的過量積累超過了藻細(xì)胞的耐受極限，藻體死亡[14]。

化感物質(zhì)能影響藻細(xì)胞的酶活性，但由于酶的特性不同，化感物質(zhì)在提高某些酶活性的同時(shí)又能抑制另外一些酶的活性。馬浩天等[33]發(fā)現(xiàn)斜生柵藻細(xì)胞在遭到化感抑制的情況下，POD、CAT含量會(huì)升高用以對(duì)抗活性氧的迸發(fā)，而SOD活力下降，可能是SOD合成結(jié)構(gòu)遭到破壞。

除抗氧化物酶活性外，腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)酶活性的大小也是藻細(xì)胞新陳代謝的重要指標(biāo)，其活性的減弱會(huì)導(dǎo)致藻細(xì)胞對(duì)鈣、鎂等礦質(zhì)元素的吸收等抑制，加劇藻細(xì)胞的死亡。汪麗等[34]發(fā)現(xiàn)荇菜種植水可以使銅綠微囊藻的ATP酶活性一直保持在低水平狀態(tài)，培養(yǎng)第9天時(shí)其酶活性僅為對(duì)照組的16.80%。

圖1 水生植物化感抑藻機(jī)制Figure 1 Mechanism of allelochemical inhibition of algae in aquatic plants

3.2 基因水平

水生植物化感抑藻在基因水平方面的研究起步較晚，相關(guān)研究較少，主要集中在藻細(xì)胞的基因表達(dá)水平以及脫氧核糖核苷酸(DNA)的翻譯和轉(zhuǎn)錄兩方面。

化感物質(zhì)可以增加或降低某些基因表達(dá)量，破壞藻細(xì)胞正常的生理狀態(tài)。Lu等[35]發(fā)現(xiàn)表沒食子兒茶素-3-沒食子酸酯(ECGC)誘使銅綠微囊藻細(xì)胞的光合系統(tǒng)Ⅰ和光合系統(tǒng)Ⅱ的基因表達(dá)量降低，光合系統(tǒng)受到損傷；同時(shí)藻膽素降解蛋白的基因表達(dá)量明顯上升，加速藻膽素的降低，導(dǎo)致捕捉和吸收光的能力下降，從而進(jìn)一步降低光合作用的效率，達(dá)到抑藻的效果。Wang等[36]發(fā)現(xiàn)氧化及DNA損傷是化感物質(zhì)焦性沒食子酸對(duì)銅綠微囊藻TY001的主要化感抑制渠道，銅綠微囊藻TY001細(xì)胞的DNA修復(fù)基因(recA和gyrB)上調(diào)以及脅迫反應(yīng)基因(prx、ftsH、grpE和fabZ)的表達(dá)水平明顯降低，引起抗氧化酶活性上升?；形镔|(zhì)還可以阻礙DNA的翻譯和轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致蛋白質(zhì)的合成受阻，其對(duì)藻細(xì)胞的生理狀態(tài)影響更為直接。Shao等[37]探究了焦性沒食子酸對(duì)銅綠微囊藻的脅迫反應(yīng)基因(prx)、藻毒素合成相關(guān)基因(mcyB)以及DNA修復(fù)基因(recA、grpE、fabZ)的表達(dá)情況，結(jié)果表明蛋白質(zhì)是焦性沒食子酸抑藻的一個(gè)重要靶位點(diǎn)，焦性沒食子酸通過影響蛋白質(zhì)的合成從而使銅綠微囊藻細(xì)胞受到損傷。

4 結(jié)論

總體來說，水生植物化感抑藻目前已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，在化感物質(zhì)的分離、鑒定及基于細(xì)胞水平的機(jī)理研究方面已取得了一定的進(jìn)展。在水體富營養(yǎng)化治理及水生態(tài)修復(fù)的迫切需求下，水生植物化感抑藻具有一定的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。在今后的水生植物化感抑藻研究中，可以從幾個(gè)方面開展：(1)目前對(duì)水生植物化感抑藻機(jī)理的研究主要還停留在細(xì)胞水平，而關(guān)于化感物質(zhì)作用于藻細(xì)胞基因的靶位點(diǎn)及藻基因是如何變化的沒有進(jìn)行深入的研究。建議從基因水平出發(fā)，進(jìn)一步揭示水生植物抑藻的機(jī)理。(2)自然狀態(tài)下水生植物生長(zhǎng)代謝所分泌的化感物質(zhì)含量較少，釋放到水體中后又受到水中生物和非生物因子的影響，故當(dāng)藻類大量暴發(fā)時(shí)難以起到很好的抑制效果。因此，具有高效抑藻作用的化感物質(zhì)的人工提取或合成將是未來研究的重點(diǎn)。(3)目前的研究普遍處于實(shí)驗(yàn)室水平，應(yīng)用于工程的實(shí)際案例較少，而天然水體中情況復(fù)雜多變，實(shí)驗(yàn)室的效果不能等同于野外，在今后的研究中應(yīng)優(yōu)先開展一些野外模擬試驗(yàn)，以期為實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用做出重要參考。