環(huán)境因子對海洋藻類酶活性的影響及其應用

初潤

（大連理工大學生物工程學院，遼寧大連 116024）

0.引言

作為海洋及地球最大的初級生產(chǎn)者，海洋藻類為海洋及地球提供極大的能量，可在較大程度上對海洋及地球環(huán)境進行改善[1-2]。近年來，隨著科學家對海洋藻類不斷深入研究發(fā)現(xiàn)，其存在獨特的生物功能性物質(zhì)，不僅能夠?qū)Ｑ蟓h(huán)境起到有效的修復作用，同時通過加工后會為人類提供蛋白質(zhì)與良好的保健作用[3-4]。同其他生物一般，海洋藻類也需要不斷進行新陳代謝，通過研究發(fā)現(xiàn)，其新陳代謝主要由諸多酶的催化下進行作用，因此酶的活性對于藻類的生長發(fā)育產(chǎn)生直接影響[5]；同時通過進一步研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境因子的變化又會在一定程度上影響酶的活性，從而對藻類的生長發(fā)育產(chǎn)生影響[6]。對此本文將分析環(huán)境因子對海洋藻類酶活性的影響及其應用。

1.物理因素對海洋藻類酶活性產(chǎn)生的影響

1.1 光照

光照的強度、質(zhì)量、周期均對藻類酶的活性變化產(chǎn)生影響。在胡忻等人的研究中，作者進行了光對高盒形藻硝酸還原酶（NR）的影響實驗，通過結(jié)果可知，光對NR活性的誘導存在晝夜節(jié)律情況。依據(jù)國外學者Ramalho等人的研究可知，甲藻NR活性的晝夜變化能夠與酶蛋白含量的晝夜變化保持平行，并且僅在硝酸鹽參與時，光信號才能夠?qū)R蛋白合成過程進行誘導，然而在黑暗中NR蛋白則又會發(fā)生降解現(xiàn)象。NR活性會隨著光照時間的延長而變強，在某一小范圍內(nèi)NR會產(chǎn)生最大的活性。光可對大型海藻及某些微藻對NO3-的吸收形成刺激，依據(jù)相關(guān)的研究顯示，雖然部分藻類在未接受光照的情況下也能夠吸收NO3-，但僅限于巨藻。光周期也會對海藻吸收NO3-產(chǎn)生影響，分析原因在于NR的合成與活性此種顯著的晝夜節(jié)律[7]。依據(jù)國內(nèi)相關(guān)學者的研究可知，α-半乳糖苷酶具有顯著的活性日變化現(xiàn)象，在光照開始的3 h內(nèi)，酶活性并未表現(xiàn)出顯著的變化，甚至還呈現(xiàn)出下降的特點，之后隨著光照時間的不斷延長，其活性會顯著的提升；在光照6h時，酶活性達到峰值，之后開始緩慢降低；在未接受光照情況下，酶的活性始終保持于較低水平，并緩慢下降，通過上述學者的結(jié)果表明，相比于非光照情況，光周期內(nèi)的酶活性明顯高，峰值約為骨質(zhì)的3.6倍。在光照情況下，紅藻糖苷的合成速度會加快，且其代謝酶α-半乳糖苷酶與磷酸化酶的活性也會顯著提升；然而在非光照情況下，紅藻糖苷的合成、降解與總體含量明顯較低，代謝酶的活性也會在較大程度上降低。

1.2 溫度

溫度會在較大程度上影響NO3-的釋放，也會影響NR與三磷酸腺苷（ATP）含量，成為對蛋白、碳水化合物與碳進行調(diào)節(jié)的主要因子，通過實驗表明，隨著溫度的升高，蛋白、碳水化合物與碳的含量會顯著降低，反之則升高。溫度是影響海藻NR活性的重要因素，也是對大型海藻營養(yǎng)吸收進行控制的重要因子，溫度對不同離子吸收會產(chǎn)生不同的影響，當溫度下降時，會降低長海帶對NO3-的吸收率，但卻不會對一種墨角藻對NO3-的吸收率產(chǎn)生明顯的影響，分析原因在于上述兩種海藻最適的NR活性存在不同的溫度范圍[8]。

在海洋當中，如果藻類的品種不同，那么它們也會存在著不同的臨界溫度，同時體內(nèi)的活性酶其實也存在著不同的適應溫度。根據(jù)國內(nèi)相關(guān)學者的研究結(jié)果便可以得知[9]，過氧化氫酶的溫度一般來說會保持在10℃～15℃左右，個別需要控制在5℃～20℃左右，在55℃的時候進行5min的加熱，在這個時候活性就會減半，在60℃～65℃左右的溫度下進行15min的加熱，那么活性就會完全喪失。根據(jù)國內(nèi)相關(guān)學者的研究可以得知[10]，通過針對于螺旋藻的過氧化氫酶進行相關(guān)的研究可以發(fā)現(xiàn)，當?shù)竭_了某個溫度的時候，螺旋藻的過氧化氫酶就會表現(xiàn)出非常高的活性，而且不同的螺旋藻的過氧化氫酶活性也完全不同，并且也能夠表現(xiàn)出非常大的溫度性差異。

可以發(fā)現(xiàn)光照包括溫度針對于海洋當中的藻類的生長率以及營養(yǎng)的吸收都會產(chǎn)生一定的影響，相較于營養(yǎng)吸收率來說，其實生長率針對于光照的反應是更加明顯的，分析其原因可能在于藻類當中的酶類活性物很容易就會受到光照的影響。在冬季中由于光照跟溫度條件都是比較低的，所以說，在很大程度上會限制藻類的生長以及酶的反應速率。但是，在這個時候藻類的體內(nèi)色素，包括酶的濃度都會出現(xiàn)補償性增加的特點，所以，這也是海藻適應季節(jié)性的一個顯著特征。

2.化學因素對海洋藻類酶活性產(chǎn)生的影響

2.1 鹽度

經(jīng)過研究之后可以發(fā)現(xiàn)，對于海洋當中藻類酶的活性來說，鹽度的變化也會對其產(chǎn)生一定的影響。根據(jù)國內(nèi)相關(guān)學者的研究可以發(fā)現(xiàn)有學者在進行實驗的過程當中，選擇把龍須菜放在鹽度不同的營養(yǎng)液當中對其進行培養(yǎng)，并且觀察龍須菜礦半乳糖苷酶的具體活性。經(jīng)過觀察之后，發(fā)現(xiàn)在進行了3d培養(yǎng)之后，龍須菜的3個品系表現(xiàn)的酶活性變化是非常相近的，也就是說相較于高鹽度來說，在低鹽度當中酶活性會更加的高一些。依據(jù)國外相關(guān)學者的研究報道內(nèi)容可知[11]，高鹽度會在較大程度上提升紅藻糖苷的含量。酶活性變化也對紅藻糖苷的滲透調(diào)節(jié)作用進行了間接反映，當外部為低鹽滲透壓力時，α-半乳糖苷會產(chǎn)生較高的酶活性，而紅藻糖苷會在較大程度上被降解；當外部為高鹽滲透壓時，α-半乳糖苷的酶活性則會降低，紅藻糖苷則不會在較大程度上被降解。

2.2 氮濃度

氮濃度的不同也會對α-半乳糖苷酶活性產(chǎn)生不同的影響。依據(jù)孫雪[12]等人的研究可知，作者使用不同濃度的營養(yǎng)鹽濃度分別對龍須菜α-半乳糖苷酶活性進行測試，通過結(jié)果可知，培養(yǎng)基氮濃度的不同變化會對α-半乳糖苷酶活性產(chǎn)生較為復雜的影響。隨著氨濃度的不斷提升，α-半乳糖苷酶的活性會表現(xiàn)出先上升后下降再升高的特點。若未在培養(yǎng)基中添加氮源，則α-半乳糖苷酶活性低于氮濃度是1N時的酶活性，分析原因在于可能氮的缺乏對α-半乳糖苷酶蛋白的合成形成了限制。依據(jù)國外學者的研究發(fā)現(xiàn)，海水中氮含量對紅藻糖苷的影響時認為，氮的加入直接對UDP-D-半乳糖與磷酸甘油形成刺激，使得紅藻糖苷的含量在較大程度上提升。在曹特等人的研究中，作者探討分析不同濃度的碳酸銨與硝酸鉀對藻類的超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）的活力進行實驗，作者分別采取4種濃度的碳酸銨及5種濃度的硝酸鉀對金魚藻實施急性處理，分別于5h～48h內(nèi)測定植株SOD、CAT、POD、APx的活力，通過結(jié)果可知，使用銨鹽處理后，在SOD、CAT、POD、APx酶中，CAT產(chǎn)生最大的活性變化情況，在5h～15h時，CAT活性會隨著處理濃度升高而提升；使用硝酸鹽處理后，SOD、APX、CAT活性在24h時表現(xiàn)出顯著的提升，SOD與CAT活性產(chǎn)生最大的活性變化情況，在硝酸鹽的濃度較低時，SOD與CAT的活性會顯著提升，然而在硝酸鹽的濃度較高時，SOD與CAT的活性會顯著下降。使用銨鹽與硝酸鹽進行處理后，APX活性均最低，CAT變化規(guī)律與其一致。

2.3 鎘濃度

在楊艷華[13]等人的研究中，作者觀察了不同濃度鎘對黑藻葉光化學與NR特性的影響情況，通過結(jié)果可知，黑藻葉片的葉綠素含量、葉綠素a與b比值的活性會隨著Cd2+濃度的增加而下降；而其葉綠體ATP的含量、NR的活性則表現(xiàn)出先上升而后下降特點，對結(jié)果進行總結(jié)發(fā)現(xiàn)，相關(guān)監(jiān)測人員可按照黑藻葉光化學與NR特性的變化對鎘的污染程度進行監(jiān)測判斷。

2.4 pH

依據(jù)國外相關(guān)學者的研究可知[14]，作者對pH關(guān)于中肋骨條藻NO3-吸收、積累及其化學組成的影響進行了詳細分析研究，通過結(jié)果可知，pH對NO-的吸收及胞內(nèi)NO-33庫均會產(chǎn)生影響，當pH值為8.5時，影響度最高，當pH值為9.0時，影響度會在較大程度上降低；而細胞內(nèi)的Chl-a、蛋白質(zhì)、RNA、DNA則不會受到影響。在其他國外學者的研究中，作者對高pH值對細基江蘺生長、營養(yǎng)鹽吸收的影響進行了深入的研究，通過結(jié)果可知，當pH值為9～10，不會對細基江蘺生長、營養(yǎng)鹽吸收產(chǎn)生不良影響，并向相比于NO3-，在介質(zhì)中添加NH4+時會導致pH值產(chǎn)生更大的波動，介質(zhì)的pH值會隨著光合作用的進行而升高，對NH4+的吸收可有效地減慢介質(zhì)pH值的升高速度，分析原因在于當細胞吸收一個NH4+的同時會排出一個H，以保證膜內(nèi)外保持平衡狀態(tài)的離子濃度與電位；然而若吸收一個NO3-，便需要消耗一個H+，則會提升pH值。在栗淑嬡等人的研究中，作者對螺旋藻CAT進行了研究，雖然不同來源的螺旋藻的CAT存在不同的最大活性，然而若pH為10下，則CAT的活性最高。

3.生物因素對海洋藻類酶活性產(chǎn)生的影響

藻類不同部位的NR活性也存在較大的差異。依據(jù)國內(nèi)相關(guān)學者的研究可知，作者對海帶NR活性進行研究，通過結(jié)果可知，NR活性與水深存在密切關(guān)聯(lián)，在垂直苗繩的上下端，通過比較可知，上端酶的活性明顯較高，分析原因可能與上端光照充足存在密切關(guān)聯(lián)，NO3-在受到NR的催化后會形成NO2-，在此過程中需將NADPH作為還原劑，然而由于未獲得足夠的光照，無法獲得較多的光合產(chǎn)物，從而使得NADPHso明顯較低，導致下端的酶的活性較低。因此，在海帶養(yǎng)殖時需要對苗繩的深度進行適當調(diào)整，以便能夠獲得更多的光照，提升光合速率與氮代謝水平，最終能夠在較大程度上提升海帶的質(zhì)量。根據(jù)不同的試驗結(jié)果顯示，無論是海帶還是裙帶菜，在幼苗期還是成熟期，其葉片尖端酶均具有較高的活性，原因可能與爛尖存在密切關(guān)聯(lián)。當藻體發(fā)生病爛情況后，細胞結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)解體情況，NR外溢，使得酶與底物進行充分的接觸，加快反應速度。

4.海藻酶活性研究的應用前景

4.1 可作為環(huán)境治理的酶

當我們選擇使用酶來進行環(huán)境治理的時候，主要可以分為幾種類型：（1）使用酶來針對于食品當中的工業(yè)廢水進行集中的處理，例如，我們可以使用糖化酶以及蛋白酶等；（2）使用酶針對于造紙行業(yè)所產(chǎn)生的廢水進行處理，包括纖維素酶等；（3）針對于芳香族化合物進行處理，主要包括酪氨酸酶以及萘雙氧合酶等；（4）使用酶針對于氰化物進行處理，主要包括氰化酶以及氰化物水合酶；（5）使用酶針對于有機磷農(nóng)藥進行集中的處理，主要包括硫磷水解酶等；（6）使用酶針對于重金屬進行處理，包含磷酸酶、貢還原酶等。

4.2 應用于分子生物學與醫(yī)學領(lǐng)域

酶是一種蛋白質(zhì)，其利用空間明顯較大。對于江蘺藻體而言，其具有較高的藻紅蛋白含量，是一類寡聚蛋白，會對癌細胞起到良好的光動力殺傷效果，并且能夠?qū)Σ±砜乖M行檢測，同時還具有類胰島素活性；藻藍蛋白也是一種寡聚蛋白，能夠發(fā)揮良好的抑制癌細胞、提升免疫系統(tǒng)應答能力、提高造血功能的效果，因而具有較高的醫(yī)用價值。

5.結(jié)語

海洋藻類中存在的酶對于海洋環(huán)境的修復及對各種污水、廢水的處理具有重要作用，能夠顯著改善環(huán)境，通過深入的研究能夠使其獲得加廣泛地應用范圍。