劉 璐,閆 浩,夏文彤,李 誠,張庭廷(安徽師范大學生命科學學院,安徽 蕪湖 241000)

鎘對銅綠微囊藻和斜生柵藻的毒性效應

劉 璐,閆 浩,夏文彤,李 誠,張庭廷*(安徽師范大學生命科學學院,安徽 蕪湖 241000)

采用不同Cd2+濃度處理銅綠微囊藻(Microcysis aeruginosa Kutz. )和斜生柵藻[Scenedesmus obliquus (Turp.) Kutz.],研究Cd對兩種淡水藻的毒性效應.結果表明,Cd2+濃度低于 0.1mg/L促進斜生柵藻生長,高于 0.15mg/L時才轉變成抑制作用,表現為毒物的低濃度促進高濃度抑制的Hormesis效應;但銅綠微囊藻對Cd2+的毒性非常敏感,0.05mg/L Cd2+作用72h后,其生長就受到明顯抑制,隨著濃度的升高,抑制作用越明顯;受到 Cd2+的脅迫,兩種藻細胞均表現為細胞膜受損,藻液可溶性蛋白質和核酸含量升高,掃描電子顯微鏡觀察顯示,藻細胞表面的絮狀物隨著 Cd2+的升高增多,尤其是銅綠微囊藻改變更為明顯;同時,氧自由基(O2i)含量升高,過氧化物酶(POD),過氧化氫酶(CAT)活性早期均可隨Cd2+濃度的增加而上升;兩種藻對Cd2+均有一定吸收作用,單位藻細胞內,斜生柵藻對Cd2+的吸收能力明顯好于銅綠微囊藻.鎘對這兩種藻的毒性機制之一可能是通過刺激氧自由基產生以及由其引起藻細胞生理生化改變而使這兩種藻受到損傷,相比銅綠微囊藻,斜生柵藻不僅對 Cd2+脅迫具有較好的耐受性,且對其具有良好的吸收作用,提示斜生柵藻具有開發(fā)成水體Cd2+生物處理材料的潛質.

鎘；銅綠微囊藻；斜生柵藻；毒性效應

我國重金屬污染嚴重,而鎘污染尤為突出,近年來的鎘大米事件時有發(fā)生[1].鎘對陸生、水生生物均有明顯致毒作用,如鎘能破壞某些綠藻的葉綠素,引起光合作用下降[2],同時由于其具有相當高的穩(wěn)定性和難降解性通過食物鏈傳遞不僅可破壞水生生態(tài)系統平衡,還嚴重威脅到人類身體健康[3-4].藻類是水體食物鏈的重要環(huán)節(jié),外來重金屬的侵入必然使生長在水體中的各種藻類首先受到不同程度的毒害;在對高等水生植物無可見傷害的低劑量污染情況下,藻類就可能出現形態(tài)以及生理生化指標變化[5].因此,利用一些對重金屬敏感的藻類作為指示生物,可以監(jiān)測水體重金屬污染的程度[6-9].同時,不少藻類對重金屬具有比較強的富集作用[10-12],故浮游藻類被認為是一類處理水體重金屬污染的優(yōu)良生物材料[13],篩選適宜藻類去除水體中的重金屬,被認為是一項高效、低耗、經濟、環(huán)保、具有廣闊應用前景的新型技術[14].國內外已有大量相關研究[12-15],如叉鞭金藻在pH值為6～7的范圍內對Zn2+、Cd2+吸附效果較好[15].我國 75%的湖泊均處于不同富營養(yǎng)化狀態(tài)[16],水體富營養(yǎng)常導致藍藻水華的暴發(fā),但是有關重金屬鎘對水體常見水華藍藻銅綠微囊藻和常見綠藻斜生柵藻毒性作用研究尚鮮見報道.為了對鎘污染有較為及時的生物預警以及生物治理,研究鎘對具有代表性的特定目標藻銅綠微囊藻和斜生柵藻的毒性作用,進而為鎘污染治理提供重要的理論與實驗依據是十分必要的.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

試驗藻種銅綠微囊藻(M. aeruginosa Kutz.)和斜生柵藻(S. obliquus (Turp.)Kutz.)均購自中國科學院武漢水生生物研究所,分別采用BG-11[17]和HB-4[17]培養(yǎng)基培養(yǎng).

1.2 方法及設備

1.2.1 試劑 CdCl2:國藥集團化學有限公司,分析純.

1.2.2 儀器設備 JEOL掃描電鏡(日本);Motic數碼顯微鏡(廈門);PGX-250B光照培養(yǎng)箱(上海);UV-3802型紫外可見分光光度計(上海);AA320原子吸收分光光度計(上海).

1.3 實驗方法

實驗前一周,兩種藻分別用培養(yǎng)基進行擴大培養(yǎng).無菌條件下,在已洗凈滅菌的 1000mL三角錐形瓶中加入100mL BG-11培養(yǎng)基,接入銅綠微囊藻藻種,搖勻,置光照培養(yǎng)箱中進行培養(yǎng).培養(yǎng)條件:光照度4000lx,光暗周期12h:12h,溫度(24±2)℃.每天搖動錐形瓶4次,每24h添加100mL新鮮培養(yǎng)基,培養(yǎng)至藻細胞進入對數生長期.

無菌條件下,取上述藻液加入到500mL已滅菌三角燒瓶,加入新鮮無菌BG-11或HB-4培養(yǎng)基后,銅綠微囊藻的起始密度為 8.5×105個/mL,斜生柵藻的起始密度為 6×105個/mL,然后加入CdCl2,使 Cd2+終濃度為 0.05,0.1,0.15,0.2mg/L,每組設3個平行,對照組不加CdCl2,培養(yǎng)條件同藻類的擴大培養(yǎng).

1.4 相關試驗指標及其測定

藻細胞的形態(tài)變化、藻生物量、藻液可溶性蛋白質含量(用OD280值表示)、藻液核酸含量(用 OD260值表示)[18]、超氧化物陰離子自由基含量、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)活性以及藻細胞內Cd2+含量.酶和Cd2+含量最后一天測,其余各指標每隔24h測定一次.

藻對鎘的吸收處理方法為:取藻液 50mL,用15μg/mL的NaHCO3和蒸餾水各洗3次,然后烘干、稱重及消化處理,用J-8000原子吸收分光光度計測定鎘含量.

藻細胞形態(tài)的觀察采用掃描電鏡進行觀察.取藻細胞,2500r/min離心收獲,采用無菌潔凈的培養(yǎng)基洗2～3次,置于2.5%戊二醛中固定2h,新鮮配制的0.1mol/LPBS緩沖液沖洗3次,最后用系列乙醇(脫水劑的乙醇濃度依次為 30%～50%～70%～80%～90%～100%)兩次脫水,醋酸異戊酯置換后,CO2臨界點干燥,金屬噴鍍,掃描電鏡觀察.

1.5 數據處理

實驗數據的處理采用 SPSS13.0軟件,圖用Excel軟件制作.對照組和處理組之間采用單因素方差分析,P<0.05表示有顯著性差異;P<0.01表示有極顯著性差異.

2 結果與討論

2.1 鎘對兩種藻生物量的影響

由圖 1可知,Cd2+對銅綠微囊藻有非常明顯地抑制作用.Cd2+作用72h后,各處理組的藻細胞數目均低于同期對照組,差異極顯著(P<0.01),說明Cd2+對銅綠微囊藻有較強的抑制作用.

圖1顯示,在0.05～0.2mg/L范圍內,Cd2+對斜生柵藻的生長起著低促高抑的效果,即 Hormesis效應[22].如Cd2+處理24h后,濃度為0.05mg/L處理組藻細胞數明顯比同期對照組高,P<0.01,說明低濃度 Cd2+對斜生柵藻的生長有促進作用;然而高濃度(0.15,0.2mg/L)處理組藻細胞數目始終低于同期對照組,作用 144h后,兩處理組與對照組相比具有極顯著差異(P<0.01),說明高濃度 Cd2+對斜生柵藻的生長有抑制作用.

鎘是植物非必需元素,鎘進入植物體內并積累到一定濃度,就會表現出毒害癥狀[23].本試驗表明 Cd2+對銅綠微囊藻和斜生柵藻均具有明顯的毒性作用,但斜生柵藻對 Cd2+的耐受性較銅綠微囊藻高,且 Cd2+對斜生柵藻生長的影響存在著Hormesis效應,即低濃度(<0.1mg/L)時能促進生長,這一結論與何學佳等的研究結果一致[24].

圖1 Cd2+對兩種淡水藻生長的影響Fig.1 The effects of Cd2+on the growth of M. aeruginosa and S. obliguus*與同期對照組比較,P<0.05;**與同期對照組比較,P<0.01

圖2為Cd2+對兩種淡水藻含量的影響,由圖 2可見,Cd2+可引起銅綠微囊藻和斜生柵藻產生增多,且表現出一定的劑量效應,即Cd2+濃度越高增多越明顯;斜生柵藻細胞內升高的趨勢看起來較銅綠微囊藻明顯,但相同濃度處理組相比,其細胞內的絕對含量遠遠低于銅綠微囊藻.

Cd2+對兩種淡水藻的毒性機理之一可能是Cd2+脅迫下,藻體內活性氧水平增高,發(fā)生膜脂過氧化和膜蛋白的聚合作用,使細胞膜系統變性,進而導致細胞的損傷,這種破壞在對同期樣品的電鏡掃描圖(圖8)中也能清晰看出.

圖2 Cd2+對兩種淡水藻O2·含量的影響Fig.2 Effect of Cd2+onO2·contents of M. aeruginosa and S. obliguus*與同期對照組比較,P<0.05;**與同期對照組比較,P<0.01

2.3 OD280與OD260的變化

由圖 3可知,兩種藻的各處理組藻液可溶性蛋白含量隨 Cd2+濃度的上升而增加,且隨時間的延長而有所升高.Cd2+作用96h時,與同期對照組相比,銅綠微囊藻 0.1～0.2mg/L處理組藻液可溶性蛋白含量明顯升高,且與對照組差異極顯著(P<0.01);而斜生柵藻0.2mg/L處理組自Cd2+作用72h起藻液可溶性蛋白含量也明顯高于同期對照組,且差異極顯著(P<0.01).原因可能是 Cd2+處理細胞后,細胞膜受到損傷,細胞膜通透性增大,隨處理時間的延長,細胞內部的蛋白質向胞外滲透增多.

圖3 Cd2+對兩種淡水藻藻液蛋白含量的影響Fig.3 Effect of Cd2+on protein content of M. aeruginosa and S. obliguus*與同期對照組比較,P<0.05;**與同期對照組相比P<0.01

圖4 Cd2+對兩種淡水藻藻液核酸含量的影響Fig.4 Effect of Cd2+on nucleic acid content of M. aeruginosa and S. obliguus*與同期對照組比較,P<0.05;**與同期對照組比較,P<0.01

由圖4可見隨著Cd2+濃度的上升,兩種藻的藻液核酸含量逐漸增加.從第 4d起,銅綠微囊藻各處理組藻液核酸含量明顯高于同期對照組,且差異極顯著(P<0.01);而斜生柵藻0.2mg/L處理組自Cd2+作用48h起藻液核酸含量始終明顯高于同期對照組,且差異極顯著(P<0.01).這一變化與藻液可溶性蛋白含量變化一致.

2.4 鎘對兩種藻POD、CAT活性的影響

由圖5可知,隨著Cd2+濃度的增加,銅綠微囊藻藻細胞內的POD活性均呈先上升后下降的趨勢,Cd2+濃度為0.15mg/L時活性達到最大,但即便是當 POD的活性下降時,也高于是對照組;斜生柵藻細胞內的POD活性隨Cd2+濃度的上升而增加,Cd2+濃度為0.2mg/L時活性達到最大.POD是一種解毒酶,其活性的增加可能是藻的一種解毒機制.結果表明低濃度的 Cd2+促進了銅綠微囊藻POD的活性,而高濃度Cd2+對其有較強的毒性作用,藻細胞受到重創(chuàng),蛋白質合成減少,使其抗氧化酶系統的活性降低.

圖5 不同濃度的Cd2+處理對銅綠微囊藻和斜生柵藻POD活性的影響Fig.5 Effects of different concentrations of Cd2+exposure on POD activities of M.aeruginosa and S. obliquus

由圖 6可知,銅綠微囊藻和斜生柵藻藻細胞內的CAT活性隨Cd2+濃度的增加呈先上升后下降的趨勢,均在Cd2+濃度為0.15mg/L時活性達到最大,且與同期對照組相比差異極顯著(P<0.01). CAT是生物防止細胞過氧化的重要保護酶之一.當藻受到環(huán)境脅迫時,細胞內氧自由基濃度上升,所以抗氧化體系酶活性也會隨之上升[25],試驗中,在Cd2+濃度0.05～0.15mg/L的條件下,CAT酶活性升高與這一觀點一致,當細胞內氧自由基濃度超過一定范圍,抗氧化體系酶不能及時清除,過量的氧自由基會導致抗氧化體系酶活性降低,所以高濃度(0.2mg/L)下CAT活性下降.

圖6 不同濃度的Cd2+處理對銅綠微囊藻和斜生柵藻CAT活性的影響Fig.6 Effects of different concentrations of Cd2+exposure on CAT activities of M.aeruginosa and S. obliquus

Cd2+對兩種淡水藻的毒性機理還表現在對抗氧化系統的破壞:Cd2+迫使細胞內含量增加,當細胞內氧自由基濃度超過一定范圍時,細胞內抗氧化酶系統不能將其及時清除,從而出現抗氧化酶活性呈現先升高后降低的現象,抗氧化酶含量減少,又進一步加大了Cd2+對兩種藻的毒害.

2.5 兩種藻對鎘的吸收作用

某些藻類對重金屬常常也表現出較強的富集能力[26-28].不同藻類對同一重金屬的吸附具有明顯差異性[29].目前用大型海藻處理重金屬的研究比較廣泛[12,26],而對于用淡水藻處理重金屬的研究相對較少,有文獻報道了淡水藻小球藻與重金屬之間的研究,但小球藻對 Cd2+的吸附量僅為64.04mg/kg[30].本試驗結果(圖 7)顯示:銅綠微囊藻和斜生柵藻對 Cd2+均有良好的吸收作用.在一定范圍(0.05～0.2mg/L)內,兩種藻對 Cd2+的吸收能力隨Cd2+濃度的上升而增強,在0.2mg/L處達最大,細胞內 Cd2+含量分別為 546,769μg/g,明顯高于小球藻對鎘的吸收值.單位量藻細胞內,斜生柵藻對Cd2+的吸收能力要高于銅綠微囊藻.

圖7 不同Cd2+濃度下銅綠微囊藻和斜生柵藻細胞內Cd2+含量Fig.7 The intra-celluar Cd2+content of M.aeruginosa and S. obliquus under different concentrations of Cd2+treatment after 6 days

2.6 不同鎘濃度下兩種藻的表面結構

皮帶機系統安裝在堆料裝置臂架上，后方喂料機與皮帶機進料口相連，向堆料裝置皮帶機喂料，物料經由皮帶機至出料筒落料，從而實現堆料裝置連續(xù)作業(yè)。

圖8顯示的是不同濃度下銅綠微囊藻藻細胞的表面結構,在不含 Cd2+的條件下,藻細胞個體分明,細胞表面光滑;隨著 Cd2+濃度的上升藻細胞表面和周圍絮狀物逐漸增多,且出現大量黏連現象,最大濃度處理組出現細胞破碎溶解等情況,這可能是由于銅綠微囊藻受到Cd2+的脅迫后導致脂質過氧化的鏈鎖反應,從而使膜遭受損壞和破壞.

圖8 不同Cd2+濃度下銅綠微囊藻的表面結構Fig.8 Superficial structure of M. aeruginosa under different Cd2+concentrations after 6 days

圖 9顯示的是不同濃度下斜生柵藻藻細胞的表面結構,由圖可以看出,與對照組相比,隨著鎘濃度的增大,處理組藻細胞表面絮凝物也逐漸增多,但比同濃度處理的銅綠微囊藻輕微.

比較兩圖可以看出,斜生柵藻對 Cd2+具有良好的耐性,這與前面 Cd2+對兩組藻細胞生長趨勢的影響一致.

圖9 不同Cd2+濃度下斜生柵藻細胞的表面結構Fig.9 Superficial structure of S. obliquus under differentconcentrations Cd2+treatment after 6 days

3 結論

3.1 Cd2+對銅綠微囊藻和斜生柵藻均具有明顯的毒性,但相比銅綠微囊藻,斜生柵藻對Cd2+具有較好的耐性.

3.2 Cd2+對銅綠微囊藻和斜生柵藻均的毒性主要表現為對細胞膜、抗氧化系統的破壞.

3.4 由于斜生柵藻對Cd2+具有較好的耐性及吸收性,且斜生柵藻是不產生毒素的綠藻類,對環(huán)境污染較小,因此斜生柵藻具有開發(fā)成為處理水體鎘污染良好生物材料的潛能.

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Toxic effect of cadmium on Microcysis aeruginosa and Scenedesmus obliquus.

LIU Lu, YAN Hao, XIA Wen-tong, LI

Cheng, ZHANG Ting-ting*(College of Life Sciences, Anhui Normal University, Wuhu 241000, China). China Environmental Science, 2014,34(2)：478～484

cadmium；M. aeruginosa；S. obliquus；toxic effect

：Toxic effect of cadmium on Microcysis aeruginosa Kutz. and Scenedesmus obliquus (Turp.) Kutz were researched by using different concentrations of Cd2+. The results showed the growth of S. obliquus was accelerated in Cd2+concentration of 0.1mg/L, and decreased in Cd2+concentration over 0.15mg/L. Toxicant could promote the growth at low concentration while restrain at high concentration, which might be an effect of hormesis. But M. aeruginosa was more sensitive to Cd2+with the growth obviously inhibited when the concentrations of Cd2+were 0.05mg/L and treat 72h, and the inhibitory effect was obvious with increasing Cd2+. The membrane permeability of the two algae changed under the stress of Cd2+, and protein and nucleic acid contents of two freshwater algae rose up. The photos of scanning electron-microscopy showed that the superficial flocs of algae increased with the rise of Cd2+concentration, especially for M. aeruginosa. Meanwhile,contents raised and the POD and CAT activities in the two algae all increased with the rise of Cd2+at the early stage. The two algae could absorb Cd2+, and S. obliquus had more adsorption ability than M. aeruginosa at the unit cell. The results indicated that the main toxic mechanisms of Cd2+imposing on two algae involved the superoxide anion radical generation that induced the physiological and biochemical changes of the algae, and hurt the algae. Compared with the M. aeruginosa, S. obliquus not only had a better tolerant of Cd2+, but a better adsorption ability of Cd2+. It indicates that S. obliquus has the potential of being a biological material to deal with water Cd2+.

劉 璐(1986-),女,河南安陽人,安徽師范大學生命科學院碩士研究生,主要研究方向為水體重金屬污染的生物防治以及藻類生態(tài)學.

《中國環(huán)境科學》獲評“RCCSE中國權威學術期刊(A+)”

2013-05-30

國家自然科學基金資助項目(31170443)

* 責任作者, 教授, cyhztt@mail.ahnu.edu.cn

X171.5

：A

：1000-6923(2014)02-0478-07

《中國環(huán)境科學》在武漢大學中國科學評價研究中心發(fā)布的第三屆中國學術期刊評價中被評為“RCCSE中國權威學術期刊(A+)”.中國學術期刊評價按照各期刊的各指標綜合得分排名,將排序期刊分為A+、A、A-、B+、B、C 6個等級,評價的6448種中文學術期刊中有1939種學術期刊進入核心期刊區(qū),其中權威期刊(A+)327種,核心期刊(A)964種,擴展核心期刊(A-)648種.此次獲得“RCCSE中國權威學術期刊(A+)”稱號的環(huán)境類期刊有3種.