Community structure of phytoplankton and their indicative effect on water quality of Pearl River
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摘要:
浮游植物为河流生态系统的初级生产者,其动态变化关系到渔业资源和水生态系统的稳定。分别于2021年枯水期 (3月)、丰水期 (7月) 和平水期 (11月) 对珠江3个典型河段开展浮游植物群落结构调查,利用生物多样性等指标评价水质现状,为珠江水污染防治和水生态恢复提供技术支撑。结果显示,浮游植物种类、密度、生物量和优势种呈现显著的时空变化 (P<0.05)。全年共鉴定出浮游植物187种,3、7和11月分别鉴定出117、98和77种,平均密度分别为8.6×105、7.2×106和4.0×105 个·L−1,生物量分别为1.235 4、4.674 5和0.569 8 mg·L−1,其中丰水期北江流溪河石角段蓝藻密度高达1.18×107 个·L−1 (达到轻微蓝藻水华水平)。上游北江流溪河河段浮游植物群落结构由枯水期的绿藻型演变为丰水期的绿藻-蓝藻型,全年以四尾栅藻 (Scenedesmus quadricauda)、细小平裂藻 (Merismopedia tenuissima) 和被甲栅藻博格变种双尾变型 (S. armatus var. boglariensis f. bicaudatus) 为优势种,下游珠江河口莲花山到大虎岛段呈硅藻型到硅藻-蓝藻型的演变,以颗粒直链藻 (Melosira granulata) 和细小平裂藻为优势种。Shannon多样性指数 (H')、Pielou 均匀度指数 (J') 和Margalef 丰富度指数 (D) 分别介于1.58~3.05、0.51~0.84和1.60~3.42。基于生物多样性指数综合评价显示,被调查的珠江3个典型河段水质介于轻度污染到α-中污染之间,水质仍需治理改善。
Abstract:As the primary producer of river ecosystem, the dynamic changes of phytoplankton are related to the stability of fishery resources and water ecosystem. We investigated the community structure of phytoplankton in three typical sections of the Pearl River in dry season (March), wet season (July) and level season (November) in 2021, and evaluated the current situation of water quality by biodiversity and other indicators, so as to provide technical support for the Pearl River water pollution control and water ecological restoration. Results indicate that the species composition, abundance and dominant species of phytoplankton showed significant spatiotemporal changes (P<0.05). A total of 187 species were identified throughout the year (117 in March, 98 in July and 77 in November). The average cell abundance of phytoplankton was 8.6×105, 72.1×105 and 4.0×105 cells·L−1 , and the biomass was 1.235 4, 4.674 5 and 0.569 8 mg·L−1 in March, July and November, respectively. The abundance of Cyanophyta reached 1.18×107 cells·L−1 (Slight cyanobacteria bloom level) in Shijiao section of the Pearl River in wet season. The phytoplankton community structure in the upper reaches of the Pearl River changed from chlorophyta type in dry season to chlorophyta-cyanobacteria type in wet season, and Scenedesmus quadricauda, Merismopedia tenuissima and S. armatus var. boglariensis f. bicaudatus were the dominant species throughout the year. In the lower reaches, the phytoplankton community structure changed from diatomic type to diatom-cyanobacteria type, with Melosira granulata and M. tenuissima as the dominant species. Shannon-Wiener index (H'), Pielou index (J') and Margalef index (D) were 1.58–3.05, 0.51–0.84 and 1.60–3.42, respectively. According to the comprehensive evaluation based on the biodiversity indexes, the water quality in the three typical reaches of the Pearl River was between mild pollution and α-medium pollution, and the water quality still needs to be improved.
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Keywords:
- Phytoplankton /
- Community structure /
- Biodiversity index /
- Water quality assessment /
- Pearl River
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鲢 (Hypophthalmichthys molitrix) 是中国主要的养殖型淡水鱼类,其肉质鲜美、营养丰富,是鱼糜加工的主要原料之一。冷冻贮藏是鱼糜制品保存的主要方法,肌原纤维蛋白 (Myofibrillar protein, MP) 是鱼肉中重要的蛋白质,然而,由于长时间的冷冻贮藏,鱼糜制品中冰晶的生长会引起肌原纤维蛋白变性[1],从而影响其品质。因此,探索新型的冷冻方式来减弱肌原纤维蛋白变性程度,保持良好的鱼糜品质显得尤为重要。磁场对食品材料具有高穿透性,且与食品无接触[2],是一种新型的非热物理加工技术。磁场会使食品中水分子之间的键联更紧密,形成的网络更稳定,从而达到冰点冻结,并在冻结过程中形成大小均匀的冰晶,以保护产品的品质属性[3]。
褐藻寡糖 (Alginate oligosaccharide, AO) 是经褐藻胶降解产生,由β-D甘露糖醛酸 (ManA) 和C-5差向异构体α-L古洛糖醛 (GulA) 通过1-4糖苷键连接而成[4]。有研究报道,褐藻寡糖可以阻碍冰晶的生成,并且有良好的抗菌、抗氧化能力[5],可作为天然绿色的抗冻剂。褐藻寡糖可以降低贮藏期间猕猴桃 (Actinidia chinensis) 灰霉病的发生率和病斑直径,并能使其保持更高的硬度和更低的可溶性固形物含量[6];在凡纳滨对虾 (Litopenaeus vannamei) 的冷冻中,褐藻寡糖可以延缓蛋白质变性,显著提高虾的保水能力,并保持良好的品质[7];也有研究发现,褐藻寡糖可以降低冷冻鱿鱼鱼糜肌肉组织的硬度,提升色泽和弹性[8]。但目前仍缺乏褐藻寡糖对磁场冷冻过程中产品保鲜的相关报道。
低磁场 (Low magnetic field, LMF) 冷冻作为新型技术,已逐渐应用于食品冷冻保鲜领域。在鲤 (Cyprinus carpio) 冷冻中,低磁场缩短了相变阶段的时间,延长了冻结阶段的时间[9];在牛肉保鲜上,低磁场可使牛肉的保质期延长6 d以上,同时可以防止结晶[10];在樱桃 (Cerasus pseudocerasus) 冷冻中,低磁场可一定程度上减少其滴水损失[11]。使用低磁场冷冻技术和抗冻剂均能减弱冷冻贮藏过程中食品蛋白质的变化,并使其保持良好的品质。目前有关天然、绿色来源抗冻剂的协同增效作用研究报道仍较少。因此,本研究选择褐藻寡糖协同低磁场技术的冷冻方式,通过测定无处理冷冻、褐藻寡糖修饰冷冻、褐藻寡糖协同低磁场冷冻和常规冷冻下鲢肌原纤维蛋白的浊度、表面疏水性、巯基含量等指标,探讨了褐藻寡糖结合低磁场冷冻技术对鲢肌原纤维蛋白结构及功能的影响,以期为抗冻剂与低磁场技术在水产品冷冻和保鲜中的应用提供理论依据,并为获得良好的保鲜品质提供新思路。
1. 材料与方法
1.1 材料
鲜活鲢体质量约1.5 kg,购买于辽宁省大连市熟食品交易中心。褐藻寡糖由中国科学院过程工程研究所苏州产业基地中科荣耀 (苏州) 生物科技有限公司提供,相对分子质量为400~1 500 D,聚合度为3~7。
试剂:氯化钠 (NaCl) (辽宁泉瑞试剂有限公司);氢氧化钠 (NaOH) (天津市东丽区天大化学试剂厂);乙醇 (天津市北联精细化学品开发有限公司);溴化钾 (KBr) (光谱纯) 天津市大茂化学试剂厂;三羟甲基氨基甲烷(Tris)(青岛捷世康生物科技有限公司);其余试剂均为国产分析纯。
仪器与设备:MFl-F1磁场冷冻冷藏箱 [英都斯特 (无锡) 感应科技有限公司];TD5A-WS立式高速冷冻离心机 (湖南赫西仪器装备有限公司);SynergyH1/H1M酶标仪 (美国伯腾仪器有限公司);F-2700荧光分光光度计 (日本Hitachi公司);Q20差示扫描量热仪 (美国TA仪器公司);NEXUS670红外光谱仪 (美国PerkinElmer公司);Scientz-30D真空冷冻干燥机 (宁波新芝生物科技股份有限公司)。
1.2 方法
1.2.1 鲢肌原纤维蛋白的提取
根据Park等[12]的方法,略作修改。取鲢背部白肉,加入4倍体积10 mmol·L−1 Tris-HCl (pH 7.2) 缓冲液 (4 ℃),高速均质15 s,在5 000 r·min−1下离心15 min,然后在沉淀中加入4倍体积10 mmol·L−1 Tris-HCl缓冲液 (0.6 mol·L−1NaCl, pH 7.2, 4 ℃) 混匀后再均质10 s,接着在4 500 r·min−1下再次离心20 min,保留上清液。以牛血清蛋白作为标准品制作标准曲线。将溶液与双缩脲试剂按体积比1∶4混匀,静置30 min后于540 nm测量吸光度,计算蛋白质的质量浓度。
1.2.2 冷冻条件及样品处理
将提取的肌原纤维蛋白与0.6% (w) 褐藻寡糖混合置于MFl-F1磁场冷冻冷藏箱采用 2和0 mT低磁场结合−20 ℃冷冻,以海尔BCD-336WDPC冷藏箱−30 ℃的常规冷冻组作为阳性对照组,以无添加褐藻寡糖的0 mT磁场−20 ℃冷冻为空白组 (B),冷冻周期为28 d。在测定各项指标之前,样品在4 ℃下解冻过夜。
1.2.3 浊度的测定
根据Liu等[13]的方法,略作修改。调整肌原纤维蛋白溶液质量浓度为1 mg·mL−1,混匀后静置20 min于340 nm处测定吸光度 (A340 nm) 以表示其浊度。每个样品重复3次。
1.2.4 溶解度的测定
根据Joo等[14]的方法,略作修改。将肌原纤维蛋白溶液调整至5 mg·mL−1,取0.5 mL蛋白质溶液,加入2 mL双缩脲试剂于4 ℃静置30 min后在540 nm下检测其吸光度;另取1 mL溶液,在5 500 r·min−1下离心15 min,取上清液0.5 mL,其余操作步骤与离心前相同,得到离心前后溶液的吸光度。计算出对应的浓度。具体按如下公式计算:
$$ {S}_{{\rm{o}}}=\frac{{{C}}_{{0}}}{{{C}}_{{1}}}{ \times 100{\text{%}}} $$ (1) 式中:So为溶解度;C0为离心后上清液肌原纤维蛋白质量浓度;C1为离心前肌原纤维蛋白质量浓度。
1.2.5 表面疏水性的测定
根据 Riebroya等[15]的方法,略作修改。准备质量浓度为0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 mg·mL−1的肌原纤维蛋白溶液各2 mL,然后分别加入10 µL 8-苯胺基-1-萘磺酸钠(8-Aniline-1-naphthalenesulfonic acid sodium, ANS) (10 mmol·L−1 ANS, 20 mmol·L−1 Tris, pH 7.5)充分混匀,于4 ℃静置避光冷藏10 min。使用酶标仪进行检测。参数设置:激发波长375 nm,发射波长485 nm,增益50。以荧光强度为纵坐标,肌原纤维蛋白各浓度为横坐标作图,以曲线斜率表示蛋白质表面疏水性系数So-ANS。
1.2.6 巯基的测定
根据Liu等[16]的方法,略作修改。调整肌原纤维蛋白溶液质量浓度至5 mg·mL−1,取0.5 mL溶液,加入4.5 mL [Tris-HCl 0.2 mol·L−1,pH 6.8,8 mol尿素,2% (w) SDS,10 mmol·L−1 EDTA] 缓冲液,取4 mL混合液,加入0.25 mL DTNB溶液,40 ℃水浴25 min,在412 nm下测吸光度。活性巯基的测定是将4.5 mL缓冲液 (Tris-HCl 0.2 mol·L−1, pH 6.8, 10 mmol·L−1 EDTA) 加入0.25 mL DTNB 溶液,混合后在4 ℃下反应1 h于412 nm下测吸光度。按如下公式计算巯基质量摩尔浓度。每个样品重复3次。
$$ {b}_{\mathrm{S}\mathrm{H}}=\frac{{{10}}^{6}{\times}{A}{\times}{D}}{{13\;600 \times }{C}} $$ (2) 式中:bSH为巯基质量摩尔浓度 (mmol·kg−1);A为除去空白试剂后样品于412 nm处吸光度;D为稀释倍数;C为蛋白质质量浓度 (mg·mL−1)。
1.2.7 热稳定性的测定
根据Dergez等[17]的方法,略作修改。取鲢肌原纤维蛋白溶液12.0~18.0 mg,均匀地铺在液体铝制坩埚中,压盖密封,进行扫描。以空坩埚为空白,升温速率10 ℃·min−1,温度扫描范围40~80 ℃。每个样品重复3次。
1.2.8 傅里叶变换红外光谱的测定
根据Xiong等[18]的方法,略作修改。将3.0 mL 肌原纤维蛋白冷冻干燥,取冻干后的样品中。在约18 MPa 的压力下加压2 min,释放压力后取出样品进行扫描得到傅里叶变换红外光谱。
1.2.9 内源性荧光光谱的测定
内源性荧光强度通过荧光分光光度计进行测定。根据 Chelh等[19]的方法,略作修改。调整肌原纤维蛋白溶液质量浓度为1 mg·mL−1,设置激发波长为280 nm,扫描范围300~450 nm。每个样品重复3次。
1.3 数据处理
采用Excel 2021软件处理数据和绘图。使用SPSS 26.0软件对数据进行单因素方差分析,通过Duncan's法进行多重比较,当P<0.05 时为差异显著。结果以“平均值±标准差 (
$\overline { X}\pm { \rm {SD}} $ )”表示。2. 结果
2.1 浊度
浊度是评价蛋白质聚集状态的指标。在探究鱼糜凝胶特性及凝胶形成机理中,浊度增加有利于形成蛋白聚集体,增加凝胶强度[20]。经28 d不同冷冻方式的肌原纤维蛋白的浊度如图1所示。与空白组相比,褐藻寡糖组经褐藻寡糖修饰冷冻后,肌原纤维蛋白的浊度稍有上升,但并不显著 (P>0.05)。与褐藻寡糖组相比,褐藻寡糖+低磁场组的浊度降低,但不显著 (P>0.05)。说明此方法可抑制肌原纤维蛋白聚集,但其效果并不显著。−30 ℃下冷冻的常规冷冻组,其浊度显著高于−20 ℃下冷冻的褐藻寡糖组 (P<0.05)。从整体上看,−20 ℃下3种冷冻方式之间浊度无显著性差异。
图 1 不同冷冻方式下肌原纤维蛋白的浊度、溶解度和表面疏水性注:相同颜色方柱上不同字母表示组间存在显著差异(P<0.05);图2同此。Figure 1. Turbidity, solubility and surface hydrophobicity of myofibrillar protein with different freezing methodsNote: Different letters on the same color bars indicate significant differences among the groups (P<0.05). The same case in Fig. 2.2.2 溶解度
蛋白质溶解度与多个理化性质相关,如起泡、乳化和凝胶等。溶解度的增加,可以增强肌原纤维蛋白凝胶强度[21]。不同冷冻方式对肌原纤维蛋白溶解度的影响见图1,4个组的肌原纤维蛋白溶解度分别为89.85%、91.78%、91.23%和94.11%。空白组的溶解度最低,与褐藻寡糖组相比,溶解度下降了1.38%,差异显著 (P<0.05)。褐藻寡糖+低磁场组的溶解度略高于褐藻寡糖组,但无显著性差异 (P>0.05)。在不同低温下冷冻,−30 ℃下的常规冷冻组与−20 ℃的褐藻寡糖组相比,溶解度高出了2.88%,差异显著 (P<0.05)。总体上,−20 ℃条件下,经0.6% (w) 的褐藻寡糖修饰冷冻后,会提高肌原纤维蛋白的溶解度;在此条件下,增加低磁场后,二者协同也明显提高了肌原纤维蛋白的溶解度。而在−30 ℃条件下,鲢肌原纤维蛋白的溶解度更高,更能保持其理化性质。
2.3 表面疏水性
表面疏水性可以反映蛋白质的变性程度,也是凝胶网络形成的主要结合力,表面疏水性的降低,不利于肌原纤维蛋白凝胶的形成[22]。不同冷冻方式下肌原纤维蛋白的表面疏水性见图1。褐藻寡糖组的表面疏水性显著低于空白组 (P<0.05)。褐藻寡糖+低磁场组的表面疏水性比褐藻寡糖组低127.34,差异显著 (P<0.05)。与褐藻寡糖组相比,常规冷冻组的表面疏水性显著降低 (P<0.05),说明在褐藻寡糖的修饰冷冻下,可降低肌原纤维蛋白疏水基团的暴露,抑制蛋白变性,降低温度会增加抑制作用。褐藻寡糖+低磁场组的肌原纤维蛋白表面疏水性相对最低,表明双重作用下,可更好地抑制肌原纤维蛋白变性。
2.4 巯基
巯基对于维护肌原纤维蛋白空间结构的稳定性有重大意义,其中活性巯基易被氧化生成二硫键,而二硫键的形成是导致肌原纤维蛋白发生变化的主要原因。有研究显示,总巯基含量降低会导致肌原纤维蛋白凝胶的持水力下降[23]。不同冷冻方式下鲢肌原纤维蛋白巯基和二硫键的质量摩尔浓度如图2所示。褐藻寡糖组总巯基的浓度显著低于空白组 (P<0.05),但活性巯基和二硫键的浓度变化较小。褐藻寡糖+低磁场双重作用下,肌原纤维蛋白的总巯基和活性巯基的浓度显著高于褐藻寡糖组 (P<0.05)。另外,与褐藻寡糖组相比,常规冷冻组的总巯基和活性巯基的浓度上升,二硫键浓度显著下降 (P<0.05)。总体上,常规冷冻组在防止肌原纤维蛋白的变性上有更好的成效,而褐藻寡糖协同低磁场冷冻对维持鲢肌原纤维蛋白的巯基含量效果显著,有利于保护肌原纤维蛋白空间结构的稳定性。
2.5 热稳定性
热稳定性也可以用于评价蛋白质的变性程度。有研究报道,热稳定性的升高,可以增加肌原纤维蛋白凝胶的持水量[24]。不同冷冻方式处理对肌原纤维蛋白热稳定性温度 (ΔT) 和变性焓值 (ΔH) 的影响见表1。褐藻寡糖组与空白组之间无显著性差异 (P>0.05)。而褐藻寡糖+低磁场组的肌原纤维蛋白ΔT比褐藻寡糖组高出14 ℃左右 (P<0.05)。常规冷冻组的ΔT与褐藻寡糖组无显著性差异 (P>0.05)。说明在褐藻寡糖修饰冷冻下,对肌原纤维蛋白的热稳定性温度无显著性影响,但加入低磁场后,肌原纤维蛋白的热稳定性温度出现明显提升,说明二者协同能显著提高肌原纤维蛋白的热稳定性温度,减少肌原纤维蛋白变性。此外,空白组的ΔH比褐藻寡糖组有小幅度升高,但无显著性变化 (P>0.05),表明褐藻寡糖修饰冷冻对变性焓值影响不大。不同冷冻条件下褐藻寡糖组、褐藻寡糖+低磁场组和常规冷冻组之间的ΔH无显著变化 (P>0.05),表明在这3种冷冻条件下,鲢肌原纤维蛋白变性时需要的焓值基本相似。
表 1 不同冷冻方式下肌原纤维蛋白的热变性温度与焓值Table 1. Thermal denaturation temperature and enthalpy of myofibrillar protein with different freezing methods组别
GroupΔT/℃ ΔH/(J·kg−1) 空白组 Blank group 55.24±0.97b 6.5±2.8a 褐藻寡糖 AO 52.42±3.64bc 3.7±2.7ab 褐藻寡糖+低磁场 AO+LFM 69.24±2.46a 2.3±1.2b 常规冷冻 CF 49.84±2.29c 1.6±0. 2b 注:不同字母表示不同处理间差异显著 (P<0.05);后表同此。 Note: Different letters indicate significant differences (P<0.05). The same case in the following table. 2.6 傅里叶变换红外光谱
傅里叶变换红外光谱能够利用分子中有振动模式的化学键来研究分子的结构,在测定蛋白质二级结构中发挥重要作用。在鱼糜凝胶特性的研究中,α-螺旋含量降低和β-折叠含量增加均有利于蛋白质变性和凝胶形成[25]。图3显示肌原纤维蛋白在红外图谱上有多个吸收波段,蛋白质二级结构包括α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规卷曲,蛋白质二级结构的特征峰 (酰胺I带) 分别位于1 650~1 658 cm−1、1 665~1 680 cm−1和1 660~1 665 cm−1附近[26]。表2为不同冷冻方式下蛋白质二级结构含量。有研究报道,蛋白质的结构特征与β-折叠、β-转角和无规卷曲的比例呈正相关,但与α-螺旋部分呈负相关[27]。褐藻寡糖组对比空白组,α-螺旋含量略有增加 (P>0.05);褐藻寡糖+低磁场组相比于褐藻寡糖组,α-螺旋含量显著下降 (P<0.05),β-转角含量略有上升 (P>0.05)。与褐藻寡糖组相比,常规冷冻组的α-螺旋含量降低 (P>0.05)。总的来说,采用褐藻寡糖修饰冷冻能减少鲢肌原纤维蛋白α-螺旋的损失,有助于抑制水溶性蛋白质和疏水残留物的暴露。
表 2 不同冷冻方式下肌原纤维蛋白的二级结构变化Table 2. Change in secondary structure of myofibrillar protein with different freezing methods% 组别
Groupα-螺旋
α-helixβ-折叠
β-sheetβ-转角
β-turn无规卷曲
Random coil空白组 Blank group 21.78±0.03ab 23.54±0.08a 35.14±0.05a 19.54±0.00a 褐藻寡糖 AO 31.65±0.06a 28.12±0.14a 30.88±0.08a 9.35±0.16a 褐藻寡糖+低磁场 AO+LFM 13.90±0.12b 29.63±0.05a 34.04±0.03a 22.43±0.07a 常规冷冻 CF 23.85±0.02ab 31.37±0.08a 33.05±0.01a 11.73±0.10a 2.7 内源性荧光光谱
蛋白质中色氨酸等芳香族氨基酸残基是天然发色团,可以产生荧光。色氨酸残基的暴露情况可以反映蛋白质的三级结构变化。因此通常用其内源性荧光光谱检测蛋白质的展开和微环境极性的变化。从图4-a可以看出,肌原纤维蛋白的荧光峰约在297 nm波长处。由图4-b可知,褐藻寡糖组的最大荧光强度值高于空白组,但无统计学意义 (P>0.05)。褐藻寡糖+低磁场组的最大荧光强度值低于褐藻寡糖组,也无统计学意义 (P>0.05)。常规冷冻组的最大荧光强度值显著高于其他组 (P<0.05)。总体来说,褐藻寡糖协同低磁场冷冻处理对减少蛋白质中色氨酸残基的暴露和蛋白质展开变性具有良好的效果。
图 4 不同冷冻方式下肌原纤维蛋白内源性荧光光谱 (a) 和最大荧光强度 (b)注:方柱上不同字母表示组间存在显著性差异 (P<0.05)。Figure 4. Endogenous fluorescence spectra (a) and maximum fluorescence intensity (b) of myofibrillar protein with different freezing methodsNote: Different letters on the bars indicate significant differences among the groups (P<0.05).3. 讨论
冷冻是常用食品保存方法之一,冷冻过程中形成的冰晶大小、形态及冷冻加工参数和原料条件等均会对产品的最终品质产生一定影响[28],如蛋白质变性、汁液流失等,而蛋白质变性程度是维持食品品质的重要参数。目前保护蛋白质免受外力损伤并延缓其变性的方法主要有2种:添加抗冻剂 (糖类化合物和抗冻蛋白等) 和采用冷冻技术。笔者团队前期的研究发现,低磁场冷冻技术对鲢肌原纤维蛋白具有良好的保护作用[29];也有研究表明褐藻寡糖可以防止肌原纤维蛋白的结构免受冰晶破坏,维持良好的蛋白质结构稳定性[30]。
3.1 冷冻温度对肌原纤维蛋白结构和性质的影响
冷冻温度是影响冻结和冰晶形成的重要因素之一,而冷冻贮存期间的温度波动往往会加速产品中的冰再结晶,导致较大的冰晶形成,加大了产品的机械损伤[31]。在−20和−30 ℃低温冷冻的情况下,产生的冰晶大小、形态不同,常规冷冻组 (−30 ℃) 下产生的冰晶破坏蛋白质结构的能力更强[32],加速了蛋白质的聚集变性;此外,冰晶间的挤压和分子间相互作用,使肌原纤维蛋白构象发生变化[33],导致其二硫键发生弱化和断裂[34];在肌原纤维蛋白三级结构方面,降低温度后,冰晶导致肌原纤维蛋白结构的解折叠,在冷冻贮藏过程中减少了网状蛋白质的聚集,增加了色氨酸的暴露[35]。本研究中传统常规冷冻 (−30 ℃) 下,加速了蛋白质的聚集,使得肌原纤维蛋白的二级结构变得松散、不稳定,这与浊度和二级结构的含量变化结果一致。
3.2 褐藻寡糖对肌原纤维蛋白结构和性质的影响
糖类抗冻剂可以促进自由水向结合水转化,有效抑制冰晶生成,也可以取代蛋白质分子表面的结合水与之结合,从而抑致蛋白质变性。研究发现,褐藻寡糖可以通过氢键、疏水相互作用或静电相互作用嵌入冰层,抑制冰晶的生长[36],防止肌原纤维蛋白的结构受到冰晶的破坏;褐藻寡糖也可通过作用力与冰晶结合,从空间上影响蛋白质的分布[30]。
本研究中添加褐藻寡糖后,其肌原纤维蛋白的溶解度显著升高 (P<0.05),褐藻寡糖组活性巯基和二硫键的含量无显著变化。薛勇等[37]用10% (w) 的海藻糖溶液处理鳙 (Aristichthys nobilis) 肌原纤维蛋白后,活性巯基和二硫键的含量均明显降低,推测其与褐藻寡糖的浓度相关,但具体原因还需验证。褐藻寡糖与肌原纤维蛋白间的静电作用[38]可导致其α-螺旋含量升高;Zhong等[39]用0.2~1.6 mg·mL−1苹果多酚对羔羊 (Agnus) 肌原纤维蛋白处理后,所得结果与本研究相似。在肌原纤维蛋白三级结构方面,褐藻寡糖与肌原纤维蛋白聚合反应后,蛋白质天然排列改变,会暴露出色氨酸残基[40],提升其荧光强度。本研究使用0.6% (w)的褐藻寡糖维持了肌原纤维蛋白二级结构的稳定,在溶解度、表面疏水性等方面有较好表现,使用褐藻寡糖作为抗冻剂,在成本上具有优势。
3.3 低磁场对肌原纤维蛋白结构和性质的影响
磁场可能通过干扰氢键减小冰晶成核的临界半径和临界功,提高均相成核率[41],从而抑制冰晶的生长;也可能使得水分子重新排列,在冷冻过程中形成细小、均匀、光滑的冰晶,保护细胞免受破坏[2]。研究表明,低磁场冷冻产生的自由基可诱导蛋白质构象变化,影响蛋白质结构和功能特性[42]。本研究中,在褐藻寡糖的存在下,使用低磁场冷冻技术使得肌原纤维蛋白表面疏水性显著降低,总巯基含量和热变性温度显著升高,这与低磁场通过折叠、再交联和聚集来修饰蛋白质结构[43]和肌原纤维蛋白的总巯基和游离氨基以及β-转角和β-折叠结构的总含量增加相关[44],有效维持了肌原纤维蛋白的三级结构构象。然而0.6% (w) 的褐藻寡糖协同低磁场冷冻处理导致肌原纤维蛋白二级结构变的不稳定、松散,其作用机制还需进一步探讨。
4. 结论
本研究结果表明,与空白组相比,褐藻寡糖组、褐藻寡糖+低磁场组和常规冷冻组均维持了肌原纤维蛋白良好的溶解性并抑制了疏水基团的暴露;0.6% (w)褐藻寡糖组的α-螺旋与β-折叠的总含量为59.77%,说明其对肌原纤维蛋白的二级结构有一定的保护作用;褐藻寡糖+低磁场组的最大荧光强度降低了3.6%,显著抑制了肌原纤维蛋白中色氨酸残基的暴露,总巯基的浓度最大 (1.5 mmol·kg−1),维持了肌原纤维蛋白良好的三级结构构象;常规冷冻组的热变性温度显著降低 (P<0.05),最大荧光强度为235.33,显著升高 (P<0.05),表明常规冷冻处理可使肌原纤维蛋白三级结构构象改变。总的来说,0.6% (w) 褐藻寡糖协同低磁场冷冻对肌原纤维蛋白三级结构的保护具有积极作用,在维持二级结构稳定性方面有优势,也说明在褐藻寡糖的存在下,低磁场冷冻比常规冷冻更适合肌原纤维蛋白冷冻,可以降低能源损耗。探索低磁场冷冻工艺中,针对不同的原料,褐藻寡糖的最适添加量以及合适的磁场强度将成为下一步的研究方向,褐藻寡糖协同低磁场冷冻对肌原纤维蛋白中抑制冰晶生长的机理,还需进一步深入探索;同时冷冻方案对冷冻鱼糜、冷冻鱼肉的研究,将进一步验证褐藻寡糖协同低磁场冷冻方案的优势,有助于解决制约冷冻加工业发展的能耗大、产品品质下降的瓶颈问题。
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表 1 基于浮游植物多样性指数的评价标准
Table 1 Evaluation criteria based on indexes of phytoplankton diversity
Shannon-Wiener
多样性指数
H'Pielou 均匀度
指数
J'Margalef 丰富度
指数
D评价等级
Evaluation
level>4 >0.8 >5 清洁 3~4 0.5~0.8 4~5 轻度污染 2~3 0.3~0.5 3~4 β-中污染 1~2 0.1~0.3 1~3 α-中污染 <1 <0.1 <1 重污染 表 2 珠江浮游植物优势种组成 (优势度Y>0.02) 及分布
Table 2 Composition and distribution of dominant species (Dominance Y>0.02) of phytoplankton in Pearl River
站位
Station3 月
Mar.7月
Jul.11月
Nov.北江流溪河街口段 (S1) 四尾栅藻 (Scenedesmus quadricauda) (0.24);细小平裂藻 (Merismopedia tenuissima) (0.13) ;被甲栅藻博格变种双尾变型 (S. armatus var. boglariensis f. bicaudatus) (0.07) 细小平裂藻 (0.13) ;点形平裂藻 (M. punctata) (0.13);被甲栅藻博格变种双尾变型 (0.05) 被甲栅藻博格变种双尾变型 (0.19);四尾栅藻 (0.10);二形栅藻 (0.05) 北江流溪河石角段 (S2) 被甲栅藻博格变种双尾变型 (0.09);颗粒直链藻极狭变种 (Melosira granulata var. angustissima) (0.07);四尾栅藻 (0.06) 螺旋鱼腥藻 (Anabaena spiroides) (0.06);惠氏微囊藻 (Microcystis wesenbergii) (0.05) 四尾栅藻 (0.17);简单颤藻 (Oscillatoria simplicissima) (0.13);被甲栅藻博格变种双尾变型 (0.08) 东江北干流段 (S3) 颗粒直链藻 (0.18);啮蚀隐藻 (C. erosa) (0.12);颗粒直链藻极狭变种 (0.08) 鱼腥藻属 (0.16);颗粒直链藻 (0.06);钝顶节旋藻 (Arthrospira platensis) (0.03) 鱼腥藻属 (0.05);颗粒直链藻极狭变种 (0.05);被甲栅藻博格变种双尾变型 (0.04) 珠江河口莲花山段
(S4)颗粒直链藻极狭变种 (0.10);颗粒直链藻 (0.30);二角盘星藻纤细变种 (0.04) 颗粒直链藻 (0.28);小环藻属 (0.23);伪鱼腥藻属 (0.06) 顶锥十字藻 (0.09);模糊直链藻 (M. ambigua) (0.09);伪鱼腥藻属 (0.08) 珠江河口大虎岛段
(S5)颗粒直链藻 (0.05);布氏双尾藻 (Ditylum brightwellii) (0.04);中华盒形藻 (Biddulphia sinensis) (0.03) 颗粒直链藻 (0.25);细小平裂藻 (0.22);湖生伪鱼腥藻 (P. limne-tica) (0.16) 颗粒直链藻 (0.53);颤藻属 (0.04);细小隐球藻 (Aphanocapsa elachista) (0.03) 表 3 基于浮游植物的珠江水质评价
Table 3 Water quality assessment based on phytoplankton in Pearl River
站位
StationShannon-Wiener指数
H'藻类密度
Algae densityShannon-Wiener指数
H'Pielou 指数
J'Margalef 指数
DS1 丰富水平 贫-中营养 β-中污染 轻度污染 α-中污染 S2 丰富水平 贫-中营养 β-中污染 轻度污染 α-中污染 S3 较好水平 贫营养 β-中污染 轻度污染 α-中污染 S4 较好水平 贫营养 β-中污染 轻度污染 α-中污染 S5 较好水平 贫-中营养 β-中污染 轻度污染 α-中污染 表 4 基于浮游植物群落结构的河流水质评价
Table 4 Water quality assessment of rivers based on phytoplankton community structure
序号
No.河段
Stream segment研究年份
Survey year种 (属) 数
Number of species (Genera)密度
Density/(104 个·L−1)生物评价等级
Evaluation level文献
Reference1 黄河干流 2019 350 种 7.90~1 037.28 轻度污染-中度污染 [47] 2 黑河张掖段 2017 316 种 0.92~116.67 轻度-中轻度污染 [48] 3 渭河陕西段 2017—2018 69 种 84.9~3 868.3 轻度污染-中度污染 [49] 4 汉江下游 2019 110 种 平均 936 中度污染 [10] 5 东江干流 2010 83 种 0.51~366.04 轻度污染-中度污染 [28] 6 汾河中下游 2012 298 种 29 900~39 300 中污染至重污染 [50] 7 淮河干流及主要支流 2015 153 种 0.19~1 318.00 中等污染,部分点位重污染 [11] 8 太湖主要河口 2018—2019 119 种 1 200~8 550 健康状况较差 [51] 9 白洋淀流域府河 2020 111 种 780~2 814 轻度-中度污染 [20] 10 赣江中下游 2019 53 种 (属) 11.0~468.7 中度至重度污染 [52] 11 沱江 2013 56 种 100~2 300 中-富营养状态 [53] 12 珠江水域广州段 2021 187 种 12.0~183.3 轻度至 α-中污染 本文 -
[1] 胡金, 万云, 洪涛, 等. 基于河流物理化学和生物指数的沙颍河流域水生态健康评价[J]. 应用与环境生物学报, 2015, 21(5): 783-790. [2] LEPISTO L, HOLOPAINEN L L, VUORISTO H. Type-specific and indicator taxa of phytoplankton as a quality criterion for assessing the ecological status of Finnish boreal lakes[J]. Limnol, 2004, 34(3): 236-248. doi: 10.1016/S0075-9511(04)80048-3
[3] HERING D, JOHNSON R K, KRAMM S, et al. Assessment of European streams with diatoms, macrophytes, macroinvertebrates and fish: a comparative metric-based analysis of organism response to stress[J]. Freshw Biol, 2006, 51: 1757-1785. doi: 10.1111/j.1365-2427.2006.01610.x
[4] GARMENDIA M, REVILLA M, BALD J, et al. Phytoplankton communities and biomass size structure (fractionated chlorophyll "a"), along trophic gradients of the Basque coast (northern Spain)[J]. Biogeochemistry, 2011, 106: 243-263. doi: 10.1007/s10533-010-9445-2
[5] ABONYI A, LEITAO M, LANCON A M, et al. Phytoplankton functional groups as indicators of human impacts along the River Loire (France)[J]. Hydrobiologia, 2012, 698(1): 233-249. doi: 10.1007/s10750-012-1130-0
[6] STANKOVI C I, VLAHOVI C T, GLIGORA U, et al. Phytoplankton functional and morpho-functional approach in large floodplain rivers[J]. Hydrobiologia, 2012, 698(1): 217-231.
[7] OBERHOLSTER P J, BOTHA A M, CLOETE T E. Using a battery of bioassays, benthic phytoplankton and the AUSRIVAS method to monitor long-term coal tar contaminated sediment in the cache la Poudre River, Colorado[J]. Water Res, 2005, 39(20): 4913-4924. doi: 10.1016/j.watres.2005.08.029
[8] BORICS G, VARBIRO G, GRIGORSZKY I, et al. A new evaluation technique of potamo-plankton for the assessment of the ecological status of rivers[J]. Arch Hydrobiol Suppl, 2007, 17(3/4): 465-486.
[9] 谭香, 夏小玲, 程晓莉, 等. 丹江口水库浮游植物群落时空动态及其多样性指数[J]. 环境科学, 2011, 32(10): 2875-2882. [10] 余业鑫, 李艳, 向罗京, 等. 汉江下游干支流浮游植物群落特征及其对水质的指示评价[J]. 中国环境监测, 2022, 38(1): 124-135. [11] 邱阳凌, 林育青, 刘俊杰, 等. 淮河干流及主要支流夏季浮游植物群落生物多样性评价[J]. 环境科学学报, 2018, 38(4): 1665-1672. [12] 王超, 李新辉, 赖子尼, 等. 珠三角河网浮游植物生物量的时空特征[J]. 生态学报, 2013, 33(18): 5835-5847. [13] 赵俊, 易祖盛, 周叶先, 等. 广州市水生动植物本底资源[M]. 北京: 科学出版社, 2010: 28-53. [14] 国家环境保护局. 水和废水监测分析方法 第四版增补版[M]. 北京: 中国环境科学出版社, 2002: 701-707. [15] 胡鸿钧, 魏印心. 中国淡水藻类: 系统、分类及生态[M]. 北京: 科学出版社, 2006: 300-899. [16] 齐雨藻. 中国淡水藻志 第四卷 硅藻门 中心纲[M]. 北京: 科学出版社, 1995: 5-89. [17] 周风霞, 陈剑虹. 淡水微型生物图谱[M]. 北京: 化学工业出版社, 2010: 53-178. [18] 章宗涉, 黄祥飞. 淡水浮游生物研究方法[M]. 北京: 科学出版社, 1991: 339-345. [19] HILLEBRAND H, DÜRSELEN C D, KIRSCHTEL D, et al. Biovolume calculation for pelagic and benthic microalgae[J]. J Phycol, 1999, 35(2): 403-424. doi: 10.1046/j.1529-8817.1999.3520403.x
[20] 张仲伟, 陈思宝, 汪家鑫, 等. 白洋淀流域府河夏季浮游植物的群落结构及其对水质的指示[J]. 河北大学学报(自然科学版), 2022, 42(1): 67-74. [21] UNNI K S, PAWAR S. The phytoplankton along a pollution gradient in the river Mahanadi (M. P. state) India: a multivariate approach[J]. Hydrobiologia, 2000, 430(1/2/3): 87-96.
[22] O'FARRELL I, LOMBARDO R J, DEPINTO P T. The assessment of water quality in the Lower Luján River (Buenos Aires, Argentina): phytoplankton and algal bioassays[J]. Environ Pollut, 2002, 120(2): 207-218. doi: 10.1016/S0269-7491(02)00136-7
[23] DESCY J P, LEITAO M, EVERBECQ E, et al. Phytoplankton of the River Loire, France: a biodiversity and modelling study[J]. J Plankton Res, 2012, 34(2): 120-135. doi: 10.1093/plankt/fbr085
[24] WU Z S, HE H, CAI Y J, et al. Spatial distribution of chlorophyll a and its relationship with the environment during summer in Lake Poyang: a Yangtze-connected Lake[J]. Hydrobiologia, 2014, 732(1): 61-70. doi: 10.1007/s10750-014-1844-2
[25] 徐姗楠, 杨玉滔, 粟丽, 等. 珠江口南沙海域浮游植物群落结构特征[J]. 南方水产科学, 2017, 13(4): 26-33. [26] KAMENER Y, DUBINSKY Z, ZOHARY T. Phytoplankton size structure stability in a meso-eutrophic subtropical lake[J]. Hydrobiologia, 2004, 520: 89-104. doi: 10.1023/B:HYDR.0000027729.53348.c7
[27] 王超, 赖子尼, 李新辉, 等. 西江下游浮游植物群落周年变化模式[J]. 生态学报, 2013, 33(14): 4398-4408. [28] 王珊, 于明, 刘全儒, 等. 东江干流浮游植物的物种组成及多样性分析[J]. 资源科学, 2013, 35(3): 473-480. [29] 江源, 王博, 杨浩春, 等. 东江干流浮游植物群落结构特征及与水质的关系[J]. 生态环境学报, 2011, 20(11): 1700-1705. [30] WANG C, LI X H, LAI Z N, et al. Seasonal variations of Aulacoseira granulata population abundance in the Pearl River Estuary[J]. Estuar Coast Shelf Sci, 2009, 85(4): 585-592. doi: 10.1016/j.ecss.2009.09.031
[31] BRAUER V S, STOMP M, HUISMAN J. The nutrient-load hypothesis: patterns of resource limitation and community structure driven by competition for nutrients and light[J]. Am Nat, 2012, 179(6): 721-740. doi: 10.1086/665650
[32] STOERMER E F, KREIS R G, SICKO G L. A systematic, quantitative, and ecological comparison of Melosira islandica O. Müll. with M. granulata (Ehr.) Ralfs from the Laurentian Great Lakes[J]. J Great Lakes Res, 1981, 7(4): 345-356. doi: 10.1016/S0380-1330(81)72063-X
[33] 戴明, 李纯厚, 贾晓平, 等. 珠江口近海浮游植物生态特征研究[J]. 应用生态学报, 2004, 15(8): 1389-1394. doi: 10.3321/j.issn:1001-9332.2004.08.018 [34] SOMMER U, GLIWICZ Z M, LAMPERT W, et al. The PEG-model of seasonal succession of planktonic events in freshwaters[J]. Hydrobiologie, 1986, 106(4): 433-471. doi: 10.1127/archiv-hydrobiol/106/1986/433
[35] 福迪 B. 藻类学[M]. 罗迪安, 译. 上海: 上海科学技术出版社, 1980: 127-239. [36] 孙育平, 王晓辉, 胡韧, 等. 南亚热带高产渔业水库—显岗水库敞水区浮游植物群落结构的季节变化特征[J]. 应用与环境生物学报, 2010, 16(2): 228-234. [37] 任辉, 田恬, 杨宇峰, 等. 珠江口南沙河涌浮游植物群落结构时空变化及其与环境因子的关系[J]. 生态学报, 2017, 37(22): 7729-7740. [38] 钱志萍, 李卓远, 李燕均, 等. 温度、光照及藻细胞密度对3种水华蓝藻生长及竞争的影响[J]. 上海师范大学学报(自然科学版), 2020, 49(1): 18-23. [39] 李建, 尹炜, 贾海燕, 等. 汉江中下游硅藻水华研究进展与展望[J]. 水生态学杂志, 2021, 41(5): 136-144. [40] 宋挺, 张军毅, 李旭文, 等. 黄色的蓝藻水华[J]. 湖泊科学, 2022, 34(4): 1384-1391. [41] 夏瑞, 张远, 王璐, 等. 汉江下游河流型水华暴发的多影响要素特征识别[J]. 环境科学研究, 2020(4): 911-920. [42] 罗晓佼, 张钘, 黄伟, 等. 三峡库区澎溪河河段间水华程度差异及其机制[J]. 环境科学, 2023, 44(1): 282-292. [43] BORMANS M, MAIER H, BURCH M, et al. Temperature stratification in the lower River Murray, Australia: implication for cyanobacterial bloom development[J]. Mar Freshw Res, 1997, 48(7): 647-654. doi: 10.1071/MF97058
[44] 卓泉龙, 林罗敏, 王进, 等. 广州流溪河氮磷浓度的季节变化和空间分布特征[J]. 生态学杂志, 2018, 37(10): 3100-3109. [45] 广东省生态环境厅. 2021年广东省近岸海域水质监测信息: 环境质量与监测, 江河水质量[EB/OL]. (2023-03-25) [2023-05-28]. http://gdee.gd.gov.cn/jhszl/content/post_3893822.html. [46] 广东省生态环境厅. 2021年广东省近岸海域水质监测信息: 环境质量与监测, 江河水质量[EB/OL]. (2023-03-25)[2023-05-28]. http://gdee.gd.gov.cn/jhszl/content/post_3349098.html. [47] 丁一桐, 潘保柱, 赵耿楠, 等. 黄河干流全河段浮游植物群落特征与水质生物评价[J]. 中国环境科学, 2021, 41(2): 891-901. [48] 杨宋琪, 祖廷勋, 王怀斌, 等. 黑河张掖段浮游植物群落结构及其与环境因子的关系[J]. 湖泊科学, 2019, 31(1): 159-170. [49] 白海锋, 王怡睿, 宋进喜, 等. 渭河陕西段浮游植物群落结构时空变化与影响因子分析[J]. 环境科学学报, 2021, 41(8): 3290-3301. doi: 10.13671/j.hjkxxb.2021.0273 [50] 王爱爱, 冯佳, 谢树莲. 汾河中下游浮游藻类群落特征及水质分析[J]. 环境科学, 2014, 35(3): 915-923. [51] 马廷婷, 范亚民, 李宽意, 等. 基于浮游植物完整性指数的太湖主要河口生态健康评价[J]. 生态与农村环境学报, 2021, 37(4): 501-508. [52] 王俊颉, 夏雨, 于新平, 等. 赣江中下游浮游藻类时空分布特征及水质评价[J]. 生态与农村环境学报, 2023, 39(8): 1031-1041. [53] 陶敏, 谢碧文, 齐泽民, 等. 沱江浮游植物群落特征及水质评价[J]. 海洋与湖沼, 2016, 47(4): 854-861. doi: 10.11693/hyhz20160500108 -
期刊类型引用(2)
1. 王珊,张子岩,沈镜莹,王灵昭,杜静,邱春江,杨杰,李沿锦,程守礼. 一株高产琼胶酶菌株的筛选及鉴定. 食品研究与开发. 2025(01): 178-185 . 百度学术
2. 白仁奥. 紫菜作为替代蛋白质可持续来源研究进展. 绿色科技. 2024(18): 257-264+276 . 百度学术
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