（环境科学专业论文）不同磷浓度下砷对小球藻chlorella+vulgaris的生物效应.pdf

不同磷浓度下砷对小球藻c h l o r e l l av u l g a r i s 的生物效应 胞抗氧化酶系统中产生了一定的损伤，或者细胞的s o d 等防御机制有效地抵抗了 其所受到的污染胁迫。 关于不同磷水平下普通小球藻体内砷形态的研究发现：在各砷浓度水平下， 高浓度的磷可能会抑制普通小球藻对砷的吸收积累。在各磷浓度水平下，随着砷 浓度的增加，细胞中的砷含量明显增加。在各砷浓度水平下，有机a s 总a s 在不 外加磷时比值最高。在各磷浓度水平下，随着砷浓度增加，有机a s 总a s 的比值 降低。 关键词：小球藻；砷；生物量；超氧化物歧化酶；过氧化氢酶；砷形态 不同磷浓度下砷对小球藻c h l o r e l l av u l g a r i s 的生物效应 b i o l o g i c a le f f e c t so fa r s e n i co nc h l o r e l l av u l g a r i sm e d i a t e db y d i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so f p h o s p h o r u s a b s t r a c t m i c r o a l g a er e s o u r c e sa r ev e r yr i c ha n dw i d e l yd i s t r i b u t e di no u rc o u n t r y h e a v y m e t a l s ，i n c l u d i n ga r s e n i ct h ec o n c e n t r a t i o no fw h i c hc a u s e sa t t e n t i o ni nm i c r o a l g a e ， c a na f f e c th u m a nh e a l t ha n dl i f ea c t i v i t i e s s e r i o u s l y i no r d e rt op r o b ee f f e c t so f p h o s p h o r u so nt o x i ca c t i o no fa r s e n i c ，f u r t h e ru n d e r s t a n dt o x i c i t ym e c h a n i s mo f a r s e n i c ，w er e s e a r c h e dt h ee f f e c t so fa r s e n i co np h y s i o l o g ya n db i o c h e m i s t r yo f c h l o r e l l av u l g a r i sm e d i a t e db yd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so fp h o s p h o r u s a tt h es a m ec o n c e n t r a t i o no fa s ，w i t ht h ei n c r e a s eo fpt h eb i o m a s so fc h o r e l l a v u l g a r i si n c r e a s e d a sa tl o wc o n c e n t r a t i o no f1l x r n o l lh a dn e g l i g i b l et o x i c i ce f f e c t o nc h l o r e l l av u l g a r i s ，w h i c hm a yi n d i c a t e st h eh o r m e s i sr e s p o n s eo ft r a c ea m o u n to f t o x i c a n t s a so f1l m a o l li n c r e a s e dt h eb i o m a s so fc h l o r e l l av u l g a r i sa tt h es a m e c o n c e n t r a t i o no fp h o s p h o r u s ( 0 ，f 10 ，f 5a n df 2 ) ，w h i l ea sa to t h e rc o n c e n t r a t i o n sd i d n o t pc a nh e l pt om a i n t a i nt h ei n t e g r i t yo ft h ec h l o r e l l av u l g a r i sc e l lm e m b r a n e ， u n d e ra l lt h et e s t e dc o n c e n t r a t i o n so fa r s e n i c ( 0 - 3 0r u n o l l ) a tt h el o w e r c o n c e n t r a t i o no fp h o s p h o r u s ( 0a n df lo ) ，a so f1 p m o l lh e l p e dt om a i n t a i nt h e i n t e g r i t yo f t h ea l g a ec e l l ，w h i l eh i g h e rc o n c e n t r a t i o no f a s ( 1 0 ，3 0p m o l l ) s e r i o u s l y d e s t r o y e dt h ec e l lm e m b r a n e i nc o n t r a s t ，a th i g h e rc o n c e n t r a t i o no fp h o s p h o r u s ( 2 ， f 5 ) w i t h t h ei n c r e a s eo fa st h ee x t e n to fm e m b r a n ed e s t r u c t i o ni n c r e a s e d m a l o n a l d e h y d e ( m d a ) c o n t e n ti n c h l o r e l l av u l g a r i sw e r el o w e s tw i t ha so f1 t m o l lt h a nw i t ha so f0 ，10a n d3 0p m o l la tl o w e rp h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o n s ( 0 ， f 10 ) t h e n 埘t l lt h ei n c r e a s eo fa r s e n i cc o n c e n t r a t i o n ，t h eg r e a t e rt h ed a m a g ee m e r g e d o nc h l o r e l l ac e l l s w h i l ea tc o n c e n t r a t i o no fp h o s p h o r u s ( f 5 ，f 2 ) ，o x i d a t i o no f1 “m o l lc o n c e n t r a t i o no fa r s e n i co nc h l o r e l l ah a ds h o w n i nf 5a n df 2m e d i u m w i t l l t h ei n c r e a s eo ft h ec o n c e n t r a t i o no fa r s e n i c ，t h ec o n t e n do fm d ai n c r e a s e d u n d e ra l lt h e t e s t e dc o n c e n t r a t i o n so fa r s e n i c ( 0 - 3 0i x r n o l l ) ，r e d u c i n g 1 1 1 不同磷浓度下砷对小球藻c h l o r e l l av u l g a r i s 的生物效应 c o n c e n t r a t i o no fp h o s p h o r u si n c r e a s e dt o x i c i t yo fa r s e n i co nc h l o r e l l av u l g a r i s b u t e v e ni nt h eh i 【g hl e v e lo fc o n c e n t r a t i o no fp h o s p h o r u s ，a r s e n i cd e m o n s t r a t e dt o x i c e f f e c to nc h o r e av u l g a r i s w h e nc o n c e n t r a t i o no fp h o s p h o r u si s 0 ，p r o b a b l y , b e c a u s eo fc o m p e n s a t i o no f1g m o l lo fa r s e n i ct op h o s p h o r u s ，t h el o w e s ts u p e r o x i d e d i s m u t a s ee n z y m e ( s o d ) a c t i v i t ya p p e a r e di n1 眦n o l la r s e n i co fm e d i u m w h i l ea t c o n c e n t r a t i o no fp h o s p h o r u s ( f lo ，i f 5 ，舵) ，c o m p e n s a t i o no f1p m o l lc o n c e n t r a t i o n o fa r s e n i co nc h l o r e l l ah a dn o ts h o w na n dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ec o n c e n t r a t i o no f a r s e n i c ，t h es o da c t i v i t yi n c r e a s e d w h i l ea tc o n c e n t r a t i o no fp h o s p h o r u s ( 0 ，f lo ) ， p r o b a b l y , b e c a u s eo fc o m p e n s a t i o no f1g t m o l lo fa r s e n i ct op h o s p h o r u s ，c a t a l a s e e n z y m e ( c a t ) a c t i v i t yi n 1 b t m o l l a r s e n i co fm e d i u mw a sl o w e s t w h i l ea t c o n c e n t r a t i o no fp h o s p h o r u s ( f 5 ，f 2 ) ，c o m p e n s a t i o no f1 l x m o t lc o n c e n t r a t i o no f a r s e n i co nc h l o r e l l ah a dn o ts h o w n ，b u tp r o m o t e dc a t a c t i v i t y a sc o n c e n t r a t i o no f p h o s p h o r u sw a s0 ，3 0p r a o l f lo fa r s e n i ci n h i b i t e dt h ep r o m o t i o no fc a ta c t i v i t y , m a y b et h a tw a sb e c a u s e3 0l x r n o l lo f a r s e n i cd a m a g e da n t i o x i d a n td e f e n s e u n d e rd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so fa r s e n i c ，t h e s t u d yo ft h e i n f l u e n c eo f p h o s p h o r u so na r s e n i cf o r m si nc h l o r e l l ac e l lf o u n dt h a th i g hl e v e lo fp h o s p h o r u sc a n r e s t r a i nc h l o r e l l av u l g a r i sf r o ma c c u m u l a t i o no fa r s e n i c i na l lc o n c e n t r a t i o nl e v e l so f p h o s p h o r u s ，w i t ht h ec o n t e n to f a r s e n i ci nm e d i u mi n c r e a s e ，t h ec o n t e n t so fa r s e n i ci n e a c hc e l li n c r e a s es i g n i f i c a n t l y i na l lc o n c e n t r a t i o nl e v e l so fa r s e n i c ，o r g a n i ca s t o t a l a sr e d u c e sf i r s t l y , a n dt h e ni n c r e a s e s i nm e d i u mw i t h o u tp h o s p h o r u s ，t h er a t i oi st h e h i g h e s t ，w h i l et h el o w e s ta tp h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o no f1o f f , a n dw i t ht h ec o n t e n to f p h o s p h o r u si nm e d i u mi n c r e a s e d ，t h er a t i oi n c r e a s e s i na l lc o n c e n t r a t i o nl e v e l so f p h o s p h o r u s ，w i t ht h ei n c r e a s eo fa r s e n i cc o n t e n ti nt h em e d i u m ，t h er a t i oo fo r g a n i c a s t o t a la sr e d u c e d k e y w o r d s ：c h l o r e l l av u l g a r i s ；a r s e n i c ；b i o m a s s ：s u p e r o x i d ed i s m u t a s ee n z y m e ( s o d ) ：c a t a t a s ee n z y m e ( c a t ) ；a r s e n i cs p e c i a t i o n i v 不同磷浓度下砷对小球藻c h l o r e l l av u l g a r i s 的生物效应 0 前言 我国的海藻资源丰富，海藻中含有许多营养物质。营养盐浓度是影响浮游植 物生长的重要因素，海水中营养盐浓度的变化对浮游植物生长速率、生化组成【1 ， 副都有影响，进而影响海洋的初级生产力。磷作为必需营养盐类，是浮游植物的 营养基础，构成浮游植物细胞的结构分子，参与光合作用、信号传递等重要生理 活动，也是水体中植物竞争产生优势种群的原因之一【3 】。砷、磷属同一主族，其 化学性质相似。研究表明，砷的循环与生物过程有关，并且在某些情况下砷和磷 之间存在替代关系【4 ，5 1 。目前，关于砷、磷对藻类的综合生物效应或作用的研究 不多。本文将研究不同浓度砷、磷对小球藻的生理生化影响。 1 综述 1 1 小球藻 小球藻( c h l o r e l l as p p ) 是一类普生性单细胞绿藻，属于绿藻f l ( c h l o r p h y t a ) 绿 藻纲( c h l o r o p h y c e a e ) 绿球藻目( c 1 1 l o r o c o c c a l e s ) 卵囊藻科( o o c y s t a c e a e ) d x 球藻属 ( c h l o r e l l a ) 。小球藻在五亿四千年前就已经存在于地球上，生态环境的巨变和 自然灾害的侵袭都没能毁灭它，其稳定的基因始终没有改变。小球藻的署名 c h l o r e l l a 是由希腊文c h l o r ( 绿色) 和拉丁文表示细小物质的e l l a 组合而成，是荷 兰微生物学者拜尔尼克( m w b e y e r n i c k ) 1 8 9 0 年发现的。我国常见的种类有蛋 白核小球藻( c h l o r e l l a ph y r e n o i d o s a ) 、椭圆小球藻( c h o r e l l ae l l i p s o i d e a ) 和普通小 球藻( c h l o r e l l av u l g a r i s ) 。 1 1 1 小球藻简介 小球藻是一种单细胞绿藻，它的细胞大小约只有3 1 2l a m 。其叶绿体成杯状， 其内通常具有一个蛋白核。小球藻以单生或聚集成群的方式生长，以细胞分裂进 行无性繁殖，并可产生配子进行有性繁殖。在阳光与养分充足的环境中，一天之 内小球藻可以进行一次以上的细胞分裂，生成四个新细胞，而每一新细胞又有足 够养分和能量独立生长，生生不息地继续细胞分裂。小球藻种类繁多，生态类型 不同磷浓度下砷对小球藻c h l o r e l l av u l g a r i s 的生物效应 多样，在淡水、海水中均有分布，在人工培养基中也能良好生长。在春秋两季是 小球藻的繁殖高产期。小球藻细胞所含的蛋白质十分丰富，干重达到5 0 左右， 成为生产植物性蛋白质的良好来源世界卫生组织曾研究如何大量生产小球藻以 供应人类粮食需求并且称小球藻为“二十一世纪最佳食品”。小球藻受到各界注 目，成为学者们研究的焦点。 1 1 2 小球藻的应用 ( 1 ) 小球藻的营养和药用价值 人类对微藻的使用历史悠久，史前时代的人们在狩猎时经常食用土壤中一种 胶状性的蓝绿藻( n o s t o cc o m m u n e ) 。为了解决粮食问题，德国哥庭根大学林纳德 教授开始研究微藻培养实验来实现天然绿藻粮食化。人类有计划地大量培养微藻 是在第一次世界大战期间，二次大站之后，美国、德国的光合成学者也相继进行 了绿藻的研究。在1 9 5 9 年的日本，宫田教授最先成立了研究所开始大量培养绿 藻并制成食品进行销售。目前，小球藻是极受欢迎的绿色食品。小球藻其营养组 成比例如下表1 1 、1 2 、1 3 ： 表1 - 1 _ ，j 、球藻的主要营养成分 主要营养物质 含量( 呦 蛋白质 糖类 脂肪 水分 矿物质 纤维 热量 5 8 4 2 3 3 9 3 4 6 4 2 o 3 4 11e a l l o o m g 2 不同磷浓度下砷对小球藻c h l o r e l l av u l g a r i s 的生物效应 表1 2 小球藻氨基酸含量百分比 研究表明，小球藻中富含以二十碳五烯酸( e i c o s a p e n t a e n o i ca c i d ，e p a ) 和二 十二碳六烯酸( d o c o s a h e x a e n o i ca c i d ，d h a ) 为代表的舻3 高度不饱和脂肪酸 ( p o l y u n s a t u r a t e df a t t ya c i d ，p u f a ) ，经医学临床证明有多种重要的生理功能1 6 j 。 为获得e p a 和d h a ，可直接培养小球藻生产e p a 矛i d h a ，又可借助细胞融合技术 将含大量e p a 和d h a 但生产缓慢的海洋小球藻与不含e p a 而生长快的淡水小球 藻进行细胞融合获得杂合新型小球藻，能有效较快地合成e p a 和d h a 7 1 。小球藻 细胞中含有的生长素不但可以活化细胞，延缓老化，也能提高人体的免疫能力， 改善酸性体质，强化肝脏、肾脏机能。小球藻含有丰富的叶绿素，其叶绿素与人 类的血红素结构相似，小球藻对人类具有补血、清理和正常化生理等功能。实验 证明小球藻可以提高人体的排毒作用，如帮助人体排出生活中吃进体内的农药、 多氯联苯、水银、镉、铝、铅、砷等致癌或致病物质，净化血液，提高丰富氧气， 不同磷浓度下砷对小球藻c h l o r e l l av u l g a r i s 的生物效应 增加活力，并促进新陈代谢。 ( 2 ) 小球藻在水产养殖上的应用 水产养殖过程中水质最为重要，水质的调控方式主要可分为两种：1 、使用 化学试剂去除水中有机分子或无机分子；2 、利用微生物来分解水中物质。化学 试剂便宜又有效，但是化学试剂的残留对我国出口隐藏着极大的危机；利用微生 物调控水质就不用担心药物残留问题目前我们应用的微生物有光合细菌及微细 胞藻类。光合细菌对于去除水中物质有极大的功效，菌种在建立上也容易，但利 用光合菌的缺点就是有很难闻的气味，对比微藻中的小球藻，藻种的建立也十分 简单，去除营养物质的能力要比细菌强，又能充当水产生物的饵料，小球藻所含 的丰富的营养成分又能提高鱼种的抗病力，所以将小球藻在应用于水产养殖上能 起到一举多得的作用。 在水产养殖中小球藻一般运用于鱼虾养殖中，通过观察水色以控制水池的水 质，小球藻应用于鱼虾养殖池第一可以增加水的溶氧：第二可以稳定水质降低有 毒物质含量；第三可作为饵料溅少饲料的投喂；第四能够抑制丝藻、底藻以及有 害病菌的滋生；第五可以减少养殖生物残饵；最后小球藻具有提高且稳定水温的 作用。 ( 3 ) 小球藻在环境保护和生物能源领域的应用 石油作为主要能源，因其不可再生性而日益枯竭，对人类的生存和可持续发 展构成了严重威胁。研究表明小球藻除了可以进行光合自养生长外，在一定培养 条件下还可以转化成类似于细菌那样的异养生长，从而引起细胞结构、生化成 分、代谢途径等的变化【8 】。在自养小球藻细胞转化为异养生长后，细胞内脂溶性 化合物增多，高温下产油产气效率高，烃含量大量增加，比纯自养培养的提高数 倍 9 】。由于异养培养小球藻所需的碳源是与人类粮食资源发生竞争的葡萄糖，因 此首先采用异养培养获得超高细胞浓度小球藻，然后转变为自养培养方式固定 c 0 2 ，一方面可以缓解c 0 2 减排的压力，另一方面可以获得大量小球藻细胞用于 提取其中脂类然后转化为生物柴油。除此之外，微藻可以直接降解有机污染物、 高效吸附吸收砷等重金属及氮磷等营养物质。 4 不同磷浓度下砷对小球藻c h l o r e l l av u l g a r i s 的生物效应 1 2 海水中的砷及其对藻类的影响 1 2 1 砷元素及海藻中砷的含量 砷在自然界中主要以硫化物的形式存在，如雌黄和雄黄。最常见的化合物为 砷的氢化物a s h 3 ( 或称胂) 。砷以三价和五价状态存在于生物体中，三价砷在 体内可以转化为甲基砷或甲基砷化物。环境中，砷的分布极其广泛，存在于地壳、 大气、食物、河水及海水中。海水中的砷浓度比较稳定，总砷的含量为1 - 2 峙l 一， 表1 4 【1 0 】为世界各地区海水中砷的含量。 表l - 4 世界各地去海水中砷的含量 我国是海洋大国，管辖海域总面积约3 0 0 万平方公里，入海河流众多，流域 范围广泛，2 0 1 0 年，经由全国6 6 条主要河流入海的砷的污染物量为4 2 2 6 吨， 较2 0 0 9 年增加了3 0 0 多吨。2 0 1 0 年统计，仍然有大约1 5 的近岸区域中砷含量 是超标的【1 1 ，1 2 1 。 我国的海藻资源异常丰富，种类多，分布广。海藻中含有许多营养物质，同 时也含有一定数量的重金属元素，其中砷元素是毒性金属研究的代表性物质【l 引。 吴成业等人分析了不同收割期的鲜紫菜及其加工制品以及养殖区域水质中无机 砷变化情况，结果发现：按新的卫生标准及其检验方法检测，海藻中无机砷普遍 超标【1 4 】。海洋生物可以直接从海水以及食物链中摄取砷，因此一般海洋生物含有 的总砷浓度要高于陆生生物。海藻中的砷含量也高于陆生植物【1 5 】。 不同磷浓度f 砷对小球藻c h l o r e l l av u l g a r i s 的生物效应 1 2 2 砷的化学形态 自然界中砷以多种化学形态存在。在含氧丰富区域，砷酸盐( a s o ( o h ) 3 ，a s ) ) 化学形态比较稳定，还原环境中主要含有亚砷酸盐( a s ( o h ) 3 ，a s ( i i i ) ) 。在表层水 体中，生物过程会降低氧化态的砷的含量【1 6 1 。在自然水体中有机体对砷的新陈代 谢会生成不稳定的砷化合物和导致砷的甲基化。自然水体中砷的主要化学形态包 括无机砷( a s ( v ) 和a s ( i i i ) ) 和甲基形式的砷( c h 3 a s o ( o h ) 2 ；m m a ( v ) 和 ( c h 3 ) 2 a s o ( o h ) ；d m a ( v ) ) 1 6 】。海水和淡水中主要的溶解态砷是无机砷。主要甲 基砷是d m a ( v ) ，m m a ( v ) 。环境中也存在三价的甲基砷【1 7 j 。 在自然水体中，不同化学形态砷的循环主要依靠有机体的生物活性【16 1 。水体 中的微生物能够将砷甲基化【1 8 】，而甲基砷的含量有季节变化，在夏季是的含量最 大1 9 】，能将砷甲基化的生物主要是浮游植物和高等的能解毒的生物体口0 1 。目前 研究表明，低毒性的a s 谷胱甘肽是有机砷生物合成的中间产物【2 1 1 ，它在自然环 境中只是偶尔发现。r i e d e l ( 1 9 9 3 ) t 1 8 】发t 觅a s ( i i i ) 或者甲基砷与叶绿素a 和浮游植物 的生物量有关。h o w a r d , ) , ( 1 9 9 5 ) 1 2 2 t 发现d m aa 含量的季节变化与温度有关，与 生物体的叶绿素a 含量和生物量没有关系。在生物体中也发现了其他的有机砷， 有机砷的降解和矿化主要依靠细菌活性，细菌将会影响砷在水环境中的循环。 由于砷有不同的原予价，因此毒性也各异。因此，砷的毒性不只取决于它们 的总量，还与砷的化学形态有很大关系。单质砷，因不溶于水，侵人体内不被吸 收就排出，所以危害很小，有机砷化物，除砷化氢的衍生物外，一般毒性也较弱， 无机砷( 砷酸盐和亚砷酸盐) 要比甲基砷( 甲基砷酸和二甲基次砷酸) 的毒性大， 然后是结构更复杂的有机砷，这些有机砷对生物体并没有毒性。三价砷化合物对 细胞的毒性最强，五价砷化合物毒性最弱。当摄人五价砷化合物时，中毒症状较 慢，但在体内被还原成三价化合物后，便出现强烈的毒害症状。在海水中，砷主 要是以砷酸盐a s ( v ) 、亚砷酸盐a s ( i i i ) 、甲胂酸c h 3 a s o ( o h ) 2 ( m m a ) 和二甲 基次肿酸( c h 3 ) 2 a s o ( o h ) ( d m a ) 四种形态存在，其中以砷酸盐占优，因此海水 中的砷具有较高的毒性。 6 不同磷浓度下砷对小球藻c h l o r e l l av u l g a r i s 的生物效应 表1 - 5 海藻中常见的砷化合物 英文名称中文名称化学式 i n o r g a n i ca r s e n i c a r s e n o u sa c i d a r s e n i t e s ，s a l t so fa r s e n o u sa c i d a r s e n i ca c i d a r s e n a t e s ，s a l t so fa r s e n i c a c i d ( o r t h o ) o r g a n i ca r s e n i c 无机砷 亚砷酸 亚砷酸盐 砷酸 砷酸盐 有机砷 h 3 a s 0 3 h 2 a s 0 3 - ，h a s 0 3 2 ，a s 0 3 3 。 h 3 a s 0 4 h 2 a s 0 4 ，h a s 0 4 2 - ，a s 0 4 3 。 m e t h y l a r s o n i ca c i d甲基胂( m m a ) c h 3 a s o ( o h ) 2 d i m e t h y l a r s i n i ca c i d 二甲基次胂酸( d m a ) ( c h 3 ) 2 a s o ( o h ) a r s e n o - s u g a r s a r s e n o - l i p i d s 砷糖 砷脂 目前国际上普遍认为，海藻中的砷以有机态和无机态并存，其中有机砷化合 物占绝大多数，毒性较小，表1 5 为海藻中常见的砷化合物。有机砷占总砷的9 5 以上，无机砷只是少数。但是s a l g a d o 对藻样中砷的形态进行了分析发现，水 溶性的砷化物占总砷的6 5 【2 3 j 。大量研究表明：海藻中有机砷的存在形态主要 有两种：砷糖( 心s e n o - s u g a r s ) 和砷脂( a r s e n o _ l i p i d s ) 【2 4 1 ，图1 1 、1 2 为砷糖和砷 脂的结构示意图。即海藻中的有机砷主要与糖类和脂类相结合而存在，除此之外 甲基砷类m m a 、d m a ，有的还含有三甲基砷化物( t m a o ) 。 c h ， l 0 暑扣 j c h 3 r 奄锄 嘲 o i l r - - - - s o s h 臂r 訇氆；执h o 暑 占 绅己肄胺 阜 h h l i i c l - - c 1 - c j r a 时 h 图1 - 1 。砷糖的结构示意图 图i - 2 海藻中砷糖和砷脂的合成代谢 不同磷浓度下砷对小球藻c h l o r e l l av u l g a r i s 的生物效应 不同营养盐水平下，环境中的砷的化学形态不同。h a s e g a w a , r a h m a n 等人 研究日本富营养化湖泊k i b a 和中营养化湖泊b i w a 发现，两个湖泊中的无机砷 ( a s ( v + i i i ) ) 的含量在一年四季都高于其他形式的砷，d m a 主要以溶解态( o 4 5p m ) 和胶状态( 1 0k d a - 0 4 5r t r n ) 的砷呈现紫外线不 稳定的性质。富营养化的湖泊中，不同形态的砷的含量随不同季节发生变化。中 营养化的湖泊中d m a 的含量要高于富营养化的湖泊。富营养有利于提高复杂的 有机砷的生物合成，自然界中砷的化学形态要受到生物过程的影响【2 5 1 。 1 2 3 砷的毒性 海洋生物群中的砷形态多种多样，毒性特征也千差万别。无机形态的砷的毒 性作用很多，包括对氧化磷酸化过程的解偶联作用，与巯基基团结合从而破坏酶 系统；还可以诱使d n a 发生互换和断裂，造成基因的变异。慢性砷中毒会导致 各种循环和神经功能紊乱，以及突变、致癌和畸形等后果。 ( 1 ) 脂质过氧化 砷可诱发脂质过氧化过程，脂质膜的过氧化会破坏膜的结构和功能。丙二醛 是脂类过氧化的产物之一，同时还产生氧自由基，经常测定丙二醛的含量来表示 过氧化的程度。活性氧也可导致植物细胞内发生过氧化反应，尤其是脂质过氧化 反应，破坏细胞内膜系统，导致细胞被破坏。脂质过氧化过程中也会释放乙烷、 戊烷、乙烯等烃类，其含量也可用于表示脂质过氧化的程度【2 6 1 。目前对脂质过氧 化机制报道不一。有人认为砷在甲基化过程中代谢为有机砷自由基，进而引起脂 质过氧化【2 7 】。国内的一些学者认为砷还可能通过抑制某些抗氧化酶( 如超氧化物 岐化酶( s o d ) 和抗氧化分子( 如6 s h ) ) 的活性，导致机体抗氧化体系平衡的失调， 间接导致脂质过氧化。 ( 2 ) 酶系统的破坏 需氧生物在代谢过程中会产生大量活性氧，如超氧化物、过氧化氢、单线态 氧和羟自由基 2 8 , 2 9 】。活性氧对生物机体是有害的，而抗氧化活性系统正是清除机 体内这些活性氧的机制。生物在进化过程中形成了一套完整的抵抗外界不良因素 的抗氧化酶系统。正常情况下抗氧化体系酶会消除过量的氧自由基，使体内的氧 q 不同磷浓度下砷对小球藻c h l o r e l l av u l g a r i s 的生物效应 代谢处于一个动态的平衡中。但在外界胁迫下，植物体内会增加活性氧的产量， 使抗氧化体系不能及时清除这些活性氧。植物细胞内的抗氧化体系酶可以受诱导 产生。当植物受到环境胁迫，细胞内氧自由基浓度上升时，抗氧化体系酶活性也 会上升；当细胞内氧自由基浓度超过一定范围，抗氧化体系酶不能及时清除，过 量的氧自由基会导致抗氧化体系酶活性降低3 0 1 。因此，抗氧化体系酶活性可以间 接反映植物细胞内活性氧的浓度。 植物细胞的抗氧化物系统分为抗氧化酶类和抗氧化剂类。在植物体内依靠它 们来消除活性氧。抗氧化剂类主要包括抗坏血酸、类胡萝卜素c a r 、谷胱甘肽、 c i 一生育酚。抗氧化酶类主要有超氧化歧化酶( s o d ) 、过氧化氢酶( c a t ) 、抗坏血 酸专一性过氧化物酶( a p ) 、过氧化物酶( p o d ) 以及谷胱甘肽还原酶( g r ) 。它们 都可以增加植物的耐逆性1 3 1 ，3 2 1 。 砷的主要致毒机制是抑制巯基酶的活性。当生物体内巯基酶活性受到阻碍 时，会导致细胞呼吸作用的丧失，引起中毒。一般而言，三价的亚砷酸盐 ( h 2 a s 0 3 - , h a s 0 3 2 - , a s o y s - ) 毒性较高，其毒性强度比五价的砷酸盐( h 2 a s 0 4 。、 h a s 0 4 厶、a s 0 4 s - ) 高出6 0 倍以上。其原因是三价砷易与巯基结合成稳定的化合物， 经人体吸收后不易排泄，且较具累积性；而五价砷与巯基没有亲和力 3 3 1 。砷化物 与蛋白质及酶巯基的作用，如下a ，b 所示。 a 与酶作用： r as = o + 2 r s h _ r a s ( s r 7 ) 2 + h 2 0 b 与蛋白质作用： s ， p r o t e ir l + c 1 2 a s c h = c h c i s s + p r o t e i n s 】0 a s c h = c h c l + 2 h c l 不同磷浓度下砷对小球藻c h l o r e l l av u l g a r i s 的生物效应 体内过量的a s 3 + 与细胞中许多巯基酶的巯基( s h ) 相结合，尤其与酶中带有 的二巯基结合能力更强。酶中的巯基与a s 3 + 结合后，酶的活性降低。因此，s o d 活性的高低间接反映出机体清除自由基的能力。脂类过氧化过程中形成的醛也可 与蛋白结合并使其失活【3 4 】。 ( 3 ) 破坏呼吸作用 砷的粉尘可以引起呼吸道的黏膜发炎且溃疡甚至鼻中隔穿孔。研究显 明这些精炼工厂工人和暴露于含砷农药杀虫剂的工人有得肺癌机率升高的 情形。砷能够参与呼吸作用，因为砷的生物化学特性与磷的相似，在能量传递 的磷酸化反应中，砷能够代替磷，形成二磷酸腺苷( a d p ) 埘，而不是三磷酸 腺苷( a t p ) 【3 5 】。 ( 4 ) 破坏红细胞 我们都知道砷具有强氧化性 2 7 , 2 8 】。对于生物膜，有报道发现砷的化合物影响 细胞膜，尤其是红细胞的结构和功能【3 6 1 。 1 2 4 海藻中砷的代谢途径 海藻能从周围环境中摄取砷，并合成各种水溶性、脂溶性物质。海藻中的砷 代谢与脂类和糖类代谢有紧密联系。i r g o l i c 等研究了砷在扁藻t e t r a s e l m i sc 办“f f 中 的代谢情况，认为砷酸盐被摄取进入细胞后，砷可以取代磷脂酰乙醇胺( p e ) 和磷 脂酰胆碱( p c ) 中的磷原子或氮原子，从而进入磷脂的生物合成过程，形成一些含 砷的脂类【3 7 1 。 这一看法的理论依据是砷最初取代乙醇胺和胆碱中的氮原子。根据藻体组织 中磷脂的正常合成途径：乙醇胺和胆碱被磷酸化，再与c t p 反应产生c d p 乙醇胺 并h c d p 胆碱，再继续与二酰基丙三醇反应，生成磷脂酰乙醇f l 安( p e ) 和磷脂酰胆碱 ( p c ) 。由于砷在最初的反应中取代了乙醇胺和胆碱中的氮原子，形成砷乙醇胺和 砷胆碱，这两种物质进入藻体组织的磷脂合成途径后，作为正常底物乙醇胺 和胆碱的类似物发生一系列同样的反应，最终生成砷磷脂酰乙醇胺( a s p e ) 和砷 磷脂酰胆碱( a s p c ) t 3 8 1 。 不同磷浓度下砷对小球藻c h l o r e l l av u l g a r i s 的生物效应 该理论解释了海藻中砷胆碱以及其他水溶性和脂溶性砷化合物的发生，但却 不能说明海藻中的砷糖来源。p h i l l i p s 和d e p t e d g 均认为砷糖是a s 腺苷甲硫氨酸 转化而来，后者认为这一转化发生在由a s p e 合成a s p c 的甲基化过程中口引。正 常情况下，p e 被甲基化为p c 要经过三步反应；形成a s p e 后，催化这些反应的酶 将a s p e 也作为底物加以催化。a s p e 通过s + - c h 2 键紧密地连接在作为甲基供体 的s 腺苷甲硫氨酸化合物的甲硫氨酸与核糖之间，在正常情况下转移到p e 上的甲 基基团也与硫原子结合。甲基化的前两步反应可以利用a s p e 作为底物类似物而 正常发生，然而，砷原子和两个甲基团造成的空间结构却与甲基化的最后一步反 应不相称，于是s + - c h 2 键首先受到其他基团攻击，产生了一种类似砷糖的物质， 其结构与褐藻中发现的砷糖相类似。含有二酰基丙三醇磷酸酯的碳链再被氧化， 生成5 脱氧5 ( 二甲基砷) 呋喃糖苷化合物，即砷糖【3 8 】。 砷在海藻中与脂类和糖类相结合存在，而且还存在一种叫做砷甜菜碱 ( a r s e n o b e t a i n e ) 的物质，它与砷脂和砷糖都有密切联系。p h i l l i p s 和d e p l e d g e 就此 作了研究，认为砷可以进入海藻中磷脂生物合成的两个主要途径( p e 、p c ) 中，产 生了各种目前为人们所发现的含砷的中间产物和终产物【3 引。 1 2 5 影响藻细胞对砷的吸收和毒性的因素 最新研究表明，a s 被湖泊里的一种菌作为营养，替代p 【4 】。m c s h e e h y 和 s z p u n a r 曾报道水体中存在各种形态的砷，主要以五价砷存在，由于海洋和淡水 中藻类生物转化作用产生其他形态的砷口9 1 。m a e d a 等人的研究也证实了这一点。 砷在大洋海水中的垂直分布呈营养盐型分布，表明砷在海水中的循环过程与海洋 生物过程有关【5 1 。 砷对藻类的毒性作用受很多因素的影响。绿藻s t i c h o c o c c u sb a c i l l a r i s 对三价 砷和五价砷的积累以及三价砷和五价砷的毒性作用都依赖于环境的变化。 p a w l i k - s k o w r o n s k a 等人于2 0 0 4 年研究微生物对砷的积累和各种砷的毒性作用的 过程中也发现：磷的含量、p h 、氧的含量、温度和光照强度都会影响生物对砷 的吸收和砷的毒性，同时微生物对砷的积累，转移和解毒作用能力也会影响砷的 毒性作用4 0 1 。 ( 1 ) 砷的形态 1 不同磷浓度下砷对小球藻c h l o r e l l av u l g a r i s 的生物效应 近年来国内外大量的研究表明，砷的毒性在很大程度上依赖于其化学形态， 海藻中的砷大多以无毒的有机态形式存在。k n a u e r 研究了砷对湖水中浮游植物 的毒性作用，发现其毒性的作用顺序是a s ( v ) a s ( i i i ) d m a a t 4 1 1 。k a r a d j o v a 等人研究了海水中绿藻c h l o r e l l as a l i n a 对砷的化合物的吸收和毒性影响，结果 表明，在相同浓度的三价砷和五价砷中，细胞内砷的含量相同并且导致相同的毒 性作用，有机砷的毒性要比无机砷的小4 2 1 。对于无机砷的毒性作用也存在争议。 y a m a o k a 等人研究得出海洋微生物更易受三价砷的影响而淡水中的藻类更易受 五价砷的影响。c u l l e n 删等人发现海洋藻类砒，2 口f f e f f 口s p 和e o i y p h y s a p e n i c u l u s 对五价砷更敏感。对生活在p h 为7 6 的环境中的淡水藻c h l o r e l l as p 来说，培养 7 2 小时后发现，三价砷和五价砷的毒性作用相同，然而对于m o n o r a p h i d i u m a r c u a t u m ，五价砷的毒性作用更大一些。富含氧的海水中a s 主要以高价的砷存 在( h 2 a s 0 4 一和h a s 0 4 2 ) ，中价态的a s ( o