李卓娜,孟范平,趙順順,于 騰

(中國海洋大學海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室,山東 青島 266100)

BDE-47對2種海洋微藻光合特性的影響

李卓娜,孟范平?,趙順順,于 騰

(中國海洋大學海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室,山東 青島 266100)

研究了不同濃度的 2,2′,4,4′-四溴聯(lián)苯醚(BDE-47)對 2種海洋微藻的光合特性的影響. 結(jié)果表明, 在試驗所設(shè)定的濃度范圍內(nèi)(0.1～2.5μg/L),海水小球藻和赤潮異彎藻的PSII最大光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)、光化學淬滅系數(shù)(qP)未受到顯著抑制,表明2種微藻PSII反應中心在試驗過程中未受到損傷.當BDE-47濃度為2.5μg/L時,海水小球藻的PSII潛在活性(Fv/Fo)、PSII實際光能轉(zhuǎn)化效率(φPSII)和光合電子傳遞效率(ETR)在96h受到顯著抑制,而赤潮異灣藻的3個參數(shù)在暴露期間均未受到抑制,表明赤潮異灣藻對BDE-47的耐受性強于海水小球藻.各葉綠素熒光參數(shù)中, Fv/Fo、φPSII、ETR更適合作為指示海洋環(huán)境中BDE-47污染水平的生物標志物.

2,2′,4,4′-四溴聯(lián)苯醚(BDE-47);微藻;葉綠素熒光

Abstract：Effects of 2, 2′, 4, 4′-tetrabrominated biphenyl ether (BDE-47) on photosynthetic characteristics of two marine microalgae were comprehensively investigated. The results showed that no significant inhibition of maximal photochemical efficiency of PSII(Fv/Fm), photochemical quenching (qP) of Chlorella sp. and Heterosigam akshiwo were determined at the concentration of 0.1～2.5μg/L, which meant that BDE-47 didn′t cause damage to PSII reaction center of the two algae. At the dose of 2.5 μg/L PSII potential fluorescence efficiency (Fv/Fo), actual photochemical efficiency of PSII(φPSII) and electron transport rate (ETR) of Chlorella sp.. were inhibited distinctly after exposed to BDE-47 for 96h. And φPSII, Fv/Foand ETR of Heterosigam akashiwo, weren′t observed inhibition at the BDE-47 concentration of 2.5 μg/L, which revealed that this microalgae was more tolerant than Chlorella sp.. Among all of chlorophyll fluorescence parameters, Fv/Fo, φPSII and ETR are more suitable to be used as biomarkers for evaluation of pollution level of BDE-47 in marine environment.

Key words：2, 2′, 4, 4′-tetrabrominated biphenyl ether (BDE-47)；microalgae；chlorophyll fluorescence parameters

植物體內(nèi)發(fā)出的葉綠素熒光信號極易隨外界環(huán)境的變化而變化,可以靈敏、快速和無破壞性地指示各種逆境對光合作用過程的影響[1].據(jù)此可利用植物體內(nèi)的葉綠素作為天然探針,研究和探測植物光合的生理狀況及各種外界因子對光合系統(tǒng)的細微影響,這種植物活體測定和診斷技術(shù)被稱為葉綠素熒光動力學技術(shù)[2].目前,葉綠素熒光分析技術(shù)正在逐漸取代傳統(tǒng)的分光光度法而成為應用最為廣泛的技術(shù),關(guān)于利用葉綠素熒光分析技術(shù)進行干旱[3]、強光[4]、低溫[5]、高溫[6]、抗鹽[7]、營養(yǎng)鹽限制[8]等植物抗逆性生理研究已有較多報道.

20世紀70年代以來,多溴聯(lián)苯醚(PBDEs)作為阻燃劑廣泛應用于石油、紡織品、塑料制品、建筑材料、交通設(shè)備和電子產(chǎn)品中[9],隨著全球PBDEs消耗量的不斷增加,海洋環(huán)境中 PBDEs的濃度隨之急劇上升[10].PBDEs進入海洋后,可在生物體內(nèi)大量富集,2,2′,4,4′-四溴聯(lián)苯醚(BDE-47)是海洋生物體中最主要的PBDEs同系物.現(xiàn)有研究表明,生物對BDE-47的吸收速度大于其它PBDEs[11],對生物和人體具有較強的毒性作用[12],但是關(guān)于BDE-47對海洋微藻的光合特性有何影響尚未見報道.本研究選用BDE-47為研究對象[13-14],在受控條件下通過微藻培養(yǎng)試驗測定海水小球藻和赤潮異彎藻在暴露于不同濃度BDE-47后的葉綠素熒光參數(shù)變化,由此分析PBDEs對海洋微藻光合特性的影響,同時,通過比較各葉綠素熒光參數(shù)之間對 BDE-47的響應敏感性差異,確定更適合作為指示海洋環(huán)境中BDE-47污染水平的生物標志物.

1 材料與方法

1.1 材料

海水小球藻(Chlorella sp.)和赤潮異彎藻(Heterosigam akashiwo)分別由中國海洋大學和中國科學院海洋研究所提供.

海水取自青島大麥島近岸海域,黑暗沉淀后經(jīng)0.45μm濾膜過濾,煮沸消毒,冷卻后配制培養(yǎng)液.

F/2培養(yǎng)液按照陳明耀的方法配制[15].

BDE-47試驗溶液:采用純度 100%的 BDE-47(GC-MS級,AccuStandard公司)配制.由于BDE-47微溶于水,故以N,N-二甲基甲酰胺(DMF,色譜純,天津市科密歐化學試劑有限公司)為溶劑配制BDE-47母液,4℃下保存?zhèn)溆?試驗時用F/2培養(yǎng)液依次稀釋成所需濃度的試驗溶液.其余試劑均為分析純.

1.2 藻種的培養(yǎng)

根據(jù)急性毒性試驗的結(jié)果(BDE-47抑制海水小球藻、牟氏角毛藻、中肋骨條藻和赤潮異彎藻生長的 96h EC50分別為 0.79,1.52,1.99,2.25μg/L),設(shè)置3個BDE-47處理濃度：0.1,1.0, 2.5μg/L.同時設(shè)量對照處理(只加入F/2培養(yǎng)液和等體積的DMF,不含BDE-47).

對于海水小球藻,取12只500mL具塞三角瓶(預先在稀硝酸中浸泡 48h,消毒海水沖洗干凈),分成4組,每組3瓶.在每個三角瓶中各加入150mL F/2培養(yǎng)液,分別加入BDE-47儲備液,使每組培養(yǎng)液中BDE-47的濃度達到上述設(shè)計濃度;再接種處于指數(shù)生長期的微藻,使每個處理組的初始藻細胞密度達到 5×106個/mL.將接種微藻后的三角瓶在光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng),培養(yǎng)條件為:溫度(25±0.2)℃,鹽度28,pH值為8.1～8.4;光暗比12h:12h,光強80μmol/ (m2·s),每天定時人工搖動 3次,并且隨機調(diào)換三角瓶的位置以盡可能使試驗藻液受光均勻.分別在24,48,72,96h取樣,使用Water-PAM水樣調(diào)制葉綠素熒光儀測定各種微藻的葉綠素熒光參數(shù),測定結(jié)果以平均值±標準差(n=3)表示.

赤潮異彎藻的試驗方法同上,但是初始藻細胞密度控制在5×105個/mL.

1.3 葉綠素熒光參數(shù)的測定方法

采用Water-PAM水樣調(diào)制葉綠素熒光儀測定2種海洋微藻PSII的葉綠素熒光參數(shù).測定前將微藻樣品暗適應 15min,先照射弱檢測光[0.12μmol/(m2·s)],可測得初始熒光 Fo(PSII反應中心全部開放時的熒光水平),再照射飽和脈沖光[4000μmol/(m2·s),脈沖時間 0.8s],可測得最大熒光Fm(PSII反應中心全部關(guān)閉時的熒光水平). PSII最大光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)、PSII實際光能轉(zhuǎn)化效率(φPSII)、光合電子傳遞效率(ETR)和光化學淬滅系數(shù)(qP)各參數(shù)通過 Water-PAM水樣調(diào)制葉綠素熒光儀直接讀出,PSII潛在活性(Fv/Fo)可用公式(Fm-Fo)/Fo計算.

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗結(jié)果采用單因素方差分析法(One-way ANOVA analysis)對不同BDE-47濃度脅迫下的2種海洋微藻葉綠素熒光參數(shù)的差異顯著性進行分析.

2 結(jié)果

2.1 海水小球藻葉綠素熒光參數(shù)隨BDE-47濃度的變化

在不同質(zhì)量濃度BDE-47的培養(yǎng)液中海水小球藻各葉綠素熒光參數(shù)隨培養(yǎng)時間的變化情況見圖1(A)～圖 1(E).在不同濃度的 BDE-47暴露期間, Fv/Fm與對照組無顯著性差異(P>0.05).在 0.1和2.5μg/L的BDE-47處理組中,暴露48h的海水小球藻Fv/Fo、φPSII、ETR的測定值均顯著高于同期的對照組水平(P<0.05),增幅分別為 8.93%、5.56%、5.42%和7.14%、5.56%、4.25%.1μg/L處理組Fv/Fo、φPSII和ETR的測定值在BDE-47暴露期間始終與對照組無顯著差異(P>0.05).此外,各處理組的Fv/Fo、φPSII和ETR在96h時已呈現(xiàn)下降趨勢,其中,2.5μg/L的BDE-47處理組受到較大的抑制,與對照組差異顯著(P<0.05).

圖1 暴露于BDE-47的海水小球藻葉綠素熒光參數(shù)的變化Fig.1 Changes of chlorophyll fluorescence parameters of Chlorella sp. exposed to BDE-47數(shù)據(jù)以3次平行平均值±SD表示, *和**分別表示在P<0.05和P<0.01水平下差異顯著

在BDE-47暴露期間,各處理組的海水小球藻qP測定值與對照組之間雖然不存在顯著性差異(P>0.05),但是總體上隨暴露濃度和處理時間增加略呈下降態(tài)勢.

2.2 赤潮異灣藻葉綠素熒光參數(shù)隨BDE-47濃度的變化

在含有不同濃度 BDE-47的培養(yǎng)液中,赤潮異灣藻的各葉綠素熒光參數(shù)隨培養(yǎng)時間的變化趨勢如圖2(A)～圖2(E)所示.

由圖2(A)可見,在0.1μg/L BDE-47的處理組中,暴露培養(yǎng)24h和48h的赤潮異灣藻Fv/Fm顯著高于對照組(P<0.05),增幅分別為5.00%和13.46%; 1μg/L處理組中,Fv/Fm24h、48h、72h均顯著高于對照組(P<0.05),增幅分別為 6.67%、19.23和37.21%;暴露于2.5μg/L BDE-47時,Fv/Fm變化比較遲緩,24h時沒有明顯變化,48h和72h時顯著高于對照組(P<0.05),增幅分別為21.15%和32.56%.暴露96h時,各濃度處理組Fv/Fm降至與對照組差異不顯著的水平(P>0.05).

由圖 2(B)～圖 2(D)可見,同對照組相比,處理組的Fv/Fo、φPSII和ETR都呈現(xiàn)出先升后降的變化趨勢.0.1μg/L BDE-47脅迫下,赤潮異灣藻的Fv/Fo、φPSII和ETR均在24h達到最高值,相比對照組,分別升高16.67%、8.51%和8.31%;隨后3個參數(shù)雖然出現(xiàn)下降趨勢,但是在 48h時仍顯著高于對照組(P<0.05),增幅分別為 45.65%、25.00%和27.32%;72h后3個參數(shù)的測定值與對照組差異不明顯(P>0.05).在1μg/L BDE-47的處理組中,Fv/Fo、φPSII和 ETR的測定值在暴露48h、72h時顯著高于對照組(P<0.05),增幅分別為91.30%、46.88%、48.24%和38.89%、22.22%、24.49%,而其他暴露時間與對照組均無明顯差異(P>0.05);暴露于2.5μg/L的BDE-47時,3個參數(shù)在 48h和 72h相比對照組分別增加 86.96%、43.75%、46.07%和 61.11%、37.04%、38.20%,其他暴露時間則與對照組差別不大(P>0.05).

圖2 暴露于BDE-47的赤潮異灣藻葉綠素熒光參數(shù)的變化Fig.2 Changes of chlorophyll fluorescence parameters of Heterosigam akashiwo exposed to BDE-47注同圖1

由圖2(E)可見,與對照組相比,各濃度處理組的赤潮異灣藻qP僅在暴露培養(yǎng)48h時顯著升高(P<0.05或P<0.01),增幅分別為7.81%、15.63%和10.94%.其他暴露時間均未發(fā)現(xiàn)qP值與對照組存在明顯差異.

3 討論

葉綠素熒光動力學技術(shù)在測定植物光合作用過程以及表達光系統(tǒng)對光能的吸收、傳遞、耗散、分配等方面具有獨特的作用.借助葉綠素熒光動力學變化,可深入了解污染物對植物光合系統(tǒng)(主要是PSII)的影響及植物對逆境的響應機理[16].

當微藻等植物受到高溫[1,17]、汽車尾氣污染

[18]、重金屬污染[19-20]等逆境脅迫時,反映植物光合作用強度的葉綠素熒光參數(shù)都會受到影響,一般表現(xiàn)為Fv/Fm、Fv/Fo、φPSII、ETR的降低,并且下降幅度隨著脅迫時間的延長逐步增大;而植物的qP在逆境脅迫下既可能增大,也可能降低.此外,不同種類的植物葉綠素熒光參數(shù)對同種逆境脅迫的響應趨勢明顯不同[1].

Fv/Fm用于度量原初的光能轉(zhuǎn)換效率,可反映PSII反應中心活性大小,并直接衡量植物光合作用能力.正常情況下,該參數(shù)很穩(wěn)定(藻類一般為 0.65)[21],但在逆境下明顯下降.本研究中,在BDE-47 3個濃度的暴露期間,并未發(fā)現(xiàn)海水小球藻的 Fv/Fm受到抑制,始終與對照組無顯著性差異(P>0.05),說明所選用的 BDE-47濃度不足以對海水小球藻的 PSII反應中心造成損傷.BDE-47處理組中赤潮異灣藻的Fv/Fm也未受到抑制,在暴露初期(72h以內(nèi))均有顯著上升(P<0.05),然后降低到與對照組差異不顯著的水平(P>0.05),說明濃度0.1～2.5μg/L的BDE-47能刺激赤潮異灣藻PSII反應中心活性,增強了過剩光能的非光化學耗散,緩解逆境脅迫對葉綠素等大分子的傷害,提高機體的耐受性.

Fv/Fo代表從 Chla/b蛋白復合體 LHCP到PSII的光能傳遞能力,常用于度量PSII的潛在活性;ETR能夠反映高能電子經(jīng)過電子傳遞鏈在PSII和PSI之間的傳遞效率;φPSII是指PSII所吸收的光量子中用于光化學反應的比例,與碳同化反應的程度密切相關(guān).本研究中,每種微藻的 3個參數(shù)對BDE-47暴露的響應均較為一致,呈現(xiàn)出先升后降的變化趨勢,說明一定濃度范圍內(nèi)的BDE-47能夠提高海洋微藻光合系統(tǒng)的傳能效率和碳同化過程.各處理組的海水小球藻在BDE-47暴露后期,3個參數(shù)已呈下降態(tài)勢,其中,2.5μg/L的BDE-47處理組已經(jīng)受到明顯抑制(P<0.05).而赤潮異灣藻的3個參數(shù)在BDE-47暴露期間均未受到抑制,這表明赤潮異灣藻對BDE-47的耐受性強于海水小球藻.本研究中, 2.5μg/L的 BDE-47處理組的海水小球藻的Fv/Fo、φPSII和ETR在96h受到抑制(P<0.05),但 Fv/Fm與對照組無顯著差別(P<0.05),表明BDE-47能降低海洋微藻的傳遞效率.蘇行[22]和黎明等[23]分別測定城市大氣污染物對植物葉綠素熒光特性的影響,發(fā)現(xiàn)大氣污染物SO2和NOx能夠造成植物 Fv/Fm、Fv/Fo的下降,且后者的下降幅度大于前者,表明大氣污染能抑制原初光能轉(zhuǎn)化和傳能效率,以傳能效率受抑更為顯著.

qP即激發(fā)能被開放的PSII反應中心捕獲并轉(zhuǎn)化為化學能而導致的熒光淬滅.該參數(shù)反映了PSII天線色素吸收的光能用于光合作用的份額,是對原初電子受體QA(PSII電子傳遞的原初醌受體,決定著PSII對激發(fā)能的捕獲速率) 氧化態(tài)的一種量度.較低的qP表示PSII中開放的反應中心比例和參與CO2固定的電子減少;qP上升則表明電子由PSII的氧化側(cè)向PSII反應中心的傳遞加快,即用于進行光合作用的電子增加.本研究中,海水小球藻的qP測定值與對照組之間不存在顯著性差異(P>0.05),表明 BDE-47不會顯著影響電子由PSII的氧化側(cè)向PSII反應中心的傳遞速度.馬樹華等[18]的研究發(fā)現(xiàn),隨著汽車尾氣熏氣時間的延長和熏氣濃度的增加,五角槭等 4種植物的 qP逐漸降低.蘇行等[22]報道,大葉紫葳和白蘭葉片的qP隨污染程度的加劇而減少.赤潮異彎藻在暴露于BDE-47后,qP值表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢,這與梁英等[24]研究 Zn2+脅迫對纖細角毛藻葉綠素熒光參數(shù)影響所得到的趨勢相同.qP值的增加,意味著電子由 PSII的氧化側(cè)向PSII反應中心的傳遞速度加快,用于進行光合作用的電子增多,對激發(fā)能的利用率提高,這與赤潮異灣藻在BDE-47暴露初期Fv/Fo、φPSII、ETR的增加是一致的,表明赤潮異灣藻經(jīng) 1～2.5μg/L的BDE-47處理96h期間,光合作用并未受到影響,顯示其對BDE-47的耐受性強于海水小球藻.

4 結(jié)論

4.1 BDE-47濃度在0.1～2.5μg/L時, 不會損傷海水小球藻PSII反應中心的活性,但能刺激赤潮異彎藻的PSII反應中心活性.

4.2 海水小球藻和赤潮異彎藻對 BDE47具有一定的適應性,赤潮異彎藻對BDE-47的耐受性強于海水小球藻.

4.3 本研究中所選用的5個葉綠素熒光參數(shù)中, Fv/Fo、φPSII、ETR更適合作為指示海洋環(huán)境中BDE-47污染水平的生物標志物.

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Efects of BDE-47 on the chlorophyll fluorescence parameters of two species of marine microalgae.

LI Zhuo-na, MENG Fan-ping*, ZHAO Shun-shun, YU Teng
(Key Laboratory of Marine Environment Science and Ecology, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China). China Environmental Science, 2010,30(2)：233～238

X503.2

A

1000-6923(2010)02-0233-06

李卓娜(1983-),女,山東青島人,碩士,研究方向為生物監(jiān)測.

2009-06-01

中國海洋大學引進人才科研啟動經(jīng)費項目(HD 19990016)

* 責任作者, 教授, fanpingmeng@tom.com