（环境科学专业论文）紫外辐射对若干浮游植物的生长、竞争及群落结构的影响.pdf

ab s t r a c t k e y c o m p e t i t w o r ds: l t v - b 五 刃 c r o c y s t i sc h l o r e l l a p y r e n o i d o s a i o n c o m mu n i t y s t r u c t u r e m 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、 保存、 使用学位论文的 规定， 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印 刷本和电 子版 本; 学校有权保存学位论文的印 刷本和电子版， 并采用影印、 缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文;学校有权提供目 录检索以 及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务;学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版; 在不以 赢利为目 的的前提下， . 学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名: 年月日 经指导教师同意， 本学位论文属于保密， 在 本授权书。 年解密后适用 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时间:年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 一 f a.1 5 iff ( -k 5 if, ptj 5 ipfh !* 10 f (:r c 10 * , utjl-t 10 一 机 密 20 、 长 z。 年 ， 7 j于 20 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下， 进行 研究工作所取得的成果。 除文中己 经注明引用的内 容外， 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、 己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名 年月日 第一章 紫外辐射对藻类影响研究进展 第一章紫外辐射对藻类影响研究进展 富营养化是指 “ 水体中由于营养盐的增加而导致藻类和水生植物生产力的 增加、 水 质下降 等一系列的 变 化， 从而使 水的 用途受到影响”1 1 1 。 研究 表明， 我国目 前 6 6 %以 上的湖泊、水库处于富营养化的水平，其中 重富营养和超富营 养的占2 2 % z 1 ， 使得富营养化成为我国湖泊目 前与今后相当长一段时期内 的 重大 水环境问题。 光是影响藻类生长的最重要因素之一。自 南极臭氧空洞见诸报道以来，人 们对臭氧层破坏导致的一系列生态环境问题极为关注。臭氧层破坏主要引起到 达地球表面的u v - b辐射增强。 尽管l t v - b辐射所具备的能量不到太阳光总能量 的1 % ， 但具有极强的生物活性， u v - b辐射的增强， 不仅影响藻类的生长、 运动、 色素、 固 氮 和 光 合 作用3 ,4 1 ， 降 低 浮 游植物的 存 活率 和生 长 速 率 5 1 ， 还 会 改 变浮 游 植 物 群 落的 组 成 结构6 1 ， 进 而 对 水生 生 态 系 统 食物网 产生 重 大 影 响 7 ,8 1 国际同行就l t v - b对生物个体、 种群、 群落及生态系统的影响己 经进行了 广 泛研究。我国在这一领域起步较晚，但近些年发展较快，主要工作集中于高等 植 物 ( 尤 其 是 农 作 物 ) 对u v - b 增强 的 响 应 9 - u l ， 也 有研究 报 道u v b增强 对田 间 生态 系统的 影 响 1 2 1 。 相对于陆 生 高 等植物， 国 内 对u v - b 与 浮 游植 物及水 生 生 态 系统的 研究较少。 除光的作用之外，氮和磷是藻类生长并维持其生物量的主要营养元素，并 对淡水生境中的藻类群落产生重要的影响。同时，这两种元素的比例也影响到 浮游植物的健康生长，细胞组成，生理状态及其群落结构的发育。 一般认为，海水中的氮磷原子比例为 1 5 : 1 ，用于浮游植物实验室分 析的氮 磷原子比 例为 1 6 : 1 。提高氮磷比 率可引起藻类优势种群的变化;降低氮磷比率 可引起藻类总生物量的减少等.也就是说氮磷比 率改变，藻类生长及其群落结 构会发生显著变化。 对湖泊的研究表明， 在不同营养条件下， u v辐射对浮游植 物光合作用的抑制程度不同。紫外线辐射和氮磷营养共同作用下浮游植物群落 的变化发展值得深入研究。 第一章紫外辐射对藻类影响研究进展 第一节紫外线对生物的影响 紫外线依波长可分为u v - a ( 3 2 0 - 4 0 0 n m) . u v b ( 2 8 0 - 3 2 0 n m) 和u vc ( 2 8 0 n m以 下) 三种。其中u v c对生物的伤害最大，但由于u v c对大气层的穿透 力差， 受环境变迁的影响相对少些。 u va对生物的影响很大， 但是通过大气层 来到地面l t v - a的量不会因为臭氧的 耗减而有显著的改变， 因 此不涉及近来的环 境变迁。 近年来所探讨紫外线对生物造成伤害的主要对象是u vb 。 通常情况下， 大气平流层中的臭氧几乎吸收了 全部的u v c 和9 0 % 左右的u vb ，日 光中的紫 外线对生物的影响较小。 而当大气臭氧浓度下降时，地面紫外线辐射强度必然 增大。 实 验证明， 大气中 臭氧 每 减少1 % ， 辐射到地面的u v b就增 加2 % 1 3 , 1 4 . 近年来地球上空的臭氧层受到氟氯碳化物等的破坏，使地球生物 ( 包括藻类在 内)接受紫外线照射的剂量大大增加。 1 . 1 . 1 紫外线( u v - b ) 在水体的衰减及对溶解性物质的影响 太阳光在进入水体后，经散射同吸收联合作用引起了光的衰减。用来描述 光在水中 衰减程度的 最重 要物理量是光衰减系数与和真光层深度d e ( 水表面下 辐照度降 到1 %时的深度) . u v 一 在水中 传输主要受水中 组成物质的 影响， 包括 黄色物质、悬浮物质以 及浮游藻类等，不同的物质组成对 u v - b的 衰减不同， 其衰减 系数从0 . 0 5 n i 到6 0 m - 不等 1 5 - 1 7 1 。 在清洁的 海水中 水 下3 0 m还能 探测到 u v - b ，而u v - b的生物效应则可达6 0 - 7 0 m 。在高山深水湖泊中， u v - b的穿 透 深度 也 常 达2 0 m以 上. 对 阿 尔 卑 斯 ( a lp s ) 和比 利牛 斯 ( p y r e n e e s ) 山 脉 上2 6 个湖 泊u v - b 的 真光层深 度的 测 定， 其 平 均 深 度为8 m ， 最 深的 达2 7 m 16 1 。 在 受 人类 活动影响较大和富营养化浅水湖泊中，由于水中溶解性有机物质对u v - b的强 烈吸收，其真光层深度往往要小得多. 有色可溶性有机物 ( c d o m)及一些颗粒物质对 u v - b辐射具有强烈的吸 收，能改变水下的光场分布。 u v - b的增强加速了光化学过程， 光化学降解可把 溶解性有机物转化为无机物形式( 如无 机碳、 一氧化碳等 ) 或低分子量的 碳水化合 物。光化学降解所产生的溶解性无机碳产量与高浓度的铁及紫外辐射的高吸收 系 数 成 正 相 关， 而与水中 的p h 、 碱 度、 电 导 率 及c h la 成 负 相 关， 因 此， 贫 营养 湖泊比 富营养化湖泊更易发生 光化学作用1 8 。同时，伴随着光化学过程，湖水 的颜色将消失 ( 即通常所称的光漂白作用) ，水色的改变影响水的光学特性和 第一章紫外辐射对藻类影响研究进展 l t v - 1 3 在水中的穿 透力。 在溶解性有机物的 这种光化学过程中 扮演重要角色的是 d o c , d o c中的腐殖酸及其他一些组分容易被u v - b进行光降解，生成甲醛、 乙醛等物质。 d o c降解的增加以 及微生物对小分子碎片的吸收都将增加 u v - b 在湖泊中的穿透深度。 1 . 1 . 2 紫外线对动物的影响 由于紫外线无法穿 透太深的生物组织，因此紫外线大多只影响多细胞生物 的上皮细胞部份。 不论是哺乳动物的细胞或鱼类细胞，三个波段的紫外线对细 胞均会造成影响， 包括d n a 、 蛋白 质和脂质。 d n a经u v - b照射后，会造成单 链断 裂 1 9 1 ， 因为一 般的 细胞均 有修复能 力， 其中d n a 也有自 身的 修补系统， 所 以一般不会对细胞的 存活造成影响。 但如果照射的u v - b剂量太高，连d n a修 补系统也会遭损坏。 u v a也会对细胞膜造成伤害2 0 1 ; 当 细胞 膜上的固醇( s t e r o l ) 被u v a活 化后， 在 转 化 过 程会 释 放o 2 - 12 11 ， 这 种 氧分 子带 的自 由 基的 破坏 力 很强，会破坏其它细胞分子或影响正常细胞反应。 水生生物对紫外线的防护较陆生生物差， 有些动物会因为紫外线照度增加， 无法忍受而死亡。 浮游生物在生态上属于生产者，是鱼虾的食物来源，但 u v - 1 3 的 增加会造成浮游生 物量明 显下降 2 2 1 ，间 接 造成 鱼虾的 减产; 紫外线也会直接 影响鱼、 虾或青蛙 等 水生 动物的 胚胎发育123 1 : 有一 些珊瑚、 海葵 或水母会由 共 生藻或食物中获得吸收紫外线的物质ma a s ( 三苯甲 咪哇类氨基酸) ，可避免紫 外线造成伤害网。 1 . 1 . 3 紫外线对植物的影响 紫外线不但影响植物的形态， 还影响植物的生理生化代谢。 u v - b辐射能够 破坏敏感植物的叶 绿体结构，使净光合作用减少，减低某些作物中的 h i l l 反应 活力，叶片内可溶性蛋白 质含量大量增加， r u b i s c o 活力降低，暗呼吸增加，光 合 色素含量下降 2 5 1 。 脂 类、 糖 类含量下降， 抗性 作物中 的 非光 合色素如 类黄酮、 花青素等含量增加，这些非光合作用色素的生成可能对植物有保护作用。 紫外线辐射的 变化会引起植物群体及生态系统的变化。 在自 然生态系统中， 紫外线可使某些植物生 长出 现较大的差异。 例如使一种植物生产力下降而另一 种植物生产力增加，这样就会导致生态系统中物种结构改变。这种变化会导致 第一章紫外辐射对藻类影响研究进展 竞争平衡的 变化， 进而改变生态系统的组成和生物多样性。增强的u v - b辐射 对水生植物群落也产生影响。 1 . 1 . 4 紫外线对浮游植物、浮游动物和浮游细菌的影响 浮游植物是湖泊生态系统主要初级生产者，是湖泊食物网的重要组成部分， 其结构变化和生物量关系到整个湖泊生态系统的结构和功能。 增强的u v b对浮 游植物的伤害主要体现在对d n a和蛋白 质的 损伤， 对光合色素的破坏以及浮游 植物生产力的降低。 浮游植物在含u v - b的 太阳光下照射一天， 其光合作用能力 会比 在滤除u v - b的太阳光照射下降低8 0 %。 由于u v - b对光合色素的破坏， 降 低光合能力，因而u v b的增强对浮游植 物的 初级生产力影响是惊人的。s m i t h 在南极边缘冰区范围内发现， 由于臭氧减少引 起的u vb增加导致其初级生产力 减 少 达6 0/ , 1 2 % 12 61 o u vb对浮游动物的影响可以从宏观和微观两方面加以 概述。 宏观角度上， l t v - b增强改变了湖泊生态系统中浮游动物的群落组成， 致使湖泊生态系统中某 些物种逐渐消失生物多样性降低。微观方面， 增强的u vb造成某些易受u v b 辐射的物种d n a 、蛋白 质的改变，在强的u vb作用下其死亡率增高和个体小 型化。 不同的 浮游动物对u v b辐射的敏感性不一样， 存在很大的种间和种内差 异。 甲壳类浮游动物对l t v - b比较敏感， 小的甲 壳类动物即使在低于现在海表面 剂量的l t v - b 作用下， 其死亡率也高达5 0 % 。 在d o c 浓度低的湖泊中 ( 如高山 湖泊和贫营养湖泊) ，由 于l t v - b穿透的深度要大得多，因而这类湖泊中的浮游 动物更易遭受u v - b的伤害。 浮游 细 菌 可能由 于 个体 太小， 缺乏 诸 如m y c o s p o ri n e s , s c y to n e m in s 之 类的 屏蔽色素， 使 之更容易暴露在强的u v - b 下 12 7 . l t v - b 的 增强 对细菌的 影响 表 现 在正反两方面。一方面，增强的l t v - b造成光化学反应，能够将d o c中难分解 物质分解成碳水化合物，为细菌的生长提供充足的食物来源，从而加速了细菌 的繁殖。另一方面， u v b通过光降解细菌生长所需要的酶， 从而抑制细菌的活 动。 海洋中的 研究显示u vb的增强可以抑制表层水细菌的生长。 相比于黑暗条 件， 高u v b 的 照 射 下细 菌的 活 动要 低得 多 ， l tv - b强 度 低 于0 .2 w / m 时 比 较 有 利于 细 菌 的 生 长 和 繁 殖 12 8 1 第一章紫外辐射对藻类影响研究进展 第二节紫外线 ( u v - b )对蓝藻的影响 蓝藻是光合自 养生物， 太阳 光是其主要的 能量来源，因 此不可避免要受到 u v - b影响。尽管 u v - b辐射占太阳光总能量的比例不到 1 %，但它具有极强的 生物活性，能破坏蛋白质、d n a 和其它相关生物分子。大量研究表明，u vb 抑制蓝藻一系列生理和生化过程，包括存活率、生长速率、膜通透性、色素组 成、藻 胆蛋白 的装配、 碳固定、固 氮以 及运 动能 力等 2 9 - 3 1 1 2 . 1 生物量 生 物量是 各种生 物与非生物因子对植物的生理与生化等长期作用的综合体 现，是 衡量u v - b 辐射对植物生长影响的重要 指标。 u vb 对高等 植物 ( 尤其是农作物) 生 物量的影响 研究较多， 大量研究 表明 u v b 辐 射 对 大 豆 、 玉 米 幼 苗、 小 麦 及 水 稻 的 生 物 量 都 有 显 著 抑 制 32 , 3 3 1。 在u v b 增强条 件下蓝藻的生长 也受到 抑制， 存活率显著降低. s u r e s h 等 研究了 三类蓝藻 对u v b的敏感性， 他们用 5 w / m 2 的u vb以2 j / d 的剂量处理， 实 验结果表明 三种蓝 藻生长速率分别 下降 2 8 % , 3 0 % 和 3 6 % ，生物量分别下降 1 2 % , 2 7 % 和 1 0 % ， 同 时叶绿素、 蛋白 质和淀粉的含量也 较对照有不同 程度降低3 4 1 。 在高强 度 紫外线 照射下，蓝 藻存活率下降更为 显著。 另 外， u vb 对蓝藻生长的 抑制受 温 度影响， 随着温度降低l t v - b 对蓝藻的生长抑制逐渐增强3 5 1 尽 管不同 种属对u vb的 敏感性可能 存在差异， 但高强度u v b 下蓝藻的生 长受到 抑制、 存活 率降 低己 是不争的 事实。 u v b 辐射导 致蓝藻生物量降低的 原 因主要 是u vb破 坏光合系统， 使得蓝藻的净 光合速率降 低， 进而导 致其光 合产 物积累减少; 另一个原因可能是 u v - b辐射影响细胞分裂和细胞伸长， 导致生长 速 率 降 低 36 , 37 1 2 . 2 蛋白质和d n a 蛋白 质不 仅是生 物有机体的 重要组成 成分， 而且作为生物催化反 应的 酶类 ( 如r u b i s c o和 a t p酶等)在各种生理代谢中发挥重要作用 。构成蛋白质的2 0 种氨基酸中，色氨酸、酪氨酸、脯氨酸和组氨酸富含芳香环或杂环，这些芳香 环和杂环中的共扼双键对 u vb有强烈的吸收。这些基团在吸收 u vb之后， 转 第一章紫外辐射对藻类影响研究进展 变为具有很 强氧化性的 激发 态， 这种激发 态极易 发生开环或与 其它物质 直接结 合， 而使蛋白 质分子的 空间结 构发生改变， 失去原有的生 物活性。 u v b 辐射可抑制蛋白 质的合 成， 导致蛋白 质降 解、 变构以 及酶活性的 丧失。 a ra o z 等 研究 了 温 度和u v r 对 蓝 藻n o s t o c s p ，的协同 影响， 结 果 表明 在4 2 高 温 下n o s to c s p . 存 活率 为8 0 %， 而 经5 0 k j / m 的u v r照射后存 活率仅为4 0 % 3 ) , 与高温增强蛋白质合成不同， u v r显著抑制蛋白质的翻译，同时诱导产生一种 分子量为1 8 k d的蛋白 ， 该蛋白 是由u vb 诱导蛋白质多肤链发生交联形 成。 蓝 藻光系统ii ( p s ii ) 的d i 蛋白 对u vb极为 敏感， 大量研究表明l t v - b 辐射导 致 d i 蛋白的光降 解，从而导致p s i i 功能的 下降。 由于这些重要 蛋白 质的 变构 或降 解导致蓝藻光合作用受到抑制，生长速率下降。 d n a分 子中的 碱基也含有杂环( 嗜淀环 和嗓吟环) ， 这些 基团 尤其是嗜陡 环 吸收l t v - b后， 跃迁到具有很强 氧化活性的 激发态， 并引 发一 系列反应。 一 是相 邻啥咤环结合形 成二聚体， 或是激发态碱基与其它物质结合 而脱落，引 起移码 突变; 二是将激 发态产生的高能电 子传递给仇、 o h 一 和玩o 等基团 或分子， 形 成破坏力很强的活 性氧自由 基， 这些自由 基 反过来又引起d n a分子断裂， 进而 影响d n a复 制 或 导致基 因 突变3 9. u v - b对 d n a最主要的损伤表现在嗜睫二聚体的形成，嗜睫二聚体会阻碍 d n a聚合酶和 r n a聚合酶 11在 d n a双螺旋上的推进，从而阻止d n a的复制 和 转 录4 0 l o u v b 对 蓝藻 基因 表达 也产生重 要影 响4 1, 4 2 1尤其是p s ii的d i 蛋 白 在u vb辐 射下基因表达迅速改变。 2 . 3 光合色素淬灭与能量传递受阻 蓝藻的光 合色素主要包括叶绿素a , 类胡 萝 卜 素 ( c a r ) 和藻胆素. 入射到 蓝藻细胞的u v - b 绝大部分被叶绿素和捕光 色素复合体 ( 主要是藻 胆体) 吸收， 因 此l t v - b 极易 对蓝藻的 藻胆体和类囊体膜 造成伤害。 大量研究表明， 在u v - b 照射下蓝藻叶绿素a 含量下降4 3 。 叶绿素分 子吸收 l t v - b 后导致高能电子过剩， 这些高能电子不能及时地通过电子传递链传递出去， 积累的能 量导致叶绿素光氧化。也有实验表明， 叶绿素a 含量不受l t v - b 影响， 经l t v - b处理 后其含量甚至还有 所上升 4 4 1 。 这可能是由于不同 蓝藻对u v b的 敏 感性存在差异，也可能与实 验 l t v - b处理剂 量有关。通常， 在叶绿素 含量不 受 第一章紫外辐射对藻类影响研究进展 u v b 影响的 蓝藻中 含有高 浓 度的u v吸 收 色素4 5 1 类胡萝 卜 素能淬灭由u vb诱导产生的活性氧， 因 而被认为是一种u v保护 色素，其含量在低剂量u vb处理下一般有所上升。 m o n ik a 等研究发现，蓝藻 n o s t o c c o m m u n e 经强 度为1 w / m l 的l t v - b 辐射处理5 h ， 其 类胡 萝卜 素c a r含 量明显增高，经2 4 h 照 射后其c a r / c h l a 与对照相比 上升3 4 % 4 4 1 0 藻胆体是蓝藻主要的捕光色素复合物， 在u vb波段有很强的吸收， 而且藻 胆蛋白 在细胞中 含量很高，占可溶性蛋白的 6 0 %，它们排列在类囊体膜上，在 对l t v - b敏感的遗传物质周围形成保护。 藻胆体吸收的 能量通过最外层的藻红蛋 白 ( p e ) 传递给藻蓝蛋白 ( p c ) . p c再将能量传递给别藻蓝蛋白( a p c ) ，最后 通过连接多肤 ( l = ) 传递给光系统i i ( p s i i ) 反应中 心的叶 绿素a . u v b辐射 导致藻胆蛋白的降解已在很多文献中报道。 a r a o z 等发现u vb引起藻胆蛋白光降解的同时， 也诱导藻胆蛋白的重新合 成4 6 1 . 细胞中藻胆蛋白的 合成和降解存在一种动态平衡， 在接受u v b 辐射初期， 藻胆蛋白作为一种u v吸收物质合成增加吸收更多的能量， 也可减少u vb对基 因物质的 伤害。而随着u vb剂量的 增加， u vb导致的光降解逐渐明显，最终 表现出藻胆蛋白含量的再次下降。 1 . 2 . 4 活性复 蓝藻的光合色素和氧化还原复合物 ( 如叶绿素、藻胆素和醒类物质等)在 u v - b波段都有很强的吸收，它们将聚集的能量传递给氧，导致活性氧的 产生。 在u v - b 胁迫下，电 子传递因p s i i 的d i 蛋白 降解而受 到抑制， 使得激发能从三 线态叶绿素传递给氧形成单线态氧。 另外， u v - b对光合作用关键酶和呼吸作用 的抑制也可导致活性氧自由 基 ( r o s )的产生。r o s包括超氧阴离子0 2 . - ,经 自 由 基 ( o h - ) 、 过 氧 化 氢 ( h 2 0 2 ) 和 单 线 态 氧 ( o z ) - r o s 的 累 积 对 机 体 伤 害 很 大， 可导致酶失活和细胞内 重要分 子的 破 坏， 尤其是i 伍和。 h . 具有 很强的 破坏性， 不仅导致脂质过氧化作用，还能直接攻击d n a造成伤害。 h e 和h a d e r 研究发 现u v b 可直 接诱导的r o s 产 生 14 7 , a s ) ， 他 们 认为l t v - b 主要通过以下两种途径促使活性氧产生:一是通过破坏电子受体或与光合电子 传递相关的酶类抑制电子传递，从而诱导活性氧生成;二是通过光动态反应促 进活性氧生成，即生色团 ( 叶绿素、 藻胆蛋白和酮类物质等)吸收l t v - b后通过 第一章紫外辐射对藻类影响研究进展 光敏作用诱导活性氧产生。 目 前 人们普遍 认 为， r o s 可在信号传导中 充当 第 二 信使 14 9 1 ， r o s 的 产生是 细胞开始调节代谢机制、改变基因 表达的信号。同时， r o s 是u v - b对生物体 的初级伤害，在l t v - b处理初期r o s的产生随u vb剂量增加而升高。在高强 度的l t v - b处理下， r o s 的产生并不随照射时间延长而增加， 此时u v - b的损伤 主要是啥 睫二 聚体的 形 成 和蛋白 质的 光降 解 s o , s 1 1 1 . 2 . 5 光系统损伤和光合作用抑制 在光合生物中， u vb损伤的一个关键部位就是光合器官， 从而导致光合放 氧和 c 0 2 固定速率下降，千重、淀粉和总叶绿素含量降低。大量研究表明， 蓝 藻光系统i i ( p s ii ) 对u vb最敏感，受到的损伤也最明显，其它部位如蓝藻光 系统i ( p s i ) , r u b i s c o 酶和a t p 酶也不同程度地受到u vb破坏， 但p s i 对u v b 不 如 p s i i 敏 感 5 2 , 53 1 蓝藻p s i i 复合体主要由d 1 , d z 蛋白 组成， 它们连接色素和辅因子，并将电 子从水传递到质体醒。 在u vb导致的p s i i 活性降 低过程中，常伴随着d i , d z 蛋白 的降 解4 1 1 。 光 合作 用 过程中， d i 蛋白 和少 部 分d 2 蛋白 快 速周转， 它们通 过 p s ii修复循环不断合成新蛋白以 取代降解的蛋白。 在u vb胁迫下， 这种修复循 环平衡被打破， d i 蛋白降解速率超过合成速率， d i 蛋白出现净损失，从而导致 p s i i 功能 下降 ， 光 合 作 用量 子 产 额发生 光依 赖 性 下降 ， 也就 是 光 抑制 4 1 1 。 光 抑 制的发生通常是由 于捕获的光能超出p s i i 反应中心的利用能力。人们还发现， 在u vb诱导下d ， 蛋白的编码基因发生改变，对u vb具有抗性的d 1 : 2 含量 明 显增高， 这种编码基因转变是蓝藻适应 u v b胁迫的 重要保护机制。 跳蛋白 在u vb 辐射下也发生降解，但不如d ， 蛋白 显著。 除d 1 , d 2 蛋白 之外， p s i i 氧化系统也明 显受l t v - b影响， 尤其是3 3 k d蛋 白 ， 在l t v - b 辐射 下迅 速发生降 解4 1 。另 外， 也 有 报道p s ii 外周c p 4 7 和c p 4 3 受u vb 影响 14 7 1 . u v - b 对电 子传递的 影响 是 抑 制光合作用的 另一个主要原因。 u vb导致光合活性降低还可能与h i l l 反应有关， p s i i 除向p s i 输送电子外， 还与放氧系统相连，从水分子中取得电子，h i ll 反应是这个系统中重要的一环。 在高等植物中， l t v - b 抑制h i l l 反应己被广泛研究过。 增强的u v b辐射能明显 抑制一些农作物 ( 如大豆、小麦等)的h i l l 反应活力，降低r u b i s c o 酶活性， 抑 第一章紫外辐射对藻类影响研究进展 制光合磷酸化作用引起光合作用的降低。 综上所述，u v - b对蓝藻光合作用的影响是多方面的，主要通过破坏 p s i i 反应中 心、 两个光系统之间的电 子传递、 p q 库以 及c o : 固定等抑制蓝藻光合作 用，其光合活性下降是各种抑制作用的综合体现，具体机理还需进一步深入研 究。 1 . 2 . 6 固氮 很多 蓝 藻具 有固 氮能 力， 可以 将空 气中 的 氮转化为能 被植物利用的n i i 4 + 因此固氮蓝藻是一种重要的生物肥料。 近年来， 许多学者发现u v - b可能影响蓝 藻的固 氮能 力，导致植物氮素的缺乏、生长受阻、 产量下降。 u v - b对蓝藻固氮 的影响， 主要反映在u vb对氮代谢相关酶系的影响。蓝藻细胞经u vb照射5 m i n ，固氮酶就受到抑制， 不同来源的固氮酶在3 9 - 5 0 m i n内均完全丧失活性， 固 氮酶失活可能与a t p合成酶受抑制有关【5 4 5 6 1 。硝酸还原酶不受u v - b抑制， 在 l t v - b处理 下其活性还可能受到促进也有报道表明，谷氨酞胺合成酶受u v - b抑 制， 但不 如固 氮 酶显著 2 9 1 . 因 此， 在固氮微 生 物中固氮酶 活性可以 作为 评价l t v - b 影响的指标。 经u v - b 辐射处理的细胞转到白光下， 其固氮酶活性可以缓慢恢复， 这主要 是因为固 氮酶的重新合成。 u vb对蓝藻固 氮的影响还受其它因素制约。 不同物 种对 l t v - b的敏感性不同，富含藻红蛋白( p e )的蓝藻较富含藻蓝蛋白 ( p c ) 的 蓝藻对u vb 具有更强的耐受能力【5 4 1 第三节蓝藻对u v - b 的适应策略 蓝藻是一种适应能力很强的生物，对各种逆境条件 ( 如冷、热、干早、盐 胁迫、氮缺乏、光氧化等) 均有很强的耐受能力。蓝藻作为地球上最古老的光 合生物，出 现于3 5 亿年前，当时地球表面还未形成臭氧层，地球表面的 紫外辐 射强度远高于目 前水平。 因此， 蓝藻在进化过程中必然形成一系列适应u vb 辐 射的机制. 其适应策略主要有: u v屏蔽色素的形成， 如细胞中高浓度的m a a s 和s c y t o n e m i n 可作为u v屏蔽复合物， 从而保护d n a等遗传物质不受u v - b 破 坏:有效的修复系统，通过光修复和切除修复l t v - b引起的d n a损伤之外，蓝 第一章紫外辐射对藻类影响研究进展 藻还可以 通过抗氧化酶和抗氧化剂清除自 由 基和活性氧。有些蓝藻还可以直接 通过迁移的方式避开高强度的u v辐射。 下面重点介绍蓝藻最主要的几种保护机 制。 1 . 3 . 1 u v 吸收/ 屏蔽复合物 u v吸收 / 屏蔽复合物的种类很多， 包括类胡萝卜 素也被认为是种u v屏蔽色 下面主要介绍两种主要的蓝藻u v屏蔽复合物: 1 . 3 . 1 . 1 u a a r. ma a s 是一类水溶性物质， 在很多蓝藻中 都大量存在， 其吸收峰位于3 1 0 - 3 6 0 i n n 之间，主要存在于细胞内， 细胞壁外也有少量分布。 ma a s 能截获约3 0 % 的 入射光，是一种重要的保护色素， 富含m a a s 的细胞对u v辐射具有较强的 耐 性， 藻细胞中m a a s 含量通常与 所 接受的u v辐 射剂量成正 相关 15 7 1 . m a a s 还 可作为 抗氧化剂， 淬灭由 于光氧化所产生的自 由 基和活性氧15 8 1 。 蓝藻中 l t v - b 是诱导m a a s 合成的主要因素， u v - b诱导m a a s 的合成还受渗透压影响， 在 耐盐胁迫的蓝藻中通常含有较高浓度的m a a s ， 盐胁迫可促进 l t v - b诱导形成 m aas a 1 . 3 . 1 . 2 s c y t o n e m i n s c y t o n e m i n是一种脂溶性黄褐色物质， 存在于一些蓝藻细胞的 胶鞘中。 最 大吸收峰位于3 7 0 n m。有研究表明，入射到蓝藻细胞的u va辐射 9 0 % 均被胶 鞘中s c y to n e m in 所 吸 收 5 9 1 a s c y to n e m in 是 一 种 重 要的u v屏 蔽 色 素 ， 在u v 辐 射下其含量明 显增加，且一旦合成就可长期稳定存在160 1 u v吸收 / 屏蔽复合物的 形成是蓝藻适应u v b的一种有效保护机制， 大量实 验己 经证明l t v - b诱导m a a s 和s c y t o n e m i n 等屏蔽色素的合成， 但是其机理仍 然不清楚，很多实验只是发现屏蔽色素含量的增加，而其合成途径还需要进一 步研究。 1 . 3 . 2 垂直迁移 蓝藻在强光下有向 下迁移的 现象。 c a s t e n h o l z 和g a r c i a - p i c h e l 认为u v辐射 是引起蓝藻垂直运动的主要原因， 蓝藻通过垂直移动的方式躲避高强度u v r是 第一章 紫外辐射对藻类影响研究进展 其适 应u v 辐 射的 一 种保护性 策略 5 7 1 但是，我们必须考虑到蓝藻在水体的 迁移受很多因素的影响，比如风力、 水体的营养分布以及蓝藻自 身的浮力调节 ( 如伪空胞、重镇物调节)等，而且 其迁移过程是长期的， 不能通过简单的模拟实验来证明， 因此u v - b在蓝藻迁移 过程中到底占多少比例仍然需要深入研究。 1 . 3 . 3 淬灭剂和抗氧化酶 一些抗氧化酶 ( 如过氧化物歧化酶、 过氧化氢酶和抗坏血酸过氧化物酶等) 和抗氧化剂 ( 如抗坏血酸、还原型谷肤昔肤和类胡萝 卜 素等) 可通过氧化还原 反应消除u v - b诱导产生的活性氧和自由基。 蓝藻之所以在各种胁迫环境下都可 以生存，很大程度上得益于这些抗氧化物质的保护，在l t v - b下形成的r o s 对 机体伤害很大( 如前所述) ，而蓝藻中大量存在的抗氧化物质可有效的 清除活性 氧，因此这些抗氧化系统被认为是蓝藻适应l t v - b的又一种保护机制。 在蓝藻中， 类胡萝 卜 素也被认为是一种u v保护色素， 它不仅作为u v屏蔽 色素吸收u vb ， 还可作为抗氧化剂淬灭由 光氧化产生的三线态叶绿素和单线态 氧等自由基。 在强u v辐射下， 类胡萝 卜 素含量上升， 它与叶绿素a 或藻胆素的 比例明显增加。 1 . 3 . 4 d n a 修复及物质的重新合成 u vb引起的d n a损伤， 可以通过光复合和切除修复方式得以 修复。 蓝光 和u v - a增强可有效修复u vb引 起的伤害， 这是因为它们能激活光复活酶和与 切除修复有关的酶类。 另外， 一些物质的重新合成也是蓝藻适应u v辐射的策略。 受损蛋白质的增加表达， 以及u v耐受型蛋白 质的合成， 都是蓝藻应对u v辐射 的策略。 有些蓝藻不含u v屏蔽复合物， 却能 经受很强的u v辐射， 这表明它们 具有其它适应和修复机制。 第四节 本论文研究的主要内容 藻类是一类适应能力很强的生物， 在u v b胁迫下修复与破坏处于一 种动态 平衡， 只有当u vb强度大于蓝藻的承受能力时， 这种平衡才被打破， 导致l t v - b 第一章 紫外辐射对藻类影响研究 进展 伤害。 很多野外实验表明， 对u v - b适应性强的蓝藻， 都含有高浓度的u v屏蔽 复合物ma a s 等，在u v - b照射下，ma a s 含量急剧增高。而不含ma a s 等屏 蔽色素的 蓝藻其生长受到抑制， 存活率下降。由此我们可以 推测， u v - b的增强 有可能导致水体群落结构的改变，对l t v - b适应性强的种群将成为优势种群。 本论文拟在三个层次上进行试验研究。首先是对铜绿微囊藻进行纯培养， 设定不同的氮磷梯度，以 较低强度的紫外线进行辐照， 测定藻类细胞生长和多 糖分泌情况，考查不同 氮磷梯度下，紫外辐射对铜绿微囊藻生长的影响。 其次进行铜绿微囊藻和蛋白核小球藻的竞争试验。两种藻分别是蓝藻和绿 藻的常见藻种，在对两种藻纯培养的基础上，设定不同氮磷营养比 进行混合培 养， 观察它们在紫外辐射下的生长竞争情况。 最后是紫外辐射对藻类生物群落影响的试验，在室内进行水族箱模拟，设 置不同的起始氮磷营养浓度，观察紫外辐射下各种藻类的生长以及优势群落的 更替情况，初步了解不同氮磷营养条件对不同藻类适应紫外辐射的影响。 第二章 紫外辐射下不同 氮磷梯度的 铜绿微囊藻生长试验 第二章紫外辐射下不同氮磷梯度的铜绿微囊藻生长试验 蓝藻是水生生态系统的主要初级生产者， 为海洋食物网提供有机物，并通 过光合作用固定c 0 2 ， 是生物圈中重要的c 0 2 库。 许多蓝藻自 身具有固氮能力， 可将大气中的氮 转化为能 被高等植物利用的n h 4 + 。 在农业上，蓝藻是重要的生 物肥料，稻田中固氮蓝藻的作用己被人们广泛认识。由于蓝藻在生态系统中的 重要性和在生物进化中的特殊性， 因而在研究u v - b对生物体的影响方面具有诸 多优势，也是目 前这一领域的研究热点之一。 微囊藻是一类全球性分布的蓝藻，在我国 大部分富营养化水体中，铜绿微 囊藻( m i c r o c y s t i s a e r u g i n o s 刃 在数量和发生频率上均占 优势。 水体中的铜绿微囊 藻死亡或细胞膜通透性增强时会向水中释放微囊藻毒素，从而对环境和人类健 康造成危害。中外学者围绕铜绿微囊藻做了大量工作，研究包括光照、温度、 营养盐以及一些有机物、 微量元素等因素对铜绿微囊藻生长的影响。 u v - b辐射 对铜绿微囊藻生长情况影响的研究将有助于进一步了解微囊藻水华暴发机理。 目 前，紫外辐射对铜绿微囊藻生长和生理影响的研究大多采用较高强度的 l t v - b辐射， 其缺陷是忽略了 藻类自身对紫外辐射的适应性，也就人为的夸大了 u v - b辐射对藻类细胞的 损伤。同时，对不同 氮磷营养条件和u v - b辐射协同 作 用下，藻类生长情况的研究也比较少见。本次研究拟设定不同的氮磷梯度，观 察藻类在较低强度l t v - b 辐射下的生长情况， 以 期得到不同 氮磷浓度条件下藻类 对u vb敏感性和对紫外辐射的适应能力的一些结论。 第一节试验 2 . 1 . 1 2 . 1 . 1 . 1 试验材料和方法 藻种来源和培养 藻种来源于中国科学院武汉水生生物研究所淡水藻种库 ( f a c h b ) ， 铜绿微 囊藻 ( m i c r o c y s t is a e r u g i n o s a ) ， 编号f a c h b - 4 6 9 。 以b g l l 培养液进行培养， 试验时采用对数生长期的铜绿微囊藻。 第二章 紫外辐射下不同氮磷梯度的 铜绿微囊藻生长试验 b g l l 培养液配方 ( 1 l ) : n a n o 3 1 .5 g m g s o 4 . 7 h 2 0 7 5 m g n a c o 3 2 m g 柠檬酸6 m g a 5 + c 。 微量元素溶液l m l a s 十 c o 微量元素溶液配方 ( 1 l ) : h 3 b o 3 2 . 8 6 g z n s o 4 7 h 2 0 0 . 2 2 2 g n a 2 mo o 4 . 3 h 2 0 0 . 3 9 0 g k 2 h p 0 4 . 3 玩o c a c b na 2 e d t a 柠檬酸铁钱 4 0 m g 2 7 . 2 mg i mg 6 m g mn c 1 2 . h 2 o c u s 0 4 . 5 h 2 0 c o 困0 3 ) 2 . 6 h 2 0 1 . 8 1 g 0 . 0 7 9 g 0 , 0 4 9 g 2 . 1 . 1 . 2 紫外处理 紫外 处 理参 考陈小 兰等方法 6 1 1 ， 利用 在 恒 温光照 培养箱加u v - b 光源的 方 法 提供紫外辐射。白 光光源为3 6 w 日 光灯， 控制白 光光强为8 0 0 0 l u x ; 紫外光源 为p h i l i p s 8 w u v - b ( 2 9 7 n m) 灯管，设置 光 源在培养液液面上方 1 5 c m处， 控 制紫外 辐照 光强 为l o 1i w c m 2 ， 光暗 周 期 为1 2 h : 1 2 h 。 试验温度范围 控制 在 2 5 士1 * c. 2 . 1 . 2 系列试验 2 . 1 . 2 . 1 不同氮浓度梯度下紫外辐射生长试验 试验藻液前期准备: 将在b g l l 培养基下培养进入对数生长期的铜绿微囊藻以3 0 0 0 r / m in的速度 离 心5 分 钟， 弃去 上清 液， 然后用1 5 m g / l 的n a h c 几溶液清 洗2 次， 再次离 心， 弃去上清液， 转入无氮b g l l 培养基培养2 天后待用。 营养条件 ( 氮浓度梯度)设置: 在b g l l 培养液的 基础上，其他成分 含量不变， 只通过改变其中n a n 0 3 的 投 加量设置3 个不同 的 氮浓度梯度， 氮含 量 分 别为1 0 m g / l , 5 0 m g / l 和2 5 0 m g / l e 将铜绿微囊藻以相同的起始浓度转接到5 0 0 m l的烧杯中，培养液总体积为 2 5 0 n 止。 烧杯口 用透气 膜封口 (v - b透过率为9 8 %， 可见光透过率为% ) 。 设 置两个处理组，即可见光参照试验组和紫外辐射试验组，每个处理组设 3个平 第二章 紫外辐射下不同 氮磷梯度的 铜绿微囊藻生长试验 行样。 试验期间，每天定时摇匀3 次。 2 . 1 . 2 . 2 不同 磷浓度梯度下生长实验 试验藻液的前期准备: 将b g 1 1 培 养液中 培养进入 对数生长期的 铜绿微囊藻以3 0 0 0 r / m i n 速度离心 5 分钟， 弃去上清液，然后用1 5 m g / l的n a h c 0 3 溶液清洗2 次， 再次离心， 弃 去上清液， 转入无磷b g l l 培养基 培养2 天后待用。 营养条 件 ( 磷浓度梯度) 设置 在 b g l l培养液的基础上，其他成分含量不变，只通过改变其中 k 2 b p o 4 . 3 h 2 0的 投加量设置3 个不同的磷浓度梯度，磷含量分别为0 .6 m g / l , 3 m g / l 和1 5 m g / l o 将铜绿微囊藻以相同的起始浓度转接到5 0 0 m l的烧杯中，培养液总体积为 设个 2 5 0 m l 。 烧杯口 用透气膜封口 (v - b透过率为9 8 % ，可见光透过率为9 6 % ) a 置两个处理组，即可见光参照试验组和紫外辐射试验组，每个处理组设置 3 平行样。 试验期间，每天定时摇匀3 次。 2 . 1 . 3 测定项目 每天定时从培养液上层取样， 测定o d值、胞内多糖和胞外多糖。 o d值用7 2 2 分光光度计6 8 0 n m下测定。 胞内、 胞外多糖提取参照郑怡等的 方法 (6 2 1 ， 含量 测定 采用葱酮法 16 3 1 第二节 结果与分析 2 . 2 . 1 不同氮浓度梯度下的生长试验 2 . 2 . 1 . 1 o d 值 ( 6 8 0 r s n ) 自 然条件下生长的铜绿微囊藻是由 许多细胞聚集成的群体， 聚集群体中 各 个细胞之间由 胶体包围，观察发现群体胶被质地均匀，无色透明，无层理， 边 缘部分高度水化。 进行纯种藻培养时铜绿微囊藻则是以单体细胞形态存在。因 此纯种培养时， 第二章 紫外辐射下不同 氮磷梯度的铜绿微囊藻生长试验 藻类的生长情况可以通过藻类细胞密度来反映，而藻类细胞密度与它的吸光度 值存在一定的相关关系，通常细胞密度越大，吸光度值越大。 根据藻类生长情况，做o d值 ( 6 8 0 n m)随时间变化曲线图2 . 1 如下: - 川 卜 -a - mo b .- c e z a - 喇 卜 -z b - z c 尸leseeweee厂esesesesleseseseseeleer 民目9曰二d曰.1 0曰，且 0.00.0 (曰u089划00 0 . 0 5 0 2 4 6 8 1 0 时间( 天) 图2 . 1 不同氮浓度下l t v - b对铜绿微囊藻o d ( 6 8 0 m n )的影响. a , b , c 为 可见光对照试 验组， n含量分别为1 0 m g / l , 5 0 m g / l 和2 5 0 m g / l ; z a , z b , z c 为 紫外辐射试 验组， n含量 分别为1 0 m g / l , 5 0 m g /l 和2 5 0 m g / l , 通过对图形2 . 1 和数据进行分析可知: 与可见光参照相比较，紫外辐射会抑制铜绿微囊藻的生长。氮浓度为 2 5 0 m g / l