湯 鵬，于魯冀，，彭趙旭，范鵬宇，李廷梅，任昆陽

(1. 鄭州大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450001；2. 鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001；3. 鄭州大學(xué) 環(huán)境政策規(guī)劃評價研究中心，鄭州 450003)

近年來，由于城市化、工業(yè)化發(fā)展加快，人類生產(chǎn)和生活過程中產(chǎn)生大量廢水，部分廢水未經(jīng)完全處理而被排放到天然水體中，導(dǎo)致水體中氮磷等營養(yǎng)元素含量劇增，水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象嚴重，藻類水華頻繁暴發(fā)[1-2]。目前，如何抑制藻類水華暴發(fā)已經(jīng)成為一個世界性難題。傳統(tǒng)的物理方法——遮光、曝氣、打撈等不僅耗時耗力且成本過高，處理后依然存在藻類二次暴發(fā)的風(fēng)險；化學(xué)投藥法雖然能達到快速殺藻的目的，但是會造成二次污染，只能作為應(yīng)急措施采用；生物濾食和投放微生物作為生物法，存在不可控的風(fēng)險，在藻類已經(jīng)大范圍暴發(fā)的前提下處理效果不理想[3]。作為原材料的水生植物來源廣泛，價格低廉；另外不投加化學(xué)物質(zhì)，不產(chǎn)生二次污染，是一種生態(tài)友好的方法，現(xiàn)在愈來愈受到研究者們的關(guān)注。

相較于陸生植物，水生植物生長迅速、次生代謝產(chǎn)物更加豐富，在自然條件下與藻類距離更近可有效減少水生植物的代謝產(chǎn)物在中途的損失，在實際的抑藻應(yīng)用中潛力更大。研究水生植物對藻類的化感抑制作用，理解化感作用機理，不僅能指導(dǎo)水華的預(yù)防和控制，而且可以為生態(tài)不完全水體的功能群恢復(fù)提供物種選擇和調(diào)控。本文總結(jié)了水生植物的化感作用及其作用物質(zhì)、機理，并展望了今后水生植物抑藻的研究方向。

1 水生植物化感抑藻作用

1937年，H. Molisch首次提出了植物化感作用(Allelopathy)這一概念，到1984年Rice在《Allelopathy》第二版中明確了植物化感作用的定義：植物通過將某種化學(xué)物質(zhì)釋放到環(huán)境中從而直接或間接地對其他植物造成有利或者不利的影響[4]。植物化感作用的研究與應(yīng)用最初主要集中于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)境生物治理等領(lǐng)域，直到20世紀末期，關(guān)于水生植物化感抑藻的研究日益增多。研究之初，針對水生植物是否通過化感作用來抑制藻類存在許多爭論，水生植物對藻類的抑制效果主要來源4種情況：(1)水生植物與藻類的營養(yǎng)競爭導(dǎo)致；(2)水生植物遮蔽藻類生長所需的陽光導(dǎo)致；(3)水生植物根系的微生物作用導(dǎo)致；(4)水生植物的化感作用導(dǎo)致。目前大量研究已證實水生植物對藻類的化感抑制作用，如Nakai等[5]通過共同培養(yǎng)實驗，在排除營養(yǎng)競爭、光照遮蔽及微生物作用的可能后，證實其受試水生植物金魚藻和穗狀狐尾藻是通過連續(xù)釋放化感物質(zhì)對席藻產(chǎn)生化感抑制作用；而這種化感抑制效應(yīng)在野外模擬試驗中也有顯著影響。姚遠等[6]通過控制光照和營養(yǎng)鹽濃度進行微宇宙模擬試驗，發(fā)現(xiàn)苦草、金魚藻和穗花狐尾藻皆能通過化感作用特異性抑制藻類生長從而調(diào)控杭州西湖湖西濕地的藻類群落結(jié)構(gòu)。國內(nèi)外已經(jīng)報道了很多具有化感抑藻作用的水生植物，主要包括挺水植物、浮水植物、沉水植物等，常見的具有化感抑藻作用的水生植物如表1所示。

表1 常見具有化感抑藻作用的水生植物Table 1 Common allelopathic algae-inhibiting aquatic plants

2 水生植物化感抑藻物質(zhì)

化感物質(zhì)是水生植物化感抑藻作用的關(guān)鍵，水生植物的次生代謝產(chǎn)物——化感物質(zhì)必須先釋放到水體中，通過水環(huán)境的傳送作用于目標藻類從而起到抑藻的效果。迄今為止，已知的化感物質(zhì)主要分為14類：水溶性有機酸、直鏈醇、脂肪族醛和酮；簡單不飽和內(nèi)酯；長鏈脂肪族和多炔；萘醌，蒽醌和復(fù)合醌；簡單酚，苯甲酸及其衍生物；肉桂酸及其衍生物；香豆素類；類黃酮；單寧；類萜和甾類化合物；氨基酸和多肽；生物堿和氰醇，硫化物和芥子油苷；嘌呤和核苷[4]。水生植物生長代謝過程中通常會釋放多種化感物質(zhì)，而從水生植物種植水和浸提液中檢測到化感物質(zhì)主要為類萜化合物、簡單酚、苯甲酸及肉桂酸衍生物等[22-25]。

水生植物日常代謝釋放到水體中的化感物質(zhì)濃度低，在100 FW/L的種植密度下單種化感物質(zhì)含量一般不超過100 μg/L，而大部分化感物質(zhì)的有效抑藻濃度往往要高于5 mg/L[24]，即水體中監(jiān)測到的化感物質(zhì)濃度一般低于其抑藻要達到的濃度。為了使水生植物化感抑藻更加高效便捷，這就需要獲取高濃度的化感物質(zhì)，通常通過萃取分離等手段從水生植物體內(nèi)進行提取。如高云霓等[25]為研究苦草釋放的化感物質(zhì)對銅綠微囊藻的抑制作用，通過廣譜性固相萃取小柱富集培養(yǎng)3 d的苦草種植水；荊曉玲等[26]則采用乙醇萃取蘆葦干物質(zhì)，再經(jīng)過過濾分餾等步驟從蘆葦中分離得到具有強抑藻能力的化感物質(zhì)2-甲基乙酰乙酸乙酯(EMA)，并發(fā)現(xiàn)EMA能選擇性地抑制銅綠微囊藻和蛋白核小球藻的生長，而對普通小球藻的生長并沒有明顯的抑制效果。另外不少研究也發(fā)現(xiàn)高濃度的化感物質(zhì)才對藻類生長起到抑制作用，濃度低時反而促進藻類生長[8,25-26]，這種現(xiàn)象叫作“低促高抑”。

化感物質(zhì)對藻類的抑制效果除了具有選擇性、低促高抑等特點外，它們之間還存在協(xié)同、相加和拮抗作用，這一點在前人的研究和綜述中已得到證實[24-25]。

3 水生植物化感抑藻作用機制

目前關(guān)于水生植物化感抑藻作用機制的研究多集中于細胞水平，主要關(guān)于影響藻類的光合系統(tǒng)、細胞膜通透性、酶活性等方面，而涉及基因水平的研究較少。

3.1 細胞水平

3.1.1 對光合系統(tǒng)的影響

光合作用是藻類生長必不可少的條件之一，水生植物釋放出的化感物質(zhì)可以通過破壞藻類的光合系統(tǒng)，從而影響藻類的生理狀態(tài)進而達到抑藻的目的。大量研究表明化感物質(zhì)對藻類光合系統(tǒng)的影響主要分為降低藻類細胞中葉綠素含量、阻斷電子傳遞兩個方面。

降低藻類細胞中葉綠素的含量，其機理是減弱光合能力。Gao等[27]發(fā)現(xiàn)化感物質(zhì)壬基酸可以降低小球藻和月牙藻細胞葉綠素含量，且小球藻表現(xiàn)得更為敏感。朱俊英等[28]利用穗花狐尾藻和銅綠微囊藻的共培養(yǎng)體系，發(fā)現(xiàn)銅綠微囊藻的光合作用能力受到化感物質(zhì)的顯著抑制，在處理第3天時,銅綠微囊藻葉綠素含量及葉綠素?zé)晒鈪?shù)明顯降低。相較于葉綠素而言，藻膽蛋白更易受到化感物質(zhì)的抑制。吳程等[29]發(fā)現(xiàn)藻膽蛋白是粉綠狐尾藻分泌的化感物質(zhì)作用于銅綠微囊藻的靶位點，粉綠狐尾藻通過釋放化感物質(zhì)導(dǎo)致藻細胞中的葉綠素a和藻膽蛋白含量下降，且藻膽蛋白表現(xiàn)得更敏感受損。

阻斷電子的傳遞，其機理是破壞光合系統(tǒng)Ⅱ。Zhu等[19]的研究表明作為化感物質(zhì)之一的焦性沒食子酸能夠阻斷電子在銅綠微囊藻光合系統(tǒng)Ⅱ上的傳遞，抑制光合系統(tǒng)Ⅱ從而影響銅綠微囊藻的正常生長。另外劉瑞等[30]也發(fā)現(xiàn)采用高濃度N-苯基-2-萘胺處理擬柱胞藻，其藻細胞光合系統(tǒng)遭到損傷，電子在光合系統(tǒng)Ⅱ的傳遞受阻，抑制了整個細胞的光合作用。

3.1.2 對細胞膜的影響

細胞膜是藻細胞重要的結(jié)構(gòu)和功能基本單位，化感物質(zhì)可以通過影響藻類細胞膜的結(jié)構(gòu)，破壞其通透性，導(dǎo)致細胞內(nèi)物質(zhì)大量滲出，從而抑制藻類生長。董穎娜等[8]發(fā)現(xiàn)香蒲水浸提液能明顯增大銅綠微囊藻細胞膜的通透性，相較于對照組而言，采用10.00 g/L香蒲水浸提液處理后的銅綠微囊藻細胞膜透性是其1.80倍。而胞內(nèi)外離子的交換速率會隨著細胞膜通透性的增強而加快。荊曉玲等[26]發(fā)現(xiàn)鄱陽湖本土水生植物菰的浸泡液可以改變銅綠微囊藻細胞膜通透性，離子通道開放紊亂使?jié)B透壓改變，藻細胞直徑逐漸縮短，體積減小，藻細胞程序性死亡。別聰聰?shù)萚31]發(fā)現(xiàn)在化感物質(zhì)鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)的作用下，短裸甲藻細胞膜通透性發(fā)生變化，24 h后靠近細胞膜處出現(xiàn)了大量的小體積液泡和明顯的淀粉粒；同時細胞膜出現(xiàn)大量的突起，使藻細胞生理狀態(tài)受到損傷。隨著藻細胞內(nèi)離子的大量滲出，水體中各種物質(zhì)進入細胞內(nèi)，而細胞內(nèi)含物滲出丟失，各種細胞器受到不可逆損傷，加速了藻細胞死亡。如楊小杰等[14]發(fā)現(xiàn)在鳳眼蓮和銅綠微囊藻共同培養(yǎng)體系中，僅幾天的培養(yǎng)藻細胞就出現(xiàn)了萎縮現(xiàn)象，類囊體發(fā)生分解，細胞結(jié)構(gòu)特別是葉綠體、線粒體產(chǎn)生顯著損傷，導(dǎo)致細胞生長所需的能量和有機物供給不足，細胞代謝活性降低，生長受到抑制。

3.1.3 對酶活性的影響

酶是生物體不可缺少的物質(zhì)，藻細胞的新陳代謝過程離不開酶的催化作用。正常情況下藻細胞內(nèi)的活性氧處于動態(tài)平衡狀態(tài)，水生植物通過釋放影響酶活性的化感物質(zhì)，改變藻細胞的生理狀態(tài)，引起細胞內(nèi)活性氧積累，使藻細胞的抗氧化系統(tǒng)受到破壞，從而抑制其生長。施軍瓊等[32]發(fā)現(xiàn)棕鞭藻濾液中存在某些化感物質(zhì)能引起銅綠微囊藻丙二醛(MDA)和過氧化氫酶(CAT)的含量顯著增加，誘導(dǎo)銅綠微囊藻細胞的膜脂過氧化，使藻細胞受到氧化損傷。鳳眼蓮根系分泌物可以在短時間內(nèi)使柵藻的超氧化物歧化酶(SOD)活性顯著下降，這時活性氧的產(chǎn)生和去除失去了平衡，活性氧的過量積累超過了藻細胞的耐受極限，藻體死亡[14]。

化感物質(zhì)能影響藻細胞的酶活性，但由于酶的特性不同，化感物質(zhì)在提高某些酶活性的同時又能抑制另外一些酶的活性。馬浩天等[33]發(fā)現(xiàn)斜生柵藻細胞在遭到化感抑制的情況下，POD、CAT含量會升高用以對抗活性氧的迸發(fā)，而SOD活力下降，可能是SOD合成結(jié)構(gòu)遭到破壞。

除抗氧化物酶活性外，腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)酶活性的大小也是藻細胞新陳代謝的重要指標，其活性的減弱會導(dǎo)致藻細胞對鈣、鎂等礦質(zhì)元素的吸收等抑制，加劇藻細胞的死亡。汪麗等[34]發(fā)現(xiàn)荇菜種植水可以使銅綠微囊藻的ATP酶活性一直保持在低水平狀態(tài)，培養(yǎng)第9天時其酶活性僅為對照組的16.80%。

圖1 水生植物化感抑藻機制Figure 1 Mechanism of allelochemical inhibition of algae in aquatic plants

3.2 基因水平

水生植物化感抑藻在基因水平方面的研究起步較晚，相關(guān)研究較少，主要集中在藻細胞的基因表達水平以及脫氧核糖核苷酸(DNA)的翻譯和轉(zhuǎn)錄兩方面。

化感物質(zhì)可以增加或降低某些基因表達量，破壞藻細胞正常的生理狀態(tài)。Lu等[35]發(fā)現(xiàn)表沒食子兒茶素-3-沒食子酸酯(ECGC)誘使銅綠微囊藻細胞的光合系統(tǒng)Ⅰ和光合系統(tǒng)Ⅱ的基因表達量降低，光合系統(tǒng)受到損傷；同時藻膽素降解蛋白的基因表達量明顯上升，加速藻膽素的降低，導(dǎo)致捕捉和吸收光的能力下降，從而進一步降低光合作用的效率，達到抑藻的效果。Wang等[36]發(fā)現(xiàn)氧化及DNA損傷是化感物質(zhì)焦性沒食子酸對銅綠微囊藻TY001的主要化感抑制渠道，銅綠微囊藻TY001細胞的DNA修復(fù)基因(recA和gyrB)上調(diào)以及脅迫反應(yīng)基因(prx、ftsH、grpE和fabZ)的表達水平明顯降低，引起抗氧化酶活性上升?；形镔|(zhì)還可以阻礙DNA的翻譯和轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致蛋白質(zhì)的合成受阻，其對藻細胞的生理狀態(tài)影響更為直接。Shao等[37]探究了焦性沒食子酸對銅綠微囊藻的脅迫反應(yīng)基因(prx)、藻毒素合成相關(guān)基因(mcyB)以及DNA修復(fù)基因(recA、grpE、fabZ)的表達情況，結(jié)果表明蛋白質(zhì)是焦性沒食子酸抑藻的一個重要靶位點，焦性沒食子酸通過影響蛋白質(zhì)的合成從而使銅綠微囊藻細胞受到損傷。

4 結(jié)論

總體來說，水生植物化感抑藻目前已經(jīng)進行了大量的研究，在化感物質(zhì)的分離、鑒定及基于細胞水平的機理研究方面已取得了一定的進展。在水體富營養(yǎng)化治理及水生態(tài)修復(fù)的迫切需求下，水生植物化感抑藻具有一定的研究價值和應(yīng)用價值。在今后的水生植物化感抑藻研究中，可以從幾個方面開展：(1)目前對水生植物化感抑藻機理的研究主要還停留在細胞水平，而關(guān)于化感物質(zhì)作用于藻細胞基因的靶位點及藻基因是如何變化的沒有進行深入的研究。建議從基因水平出發(fā)，進一步揭示水生植物抑藻的機理。(2)自然狀態(tài)下水生植物生長代謝所分泌的化感物質(zhì)含量較少，釋放到水體中后又受到水中生物和非生物因子的影響，故當藻類大量暴發(fā)時難以起到很好的抑制效果。因此，具有高效抑藻作用的化感物質(zhì)的人工提取或合成將是未來研究的重點。(3)目前的研究普遍處于實驗室水平，應(yīng)用于工程的實際案例較少，而天然水體中情況復(fù)雜多變，實驗室的效果不能等同于野外，在今后的研究中應(yīng)優(yōu)先開展一些野外模擬試驗，以期為實際項目應(yīng)用做出重要參考。