王壽兵,徐紫然,馬小雪,樊正球,張 潔 (復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系,上海 200433)

Cu2+對(duì)銅綠微囊藻生長(zhǎng)及葉綠素?zé)晒庵饕獏?shù)的影響研究

王壽兵*,徐紫然,馬小雪,樊正球,張 潔 (復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系,上海 200433)

研究了不同Cu2+濃度(0.16,0.32,0.66,1.16,2.16,4.16μmol/L)對(duì)培養(yǎng)基中銅綠微囊藻120h內(nèi)的細(xì)胞密度、葉綠素a含量和3個(gè)主要葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響,并對(duì)Cu2+在滅藻時(shí)易復(fù)發(fā)的問(wèn)題做出了一定解釋.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)培養(yǎng)體系中Cu2+濃度在0.32～1.16 μmol/L時(shí),可促進(jìn)銅綠微囊藻生長(zhǎng);當(dāng)Cu2+濃度低至0.16μmol/L或高于2.16μmol/L時(shí),可抑制銅綠微囊藻生長(zhǎng).當(dāng)培養(yǎng)體系中Cu2+濃度小于2.16μmol/L時(shí),對(duì)Fv/Fm (光系統(tǒng)Ⅱ的最大光能轉(zhuǎn)化效率)、ΦPSⅡ(光系統(tǒng)Ⅱ的實(shí)際光能轉(zhuǎn)化效率)和ETR(電子傳遞效率)3個(gè)熒光參數(shù)指標(biāo)的影響不大;當(dāng)Cu2+濃度為4.16μmol/L時(shí),Fv/Fm、ΦPSⅡ和ETR呈現(xiàn)先快速下降,后有所回升,再緩慢下降的趨勢(shì),但整個(gè)時(shí)段均顯著低于其他各濃度處理組(P＜0.05),表現(xiàn)出明顯的受抑制現(xiàn)象.

銅綠微囊藻；硫酸銅；濃度；生長(zhǎng)；葉綠素?zé)晒?/p>

銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa)是形成有害藻華最常見(jiàn)物種之一.在生長(zhǎng)過(guò)程和死亡后均會(huì)釋放出微囊藻毒素,藻毒素可直接或間接通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體,引起肝癌等疾病,嚴(yán)重影響人體健康和安全[1-3].目前,全球?yàn)橹卫碛泻υ迦A進(jìn)行了多種探索,包括物理、生物和化學(xué)等方式[4-6].其中,硫酸銅等二價(jià)銅系金屬鹽作為殺藻劑,由于價(jià)格較便宜,在短期應(yīng)急除藻中具有較高效果,并且對(duì)人類和環(huán)境相對(duì)安全等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用[7].

一方面,高濃度 Cu2+由于其對(duì)藻類細(xì)胞壁含硫基團(tuán)具有很強(qiáng)的親合力,會(huì)干擾藻類正常新陳代謝過(guò)程,從而對(duì)藻類的生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用[8].另一方面,Cu2+又是銅綠微囊藻生長(zhǎng)所必需的微量元素.在銅制劑等抑藻劑的使用過(guò)程中,由于在自然水體中含有S2-、CO32-、OH-等無(wú)機(jī)配體和腐殖質(zhì)、洗滌劑、EDTA等有機(jī)配位體,使得用于控藻的活性 Cu2+可能與配位體結(jié)合成大分子配合物沉淀, 富集于沉積物中,從而降低 Cu2+的抑藻效果,加重環(huán)境介質(zhì)中銅的負(fù)荷[9].同時(shí)在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),用硫酸銅除藻易導(dǎo)致藍(lán)藻復(fù)發(fā)[9-10],針對(duì)此現(xiàn)象,目前仍有待解釋.

傳統(tǒng)測(cè)定重金屬銅對(duì)微藻毒性的方法是將微藻培養(yǎng)于含有不同Cu2+濃度的培養(yǎng)基中,通過(guò)測(cè)定細(xì)胞密度、葉綠素a濃度等參數(shù)的變化來(lái)反映藻類的生長(zhǎng)狀況[10-11].但由于藻類的活細(xì)胞和死細(xì)胞常常難以區(qū)分,難以保證傳統(tǒng)方法測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性.因此,也急需尋找一種快速、靈敏、并且對(duì)樣品無(wú)干擾的方法.藍(lán)藻作為一種自養(yǎng)生物,其生長(zhǎng)依賴于光合系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化.研究發(fā)現(xiàn)光系統(tǒng) I(PSI)、光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)和藻膽體(PBS)在藍(lán)藻光合反應(yīng)中起著關(guān)鍵的作用[12].近年來(lái),隨著“脈沖-振幅-調(diào)制(Pulse-Amplitude-Modulation, PAM)葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)”(國(guó)內(nèi)簡(jiǎn)稱調(diào)制葉綠素?zé)晒?其測(cè)量?jī)x器稱為調(diào)制熒光儀,或叫PAM)的發(fā)展,植物的生理狀態(tài),尤其是 PSⅡ的生理活性可以直接被量化,這一技術(shù)的出現(xiàn)為解決上述問(wèn)題提供了有益的參考[13].國(guó)外不少研究報(bào)道了重金屬對(duì)藻類葉綠素?zé)晒馓匦约吧L(zhǎng)的影響[14].國(guó)內(nèi)也有學(xué)者研究重金屬對(duì)微藻的葉綠素?zé)晒馓匦约吧L(zhǎng)的影響,但研究對(duì)象主要集中在硅藻門和綠藻門的一些種類[15],而有關(guān)Cu2+對(duì)藍(lán)藻葉綠素?zé)晒馓匦杂绊懙难芯肯鄬?duì)較少,主要集中于短時(shí)間內(nèi)高濃度 Cu2+對(duì)藍(lán)藻葉綠素?zé)晒獾募毙远拘宰饔糜绊慬16-17].基于此,本文選取銅綠微囊藻為研究對(duì)象,綜合探討不同Cu2+濃度對(duì)銅綠微囊藻生長(zhǎng)(藻細(xì)胞密度及葉綠素 a)及葉綠素主要熒光特性參數(shù)(Fv/Fm、ΦPSⅡ和ETR)的影響,既可為制定最佳的硫酸銅控藻劑量提供科學(xué)依據(jù),又可為實(shí)驗(yàn)室培育銅綠微囊藻時(shí)確定培養(yǎng)基銅含量提供參考,同時(shí)對(duì)硫酸銅除藻易導(dǎo)致藍(lán)藻復(fù)發(fā)現(xiàn)象做出一定解釋.

1 材料與方法

1.1 藻種及其培養(yǎng)

實(shí)驗(yàn)所采用的銅綠微囊藻種購(gòu)自中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所淡水藻種庫(kù),銅綠微囊藻培養(yǎng)基選用 BG11培養(yǎng)基,將銅綠微囊藻藻種接入到無(wú)菌的BG11培養(yǎng)基中,靜置培養(yǎng).培養(yǎng)條件為:溫度25℃,光照強(qiáng)度3000lx,光:暗時(shí)間比為12h:12h.

1.2 實(shí)驗(yàn)處理方法

先配制含 Cu2+濃度分別為 0, 1.0, 2.0, 4.0, 8.0μmol/改良的 BG11培養(yǎng)基,121℃高壓滅菌30min,冷卻后各取 150mL加入滅菌的組織培養(yǎng)瓶中.然后向組織培養(yǎng)瓶中加入 150mL用常規(guī)BG11培養(yǎng)基培養(yǎng)的已處于指數(shù)生長(zhǎng)期(OD680值約 0.2)的銅綠微囊藻溶液(其中含銅離子濃度按BG11培養(yǎng)基的0.32μmol/L計(jì)),混合均勻后各培養(yǎng)體系中Cu2+實(shí)際濃度分別為0.16, 0.66, 1.16, 2.16, 4.16μmol/L.另將150mL處于指數(shù)生長(zhǎng)期的銅綠微囊藻藻液加入 150mL新配置的常規(guī)BG11培養(yǎng)基中作為常規(guī)培養(yǎng)對(duì)照組,其 Cu2+實(shí)際濃度為0.32μmol/L.每個(gè)處理組各設(shè)置3個(gè)平行樣,培養(yǎng)條件同 1.1,分別在 6,12,24,48,72,96, 120h時(shí)取藻液測(cè)定OD680,葉綠素a含量和葉綠素?zé)晒鈪?shù).

1.3 藻細(xì)胞密度和葉綠素a含量的測(cè)定方法

銅綠微囊藻的細(xì)胞密度變化通過(guò)紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(上海棱光752N)測(cè)定680nm波長(zhǎng)處的光密度(OD680)值及其變化得到[18].

葉綠素a(chlorophyll a, Chl a)的測(cè)定采用冰凍丙酮法.取5mL藻液經(jīng)孔徑0.45μm乙酸纖維濾膜抽濾,取出帶有銅綠微囊藻的濾膜,在 4℃冰箱內(nèi)低溫干燥 6h后用剪刀剪碎加入離心管中,向離心管中加入3mL 90%丙酮,放入4℃冰箱中提取24h后,用離心機(jī)在3000r/min離心10min,將上清液加入1cm比色皿中分別讀取750nm、663nm、645nm和630nm波長(zhǎng)處的吸光度,以90%丙酮做空白參比. Chla含量按文獻(xiàn)[19]提供方法進(jìn)行計(jì)算.

1.4 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定

各濃度處理組分別取3mL培養(yǎng)藻液作為樣品,用 Water-PAM(Waltz, Germany)測(cè)定各葉綠素?zé)晒鈪?shù).本文主要選取以下3個(gè)葉綠素?zé)晒鈪?shù)(數(shù)據(jù)可從儀器上直接讀取)進(jìn)行測(cè)試分析:

1.4.1 Fv/Fm 該參數(shù)被稱為“PSII的光化學(xué)最大量子產(chǎn)量”,是暗適應(yīng)環(huán)境下PSII最大光化學(xué)效率(也稱為最大光能轉(zhuǎn)換效率,內(nèi)稟光能轉(zhuǎn)換效率)[20-22],或稱為潛在量子效率[23-24]或 PSII光化學(xué)最大量子效率[25],反映植物潛在最大光合能力.

1.4.2 ΦPSⅡ 該參數(shù)被稱為“有效或穩(wěn)定狀態(tài)的葉綠素?zé)晒饬孔赢a(chǎn)量”.表征的是光適應(yīng)狀態(tài)下 PSII的光化學(xué)效率[23-25,26]或光化學(xué)運(yùn)行效率[25].由于該參數(shù)量化了與PSII有關(guān)的葉綠素吸收的光中用于光化學(xué)過(guò)程的比例,同時(shí)也量化了線性電子傳遞的速率并顯示了總的光合作用,可揭示植物的生理狀態(tài),再加上測(cè)量簡(jiǎn)單,因此,該指標(biāo)被認(rèn)為是最有用和最常用的參數(shù)之一[25-26].

1.4.3 ETR 該參數(shù)被稱為PSII的光合電子傳遞速率.該值的下降表明電子傳遞效率下降.

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

應(yīng)用 SPSS19.0對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.相同培養(yǎng)時(shí)間下,不同Cu2+濃度對(duì)銅綠微囊藻細(xì)胞密度、Chl a和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響采用單因子方差分析(ANOVA)進(jìn)行比較.不同處理組之間的顯著差異采用Scheffe方法進(jìn)行多重比較.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 Cu2+對(duì)銅綠微囊藻細(xì)胞密度的影響

從圖1可以看到,含不同Cu2+濃度的各組培養(yǎng)液,在接種后的120h內(nèi),其OD值均隨時(shí)間發(fā)生了變化,其中對(duì)照組、0.66μmol/L組和1.16μmol/L組變化趨勢(shì)較為接近,即在接種后的前24h內(nèi)經(jīng)緩慢下降,之后均呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì),表明該3個(gè)濃度組對(duì)銅綠微囊藻的生長(zhǎng)都是相對(duì)比較適合的.從具體數(shù)據(jù)看,3個(gè)濃度組在120h時(shí)其OD值分別分別比接種后 6h時(shí)增長(zhǎng)了 92.2%,90.1%和94.4%.

其他 3個(gè)濃度組則表現(xiàn)出了各不相同的變化趨勢(shì),其中僅含Cu2+0.16μmol/L的組呈現(xiàn)出先下降后緩慢上升趨勢(shì),但總體變化不大,到 120h時(shí)僅

為0.166,比接種后6h時(shí)僅增加了5.7%,僅占對(duì)照組的 56.1%,說(shuō)明含銅低的培養(yǎng)基雖然銅綠微囊藻有一定生長(zhǎng),但增殖速率明顯減慢(能維持一部份生長(zhǎng),其銅來(lái)源應(yīng)是靠接種藻細(xì)胞衰亡后提供的,所以盡管有部分藻類存活,但總量增長(zhǎng)很小).

含Cu2+濃度為2.16 μmol/L的組,雖也呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì),但與上述4個(gè)組不同的是,前期下降幅度相對(duì)較大,時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),而后增長(zhǎng)幅度也較小.從OD值的實(shí)際表現(xiàn)看,該濃度對(duì)銅綠微囊藻的增殖已產(chǎn)生了一些抑制作用,使其增殖速率明顯降低.

圖1 Cu2+濃度對(duì)銅綠微囊藻OD680值的影響Fig.1 Effects of different Cu2+concentrations on the OD680 of Microcystis aeruginosa

含Cu2+濃度為4.16 μmol/L的組,其OD值變化則明顯不同于其他各組,接種后一直呈下降趨勢(shì),下降速度表現(xiàn)為先快后慢的特點(diǎn)(說(shuō)明后面有一定的適應(yīng)了),從接種后6h時(shí)的0.127快速下降到24h的0.036,之后再繼續(xù)緩慢下降直到120h的 0.016,整個(gè)過(guò)程增長(zhǎng)幅度為-87.4%,銅綠微囊藻數(shù)量越來(lái)越少,表明受到嚴(yán)重抑制和毒害作用.

單因子方差分析結(jié)果表明,在處理后的6h內(nèi),各濃度處理組間 OD680值尚無(wú)顯著差異(P＞0.05),但從12h開(kāi)始,一直到120h后實(shí)驗(yàn)結(jié)束,各處理組間的 OD680值均表現(xiàn)出顯著差異(P＜0.05).多重結(jié)果表明,從12h之后到實(shí)驗(yàn)結(jié)束,濃度為4.0μmol/L的處理組OD680值均顯著低于其他各組(P＜0.05).從48h開(kāi)始,濃度為0.66和1.16μmol/L的處理組OD680值顯著高于其他各組(P＜0.05).不含銅離子的處理組和濃度為2.16μmol/L的處理組 OD680值雖然顯著高于4.16μmol/L處理組,但顯著低于 0.66μmol/L, 1.16μmol/L處理組和對(duì)照組(P＜0.05).

綜上可見(jiàn),0.32～1.16μmol/L的Cu2+可較好的維持銅綠微囊藻的生長(zhǎng),0.16μmol/LCu2+或濃度在2.16μmol/L時(shí)可有效地抑制其增殖;而濃度達(dá)到4.16μmol/L時(shí),則可很好的抑制和殺滅銅綠微囊藻,使其逐漸滅亡.

2.2 Cu2+對(duì)銅綠微囊藻Chl a含量的影響

從圖2可以看到,各濃度處理組Chl a含量隨時(shí)間的變化規(guī)律各有特點(diǎn),其中增長(zhǎng)最多的是對(duì)照組和0.66μmol/L的處理組.兩個(gè)組都是前期經(jīng)一個(gè)短暫的小幅下降,然后隨即快速上升,到120h實(shí)驗(yàn)停止時(shí),比 6h時(shí)的含量分別增加了281.3%和 249.6%(幅度比 OD值要大許多,說(shuō)明該指標(biāo)更為靈敏).增長(zhǎng)率排在第三的是濃度為1.16μmol/L的處理組,其Chl a含量在接種后幾乎一路增加,從 6h的 190.82μg/L增加到 120h的665.94μg/L,但增長(zhǎng)率為 249.0%,比前兩組略低;而濃度為0.16μmol/L和2.16μmol/L的2個(gè)處理組最終增長(zhǎng)率較為接近,且均明顯低于前述各組.具體而言,含Cu2+僅為0.16μmol/L的處理組呈現(xiàn)先下降,后上升并保持基本穩(wěn)定,到120h時(shí),比6h時(shí)的含量?jī)H增加了49.3%.濃度為2.16μmol/L的處理組前期有一個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間的下降期,之后才有所上升,表明其已明顯受到抑制作用.

圖2 Cu2+對(duì)銅綠微囊藻葉綠素a含量的影響Fig.2 Effects of different Cu2+concentrations on the chlorophyll-a content of Microcystis aeruginosa

Cu2+濃度最高的4.16μmol/L處理組Chl a濃度變化規(guī)律則明顯不同,總體呈現(xiàn)單邊下降趨勢(shì),在前面24h內(nèi)迅速下降,之后趨于平穩(wěn)并始終保持在最低的水平.單因子方差分析結(jié)果表明,在測(cè)定的各時(shí)間段內(nèi),Cu2+濃度對(duì)銅綠微囊藻Chl a含量的影響均表現(xiàn)出顯著差異(P＜0.05).多重比較結(jié)果顯示,在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,濃度為4.16μmol/L的處理組 Chl a含量均顯著低于其他各組(P＜0.05).而從 48h后直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束,濃度為0.66μmol/L和1.16μmol/L的處理組Chl a含量均顯著高于其他各組(P＜0.05),與OD680值表現(xiàn)出類似的規(guī)律.

綜上所述,從Chl a含量指標(biāo)看, Cu2+濃度為0.32μmol/L和0.66μmol/L是其中最適合銅綠微囊藻生長(zhǎng)的,1.16μmol/L組雖然也較為適合,但不如前兩者好.而含Cu2+0.16μmol/L和2.16μmol/L的組已表現(xiàn)出一定的抑制作用,濃度為4.16μmol/L時(shí)則已具有明顯的滅藻抑藻作用.

2.3 Cu2+對(duì)銅綠微囊藻葉綠素?zé)晒鈪?shù)影響

2.3.1 PSII光化學(xué)最大量子產(chǎn)量(Fν/Fm)從圖3可以看到,0.16μmol/L Cu2+處理組,Fν/Fm值介于0.458～0.548之間,總體上呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì); Cu2+濃度為 0.32μmol/L的對(duì)照組,從 6h時(shí)的0.486一直上升到120h的0.562,整體呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢(shì);濃度為0.66μmol/L處理組雖然整體出現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì),但到96h和120h后基本保持穩(wěn)定,總體范圍為 0.480～0.557;1.16 μmol/L組整體表現(xiàn)為持續(xù)上升趨勢(shì),但在72h后增加不大,總體范圍為0.471～0.565;2.16μmol/L組整體表現(xiàn)為持續(xù)上升趨勢(shì).從6h時(shí)的0.481一直上升到120h的0.581,平均值為 0.541,成為各組中最大的值; 4.16μmol/L組則表現(xiàn)出與其他組明顯不同的規(guī)律,先快速下降,后迅速上升,在培養(yǎng)96h后又開(kāi)始下降,總體范圍為0.188～0.507,平均值僅為0.369,各時(shí)間段都明顯低于其他各組.但前面72h差別更為顯著,之后差距有所縮小.

從總體上看,除4.16 μmol/L組外,其余各組間Fv/Fm總體變化趨勢(shì)差別不大,而且最后得到的最大值間無(wú)顯著差別,說(shuō)明銅綠微囊藻受其脅迫效應(yīng)均不大,而 4.16μmol/L組則受到了明顯的脅迫作用.4.16μmol/L組呈現(xiàn)出先急劇下降后又快速上升,最后又略有下降的趨勢(shì),表明在早期確實(shí)受到了嚴(yán)重的脅迫作用,但這種脅迫作用可能對(duì)一些藻體還未從根本上破壞 PSII結(jié)構(gòu),只是使其短期內(nèi)受到了抑制,之后又得到了一定程度的恢復(fù).若按2.16μmol/L組最大值0.581作為理想值, 4.16μmol/L組最終比理想值下降了13.9%.按整個(gè)時(shí)段內(nèi)的平均值計(jì)算,則下降了 31.8%.由此可見(jiàn),4.16μmol/L組對(duì)銅綠微囊藻確實(shí)有明顯影響.

圖3 Cu2+濃度對(duì)銅綠微囊藻PSII光化學(xué)最大量子產(chǎn)量(Fν/Fm)的影響Fig.3 Effects of different Cu2+concentrations on the Fν/Fm of Microcystis aeruginosa

圖4 Cu2+濃度對(duì)銅綠微囊藻有效量子產(chǎn)量(Φ PSII)的影響Fig.4 Effects of different Cu2+concentrations on the Φ PSII of Microcystis aeruginosa

2.3.2 有效量子產(chǎn)量(Φ PSII) 從圖4可以看到, Φ PSII與Fν/Fm表現(xiàn)出了類似的變化趨勢(shì).對(duì)照組、濃度為 0.16μmol/L、0.66μmol/L 和1.16μmol/L的處理組,其ΦPSII值總體上均呈現(xiàn)出先逐漸上升,然后又略微下降的趨勢(shì).而濃度為2.16μmol/L組從開(kāi)始到72h呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢(shì),之后保持基本穩(wěn)定狀態(tài).濃度為4.16μmol/L組則表現(xiàn)出與其他各組明顯不同的變化規(guī)律,與Fν/Fm類似,呈現(xiàn)出先快速下降,而后逐漸上升再下降的趨勢(shì),且各時(shí)段的ΦPSII值均明顯低于其他各組.

2.3.3 PSII光合電子傳遞速率(ETR) 從圖5可知,各濃度處理組中ETR值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)總體上與ΦPSII和Fν/Fm相類似.添加Cu2+濃度為0.16μmol/L,0.32μmol/L,0.66μmol/L,1.16 μmol/L的處理組,電子傳遞速率總體均呈現(xiàn)先升高后緩慢下降趨勢(shì).

圖5 Cu2+濃度對(duì)銅綠微囊藻電子傳遞效率(ETR)的影響Fig.5 Effects of different Cu2+concentrations on the ETR of Microcystis aeruginosa

而添加濃度為2.16μmol/L的處理組則表現(xiàn)出與前面各組略有不同的規(guī)律,在72h前持續(xù)上升的基礎(chǔ)上,之后則未見(jiàn)下降,而是保持繼續(xù)緩慢上升;添加濃度為4.16μmol/L的處理組則表現(xiàn)出與其他各組明顯不同的變化規(guī)律,在前面24h內(nèi)快速下降,之后又快速上升,在培養(yǎng)96h后又快速下降.總的來(lái)看,添加濃度為 4.16 μmol/L的處理組電子傳遞效率受到了明顯的抑制作用,整個(gè)實(shí)驗(yàn)期都顯著低于其他濃度組.而其他各組差異不大,電子傳遞速率并未受明顯影響.

3 討論

Fv/Fm常作為表達(dá)植物光合性能是否受損的敏感性指標(biāo)[23-24].在正常生理狀態(tài)下,它是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值,高等植物和大型海藻一般為0.81～0.83,而微藻類約為 0.65[24-25,27-28]. Fv/Fm值變小被認(rèn)為是光合作用受抑制的顯著特征.任何導(dǎo)致 PSII活性受損(常指光抑制現(xiàn)象)或誘發(fā)持續(xù)猝滅的脅迫都會(huì)導(dǎo)致Fv/Fm值的下降[21,25].當(dāng)植物暴露在環(huán)境壓力下時(shí),Fv/Fm值往往低于正常值,即表明有光抑制現(xiàn)象[24]或環(huán)境壓力使PSⅡ反應(yīng)中心部分或全部受損,抑制了光合作用的原初反應(yīng),阻礙了光合電子傳遞過(guò)程[22].在本文中,各濃度處理組 Fv/Fm的最大值分別僅為0.486、0.562、0.557、0.581和0.369,均小于微藻類的 0.65,說(shuō)明整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中銅綠微囊藻均未達(dá)到其最佳的生長(zhǎng)狀況.尤其當(dāng)培養(yǎng)體系中 Cu2+濃度達(dá)到4.16 μmol/L,在24h內(nèi)Fv/Fm急劇下降,表明 PSII中心受損嚴(yán)重,阻礙了電子傳遞過(guò)程.而24h后Fv/Fm又逐漸升高,這可能是因?yàn)榕囵B(yǎng)基中一部分微囊藻在逐漸適應(yīng)脅迫環(huán)境后繼續(xù)繁殖生長(zhǎng)的結(jié)果.

ΦPSII代表了開(kāi)放的 PSⅡ反應(yīng)中心在環(huán)境脅迫中有部分關(guān)閉情況下對(duì)激發(fā)能(實(shí)際原初光能)的捕獲效率,也量化了由于熱耗散的競(jìng)爭(zhēng)作用而導(dǎo)致PSⅡ的光化學(xué)被限制的程度[20,29-30].對(duì)藻類而言,其值降低,說(shuō)明環(huán)境脅迫在阻止藻細(xì)胞同化力(NADPH,ATP)的形成,從而影響對(duì)碳的固定與同化[22].由于有效量子產(chǎn)量的變化反映的是PSII光化學(xué)性能的可逆性下降,而不是對(duì)光合結(jié)構(gòu)的不可逆損害,因此,它被看作是一個(gè)評(píng)價(jià)藻類如何對(duì)環(huán)境脅迫進(jìn)行響應(yīng)的很好的生態(tài)生理學(xué)指標(biāo)[23].Juneau特別指出,在穩(wěn)定的電子傳輸狀態(tài)下得到的PSII量子產(chǎn)量將成為一個(gè)敏銳反映藻類對(duì)有毒物敏感性的指標(biāo)[31].在本文研究中,濃度為4.16 μmol/L處理組ΦPSII值雖然存在一個(gè)先下降后上升的情況,但整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程都大大低于其他濃度處理組,說(shuō)明在該濃度下,其實(shí)際光化學(xué)性能的確受到了一定程度的抑制.

結(jié)合各濃度處理組銅綠微囊藻的 OD680值、Chl a含量和3個(gè)熒光參數(shù)指標(biāo)具體數(shù)據(jù)看,銅綠微囊藻的OD680值和Chl a含量值,與3個(gè)主要熒光參數(shù)值之間并未呈現(xiàn)簡(jiǎn)單的線性關(guān)系.而從具體數(shù)值的差異看,OD680值和Chl a含量值在各濃度處理組之間的差異,要明顯大于3個(gè)主要熒光參數(shù)在各濃度處理組之間的差異,因此,用OD680值和Chl a含量值可能更容易在早期區(qū)分環(huán)境對(duì)浮游藻類的脅迫效應(yīng).另外,從它們之間的數(shù)據(jù)差異,也可能恰好解釋了用硫酸銅殺藻時(shí)出現(xiàn)的藍(lán)藻易復(fù)發(fā)現(xiàn)象,因?yàn)楦邼舛扰囵B(yǎng)液中,3個(gè)熒光參數(shù)在早期雖然下降很多,但最后又得到了一定恢復(fù),并保持在一定水平,這為藍(lán)藻的再次增殖爆發(fā)提供了一種可能.

4 結(jié)論

4.1 從藻密度值變化看,濃度為 0.32～1.16μmol/ L的 Cu2+可較好的維持銅綠微囊藻的生長(zhǎng),Cu2+濃度在低至0.16μmol/L或高達(dá)2.16μmol/L時(shí)可有效地抑制其增殖;而濃度高達(dá) 4.16μmol/L時(shí),則可較好的抑制和殺滅部分銅綠微囊藻,防止其大量增殖.

4.2 從葉綠素a含量指標(biāo)的變化看,Cu2+濃度為0.32μmol/L和0.66μmol/L最適合銅綠微囊藻的生長(zhǎng),1.16μmol/L 稍差,而 Cu2+濃度低至0.16μmol/L或高達(dá)2.16μmol/L時(shí)已表現(xiàn)出一定抑制作用,濃度為4.16μmol/L時(shí)則具有明顯滅藻和抑藻效果.

4.3 當(dāng)培養(yǎng)體系中Cu2+濃度小于2.16μmol/L時(shí),各葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化幅度不大,總體上呈現(xiàn)先上升后趨穩(wěn)或略有下降趨勢(shì).而當(dāng)培養(yǎng)體系中Cu2+濃度為 4.16 μmol/L時(shí), Fv/Fm、ΦPSⅡ和ETR總體上呈現(xiàn)先下降后有所回升的趨勢(shì),但各時(shí)段值均顯著低于其他濃度處理組(P＜0.05),表明其光合功能受到了一定影響.

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Effects of Cu2+on the growth and main parameters of chlorophyll fluorescence of Microcystis aeruginosa.

WANG Shou-bing, XU Zi-ran, MA Xiao-xue, FAN Zheng-qiu, ZHANG Jie (Department of Environmental Science and Engineering, Fudan University, Shanghai 200433, China). China Environmental Science, 2016,36(12)：3759～3765

The effects of different Cu2+concentrations (0.16, 0.32, 0.66, 1.16, 2.16, 4.16μmol/L) in culture media on the cell density, chlorophyll-a content and chlorophyll fluorescence parameters (CFP) of Microcystis aeruginosa within the first 120h were investigated. It shows that Cu2+concentration had significant effects on the growth and chlorophyll-a content of Microcystis aeruginosa (P＜0.05) from 12h to 120h by One-way ANOVA. The growth of Microcystis aeruginosa could be promoted as the Cu2+concentration was between 0.32～1.16μmol/L and can be inhibited as that is below 0.16μmol/L or above 2.16μmol/L. The obvious effects on the CFPs of Fv/Fm, ΦPSⅡ and ETR were not observed when the Cu2+concentration is below 2.16μmol/L. But the serious bad influences were found when the Cu2+concentration was 4.16μmol/L. Its values of Fv/Fm, ΦPSⅡ and ETR were much less than that of other Cu2+concentration (P＜0.05), while shows the following changing trends: rapidly decreasing within the first 24h, then rapidly increasing within 24h～96h and finally slowly decreasing within 96h～120h.

Microcystis aeruginosa；copper；concentration；growth；chlorophyll fluorescence

X171

A

1000-6923(2016)12-3759-07

王壽兵(1970-)男,四川富順人,教授,博士,主要研究方向?yàn)楫a(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)和湖泊生態(tài)修復(fù).發(fā)表論文70余篇.

2016-04-15

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07102-004)

* 責(zé)任作者, 教授, sbwang@fudan.edu.cn