蔡卓平, 劉偉杰, 段舜山

?

重金屬Zn2+脅迫下米氏凱倫藻()的生長(zhǎng)生理響應(yīng)研究

蔡卓平1,2, 劉偉杰2, 段舜山2

1. 廣東省生態(tài)學(xué)會(huì), 廣州 510600 2. 暨南大學(xué), 廣州 510632

采用室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)方法, 以米氏凱倫藻()為生物材料, 設(shè)置不同濃度梯度的重金屬Zn2+(0、1、5、10、15和20 mg·L-1), 主要測(cè)定藻細(xì)胞密度、光合色素、光合效率、抗氧化酶類(lèi)、丙二醛(malondialdehyde, MDA)等相關(guān)指標(biāo), 探討重金屬Zn2+脅迫下米氏凱倫藻()的生長(zhǎng)和生理特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 在1和5 mg·L-1的Zn2+濃度下, 米氏凱倫藻細(xì)胞依然保持較好生長(zhǎng)繁殖, 表明其具有一定的耐受性, 而隨著重金屬Zn2+濃度的提高, 細(xì)胞生長(zhǎng)受到毒害抑制。光合色素含量呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化, 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)(96 h)葉綠素a、葉綠素b和胡蘿卜素含量有各自不同的變化趨勢(shì), 最大光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)表現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)。Zn2+濃度為10 mg·L-1時(shí), 超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)活性顯著高于對(duì)照; 過(guò)氧化氫酶(catalase, CAT)活性呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì), 且5、10、15和20 mg·L-1Zn2+濃度下米氏凱倫藻的過(guò)氧化氫酶(CAT)活性均顯著高于對(duì)照; 10、15 mg·L-1Zn2+濃度下米氏凱倫藻的總抗氧化能力(total antioxidant capacity, T-AOC)顯著高于對(duì)照, 而20 mg·L-1Zn2+濃度下的顯著低于對(duì)照。丙二醛(MDA)呈現(xiàn)出隨著Zn2+濃度提高而增加的趨勢(shì), 5、10、15和20 mg·L-1Zn2+濃度下米氏凱倫藻的丙二醛(MDA)均顯著高于對(duì)照。結(jié)果可為了解重金屬對(duì)海洋微藻的毒性作用提供數(shù)據(jù)參考。

重金屬; 米氏凱倫藻; 生長(zhǎng)生理; 抗氧化酶類(lèi)

0 前言

隨著人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展, 一些重金屬污染物進(jìn)入海洋, 給海洋生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能帶來(lái)潛在的危害。海洋生態(tài)系統(tǒng)中的重金屬來(lái)源主要有陸源輸入、天然源和大氣沉降, 其中陸源輸入是海洋重金屬污染的常見(jiàn)來(lái)源。近岸海域是污染物匯入和富集的重要場(chǎng)所[1-2]。持續(xù)有相關(guān)的研究報(bào)道了我國(guó)近海海域的重金屬污染狀況。例如, 對(duì)2017年4月采集的安海灣、圍頭灣表層沉積物中7種重金屬Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb含量進(jìn)行測(cè)定, 發(fā)現(xiàn)這7種重金屬的含量平均值依次為96.99、13.35、33.53、39.68、132.87、0. 17、39.10 μg·g-1, 分析表明該區(qū)域內(nèi)的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)為強(qiáng)生態(tài)危害, 應(yīng)該采取相應(yīng)措施控制污染源加強(qiáng)對(duì)該區(qū)域的環(huán)境保護(hù)[3]。微藻是海洋生態(tài)系統(tǒng)中最主要的初級(jí)生產(chǎn)者, 它們是一類(lèi)具多樣性、廣布性和特殊性的微小生物體, 也是海洋食物鏈的基礎(chǔ)生物[4]。當(dāng)海域受到重金屬污染的時(shí)候, 它們就可能成為首要的污染毒害生物對(duì)象, 并且使得重金屬通過(guò)食物鏈進(jìn)行富集和傳遞, 進(jìn)而對(duì)食物鏈各營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物產(chǎn)生有害影響, 甚至最終威脅到人類(lèi)的健康。重金屬鋅(Zn)是植物生長(zhǎng)生理所必需的一種微量元素, 是機(jī)體酶的輔基和維生素等重要的組成成分[5]。水生生物適度攝入鋅有助于生長(zhǎng)繁殖, 增強(qiáng)免疫力及抗病能力; 然而一旦受到鋅污染或過(guò)度攝入Zn元素, 水生生物就會(huì)產(chǎn)生氧化應(yīng)激反應(yīng), 抗氧化酶防御系統(tǒng)破壞, 生長(zhǎng)生理受到影響, 甚至死亡。米氏凱倫藻 ()屬于甲藻門(mén), 裸甲藻目, 凱倫藻屬, 是世界廣布種, 常見(jiàn)于溫帶和熱帶淺海水域[6]。該藻具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)力, 其誘發(fā)的藻華給我國(guó)沿海國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。本文重點(diǎn)研究重金屬Zn2+脅迫下米氏凱倫藻()的生長(zhǎng)生理響應(yīng), 以期為海洋微藻的生理生態(tài)學(xué)研究提供一些參照數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)選用的米氏凱倫藻()取自暨南大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院水生生物研究中心藻種室。微藻培養(yǎng)所用的人工海水, 先經(jīng)121.3 ℃高壓濕熱滅菌20 min, 待其冷卻后再用于微藻的培養(yǎng)。微藻培養(yǎng)所需的玻璃三角瓶均預(yù)先用稀HCl浸泡24 h, 經(jīng)蒸餾水沖洗干凈, 烘干后于121.3 ℃滅菌20 min備用。培養(yǎng)過(guò)程中, 將已知起始密度的目標(biāo)藻種分別接種于添加f/2培養(yǎng)基的滅菌人工海水中, 玻璃三角瓶中置于人工氣候光照培養(yǎng)箱中靜置培養(yǎng), 培養(yǎng)溫度為(23±1) ℃, 光照強(qiáng)度約為80 μmol·m-2·s-1, 光暗周期為12h: 12h, 每日定期搖晃三角瓶多次, 并隨機(jī)改變?nèi)瞧课恢谩?shí)驗(yàn)周期開(kāi)始前, 先對(duì)藻種活化及擴(kuò)大培養(yǎng), 并選取處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的海洋微藻用于實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所用的ZnCl2購(gòu)自上海阿拉丁試劑有限公司, 為分析純, 純度≥99.8%。

1.2 方法

培養(yǎng)基經(jīng)高壓蒸汽滅菌冷卻后, 分裝于150 mL玻璃三角瓶中, 每瓶100 mL。選取對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期藻種進(jìn)行接種, 初始接種濃度為1.0×105個(gè)·mL-1。重金屬離子的工作液由儲(chǔ)備液由培養(yǎng)基稀釋得到, 根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)設(shè)置重金屬Zn2+濃度梯度, 分別為0、1、5、10、15和20 mg·L-1。每個(gè)處理(含對(duì)照組)設(shè)置3個(gè)平行重復(fù)。置于原培養(yǎng)條件下96 h, 通過(guò)細(xì)胞計(jì)數(shù)觀測(cè)藻細(xì)胞的生長(zhǎng)繁殖, 并繪制生長(zhǎng)曲線并計(jì)算比生長(zhǎng)速率(μ)。比生長(zhǎng)速率()以藻細(xì)胞數(shù)均值為基礎(chǔ)數(shù)據(jù), 按照下面公式進(jìn)行計(jì)算:

= (lnt–lnN) /(–t)

式中:N和N分別為(96 h)時(shí)刻和t(初始接種)時(shí)的藻細(xì)胞數(shù)。在比生長(zhǎng)率速率基礎(chǔ)上, 采用概率單位-濃度對(duì)數(shù)法繪制曲線, 根據(jù)線性回歸方程計(jì)算96 h的半數(shù)抑制濃度(EC50)。

參照有關(guān)文獻(xiàn)[7-8]測(cè)定不同濃度重金屬Zn2+對(duì)米氏凱倫藻葉綠體色素含量的影響。取10 mL培養(yǎng)96 h的藻液, 經(jīng)高速冷凍離心機(jī)4 ℃, 5000 g離心15 min, 棄上清液, 加入5 mL抽提液(丙酮: 乙醇=1: 1),震蕩搖勻之后, 4 ℃黑暗靜置24 h后, 同條件離心15 min,取上清液, 用紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)UV2450測(cè)定440、645、663 nm波長(zhǎng)下上清液的吸光值, 以抽提液作為空白對(duì)照, 參照以下公式計(jì)算葉綠素a(Chl a)、葉綠素b(Chl b)和類(lèi)胡蘿卜素(Car)的含量(mg·L-1):

葉綠素a(Chl a)=12.7 OD663– 2.69 OD645

葉綠素b(Chl b)= 22.9 OD645– 4.68 OD663

類(lèi)胡蘿卜素(Car)= 4.7 OD440– 0.27(Chl a + Chl b)

受試藻種不同濃度重金屬Zn2+暴露處理96 h后, 取 2 mL藻液轉(zhuǎn)移至專(zhuān)用測(cè)量小瓶, 于暗箱中暗適應(yīng)30 min, 利用植物效率儀(PAM)在室溫下進(jìn)行測(cè)定, 由 3000 μmol·m-2·s-1的連續(xù)光誘導(dǎo), 熒光信號(hào)記錄從10 μs 開(kāi)始, 至 2 s 結(jié)束.記錄最大光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)值。重金屬Zn2+暴露處理米氏凱倫藻96 h, 測(cè)定藻體抗氧化系統(tǒng)相關(guān)酶類(lèi)的活性及含量, 指標(biāo)包括超氧化物歧化酶(SOD)活性、過(guò)氧化氫酶(CAT)活性、總抗氧化能力(T-AOC)、丙二醛(MDA)含量, 均采用南京建成公司相應(yīng)的試劑盒參照操作手冊(cè)進(jìn)行測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPASS 15.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, 結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差(Mean±SE)表示, 兩組間數(shù)據(jù)應(yīng)用配對(duì)t檢驗(yàn)進(jìn)行差異分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬Zn2+對(duì)米氏凱倫藻細(xì)胞生長(zhǎng)繁殖的影響

米氏凱倫藻在不同Zn2+濃度處理下的細(xì)胞生長(zhǎng)情況如圖1。米氏凱倫藻細(xì)胞在較低濃度重金屬Zn2+處理(0、1、5 mg·L-1)下能保持一直增長(zhǎng)的趨勢(shì); 而在較高濃度重金屬Zn2+處理(10、15、20 mg·L-1)下細(xì)胞生長(zhǎng)受到明顯的抑制?？傮w而言, 隨著重金屬Zn2+處理的增大, 藻細(xì)胞增長(zhǎng)減緩。從24 h開(kāi)始, 較高濃度重金屬Zn2+處理下的藻細(xì)胞密度就顯著低于較低濃度重金屬Zn2+處理下的藻細(xì)胞密度。24 h時(shí), 0、1、5、10、15和20 mg·L-1濃度Zn2+處理下的藻細(xì)胞密度分別為15.3×104、13.3×104、12.9×104、11.7×104、10.6×104和8.5×104個(gè)·mL-1。此時(shí), 較高濃度重金屬Zn2+處理(10、15、20 mg·L-1)下的藻細(xì)胞密度與對(duì)照(0 mg·L-1)相比存在顯著性差異, 隨后幾次取樣時(shí)間(48h、72h、96h)下的情況類(lèi)似。24 h時(shí), 較低濃度重金屬Zn2+處理(1、5 mg·L-1)下的藻細(xì)胞密度與對(duì)照(0 mg·L-1)相比沒(méi)有顯著性差異; 而從72 h開(kāi)始, 較低濃度重金屬Zn2+處理(1、5 mg·L-1)下的藻細(xì)胞密度也顯著低于對(duì)照。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)(96 h), 0、1、5、10、15和20 mg·L-1濃度Zn2+處理下的藻細(xì)胞密度分別為51.7×104、42.6×104、37.3×104、20.5×104、18.3×104、15.9×104個(gè)·mL-1。可見(jiàn), 米氏凱倫藻對(duì)重金屬Zn2+脅迫具有一定的適應(yīng)性。計(jì)算重金屬Zn2+對(duì)米氏凱倫藻的96 h半數(shù)抑制濃度(EC50), 結(jié)果為8.76 mg·L-1。

圖1 不同濃度重金屬Zn2+處理下米氏凱倫藻的細(xì)胞密度變化

Figure 1 Change of cell density ofgrown in different concentration of Zn2+

2.2 重金屬Zn2+對(duì)米氏凱倫藻光合色素含量的影響

不同濃度重金屬Zn2+處理下米氏凱倫藻的光合色素含量變化情況如圖2。隨著重金屬Zn2+濃度的提高, 米氏凱倫藻的Chl a含量和Chl b含量呈現(xiàn)降低, 而Car含量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。0、1、5、10、15和20 mg·L-1濃度Zn2+處理下米氏凱倫藻的Chl a含量分別為0.35、0.26、0.25、0.21、0.18和0.12 mg·L-1; Chl b含量分別為0.08、0.08、0.06、0.03、0.03和0.06 mg·L-1; Car含量分別為0.13、0.15、0.23、0.28、0.35和0.48 mg·L-1。

2.3 Zn2+對(duì)三種海洋微藻光合效率的影響

如圖3所示, 0、1、5、10、15和20 mg·L-1濃度Zn2+處理下米氏凱倫藻的最大光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)分別為0.52、0.58、0.54、0.54、0.52和0.46, 表明較低濃度重金屬Zn2+一定程度上促進(jìn)了米氏凱倫藻的最大光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm); 而隨著重金屬Zn2+濃度的提高(至20 mg·L-1), 米氏凱倫藻的最大光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)有所降低。

圖2 不同濃度重金屬Zn2+處理下米氏凱倫藻的光合色素含量變化

Figure 2 Change of photosynthetic pigment content ofunder different concentration of Zn2+

圖3 不同濃度重金屬Zn2+處理下米氏凱倫藻的最大光能轉(zhuǎn)化效率變化

Figure 3 Change of maximal photochemical efficiency ofin different concentration of Zn2+

2.4 重金屬Zn2+暴露處理對(duì)米氏凱倫藻抗氧化系統(tǒng)的影響

2.4.1 米氏凱倫藻的超氧化物歧化酶(SOD)活性變化

米氏凱倫藻經(jīng)不同濃度重金屬Zn2+暴露處理96 h, 其體內(nèi)的超氧化物歧化酶(SOD)活性變化情況如圖4所示。較低濃度重金屬Zn2+(1和5 mg·L-1)處理下, 米氏凱倫藻的SOD活性與對(duì)照組相比無(wú)顯著性差異; 重金屬Zn2+濃度為10 mg·L-1時(shí), SOD活性達(dá)到最大值, 與對(duì)照組相比有顯著性差異, 升高幅度為38.4%; 重金屬Zn2+濃度15和20 mg·L-1時(shí), SOD活性與對(duì)照組相比沒(méi)有顯著性差異, 維持在35 U·mg-1左右。

2.4.2 米氏凱倫藻的過(guò)氧化氫酶(CAT)活性變化

不同濃度重金屬Zn2+處理下米氏凱倫藻的過(guò)氧化氫酶(CAT)活性變化情況如圖5。0、1、5、10、15和20 mg·L-1濃度Zn2+處理下米氏凱倫藻的過(guò)氧化氫酶(CAT)活性分別為6.1、7.4、10.1、12.9、15.0和13.0 U·mg-1, 表明隨著重金屬Zn2+的濃度的提高, 米氏凱倫藻的過(guò)氧化氫酶(CAT)活性呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。其中5、10、15和20 mg·L-1濃度Zn2+處理下米氏凱倫藻的過(guò)氧化氫酶(CAT)活性均顯著高于對(duì)照。

圖4 不同濃度重金屬Zn2+處理下米氏凱倫藻的超氧化物歧化酶(SOD)變化

Figure 4 Change of SOD activity ofin different concentration of Zn2+

圖5 不同濃度重金屬Zn2+處理下米氏凱倫藻的過(guò)氧化氫酶(CAT)活性變化

Figure 5 Change of CAT activity ofin different concentration of Zn2+

2.4.3 米氏凱倫藻的總抗氧化能力(T-AOC)變化

不同濃度重金屬Zn2+處理下米氏凱倫藻的總抗氧化能力(T-AOC)呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)變化(圖6)。1和5 mg·L-1濃度Zn2+處理下米氏凱倫藻的總抗氧化能力(T-AOC)與對(duì)照組相比無(wú)顯著性差異, 10和15 mg·L-1濃度Zn2+處理下米氏凱倫藻的總抗氧化能力(T-AOC)與對(duì)照相比有顯著的提高, 而20 mg·L-1濃度Zn2+處理下米氏凱倫藻的總抗氧化能力(T-AOC)與對(duì)照相比有顯著的減低。0、1、5、10、15和20 mg·L-1濃度Zn2+處理下米氏凱倫藻的總抗氧化能力(T-AOC)分別為4.31、4.33、4.8、7.7、7.2和3.5 U·mg-1。

2.4.4 米氏凱倫藻的丙二醛(MDA)變化

米氏凱倫藻丙二醛(MDA)的含量呈現(xiàn)出隨著重金屬Zn2+濃度的提高而增加的趨勢(shì)(圖7)。1 mg·L-1濃度Zn2+處理下米氏凱倫藻丙二醛(MDA)的含量(0.85)與對(duì)照(0.83)相比沒(méi)有顯著性差異, 5、10、15和20 mg·L-1濃度Zn2+處理下米氏凱倫藻丙二醛(MDA)的含量均顯著高于對(duì)照, 增幅達(dá)200%—300%。

圖6 不同濃度重金屬Zn2+處理下米氏凱倫藻的總抗氧化能力(T-AOC)變化

Figure 6 Change of T-AOC activity ofin different concentration of Zn2+

圖7 不同濃度重金屬Zn2+處理下米氏凱倫藻丙二醛(MDA)的變化

Figure 7 Change of MDA activity ofin different concentration of Zn2+

3 討論與展望

鋅是造紙過(guò)程常用的一種重金屬元素, 它不易自然降解, 也難以被微生物分解, 因此容易隨生成廢水的排放流入近海水域, 導(dǎo)致一些近海海域的受污染狀況較為嚴(yán)重[9]。基于2017年夏季54個(gè)采樣點(diǎn)表層沉積物測(cè)試資料, 分析象山近海沉積物中Cr、Cu、Zn、Pb、Hg、As、Cd 等7種重金屬的污染狀況, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)它們的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為89.860、36.890、108. 740、32.150、0.041、6.090和134μg·g-1[10]; 而有研究測(cè)定榮成灣近岸海域14種經(jīng)濟(jì)生物體體內(nèi)Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Hg和As等7種重金屬的含量, 評(píng)估人體攝食可能存在的健康風(fēng)險(xiǎn), 結(jié)果表明經(jīng)濟(jì)生物體的重金屬平均含量Zn>Cu>Cr>As>Pb>Cd>Hg, 部分貝類(lèi)生物體中Zn有超標(biāo)[11]。因此開(kāi)展并豐富重金屬鋅對(duì)海洋生物的毒理學(xué)研究工作具有緊迫性。

本研究發(fā)現(xiàn), 較低濃度(1和5 mg·L-1)的Zn2+濃度下, 米氏凱倫藻細(xì)胞還保持較好的生長(zhǎng)繁殖, 表明其對(duì)重金屬Zn2+具有一定的耐受性; 而隨著重金屬Zn2+濃度的增大, 細(xì)胞生長(zhǎng)受到抑制, 表現(xiàn)出明顯的毒性效應(yīng), 此研究結(jié)果與之前的報(bào)道基本一致[5]。光合色素是反映植物利用光照進(jìn)行光合作用的一個(gè)重要指標(biāo)[12], 研究顯示, 在重金屬Zn2+脅迫條件下, 微藻的葉綠素a和葉綠素b的含量呈現(xiàn)下降的趨勢(shì), 而胡蘿卜素反而有所提高, 表明它們對(duì)重金屬Zn2+脅迫可能有不同的響應(yīng)程度和方式。也有研究報(bào)道, 微藻在遭受外界脅迫的時(shí)候, 光合色素可能提高, 也可能降低, 推測(cè)這與實(shí)驗(yàn)條件、脅迫程度以及生物體差異等多種因素有關(guān)[12]。Fv/Fm反映的是PS反應(yīng)中心的內(nèi)稟光能轉(zhuǎn)換效率或稱(chēng)為PSII的最大光能轉(zhuǎn)化效率。在脅迫條件下, 該參數(shù)的變化較大, 因此它可以用來(lái)反映微藻生長(zhǎng)環(huán)境是否良好[13]。本實(shí)驗(yàn)中, Fv/Fm表現(xiàn)出一個(gè)低濃度受刺激, 高濃度受抑制的現(xiàn)象, 即毒物興奮效應(yīng)(hormesis)[14], 說(shuō)明低濃度重金屬Zn2+在一定程度上能提高微藻光合作用, 促進(jìn)光系統(tǒng)最大光化學(xué)轉(zhuǎn)化效率及實(shí)際的光能捕獲效率; 而高濃度重金屬Zn2+則可能迫使PSII反應(yīng)中心受損, 抑制光合作用的原初反應(yīng), 降低最大光化學(xué)轉(zhuǎn)換效率及PSII實(shí)際的光能捕獲效率[15]。類(lèi)似地, 王山杉等[16]對(duì)不同Zn2+濃度條件下培養(yǎng)的固氮魚(yú)腥藻的葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm進(jìn)行了測(cè)定, 結(jié)果表明, 當(dāng)Zn2+濃度為1.0 μmol·L-1時(shí), 其Fv/Fm值最高; 隨著Zn2+濃度的升高, Fv/Fm值降低, 其生長(zhǎng)和光合作用受到明顯的抑制, 結(jié)果與本研究基本一致。

超氧化物歧化酶(SOD)和過(guò)氧化氫酶(CAT)是生物體抗氧化防御系統(tǒng)中重要的酶類(lèi), 在預(yù)防機(jī)體的外界損傷有關(guān)鍵作用[17]。Zn2+暴露對(duì)米氏凱倫藻生理生化的影響過(guò)程中, SOD是抗氧化防御系統(tǒng)的第一道防線。Zn2+重金屬離子進(jìn)入微藻體內(nèi)后, 體內(nèi)產(chǎn)生大量的自由基, 若不及時(shí)清除, 則破壞生物體活性氧的平衡, 此時(shí)機(jī)體內(nèi)的抗氧化酶系統(tǒng)就會(huì)啟動(dòng), 對(duì)抗活性氧的清除和脅迫, 以抵御不良環(huán)境的傷害。我們的研究結(jié)果表明, 當(dāng)重金屬Zn2+濃度為10 mg·L-1時(shí), SOD活性達(dá)到最大值。CAT在保護(hù)藻體免受活性氧破壞中也起到重要的作用, 米氏凱倫藻的過(guò)氧化氫酶(CAT)活性在10、15 mg·L-1濃度Zn2+處理下較高。過(guò)多的活性氧可引發(fā)或加劇膜脂過(guò)氧化作用, 造成細(xì)胞膜系統(tǒng)損傷, 嚴(yán)重時(shí)可引起藻細(xì)胞的死亡。丙二醛(MDA)是膜脂質(zhì)過(guò)氧化的重要產(chǎn)物, 它能交聯(lián)脂類(lèi)、核酸、糖類(lèi)及蛋白質(zhì)從而對(duì)質(zhì)膜結(jié)構(gòu)和功能造成不良影響, 所以其含量高低可以反映細(xì)胞膜脂過(guò)氧化的程度大小[12]。本研究中, 丙二醛(MDA)呈現(xiàn)出隨著重金屬Zn2+濃度的提高而增加的趨勢(shì), 5、10、15和20 mg·L-1濃度Zn2+處理下米氏凱倫藻的丙二醛(MDA)均顯著高于對(duì)照。

需要指出的是, 本研究是基于重金屬Zn2+單一脅迫條件下開(kāi)展, 但在自然海域環(huán)境中, 重金屬之間聯(lián)合作用而構(gòu)成復(fù)合污染, 因此重金屬污染常呈現(xiàn)復(fù)合性和多樣性[18]。重金屬之間的相互作用通常分為拮抗、加和或協(xié)同作用, 當(dāng)多種重金屬共同暴露于生物體時(shí), 其作用效應(yīng)與單一重金屬暴露往往有很大的不同[19], 因此需要進(jìn)一步加強(qiáng)重金屬?gòu)?fù)合污染研究, 以更客觀體現(xiàn)環(huán)境中重金屬污染物與生物有機(jī)體之間的相互作用規(guī)律和機(jī)理。此外, 不同的海洋藻類(lèi)之間對(duì)重金屬脅迫也存在不同的生長(zhǎng)響應(yīng)特征, 而重金屬對(duì)藻類(lèi)生長(zhǎng)的脅迫作用還可能受到光照、溫度、營(yíng)養(yǎng)鹽、pH環(huán)境因子直接影響或間接影響。今后將繼續(xù)對(duì)這些相關(guān)的問(wèn)題進(jìn)行研究報(bào)道。

[1] WOJTKOWSKA M, BOGACKI J, WITESKA A. Assessment of the hazard posed by metal forms in water and sediments[J]. Science of The Total Environment,2016, 15(551/552): 387–392

[2] 林麗華, 魏虎進(jìn), 黃華梅. 大亞灣表層沉積物和底棲生物中重金屬的污染特征與生物積累[J]. 生態(tài)科學(xué), 2017, 36(6): 173–181.

[3] 熊慧, 楊麗虹, 鄧永智. 福建省安海灣、圍頭灣海域表層沉積物重金屬含量分布特征及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 應(yīng)用海洋學(xué)學(xué)報(bào), 2019, 38(1): 68–74

[4] CAI Zhuoping, DUAN Shunshan, ZHU Honghui. Compensatory growth of the bloom-forming dinoflagellateinduced by nitrogen stress[J]. Oceanologia, 2013, 55(1): 269–276

[5] 于小娣, 師玥, 劉泳, 等. 重金屬脅迫對(duì)兩種海洋餌料微藻的急性毒性效應(yīng)研究[J]. 中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 44(2): 53–59

[6] 周欽, 馬增嶺, 袁興偉, 等. 米氏凱倫藻生長(zhǎng)對(duì)磷的響應(yīng)及其吸收動(dòng)力學(xué)研究[J]. 上海海洋大學(xué)學(xué)報(bào), 2017, 26(4): 546–553

[7] 郝建軍, 康宗利. 植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)術(shù)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2006.

[8] 李合生. 植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2000.

[9] 王歷瑤, 蘇芳莉, 孫權(quán), 等. 重金屬鋅在蘆葦植株中富集、轉(zhuǎn)運(yùn)及分布特征研究[J]. 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 47(5): 621–626.

[10] 李金鐸, 虞理鵬, 賀智能, 等. 象山近海表層沉積物重金屬分布特征和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2018, 31(10): 1751–1760

[11] 孫玲玲, 宋金明, 于穎, 等. 榮成灣 14 種海洋經(jīng)濟(jì)生物體中的重金屬水平與食用風(fēng)險(xiǎn)初步評(píng)價(jià)[J]. 海洋與湖沼, 2018, 49(1): 52–61

[12] 劉易見(jiàn), 顏?lái)f, 劉春辰, 等. 蒽和鎘對(duì)米氏凱倫藻的生長(zhǎng)及葉綠素a、丙二醛含量的影響[J]. 生態(tài)科學(xué), 2016, 35(4): 47–51.

[13] 梁英, 金月梅, 田傳遠(yuǎn). 磷限制及恢復(fù)對(duì)小球藻葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊慬J]. 南方水產(chǎn), 2008, 4(4): 1–7

[14] CALABRESE E J, BAIDWIN L A, HOLLAND C D. Hormesis: a highly generalizable and reproducible phenomenon with important implications for risk assessment[J]. Risk Analysis, 1999,19(2): 261–281.

[15] PARKHILL J, MAILLET G, CULLEN J J. Fluorescence- based maximum quantum yield for PSⅡas a diagnostic of nutrient stress[J]. Journal of Phycology, 2001, 37: 517–529.

[16] 王山杉, 劉永定, 金傳蔭, 等. Zn2+濃度對(duì)固氮魚(yú)腥藻(Ley)光能轉(zhuǎn)化特性的影響[J]. 湖泊科學(xué), 2002, 14(4): 350–356.

[17] 張楠, 張清靖, 賈成霞, 等. 重金屬鋅對(duì)大型溞SOD、CAT酶活性和GSH含量的影響[J]. 西南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2017, 39(1): 69–75

[18] RASHDI S, ARABI A A, HOWARI F W, et al. Distribution of heavy metals in the coastal area of Abu Dhabi in the United Arab Emirates[J]. Marine Pollution Bulletin, 2015, 97(1/2): 494–498

[19] KIM B S,SALAROLI A B, FERREIRA P A, et al. Spatial distribution and enrichment assessment of heavy metals in surface sediments from Baixada Santista, Southeastern Brazil[J]. Marine Pollution Bulletin, 2016, 103(1/2): 333–338

Growth and physiological response ofto heavy metal Zn2+stress

CAI Zhuoping1,2, LIU Weijie1,2, DUAN Shunshan1,2

1. Ecological Society of Guangdong Province, Guangzhou 510650, China 2. Jinan University, Guangzhou 510632, China

An indoor experiment with different concentration gradients of heavy metal Zn2+(0, 1, 5, 10, 15 and 20 mg·L-1) was carried out by usingas material, and determining the cell density, photosynthetic pigments, photosynthetic efficiency, antioxidant enzymes and malondialdehyde (MDA) to study the growth and physiological characteristics ofin response to Zn2+stress. The results showed that under the concentration of 1 and 5 mg·L-1Zn2+,cells still maintained good growth and reproduction, indicating that they were tolerant to Zn2+, meanwhile the growth of cells was inhibited by toxicity with the increase of the Zn2+concentration. At the end of the experiment (96 h), the contents of chlorophyll a, chlorophyll b and carotene fluctuated, and the maximal photochemical efficiency (Fv/Fm) showed a trend of first rising and then decreasing. The activity of superoxide dismutase (SOD) was significantly higher when the Zn2+concentration was 10 mg·L-1than that of the control; the activity of catalase (CAT) increased first and then decreased, and its activity was significantly higher than that of thecontrol under the Zn2+concentration of 5, 10, 15 and 20 mg·L-1; the total antioxidant capacity (T-AOC) ofat the Zn2+concentration of 10 and 15 mg·L-1was significantly higher than that of the control, while at the Zn2+concentration of 20 mg·L-1was significantly lower than that of the control. The content of malondialdehyde (MDA) increased with the increase of the Zn2+concentration, and the content of malondialdehyde (MDA) oftreated with 5, 10, 15 and 20 mg·L-1Zn2+concentrations was significantly higher than that in the control. The results can provide data for understanding the toxicity of heavy metals to marine microalgae.

heavy metal;; growth and physiology; antioxidant enzymes

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.02.023

Q494

A

1008-8873(2019)02-176-06

2018-10-07;

2018-12-25

廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(201707010481)

蔡卓平(1980—), 男, 博士, 副編審, 主要從事生態(tài)學(xué)研究工作, E-mail: zpcai@scau.edu.cn

蔡卓平, 劉偉杰, 段舜山. 重金屬Zn2+脅迫下米氏凱倫藻()的生長(zhǎng)生理響應(yīng)研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2019, 38(2): 176-181.

CAI Zhuoping, LIU Weijie, DUAN Shunshan. Growth and physiological response ofto heavy metal Zn2+stress[J]. Ecological Science, 2019, 38(2): 176-181.