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淡水水体富营养化导致的水华,是当前最严重的环境问题之一。为寻找安全、环保、高效的控藻方法,人们对水生态系统中复杂的物质循环和能量流动进行了大量研究,结果发现:高等水生植被尤其是沉水植物对维持水体生态系统的平衡、控制藻类、净化水质起着举足轻重的作用。
水生植物与藻类之间存在着复杂的相互作用,这既表现为二者对环境因子如空间、光照、营养等生存条件的竞争(Allelospoly),又表现为植物通过向水体释放化学物质而对藻类生长产生影响,即化感作用(Allelopathy)。水生生态系统中的化感作用对水生生物群落的组成起着非常重要的作用。研究表明,多种水生植物对藻类存在着明显的化感作用。在水生植物的三大种类(挺水植物、漂浮植物和沉水植物)中,沉水植物由于与藻类的生态环境完全相同,其与藻类的竞争表现得更为明显。
目前,对水生生态系统中,高等植物(沉水植物)抑藻化感作用的研究主要集中在两个方面:水生植物活体培养抑藻效果研究;化感物质的提取、分离、及其抑藻效果研究。而水生植物化感抑藻作用机制尚不清楚,相关研究也较缺乏。
流式细胞技术和叶绿素荧光技术等技术手段的发展,为具体深入地研究藻细胞的生理状态提供了便利。本研究选取典型的沉水植物分泌物阿魏酸、咖啡酸、邻苯三酚为化感物质,以典型的淡水湖泊藻类:铜绿微囊藻和蛋白核小球藻为受试物种,研究酚类化感物质抑藻作用机制:包括阿魏酸对铜绿微囊藻细胞毒作用的机制、邻苯三酚和咖啡酸对铜绿微囊藻化感作用及其机理比较、咖啡酸长期作用对蓝藻/绿藻混合种群的影响。主要研究结果如下:
(1)铜绿微囊藻暴露于阿魏酸的生理响应表明,阿魏酸能够抑制铜绿微囊藻的生长。毒作用首先在体现在细胞膜系统,阿魏酸会降低细胞膜电位和酯酶活性,而后进一步影响细胞内光合色素的含量,并降低光合系统的效率,同时引起细胞体积变化,最终甚至导致细胞破碎。在各毒理学指标中,膜电位和酯酶活性是较敏感的,其48小时EC50分别为0.344±0.03 mg·L-1和0.754±0.16 mg·L-1。
(2)邻苯三酚和咖啡酸两种酚类化感物质对于铜绿微囊藻具有明显的生长抑制效应,具有化感作用。邻苯三酚对铜绿微囊藻生长的96 h EC50值为1.5mg·L-1,咖啡酸则为3.49 mg·L-1。这两种酚类物质能形成氧化自由基攻击藻细胞,导致细胞膜脂过氧化,并使得酯酶活性受到抑制,胞内MDA含量上升,且能影响细胞膜完整性,使藻细胞固缩。邻苯三酚还能有效降低胞内SOD活性,使得蓝藻无法及时清除胞内氧化自由基,这可能是邻苯三酚抑制蓝藻生长效果比咖啡酸好的原因之一。
(3)咖啡酸对混合种群中的蓝藻和绿藻均存在低促高抑的现象,0.23 mg·L-1咖啡酸会使得蓝藻和绿藻各自的叶绿素荧光a浓度增高,而3.49 mg·L-1咖啡酸作用下两种藻的叶绿素a荧光强度均会下降;当初始接种密度为5×105cell·mL-1的样品,两种藻的叶绿素a荧光和初始接种密度为5×104cell·mL-1。的样品相比,均有所增强,但是各种群荧光强度随时间的增加速率,并不受影响。