錢凱榮 馬增嶺 李仁輝 陳斌斌 王敏 朱淑楠 榮夢薇 秦文莉

（溫州大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，溫州 325000）

經(jīng)濟(jì)全球化的今天，環(huán)境問題日益顯著。其中，水體富營養(yǎng)化的控制和藻華的消除是環(huán)境工作者面臨的一個(gè)難題。淡水藻華中，銅綠微囊藻大量繁殖是水體富營養(yǎng)化的一種常見表現(xiàn)形式［1］。同時(shí)，銅綠微囊藻會釋放一種單環(huán)七肽化合物，且已有過百個(gè)同源體，即微囊藻毒素（microcystins，MCs），它會使植物幼苗發(fā)生變形、葉片光合能力降低，MCs會通過食物鏈直接或間接的進(jìn)入動(dòng)物體內(nèi)，通常會出現(xiàn)中毒癥狀，如肌肉無力、呼吸窘迫等［2］。早期學(xué)者普遍認(rèn)為 MCs 是一種急性肝毒素，通過皮膚接觸就會刺激損傷肝臟。近期的研究表明，MCs 對腎、腦等器官均表現(xiàn)出一種慢性毒作用，并誘導(dǎo)呼吸、生殖系統(tǒng)產(chǎn)生生理上的病變，基因突變也是其危害的范疇之內(nèi)［3］，也有人認(rèn)為在中國地區(qū)高發(fā)的原發(fā)性肝癌就與其相關(guān)。因此，水體藻華如何被有效控制，已是環(huán)境領(lǐng)域多年來的研究熱點(diǎn)。

世界各地的學(xué)者不斷探索與研究各種方法來應(yīng)對水體富營養(yǎng)化帶來的危害，目前對于控藻的常規(guī)方法有操作簡單但處理時(shí)間較長且消耗成本過高的物理法、用于應(yīng)急治理但日后對水體危害較大的化學(xué)法以及生態(tài)危害性低但控藻過程較為繁瑣的生物法，但因生物法符合當(dāng)下各國的可持續(xù)發(fā)展理念，進(jìn)而備受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注，植物化感物質(zhì)控制藻類生長即是生物法中的一類。

21 世紀(jì)以來，植物對銅綠微囊藻生長繁殖的化感作用已有大量研究。由于早期學(xué)者的研究思路致使水生植物的起始研究較陸生植物早，已有研究證實(shí)通過化感物質(zhì)的釋放來使得銅綠微囊藻生長受到抑制的水生植物有沉水植物、挺水植物和浮水植物，其中包括粉綠狐尾藻（Myriophyllum aquaticum）［4-5］、黃菖蒲（Lris pseudacorus）［6］、槐葉萍（Salvinia natans）［7］等。而常見的陸生植物如大麥（Hordeum vulgare）、加拿大一枝黃花（Solidago canadensis）、水稻（Oryza sativa）等，植物量大、次生代謝產(chǎn)物豐富等特點(diǎn)使其逐漸成為新的研究熱點(diǎn)。

本文針對水生植物和陸生植物對銅綠微囊藻的化感作用，從化感作用的發(fā)展、化感物質(zhì)和作用機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)闡述，歸納了各種植物的化感作用特點(diǎn)，并且總結(jié)了抑制銅綠微囊藻的植物種類和研究方法以供深入研究參考。

1 化感作用

德國科學(xué)家 Molisch 在 1937 年提出“化感作用”，闡述包括微生物在內(nèi)的所有植物間生物化學(xué)方面的相互作用。將近40年之后，Rice［8］對“化感作用”進(jìn)行更深層次的補(bǔ)充，增添了植物是通過釋放化感物質(zhì)來對其他植物以及微生物產(chǎn)生危害這一前提。但是，現(xiàn)有研究表明，化感作用也有相互促進(jìn)的效果。水生植物對藻類的異株克生是1949 年Hasler 等［9］首次發(fā)現(xiàn)。隨著富營養(yǎng)化水體問題的日益嚴(yán)峻，預(yù)防水華發(fā)生已經(jīng)是全球環(huán)境領(lǐng)域研究的中心和前沿，顯然通過化感作用來控制藻類的繁殖與生長已是眾多學(xué)者專研的課題。

2 水生植物對銅綠微囊藻的化感作用

20 世紀(jì)后期開始了水生植物化感抑藻的相關(guān)研究，具有化感抑藻作用的水生植物主要有沉水植物、挺水植物和浮水植物等［10］。研究表明，植物中含有大量化感物質(zhì)，至今已知的化感物質(zhì)大體上分為如表1所示［8，11］。表 2 總結(jié)了抑制銅綠微囊藻生長的水生植物種類、對應(yīng)的抑藻研究方法、已分離鑒定的主要化感物質(zhì)及其有效抑制率。

表1 按化學(xué)結(jié)構(gòu)對化感物質(zhì)的歸類Table 1 The classification of allelochemicals in terms of their chemical structure

表2 對銅綠微囊藻具有化感作用的水生植物Table 2 Aquatic plants that are allelopathic to Microcystis aeruginosa

表2續(xù)表

2.1 沉水植物對銅綠微囊藻的化感作用

沉水植物生長在水面以下，爭奪藻的生存空間、營養(yǎng)物質(zhì)以及遮擋水中有效光照的射入，從而影響藻的生長生存。另外，其還通過化感物質(zhì)的釋放來影響和阻礙藻類生長［12］。如穗花狐尾藻（Myriophyllum spicatum）、伊樂藻（Elodea canadensis）、輪葉狐尾藻（Myriophyllum verticillatum）釋放的水解多酚對銅綠微囊藻生長有抑制作用［13］。Nakai等［14］和 He等［15］在研究穗花狐尾藻化感抑制銅綠微囊藻生長過程中，發(fā)現(xiàn)其分泌物中酚酸類化合物占主導(dǎo)，其中有富含焦酸、沒食子酸、（+）-兒茶素等酚酸類化感物質(zhì)，以及棕櫚酸、正壬酸、硬脂酸、肉豆蔻酸及油酸在內(nèi)的多種脂肪酸類化感物質(zhì)。胡陳艷等［16］從馬來眼子菜（Potamogeton malaianus）中分離出脂肪酸類活性組分，其中脂肪酸和油酸高達(dá) 8 種，證實(shí)了脂肪酸類化感物質(zhì)具有抑藻效應(yīng)。黃新穎等［17］對馬來眼子菜、黑藻（Hydrilla verticillata）和苦草（Vallasneria asiatica）進(jìn)行抑藻活性組分的分析，結(jié)果表明，從3種植物的水浸出液中分離出 40 余種化合物，其中脂肪酸類占據(jù)多數(shù)。另外，眼子菜科植物，如浮葉眼子菜（Potamogeton natan）［16，18］、光葉眼子菜（Potamogeton lucens）、篦齒眼子菜（Potamogeton pectinatus）［19］等體內(nèi)可以分離得到生物堿、二萜、類黃酮等具有控藻活性化合物。最新的研究表明，生物堿類物質(zhì)對銅綠微囊藻生長的抑制效果最佳，其最大抑制率（＞80%）高達(dá)酚酸類，脂肪酸和酯類化感物質(zhì)的 52 倍，且作用時(shí)效也明顯長于酚酸類，脂肪酸和酯類化感物質(zhì)［20］。因此，沉水植物中可以通過釋放酚酸類、脂肪酸類、生物堿等化感物質(zhì)從而控制銅綠微囊藻的生長。

將多種植物混合培養(yǎng)，則會產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)，具有更強(qiáng)的抑制效果［21］。鮮啟鳴等［22］將金魚藻（Antirrhinum majus）和微齒眼子菜（Potamogeton maackianus）這兩種植物共培養(yǎng)，對銅綠微囊藻抑制效果要優(yōu)于兩種植物單獨(dú)培養(yǎng)時(shí)的抑制效果。同樣，張之浩［23］也進(jìn)行了類似的研究，結(jié)果顯示植物組合處理的實(shí)驗(yàn)組對浮游藻的抑制能力都顯著高于單一植物處理組，其抑制率順序?yàn)椋海ń痿~藻+黑藻）＞（狐尾藻+苦草）＞（金魚藻+苦草）＞（狐尾藻+黑藻）＞（黑藻+苦草）＞（狐尾藻+金魚藻）＞單一植物，證實(shí)了多種植物混合培養(yǎng)能夠提升對藻的抑制能力。不同植物的化感物質(zhì)分泌至同一環(huán)境中，化感物質(zhì)結(jié)合產(chǎn)生新的化感特性，進(jìn)而提升了對銅綠微囊藻的抑制能力。高云霓等［24］對苦草化感物質(zhì)的進(jìn)一步分析，在研究苦草釋放的酚酸對銅綠微囊藻的化感作用時(shí)，從其乙酸乙酯組分中檢測到苯甲酸、對羥基苯甲酸、對羥基苯乙酸、鄰苯二甲酸、對羥基苯丙酸、香草酸、原兒茶酸、阿魏酸和咖啡酸等9種酚酸。不同酚酸混合后表現(xiàn)出加和抑藻效應(yīng)，且隨著混合種數(shù)的增多，酚酸的加和效應(yīng)增強(qiáng)。綜上所述，多種化感活性物質(zhì)的交互或聯(lián)合作用可能是水環(huán)境中沉水植物化感抑制銅綠微囊藻的一種關(guān)鍵機(jī)制。

2.2 挺水植物對銅綠微囊藻的化感作用

挺水植物莖和葉挺出水面，根生長在底泥之中，主要通過根部釋放化感物質(zhì)抑制藻類的生長。Zhang等［25］研究了銅綠微囊藻對菖蒲（Acorus calamus）根莖提取物的生理耐受性實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，50 mg/L 和 100 mg/L 的菖蒲提取物在 3 d內(nèi)對銅綠微囊藻的抑制率接近 100%。早期有學(xué)者對菖蒲的根部做了對比實(shí)驗(yàn)顯示，根部未受損的菖蒲對銅綠微囊藻有明顯抑制效果，這也表明菖蒲對銅綠微囊藻的化感作用主要來源于根部分泌物［26］。李鋒民和胡洪營等［27］研究得出大型水生植物蘆葦（Phragmites communis）能分泌出化感物質(zhì) 2 -甲基乙酰乙酸乙酯（ethyl 2-methyl acetoacetate，EMA），EMA 能對銅綠微囊藻的生長起到抑制作用并對其生理特性產(chǎn)生不同程度的影響。也有學(xué)者對蘆葦不同部位浸出液對銅綠微囊藻的抑制效果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)：根＞穗＞稈［28］，說明植物各部位化感抑藻能力存在差異，但根部釋放的化感物質(zhì)對銅綠微囊藻抑制效果更好。

目前有研究發(fā)現(xiàn)挺水植物以根部為化感物質(zhì)的主要釋放源，但部分植物的化感物質(zhì)釋放量濃度很低，導(dǎo)致抑制效果不明顯，因此通過有效的提取方法來增強(qiáng)其抑制效果成為了新的研究熱點(diǎn)。王紅強(qiáng)等［29］對菖蒲、香蒲（Typha orientalis Presl）、梭魚草、水花生（Alternanthera philoxeroides）比較超純水與丙酮溶劑提取液對銅綠微囊藻的抑制情況發(fā)現(xiàn)，超純水浸提液的抑制率分別為 9.8%、6.3%、7.5%和43.2%，丙酮浸提液抑制率分別為 38.0%、16.5%、17.6%和61.7%，表明丙酮浸提液的抑制效果顯著高于超純水浸提液，這或許是與兩者提取的多酚純度有關(guān)，但并未得到有力的實(shí)驗(yàn)舉證，需進(jìn)一步研究分析。李江［30］通過植物種植水、植物浸提液、共培養(yǎng)等3種實(shí)驗(yàn)方式研究慈姑（Sagittaria trifolia）和荸薺（Eleocharis dulcis）對銅綠微囊藻生長的影響，均是取植株根莖部位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示慈姑種植水、慈姑浸提液、荸薺種植水、荸薺浸提液均對銅綠微囊藻的生長具有抑制作用，且抑制率分別為55.45%、89.30%、57.04%和91.40%。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)還證實(shí)荸薺對應(yīng)的外源性化合物圣草酚是導(dǎo)致銅綠微囊藻藻細(xì)胞減少以及死亡的主要化感物質(zhì)。同樣的，張娉楊［31］也做了類似的實(shí)驗(yàn)，對水蔥和慈姑的種植水和根莖提取液進(jìn)行對比，表明水蔥種植水、水蔥莖浸提液、慈姑種植水及慈姑莖浸提液對銅綠微囊藻生長的最高抑制率分別達(dá) 25.32%、67.39%、53.54%和90.99%?？傮w而言，對銅綠微囊藻的抑制能力強(qiáng)弱的排序?yàn)椋捍裙茫舅[，根莖浸提液＞種植水。這一結(jié)果與李江的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，說明通過浸提的方式提取化感物質(zhì)能夠增強(qiáng)對銅綠微囊藻的抑制效果。

2.3 浮水植物對銅綠微囊藻的化感作用

浮水植物基本浮在水面且其具有較大的葉片或植物組織，從而切斷了水體中藻類的光源，導(dǎo)致藻類不能進(jìn)行有序的光合作用，因此藻密度降低。但有研究發(fā)現(xiàn)了浮水植物對藻類生長的影響不僅于此，其同樣可以釋放化感物質(zhì)，進(jìn)一步影響藻類的生長。楊小杰等［32］研究了鳳眼蓮對銅綠微囊藻共培養(yǎng)效果，其 4 d時(shí)銅綠微囊藻細(xì)胞就出現(xiàn)萎縮現(xiàn)象，類囊體片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)溶解，細(xì)胞 ATP 水平持續(xù)快速下降，銅綠微囊藻毒素（MC-LR 和 MC-RR）的釋放量顯著降低。劉潔生等［33］發(fā)現(xiàn)鳳眼蓮（Eichhornia crassipes）根系丙酮提取物中存在多種化感物質(zhì)如亞油酸、N-苯基-2-萘胺、亞油酸甘油脂、壬酸和丙酰胺等。同時(shí)，荇菜（Nymphoides peltatum）［34］、睡蓮（Nymphaea tetragona）［35-36］、水罌粟（Hydrocleys nymphoides）［37］和大薸（Pistiastratiotes）［38］等均對銅綠微囊藻生長有著顯著抑制作用。汪麗［34］將銅綠微囊藻作為優(yōu)勢種與荇菜進(jìn)行共培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，藻細(xì)胞光合能力的大小與荇菜植株的生長及其產(chǎn)生的遮光作用密切相關(guān)，在 40 d時(shí)銅綠微囊藻相比初始藻密度下降了 94.68%，銅綠微囊藻生長受到明顯的抑制。藻細(xì)胞酶活性指數(shù)顯著上升，說明荇菜種植水含有化感物質(zhì)并且對銅綠微囊藻產(chǎn)生了不利的生理影響。因此，浮水植物除了遮光效應(yīng)［39］外，分泌抑藻化感物質(zhì)也是抑制銅綠微囊藻生長的一種重要機(jī)制。

浮水植物的相關(guān)研究相對較少［40］，目前的研究發(fā)現(xiàn)，浮水植物化感物質(zhì)成分主要有：N-苯基-1-萘胺、N-苯基-2-2 萘胺、苯并茚酮、亞油酸、亞油酸甘油脂、非那烯、雙非那烯和間苯二酚等，這些化感物質(zhì)對雷氏衣藻、隱藻也有較好的化感抑制效果［41］。

3 陸生植物對銅綠微囊藻的化感作用

長久以來，水生植物的化感作用始終是研究的主要內(nèi)容，而陸生植物的化感作用研究甚少。這部分原因可能是由于早期研究者所創(chuàng)造的研究路線與方向有關(guān)。近些年，研究者把目光逐漸轉(zhuǎn)向生物量更大的、次生代謝產(chǎn)物更為豐富的陸生植物上。孫垂華［58］所出版的關(guān)于植物化感作用的書籍中，認(rèn)為陸生系統(tǒng)的化感物質(zhì)對水生生態(tài)系統(tǒng)更有效，尤其是對淡水生態(tài)系統(tǒng)的作用不容小覷。目前研究較多的是草本植物和木本植物，表 3 總結(jié)了抑制銅綠微囊藻生長的陸生植物種類、對應(yīng)的抑藻研究方法、已分離鑒定的主要化感物質(zhì)及其有效抑制率。

3.1 草本植物對銅綠微囊藻的化感作用

研究發(fā)現(xiàn)，草本植物中的禾本科、菊科、百合科、天南星科和毛茛科植物的提取物都表現(xiàn)出對藻類的抑制作用［59］。早在 1990 年，大麥秸稈的抑藻作用就已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室和自然水體取得了成功，這也是目前為止比較成功的化感抑藻的應(yīng)用實(shí)例。鄧?yán)^選［60］檢測出大麥秸稈中 20 多種化感物質(zhì)，其中胺類和酯類含量較大，可能為大麥秸稈中主要的化感物質(zhì)，大麥秸稈分泌的十六烷基三甲基溴化銨（hexadecyl trimethyl ammonium bromide，HTAB）和鄰苯二甲酸二丁酯（dibutyl phthalate，DP）對銅綠微藻具有較強(qiáng)的抑制效果，EC50在第 6天分別是 1.3 mg/L 和 2.1 mg/mL，兩種抑藻物質(zhì)通過破壞銅綠微囊藻細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，從而使得細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)成分紊亂并且匱乏，最終導(dǎo)致細(xì)胞破裂死亡，這可能是秸稈對銅綠微囊藻抑制機(jī)理之一。也有學(xué)者在最新的研究中表明，大麥秸稈降解過程中產(chǎn)生的主要是酚酸［61］。Yuan等［62］發(fā)現(xiàn)禾本科植物互花米草（Spartina alterniflora）水提液對銅綠微囊藻的生長具有抑制作用，其抑制率呈顯著劑量相關(guān)，從互花米草鑒定出多種化感物質(zhì)，如環(huán)己烷、庚烷、2-環(huán)己烷-1- 1、十六烷酸和2，4-二叔丁基酚和氫肉桂酸等。這也就表明了陸生植物常常含有多種化感物質(zhì)且能夠協(xié)同抑制銅綠微囊藻生長。菊科植物野艾蒿等蒿屬植物化感物質(zhì)極其豐富，徐芙清等［63］選取野艾蒿（Artemisia lavandulaefolia）、小白酒草（Conyza canadensis）、杭白菊（Chrysanthemum morifolium）3種常見陸生菊科植物與銅綠微囊藻共培養(yǎng)，10 d 后抑制能力從高至低分別為：野艾蒿、杭白菊、小白酒草，抑制率分別為 89.3%、75.2%和4.9%，表明陸生菊科植物具有明顯的控藻功能，其中野艾蒿具有應(yīng)用于水體富營養(yǎng)化的治理和開發(fā)新型抑藻劑的潛力。

提取的溶劑和植物部位選擇的不同，均會導(dǎo)致所提浸出液抑藻效果的不同，這一現(xiàn)象也出現(xiàn)在陸生植物之中。程萌等［64］做了入侵草本植物喜旱蓮子草對銅綠微囊藻的化感作用研究，結(jié)果顯示，喜旱蓮子草不同部位浸提液化感作用強(qiáng)弱不同，且植物體地下部分浸提物化感作用明顯強(qiáng)于地上部位。薛維納等［65］對仙人掌莖進(jìn)行了不同溶劑浸提實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水浸液提取物對銅綠微囊藻具有低促高抑的作用效果，而用乙醇溶劑提取的浸提液對銅綠微囊藻僅僅具有抑制效果，并且抑制效果更強(qiáng)，表明乙醇比水可以浸提種類更多或者濃度更高的有機(jī)化感物質(zhì)。Ni等［66］做了類似的實(shí)驗(yàn)，對青蒿（Artemisia carvifolia）、小白酒草（Erigeron canadensis）和一年蓬（Erigeron annuus）用石油醚、乙酸乙酯和乙醇不同溶劑進(jìn)行提取，結(jié)果表明乙酸乙酯提取液對銅綠微囊藻的抑制效果最好。白羽等［67］研究發(fā)現(xiàn)在第7天時(shí)加拿大一枝黃花的水浸液對銅綠微囊藻抑制率達(dá)到了 90% 左右的，其不同部位的浸提液對銅綠微囊藻的抑制效率為：葉＞根＞莖。除了控藻能力的差異外，甚至某些陸生植物不同部位浸出液會出現(xiàn)反作用方向，如朱佳等［68］對滴水觀音（Alocasia macrorrhiza）不同部位的浸提液對銅綠微囊藻的作用效果進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，其葉浸提液的化感抑藻能力高于根，抑制率可達(dá) 93%，而莖浸提液反而促進(jìn)了銅綠微囊藻的生長，促進(jìn)率達(dá) 364%，說明同種植物的不同部位所含化感物質(zhì)作用差異較大，部分植物存在高濃度促進(jìn)作用。這一結(jié)果與水生植物出現(xiàn)顯著差異，且部分水生植物的不同部位有一定的促進(jìn)作用，但抑制率還是高于促進(jìn)率，這也就整體趨向于抑制主導(dǎo)，所以在草本植物化感作用方面還需要進(jìn)行長久的探討與努力。

3.2 木本植物對銅綠微囊藻的化感作用

研究發(fā)現(xiàn)，木本植物中的桃金娘科、松科、漆樹科、蕓香科、桑科、木犀科、胡桃科、楊柳科、柏科和山茶科植物提取物均對藻類的生長有抑制作用［59］。馬妍等［69］通過研究植物浸提液對銅綠微囊藻的抑制作用發(fā)現(xiàn)，雪松、核桃楸、楓楊和核桃 4種植物是具有開發(fā)價(jià)值的陸生抑藻植物。同時(shí)，石雨鑫等［70］對香樟、梧桐、銀杏和柳樹進(jìn)行抑藻實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這 4 種植物浸提液均對銅綠微囊藻具有抑制生長的效果。Zhao 等［71］研究了桉樹對銅綠微囊藻的抑制作用，結(jié)果表明除種植桉樹對銅綠微囊藻有抑制效果之外，桉樹葉提取物對銅綠微囊藻的生長也能起到抑制作用。在我國南方地區(qū)，漆樹科植物人面子（Dracontomelon duperreanum）極為常見，Wang 等［72］測得其落葉水浸提液在第15天時(shí)對銅綠微囊藻的抑制率達(dá)到 99.6%。這也很好地解釋了在自然界中，一般落葉較多的水體中出現(xiàn)藻類暴發(fā)的幾率會比較低，這是由于落入水體中的葉片組織能夠浸出某種化感物質(zhì)，對藻類生長起到一定的抑制作用。除了樹葉有抑制效果之外，樹干也同樣具備抑藻能力。Park等［73］和周麗等［74］日本常綠橡木（Quercus acuta）的樹葉和樹干、麻櫟（Quercus acutissima）樹葉、赤皮椆（Quercus gilva）樹干、柳葉櫟（Quercus salicina）樹葉等 9 種植物不同組織部位用甲醇溶劑進(jìn)行化感物質(zhì)的提取，結(jié)果表明 5 種甲醇浸提液均對銅綠微囊藻起到顯著抑制作用，其平均抑制率超過 90%，還有7 種浸提液對銅綠微囊藻有一定的抑制效率，抑制率在約50%。Man和Pei等［75］發(fā)現(xiàn)臭椿樹（Ailanthus altissima）的樹皮浸提液對銅綠微囊藻的抑制率也在90%以上。這也證明了植物樹干、樹葉都對銅綠微囊藻具有抑制效果，可以作為新型抑藻劑的研究方向，是一種廢物再利用的生態(tài)友好型藻華控制策略。

除了樹皮和落葉外，植物的果實(shí)也成了化感物質(zhì)研究的又一熱點(diǎn)。木犀科植物女貞（Ligustrum lucidum）的果實(shí)女貞子，其浸提液對銅綠微囊藻有較好的抑制作用［76］。另外有早期的研究發(fā)現(xiàn)，橘子皮浸出液能夠顯著的控制銅綠微囊藻的生長，其40 d 的抑制率到了100%［77］。也有學(xué)者對香蕉皮和檳榔（Areca catechu）核進(jìn)行了對比研究，結(jié)果均能對銅綠微囊藻有抑制作用，其中檳榔的抑制作用更為明顯，檳榔的平均抑制效率達(dá)到 99%［78-79］。Chen等［80］用石榴（Punica granatum）皮粉對銅綠微囊藻進(jìn)行生長實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，石榴皮粉 8 g/L 時(shí)抑制率達(dá)到93.9%。通過對植物果實(shí)的不斷探索性實(shí)驗(yàn)，可以推測植物果實(shí)含有豐富的化感物質(zhì)，這為人們找到化感物質(zhì)豐富的來源提供了方向，應(yīng)該更深一步展開植物果實(shí)化感物質(zhì)成分鑒定，分離純化及抑藻機(jī)理方面的研究。

4 化感物質(zhì)抑藻作用機(jī)理

水生植物和陸生植物含有大量的酚類、胺類、有機(jī)酸、黃酮類、萜類、酯類、芳香族化合物和其他的一些活性物質(zhì)，并且部分活性物質(zhì)已被提取、分離和鑒定，可對淡水有害藻類產(chǎn)生抑制作用［90-91］。根據(jù)目前已有的研究成果，化感物質(zhì)抑制銅綠微囊藻生長主要是細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的破壞、影響藻類光合作用和改變藻細(xì)胞內(nèi)酶活性這3個(gè)方面進(jìn)行，而近幾年的研究朝影響藻細(xì)胞的基因表達(dá)與蛋白質(zhì)合成方向發(fā)展。

4.1 破壞藻細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)

細(xì)胞膜作為細(xì)胞重要結(jié)構(gòu)和功能元件，對細(xì)胞的分裂、分化以及生長起著重要保護(hù)作用，使得細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定［92］?；形镔|(zhì)會破壞組成細(xì)胞膜的單元，使細(xì)胞膜的選擇滲透性功能出現(xiàn)紊亂，導(dǎo)致胞內(nèi)所需物質(zhì)的流失和胞外廢棄物的進(jìn)入，最終都會導(dǎo)致細(xì)胞的死亡。李峰民等［27］通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)化感物質(zhì) EMA 使得銅綠微囊藻細(xì)胞膜不飽和脂肪酸增加，因其不飽和鍵的存在，導(dǎo)致其分子間排序雜亂且緊密度降低，同時(shí)相變溫度降低，從而細(xì)胞膜流動(dòng)性增強(qiáng)，最終細(xì)胞膜破損并且胞內(nèi)物滲出，細(xì)胞內(nèi)片層結(jié)構(gòu)解體。Ni和Rong等［93］在研究亞油酸對銅綠微囊藻抑制機(jī)制時(shí)也發(fā)現(xiàn)藻細(xì)胞外液中電導(dǎo)率增加，第40天達(dá)到對照組的 3 倍，而對照組并無顯著變化?？赡苁怯捎趤営退崽幚砗笤寮?xì)胞光合作用過程產(chǎn)生的 O2-，引起細(xì)胞質(zhì)膜的膜質(zhì)過氧化，造成細(xì)胞膜通透性功能的改變。物質(zhì)交換和能量傳遞都經(jīng)過細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)運(yùn)以及過濾篩選，然而受損的細(xì)胞膜，會導(dǎo)致外來物質(zhì)自由進(jìn)入細(xì)胞，而細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)也沒有了阻攔，向外滲透，導(dǎo)致藻細(xì)胞死亡。

4.2 影響藻類光合作用

植物自身的生理生化必須借助光合作用來維持。研究證實(shí)，藻細(xì)胞中的葉綠素（Chl）a 含量會被植物所釋放的化感物質(zhì)所影響，其光合作用場所被破壞，影響光系統(tǒng) II（photosystem Ⅱ，PSII）的正常功能，從而使得其無法利用從光中吸收的能量，有序的生理功能被打亂，使得藻細(xì)胞的生長速度減緩或衰退［74］。張欣等［94］從沉水植物菹草與銅綠微囊藻共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，其化感物質(zhì)通過抑制Chl的合成，從而影響光合作用系統(tǒng)，且可溶性糖合成受阻，正常的生理代謝過程被打亂，從而抑制了銅綠微囊藻的生長。李鋒民等［27］研究發(fā)現(xiàn) EMA 通過降低藻光合作用速率以及降解 Chl a，從而影響銅綠微囊藻的生理特性。Wu等［5］分析粉綠狐尾藻對銅綠微囊藻藻細(xì)胞吸收光譜、藻膽蛋白吸收光譜及Chl a三者相對含量等指標(biāo)的變化態(tài)勢，發(fā)現(xiàn)藻膽蛋白應(yīng)對化感物質(zhì)表現(xiàn)出更敏感的特性，其中別藍(lán)藻蛋白（allophycocyanin，APC）的敏感性最為突出，這也就使得其有更大的受損風(fēng)險(xiǎn)，從而推斷藻膽蛋白是粉綠狐尾藻對銅綠微囊藻光合系統(tǒng)的化感作用的主要靶位點(diǎn)。Zhu等［95］研究發(fā)現(xiàn)穗花狐尾藻釋放的中焦性沒食子酸（pyrogallicacid）能夠影響銅綠微囊藻PSⅡ，使其電子傳遞被阻斷，產(chǎn)生梅勒反應(yīng)，即假環(huán)式電子傳遞在其光合作用過程中，不能正常運(yùn)行，細(xì)胞體中活性氧（reactive oxygen species，ROS）增加，而 ROS 會對D1蛋白造成嚴(yán)重的損傷，而損傷的 D1蛋白又是光系統(tǒng)放氧復(fù)合體的核心蛋白，導(dǎo)致光合放氧速率嚴(yán)重下降，且 ROS 的積累，會誘導(dǎo)藻細(xì)胞的程序性死亡，進(jìn)一步影響了藻類的正常光合作用，致使藻不能正常生長［96］。綜上所述，化感物質(zhì)影響藻植物的 Chl a、藻膽蛋白等從而影響其捕光系統(tǒng)的正常功能，也可通過對電子傳遞鏈的破壞，使得藻細(xì)胞代謝活動(dòng)能量無法補(bǔ)充，抗脅迫分子的形成阻礙增大，導(dǎo)致受損光合系統(tǒng)不能被修復(fù)，光合電子傳遞鏈能力下降，最大量子產(chǎn)率也將出現(xiàn)一同的變化趨勢。這一連環(huán)的結(jié)構(gòu)功能被破壞，導(dǎo)致藻類植物不能進(jìn)行有效的光合作用，最終導(dǎo)致藻細(xì)胞死亡。

4.3 改變藻細(xì)胞酶活性

酶活性對于植物適應(yīng)環(huán)境至關(guān)重要，在化感物質(zhì)的脅迫下，銅綠微囊藻通過細(xì)胞酶活性的改變來緩解由化感作用導(dǎo)致的 ROS 的傷害，這是藻類的一種自我保護(hù)機(jī)制。因此，針對性的對酶活性或酶干擾底物進(jìn)行抑制或破壞，能有效控制藻類的生長。若清除 ROS 的主要酶類含量降低，大量 ROS 產(chǎn)生囤積，使得細(xì)胞器和細(xì)胞結(jié)構(gòu)遭到破壞。同時(shí)，編碼幫助清除過氧化物酶類的基因表達(dá)量也下降［97］。超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、抗壞血酸過氧化酶（ascorbic peroxidase，APX）、過氧化氫還原酶（catalase，CAT）三者是細(xì)胞用于清除ROS 的主要酶系。細(xì)胞內(nèi) ROS 水平的穩(wěn)定主要是取決于 SOD 與 CAT 或 APX 之間的平衡［98］。目前已有研究表明，一些化感物質(zhì)能對抗氧化酶活性產(chǎn)生不利影響。賈惠雁等［45］發(fā)現(xiàn)水蕹菜有效抑制銅綠微囊藻生長，在 40g/L 水蕹菜種植水作用下，其 SOD、過氧化物酶（peroxidase，POD）和 CAT 活性在 4 d內(nèi)到達(dá)峰值，隨后藻酶活性急劇下降，在第10天酶活性指標(biāo)低于對照組，且藻最終失活?；形镔|(zhì)的加入使得銅綠微囊藻抗氧化酶活性往往呈現(xiàn)一種先增加后下降的趨勢，原因是由于受體通過提升自生抗氧化酶活性來應(yīng)對 ROS 所帶來的傷害，由于 ROS的不斷產(chǎn)生與積累，致使其無法清除大量的 ROS，使得這種保護(hù)機(jī)制奔潰，導(dǎo)致酶活性的下降，而酶活性的降低，使得植物對環(huán)境的適應(yīng)能力下降，最終導(dǎo)致植物死亡。

4.4 影響藻細(xì)胞基因表達(dá)與蛋白質(zhì)合成

生命功能重要的支撐者就是蛋白質(zhì)。細(xì)胞內(nèi)各種細(xì)胞因子、轉(zhuǎn)錄翻譯調(diào)節(jié)子、酶類及離子通道等都是蛋白質(zhì)。DNA 的遺傳信息轉(zhuǎn)錄為 RNA，在翻譯調(diào)節(jié)因子的調(diào)節(jié)下翻譯成多肽，通過機(jī)體的加工與修飾形成有對應(yīng)功能的蛋白質(zhì)［99］。化感物質(zhì)通過影響以上的某一項(xiàng)或多項(xiàng)環(huán)節(jié)，從而影響受體中蛋白質(zhì)的合成和基因表達(dá)。Lu 等［100］研究銅綠微囊藻被綠茶茶多酚的主要組成成分——沒食子酸酯（epigallocatechin gallate，EGCG）脅迫下的基因表達(dá)狀況，結(jié)果發(fā)現(xiàn) psa C 和 psb D 的表達(dá)在 EGCG 脅迫下下調(diào)，對光合中心 PSI 和 PSII 造成不利影響，另外 ndh C 和 atp B 表達(dá)下調(diào)，導(dǎo)致銅綠微囊藻藻細(xì)胞ATP的合理受阻，對藻細(xì)胞生長產(chǎn)生負(fù)面影響。Bi等［101］發(fā)現(xiàn)小檗堿對銅綠微囊藻基因表達(dá)有明顯影響，抑制了 869 個(gè)基因表達(dá)并且誘導(dǎo) 1 419 個(gè)基因表達(dá)，小檗堿通過影響 psb D、psa A、psa B 等關(guān)鍵光合作用基因的表達(dá)而誘導(dǎo)藻類光合作用過程的紊亂。黃瑩瑩等［102］研究也證實(shí)了加拿大一枝黃花浸提物對銅綠微囊藻作用時(shí)，261 種蛋白表達(dá)出現(xiàn)異常，其中 220 種上調(diào)，41 種下調(diào)，其中包含參與藻生物過程和代謝過程的蛋白，使得銅綠微囊藻生理生化反應(yīng)受到影響。目前化感作用對藻細(xì)胞的基因表達(dá)和蛋白質(zhì)合成具體機(jī)制尚不明確，無法解釋是如何影響上述基因表達(dá)，或者對其他基因的表達(dá)和蛋白轉(zhuǎn)錄合成是否有影響，還有待進(jìn)一步的研究來揭示。

5 植物化感抑藻研究的不足

至今，已有許多研究發(fā)現(xiàn)了水生植物與陸生植物均能對銅綠微囊藻的生長繁殖產(chǎn)生抑制乃至完全控制的效果，但還存在許多問題。在植物的化感抑藻研究中，往往通過種植水、共培養(yǎng)以及溶劑浸提液的方式進(jìn)行抑藻研究，并且大多數(shù)研究不夠深入且實(shí)際應(yīng)用難度較高甚至無法應(yīng)用。

5.1 植物化感抑藻研究設(shè)計(jì)不全面

對于化感作用研究大多集中于控制實(shí)驗(yàn)，外界干擾因素可控，僅是單一植物或幾種植物混合實(shí)驗(yàn)對微囊藻的化感效應(yīng)，研究結(jié)果在實(shí)際應(yīng)用中會因現(xiàn)實(shí)因素的干擾導(dǎo)致效果不理想，需要進(jìn)一步模擬真實(shí)環(huán)境進(jìn)行深入研究。目前對抑制微囊藻生長的水陸植物化感物質(zhì)的提取僅局限于獨(dú)立的根、莖、葉等部位，但水陸植物抑藻作用可能是依靠植物整體的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)作用，因此，抑藻過程水陸植物各部位活性物質(zhì)釋放的動(dòng)態(tài)監(jiān)測結(jié)果對研究植物化感作用具有理論指導(dǎo)意義。

研究者在化感控藻實(shí)驗(yàn)中，種植水與共培養(yǎng)方面往往集中在水生植物的抑藻實(shí)驗(yàn)中，這可能是因大部分陸生植物無法適應(yīng)水環(huán)境生長或水培難度較高而導(dǎo)致研究較少，但陸生植物化感物質(zhì)的釋放以及營養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力普遍高于水生植物，能取得穩(wěn)定且持續(xù)的效果，如Zhao等［71］用桉樹進(jìn)行水培實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水體內(nèi)氮、磷含量在30 d內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定下降，藻密度也隨之降低，且對水環(huán)境中其余生物群落結(jié)構(gòu)影響甚微。將陸生植物用于水培抑藻的實(shí)驗(yàn)研究甚少，大部分在集中在植物組織浸提液的化感抑藻上，研究手段過于單一化，應(yīng)結(jié)合其他學(xué)科進(jìn)行多領(lǐng)域的共同治理。另外，陸生植物雖有較好的抑藻效果，但因其是環(huán)境外部的生物進(jìn)入水體，會不會引起水環(huán)境的生態(tài)失衡還有待進(jìn)一步完善與研究。

5.2 化感物質(zhì)的鑒定、用量及其穩(wěn)定性尚不明確

多數(shù)的研究徘徊在化感物質(zhì)的提取與藻生物量的直接關(guān)系上，并未對其余要素做充分考慮，使得研究結(jié)果未能具有為應(yīng)用于實(shí)踐提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。如大薸、加拿大一枝黃花、人面子等［38，67，72］為實(shí)驗(yàn)主要材料的研究中，用有機(jī)溶劑提取植物體中的化感物質(zhì)從而進(jìn)行對銅綠微囊藻抑制的研究，但所提取的化感物質(zhì)不明，在實(shí)驗(yàn)中也未進(jìn)行化感物質(zhì)的鑒定，即使對銅綠微囊藻有較好的抑制效果，但因存在不安全性，致使此類材料無法得到實(shí)際應(yīng)用。同時(shí)，植物釋放化感物質(zhì)的濃度對藻的化感作用，與它們的相對生物量有關(guān)，這也是今后可以研究的方向，總結(jié)并分類各個(gè)植物對各藻種的最佳抑制效果時(shí)的生物量對比，可為日后的研究工作帶來便利與指引。另外，天然植物所產(chǎn)生的化感物質(zhì)穩(wěn)定性較差，在水中會很快降解，這就無法有效的對藻進(jìn)行化感作用，所以研究化感物質(zhì)進(jìn)入水體后的分解或降解過程是很有必要的。

5.3 化感物質(zhì)作用靶點(diǎn)不明確

雖然目前研究出許多水陸植物對藻有明顯抑制效果，但化感物質(zhì)對藻的作用靶點(diǎn)還不明確，也使得目前的殺藻劑呈現(xiàn)出一種“治標(biāo)不治本”的態(tài)勢，對藻體受害位的確定是研究出更安全、更有效的殺藻劑的必經(jīng)之路。另一方面，化感物質(zhì)抑制藻類生長的機(jī)理始終未得到充分的解釋，常見的化感控藻的實(shí)驗(yàn)研究往往用藻細(xì)胞酶活性變化來表征細(xì)胞所受的脅迫效應(yīng)，從而來解釋抑制機(jī)理，但這只停留于表面，未更深層次的進(jìn)行研究，未來應(yīng)從分子甚至基因?qū)用孢M(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的剖析，才具有研究的完整性與科學(xué)性。

6 總結(jié)與展望

植物化感作用的發(fā)現(xiàn)為處理藻華、修復(fù)富營養(yǎng)水體提供了新的思路，從最先的水生植物對銅綠微囊藻的抑制研究到后面選擇生物量更大且次生代謝產(chǎn)物更為豐富的陸生植物。水生植物與水密切接觸，致使研究的起始點(diǎn)要高于陸生植物，同一水生植物不同部位釋放的化感物質(zhì)是不同的，且植物組織浸提液的抑制效果往往高于植物種植水。對于陸生植物來說，因其生存條件的差異，與水生植物的研究手段會有所差別，但陸生植物同水生植物有類似的化感物質(zhì)種類。陸生植物所釋放的化感物質(zhì)也有協(xié)同抑制作用，且陸生植物果實(shí)的抑制效果尤為明顯?；凶饔每卦宓臋C(jī)理研究從細(xì)胞膜的破壞、光合作用的影響、細(xì)胞酶活性的異常表現(xiàn)以及基因表達(dá)與蛋白的合成進(jìn)行研究，其中前三者的研究更為完整詳細(xì)，基因表達(dá)與蛋白質(zhì)合成的研究尚需進(jìn)一步完善。

植物體的各組織部位釋放的化感物質(zhì)種類、釋放量、穩(wěn)定性存在差異，為解決以上問題，需建立在研究實(shí)驗(yàn)是全面完善的前提下。化感物質(zhì)協(xié)同改性的特點(diǎn)應(yīng)更深入的進(jìn)行分析，建立起最佳的化感物質(zhì)協(xié)同種類以及比例，為更有效、更安全的水生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)指導(dǎo)。最后，化感作用的機(jī)理研究應(yīng)提高至更深層次，從原來的細(xì)胞水平研究拓展到分子以及基因上的實(shí)驗(yàn)分析，這也將成為以后化感物質(zhì)抑藻機(jī)理的研究重點(diǎn)。

一種穩(wěn)定、持續(xù)且不影響水環(huán)境中正常生物群落結(jié)構(gòu)的植物，才是我們真正需要的控藻材料?？偠灾?，為開發(fā)能夠應(yīng)用于生態(tài)治理的化感作用產(chǎn)品或方法，仍需要發(fā)現(xiàn)更多有助于藻華控制的化感植物，從化感物質(zhì)的分離鑒定、抑藻機(jī)理、生態(tài)安全性等多個(gè)方面進(jìn)行更深入、系統(tǒng)和全面的研究，才能更安全、更有效的治理環(huán)境問題。