（环境工程专业论文）南四湖水生植物对铜绿微囊藻生长的抑制作用研究.pdf

山东大学硕上学位论文 摘要 沉水植物的化感作用是其与浮游藻类竞争的重要手段，对富营养化湖泊的生 态修复具有非常重要的意义。南四湖作为南水北调东线工程的调蓄湖泊和输水通 道，研究湖内水生植物和优势浮游藻类对水华藻类铜绿微囊藻生长的影响，可为 预防输水后南四湖水华的发生、保障调水水质安全提供科学依据。本论文以南四 湖广泛分布的三种沉水植物菹草( p o t a m o g e t o nc r i s p u sl i n n ) 、光叶眼子菜 ( p o t a m o g e t o nl u c e n sl i n n 金鱼藻( c e r a t o p h y l l u md e m e r s u ml ) 为研究对象， 研究在共培养系统中对铜绿微囊藻的化感效应，同时观察了三种沉水植物的种植 水对铜绿微囊藻生长的影响，另外选择了三种南四湖中优势浮游藻类与铜绿微囊 藻混合培养研究其生长情况。 通过沉水植物与铜绿微囊藻共培养以及沉水植物种植水单独培养铜绿微囊 藻实验，研究了南四湖广泛分布的三种沉水植物菹草、光叶眼子菜和金鱼藻对铜 绿微囊藻的化感作用。结果表明，在排除营养及光照条件限制的前提下，三种沉 水植物与铜绿微囊藻共培养时都能抑制铜绿微囊藻的生长，但抑制作用的强弱与 沉水植物的种类和生物量以及藻类的初始浓度相关，生物量为1 0g l 和5 l 时菹草对低起始浓度的铜绿微囊藻抑制作用较明显，而对于高起始浓度的铜绿微 囊藻，菹草生物量为l o l 时抑制作用较强，菹草生物量为5 l 时抑制作用 较弱；光叶眼子菜生物量为7 l 和4 l 时，对两种起始浓度的铜绿微囊藻的 生长均有强烈的抑制作用；金鱼藻生物量为7 l 和4 l 时，对低起始浓度的 铜绿微囊藻抑制作用明显，而对高起始浓度的铜绿微囊藻抑制作用比较弱。三种 沉水植物对铜绿微囊藻的抑制作用强弱顺序依次为：光叶眼子菜 菹草 金鱼 藻。实验中三种沉水植物的种植水对铜绿微囊藻的生长均表现为促进作用。 通过将南四湖优势藻类与铜绿微囊藻混合培养，研究了南四湖藻类对铜绿微 囊藻生长的影响。结果表明，在混合培养条件下，南四湖藻类与铜绿微囊藻之间 存在着竞争作用，并且其竞争抑制作用受到南四湖藻类与铜绿微囊藻初始浓度大 小的影响。当南四湖藻类与铜绿微囊藻的初始浓度为1 ：l 和1 0 ：1 时，铜绿微囊藻 的生长受到强烈的抑制而死亡；初始浓度比为1 1 0 时，铜绿微囊藻的生长受到 明显的抑制作用，培养过程中藻细胞密度逐渐下降后维持在一个较低水平：初始 山东人学硕 i ：学位论文 浓度为1 ：1 0 0 时，南四湖藻类对铜绿微囊藻的抑制作用较弱，铜绿微囊藻的细胞 密度呈缓慢增长的趋势，而南四湖藻类的生长也受到一定程度的抑制。 关键词：化感作用；竞争；富营养化；沉水植物；铜绿微囊藻 2 r 山东人学硕土= 学位论文 a b s t r a c t a l l e l o p a t h yi s a l li m p o r t a n tt r a i ti nc o m p e t i t i o nb e t w e e nm a c r o p h y t e sa n d p h y t o p l a n k t o ni nf r e s h w a t e re c o s y s t e m i ti so ft h ee x t r e m e l yv i t a ls i g n i f i c a n c et o c o m p o s i t i o no fc o m m u n i t i e si nf r e s h w a t e re c o s y s t e m sa n de c o l o g i c a lr e s t o r a t i o ni n e u t r o p h i cl a k e s n a n s il a k eh a sb e e ne m p l o y e di nt h ee a s tr o u t eo f t h es o u t h - t o n o r t h w a t e rd i v e r s i o np r o j e c tf o ra c c o m m o d a t i n gw a t e rs t o r a g ea n dt h ew a t e rd i v e r s i o n c h a n n e l t h ee f f e c t so fm a c r o p h y t e sa n dt h ed o m i n a n ts p e c i e so fp h y t 0 p l a n k t o n c o m m u n i t yi nt h en a n s il a k eo nm i c r o c y s t i sa e r u g i n o s aa r e a ni m p o r t a n ta s p e c ti n s t u d y i n gp r e v e n t i n ga n dc o n t r o l l i n gt h eo c c u r r e n c eo fw a t e rb l o o mi nt h en a n s il a k e ， a n de n s u r i n gd i v e r s i o nw a t e rq u a l i t y a l l e l o p a t h ye f f e c t so ft h r e es u b m e r g e d m a c r o p h y t e ss u c ha sp o t a m o g e t o nc r i s p u s ，p o t a m o g e t o nl u c e n s ，a n dc e r a t o p h y l l u m d e m e r s u mo nm a e r u g i n o s aw e r es t u d i e di n t h i ss t u d y , a n dt h ei n f l u e n c eo ft h e c u l t u r ef i l t r a t e so ft h r e es p e c i e so fs u b m e r g e dm a c r o p h y t e st om a e r u g i n o s a w e r ea l s oo b s e r v e d i na d d i t i o n ，t h eg r o w t ho fma e r u g i n o s aa n dt h ed o m i n a n t s p e c i e so fp h y t o p l a n k t o nc o m m u n i t yi nt h en a n s il a k ew e r eo b s e r v e dt h r o u g ht h e m u l t i - c u l t u r ee x p e r i m e n t t h em a i nr e s e a r c h e si n c l u d e da sf o l l o w s ： a l l e l o p a t h i ce f f e c t so fs u b m e r g e dm a c r o p h y t e ss u c ha s 尸c r i s p u s ，只l u c e n s ， a n dcd e m e r s u mo nm i c r o c y s t i sa e r u g i n o s aw e r ea s s e s s e du s i n gc o c u l t u r e e x p e r i m e n ta n du n d e rc o n t r o l l e dl a b o r a t o r yc o n d i t i o n s e x c l u d e dt h ei n f l u e n c e o fn u t r i e n ta n dl i g h ti n t e n s i t yc o n d i t i o n ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a ta l lt h et h r e e s p e c i e so fm a c r o p h y t e sh a ds i g n i f i c a n ta l l e l o p a t h i ce f f e c t so nt h eg r o w t ho f m a e r u g i n o s a ，a n dt h ee f f e c t sd e p e n d e do ni n i t i a la l g a ec e l ld e n s i t y , t h es p e c i e s a n db i o m a s so fm a c r o p h y t e t h eg r o w t ho fm a e r u g i n o s aw a ss i g n i f i c a n t l y i n h i b i t e db y10g la n d5g lo f pc y i s p u sa tl o wi n i t i a lc e l ld e n s i t ya n d ；a th i g h i n i t i a lc e l ld e n s i t y10g lpc r i s p u ss h o w e dm o r ei n h i b i t a t i o ne f f e c to nm a e r u g i n o s at h a n5g lpc r i s p u $ t h ea l l e l o p a t h i ce f f e c t so f7g la n d4g l 尸 l u c e n so nm a e r u g i n o s aa tt w oi n i t i a lc e l ld e n s i t yw e r ev e r ys i g n i f i c a n t l y b o t h 3 山东人学硕上学位论文 7g la n d4g lc d e m e r s u mp e r f o r m e ds i g n i f i c a n tg r o w t hi n h i b i t i n go nm a e r u g i n o s aa tl o wi n i t i a lc e l ld e n s i t y , w h i l el e s se f f e c t sw e r eo b s e r v e da th i g h i n i t i a lc e l ld e n s i t y t h ea l l e l o p a t h i ce f f e c t so ft h et h r e es u b m e r g e dm a c r o p h y t e s a r er a n g e da s 尸l u c e n s 尸c r i s p u s cd e m e r s u m i nt h ee x p e r i m e n to ft h et h r e e s u b m e r g e dm a c r o p h y t e sc u l t u r ef i l t r a t e s ，c u l t u r ew a t e rs h o w e ds t i m u l a t o r y g r o w t he f f e c t so nm a e r u g i n o s a c o m p e t i t i o ne f f e c t so fs e v e r a ld o m i n a n ts p e c i e so fp h y t o p l a n k t o ni nt h en a n s i l a k ea n dm i c r o c y s t i sa e r u g i n o s aw e r ea s s e s s e du s i n gm u l t i - c u l t u r ee x p e r i m e n t a n du n d e rc o n t r o l l e dl a b o r a t o r yc o n d i t i o n s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r ei s c o m p e t i t i o nb e t w e e nt h ep h y t o p l a n k t o ni nt h en a n s il a k ea n dm a e r u g i n o s ai n p r e s e n te x p e r i m e n tc o n d i t i o n s ，a n dt h ep h y t o p l a n k t o ni nt h en a n s il a k ei s d o m i n a n ti nt h ec o m p e t i t i o n t h ee f f e c t sd e p e n d e do ni n i t i a la l g a ec e l ld e n s i t y 0 tm a e r u g i n o s aa n dt h ep h y t o p l a n k t o ni nt h en a n s il a k e t h eg r o w t ho fm a e r u g i n o s aw a ss i g n i f i c a n t l yi n h i b i t e da n da l lc e l l so fm a e r u g i n o s ab e c a m e d e a t hw h e nt h ei n i t i a la l g a ec e l l d e n s i t yr a t i ok e e p e dt o 10 ：1o r1 ：1b e t w e e n p h y t o p l a n k t o ni nt h en a n s il a k ea n dm a e r u g i n o s a i tp e r f o r m e ds i g n i f i c a n t g r o w t hi n h i b i t i n go nm a e r u g i n o s a ，t h ec e l ld e n s i t yd e c r e a s e da n dm a i n t a i na l o wl e v e lw h e nt h ei n i t i a la l g a ec e l ld e n s i t yr a t i ok e e p e d1 ：10 l e s se f f e c t sw e r e o b s e r v e dw h e nt h ei n i t i a la l g a ec e l ld e n s i t yk e e p e d1 ：10 0 。c e l ld e n s i t yo f 必 a e r u g i n o s as h o w e das l o wi n c r e a s i n gw h i l et h eg r o w t ho fp h y t o p l a n k t o ni nt h e n a n s ii a k ei si n h i b i t e d k e yw o r d s ：a l l e l o p a t h y ；c o m p e t i t i o n ；e u t r o p h i c a t i o n ；s u b m e r g e dm a c r o p h y t e s ； m i c r o c y s t i sa e r u g i n o s a 4 山东人学顾上学位论文 第一章绪论 人类社会的发展和扩张导致了全球范围内自然资源的过度开发、土地利用方 式的巨大变化( 如人工化肥的施用) ，其结果是导致了自然环境的不断恶化，不 仅对陆地生态系统影响巨大，对水生态系统的影响尤其明显。在对水生念系统的 影响中，富营养化是最受关注的问题之一。 1 1 湖泊富营养化 淡水湖泊水体是人类赖以生存的重要水环境，它不仅是工农业和生活用水的 主要水源，同时还具有维持生物多样性、调节气候、调节地表径流、蓄纳洪水、 净化水质等功能。但是2 0 世纪中叶以来，随着城市建设和工业的快速发展，城 镇人口不断增加，生活污水和工业废水的排放量同益增长以及农业中化肥的大量 使用，使得大量的氮、磷等营养物质进入自然水体，导致全球范围内的水体富营 养化日益严重。而形成水华的藻类( 主要是蓝藻) 的大量繁殖正是水体富营养化 的重要表征之一。 湖泊富营养化是指在人类活动的影响下，湖泊等水体接纳过量的氮、磷、有 机碳等营养性物质，使藻类以及其他水生生物异常繁殖，水体透明度和溶解氧变 化，造成湖泊水质恶化，加速湖泊老化，从而使湖泊生态系统和水功能受到阻碍 和破坏 1 】。在无人类干扰的情况下，降水补充，地表径流汇入或营养成份的直接 输入都可以使湖泊逐步地累积营养成份，由贫营养状态发展到富营养状态。但是 这种自然发生的富营养化过程较为缓慢，而近年来由于工农业生产和生活污水的 大量排放、不合理的渔业养殖模式以及面源污染的汇入大大加剧了这一过程。 我国国土辽阔，各类湖泊众多，全国共有1k m 蚤以上的湖泊2 7 5 9 个，总面 积达9 1 0 1 9k m 2 ，占国土面积的0 9 5 【2 1 。目前判断湖泊富营养化一般采用的指 标是：总氮含量大于0 3m g l ，总磷含量大于0 0 2 5m g l ，透明度小于2 5m ， 叶绿素a 含量大于0 0 1m g l 3 1 。目前在我国有6 0 的湖泊处于富营养化状态4 1 。 根据2 0 0 6 年原国家环保总局对全国2 7 个国控重点湖( 库) 的监测结果：水质为i i 类的湖( 库) 2 个，占7 ；水质为i i i 类的湖( 库) 6 个，占2 2 ；水质为类的湖( 库) l 山东火学硕i j 学位论文 个，占4 ；水质为v 类的湖( 库) 5 个，占1 9 ；水质为劣v 类的湖( 库) 1 3 个， 占4 8 。国家重点治理的“三湖”中，巢湖水质为v 类，太湖和滇池为劣v 类【5 1 。 因此，我国湖泊的富营养化状况已十分严重。 湖泊富营养化已对许多水体的水资源产生了严重的危害，造成了环境和经济 上的重大损失。其具体危害有： ( 1 ) 污染水环境，危害人类身体健康 富营养化湖泊的水质较差，并且常含有多种有毒有害物质，如果把富营养化 湖泊作为饮用水水源地、食用其中的水产品、直接或间接接触湖水都可能使人类 的健康遭受威胁。 ( 2 ) 使湖泊经济效益、景观效果下降 由于富营养化湖泊中藻类大量繁殖，引起水中缺氧，鱼类等水生动物面临着 被窒息死亡的威胁，使得水产养殖业经济效益大幅度下降。发生富营养化的湖泊， 因浮游植物或大型水生植物大量繁殖，水体透明度下降，湖水浑浊，且常伴随着 有机物厌氧分解产生的不适气味，严重破坏了湖泊的景观，使湖泊的旅游观赏价 值大减，甚至完全丧失。 ( 3 ) 生物多样性降低 处于富营养化的水体，水体的正常生态平衡被扰乱，其原有的水生生物类群 结构被打破，生物种群量显示出剧烈的波动，大多数物种的种群规模急剧缩小甚 至濒于灭绝，而人们不希望出现的少数物种如某些藻类、外来大型水生植物、鱼 类或贝类等数量剧增。水生生物多样性和稳定性降低，破坏了湖泊的生态平衡。 ( 4 ) 加速水体沼泽化、陆地化进程 富营养化的水体含有大量的营养物质，使得藻类和水生生物大量生长繁殖， 造成运输困难，同时加速了湖区水体沼泽化和陆地化进程，破坏了特定区域的生 态平衡。 ( 5 ) 引起湖泊水华和近岸海域赤潮 富营养化会引发某些藻类的暴发性增殖，形成水华；湖泊中的营养盐在汛期 可能会被大量带入近岸海域，使得近海水体中藻类大量增殖，形成赤潮。 绝大部分的水华是由浮游藻类( 包括蓝藻门、绿藻门、甲藻门、裸藻门、隐 藻门等) 引起的，也有一部分是由浮游动物腰鞭毛虫引起的【6 1 。在各种水华 6 山东人学硕。l 学位论文 当中，蓝藻水华发生的范围最广，危害最大，对人类健康的危害也最大【_ 7 1 。引起 蓝藻水华的种类主要有微囊藻( m i c r o c y s t i s ) 、鱼腥藻( a n a b a e n a ) 、鞘颤藻( l y n g b y a ) 、 束丝藻( a p h a n i z o m e n o n ) 、颤藻( 孤c f 肋幻砌) 等【8 】。目前，我国有8 0 以上的湖泊 面积面临蓝藻水华的威胁。白2 0 世纪8 0 年代后期起，我国蓝藻水华的发生日益 频繁，以“三湖”为例：云南滇池每年4 1 1 月份为水华发生期，周期性爆发的 水华规模大，持续时间长，盛时遍及全湖，水面藻浆厚度达数厘米；安徽巢湖基 本上每年都有水华发生，2 0 0 3 年和2 0 0 4 年连续两年水华大面积暴发，其中2 0 0 3 年局部水域蓝藻最大厚度达1m 以上，为历年所罕见；江苏太湖是我国第三大淡 水湖，每年暴发水华数次且规模不断增加，2 0 0 6 年8 月和2 0 0 7 年5 月两度暴发 全湖性水华，使水源地水质遭受严重污染，给无锡市2 0 0 万群众的生活造成了巨 大影响，引起了全国的广泛关注【9 1 0 】。由此可见，我国湖泊水体的富营养化已非 常严重，因此有效地防治水华已经成为目前亟待解决的重大环境问题。 为了控制藻类的增长，国内外开展了大量的研究，目前的控藻技术可分为物 理技术、化学技术和生物技术。物理法主要采取截流、疏浚、稀释和污水分流等 措施来控制藻类生长，但操作时间长、费用大并且操作困难。化学法是通过筛选 和合成化学药剂( 统称杀藻剂) 来控制水中藻类的繁殖。目前用得最多的杀藻剂是 硫酸铜。该药剂虽然见效较快，但效果短暂，且极易造成二次环境污染。生物控 制法主要包括微生物控藻、水生动物控藻和大型水生植物抑藻。由于微生物和水 生动物控藻的有效性、稳定性以及生态安全性仍存在一定的争议，有待进一步完 善和发展。在这种情况下，用植物抑藻受到国内外专家的极大关注。一方面由于 这些水生植物具有生长快的特点，且能大量吸收水体中的营养物质，为水体中营 养物质提供了输出的渠道。另一方面，通过高等水生植物抑藻效应的研究，还可 针对其抑藻物质开发出一种专一、高效、能生物降解的杀藻剂，从而为湖泊富营 养化的治理探索出一条切实有效的方法。 o 1 2 大型水生植物在湖泊生态系统中的作用 大型水生植物分为挺水植物、浮叶植物、漂浮植物和沉水植物。作为水体中 的初级生产者，水生植物在水生生态系统中有着不可替代的作用。具体表现为： 山东人学硕一j j 学位论文 ( 1 ) 物理作用 大型水生植物的存在能够减少水面风速，从而使水中的风浪扰动减小，水流 速度降低，为悬浮固体颗粒的沉淀去除创造了良好的条件，并减小了固体重新悬 浮的可能性。在许多沉水植物占优势的湖泊中，通常水质清澈，浮游植物现存量 较低，有研究表明在总磷含量相同的两个湖泊中，生长着大量沉水植物的湖泊的 透明度明显高于无沉水植物生长的湖泊，说明沉水植物的存在可显著降低水体浊 度并阻止沉积物的再悬浮【1 1 13 1 。 ( 2 ) 为其他水生生物提供良好的生存环境 大型水生植物是浅水湖泊重要的初级生产者，能够维持水生生态系统良好的 生物结构。有研究表明，当湖泊的水生植被恢复后，湖水水质得到明显改善，底 栖动物群落结构发生明显变化【l4 1 。大型水生植物是构成水体中复杂食物网的重 要组成环节，直接或间接地为水生生物提供食物。由于沉水植物表面着生有大量 的藻类、原生动物和螺类等，是许多小型鱼类、螺类和虾蟹索饵和逃避敌害的生 存场所，还是水生动物产卵、孵化和育幼的最佳场所。因此沉水植物的消亡将直 接影响水体正常的生态功能，使水生生态系统中食物链变短、食物网简化、物种 多样性下斛”】。另外，大型水生植物尤其是沉水植物在生长过程中向水中释放 大量的氧气，使水体中溶解氧含量增加，为水生动物的生存提供良好的条件。 ( 3 ) 对营养盐的吸收作用 大型水生植物可固定水体和底泥中的n 、p 等营养物质，降低湖水中的营养 盐含量，抑制浮游藻类的生长。为了适应水中的生活，沉水植物的茎和叶都具有 很强的吸收功能，能够明显地去除水体中n 、p 等营养物质【1 6 】。由于沉水植物的 根部能够吸收底泥中的氮、磷，植物体能够吸收水中的氮、磷，所以在4 类水生 植物中沉水植物对富营养化湖水的净化能力最强 1 7 】。除此之外，沉水植物还能 浓缩和富集一些重金属元素和某些小分子有机污染物质【18 1 。 ( 4 ) 化感作用 大型水生植物对藻类生长的抑制作用，一方面是由于二者对环境因子如空 间、光照、营养等生存条件的竞争；另一方面是因为植物对藻类具有化感作用。 山东大学顾j 二学位论文 1 3 大型水生植物的化感作用 1 3 1 化感作用的定义及发展概况 化感作用，又称他( 它) 感、异株克生作用等，是由德国科学家m o l i s h 于1 9 3 7 年首次提出的，指出化感作用是指植物之间( 包括微生物) 作用的相互生物化学 关系，这种生物化学关系包括有益和有害的两个方面。但是m o l i s h 并未对这一 概念作进一步的阐述。由于“化感”的英文为a l l e l o p a t h y ，该词源于希腊语中a l l e l o n ( 相互) 和p a t h o s ( 忍受痛苦) 两词，因而在以后很长一段时间里，科学家们一 直关注着植物之间相互有害的化学关系，而很少考虑植物之间存在的相互有益的 化学关系 1 9 】。r i c e ( 1 9 7 4 ) 在他的专著( ( a l l e l o p a t h y ) ) 中将化感作用定义为“一 种植物( 包括微生物) 通过向环境释放化学物质而对另一种植物( 包括微生物) 产生直接或间接的伤害”【2 0 1 。他对化感作用清晰的定义极大地推动了植物化感 作用的研究。有研究表明一种植物释放的化学物质，根据作用对象的不同或浓度 的不同，可能产生抑制效应，也可能产生促进效应，同时植物释放化学物质不仅 对其他植物有害，同时对自身也有毒害作用，特别是在作物、人工再生林方面表 现明显，自毒作用也被认为是化感作用的一方面。因此，在( ( a l l e l o p a t h y ) ) 第二 版( 1 9 8 4 ) 中，r i c e 将有益作用和自毒作用补充到化感作用的定义中，认为化感 作用含有相互促进和相互抑制两方面的作用【2 1 1 。 化感作用作为- - f - j 新兴学科得到普遍认识和接受经过了漫长时间的发展。早 在公元前5 世纪和3 世纪人们就观察到植物间存在化学物质的相互反应，中国在 两千多年| j 的秦汉时期就有了关于化感现象的记载，并有意识地应用到了传统农 业生产方面。然而，这只限于现象上的描述和农业生产上的经验性应用，并未对 其作用机理进行定性和定量的研究，在随后相当长的时期内化感研究进展缓慢， 工作主要集中在对化感现象的观察和描述上【2 2 1 。2 0 世纪6 0 年代，化感研究获得 了较大发展【2 3 彩】。7 0 年代以后，随着化学特别是有机化学和生物学包括植物生 理学、生态学、微生物学、土壤学、农学、园艺学、遗传学等不同学科的共同参 与和合作研究，化感研究进展显著，在化感作用的机理研究、数学模型模拟和实 际生产应用均取得了较大的进展【2 5 。2 6 1 。1 9 9 4 年“国际化感学会i a s ( i n t e r n a t i o n a l a l l e l o p a t h vs o c i e t y ) 在印度成立，标志着化感作用已形成独立的学科体系。此后 9 山东人学硕i ：学位论文 随着多次国际会议的召开，化感研究正日益成为非常活跃的研究领域。 植物化感作用应该具有三个基本特征：( 1 ) 相互作用主客体都是植物，不包 括植物和动物及其他有机体相互作用；( 2 ) 相互作用的化学物质是植物次生物质， 且必须通过合适的途径进入环境中，不包括在植物体内变化运转的次生物质；( 3 ) 化感物质主要用于影响自身或邻近植物的生长发育，若用于植物间化学通讯( 如 报警) 或环境污染( 如一些树木释放挥发物和氧化氮形成烟雾等) 也不属于化感作 用研究范畴【2 ”。 植物化感作用是通过向环境释放化学物质而实现的，这些起作用的化学物质 称为化感物质。目前已知的植物次生物质有4 0 余力种，迄今为止发现的化感物 质大多是植物或微生物的代谢次生物质，一般相对分子质量较小，结构较简单。 r i c e 根据化感物质的结构把它们分为1 4 类：水溶性有机酸、直链醇、脂肪族醛 和酮；简单不饱和内脂；长链脂肪族和多炔；萘醌、葸醌和复合醌；简单酚，苯 甲酸及其衍生物；肉桂酸及其衍生物；香豆素类；类黄酮；单宁；类萜和甾类化 合物；氨基酸和多肽；生物碱和氰醇，硫化物和芥子油苷；嘌呤和核苷。其中， 最常见的是低分子量有机酸、酚类和内萜类化合物【2 8 之9 1 。通常也将化感物质大致 分为酚类、萜类、炔类、生物碱和其他结构5 类。它们分布于植物的根、茎、叶、 花、果实或种子种，其存在的部位影响其释放的方式，常见的释放方式有四种： ( 1 ) 挥发：一些挥发性化感物质( 主要是萜类) 通过植物体表( 茎、叶、花) 进 入环境而发挥作用；( 2 ) 淋溶：由于雨水或雾滴的作用，一些有机酸、氨基酸、 萜类和酚类等水溶性化合物易被从植株表面淋溶下来，对周围植物产生影响；( 3 ) 根的分泌：很多化感作用物是从根中分泌出来的；( 4 ) 植物残株的腐烂释放：植 物及其某些器官死后，其中的复合物或聚合物被微生物分解而释放出某些化合 物，对周围植物起化感作用 3 0 】。 化感作用有以下几个方面的特点：选择性和专一性：一般只对几种或某一 类植物( 或微生物) 有抑制作用；化感物质对同一植物，浓度高时产生抑制、 浓度低时产生促进作用；复合效应：化感物质常含有多种成分，各成分之间会 产生复合效应，把这些混合物分离提纯后，各个成分的活性反而不如混合物强； 功能多样性：许多化感物质除对植物产生作用外，还具有多种其他功能【3 2 1 。 另外“a l l e l o p a t h y ”的中文译称，目前在国内主要有“异株克生作用”、“他( 它) 1 0 山东人学顾上学位论文 感作用”、“互感作用”和“化感作用”等，“异株克生作用”仅强调了有害的一面， “他感作用”不能表明种内的自毒作用，“互感作用”则不能表达植物间的主客体关 系，因此“化感作用”较确切，全国自然科学名词审定委员会在1 9 9 2 年就公布了 “a l l e l o p a t h y 的中文译称是化感作用，【3 3 1 。 1 3 2 水生植物化感作用研究进展 目前陆生高等植物| 、日j 的化感作用已广泛为人们所认识，并且研究进行得较为 深入，已进行研究的陆生植物包括大豆、玉米、西红柿、小麦、水稻、甘蔗、苜 蓿等农作物以及豚草属、高山牛鞭草、鸭嘴花等杂草【3 4 37 1 。人们对水生植物间的 化感作用认识的比较晚也比较少，在很多情况下人们把它与植物之间对营养、生 存空间及光照的竞争混为一谈。水生植物的化感作用虽与陆生植物比较相似，但 其特征、作用方式等方面存在一些基本的差别，水体的生存环境使得化感物质更 易稀释、扩散，水生植物的代谢产物更易渗出。 对大型水生植物与藻类、藻类与藻类之间相生相克作用的研究可追溯到上个 世纪中叶。1 9 4 9 年h a s l e r 和j o n e s 首次报道了水生植物叶状眼子菜和加拿大韭菜 对蓝绿藻生长的克制效应。对于这一现象存在以下几种可能的解释：( 1 ) 水生植 物与藻类之间对矿质营养的竞争；( 2 ) 水生植物对藻类的遮光作用；( 3 ) 水生植物 释放的化感物质对藻类生长产生的化感作用：( 4 ) 水生植物根际微生物的作用。 p r o c t o “1 9 5 7 ) 的研究猜测细果荸荠可能具有抑制藻类的物质 3 8 】。宝月欣二等( 1 9 6 0 ) 研究发现黑藻、苦草和金银莲花三种水草的种植水能够抑制小球藻的生长，但种 植水被加热后，抑制作用降低【3 9 1 。此后，h o g e t s u ( 1 9 6 0 ) 等提出了水生植物通 过释放化感物质抑制藻类的机制。1 9 6 9 年f i t z g e r a l d 也发现水生植物的代谢产 物可能控制藻类的生长【4 0 1 。2 0 世纪术期以来，国内外关于水生植物化感作用的 研究非常广泛，目前已经发现几十种水生植物具有化感抑藻作用，如芦苇、芦竹、 菖蒲、凤眼莲、满江红、浮萍、竹叶眼子菜、穗状狐尾藻、伊乐藻、轮藻、苦草、 金鱼藻、水卫士等。大量的现场试验以及实验室研究都表明水生植物对藻类的化 感抑制作用是普遍存在的，有关学者研究了不同生活类型的水生植物对藻类的化 感作用，如表1 1 所示。 山东火学硕一i 二学位论文 表1 1 具有化感抑藻作用的常见水生植物及其有效抑制藻类 t a b l e1 - 1c l a s s i f i c a t i o no fm a c r o p h y t es p e c i e sw i t ha n t i a l g a la b i l i t i e s 沉水植物竹叶眼子菜( 尸d 幼咒d 舻幻，2m a l a i a n u s ) 穗花狐尾藻( m y r i o p h y l l u ms p i c a t u m ) 伊乐藻( e l o d e ac a n a d e n s i s ) 轮藻( c h a r a ) 金鱼藻( c e r a t o p h y l l u md e m e r s u m ) 黑藻( h y d r i l l av e r t i c i l l a t a ) 水卫士( s t r a t i o t e sa l o i d e s ) 藻( s c e n e d e s m u so b l i q u u s ) 5 0 5 9 1 颤藻( o s c i l l a t o r i al i m o s a l 小毛枝藻( s t i g e o c l o n i u mt e n u e l 小异极藻( g o m p h o n e m a p a r v u l u m l 鱼腥藻似n a b a e n as p p ) 铜绿微囊藻( m i c r o c y s t i sa e r u g i n o s a ) 小球藻( c h l o r e l l a ) 莱茵衣藻( c h l a m y d o m o n a sr e i n h a r d t i i ) 小球藻( c h l o r e l l am i n u t i s s i m a ) 随着科学的发展和现代分析技术的进步，化感研究早已不再是简单的现象描 述或观察品种的转换。随着实验方法的不断改进，气相色谱( g c ) 、高效液相色 谱( h p l c ) 、质谱( m s ) 、核磁共振( n m r ) 等大型仪器的应用、联用，水生 植物对藻类化感作用的研究逐渐活跃起来并取得了较大进展，水生植物分泌的痕 量克藻化感物质被越来越多地分离、鉴定出来。w i u m a n d e r s e n 等研究了轮藻科 植物的提取物对浮游藻类的抑制作用：从轮藻科植物中提取到的硫化物，能阻止 菱形藻的光合作用【叫；d e l l a 从浮叶眼子菜中提取到具有抑藻活性的二萜类物质 【6 i 】；孙文浩等研究了漂浮植物凤眼莲对藻类的相生相克作用，分离出三种具有 抑藻活性的化合物：n 苯基2 萘胺、亚油酸和亚油酸甘油脂，由于在凤眼莲的 自然种植水中也分离得到了n 苯基2 萘胺，因此推断出n 苯基2 萘胺即为凤眼 莲根系分泌物中的克藻化合物【4 7 , 6 2 - 6 4 】。 1 2 山东人学硕o - 尊j - - 位论文 1 3 3 化感作用抑藻机理 对陆生植物化感机理研究表明，化感物质的作用主要包括以下几方面：对 细胞器膜透性的影响；对细胞分裂、伸长和亚显微结构的影响；对植物激素 活性的影响；对k 、c a 、p 等离子和水份吸收的影响；对酶功能和活性的影 响；对植物呼吸作用的影响；对蛋白质合成和基因表达的影响。即首先通过 细胞膜上的靶位点对膜进行伤害，然后将化感物质胁迫的信息传送到细胞内，从 而对激素、离子等吸收产生影响，而激素、离子吸收以及水分状况等变化必然引 起植物细胞分裂、光合作用等的变化，最终对植物的生长产生抑制作用。 化感物质可以通过多种方式抑制细胞的分裂，从而减少藻细胞数量，目前对 化感物质抑制藻类生长的机理研究较少，且没有统一的结论，但不同的研究者根 据自己的实验得到了一些初步的结果。大多数化感物质具有广谱性作用机制，能 够影响生物的许多生理生化过程。但主要的作用机制是影响目标生物的细胞膜、 光合作用和能量产生步骤及能量使用过程。次要的作用机制是影响呼吸过程以及 酶的作用【6 5 】。从目前的报道看，化感物质抑制藻类生长可能的途径主要有以下 几种： ( 1 ) 抑制藻细胞生长 化感物质对藻细胞最明显的影响就是抑制增长率或增加时滞推迟细胞到达 稳定期的时剐5 3 1 ，也可通过杀死藻细胞而直接减少藻细胞数，还可能使藻细胞 畸形，影响细胞分裂【6 们。 ( 2 ) 影响光合作用 对于有竞争关系的初级生产者来说，阻止光合作用是一种有效的防御策略。 一方面，化感物质可以通过调节生理代谢活动直接影响光合作用；另一方面，化 感物质也可以通过改变叶绿素合成间接影响光合作用。有些化感物质通过破坏藻 类的叶绿素，减少藻类的同化产物，从而抑制藻类的生长。凤眼莲根系附着的藻 细胞中叶绿素a 的含量明显下降，而其降解产物脱镁叶绿素a 酸酯的含量升高， 这说明了化感物质可能促进了叶绿素a 的降解【4 7 1 。吴程等通过研究粉绿狐尾藻、 水葫芦和金鱼藻对集胞藻藻细胞吸收光谱及特征吸收峰的影响，发现它们释放的 化感物质可破坏集胞藻的叶绿素a 和藻胆蛋白的特征吸收峰，降低藻细胞对光的 吸收能力，说明其释放的某些化感物质损害藻类的叶绿素a 和藻胆蛋白可能是其 1 3 山东人学硕j j 学位论文 抑制或杀死浮游藻类的重要途径 6 1 7 1 。何池全和叶居新等通过研究石菖蒲的克藻 效应发现，石菖蒲可破坏藻类的叶绿素a ，使其光合速率、细胞还原能力显著下 降【4 5 1 。r o s t i t a n o 等将睡莲的种植水滴加到培养铜绿微囊藻培养液中，发现铜绿 微囊藻的叶绿素a 含量几乎为零，表明藻细胞已基本失去了进行正常光合作用的 能力6 8 1 。一些研究还表表明，大多数植物化感物质会对光合系统i i 产生影响【6 9 1 。 h a g m a n n 和s r i v a s t a v a 从侧生藻中分离出的侧生藻素a 对藻类和其他光合自养微 生物具有强抑制作用，能抑制光合系统i i ，具体表现在：影响q a 再氧化速率， 初级光能捕获，使p s i i 活性中心失活，使单元结构从系统中分副7 0 。7 1 】。k 6 m e r 和n i c k l i s c h 研究了穗花狐尾藻对一些水生生物的化感作用，发现穗花狐尾藻能 抑制多种蓝细菌、绿藻和硅藻的光合系统i i 和生长【7 2 1 。可见，化感物质主要是 通过降低藻类的叶绿素a 和藻胆蛋白( p c ) 含量、破坏光合系统i i 等方面对藻类的 光合作用产生影响，使其无法通过正常的光合作用获得物质和能量，从而进一步 杀死藻细胞，使藻类细胞数量显著减少，藻类生长受到抑制【7 3 】。 ( 3 ) 破环细胞膜 化感物质能降低细胞膜的完整性，使细胞内物质大量渗出，渗出液的电导率 增加【7 4 5 1 。从芦苇中分离得到的具有抑藻活性的组分能够造成细胞膜的彻底破 坏，使得k + 、c a 2 + 、m ，+ 外泄，从而造成藻细胞的死亡。进一步研究证明，化 感物质2 甲基乙酰乙酸乙酯( e m a ) 能够使铜绿微囊藻和蛋白核小球藻细胞膜中 存在的主要脂肪酸在抑藻活性组分作用下被氧化，不饱和度增加，从而使细胞流 动性增强，对进、出细胞质的选择性降低【_ 7 6 】。张庭廷等研究酚酸类物质对水华 藻类的化感作用时发现，阿魏酸和对羟基苯甲酸能使水华鱼腥藻及蛋白核小球藻 的细胞叶绿素a 含量下降、细胞内超氧阴离子自由基增高以及膜脂质过氧化产物 丙二醛( m d a ) 积累、细胞超氧化物歧化酶( s o d ) 的活力与比活力开始时应急性升 高。推测酚酸类物质化感抑制作用的机理可能与自由基的产生以及膜脂质过氧化 增加引起膜结构的破坏、细胞功能受损有关【7 7 1 。由此可见，化感物质主要通过 抑制膜a t p a s e 活性、改变膜渗透性和膜内外的离子通道、破坏细胞膜结构、使 细胞发生质壁分离等作用方式来杀死藻细胞，降低藻细胞的数量，抑制藻类的生 长。 1 4 山东人学硕1 j 学位论文 ( 4 ) 影响某些酶的活性 酶功能对于所有的生物来说都非常重要。某些水生生物通过释放影响酶功能 的化感物质来改变藻类的生理功能和生长状态，从而产生化感效应。化感物质能 影响生物体的酶活性，由于酶的特性不同，化感物质在提高某些酶活性的同时又 能抑制另外一些酶的活性。张维吴等研究发现，菖蒲降低了铜绿微囊藻藻细胞内 的蛋白质含量，使超氧化物歧化酶s o d 、膜脂过氧化产物m d a 和过氧化氢酶 c a t 等抗氧化系统酶的活性增加，化感物质造成活性氧的过量积累可能是铜绿 微囊藻死亡的原因之一【4 4 】。从芦苇中分离得到的化感物质e m a 能使铜绿微囊藻 的酯酶、脱氢酶活性、活性氧水平( r o s ) 增加，丙二醛含量升高。高浓度的