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半叶马尾藻对重金属镉胁迫的生理响应

叶鹏浩 韩婷婷 付贵权 谷阳光 黄洪辉

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半叶马尾藻对重金属镉胁迫的生理响应

    作者简介: 叶鹏浩 (1995—),男,本科,从事海洋与渔业生态环境保护研究。E-mail: 583101288@qq.com;
    通讯作者: 黄洪辉, huanghh@scsfri.ac.cn
  • 中图分类号: Q 945.78

Physiological response of Sargassum hemiphyllum to cadmium stress

    Corresponding author: Honghui HUANG, huanghh@scsfri.ac.cn
  • CLC number: Q 945.78

  • 摘要: 实验选取广东省沿海常见物种半叶马尾藻 (Sargassum hemiphyllum)为研究对象,采用室内半静态的实验方法,研究了半叶马尾藻对不同浓度重金属镉离子 (Cd2+) 胁迫的生理响应和耐受性,为广东省沿海海区重金属污染修复提供依据。结果显示,当ρ(Cd2+)为0.1 mg·L−1时,半叶马尾藻藻体中叶绿素a (Chl a)、类胡萝卜素 (Car)、可溶性蛋白 (SP)、可溶性糖 (SS)、抗氧化酶[超氧化物歧化酶 (SOD) 和过氧化氢酶 (CAT)]活性与对照组之间均无显著差异 (P>0.05);当ρ(Cd2+)为0.5 ~12.5 mg·L−1时,藻体中Chl a、Car、SP、SS、SOD和CAT活性均显著增加 (P<0.05)。当ρ(Cd2+)为0.1~0.5 mg·L−1时,藻体的丙二醛 (MDA) 摩尔质量浓度无显著差异 (P>0.05);当ρ(Cd2+)为2.5 ~12.5 mg·L−1时,胁迫组藻体的MDA摩尔质量浓度显著升高 (P<0.05)。因此,半叶马尾藻在ρ(Cd2+)≤0.5 mg·L−1下具有较强的抗逆性,而过高浓度Cd2+胁迫 (>0.5 mg·L−1)会对藻体的光合作用和抗氧化功能产生负面影响。
  • 图 1  重金属镉离子对半叶马尾藻叶绿素a和类胡萝卜素的影响

    Figure 1.  Effects of Cd2+ on Chl a and Car of S. hemiphyllum

    图 2  重金属镉离子对半叶马尾藻可溶性糖和可溶性蛋白的影响

    Figure 2.  Effects of Cd2+ on soluble sugar and soluble protein of S. hemiphyllum

    图 3  重金属镉离子对半叶马尾藻超氧化物歧化酶、过氧化氢酶活性和丙二醛水平的影响

    Figure 3.  Effects of Cd2+ on SOD and CAT activities, MDA content of S. hemiphyllum

  • [1] PAN K, WANG W X. Trace metal contamination in estuarine and coastal environments in China[J]. Sci Total Environ, 2012: 3-16.
    [2] KAPPEL C V, HALPERN B S, SELKOE K A, et al. A global map of human impact on marine ecosystems[J]. Science, 2008, 319(5865): 948-952. doi: 10.1126/science.1149345
    [3] GU Y G, HUANG H H, LIU Y, et al. Non-metric multidimensional scaling and human risks of heavy metal concentrations in wild marine organisms from the Maowei Sea, the Beibu Gulf, South China Sea[J]. Environ Toxicol Pharmacol, 2018, 59: 119-124. doi: 10.1016/j.etap.2018.03.002
    [4] WANG S L, XU X R, SUN Y X, et al. Heavy metal pollution in coastal areas of South China: a review[J]. Mar Pollut Bull, 2013, 76(1): 7-15.
    [5] GU Y G, LI Q S, FANG J H, et al. Identification of heavy metal sources in the reclaimed farmland soils of the pearl river estuary in China using a multivariate geostatistical approach[J]. Ecotox Environ Safe, 2014, 105: 7-12. doi: 10.1016/j.ecoenv.2014.04.003
    [6] 李慧卿, 孙泽臣, 常丹, 等. 毛建对重金属Ni2+和Cu2+吸附的研究[J]. 食品研究与开发, 2016, 37(10): 42-45, 46. doi: 10.3969/j.issn.1005-6521.2016.10.011
    [7] 王荣霞, 黄敏, 陈傅晓, 等. 棒叶蕨藻变种对重金属Cu2+、Pb2+和Cd2+胁迫的生理响应[J]. 渔业现代化, 2017, 44(2): 25-29, 37. doi: 10.3969/j.issn.1007-9580.2017.02.005
    [8] 黄鹤忠. 江蓠对N、P和重金属Cd2+、Cr6+、Cu2+、Ni2+污染的去除效应及其生理生化响应[D]. 扬州: 扬州大学, 2013: 92-104.
    [9] 罗正明, 贾雷坡, 刘秀丽, 等. 水环境镉对水生动物毒性的研究进展[J]. 食品工业科技, 2015, 36(15): 376-381.
    [10] LU G Y, KE C H, ZHU A, et al. Oyster-based national mapping of trace metals pollution in the Chinese coastal waters[J]. Environ Pollut, 2017, 224: 658-669. doi: 10.1016/j.envpol.2017.02.049
    [11] 巩慧敏, 刘永, 肖雅元, 等. 近海海水和表层沉积物重金属污染与生态风险评价——以海南新村港为例[J]. 农业现代化研究, 2018, 39(4): 700-708.
    [12] 雷富, 陈宪云, 许铭本, 等. 广西茅尾海海水和表层沉积物中重金属污染的调查及评价[J]. 广西科学院学报, 2013, 29(3): 176-180, 185. doi: 10.3969/j.issn.1002-7378.2013.03.007
    [13] 刘慧杰, 刘文君, 刘继平, 等. 南中国海表层海水重金属含量及其潜在生态风险分析[J]. 中国环境科学, 2017, 37(10): 3891-3898. doi: 10.3969/j.issn.1000-6923.2017.10.034
    [14] 吕芳, 詹冬梅, 郭文, 等. 重金属镉对铜藻生长及其生物活性成分积累的影响[J]. 大连海洋大学学报, 2017(6): 664-670.
    [15] 尹文珂, 程金凤, 肖婉露, 等. 四尾栅藻对重金属镉胁迫的响应[J]. 农业环境科学学报, 2015, 34(4): 633-638.
    [16] 韩婷婷, 付贵权, 齐占会, 等. 充气培养对半叶马尾藻生长、营养盐吸收和生化组成的影响[J]. 中国水产科学, 2015, 22(2): 311-318.
    [17] 韩婷婷, 齐占会, 黄洪辉, 等. 3种氮源加富对半叶马尾藻幼苗生长和生化组成的影响[J]. 渔业科学进展, 2018, 39(4): 159-166.
    [18] 付贵权, 韩婷婷, 巩秀玉, 等. 重金属Cu2+胁迫对半叶马尾藻生长及生理生化特性的影响[J]. 南方水产科学, 2015, 11(4): 34-39. doi: 10.3969/j.issn.2095-0780.2015.04.005
    [19] 韩婷婷, 方建光, 张继红, 等. 静止和充气培养条件下光强对龙须菜光合生理效应的影响[J]. 水产学报, 2013, 37(12): 1801-1806.
    [20] WELLBUM A R. The spectral determination of chlorophylls a and b, as well as total carotenoids, using various solvents with spectrophotometers of different resolution[J]. J Plant Physiol, 1994, 144(3): 307-313. doi: 10.1016/S0176-1617(11)81192-2
    [21] KOEHERT G. Carbohydrate determination by phenol-sulfuric acid method [M]. London: Cambridge University Press, 1978: 95-97.
    [22] 李恒, 李美真, 曹婧, 等. 温度对几种大型海藻硝氮吸收及其生长的影响[J]. 渔业科学进展, 2013, 34(1): 159-165. doi: 10.3969/j.issn.1000-7075.2013.01.024
    [23] 黄中坚, 钟志海, 宋志民, 等. 不同营养盐水平对芋根江蓠的生长及生化组分的影响[J]. 南方水产科学, 2014, 10(5): 30-38. doi: 10.3969/j.issn.2095-0780.2014.05.005
    [24] 王增焕, 林钦, 李刘冬, 等. 大型海藻对重金属镉、铜的富集动力学研究[J]. 中国环境科学, 2013, 33(1): 154-160. doi: 10.3969/j.issn.1000-6923.2013.01.022
    [25] 吕利云. 几种大型海藻对海水中重金属污染的生物修复能力研究[D]. 青岛: 中国海洋大学, 2013: 24-51.
    [26] 屈肖肖. 重金属 Pb、Cd 胁迫下龙须菜的富集效应及差异 [D]. 汕头: 汕头大学, 2012: 38-33.
    [27] 余江, 杨宇峰, 聂湘平. 大型海藻龙须菜对重金属镉胁迫的响应[J]. 四川大学学报(工程科学版), 2007, 39(3): 83-90. doi: 10.3969/j.issn.1009-3087.2007.03.016
    [28] 朱喜锋. 重金属汞、铜和镉对三种大型经济海藻毒性效应的研究[D]. 汕头: 汕头大学, 2010: 4-6.
    [29] 周文彬, 邱保胜. 藻类对重金属的耐性与解毒机理[J]. 湖泊科学, 2004, 16(3): 265-272. doi: 10.3321/j.issn:1003-5427.2004.03.012
    [30] 戴灵豪, 史冬玲, 王林燕, 等. 镉胁迫下植物膜蛋白的研究进展[J]. 农业工程, 2017(6): 153-156. doi: 10.3969/j.issn.2095-1795.2017.06.045
    [31] TUDOREANU L, PHILLIPS C J C. Modeling cadmium uptake and accumulation in plants[J]. Adv Agron, 2004, 84(4): 121-157.
    [32] COLLEN J, PINTO E, PEDERSEN M. Induction of oxidative stress in the red macroalga gracilaria tenuistipitata, by pollutant metals[J]. Arch Environ Contam Toxicol, 2003, 45(3): 337-342.
  • [1] 付贵权韩婷婷巩秀玉黄洪辉 . 重金属Cu2+胁迫对半叶马尾藻生长及生理生化特性的影响. 南方水产科学, 2015, 11(4): 34-39. doi: 10.3969/j.issn.2095-0780.2015.04.005
    [2] 粟文韩维栋谢恩义王惠许日升 . 湛江红树林区地埋管网系统中华乌塘鳢保育研究. 南方水产科学, 2018, 14(4): 66-71. doi: 10.3969/j.issn.2095-0780.2018.04.008
    [3] 欧泽奎刘东超谢恩义冯暖怡和秀 . 海水环境中Hg2+、Cd2+、Pb2+ 对张氏马尾藻幼孢子体的生物毒性研究. 南方水产科学, 2016, 12(5): 43-52. doi: 10.3969/j.issn.2095-0780.2016.05.006
    [4] 袁丰华林黑着李卓佳陆鑫杨其彬 . 地衣芽孢杆菌对尖吻鲈血液生理生化指标的影响. 南方水产科学, 2009, 5(2): 45-50. doi: 10.3969/j.issn.1673-2227.2009.02.008
    [5] 张鑫邹定辉徐智广刘树霞 . 大气CO2浓度升高和氮加富对羊栖菜有关生理生化特征的影响. 南方水产科学, 2007, 3(3): 35-40.
    [6] 孙立伟谢恩义曲元凯 . 亨氏马尾藻的有性生殖观察. 南方水产科学, 2015, 11(1): 62-67. doi: 10.3969/j.issn.2095-0780.2015.01.009
    [7] 杨彬谢恩义曲元凯 . 不同环境因子对莫氏马尾藻幼苗生长和光合色素的影响. 南方水产科学, 2013, 9(4): 39-44. doi: 10.3969/j.issn. 2095-0780.2013.04.006
    [8] 吴宗凡时旭程果锋王小冬刘兴国顾兆俊 . 养殖密度对温室湿地循环水系统中鲫生长、生理及免疫指标的影响. 南方水产科学, 2014, 10(5): 39-44. doi: 10.3969/j.issn.2095-0780.2014.05.006
    [9] 区又君陈世喜王鹏飞李加儿温久福王雯谢木娇 . 低氧环境下卵形鲳鲹的氧化应激响应与生理代谢相关指标的研究. 南方水产科学, 2017, 13(3): 120-124. doi: 10.3969/j.issn.2095-0780.2017.03.016
    [10] 郭翠陈伟洲曹会彬吴文婷金玉林 . 不同龙须菜品系在高温胁迫下的生理响应比较. 南方水产科学, 2011, 7(3): 14-19. doi: 10.3969/j.issn.2095.0780.2011.03.006
    [11] 张莹王龙乐钟名其曾权辉刘新红杜虹 . 硼胁迫对龙须菜生长及其生理特征的影响. 南方水产科学, 2014, 10(4): 9-15. doi: 10.3969/j.issn.2095-0780.2014.04.002
    [12] 王国霞刘群芳黄文庆林佳南黄燕华徐黎明 . 复合酶制剂对黄颡鱼生长性能、血清生化和免疫指标的影响. 南方水产科学, 2013, 9(6): 84-90. doi: 10.3969/j.issn.2095-0780.2013.06.014
    [13] 秦洁芳陈海刚蔡文贵杨涛贾晓平 . 邻苯二甲酸二丁酯对汉氏棱鳀生化指标的影响. 南方水产科学, 2011, 7(2): 29-34. doi: 10.3969/j.issn.2095-0780.2011.02.005
    [14] 郭志勋林黑着徐力文苏友禄冯娟 . 饲料中添加半乳低聚糖对军曹鱼生长、部分血清免疫和生化因子的影响. 南方水产科学, 2011, 7(1): 56-61. doi: 10.3969/j.issn.2095-0780.2011.01.009
    [15] 朱筛成龙晓文向朝林张金彪邓登周永昌成永旭吴旭干 . 复合蛋白源替代鱼粉对中华绒螯蟹幼蟹生长性能、生理代谢和生化组成的影响. 南方水产科学, 2019, 15(2): 83-92. doi: 10.12131/20180168
    [16] 张华军李卓佳张家松张晓阳曹煜成文国樑程开敏 . 密度胁迫对凡纳滨对虾稚虾免疫指标及生长的影响. 南方水产科学, 2012, 8(4): 43-48. doi: 10.3969/j.issn.2095-0780.2012.04.007
    [17] 谭连杰林黑着黄忠荀鹏伟黄倩倩周传朋黄小林虞为 . 当归多糖对卵形鲳鲹生长性能、抗氧化能力、血清免疫和血清生化指标的影响. 南方水产科学, 2018, 14(4): 72-79. doi: 10.3969/j.issn.2095-0780.2018.04.009
    [18] 张文超梁桂英阳会军王华朗田丽霞刘永坚 . 饲料中添加甜菜碱对军曹鱼生长、体营养成分和血清生化指标的影响. 南方水产科学, 2012, 8(3): 1-9. doi: 10.3969/j.issn.2095-0780.2012.03.001
    [19] 谭连杰林黑着黄忠赵书燕周传鹏虞为 . 微生态制剂Bio100对虎龙斑幼鱼生长性能、消化酶活性及血清免疫、生化指标的影响. 南方水产科学, 2017, 13(6): 82-89. doi: 10.3969/j.issn.2095-0780.2017.06.010
    [20] 黄光中胡辉肖克宇罗世民谢培荣欧阳菊英 . 葡萄籽与青蒿提取物对黄鳝肠道消化酶活性及血液生化指标的影响. 南方水产科学, 2013, 9(2): 70-75. doi: 10.3969/j.issn.2095-0780.2013.02.012
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-02-19
  • 录用日期:  2019-03-19
  • 网络出版日期:  2019-05-06
  • 刊出日期:  2019-10-01

半叶马尾藻对重金属镉胁迫的生理响应

    作者简介:叶鹏浩 (1995—),男,本科,从事海洋与渔业生态环境保护研究。E-mail: 583101288@qq.com
    通讯作者: 黄洪辉, huanghh@scsfri.ac.cn
  • 广东省渔业生态环境重点实验室,中国水产科学研究院南海水产研究所,广东 广州 510300

摘要: 实验选取广东省沿海常见物种半叶马尾藻 (Sargassum hemiphyllum)为研究对象,采用室内半静态的实验方法,研究了半叶马尾藻对不同浓度重金属镉离子 (Cd2+) 胁迫的生理响应和耐受性,为广东省沿海海区重金属污染修复提供依据。结果显示,当ρ(Cd2+)为0.1 mg·L−1时,半叶马尾藻藻体中叶绿素a (Chl a)、类胡萝卜素 (Car)、可溶性蛋白 (SP)、可溶性糖 (SS)、抗氧化酶[超氧化物歧化酶 (SOD) 和过氧化氢酶 (CAT)]活性与对照组之间均无显著差异 (P>0.05);当ρ(Cd2+)为0.5 ~12.5 mg·L−1时,藻体中Chl a、Car、SP、SS、SOD和CAT活性均显著增加 (P<0.05)。当ρ(Cd2+)为0.1~0.5 mg·L−1时,藻体的丙二醛 (MDA) 摩尔质量浓度无显著差异 (P>0.05);当ρ(Cd2+)为2.5 ~12.5 mg·L−1时,胁迫组藻体的MDA摩尔质量浓度显著升高 (P<0.05)。因此,半叶马尾藻在ρ(Cd2+)≤0.5 mg·L−1下具有较强的抗逆性,而过高浓度Cd2+胁迫 (>0.5 mg·L−1)会对藻体的光合作用和抗氧化功能产生负面影响。

English Abstract

  • 工业化发展以来,人类活动对海洋的影响日益加剧,排放到水环境中的重金属最终汇集到海洋中,不仅会对海洋生物造成危害,还可通过食物链的富集和放大效应间接影响人类健康[1-3]。改革开放40年来,中国经济快速发展,城市化和工业化已对我国沿海和河口地区产生不同程度的重金属污染[1,4-5]。因此,对重金属污染水域的修复工作势在必行。传统的修复方法均存在一定的缺点,如化学沉淀法容易产生二次污染、活性炭吸附法成本高等。因此,越来越多的学者研究运用生物材料通过新陈代谢转移水体重金属的方法[6-8]

    重金属镉 (Cd)是一种环境中无处不在的非必需元素,即使有时水体Cd浓度低,也可在藻类和底泥中累积,被水体中鱼、贝和虾蟹类吸收,通过食物链富集,最终可能进入人体造成公害[9]。相关研究表明,我国沿海海洋环境和贝类已受到不同程度的Cd污染和危害[10]。海南新村港近海海水和表层沉积物重金属污染与生态风险评价中海水中ρ(Cd2+)为0~0.58 μg·L−1,表层沉积物w(Cd2+)年均水平为0.175 mg·kg−1,对该海域生态系统的潜在生态风险属于中等水平[11]。广西茅尾海水体中ρ(Cd2+)为0.03~0.34 μg·L−1[12];南中国海表层海水ρ(Cd2+)为0.047~0.324 mg·L−1[13],已超过我国海水水质三类水标准。已有研究表明,Cd2+胁迫下铜藻 (Sargassum horneri) 岩藻黄素和褐藻多酚的含量明显下降,且活性成分随Cd2+胁迫浓度的增加而减少,而褐藻胶在ρ(Cd2+)为0.1 mg·L−1和0.5 mg·L−1胁迫组与对照组无明显差异[14]。尹文珂等[15]研究显示,四尾栅藻 (S. quadricauda) 色素含量随Cd2+质量浓度增加而降低,可溶性蛋白含量在ρ(Cd2+)为1.0 mg·L−1时达到最大值,之后随ρ(Cd2+)上升而减小,四尾栅藻对低浓度Cd2+具有良好的耐受性,可耐受ρ(Cd2+)为1.0 mg·L−1

    半叶马尾藻(Sargassum hemiphyllum)隶属于褐藻门、马尾藻科、马尾藻属,生长在低潮带或潮下带,广泛分布于中国广东、福建、台湾、浙江沿岸,不仅可用于提取褐藻胶等原料,还可以吸收海水中的氮、磷等营养元素,对海水的净化和修复起重要作用,是人工修复或重建海藻场的重要物种之一。韩婷婷等[16-17]研究了3种氮源加富和充气培养对半叶马尾藻生长及生化组成的影响,付贵权等[18]研究发现半叶马尾藻可作为低质量浓度铜离子[ρ(Cu2+)≤0.05 mg·L−1] 污染海域的生物修复物种,目前尚未见有运用半叶马尾藻修复海洋Cd2+污染的研究报道。

    本文以大亚湾海域优势种半叶马尾藻为研究对象,探讨Cd2+胁迫对半叶马尾藻的光合色素、可溶性糖、可溶性蛋白和抗氧化酶活性等生理生化指标的影响,为广泛运用半叶马尾藻修复中国东南沿海重金属污染海域提供依据。

    • 于广东大亚湾杨梅坑的岩礁潮间带采集半叶马尾藻,并于中国水产科学研究院南海水产研究所深圳试验基地筛选健康藻体,人工清洗去除表面附着物,并放置于砂滤自然海水[ 水温 (20±2) ℃,盐度33,pH 8.0]的水族箱中暂养,自然光照,周期为12 L∶12 D,24 h换一次水,24 h不间断充气。

      实验海水为砂滤自然海水,经0.45 μm滤膜过滤后进行高压灭菌处理,并制备f/2 培养基做备用,测得海水盐度33,pH 8.0,ρ(Cd2+)采用火焰原子吸收分光光度法测定,低于检出限(0.001 μg·mL−1),参照GB 17378. 6—2007。

    • 选取相同部位的半叶马尾藻藻体[ 鲜质量(1.50±0.01) g]放入每个锥形瓶中,实验组添加适量的氯化镉得到Cd2+胁迫所需的质量浓度,分别为0.1 mg·L−1、0.5 mg·L−1、2.5 mg·L−1和12.5 mg·L−1,未添加氯化镉的为对照组,每组设置3个平行,置于20 ℃、光强100 μmol·m−2·s−1、光照周期12 L∶12 D的GXZ智能型光照培养箱中培养,光照期间每隔2 h人工摇晃培养液使其混合均匀。实验选择0.1 mg·L−1、0.5 mg·L−1、2.5 mg·L−1、12.5 mg·L−14个浓度梯度,分别验证轻度污染、中度污染 、重度污染和最大耐受条件的抗逆情况。

      分别于实验第第0、第4、第8、第12、第24和第48小时取藻体–80 ℃冷冻保存,用于测定其生理生化指标。

    • 参照韩婷婷等[19]和Wellburn[20]的方法,称量0.10 g新鲜半叶马尾藻藻体加入少许石英砂和碳酸镁,并吸取80%的丙酮10 mL研磨,研磨破碎后置于4 ℃冷藏萃取24 h,在4 000 r·min−1 下离心15 min,吸取上清液,测定其在波长665 nm、652 nm、510 nm和480 nm处的吸光值,根据公式计算Chl a 和Car的质量分数 (mg·g−1):

      $ {\large{w_{{\rm Ch} 1\;a}}}=\left(16.29 \times A_{665}-8.54 \times A_{652}\right) \times V / W \times 1\;000 $

      $ {\large{w_{\rm{Car}}}}=7.6 \times\left(A_{480}-1.49 \times A_{510}\right) \times V / W \times 1\;000 $

      式中A 为吸光值,V为浸提丙酮的体积 (mL),W为藻体鲜质量 (g)。

    • 采用南京建成试剂盒考马斯亮蓝法测定。

    • 参照Koehert[21]的苯酚-硫酸法,称量0.30 g新鲜半叶马尾藻藻体,加入适量蒸馏水 (少于20 mL) 研磨均匀,80 ℃恒温水浴30 min,待冷却后过滤定容至20 mL为待测溶液。吸取适量待测液,并加入1 mL苯酚试剂和5 mL浓硫酸,在485 nm波长下测其吸光值(mg·g−1),计算公式为:

      $ {\large{w_{\mathrm{SS}}}}=C \times V / W \times 1\;000 \times \mathrm{a} $

      式中C为葡萄糖标准曲线中查得的值 (mg);V为样品提取液体积 (mL);a为显色时取样量 (mL);W为样品鲜质量 (g)。

    • 采用南京建成试剂盒羟胺法测定超氧化物歧化酶 (SOD) 活性 (A001-1-1),用南京建成试剂盒可见光法测定过氧化氢酶 (CAT) 活性 (A007-1-1),丙二醛 (MDA) 用南京建成试剂盒硫代巴比妥酸 (TBA) 法测定。

    • 采用SPSS 16.0软件对数据进行单因素方差分析,并用最小显著差异法(LSD) 比较各处理组间的显著性差异 (P≤0.05);处理数据后用Origin 9.0软件绘图。

    • Cd2+胁迫对半叶马尾藻的光合色素合成有一定促进作用 (图1),在ρ(Cd2+)为0.1 mg·L−1胁迫组中,w(Chl a)和w(Car)与对照组无显著差异 (P>0.05);在ρ(Cd2+)为0.5 mg·L−1和2.5 mg·L−1胁迫组中,实验结束时w(Chl a)和w(Car)显著高于对照组 (P<0.05),w(Chl a)分别增加9.9%和15.8%,w(Car)分别增加15.4%和27.9%;ρ(Cd2+)为12.5 mg·L−1的胁迫组,在4~12 h实验期间w(Chl a)和w(Car)显著低于对照组 (P<0.05),12 h后出现明显上升趋势,在实验第48 小时w (Chl a)和w (Car)显著高于对照组 (P<0.05),分别增加了10.2%和12.1%。

      图  1  重金属镉离子对半叶马尾藻叶绿素a和类胡萝卜素的影响

      Figure 1.  Effects of Cd2+ on Chl a and Car of S. hemiphyllum

    • Cd2+胁迫对半叶马尾藻的SS和SP合成有一定促进作用 (图2),在ρ(Cd2+)为0.1 mg·L−1的胁迫组中,w(SP)与对照组无显著差异 (P>0.05), w(SS)在第4~第24小时均显著高于对照组 (P<0.05),第48小时恢复到对照组水平 (P>0.05);而在ρ(Cd2+)为0.5 mg·L−1、2.5 mg·L−1和12.5 mg·L−1的胁迫组中,w(SP)和w(SS)均显著高于对照组 (P<0.05),第48小时w(SS)分别比对照组增加了20.2%、60.8%和17.5%,w(SP)分别比对照组增加了38.7%、19.3%和2.4%,其中ρ(Cd2+)为2.5 mg·L−1的胁迫组对SS合成促进最大,ρ(Cd2+)为0.5 mg·L−1的胁迫组对SP合成促进最大。

      图  2  重金属镉离子对半叶马尾藻可溶性糖和可溶性蛋白的影响

      Figure 2.  Effects of Cd2+ on soluble sugar and soluble protein of S. hemiphyllum

    • Cd2+胁迫对半叶马尾藻抗氧化酶系统的影响显著(图3),对照组藻体的抗氧化酶各项指标保持不变,说明藻体没有产生抗逆反应。

      图  3  重金属镉离子对半叶马尾藻超氧化物歧化酶、过氧化氢酶活性和丙二醛水平的影响

      Figure 3.  Effects of Cd2+ on SOD and CAT activities, MDA content of S. hemiphyllum

      SOD活性在ρ(Cd2+)为0.1 mg·L−1的胁迫组中,除在第12小时明显高于对照组(P<0.05),其余与对照组无显著差异 (P>0.05);在ρ(Cd2+)为0.5 mg·L−1、2.5 mg·L−1和12.5 mg·L−1的胁迫组中,SOD活性显著高于对照组 (P<0.05),至第48小时,分别比对照组升高16.9%、45.2%和41.6%,其中ρ(Cd2+)为2.5 mg·L−1对SOD活性影响最大。

      CAT活性 (U·mg−1prot)在ρ(Cd2+)为0.1 mg·L−1的胁迫组中,除在第8和第12小时明显高于对照组(P<0.05),其余与对照组无显著差异(P>0.05);在ρ(Cd2+)为0.5 mg·L−1、2.5 mg·L−1和12.5 mg·L−1的胁迫组中,第48小时显著高于对照组(P<0.05),分别比对照组升高47.4%、63.9%和57.3%,其中ρ(Cd2+)为2.5 mg·L−1的胁迫组对CAT活性影响最大。

      MDA摩尔质量浓度 (nmol·mg−1) 在ρ(Cd2+)为0.1 mg·L−1和0.5 mg·L−1的胁迫组在第4~第12小时比对照组显著增加 (P<0.05),第48小时0.1 mg·L−1与0.5 mg·L−1胁迫组无显著差异 (P>0.05);而ρ(Cd2+)为2.5 mg·L−1和12.5 mg·L−1胁迫组中,MDA水平均显著高于对照组 (P<0.05),结束时分别比对照组增加17.5%、22.8%、92.0%和67.0%,其中ρ(Cd2+)为2.5 mg·L−1胁迫组对MDA水平影响最大。

    • 大型海藻的生长状况受多种环境因子的影响,如温度、pH、营养盐等[22-23],而且还受重金属铜、镉等影响[24]。研究发现,真江蓠 (Gracilaria verrucose)、孔石莼 (Ulva pertusa)[25]、龙须菜 (Gracilaria lemaneiformis)[26]等大型海藻对Cd都有很强的吸附和耐受性,在ρ(Cd2+)大于10 mg·L−1胁迫下才会破坏龙须菜藻体中过氧化物酶的活性,出现生长抑制[27]

      本研究表明,半叶马尾藻在ρ(Cd2+)为12.5 mg·L−1胁迫组中第4~第12小时Chl a和Car质量浓度出现明显下降,随后逐渐升高显著高于对照组 (P<0.05)。朱喜锋等[28]研究表明,Cd2+通过损害光合作用器官、结合生物大分子的活性位点(如Cd2+取代叶绿素分子中心的Mg2+从而破坏叶绿素结构)影响光合作用;同时,藻类自身也会形成植物络合素、金属硫蛋白等与重金属结合从而增加藻类对重金属的耐受性[29]。Chl a和Car是大型海藻光合作用的主要色素,Chl a含量的变化是衡量藻体衰老状况的重要指标,第48小时实验结束时,ρ(Cd2+)≤0.1 mg·L−1胁迫下半叶马尾藻Chl a和Car含量与对照组没有显著性差异,说明低浓度的Cd2+对半叶马尾藻的光合作用影响不大;0.1 mg·L−1<ρ(Cd2+)≤12.5 mg·L−1胁迫下半叶马尾藻Chl a和Car含量均高于对照组,说明半叶马尾藻对高浓度Cd2+胁迫有较强的抗逆性。

      SP和SS是衡量植物代谢水平的重要指标,Cd胁迫下植物膜蛋白会明显增加[30],实验第4~第24小时SP和SS含量均明显上升,只有ρ(Cd2+)为0.1mg·L−1胁迫组在48 h后恢复到对照组水平,ρ(Cd2+)为0.5 mg·L−1、2.5 mg·L−1和12.5 mg·L−1下胁迫处理48 h后SP和SS含量明显高于对照组。本研究结果表明,ρ(Cd2+)不高于12.5 mg·L−1胁迫浓度下可诱导SP和SS合成,从而降低Cd2+对藻体的毒性,这可能是半叶马尾藻对环境中过量Cd2+毒害自我保护机制的响应,但高浓度的Cd2+会对藻体蛋白质合成与代谢起破坏作用[31]

      在重金属胁迫下,藻体会产生大量的活性氧自由基 (ROS)从而对藻体蛋白和核酸等产生损害,破坏代谢平衡。与此同时,藻体会产生大量的抗氧化酶 (如SOD、CAT等)适应胁迫环境,SOD主要清除活性氧自由基,CAT则主要清除SOD产生的H2O2,从而保护细胞。当重金属浓度过高破坏抗氧化酶保护系统则会引发活性氧积累,进而引起膜组分不饱和脂肪酸的过氧化,MDA水平增加。因此,MDA水平可以显示细胞质膜过氧化程度和对逆境条件反应的强弱[32]。本研究中,ρ(Cd2+)为0.1 mg·L−1胁迫组中,藻体Chl a、Car和SP在48 h内与对照组均无显著性差异,在该浓度胁迫下藻体的光合色素和SP含量保持稳定,说明藻体的光合作用产能以及蛋白代谢正常运作,而SS、SOD和CAT出现波动,在第48小时结束时与对照组无显著差异,说明在0.1 mg·L−1胁迫组中藻体通过加强糖代谢和增加抗氧化酶含量进行抗逆,并在48 h内适应该胁迫环境,同时MDA水平显著高于对照组,说明在该浓度Cd2+胁迫下藻体出现抗逆现象,以此维持正常的代谢平衡;在ρ(Cd2+)为0.5 mg·L−1胁迫组中,实验结束时光合色素、SS、SP、SOD和CAT含量显著性高于对照组,说明在该浓度胁迫下藻体除了通过加强糖代谢和增加抗氧化酶含量方式进行抗逆外,同时需要加强光合作用,增加能量和加强蛋白代谢进行共同抗逆,其MDA水平与0.1 mg·L−1胁迫组没有显著差异,说明在ρ(Cd2+)为0.5 mg·L−1胁迫下,半叶马尾藻通过增强抗逆系统,藻体依然能保持正常的代谢平衡;而在ρ(Cd2+)为2.5 mg·L−1的胁迫组中,光合色素含量持续增加,抗逆反应依然需要大量的能量消耗,SS含量在24 h后出现大幅增加,SP则在第24小时上升至最高,48 h后出现下降,但依然显著高于对照组,该浓度下48 h后SS含量最高说明藻体内糖代谢旺盛有利于对Cd2+的吸附,同时SOD和CAT活性以及MDA含量在第48小时时远高于对照组抗氧化酶系统平衡失常,产生大量活性氧,该浓度的Cd2+胁迫已对藻体的正常代谢造成了破坏,但尚未达到破坏MDA水平的程度,还处于藻膜脂质过氧化加剧状态;在ρ(Cd2+)为12.5 mg·L−1的胁迫组中,光合色素、SS、SP和抗氧化酶以及MDA含量均低于2.5 mg·L−1胁迫组,说明藻体不能继续加强光合作用产能维持抗逆,同时也无法继续利用糖代谢和蛋白代谢进一步吸附重金属镉,抗氧化酶系统已经受到破坏,所以继续增加Cd2+并不会使藻体产生更强的抗逆性。

      综上,轻度的Cd2+污染对半叶马尾藻的生理指标无显著影响;中度Cd2+污染下藻体通过加强光合作用、蛋白代谢、糖代谢和抗氧化物系统运作4种方式增强抗逆性,藻体产生较强的耐受性;而重度Cd2+污染下,各项生理指标出现异常增高,藻体内积累大量活性氧,抗氧化酶系统失衡,无法正常代谢;最大耐受条件下,藻体各项生理指标相较于重度污染降低,活性氧大量累积,抗氧化酶系统受到破坏。因此,半叶马尾藻对Cd2+胁迫具有一定的适应性和耐受性,本研究可为运用半叶马尾藻修复中国东南沿海中度重金属Cd2+ (≤0.5 mg·L−1) 污染海域提供依据。

参考文献 (32)

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