水生入侵植物對(duì)常見(jiàn)水華的抑藻效應(yīng)及其影響機(jī)理*

王賽君 吳 湘 王奕棉 樓雯靚 盧雨芳

(浙江省水生生物資源養(yǎng)護(hù)與開(kāi)發(fā)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖州師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院 湖州 313000)

水生入侵植物對(duì)常見(jiàn)水華的抑藻效應(yīng)及其影響機(jī)理*

王賽君 吳 湘①王奕棉 樓雯靚 盧雨芳

(浙江省水生生物資源養(yǎng)護(hù)與開(kāi)發(fā)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖州師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院 湖州 313000)

為促使水生入侵植物的資源化利用以減少其對(duì)環(huán)境的危害, 本文選取我國(guó) 3種常見(jiàn)水生入侵植物, 即水浮蓮(Pistia stratiotes)、鳳眼蓮(Eichhornia crassipes)、空心蓮子草(Alternanthera philoxeroides)作為研究對(duì)象, 研究不同的植物化感作用方式(植物種植水抑藻、植物粗提物抑藻)對(duì)蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)、梅尼小環(huán)藻(Cyclotella meneghiniana)、銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa)這3種常見(jiàn)水華微藻生長(zhǎng)的抑制作用差異及其影響機(jī)理。結(jié)果表明, 3種植物的種植水和粗提物均對(duì)不同微藻表現(xiàn)出選擇性抑制作用, 且種植水的抑藻效果總體強(qiáng)于粗提物。其中以空心蓮子草種植水對(duì)銅綠微囊藻的抑制作用最強(qiáng), 共培養(yǎng)第7天藻細(xì)胞光密度OD750值下降78.19%, 葉綠素a(chla)含量下降96.61%。銅綠微囊藻在空心蓮子草種植水影響下, 藻細(xì)胞的呼吸速率先升高后降低, 光合速率逐漸降低, 超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、過(guò)氧化物酶(peroxidase, POD)、過(guò)氧化氫酶(catalase,CAT)等抗氧化酶的活性, 以及蛋白質(zhì)和膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物丙二醛(malondialdehyde, MDA)的含量均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì), 由此可知銅綠微囊藻在共培養(yǎng)過(guò)程中受到了明顯的脅迫和傷害。而在共培養(yǎng)第11天, 實(shí)驗(yàn)組的胞外藻毒素含量較對(duì)照組僅增加8.69%, 差異不顯著(P＞0.05), 說(shuō)明空心蓮子草種植水在有效抑制銅綠微囊藻生長(zhǎng)的同時(shí)不會(huì)促進(jìn)藻毒素的釋放, 具有較好的生態(tài)安全性。

水生入侵植物; 微藻; 化感作用; 生長(zhǎng)抑制; 抑藻機(jī)理

隨著水體富營(yíng)養(yǎng)化程度的加劇, 頻繁暴發(fā)的水華嚴(yán)重威脅水環(huán)境安全并成為全球關(guān)注的水環(huán)境問(wèn)題(Heisleret al, 2008; O′Neilet al, 2012)。因此, 尋找高效、安全、簡(jiǎn)便的抑藻方法已成為水環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域一個(gè)前沿和熱點(diǎn)的研究課題。利用水生植物產(chǎn)生的化感物質(zhì)控制有害藻類的生長(zhǎng)是一種較有前景的生態(tài)抑藻方法(Xiaoet al, 2010), 具有效果好、費(fèi)用低、材料天然易得、不易造成二次污染等優(yōu)點(diǎn)。目前已發(fā)現(xiàn)多種水生植物的化感物質(zhì)對(duì)藻類生長(zhǎng)具有一定抑制作用(Gross, 2003; Wanget al, 2011; B?hrset al, 2012),其中水生入侵植物由于具備生物量大、生長(zhǎng)迅速、次生代謝物質(zhì)更加豐富等特點(diǎn), 使得利用其化感物質(zhì)進(jìn)行藻類控制研究具有更好的應(yīng)用前景, 且利于入侵植物的資源化利用, 減少其對(duì)生態(tài)環(huán)境的危害。因此, 將水生入侵植物及其產(chǎn)生的化感物質(zhì)應(yīng)用于水華控制研究具有重要的環(huán)境和生態(tài)意義。

研究發(fā)現(xiàn), 天然富營(yíng)養(yǎng)化水體中頻繁發(fā)生的水華往往由多種藻類共同引發(fā), 且不同水域的優(yōu)勢(shì)藻種也各不相同, 而化感物質(zhì)具有一定的選擇性和專一性(Liet al, 2005), 往往只對(duì)一種或少數(shù)藻種有較強(qiáng)的化感抑制作用, 對(duì)其他藻種抑制效果一般或者無(wú)抑制(郭長(zhǎng)城等, 2009)。因此, 根據(jù)不同水域的水華組成特征, 選擇具有代表性的水華優(yōu)勢(shì)藻種作為研究對(duì)象, 研究不同類型水生入侵植物化感物質(zhì)的選擇性抑藻作用及其影響機(jī)理, 對(duì)推進(jìn)水生入侵植物化感作用的高效實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。此外, 水生入侵植物化感物質(zhì)的選擇性抑藻作用差異不僅與藻種自身特性以及植物種類有關(guān), 還與化感作用的方式有關(guān), 針對(duì)不同藻種篩選高效抑藻的化感作用方式也是利用水生入侵植物化感物質(zhì)控制水華的重要前提和基礎(chǔ)。同時(shí)還應(yīng)注意在進(jìn)行實(shí)際水體水華控制時(shí), 化感物質(zhì)對(duì)除藻類以外的其他水生生物的生態(tài)安全性的影響。

基于上述研究基礎(chǔ), 本文選取3種我國(guó)常見(jiàn)的水生入侵植物, 即水浮蓮(Pistia stratiotes)、鳳眼蓮(Eichhornia crassipes)、空心蓮子草(Alternanthera philoxeroides)作為研究對(duì)象, 研究不同的植物化感作用方式(植物種植水抑藻、植物粗提物抑藻)對(duì)綠藻門(mén)的蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)、硅藻門(mén)的梅尼小環(huán)藻(Cyclotella meneghiniana)、藍(lán)藻門(mén)的銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa)等 3種常見(jiàn)水華微藻的生長(zhǎng)抑制作用差異, 闡明水生入侵植物化感作用的選擇性抑藻規(guī)律, 并確定其最佳化感作用方式。在此基礎(chǔ)上, 進(jìn)一步深入研究水生入侵植物化感作用對(duì)選擇性受抑最強(qiáng)的藻種生理生化指標(biāo)的影響, 以此推測(cè)選擇性化感抑藻的作用靶點(diǎn)。最后考察水生植物化感作用的生態(tài)安全性, 為其在水華頻發(fā)水體實(shí)行高效、安全的實(shí)際應(yīng)用提供理論與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 水生入侵植物 水浮蓮、鳳眼蓮、空心蓮子草均采自湖州當(dāng)?shù)剞r(nóng)村野外河道, 并用以下方法對(duì)這3種水生入侵植物進(jìn)行處理以獲取實(shí)驗(yàn)材料:

①種植水的制備: 將3種水生入侵植物的全株洗凈, 吸干表面水分, 各稱取 40g置于 4000mL的Hoaglangd’s營(yíng)養(yǎng)液中進(jìn)行培養(yǎng)(鮮啟鳴等, 2005), 3天后過(guò)濾培養(yǎng)液作為各種植物的種植水(10g/L), 4°C低溫儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/p>

②植物粗提物的提取: 采用乙酸乙酯溶劑、索氏提取法提取各植物的粗提物(Wuet al, 2013; 吳湘等,2014)。稱取20g干植物體(粉碎至50目), 置于500mL錐形瓶中, 加入400mL乙酸乙酯, 超聲波(KQ-100DB型數(shù)控超聲波清洗機(jī), 昆山市超聲儀器有限公司)常溫提取1h。提取結(jié)束后, 用濾紙濾去提取液中的殘?jiān)?并通過(guò)0.22μm有機(jī)系濾膜(購(gòu)自上海亞興凈化材料廠)除去顆粒物的干擾, 之后利用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(RE-52系列, 購(gòu)自上海亞榮生化儀器廠)以 100r/min轉(zhuǎn)速在65°C下除去溶劑, 獲得浸膏并稱重, 最后用二甲基亞砜(dimethyl sulfoxide, DMSO; 濃度低于1%時(shí)對(duì)微藻生長(zhǎng)無(wú)影響)進(jìn)行定容溶解(Ballet al, 2001), 以10g/L的濃度定容至DMSO溶液中備用。

1.1.2 藻種 蛋白核小球藻(FACHB-415)、梅尼小環(huán)藻(FACHB-1654)、銅綠微囊藻(FACHB-315)由中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所淡水藻種庫(kù)提供, 實(shí)驗(yàn)前銅綠微囊藻和蛋白核小球藻采用 BG-11培養(yǎng)基預(yù)培養(yǎng)9—10天, 梅尼小環(huán)藻采用CSI培養(yǎng)基預(yù)培養(yǎng)7—8天,使之處于對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) ①不同水生入侵植物種植水對(duì)不同藻類增殖的影響: 將水浮蓮、鳳眼蓮、空心蓮子草的種植水分別以體積比為 20∶1的量(鮮啟鳴等,2005)等量加入蛋白核小球藻(初始光密度 OD750為0.126)、梅尼小環(huán)藻(初始 OD750為0.630)、銅綠微囊藻(初始OD750為0.083)的培養(yǎng)液中, 共培養(yǎng)7天, 每天通過(guò)測(cè)定藻細(xì)胞的 OD750和葉綠素a(chla)含量的變化, 研究不同水生入侵植物種植水對(duì)不同藻類生長(zhǎng)的影響及其選擇性抑藻作用。

②不同水生入侵植物粗提物對(duì)不同藻類生長(zhǎng)的影響研究: 將水浮蓮、鳳眼蓮、空心蓮子草的粗提物分別等量加入蛋白核小球藻(初始OD750為0.583)、梅尼小環(huán)藻(初始OD750為0.457)、銅綠微囊藻(初始OD750為0.172)的培養(yǎng)液中, 使其最終濃度均為 0.1g/L, 在培養(yǎng)溫度為25°C、光照條件為2000lx、晝夜比設(shè)置為12h∶12h的條件下共培養(yǎng) 7天, 每天通過(guò)測(cè)定各平行組藻細(xì)胞的OD750和chla含量變化, 研究不同水生入侵植物粗提物對(duì)不同藻類生長(zhǎng)的影響及其選擇性抑藻作用。

③水生入侵植物對(duì)選擇性抑制藻類的生長(zhǎng)影響機(jī)理研究: 在實(shí)驗(yàn)①和②的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上, 進(jìn)一步研究水生入侵植物的最佳抑藻方式對(duì)其選擇性抑制作用最強(qiáng)的藻種的生理生化指標(biāo)的影響, 以此闡明水生入侵植物對(duì)選擇性抑制藻種的生長(zhǎng)影響機(jī)理。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)方法 ①藻細(xì)胞光密度值(OD750)的測(cè)定: 取定量的藻細(xì)胞培養(yǎng)液, 采用分光光度計(jì)(752PC型, 購(gòu)自上海光譜儀器有限公司)測(cè)定其OD750值。

②藻細(xì)胞chla含量的測(cè)定: 用真空抽濾泵抽濾收集藻細(xì)胞后, 加入 20mL 90%丙酮, 在 4°C避光抽提 24h, 之后 4000r/min離心 10min, 取上清液, 以90%的丙酮為空白, 測(cè)定其吸光度(A664), chla的含量依據(jù)以下公式進(jìn)行計(jì)算:

③生理生化指標(biāo)的測(cè)定: 主要包括藻細(xì)胞的光合色素(以葉綠體色素含量為代表)、呼吸速率、丙二醛含量(malondialdehyde, MDA)、蛋白質(zhì)含量和超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、過(guò)氧化物酶(peroxidase, POD)、過(guò)氧化氫酶(catalase, CAT)等抗氧化酶的活性。各指標(biāo)測(cè)定方法參考《植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理與技術(shù)(第3版)》(王學(xué)奎等, 2015), 胞外藻毒素含量測(cè)定方法參照吳穎川等(2016)。采用的具體方法為: 葉綠體色素含量測(cè)定采用分光光度法; 蛋白質(zhì)含量測(cè)定采用紫外吸收法(Varian紫外分光光度計(jì), Cary50);MDA含量測(cè)定采用硫代巴比妥酸(2-Thiobarbituric acid,TBA)法; 呼吸速率測(cè)定采用小籃子法(廣口瓶法); CAT活性測(cè)定采用高錳酸鉀滴定采用法; POD活性測(cè)定采用愈創(chuàng)木酚法; SOD活性測(cè)定用氮藍(lán)四唑法; 藻毒素含量測(cè)定采用ELISA試劑盒(購(gòu)于中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

實(shí)驗(yàn)所有樣品均平行測(cè)定3次, 結(jié)果取其均值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用Microsoft Excel 2016進(jìn)行單因子方差統(tǒng)計(jì)分析和制圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同水生入侵植物的兩種化感作用方式對(duì)常見(jiàn)水華藻種生長(zhǎng)的影響差異

2.1.1 對(duì)蛋白核小球藻生長(zhǎng)的影響差異 由圖 1可知, 水浮蓮種植水對(duì)蛋白核小球藻的生長(zhǎng)有一定促進(jìn)作用, 而水浮蓮粗提物對(duì)蛋白核小球藻的生長(zhǎng)表現(xiàn)出較強(qiáng)抑制作用。這可能是因?yàn)樗肭种参镆衷遄饔玫膹?qiáng)弱與其分泌化感物質(zhì)的濃度密切相關(guān)(Nakaiet al, 1999), 由此推測(cè)水浮蓮化感物質(zhì)的水溶性較差, 導(dǎo)致其種植水中所含化感物質(zhì)濃度較低, 對(duì)蛋白核小球藻的生長(zhǎng)反而起促進(jìn)作用, 而水浮蓮化感物質(zhì)易被乙酸乙酯溶解提取, 因此其植物粗提物表現(xiàn)出較強(qiáng)的抑藻作用。根據(jù)圖1還可看出, 鳳眼蓮、空心蓮子草種植水對(duì)蛋白核小球藻的抑藻效果都要顯著優(yōu)于其植物粗提物: 共培養(yǎng)第7天空心蓮子草種植水處理組的OD750值下降64.12%, chla含量下降68.76%, 而鳳眼蓮種植水處理組的OD750下降值則高達(dá)77.32%, chla含量下降86.84%, 后者的抑藻效果相對(duì)更好。由此可見(jiàn)這兩種植物分泌的化感物質(zhì)水溶性都較好, 因種植水中所含化感物質(zhì)濃度較高, 使得其對(duì)蛋白核小球藻的生長(zhǎng)抑制作用較強(qiáng)。

圖1 不同水生入侵植物的兩種化感作用方式對(duì)蛋白核小球藻的生長(zhǎng)抑制作用差異Fig.1 The growth inhibition effects for two allelopathic methods of different invasive aquatic plants on Chlorella pyrenoidosa

2.1.2 對(duì)梅尼小環(huán)藻生長(zhǎng)的影響差異 水浮蓮粗提物中有效的化感組分不穩(wěn)定, 易被分解轉(zhuǎn)化而濃度降低, 或者其中一部分被梅尼小環(huán)藻吸收并轉(zhuǎn)化為其同化產(chǎn)物(門(mén)玉潔等, 2006; 李慶華等, 2010)。鳳眼蓮根部含有抑藻活性物質(zhì), 且乙酸乙酯對(duì)其萃取作用最佳(張振業(yè)等, 2013)。chla含量的減少可能與活性氧的傷害有關(guān)(唐學(xué)璽等, 1998), 在化感物質(zhì)的脅迫下, 梅尼小環(huán)藻葉綠體產(chǎn)生的有害活性氧無(wú)法及時(shí)清除, 使葉綠體膜受到氧化, 基質(zhì)外露, 葉綠體代謝功能紊亂, 從而導(dǎo)致 chla含量降低(李睿等,2006)。根據(jù)圖2可以看出, 水浮蓮種植水的抑藻效果強(qiáng)于鳳眼蓮和空心蓮子草的種植水, 鳳眼蓮粗提物的抑藻效果強(qiáng)于水浮蓮和空心蓮子草的粗提物。相比較而言, 共培養(yǎng)第7天水浮蓮種植水處理組的OD750值下降65.37%, chla含量下降64.64%, 而鳳眼蓮粗提物處理組的OD750值僅下降43.16%, chla含量下降57.50%, 由此說(shuō)明水浮蓮種植水中植物分泌的化感物質(zhì)對(duì)梅尼小環(huán)藻的選擇性抑藻作用最強(qiáng), 這與可促進(jìn)蛋白核小球藻生長(zhǎng)的結(jié)果(圖 1)不同, 可能是因?yàn)椴煌宸N對(duì)水生入侵植物分泌的化感物質(zhì)的敏感程度不同。

圖2 不同水生入侵植物的兩種化感作用方式對(duì)梅尼小環(huán)藻的生長(zhǎng)抑制作用差異Fig.2 The growth inhibition effects for two allelopathic methods of different invasive aquatic plants on Cyclotella meneghiniana

2.1.3 對(duì)銅綠微囊藻生長(zhǎng)的影響差異 不同植物所分泌的物質(zhì)對(duì)銅綠微囊藻的生長(zhǎng)抑制作用影響差異很大(李磊等, 2007)。實(shí)驗(yàn)后期實(shí)驗(yàn)組OD750明顯下降, 藻體開(kāi)始黃化失綠, chla含量呈明顯下降趨勢(shì),這可能是因?yàn)殡S著化感物質(zhì)在藻細(xì)胞內(nèi)逐漸積累,藻細(xì)胞開(kāi)始破壁, 大量死亡。由圖3可見(jiàn), 鳳眼蓮粗提物的抑藻效果比水浮蓮和空心蓮子草好, 最高OD750下降值可達(dá)79.08%, chla含量下降90.20%。投加水浮蓮種植水實(shí)驗(yàn)組共培養(yǎng)第 7天 OD750值下降58.18%, chla含量下降 84.44%; 投加鳳眼蓮種植水實(shí)驗(yàn)組共培養(yǎng)第7天OD750值下降69.09%, chla含量下降 90.91%; 投加空心蓮子草種植水實(shí)驗(yàn)組共培養(yǎng)第7天OD750值下降78.19%, chla含量下降96.61%,由此可知, 空心蓮子草種植水對(duì)銅綠微囊藻的生長(zhǎng)抑制效果最佳。

綜上所述, 3種水生入侵植物的種植水對(duì)3種水華藻種的生長(zhǎng)抑制作用總體好于粗提物, 而種植水的化感作用表現(xiàn)出選擇性抑藻效果: 水浮蓮、鳳眼蓮、空心蓮子草的種植水分別對(duì)梅尼小環(huán)藻、蛋白核小球藻、銅綠微囊藻的生長(zhǎng)抑制效果最佳, 其中以空心蓮子草種植水對(duì)銅綠微囊藻的選擇性抑制作用最為顯著。因此, 下文將著重陳述空心蓮子草種植水對(duì)銅綠微囊藻生理生化指標(biāo)的影響的研究。

2.2 空心蓮子草種植水對(duì)銅綠微囊藻生理生化指標(biāo)的影響

2.2.1 對(duì)光合色素的影響 藻細(xì)胞中的葉綠體色素含量往往與藻細(xì)胞的生長(zhǎng)狀況及其光合作用密切相關(guān)(何池全等, 1999)。由圖4可見(jiàn), 對(duì)照組(空白組)的葉綠體色素含量在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在波動(dòng)現(xiàn)象, 而實(shí)驗(yàn)組的趨勢(shì)與對(duì)照組基本一致, 但相比對(duì)照組出現(xiàn)了明顯的下降, 到第7天下降88.12%, 這與實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察到藻液逐漸變澄清的現(xiàn)象一致。數(shù)據(jù)處理的結(jié)果表明, 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中空心蓮子草種植水對(duì)銅綠微囊藻葉綠體色素含量的影響非常明顯, 此結(jié)果與實(shí)驗(yàn)組銅綠微囊藻光合作用受到明顯抑制的現(xiàn)象吻合。

圖3 不同水生入侵植物的兩種化感作用方式對(duì)銅綠微囊藻的生長(zhǎng)抑制作用差異Fig.3 The growth inhibition effects for two allelopathic methods of different invasive aquatic plants on Microcystis aeruginosa

圖4 空心蓮子草種植水對(duì)銅綠微囊藻葉綠體色素含量的影響Fig.4 Influences of planting water of Alternanthera philoxeroides on the chloroplast pigment content of M.aeruginosa

2.2.2 對(duì)呼吸速率的影響 由圖 5可見(jiàn), 培養(yǎng) 11天后對(duì)照組銅綠微囊藻的呼吸速率由 0.040mgCO2/(mL·h)提高到 0.137mgCO2/(mL·h), 而實(shí)驗(yàn)組則下降到 0.017mgCO2/(mL·h), 且實(shí)驗(yàn)組在加入空心蓮子草種植水第5天呼吸速率明顯提高, 幾乎為對(duì)照組的2倍。呼吸速率的急劇增加是銅綠微囊藻細(xì)胞受到脅迫的一種表現(xiàn)(王立新等, 2004; 李鋒民等, 2007), 可見(jiàn)種植水中的化感物質(zhì)對(duì)藻細(xì)胞形成了傷害。第7天實(shí)驗(yàn)組呼吸速率明顯下降, 此時(shí)藻細(xì)胞已經(jīng)開(kāi)始解體,而對(duì)照組藻細(xì)胞呼吸速率處于穩(wěn)定增長(zhǎng)期, 到第 11天實(shí)驗(yàn)組藻細(xì)胞呼吸速率下降87.59%。

圖5 空心蓮子草種植水對(duì)銅綠微囊藻呼吸速率的影響Fig.5 Influences of planting water of A.philoxeroides on the respiration rate of M.aeruginosa

2.2.3 對(duì)抗氧化酶(POD、CAT、SOD)活性以及MDA含量的影響 當(dāng)藻細(xì)胞受到外界脅迫時(shí), 細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生大量活性氧, 破壞膜結(jié)構(gòu), 使膜透性消失, 導(dǎo)致藻細(xì)胞抗氧化酶活性上升, 但當(dāng)細(xì)胞內(nèi)氧自由基濃度超過(guò)一定范圍, 抗氧化酶不能及時(shí)清除過(guò)量的氧自由基時(shí), 導(dǎo)致藻細(xì)胞大量死亡, 抗氧化酶活性降低(Luet al, 2014)。由圖6a—c可知, 對(duì)照組藻細(xì)胞的抗氧化酶活性在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在一定波動(dòng), 但總體上處于平穩(wěn)狀態(tài), 而實(shí)驗(yàn)組藻細(xì)胞 POD活性第 5天相比對(duì)照組提高2倍以上, 隨后開(kāi)始下降, 到第9天急劇下降 54.93%; CAT活性在實(shí)驗(yàn)前期一直高于對(duì)照組, 到第7天急劇下降, 第9天接近為0; SOD活性則呈現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì), 到第11天下降了68.50%。POD、CAT、SOD活性在處理前期增大是因?yàn)殂~綠微囊藻在種植水中受到化感物質(zhì)的脅迫而做出的應(yīng)激反應(yīng), 而在后期下降說(shuō)明藻細(xì)胞已經(jīng)受到實(shí)質(zhì)性的損害, 大量藻細(xì)胞死亡。MDA是脂質(zhì)過(guò)氧化的產(chǎn)物,其形成和積累量可作為細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)損傷、藻細(xì)胞受脅迫程度的一種標(biāo)志(唐萍等, 2000)。SOD活性對(duì)于防止膜脂過(guò)氧化連鎖反應(yīng)具有重要作用, 由圖6c—d可知, 當(dāng)SOD活性最大時(shí)MDA含量急劇下降, 實(shí)驗(yàn)組MDA含量在第3天較第1天升高了8.26%, 而第3天后其顯著降低可能與此時(shí)藻細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重?fù)p傷相關(guān), 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)照組MDA含量未見(jiàn)大幅度波動(dòng)。

圖6 空心蓮子草種植水對(duì)銅綠微囊藻POD活性(a)、CAT活性(b)、SOD活性(c)、MAD含量(d)的影響Fig.6 Influences of planting water of A.philoxeroides on the activities of POD (a), CAT (b), SOD (c) and MAD (d) of M.aeruginosa

2.2.4 對(duì)蛋白質(zhì)含量的影響 藻細(xì)胞中含有多種蛋白質(zhì), 包括參與代謝的各種酶、光合系統(tǒng)蛋白以及藻膽蛋白等。在受到環(huán)境脅迫時(shí), 細(xì)胞可能會(huì)合成逆境蛋白用以對(duì)抗環(huán)境, 細(xì)胞結(jié)構(gòu)受到不可逆破壞, 蛋白質(zhì)積累減少甚至停止, 同時(shí)參與各種生理活動(dòng)的酶合成受到抑制或被大量分解, 導(dǎo)致細(xì)胞代謝功能紊亂, 直至細(xì)胞死亡(周曉見(jiàn)等, 2011)。由圖 7可見(jiàn),對(duì)照組藻細(xì)胞的蛋白質(zhì)含量在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中呈上升趨勢(shì), 而實(shí)驗(yàn)組藻細(xì)胞中蛋白質(zhì)含量在培養(yǎng)前5天略有上升, 而后下降, 到第 11天下降 99.31%, 藻細(xì)胞結(jié)構(gòu)嚴(yán)重受損, 表明銅綠微囊藻細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)合成及水解系統(tǒng)對(duì)空心蓮子草種植水中的化感物質(zhì)相當(dāng)敏感。

圖7 空心蓮子草種植水對(duì)銅綠微囊藻蛋白質(zhì)含量的影響Fig.7 Influences of planting water of A.philoxeroides on the protein content of M.aeruginosa

2.2.5 對(duì)胞外藻毒素含量的影響到第 11天測(cè)得對(duì)照組胞外藻毒素, 即微囊藻毒素(Microcystins, MCs)的含量為 0.7308μg/L, 實(shí)驗(yàn)組胞外 MCs含量為 0.7944μg/L, 實(shí)驗(yàn)組僅比對(duì)照組增加8.69%, 此結(jié)果表明投加空心蓮子草種植水后銅綠微囊藻培養(yǎng)液中藻毒素含量并無(wú)明顯增加, 這可能是因?yàn)樵诳招纳徸硬莘N植水所含化感物質(zhì)的影響下,銅綠微囊藻藻細(xì)胞的破壁率并不高, 處理后僅有少部分細(xì)胞破裂導(dǎo)致胞外藻毒素含量略微增加, 說(shuō)明空心蓮子草種植水并不是通過(guò)裂解藻細(xì)胞實(shí)現(xiàn)抑藻,因此具有較好的生態(tài)安全性, 不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染。

3 結(jié)論

(1) 3種水生入侵植物種植水對(duì)3種常見(jiàn)水華藻種表現(xiàn)出選擇性抑藻作用, 水浮蓮、鳳眼蓮、空心蓮子草的種植水分別對(duì)梅尼小環(huán)藻、蛋白核小球藻、銅綠微囊藻增殖產(chǎn)生較強(qiáng)的抑制效果, 其中空心蓮子草種植水對(duì)銅綠微囊藻的抑制作用最強(qiáng);

(2) 3種水生入侵植物粗提物對(duì)3種常見(jiàn)水華藻種也表現(xiàn)出較好的抑制作用, 其中以鳳眼蓮粗提物的效果最好。但是總體而言, 水生入侵植物粗提物的抑藻效果不及種植水;

(3) 銅綠微囊藻與空心蓮子草種植水共培養(yǎng)過(guò)程中, 藻細(xì)胞的葉綠體色素含量、呼吸速率、POD活性、CAT活性、SOD活性、MDA積累量、蛋白質(zhì)含量均受到顯著影響, 共培養(yǎng) 11天后銅綠微囊藻培養(yǎng)液即出現(xiàn)藻體黃化、細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行性損傷等明顯的脅迫和傷害現(xiàn)象。

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INHIBITORY EFFECT OF INVASIVE AQUATIC PLANTS ON COMMON ALGAE BLOOM SPECIES AND THE UNDERLYING PHYSIOLOGICAL MECHANISMS

WANG Sai-Jun, WU Xiang , WANG Yi-Mian, LOU Wen-Jing, LU Yu-Fang
(Key Laboratory of Aquatic Resources Conservation and Development Technology Research,College of Life Sciences,Huzhou University,Huzhou313000,China)

To utilize the resource of invasive aquatic plants and reduce their harm to the environment, three typical invasive aquatic plants (Pistia stratiotes,Eichhornia crassipesandAlternanthera philoxeroides) were chosen as the study objects to investigate the influences of their two different allelopathy ways (algae-inhibition respectively by planting water and crude extract) on the growth of three common algae bloom species (Chlorella pyrenoidosa,Cyclotella meneghiniana,Microcystis aeruginos), and the underlying physiological mechanisms of algae-inhibitory was also investigated.The experimental results indicate that both the planting water and crude extract of the three plants showed selective algae-inhibitory effect on different microalgae, and the algae-inhibitory effects of planting water were overall stronger than the crude extract.Furthermore, theA.philoxeroidesplanting water had the strongest inhibitory effect onM.aeruginosand the OD750of algal cells decreased by 73.09% and the content of chladecreased by 96.61% on the 7th day of co-culture.Under the influence ofA.philoxeroidesplanting water, the respiration rate ofM.aeruginosincreased firstly and then decreased.The photosynthetic rate decreased gradually, while the activities of antioxidant enzymes (SOD, POD, CAT),protein content, and malondialdehyde (MDA) content increased firstly then decreased, which indicated thatM.aeruginoswas subjected to coercion and injury obviously during the entire culturing period.However, the total amount of microcystins (MCs) in the experimental group increased by only 8.69% more than that of the blank group (P＜0.05) on the 11th day of co-culture.Therefore, it can be concluded that the application ofA.philoxeroidesplanting water has a high degree of ecological safety and can be adopted in practical control of algae blooms, because it can effectively inhibit the growth ofM.aeruginoswithout increasing the release of cyanotoxins.

invasive aquatic plants; microalgae; allelopathy; growth inhibition; algae-inhibitory mechanism

X52; Q946.8

10.11693/hyhz20161200294

* 浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目, 2015C03018號(hào); 國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目, 21207036號(hào); 湖州市生態(tài)文明先行示范區(qū)科技專項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目, 2014ZD2019號(hào); 國(guó)家社科基金特別委托項(xiàng)目, 16@ZH005號(hào); 浙江省大學(xué)生新苗人才計(jì)劃項(xiàng)目,2016R427022號(hào); 浙江省自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目, LQ12B07001號(hào); 國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目, 201510347014號(hào)。王賽君, 本科生, E-mail: 854949427@qq.com

① 通訊作者: 吳 湘, 副教授, E-mail: wwxx1981@126.com

2016-12-31, 收修改稿日期: 2017-05-11