濱海濕地植物對赤潮藻的化感效應(yīng)研究進展

李元躍，熊章靜，譚鳳儀，李宏發(fā)，徐景亮，李鳳蘭，胡柳柳，郎 濤

（1.集美大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院/福建省海洋漁業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境重點實驗室，福建廈門 361021；2.廣東內(nèi)伶仃福田國家級自然保護區(qū)管理局大灣區(qū)紅樹林濕地研發(fā)中心，廣東深圳 518040；3.香港都會大學(xué) 科技學(xué)院，香港 999077；4.廣東內(nèi)伶仃福田國家級自然保護區(qū)管理局，廣東深圳 518040；5.深圳大學(xué)生命與海洋科學(xué)學(xué)院，廣東深圳 518071）

赤潮是全球頻發(fā)的海洋自然災(zāi)害，國內(nèi)對赤潮最早的文獻記錄來自原浙江水產(chǎn)實驗場費鴻年教授于1952年在《學(xué)藝》上發(fā)表記述的黃河口夜光藻赤潮，隨后赤潮便逐漸引起了國家政府與科研學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-2]。隨著現(xiàn)代化工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，沿海地區(qū)人口的驟增，大量工農(nóng)業(yè)廢水與生活污水肆意過量排放，導(dǎo)致沿海地區(qū)營養(yǎng)物質(zhì)的輸入量增加，進而為某些赤潮藻的爆發(fā)創(chuàng)造了更為有利的營養(yǎng)環(huán)境[3-4]。此外，航海運輸業(yè)的快速發(fā)展會引起壓艙水中攜帶外來有害赤潮藻種的概率增加，最終導(dǎo)致赤潮的爆發(fā)頻率劇增[5]。目前常用的治理赤潮措施主要包括物理[6-7]、化學(xué)[8]與生物方法[9]3種。物理與化學(xué)方法治理赤潮能耗較高，且會造成二次污染；生物方法對非目標(biāo)生物體的影響程度低甚至沒有影響，且產(chǎn)物在環(huán)境中易被降解，故生物方法目前已成為控制赤潮潛在的最佳解決方案[10]。

濱海濕地是海陸交錯區(qū)最敏感的區(qū)域，棲息繁衍于其中的濱海濕地植物是濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，包括紅樹林、鹽沼群落與海草床等。濱海濕地植物在濱海地區(qū)物質(zhì)循環(huán)、能量流動、維持濱海濕地生態(tài)功能等方面有著極其重要的作用[11]。因此，本研究通過對現(xiàn)有濱海濕地植物與赤潮藻化感作用相關(guān)文獻的綜合閱讀分析，旨在總結(jié)出濕地植物對赤潮藻的化感作用規(guī)律，以期為未來探索開發(fā)一套具有生態(tài)友好、成本低廉與方便高效等特點的預(yù)防與治理赤潮的手段提供重要的理論依據(jù)。

1 赤潮與赤潮藻

赤潮是指特定環(huán)境條件下海洋水體中微型浮游生物大量增殖引發(fā)水體變色的現(xiàn)象[3,12]。赤潮的爆發(fā)與赤潮藻本身以及海水富營養(yǎng)化、溫度、鹽度、水文氣象等環(huán)境因子密切相關(guān)[13]。

赤潮藻是引起海水赤潮爆發(fā)的原因藻，形成赤潮的原因藻有很多種[14]。海洋中有3 365～4 024 種浮游藻類，赤潮原因藻約占6%，有184～267種，其中有毒藻種約占2%，有60～78種[15]。甲藻(Dinoflagellates)是最主要的赤潮原因種，也是有毒赤潮藻中記錄較多的藻種[16]。

2 現(xiàn)有的赤潮預(yù)防與治理方法

預(yù)防是治理赤潮頻發(fā)第一要素。海水富營養(yǎng)化是導(dǎo)致赤潮爆發(fā)的物質(zhì)基礎(chǔ)，所以預(yù)防赤潮爆發(fā)的最根本方法是減少污染物(即藻類營養(yǎng)源)向海域排放。然而當(dāng)前的實際情況卻不容樂觀，世界各地因經(jīng)濟發(fā)展向沿海水域排放大量工農(nóng)業(yè)污水、過度使用農(nóng)業(yè)化肥，并不可持續(xù)地使用化石燃料，導(dǎo)致海域輸入營養(yǎng)成分(尤其是含氮磷化合物)大量增加[13,17]?？刂莆鬯欧趴捎行Х乐鼓承┏喑北l(fā)。鑒于此，許多國家目前也正在實施減少排污的戰(zhàn)略規(guī)劃來預(yù)防赤潮的爆發(fā)[18]。另一方面，治理是指在爆發(fā)過程中人為抑制或消滅赤潮而采取的措施。常用的治理赤潮方法分為物理、化學(xué)與生物方法。物理方法包括紫外線照射[19]、黏土絮凝法[20]、超聲處理[21]與膜過濾[22]等?；瘜W(xué)方法一般指用化學(xué)試劑殺死赤潮藻，包括使用有機殺生劑[23]、除草劑[8]與金屬[24]等化學(xué)試劑。然而，由于海水范圍大稀釋擴散較快，化學(xué)試劑難以達到殺藻有效濃度，而且試劑的殘留容易在自然環(huán)境中積累而對非目標(biāo)生物造成毒性[25]。因此尋找更安全有效的生物治理方法顯得尤為重要。

3 化感作用

生物防治赤潮主要是通過植物間化感作用來實現(xiàn)，目前其已成為生態(tài)學(xué)的研究熱點之一。自然界中，生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)控離不開相互促進與相互抑制的協(xié)調(diào)過程，而生態(tài)系統(tǒng)的化學(xué)調(diào)控是指生物體通過產(chǎn)生生物活性物質(zhì)在生物體間傳遞信息并導(dǎo)致生物體間的相互作用[9]。化感作用的發(fā)現(xiàn)，可能暗示了植物產(chǎn)生的化感活性物質(zhì)可被用作潛在的藻生長抑制劑[26-27]。在淡水系統(tǒng)中，利用水生大型植物的化感活性物質(zhì)來控制水華已有了深入的研究[28]。當(dāng)前，相關(guān)研究人員已從多種水生植物中提取并鑒定出對淡水藻種起抑制作用的化感物質(zhì)，包括多酚、脂肪酸、黃酮類、萜類與酯類等[29]。

4 濱海濕地植物對赤潮藻的化感作用的研究進展

4.1 潮間帶有林濕地植物-紅樹林

紅樹林是生長在熱帶、亞熱帶海岸潮間帶或河流入?？讵毺氐臐竦啬望}木本植物群落。紅樹林作為濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)中最重要的木本植物，是全球生產(chǎn)力最高的生態(tài)系統(tǒng)之一[30-31]。紅樹植物常見種有紅樹科(Rhizophoraceae)的秋茄(Kandelia obovata)與木欖(Bruguiera gymnorrhiza)、紫金?？?Myrsinaceae)的桐花樹(Aegiceras corniculatum)、馬鞭草科(Verbenaceae)的白骨壤(Avicennia marina)、海?？?Sonneratiaceae)的海桑(Sonneratia caseolaris)與大戟科(Euphorbiaceae)的海漆(Excoecaria agallocha)等[32]。全世界紅樹植物有83種，我國有37種(其中真紅樹植物26種，半紅樹植物11種)[33]。紅樹林作為海灣河口生態(tài)系統(tǒng)中特有的以木本植物為主的植物群落，具有典型的“三高”特點：高生產(chǎn)力、高歸還力與高分解率[32]。假設(shè)在原生境的紅樹林未被干擾的情況下，其碳儲量遠高于同緯度的森林，甚至高于熱帶雨林[34-35]。同時，紅樹林還具有防浪護堤減少風(fēng)浪災(zāi)害[36]、促淤保灘與造陸[37]、凈化大氣與海洋環(huán)境[38]、提供生物棲息地與保護物種多樣性[39]、天然養(yǎng)殖基地[40-41]、科普教育、提供科學(xué)研究生物資源與材料以及生態(tài)旅游等功能[42]。因此，紅樹林具有尤為重要的生態(tài)保護意義。

在濱海紅樹林濕地中有關(guān)赤潮爆發(fā)的事件極為罕見。近年來，紅樹林與赤潮藻的生長之間的關(guān)系也逐漸成為研究熱點，然而到目前為止，紅樹林區(qū)極少發(fā)生赤潮的原因研究仍處于初步探索階段。紅樹林區(qū)無赤潮爆發(fā)的原因可能是：（1）紅樹林自身具有強大的凈化水質(zhì)的生態(tài)功能[43]；（2）紅樹植物可能可以產(chǎn)生某種活性物質(zhì)，進而可有效抑制赤潮藻的生長，最終達到消退赤潮的目的。

目前，紅樹植物對赤潮藻抑制作用方面已有部分探索性的研究，其活性物質(zhì)對藻類化感作用的相關(guān)研究主要集中于葉片、根系分泌物以及凋落物的水浸提液與有機溶劑提取液等。2007年，李春強[44]首次發(fā)現(xiàn)紅樹植物正紅樹(Rhizophora apiculata)、海蓮(Bruguiera sexangular)、角果木(Ceriops tagal)、老鼠簕(Acanthus ilicifolius)、鹵蕨(Acrostichum aureurm)與海杧果(Cerbera manghas)制備的紅樹葉片干粉水浸提液、紅樹根系分泌物對中肋骨條藻(Skeletonema costatum)的生長均有明顯的抑制作用，且紅樹葉片干粉的劑量越大，抑制作用越明顯，抑制強弱順序為：角果木＞正紅樹＞海蓮＞海杧果＞鹵蕨＞老鼠簕。此外，孫志偉[45]比較了5 種紅樹植物葉片水浸提液與新鮮組織水浸提液對球形棕囊藻(Phaeocystis globose)與赤潮異彎藻(Heterosigma akashiwo)生長的抑制作用，得出抑制強弱的順序為海漆＞秋茄＞小花老鼠簕(Acanthus ebracteatus)＞木欖＞海杧果，且后續(xù)通過對水提取物的高溫處理研究了抑藻活性物質(zhì)的耐熱性。隨后，研究人員進一步探究了紅樹植物中抑藻活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，如利用水與有機溶劑對秋茄、白骨壤與海桑等紅樹植物根系分泌物中不同的化感活性物質(zhì)進行提取與鑒定，探討它們對微小小環(huán)藻(Cyclotella caspia)(一種紅樹林濕地中占主導(dǎo)地位的硅藻類物種)生長的潛在抑制作用[46]。也有其他研究人員發(fā)現(xiàn)紅樹植物的葉齡會影響其化感作用，如ZHAO 等[47]發(fā)現(xiàn)木欖與秋茄的葉片干粉水浸提液對球形棕囊藻的生長抑制作用隨著葉齡的增加而增強，即衰老葉＞成熟葉＞幼葉，試驗組中藻細(xì)胞的超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性，谷胱甘肽(glutathione,GSH)與丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量也按照上述規(guī)律增加，同時，該研究還確定次生代謝產(chǎn)物(半萜化合物4，8，9，10與酚類糖苷化合物7)為抑藻的有效活性物質(zhì)。紅樹植物桐花樹中分離的有機酚酸之一沒食子酸(gallic acid)對微小小環(huán)藻生長的半抑制濃度為15.46 mg·L-1，藻細(xì)胞中SOD 活性，MDA、可溶性碳水化合物與葉綠素a 的含量總體上呈現(xiàn)出低濃度促進與高濃度抑制的趨勢[48]。學(xué)者們不斷探究不同種的紅樹植物對新藻種的化感作用，以來揭示紅樹植物作為抑藻原材料的潛力。趙旻[49]采集秋茄與木欖的不同年齡的葉片制備水浸提液與乙醇浸提液探究對球形棕囊藻與米氏凱倫藻(Karenia mikimotoi)生長的抑制作用，亦得出與ZHAO 等[47]相似的結(jié)論，即抑制強弱與抗氧化能力影響效果為衰老葉＞成熟葉＞幼葉，并從秋茄與木欖葉片水浸提液中分離鑒定出抑藻活性物質(zhì)主要為半萜苷類與酚苷類化合物。除了紅樹植物葉片浸提液與根系分泌物具有抑制赤潮藻生長的能力，其果實同樣也被證明可抑制藻類的生長。海杧果的果實去皮干燥后除去果仁，磨碎成粉末制備的水浸提物對甲藻塔瑪亞歷山大藻(Alexandrium tamarense)、錐狀斯氏藻(Scrippsiella trochoidea)與米氏凱倫藻的半抑制濃度分別為0.986，1.567，1.827 g·L-1，其原兒茶酸被證明是水提取液中最有可能起到抑制藻類生長作用的物質(zhì)，且對藻細(xì)胞的光合作用產(chǎn)生負(fù)面影響[50](表1)。

表1 紅樹植物對赤潮藻抑制效應(yīng)研究進展Table 1 Research progress on inhibition of mangrove plants to harmful algal bloom species

4.2 其他濱海鹽沼濕地草本植物

濱海鹽沼濕地是指海岸沿線受潮水周期性或間歇性浸淹，有鹽生植物覆蓋的咸水或淡咸水淤泥質(zhì)灘涂。濱海鹽沼濕地中主要生長的植物群落為米草群落、堿蓬群落與蘆葦(矮生型)群落等。濱海鹽沼濕地中的植物群落是地球上高生產(chǎn)力植被類型之一，有營養(yǎng)循環(huán)、凈化水體、食物生產(chǎn)等眾多的生態(tài)服務(wù)功能，具有極其重要的生態(tài)及經(jīng)濟價值[52-53]。

濱海鹽沼濕地連接著陸地與海洋生態(tài)系統(tǒng)，濱海鹽沼濕地草本植物是最重要的初級生產(chǎn)者之一。目前，國內(nèi)外相關(guān)報道發(fā)現(xiàn)，米草類、大型綠藻石莼類與海草等濱海鹽沼濕地草本植物可產(chǎn)生明顯的化感抑藻作用。研究表明由日本長崎縣海岸采集的裂片石莼(Ulva fasciata)與孔石莼(U.pertusa)的新鮮組織、干粉與甲醇提取物對赤潮異彎藻與塔瑪亞歷山大藻生長有較強的抑制作用，并通過從裂片石莼的甲醇提取物中鑒定分離出3 種殺藻化合物：十六碳四烯酸(HDTA)、八碳六烯酸(ODTA)與亞麻酸[54]。此外，另有試驗還發(fā)現(xiàn)石莼類植物的甲醇提取物對藻類生長的抑制效果不同，如對海洋卡盾藻(Chattonella marina)與赤潮異彎藻的生長抑制效果最明顯，對針胞藻(Fibrocapsa japonica)與米氏凱倫藻僅適度有效；然而，甲醇提取物對塔瑪亞歷山大藻的抑制效果最低[55]。通過石莼類植物對微藻抑制效果的明顯差異更能有力證明石莼類植物可以被用于選擇性地控制赤潮爆發(fā)。大米草(Spartina anglica)對赤潮異彎藻的化感效應(yīng)的強弱表現(xiàn)為高濃度抑制其生長，低濃度則對其有一定的生長促進作用；然而，大米草對海洋原甲藻(Prorocentrum micans)的生長則表現(xiàn)出明顯的抑制作用。研究人員進一步對大米草葉片提取物進行抑藻活性物質(zhì)的分離純化后分離鑒定出2個具有明顯抑藻活性的黃酮糖苷類化合物：異鼠李素-3-O-槐二糖-7-O-鼠李糖苷與丁香亭-3-O-半乳糖苷[56]。另有研究人員從龍須菜(Gracilaria lemaneiformis)粉末中分離出兩種對中肋骨條藻具有抑藻活性的化合物，并通過初步研究發(fā)現(xiàn)物種特異性等效抗藻活性的相關(guān)理論機制[57]。在排除細(xì)菌、營養(yǎng)物質(zhì)與pH 的干擾下，TANG 等[58]通過石莼對7種常見赤潮藻的抑制作用試驗發(fā)現(xiàn)石莼中含有熱穩(wěn)定的等效化學(xué)物質(zhì)在抑制等效作用中起主要作用。龍須菜新鮮組織對錐狀斯氏藻、海洋原甲藻、中肋骨條藻與杜氏鹽藻(Dunaliella salina)有明顯的抑制作用，且于有害藻類球形棕囊藻的大量繁殖期間發(fā)現(xiàn)原位瓶(1.0 L)與中觀生態(tài)池(50 L與1 000 L)中也能觀察到明顯的抑制作用，一項大規(guī)模的實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)在龍須菜栽培的地區(qū)，浮游植物豐度明顯低于沒有龍須菜的地區(qū)[59]。張崎[60]證實了互花米草(Spartina alterniflora)對中肋骨條藻存在化感作用，這主要是因為凋落物水浸提液改變了中肋骨條藻細(xì)胞活性，使得其葉綠素含量與SOD活性降低，而MDA含量升高，藻細(xì)胞的抗氧化系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞。此外，張崎[60]還鑒定出互花米草水浸液中的化感物質(zhì)主要為長鏈脂肪酸，主要有棕櫚酸、油酸與鄰苯二甲酸，且發(fā)現(xiàn)互花米草凋落物浸提液對中肋骨條藻生長的抑制作用隨著浸提液質(zhì)量濃度的增大而增強[61]。海菖蒲(Enhalus acodoides)的水浸提液對錐狀斯氏藻、塔瑪亞歷山大藻、米氏凱倫藻與球形棕囊藻的抑制率分別達到95.34%、99.18%、94.4%與72.46%；而其乙醇浸提液對錐狀斯氏藻、米氏凱倫藻與球形棕囊藻的抑制率則分別為78.55%、95.82%與77.72%；海菖蒲的正己烷浸提液只對錐狀斯氏藻具有顯著抑制作用，抑制率為58.28%[62]。XU 等[63]發(fā)現(xiàn)在高濃度的互花米草葉片提取物中球形棕囊藻與東海原甲藻(Prorocentrum donghaiens)的生長被明顯抑制，并通過鑒定得出互花米草葉片提取物中的化學(xué)物質(zhì)主要為類黃酮。此外，XU等[64]還得出互花米草對海洋卡盾藻的抑制作用比對錐狀斯氏藻與塔瑪亞歷山大藻的抑制作用更強，其在抑制藻類生長的過程中，造成藻類細(xì)胞生物量的合成代謝與分解代謝被破壞、細(xì)胞代謝物在壓力下也會發(fā)生變化的相關(guān)結(jié)論[64]。并且在抑制生長的過程中藻細(xì)胞的光合作用也會遭到破壞[65]。異枝江蘺(Gracilaria bailiniae)新鮮組織與干粉水提物對小新月菱形藻(Nitzschia closterium)第4 天的半抑制濃度分別為0.667×10-3g·mL-1與3.889×10-3g·mL-1并造成其細(xì)胞形態(tài)發(fā)生嚴(yán)重萎縮與內(nèi)細(xì)胞結(jié)構(gòu)解體；異枝江蘺植物細(xì)胞中羥乙基磺酸物質(zhì)的抑制作用最強，這主要是由于羥乙基磺酸物質(zhì)在對小新月菱形藻生長的抑制過程中破壞了其光合作用中電子的傳輸[66]。室內(nèi)控制條件下將干燥處理后的細(xì)基江蘺(Gracilaria tenuistipitata)與海洋原甲藻共同培養(yǎng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)細(xì)基江蘺同樣也具有潛在的殺藻作用，理論上可用于防治海洋原甲藻引起的赤潮[67](表2)。

表2 其他濱海鹽沼濕地草本植物對赤潮藻抑制效應(yīng)研究進展Table 2 Research progress on inhibition of other coastal salt marsh wetland herbs to harmful algal bloom species

4.3 濱海濕地植物對赤潮藻的化感抑制機制

在有關(guān)植物化學(xué)物質(zhì)對赤潮藻化感抑制作用機理研究中，探討不同的酶活系統(tǒng)的響應(yīng)機制是重要的研究方向之一。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，化感物質(zhì)主要通過改變藻細(xì)胞的抗氧化能力、破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)與光合作用進而抑制其生長，即主要的化感作用抑制機理[68]。

由于酶不同的化學(xué)特性，酶功能在生物體生理生化反應(yīng)中作用突出，化感物質(zhì)在提高某些酶活性的同時又可抑制其他酶的活性[69]。在平息狀態(tài)下，藻的胞內(nèi)活性氧(ROS)的消除處于動態(tài)平衡狀態(tài)，然而，化感物質(zhì)出現(xiàn)后，其感受并產(chǎn)生應(yīng)激響應(yīng)，即胞內(nèi)ROS 大量產(chǎn)生；藻細(xì)胞一旦超過抗氧化能力閾值，其生物活性就會受到嚴(yán)重影響，最終生長受到明顯抑制[70]。有研究表明，在紅樹植物秋茄與木欖葉片粉末制備的水浸提液的作用下，藻類細(xì)胞中SOD、MDA、可溶性碳水化合物與葉綠素a 的含量總體上呈現(xiàn)低促進高抑制的趨勢[48-49]。此外，化感物質(zhì)使得赤潮藻的細(xì)胞膜通透性發(fā)生改變，MDA 含量升高造成抗氧化酶系統(tǒng)的氧化損傷，進而導(dǎo)致細(xì)胞死亡[47]。細(xì)胞膜是細(xì)胞內(nèi)外部環(huán)境進行物質(zhì)與能量交換的重要通道。細(xì)胞膜受損后不僅會引起細(xì)胞內(nèi)各個細(xì)胞器受到損害，且因其通透性變化后引發(fā)細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)可任意進出細(xì)胞，進一步加速了細(xì)胞的死亡。沒食子酸屬于酚酸類，對細(xì)胞形態(tài)的影響主要表現(xiàn)為誘導(dǎo)細(xì)胞伸長，淀粉粒、油滴與葉綠體等細(xì)胞內(nèi)含物缺失[48]。另有研究表明，互花米草與異枝江蘺的提取物能破壞赤潮藻細(xì)胞的完整性與其光合作用過程[64,66]。海杧果中含有的原兒茶酸可能通過阻礙電子的還原與破壞PSII中的電子轉(zhuǎn)移進而對錐狀斯氏藻的光合作用產(chǎn)生負(fù)面影響[50]。

5 總結(jié)與展望

目前，研究人員已發(fā)現(xiàn)多種濱海濕地植物對特定的赤潮藻有顯著抑制作用，同時，也已分離并鑒定出多種對赤潮藻有抑制作用的潛在活性物質(zhì)。但對于化感抑制機理的深入研究還需多學(xué)科交叉進行進一步的理論支撐?？傊?，濱海濕地植物作為赤潮生物治理方法的生物原材料，其待開發(fā)的潛力巨大。未來，希望相關(guān)研究人員能具體分離并鑒定出最有效的抑制赤潮爆發(fā)的植物活性物質(zhì)，進一步深入挖掘植物抑藻作用的機制，為預(yù)防與控制赤潮藻的爆發(fā)提供重要的信息，試圖尋找可有效抑制赤潮藻爆發(fā)的生物治理手段。