（海洋生物学专业论文）南极衣藻chlamydomonas+spl4胞外冰活性物质研究.pdf

摘要 南极衣藻c h l a m y d o m o n a ss p l 4 胞外冰活性物质研究 摘要 冰活性物质( i c e a c t i v es u b s t a n c e s ，l a s s ) 与南极冰藻密切相关并显示出冰 结合的活性。在经过截留分子量3 0 0k d a 的膜透析后仍然保留有很强的冰结合活 性。这些大分子物质可以对正在生长的冰晶表面产生蚀刻或其它形状改变，这一 点跟鱼抗冻蛋白类似，但是i a s s 不会明显降低溶液的冰点。除在南极植物和北 美洲北部寒冷地区的苔藓中有过发现外，在温带地区植物中没有发现过i a s s 。 尽管i a s s 的生理功能还不清楚，但它与寒冷环境密切的关系表明它起到一种防 冻剂的功能。 经检测在实验中所用的5 种南极冰藻( 南极衣藻c h l a m y d o m o n a ss p i a ( 南极 衣藻l 4 ) 、南极绿穆融耵i c u l ac a s t r r a c a n eb 7 ( 南极绿藻b 7 ) ，南极硅藻：圆筛藻 c o s c i n o d i s c u ss p 、盒形吾船以如咖厅细s p 、菱形藻m 船c h i as p ) 中都有i a s s 的存在， 并且活性的大小存在种间差异，其中以南极衣藻l 4 中i a s s 的含量最高。 a s s 是南 极冰藻中普遍存在的一种物质，它们在冰藻的低温生存繁殖中起重要作用。目前 所报道的i a s s 都是在极地地区，其他地区还没有报道，说明l a s s 是一种与寒冷相 关的物质。在对冰活性物质的进一步研究中选取1 a s s 产量较高的南极衣藻l 4 作为 实验藻种。 南极衣藻l 4i a s s 的含量受生长温度的影响较大，在低温区间( 4 8 ) 随 着温度的降低n s s 的浓度显著升高；生长温度在8 1 2 之间浓度变化不大， 越是接近冰点，i a s s 的浓度随温度降低而升高；在温度远高于冰点的时候，l a s s 浓度与温度变化关系不明显。在生长温度相同的情况下，低温冻融循环的冷激处 理会明显提高l a s s 的浓度。 电泳和凝胶过滤的结果都显示南极衣藻l 4l a s s 是一类分子量呈现一定连续 南极衣藻c h l a 州o r a o n a s 印l 4 胞外冰活性物质研究 性的物质，染色结果表明l a s s 是由糖和蛋白组成，还原糖和蛋白含量分别为 7 3 3 和1 7 8 ，高的糖含量保证了i a s s 的稳定性。i a s s 分子量一般较大，分 子外周包被着多层亲水性的糖链，糖链维持整个分子的稳定性，使它不易被其他 分子所分解。 南极衣藻l 4i a s s 有非常好的热稳定性，4 5 处理3h 后活性基本不会下降； 7 0 处理1 5h 之后活性开始降低，3h 后仍有一定活性；在1 0 0 处理0 5h 后 仍具有一定抑冰能力，在1 0 0 c 处理lh 后活性彻底消失。 在对结晶速度的影响方面，南极衣藻l 41 a s s 相比较普通蛋白质( 牛血清白 蛋白) ，可以明显延缓结晶过程。低浓度的i a s s ( 0 1n a g m l 1 ) 就可以表现出非 常强的抑冰活性，并且这一活性强弱随浓度增加的趋势不明显。其抑制冰晶的机 理尚不明确，有待进一步的探索。i a s s 可以保护细胞免受冻融的伤害，为了测 试这一推断，以南极衣藻l 4 和常温卡德藻为材料分别在有和没有i a s s 存在的情 况下经过一个冻融循环，双染色结果显示i a s s 的存在可以使存活率提高2 6 2 到2 8 7 。 关键词：南极冰藻南极衣藻l 4 冰活性物质抗冻蛋白糖蛋白冰蚀刻 摘要 s t u d y0 nt h ee x t r a c e l l u l a ric e - a c tiv es u b s t a n c e s o fa n t a r c tics e aic ea l g a ec h l a m y d o m o n a ss p l 4 a b s t r a c t g r a d u a t es t u d e n t sn a r n e ：w a n gs h o u - q i a n g t h ei c e - a c t i v es u b s t a n c e sa s s o c i a t e dw i 也a n t a r c t i cs e ai c ed i a t o m sw e r e p r e v i o u s l ys h o w nt oh a v ei c e b i n d i n ga c t i v i t i e s i c e - p i t t i n ga c t i v i t i e s1 眦l a r g e l y r e t a i n e db yd i a l y s i sm e m b r a n e sw i t hm o l e c u l a rw d g h tc u t - o f f so fu pt o3 0 0k d a t h e s em a e r o m o l e c u l a rs u b s t a n c e sc a u s ep i t t i n ga n do t h e rm o d i f i c a t i o n so fg r o w i n g i c ec r y s t a l s i nt h i s r e s p e c t , t h e yr e s e m b l ef i s ha n t i f r e e z ep r o t e i n s ，b u tu n l i k et h e a n t i f r e e z ep r o t e i n st h e yd on o ts i g n i f i c a n t l yl o w e rt h ef r e e z i n g p o i n t i c e a c t i v e s u b s t a n c e sw e r en o tf o u n di np l a n t sf r o mt e m r e r a t ec l i m a t e s ，b u ti c e a c t i v i t yw a s f o 恤dt ob ea s s o c i a t e dw i t hm o s s e s 丘o mc o l dh a b i t a t si nn o r t ha m e r i c a _ a l t h o u g h t h ef u n c t i o no ft h ei c e - a c t i v es u b s t a n c e si sn o tk n o w n , t h e i ra p p a r e n tc o n f i n e m e n tt o c o l de n v i r o n m e n t ss u g g e s t st h a tt h e yh a v ea c r y o p r o t e c t i v er o l e i c e - a c t i v es u b s t a n c e s ( 1 a s s ) w e r ef o n di n5s p e c i e so fa n t a r c t i ci c ea l g a e ，a n d t h ea c t i v i t yi sd i f f e r e n tf r o md i f f e r e n ts p e c i e s ，t h ec h l a m y d o m o n a ss p l 4c o n t e n t s m o r ei a s st h a no t h e ri c ea l g a e i c e - a c t i v es u b s t a n c e sa r er i f ei na n t a r c t i ci c ea l g a e ， t h e yp l a yi m p o r t a n tr o l e sf o rt h ei c ea l g a et oa d a p t i n gt h ec o l de n v i r o n m e n t 。 t h ec o n c e n t r a t i o no ft h ei c e a c t i v es u b s t a n c e so fa n t a r c t i ci c e m i c r o a l g a c h l a m y d o m o n a ss p l 4d q x m d so l lt h et e m p e r a t u r e 。t h ec o n c o n 仃a ：c i o no ft h ei a s s r i s i n gr e m a r k a b l ea l o n gw i t ht h et e m p e r a t u r ed o w ni n t h el o ws e j 2 t i o n ( 4 8 ) t h e c o n c e n ( r a f i o nk e e ps t e a d yi n8 - 1 2 c t h ec o n c e n t r a t i o no f t h el a s sr i s i n gr e m a r k a b l e a l o n gw i t ht h et e m p e r a t u r ed o w n , w h e nt h et e m p e r a t u r ec l o s et ot h ef x e e z i n gp o i n t ； t h ec o n c e n 删o no f t h ei a s sd o n th a v ea n yr e l a t i o n s h i pw i t ht h et e m p e r a t u r e ，w h e n 南极农藻c h l a m y d o m o n a ss p l 4 胞外冰活性物质研究 t h et m n p e m t u r ea w a yf r o mt h ef r e e z i n gp o i n t i nt h es r l n et e m p e r a t u r e ，c o l ds h o c k 锄i m p r o v et h ec o n c e n t r a t i o no f t h ei a s so b v i o u s l y t h er e s u l t so fs d s - p a g ea n dg e lf i l t r a t i o no ns e p h a d e xg - 2 0 0s h o wt h a tt h e i a s so fa n t a r c t i ci c em i c r o a l g ac h l a m y d o m o n a ss p l 4a r eak i n do ft h i n g sh a v e c o n t i n u o u sm o l e c u l a rw e i g h t , t h er e s e to fc o l o r a t i o ni n d i c a t e st h a tt h e yw e r e c o m p o s e db yc a r b o h y d r a t ea n dp r o t e i n t h el a s so fc h l a m y d o m o n a ss p l 4 c o n t a i n e d7 3 3 c a r b o h ，7 d r a t ca n d1 7 8 p r o t e i n ，h i g hc o n t e n to fc a r b o h y d r a t e a s s u r e dt h es t a b f l i t yo ft h em o l e c u l e t h em o l e c u l a rw e i g h to fi a s sa r eu s u a l l yv e r y b i g , m o l e c u l e sw e r ec n w r a p p e db ym u l t i l a y e rh y d r o p h i l i cc a r b o h y d r a t ec h a i n s ，a n d c a r b o h y d r a t ec h a i n sm a i n t a i n st h es t a b i l i t yo ft h ee n t i r em o l e c u l a r , p r o t c c t i n gt h e m o l e c u l e sf r o mb e i n gb r o k e nd o w nb yo t h e rm o l e c u l e s t h ei a s $ o fa n t a r c t i ci c em i e r o a l g ac h l a m y d o m o n a ss p l 4a l es t a b i l ei n e x t e n s i v et e m p e r a t u r es c c d o n ，t h ei c e - p i t t i n ga c t i v i t yo fi a s sw a sd e s t r o y e db y e x p o s u r et ot e m p e r a t u r e10 0 c ，t h es t a b i l i t yp r o b a b l e l yh a sr e l a t i o n sw i t ht h es p e c i a l c o n f i g u r a t i o no ft h eg l y c o p m t e i n t h ec a r b o h y d r a t ec h a i n sp r o v i d ep r o t e c t i o nt ot h e p e p t i c l ec h a i a s i a s so fa n t a r c t i ci c em i c r o a l g ac h l a m y d o m o n a ss p l 4c a nm a k et h ef r e e z i n g s p e e ds l o wc o m p a r i n gt h eb s a a n d a s sc a l le x h i b i tv e r yh i g ha c t i v i t yi nal o w c o n c e n t r a t i o n ( 0 1m g m l “) ，b u t 血ei c e - p i t t i n ga c t i v i t yw a sn o ti n c r e a s e dw h e nt h e c a n c o n c a n t r a t i o ni n c r e a s e d t h e i rf u n c t i o nh a sr e m a i n e du n c l e a r t h ei a s sa r ea b l et o p r o t e c tc e l l sf r o mf x e e z e - t h a wd a m a g e t ot e s tt h i sp o s s i b i l i t y ，t w os p e c i e so fm a r i n e d i a t o m ( o n ef r o ma n t a r c t i ca n do n ef r o mt e m p e r a t e ) w e r es u b j e c t e dt 0as i n g l e f r e e z e - t h a wc y c l ei nt h ep r e s e n c eo ra b s e n c eo fi a s v i a b i l i t y , b a s e do nad o u b l e s t a i n i n gt e c h n i q u e 。w a s2 6 2 2 8 7 h i g h e ri nt h ep r e s e n c eo f i a s k e yw o r d s ：a n t a r c t i c s e ai c e m i c r o a l g a c ；c h l a m y d o m o n a ss p l 4 ；i c e a c t i v e s u b s t a n c e s ；a n t i f r e e z ep r o t e i n s ；g l y c o p r o t e i n ；i c e - p i t t i n g 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律 结果由本人承担。 论文作者签名：确强日期：砷臼肜日 学位论文使用授权说明 本人完全了解国家海洋局第一海洋研究所关于收集、保存、使用学 位论文的规定，即： 按照本所要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 研究所有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 研究所可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，研究所可以公布论文的部分或全部内容。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名：购维 导师签名： a 凝：如0 1 年只1 6b 前言 1 前言 南极冰藻是生长在南极海冰、海冰边缘或海水中的一类微型藻类( 简称冰 藻) 在南极，海冰形成非常迅速，冰藻的生长也经历了生存环境的巨大变化： 光照、碳源、盐度，其中还必需经历几周没有光照的异养生活阶段。正是由于南 极海冰特殊的物理特征，冰藻形成了特殊的不同于一般地区生物的特征。为了在 南极生存，冰藻必需有特殊的抗性来缓解这些极端环境的影响。南极特殊的气候 特征使其变成了特殊抗逆性物质的潜在资源库。 为了适应极低的环境温度，处在低温下的南极冰藻，常常产生许多胞外分泌 物( 如粘液) ，将冰核阻隔在藻体之外，保护藻体不受伤害。南极冰藻分泌胞外 的糖蛋白类物质能引起冰晶表面凹陷和残缺，抑制冰晶生长，其功能类似抗冻蛋 白，但它没有抗冻蛋白起抗冻作用必须具有的热滞性，是一种新型抗冻生物大分 子，称为冰活性物质( i c e a c t i v es u b s t a n c e s ，l a s s ) 。i a s s 的最显著的特征就是， 附着在增大的冰晶的表面，蚀刻冰晶或使冰晶变形( r a y m o n de t 讲，2 0 0 3 ) 。与 抗冻蛋白的作用方式不同，l a s s 不能明显降低溶液的凝固点，即不具有热滞活 性。抗冻蛋白溶液的冰晶生长温度要低于其熔点温度，这种冰晶的熔点与冰晶生 长点之差称之为热滞。这种效应是一种非依数性( n o n - c o l l i g a t i v e ) 效应。l a s s 在抑 制冰晶生长的同时不会改变溶液的熔点和结晶点。 1 1 南极地区的环境特征 南极是地球上最冷的地区，低温是极地最基本的特征，严寒的气候在南极己 存在至少l4 0 0 万年，年平均气温为- 2 5 ，内陆高原平均气温为一5 6 左右，极 端最低气温曾达- 8 9 2 ，海冰的温度从- 5 0 - 2 ( x r m c e n t ，1 9 8 8 ) 。南大洋有 最大的冰覆盖面积，夏天为6 0 0 万k m 2 ，冬天可以达到20 0 0 万k m 2 ( z w a l l ye la ， 1 9 8 5 ) ，比整个南极大陆的面积( 13 2 0 万k m 2 ) 还要大。在南大洋南部，水温常 年在0 以下( v m c e n t ，1 9 8 8 ) ，4 0 0 19 0 0k m 宽的条带围绕在南极大陆周围， 这巨大的海冰条带能存在几个月，为微生物的生长提供了一个动态环境。 南极衣蕞c f 口叼一出珥d ，船s p “胞外冰活性物质研究 一般在每年的9 月份，海冰的面积达到最大值，并可向北伸展到南纬5 5 。， 被海冰覆盖的海洋面积达2 0 0 0 万平方公里，这一面积比南极大陆本身面积还要 大。每年夏天，一般是在2 月底，海冰的范围达到最小值，8 5 的海冰漂流到不 冻海域融化掉，甚至在许多地方，海冰一直融化到海岸。由于纬度和季节的不同， 海冰的厚度从几十厘米到2 米以上不等，通常纬度高的地方、离岸边近的地方、 海湾内部的海冰较厚，反之则薄。 1 2 南极冰藻的类群及生态意义 当破冰船在南极冰海行进时，舷侧可以看到冰层被翻起，仔细观察，可以发 现冰底层和断面上带有淡茶色乃至褐色层。起先人们猜测这是海冰中的泥沙，并 没有过多注意，后来，经过生物学家的研究。发现这是由于海冰中生长着微型藻 类，即人们常说的冰藻。 在海冰形成过程中，水柱中的藻类会主动或被动结合入冰，新结合入冰的藻 类其光生理特性与浮游植物极为类似，部分藻类适应了海冰内部的生境而成为真 正意义上的冰藻( l i z o t t ce t 以，1 9 9 2 ；g r o s 啦眦e ta 1 ，1 9 9 3 ) 。冰藻的最初形成 机制主要有以下几种： ( 1 ) 水柱中冰晶( 颗粒冰) 形成后在上升的过程中对水柱中藻类的滤集( c l a r k e 甜以，1 9 8 4 ：g l e i 乜e t 可，1 9 9 3 ) 。该作用机制已得到普遍认可，并为实验室模拟 实验所证实( c , a n i m n 甜以，1 9 8 3 ，1 9 8 9 ) 。 ( 2 ) 水柱中藻类作为冰晶核形成冰晶，然后随着冰晶的上升凝结而结合入冰 ( a c l 【l e y ，1 9 8 2 ) 。目前对该机制仍有异议( p a r k e re t 斫，1 9 8 5 ) ，因为有研究表明水 中的颗粒物并无成核作用，冰晶本身也无粘附特性( r c i i n n i 乜e t 耐，1 9 9 3 ) 。 ( 3 ) 由于波浪作用水柱中的藻类被随波带入冰层并最终滞留在冰中，该机制 已得到实验室模拟实验的证实( s h e n “口f ，1 9 9 0 ；w e i s s e n b e g e rc ta 1 ，1 9 9 8 ) 。 ( 4 ) 底栖藻类通过底冰( a n c h o ri c e ) 上升到表面( b m a te ta 1 ，1 9 7 0 ) 。通过底冰的 富集方式将使底栖生物有可能进入海冰，但一起带入的海底沉积物会增加海冰浊 度，从而影响冰藻的生长，该机制仅限于近岸浅水海区。 ( 5 ) 柱状冰在向下生长过程中包容了冰水界面的海水，从而使海水中的藻类 2 前言 滞留在冰中。但由于柱状冰在形成的过程会因为排盐而把冰中的藻类排入冰下水 柱( c l a r k ee ta 1 ，1 9 8 4 ) ，该方式的富集能力有限。 ( 6 ) 具活动能力的藻种( 如羽纹硅藻) 主动进入海冰( 张坤城等，1 9 8 6 ； s y v e r t s e n e l a l ，1 9 9 3 ) 。目前尚不清楚该机制在冰藻类群形成过程中的作用程度。 在海冰的形成过程中，不同的环境条件会导致不同类型冰晶的形成，从而导致对 生物不同的作用效果( 王自磐等，1 9 9 3 ) ，而冰藻物理学富集过程在很大程度上依 赖于结冰期间的水文和天气状况( g l e i t ze ta 1 ，1 9 9 3 ) 。对海冰形成过程的模拟研 究表明，藻类在进入海冰后其活性将下降，在二周后重新回升并形成一个有别于 浮游植物类群的新类群，而海冰所能提供的生存空间大小以及藻类对海冰环境的 生理适应能力是决定冰藻类群的两大重要因素( o l e i t ze t a l ，1 9 9 3 ) 。 1 9 5 6 年，b u n t 等( 1 9 6 3 ) 首先报道了南极冰藻。自此，研究者们在南极海 区相继进行了冰藻的种类组成、数量分布、季节变化、生产力及生态因素的研究 ( s a r a h e l a l ，1 9 8 5 ig a r r i s o n e t a l ，1 9 8 6 ) 。进入上世纪9 0 年代，随着南极海 冰区生态学研究计划( e a s i z ) ，以及南极海冰区近岸和陆架系统生态学研究计 划( c s e a s i z ) 的相继推出，越来越多的科学家开始对海冰内的微藻和微生物 表现出极大的兴趣，开展了大量的有关工作。早期工作的重点一般偏重于冰藻的 分布、影响其分布的因素等生态学方面，后来越来越多的工作开始研究冰藻独特 的生理、生化特性，从而探讨冰藻对严酷极地环境的适应性( p r i s c ue la 1 ，1 9 8 9 ； l i z o t t e e l a l ，1 9 9 1 ；1 9 9 2 ) 。 在国内，早期对南极冰藻的研究多集中在生态学方面( 张坤城等，1 9 8 6 ：俞 建銮等，1 9 8 6 ；吕培顶等，1 9 9 1 ；何剑峰等，1 9 9 5 ：何剑峰等，1 9 9 6 ) 。自2 0 0 1 年起，国家海洋局第一海洋研究所从第1 8 次南极考察中采集的样品中分离纯化 了2 0 多种南极冰藻，即开始了室内南极冰藻抗逆性的研究( 姜英辉等，2 0 0 1 ； 缪锦来等，2 0 0 3 ) ，在抗冻和抗辐射研究等方面取得了大量的成果。 1 2 1 南极冰藻的类群 按所处空间位置划分，冰藻类群可分为冰表、冰内、冰底和冰下四大类( 图 1 ) ，其中最富生产力的类群均形成于环境条件较优的春夏季、与海水有很好交换 南极衣藻c h l a m y d o m o n a ss pl 4 胞外冰活性物质研究 的冰层。 大洋浮冰近岸固定冰 小板冰类群 图1 1 南极主要冰藻类群示意图 f i g u r e1 1 s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f a l g a la s s e m b l a g e sf o u n di n a n t a r c t i cs e ai c e 1 2 1 1 冰表类群 冰表类群( s u r f a c ea s s e m b l a g e ) 是指形成于海冰表层的类群，包括渗透类群、 变形类群和融池类群三种类型。 ( 1 ) 渗透类群( i n f i l t r a t i o na s s e m b l a g e ) 海冰对积雪的承载超过一定负荷， 使海冰上表面降至海平面以下而造成海水渗入，在冰雪界面形成一个多孔的结 构，在春季环境条件适合于藻类生长的小生境中，原有或随海水进入的藻类迅速 生长，形成数十厘米厚的有色层。通常在积雪厚度超过海冰厚度的1 4 1 2 时， 就可能导致该类群的形成( a c k l e y e ta 1 ，1 9 9 0 ) 。该类群主要出现在浮冰区，在纬 度较低的我国长城站附近的长城湾内固定冰中也发现有这一类群( 吕培顶等， 1 9 9 1 ) ，而高纬近岸固定冰区因受南极冰盖下降风的影响，海冰表面积雪较少而 难以形成这一类群。威德尔海浮冰区约有一半的海冰存在这一类群( a c k l e ye t a l ， 1 9 9 0 ) ，叶绿素a 浓度可比冰下水柱中的高出3 个数量级，达4 2 4 m g m 3 或更高， 占海冰和水柱真光层总生物量的7 7 ( s y v e r t s e n e t a l ，1 9 9 3 ；h a s se t a l ，2 0 0 1 ) 。 4 前言 由于高产和分布广泛，该类群成为海冰群落初级产量的最大贡献者( l e g e n d r e ， 1 9 9 2 ) 。 ( 2 ) 变形类群( d e f o r m a t i o na s s e m b l a g e ) 变形类群是由于海冰受到外力破坏 作用而产生重叠、倾斜等变形，冰块的重叠会形成冰脊( p r e s s u r e r i d g e ) ，并导致交 叠区下方冰块的上表面受海水入侵或直接浸没在海水之中；或海冰正好沿冰脊或 在冰脊附近裂解，海冰受冰脊重力作用会出现倾斜，冰脊附近表面可能降至水平 面以下而导致海水入侵。如果环境条件合适，受海水入侵的局部区域会形成水华， 使海冰变色。藻类密度可比未受海水入侵的海冰或附近无冰水域高出1 2 个数 量级，比冰下海水高出2 3 个数量级( k o t t m e i e re t a l ，1 9 9 0 ) 。 ( 3 ) 融池类群( m e l t p o o la s s e m b l a g e ) 融池类群是由于海冰上表层融化、海 水溢入，或是两者的共同作用所形成，在南极海冰区较为少见。1 9 8 2 年1 月曾 报道在凯西站附近存在融池类群，上方的积雪完整，融池深达1 5c m ，池底冰藻 丰度为2 8 x1 0 6 u 1 ，初级生产力为3 6 3 岭c u 1 h - 1 ( m ec o n v i l l ee ta 1 ，1 9 8 3 ) 。该 类群与变形类群存在明显差别。变形类群总是伴随着冰脊而出现，处于海平面或 海平面以下，受高盐海水的入侵，生境盐度较高：融池类群处于海平面以上，由 于溶入了冰雪融化水，生境盐度较低。 1 2 1 2 冰内类群 冰内类群( i n t e r i o ra s s e m b l a g e ) 是指出现在海冰内部的类群，主要包括水线类 群、带状类群、卤道类群和分散类群四种类型。 ( 1 ) 水线类群( f r e e b o a r d a s s e m b l a g e ) 出现在夏末冰区，也可能在其它季节 出现在高温、高辐照度的北部冰缘区。它总是出现在海平面附近冰层，距海冰上 表面约1 0 3 0c m ，故称水线类群。受高温影响，海冰上表层的温度随之升高而 导致卤水外排，当下行至海平面附近时，由于重力趋动作用消失，盐卤将在该层 聚集。由于温、盐、营养盐的增加以及光照的季节性增强，导致藻类在该冰层生 长，而藻类的吸热会使海冰局部融化，从而在这一区域形成多孔冰层，而海冰的 其余部位仍保持完整( a c l d e ye ta 1 ，1 9 9 4 ) 。该类群的产量略高于冰表类群，叶绿 素a 浓度高达4 2 5n a g m - 3 ( k o t t m e i e re t a l ，1 9 9 0 ；k r i s t i a n s e ne t a l ，1 9 9 0 ) ，但出 南极衣藻c j 妇明植聊。朋p l 4 胞外冰活性物质研究 现面积低于冰表类群。尽管水线类群与渗透类群均出现在海平面附近，由于水线 类群形成于海冰内部，渗透类群形成于冰雪界面，两者有本质区别。 ( 2 ) 带状类群( b a n d 勰s 朗曲l a g e ) 源于当年冰的秋季冰底水华( h o s l l i f i ， 1 9 7 7 ia c k l e y 盯矗，1 9 7 9 ：m e c o n v i h ee t 娃，1 9 8 3 ) 或多年冰上一年度的春季冰 底水华( g r o s s ie t 口f ，1 9 8 5 ) ，随着海冰的继续生长，该类群被包容在海冰之中。 在浮冰区如果当年冰能在夏季得以较为完整的保留，在出现水线类群的冰层也容 易出现秋季水华( a c h e ye t 甜1 9 9 6 ) ，因而也可能在该层出现带状群落。它们在浮 冰区不常见( m ec o n v f l l ee t4 ，1 9 8 3 ：s y v e r t s e ne t 口f ，1 9 9 3 ) 。虽然在近岸固定 冰区广泛分布，但受冬季恶劣环境条件的影响，细胞缺乏活性，生物量随着时间 的推移逐渐下降饵o s l i i a i ，1 9 8 1 ；m cc o n v i u ee t 讲，1 9 8 3 ；何剑锋等，1 9 9 5 ) 。在 长城湾发现的该类群具有较强的活性( 吕培项等，1 9 9 1 ) ，可能与该海区相对较为 有利的环境条件有关。 ( 3 ) 卤道类群 f i n ec h a n n e la s s e m b l a g e ) 卤道是指在温度和内部压力的作 用下，在海冰内部形成的允许卤水在冰中垂直活动的长的垂直管道。卤道类群主 要形成于春季，随着气温的升高，海冰内部温度的上升使卤道扩大并相互形成网 络，网络最终与冰下水柱相通，藻类在卤道中生长形成类群。它也包括形成于海 冰缝隙和冰孔中的类群。目前专门针对卤道类群的研究并不多，通常与分散类群 合在一起进行研究。 ( 4 ) 分散类群( d i f f u s e 越s 锄b l a g e ) 分散类群是指分布在冰晶间隙( 颗粒冰， c r y s t a li c e ) 或冰晶内部( 柱状冰，c o l u n mi c e ) 卤水泡内的冰藻类群，伴随着海冰的 形成而出现，出现在海冰的所有层次，受生长空间和营养盐等因素的制约，生物 量较低。在浮冰区该类群的叶绿素a 浓度平均不超过l om g m - 3 ( a c k l e ye t 耐， 1 9 7 9 ：c l a r k ee t 讲，1 9 8 4 ；c y d l t i s o ne t 耐，1 9 8 9 ) ，生物量高值出现在春季( g a r r i n e t 讲，1 9 8 9 ) ，表明该类群维持着一定的活性；而在近岸固定冰区，中山站的研 究结果表明，该类群的叶绿素a 浓度通常低于5m g m 一，并且生物量在秋季较高， 随着季节的推移而逐步下降( 何剑锋等，1 9 9 5 ) 。但在麦克默多站附近的海冰上表 层会在春初出现一个小型冰藻水华，5 0c m 上表层的初级产量峰值高达1 2 4 m g c - m 之d a y 1 ( s t o c c k e re t 口f ，2 0 0 0 ) 。 6 前言 1 2 1 3 冰底类群 冰底类群( b o t t o ma s s e m b l a g e ) 是包括冰底数厘米和冰下小板冰层内出现的类 群。该类群主要分布在与海岸相连的固定冰区，面积仅为南极冰区总面积的1 2 ，因而尽管其生物量是所有类群中最高的，冰底类群在海冰区冰藻总产量中 所占的份额不大。该类群主要包括间隙类群和小板冰类群两类。 ( 1 ) 间隙类群( i n t e r s t i f i a ta s s e m b l a g e ) 它通常仅出现在柱状冰冰底数厘米的 骨架层中，在麦克默多海峡其厚度可达2 0c m 。由于其主要形成于冰底骨架层亚 结构中冰板与冰板之间的卤水层中，故名间隙类群。该类群在近岸固定冰区生物 量极高，而且通常存在秋季和春季两个水华，其中秋季水华叶绿素口浓度可达 9 9 5m g n 1 3 ( h o s h i a i ，1 9 8 1 ) ，春季水华则普遍超过20 0 0m g m 刁( 陈兴群等，1 9 8 9 ： b a r t s c h ，1 9 8 9 ；s p i n d l e re ta l ，1 9 9 0 ：何剑锋，陈波，1 9 9 5 ) 或5 0 0m g n 1 2 ( r i a u x g o b i n e t a l ，2 0 0 0 ) 。浮冰区间隙类群的叶绿素a 浓度低于9 m g - m ( d i e c k m a n n e t a l ，1 9 9 0 ；t r e v e n ae ta l ，2 0 0 0 ) ，这主要是因为浮冰区海冰上表面的覆雪通常较 厚，加上冰表和冰内类群生物量本身就较高，吸收了大量的光线，使得抵达冰底 的光辐照度很低，难以形成真正的水华。 ( 2 ) 小板冰类群( p l a t e l e ti c ea s s e m b l a g e 】在部分近岸海冰区，在柱状冰冰 底会出现厚达数十厘米乃至数米的结构疏松的小板冰( p l a t e l e ti c e ) ，藻类在其间生 长而成为初级产量的高产区。小板冰主要由于冰架形成的过冷水的作用而形成， 在罗斯海和威德尔海近岸冰区最为常见。冰架下海水的温度由于冰架的重力作用 而达到负压情况下的冰点，当海水上升至冰架边缘时，在温度不变的情况下将由 于减压而导致过冷，现场的成核作用会导致冰晶的形成。它可形成于2 0 0 m 以下 的水柱中，并在上升过程中富集水柱中的藻类( d i e c k m a r me ta l ，1 9 8 6 ) 。小板冰 冰层中的生物量主要集中在与冰底相连的十几厘米厚的部分( a r r i g oe t a l ，1 9 9 3 ， 1 9 9 5 ) 。尽管小板冰类群中单位体积的生物量通常低于间隙类群，但由于小板冰 厚度最高可达数米，其单位面积的生物量远高于间隙类群。罗斯海小板冰类群的 叶绿素a 浓度高达7 7 0n a g m - 2 ( g - r o s s ie ta l ，1 9 8 7 ：a r r i g oe ta l ，1 9 9 0 ) ，甚至富集 了冰柱总生物量的8 9 9 9 ( a r r i g o ，1 9 9 3 ) ，而威德尔海由于冰表面积雪较厚， 南极衣藻c f i l a m y d o m o n a s s p1 4 胞外冰活性物质研究 小板冰类群的叶绿素a 浓度要明显低于前者( 2 l o m g m 2 ) ( g u e n t h e re ta 1 ，1 9 9 9 ) 。 1 2 1 4 藻席一丝类群 藻席一丝类群( m a t s t r a n da s s e m b l a g e ) 主要出现在冰底无小板冰层的近岸固定 冰区( m e c o n v i l l ee t a l ，1 9 8 3 ；w a t a n a b e ，1 9 8 8 ；何剑锋等，1 9 9 5 ) ，伴随春 季冰底水华而出现，链状的藻丝附着在冰底并挂入冰下水柱，长度在几厘米至几 十厘米不等，最长可达近l m ( a c l d e ya n ds u l l i v a n ，1 9 9 4 ) ，从而在冰- 水界面形成 密集的席状藻层。它的存在主要依赖于冰下水柱、特别是冰水界面平静的水体 环境，由于其主体存在于冰水界面的水柱部分，也称为冰下类群( s u b - i c e a s s e m b l a g e ) 。该类群与冰底间隙类群在优势种组成上存在较强的相似性，可视为 冰底类群在冰下的延伸。春季冰藻水华期间冰底优势种主要是呈链状群体藻种 ( 何剑锋等，1 9 9 5 ) ，由于冰底类群的生长受冰内空间的限制，而向水柱方向的生 长则不受空间的限制，导致链状群体不断向水柱方向生长而成为藻丝。 1 2 2 南极冰藻的生态意义 冰藻是南极冰层微生物生态环境中的主体，春夏季( 1 0 月次年1 月份) 达到最大生长量，其中冰层底部的生长量最大，由于冰藻的大量繁殖而呈现可见 的褐色。在冰藻的旺盛繁殖期，叶绿素的含量每立方米能够达到几百甚至上千毫 克( v i n c e n t e t a l ，1 9 8 8 ) ，而普通的南大洋海水中叶绿素的含量仅为o 5 m g - m - 3 。 冰藻是南大洋重要的碳流和能量流，南极海冰的初级生产力为6 3 7 0 t g a - 1 ，约占南大洋每年总初级生产力的5 ( l i z o t t ee t a l ，2 0 0 1 ) 。在南大洋海 冰区的初级总产量中，冰藻的直接贡献额超过2 0 ( l e g e n d r e ，1 9 9 2 ) ，是晚春 和早秋碳源不足时期的有效补充，并且是多种次级消费者的食物来源。同时，冰 藻能够分泌许多有机物，并且其残体分解也可产生大量的可溶性物质( 主要是糖 类) ，都是其它异养生物的食物来源。当海冰融化时，这些有机和无机营养物质 被释放出来，为其它生物的生长提供大量的物质和能量基础，使浮游动植物大量 繁殖。于是海域中的浮游动物、鱼类、磷虾和一些鞘类生物，都聚集在海冰融化 3 的区域。磷虾是南大洋中最引人注目的生物资源，贮存量超过1 5 亿吨( t 怕i l l a s 甜a 1 ，2 0 0 2 ) ，每年有l 2 亿吨的捕获量，浮游植物，特别是冰藻，是磷虾的主 要食物来源( m a r s c h a l l ，1 9 8 8 ) 。除了生态重要性以外，南极冰藻已经成为新技 术的核，i l , ，是研究宇宙中其它冰雪星球上生物体的模式生物( k i v e l s o ne ta 1 ， 2 0 0 0 ；m a l i ne ta 1 ，2 0 0 0 ：m c c o r de ta 1 ，2 0 0 1 ) 。 冰藻具有较高的营养价值，有9 种冰藻的蛋白质含量为干重的3 0 5 0 ( m y l d e s t a d ，1 9 7 4 ) 。另有报道，1 0 0g 冰藻有机物可产生21 9 6j 热量，比巧克 力产生的热量还要高( a n d r i a s h e v ，1 9 7 4 ) 。 1 3 低温对南极冰藻的伤害作用 1 3 1 改变生化反应速率 微藻对铵的亲和力不受温度的影响，但在最适生长温度下对硝酸盐的亲和力 下降( r e a ye t a l ，1 9 9 9 ) 。在盐囊中，随着藻体的生长，p h 升高，铵裂解为氨， 直接进入细胞中( r e a ye t a l ，1 9 9 9 ；r a v e n