魏鵬驥， 姜玥璐 ??

(1. 清華大學(xué)深圳研究生院，廣東 深圳 518055；2. 清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084)

微藻是水生生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn)者，為全球貢獻(xiàn)了約40%的初級(jí)生產(chǎn)力(Net primary productivity, NPP)[1]。其作為環(huán)境污染指示物已被廣泛應(yīng)用于水生生態(tài)環(huán)境檢測中，利用微藻進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測和修復(fù)受污染水環(huán)境成為國內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)[2-3]。

重金屬污染成為近年來突出的水環(huán)境問題，重金屬污染的治理方法成為全球的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。重金屬中有一部分是生物生長過程中所必需的，例如鋅(Zn)、銅(Cu)、錳(Mn)、鎳(Ni)和鈷(Co)；還有一部分對(duì)生物具有毒性且對(duì)大多數(shù)生物的生理代謝并無積極作用，例如鉛(Pb)和汞(Hg)等[4]。有研究發(fā)現(xiàn)某些重金屬離子(例如Cu2+、Zn2+等)在較低濃度下能夠促進(jìn)微藻生長，Cd2+在催化二氧化碳的水化反應(yīng)中可以代替Zn2+作為碳酸酐酶的輔因子起積極作用[5-6]，而高濃度的重金屬則有效的抑制微藻的各項(xiàng)生理代謝[7-9]。隨著重金屬濃度的提高，微藻受到的脅迫不斷加強(qiáng)，重金屬的毒性取決于微藻的種類、重金屬的濃度以及重金屬與微藻的接觸時(shí)間等多種因素[10-11]。微藻吸附回收廢水中的重金屬離子作為一種生物吸附手段近年來逐漸被重視，重金屬對(duì)微藻生理方面的影響則是其主要研究方向之一[12]。

能源緊缺是全球關(guān)注的另一熱點(diǎn)領(lǐng)域。生物柴油因其可再生性、環(huán)保性和良好的燃料性能等優(yōu)良屬性，近年來得到世界的廣泛關(guān)注。以微藻為原料的生物柴油因其明顯的優(yōu)勢(shì)：(1)占地面積小且不與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)競爭；(2)光化學(xué)效率高、產(chǎn)油率大；(3)生長迅速、周期短等，被認(rèn)為是最有可能代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃料的生物質(zhì)能源之一[13]。有研究發(fā)現(xiàn)重金屬毒性、營養(yǎng)不足等環(huán)境脅迫因素會(huì)對(duì)微藻體內(nèi)的油脂積累有促進(jìn)作用，當(dāng)生長過程中遭遇不利條件時(shí)，微藻傾向于合成并積累更多的油脂[14]。有研究報(bào)道利用微藻富集廢水中的重金屬離子從而達(dá)到凈化目的，同時(shí)制備生物柴油，可以進(jìn)一步提高微藻的利用價(jià)值[15]。

威氏海鏈藻(Conticribraweissflogii)是海洋硅藻中分布較廣的代表性物種，也是硅藻生理學(xué)研究的代表藻株，同時(shí)還是魚蝦等水生動(dòng)物的重要餌料生物[16-17]。有研究發(fā)現(xiàn)，威氏海鏈藻油脂含量豐富，體內(nèi)的主要脂質(zhì)包括非極性脂三酰甘油(TAG)，一類磷脂磷脂酰膽堿(PC)，一類甜菜堿脂(DGCC)以及4種光合脂膜。在正常培養(yǎng)條件下，威氏海鏈藻體內(nèi)的TAG在生長平臺(tái)期末期大量積累[18]。近年來許多研究針對(duì)重金屬對(duì)微藻產(chǎn)油方面的影響，但重金屬對(duì)威氏海鏈藻油脂積累方面的研究并不多見。本文研究觀察與比較了威氏海鏈藻在3種重金屬離子(Cd2+、Cu2+和Zn2+)不同濃度影響下，其生長、光系統(tǒng)II最大光能轉(zhuǎn)化效率以及油脂積累的變化，分析重金屬離子對(duì)微藻生長生理的毒性以及利用重金屬離子促進(jìn)威氏海鏈藻油脂產(chǎn)量的可行性。

1 材料與方法

1.1 威氏海鏈藻的培養(yǎng)

實(shí)驗(yàn)所用的威氏海鏈藻由清華大學(xué)深圳研究生院近海動(dòng)力環(huán)境演變重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供，所采用的培養(yǎng)介質(zhì)為取自南海(10.0°N～22.0°N，109.0°E～116.0°E)的天然海水(南海海水樣品中Cd2+、Cu2+和Zn2+的濃度遠(yuǎn)低于國家一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)3種重金屬的要求：1、5和20 μg/L[19]，與實(shí)驗(yàn)設(shè)定的重金屬濃度相比可忽略不計(jì))，經(jīng)0.22 μm的濾膜雙重過濾滅菌后，用f/2營養(yǎng)液加富營養(yǎng)[20]，pH為8.0，鹽度值為30。實(shí)驗(yàn)在1L的聚碳酸酯Nalgene瓶中進(jìn)行。培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的環(huán)境為：溫度(20±1) °C，光照強(qiáng)度3 000 Lux，光暗比14 h∶10 h。在實(shí)驗(yàn)中，將處于對(duì)數(shù)生長期的威氏海鏈藻接種到新鮮配制的f/2培養(yǎng)基中(Si濃度為1.06×10-4mol/L)，再分別加入不同濃度的單一重金屬Cd2+、Cu2+或Zn2+進(jìn)行脅迫，實(shí)驗(yàn)用重金屬無機(jī)鹽分別為CdCl2、CuSO4·5H2O和ZnSO4·H2O。Cd2+實(shí)驗(yàn)濃度設(shè)8個(gè)梯度，分別是0、0.1、0.2、0.5、1、2、5和10 mg/L；Cu2+實(shí)驗(yàn)濃度設(shè)9個(gè)梯度，分別是0、0.1、0.2、0.5、1、2、5、10和30 mg/L；Zn2+實(shí)驗(yàn)濃度設(shè)8個(gè)梯度，分別是0、0.5、1、2、5、10、15和30 mg/L。實(shí)驗(yàn)周期為7d，實(shí)驗(yàn)過程中每隔8 h均勻搖瓶1次。實(shí)驗(yàn)設(shè)置空白對(duì)照組，每個(gè)實(shí)驗(yàn)組設(shè)有3個(gè)生物平行樣。

1.2 光密度法測量威氏海鏈藻的生物量變化

實(shí)驗(yàn)采用紫外分光光度計(jì)(UV-1780，Shimadzu, Japan)測量威氏海鏈藻在750 nm波長下的吸光度(OD750nm)，以此反映威氏海鏈藻的生長，在實(shí)驗(yàn)中每日測1次OD750nm。威氏海鏈藻在接種后，經(jīng)過延遲期的調(diào)整，當(dāng)OD750nm值呈幾何級(jí)數(shù)增加時(shí)，計(jì)算對(duì)數(shù)生長期威氏海鏈藻生長速率，計(jì)算公式為：

μ=ln(N2/N1)/t。

(1)

其中：N2和N1分別代表受重金屬影響后的威氏海鏈藻在對(duì)數(shù)生長期中兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的OD750nm；t是時(shí)間間隔[21-22]。另外，我們還利用Probit分析計(jì)算經(jīng)過72 h后對(duì)威氏海鏈藻生長的半抑制濃度EC50。

1.3 光系統(tǒng)II最大光能轉(zhuǎn)化效率Fv/Fm的測量

樣品暗置20 min后，用便攜式葉綠素?zé)晒鈨xAP-P100 (PSI, Czech Republic)每日測量威氏海鏈藻的光系統(tǒng)II最大光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)，反映藻細(xì)胞受到重金屬影響后最大光合能力的變化。

1.4 尼羅紅(Nile Red)染色測量威氏海鏈藻油脂積累的程度

采用尼羅紅熒光探針對(duì)微藻油脂變化進(jìn)行測定[23]。用丙酮配置的尼羅紅(Sigma，USA)染劑溶液對(duì)微藻細(xì)胞進(jìn)行染色，加入染劑后尼羅紅的最終濃度為0.5 μg/mL，染色藻液在96孔酶標(biāo)板中黑暗振蕩30 min后，放入酶標(biāo)儀SpextraMax i3x(Molecular Devices，USA)中測量，激發(fā)光與發(fā)射光波長分別為490與575 nm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為3個(gè)生物平行樣的平均值，每個(gè)樣品取200 μL，測量3次。該指標(biāo)在實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)的第0(開實(shí)驗(yàn)日)、1、2、3、5和7天測量。以超純水代替藻液作為尼羅紅自發(fā)熒光背景值的參比樣品，扣除未染色藻液的熒光強(qiáng)度即得凈熒光值。凈熒光值除以生物量(OD750nm光吸收值)得到標(biāo)準(zhǔn)化熒光值作為油脂指數(shù)[24]:

油脂指數(shù)(Lipid index)= 575 nm波長下的凈熒光值/ OD750nm光吸收值。

(2)

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

實(shí)驗(yàn)中所有數(shù)據(jù)均取3個(gè)平行樣品的平均值，誤差線取自3個(gè)平行樣品數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。利用SPSS 21.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用One-way ANOVA Analysis (p<0.05)對(duì)部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果的顯著性進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬離子Cd2+、Cu2+和Zn2+對(duì)威氏海鏈藻生長的影響

3種重金屬Cd2+、Cu2+和Zn2+濃度對(duì)威氏海鏈藻生長和生長速率的影響見圖1、2。3種重金屬離子Cd2+(<2 mg/L)、Cu2+(<2 mg/L)和Zn2+(<1 mg/L)在低濃度下對(duì)威氏海鏈藻的生長并沒有促進(jìn)作用，其對(duì)生長速率的影響與對(duì)照組相比無顯著差異(Allp>0.2)。而當(dāng)重金屬離子濃度較高時(shí)(Cd2+，5～10 mg/L；Cu2+，5～30 mg/L；Zn2+，10～30 mg/L)時(shí)，則

顯著抑制威氏海鏈藻的生長(Allp<0.05)。其中，Cu2+對(duì)威氏海鏈藻生長抑制較大，當(dāng)Cu2+>5 mg/L 時(shí)威氏海鏈藻生長速率下降到0.07 day-1，并隨Cu2+濃度增加進(jìn)一步降到負(fù)值。3種重金屬離子中，Cd2+處理組生長速率最高為(0.37±0.01) d-1(Cd2+, 0.1 mg/L)，Cu處理組生長速率最高為(0.44±0.03) d-1(Cu2+, 1 mg/L)，Zn處理組生長速率最高為(0.46±0.01)d-1(Zn2+, 1 mg/L)。擬合3種重金屬離子對(duì)生長的影響，Cu2+對(duì)威氏海鏈藻生長速率的半抑制濃度EC50值為3.96 mg/L，Cd2+的EC50值為8.18 mg/L，Zn2+的EC50值為 10.41 mg/L(見表1)，3種重金屬對(duì)威氏海鏈藻毒性大小順序?yàn)镃u2+>Cd2+>Zn2+。

圖1 重金屬Cd2+、Cu2+和Zn2+影響下威氏海鏈藻OD750nm的變化Fig. 1 The OD750nm of C. weissflogii exposed to heavy metals Cd2+, Cu2+ and Zn2+

圖2 不同濃度下的重金屬Cd2+、Cu2+和 Zn2+對(duì)威氏海鏈藻對(duì)數(shù)期生長的影響Fig. 2 Effects of Cd2+, Cu2+ and Zn2+ at different concentrations on growth rate of C. weissflogii at log phase

重金屬離子Heavymetalions半抑制濃度EC50/mg·L-1鎘離子Cd2+8.18銅離子Cu2+3.96鋅離子Zn2+10.41

2.2 重金屬離子Cd2+、Cu2+和Zn2+對(duì)威氏海鏈藻光系統(tǒng)II最大光能轉(zhuǎn)化效率Fv/Fm的影響

由圖3可以看出，威氏海鏈藻的Fv/Fm隨著3種重金屬離子濃度的增加呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。重金屬Cd2+、Cu2+和Zn2+對(duì)Fv/Fm的影響大致可以分3組：(1)較低濃度的重金屬離子對(duì)Fv/Fm的影響較小，F(xiàn)v/Fm數(shù)值與對(duì)照組的基本相同，呈現(xiàn)穩(wěn)定緩慢下降趨勢(shì)。例如，Cu2+<0.5 mg/L(p>0.1)以及Zn2+<1 mg/L (p>0.05)；(2)對(duì)Fv/Fm有顯著抑制作用，但仍保有一定光合能力(Fv/Fm值在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中>0.2)。例如Cd2+為0.1～2 mg/L，Cu2+為1～2 mg/L及Zn2+>10 mg/L (Allp<0.05)；(3)高濃度的重金屬離子影響下，F(xiàn)v/Fm短時(shí)間內(nèi)下降至～0，完全抑制細(xì)胞的光合能力。例如Cd2+或Cu2+>5 mg/L (Allp<0.01)。在3種重金屬中，Zn2+對(duì)威氏海鏈藻的Fv/Fm影響較小，在高濃度Zn2+(30 mg/L)作用1周后Fv/Fm仍能保持(0.21±0.01)，而當(dāng)Cd2+和Cu2+>5 mg/L時(shí)則完全抑制威氏海鏈藻的光合作用效率。

圖3 不同濃度重金屬 Cd2+、Cu2+和 Zn2+對(duì)威氏海鏈藻光系統(tǒng)II最大光能轉(zhuǎn)化效率Fv/Fm的影響Fig. 3 Effects of Cd2+、 Cu2+ and Zn2+ at different concentrations on Fv/Fm of C. weissflogii

2.3 重金屬Cd2+、Cu2+和Zn2+對(duì)威氏海鏈藻油脂積累的影響

圖4為3種重金屬離子影響下威氏海鏈藻在實(shí)驗(yàn)周期7天內(nèi)油脂指數(shù)的最大值。從圖4可以看出，3種重金屬離子Cd2+、Cu2+和Zn2+對(duì)威氏海鏈藻油脂含量的影響具有差異性。Cd2+離子對(duì)威氏海鏈藻的油脂積累并不具有促進(jìn)作用，對(duì)照組的油脂指數(shù)最高。威氏海鏈藻中油脂含量隨Cd2+濃度的升高呈現(xiàn)先逐漸降低，當(dāng)Cd2+>2 mg/L后油脂指數(shù)又逐漸升高。在Cu2+影響下，當(dāng)Cu2+為0.1～0.5 mg/L時(shí)對(duì)威氏海鏈藻的油脂含量沒有顯著影響(Allp>0.5)，而當(dāng)Cu2+>0.5 mg/L后，隨著Cu2+濃度的升高油脂指數(shù)逐漸下降(見圖4b)；Zn2+在0.5 mg/L時(shí)對(duì)威氏海鏈藻的油脂含量有促進(jìn)作用，是對(duì)照組的(1.2±0.08)倍(p<0.05)。當(dāng)Zn2+>1 mg/L時(shí)，威氏海鏈藻的最大油脂指數(shù)受到顯著抑制(All，p<0.05)，而當(dāng)Zn2+≥10 mg/L后，抑制程度進(jìn)一步加強(qiáng)，油脂指數(shù)較低(p<0.01)。

圖4 不同濃度下的重金屬 Cd2+、 Cu2+和 Zn2+下對(duì)威氏海鏈藻油脂指數(shù)的最大值Fig. 4 The maximum values of lipid index at different concentrations of Cd2+、 Cu2+ and Zn2+

3 討論

3.1 重金屬Cd2+、Cu2+和Zn2+對(duì)威氏海鏈藻生長和光系統(tǒng)II最大光能轉(zhuǎn)化效率的影響

Cu和Zn是兩種在微藻生長過程中所必需的微量元素，這些必需元素的限制和缺失會(huì)限制微藻的生長[8]。在本研究中，低濃度的Cu2+和Zn2+并沒有顯著影響威氏海鏈藻生長，說明這兩種重金屬在一定濃度范圍內(nèi)能夠保持威氏海鏈藻健康生長，不是其生長過程中的限制因素。Monteiro等[7]發(fā)現(xiàn)，一些生物體生長所必需的重金屬(例如Zn、Cu、Mn、Ni和Co等)在較低濃度時(shí)，對(duì)微藻的生長和其他生理方面影響一般不大，有時(shí)甚至有積極作用；而當(dāng)其濃度過大時(shí)，重金屬對(duì)生物體的抑制作用會(huì)體現(xiàn)在很多方面，例如細(xì)胞濃度的減少和生物量的降低等[5-7]。Cu2+及其水合物被視為是對(duì)海洋有機(jī)體毒性最強(qiáng)的一種重金屬物質(zhì)之一，當(dāng)濃度過高時(shí)，Cu2+可以取代Mg2+與葉綠素分子結(jié)合，產(chǎn)生不穩(wěn)定的激發(fā)單重態(tài)物質(zhì)，這種物質(zhì)激發(fā)出來的能量會(huì)隨機(jī)的轉(zhuǎn)移到細(xì)胞內(nèi)生成活性氧化物質(zhì)，進(jìn)而引起細(xì)胞的過氧化損傷，破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，抑制生長[25-26]。Zn2+是DNA合成過程中相關(guān)酶的重要組成，但高濃度的Zn2+會(huì)嚴(yán)重的破壞微藻的各項(xiàng)生理代謝過程，例如細(xì)胞分裂、移動(dòng)、總?cè)~綠素含量、ATP以及ATPase活性等。高濃度Zn2+抑制細(xì)胞生長可以歸因于大量的Zn2+與細(xì)胞中的巰基基團(tuán)結(jié)合，進(jìn)而改變了細(xì)胞內(nèi)部蛋白質(zhì)的次級(jí)結(jié)構(gòu)和氧化還原狀態(tài)，并影響了微藻對(duì)其它營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，最終抑制細(xì)胞的有絲分裂等代謝活動(dòng)[27]。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)對(duì)斜生柵藻Scenedesmusobliquus和四尾柵藻Scenedesmusquadricauda暴露于8 mg/L Zn2+環(huán)境下時(shí)，其生長速率便受到嚴(yán)重的抑制，與對(duì)照相比分別下降24%和33%[28]。而Cd并不是大多數(shù)微藻生長所必需的元素，Cd2+可以通過主動(dòng)運(yùn)輸?shù)姆绞竭M(jìn)入細(xì)胞，并與其它二價(jià)陽離子構(gòu)成競爭關(guān)系，例如生物體生理代謝所必需的Ca2+[29]。研究發(fā)現(xiàn)1 mg/L的Cd2+便可以使斜生柵藻的各項(xiàng)生理指標(biāo)受到影響，且其抑制程度隨著濃度的升高而增強(qiáng)[30]。這與本研究中Cd2+、Cu2+和Zn2+在低濃度時(shí)對(duì)威氏海鏈藻生長速率的影響較小，而高濃度時(shí)會(huì)對(duì)其生長造成強(qiáng)烈抑制的現(xiàn)象一致，同時(shí)也必須認(rèn)識(shí)到不同種類微藻對(duì)重金屬脅迫的響應(yīng)和敏感程度也存在著種間差異。EC50因其能較好的反映重金屬對(duì)生物細(xì)胞生理狀態(tài)和代謝功能的影響，通常用于指示重金屬對(duì)于生物生長的抑制作用。Zn2+對(duì)威氏海鏈藻的EC50要明顯大于Cd2+和Cu2+，這表明威氏海鏈藻的生長對(duì)Zn2+有較強(qiáng)的耐受能力，而Cu2+的毒性作用最強(qiáng)，三種金屬的毒性作用強(qiáng)弱為Cu2+>Cd2+>Zn2+。

光系統(tǒng)II最大光能轉(zhuǎn)化效率Fv/Fm又叫做光系統(tǒng)II最大光化學(xué)量子產(chǎn)量或光系統(tǒng)II潛在最大量子產(chǎn)量，它代表的是當(dāng)所有光系統(tǒng)II反應(yīng)中心均處于開放態(tài)時(shí)的量子產(chǎn)量。該指標(biāo)可以從量子水平反映出理論上藻類光合能力可以達(dá)到的最大程度，是評(píng)價(jià)藻類光合能力的重要指標(biāo)[31]。當(dāng)外界環(huán)境中出現(xiàn)不利條件而使光合作用受到影響時(shí)，F(xiàn)v/Fm會(huì)出現(xiàn)顯著下降，且非常敏感。研究表明光合系統(tǒng)中最重要的細(xì)胞器-葉綠體是Cd2+是最容易攻擊的目標(biāo)[32]。Leborans等(1996)發(fā)現(xiàn)重金屬Cd2+對(duì)綠色植物的光合系統(tǒng)具有抑制作用，Cd2+可以通過影響光合系統(tǒng)II的電子傳遞、抑制光合色素的合成以及卡爾文循環(huán)等途徑擾亂光合系統(tǒng)的代謝[31-33]。Ran等[34]研究發(fā)現(xiàn)0.2 mg/L Cd2+就可以使水華束絲藻(Aphanizomenonflosaquae)，單角盤星藻(Pediastrumsimplex) 與尖針桿藻(Synedraacus)的葉綠素a熒光顯著降低；而當(dāng)Cd2+達(dá)到20 mg/L時(shí)，3種藻類的葉綠素a熒光被完全抑制[32-34]。本研究中當(dāng)Cd2+> 5 mg/L時(shí)，威氏海鏈藻在4 d內(nèi)其Fv/Fm就降低到接近于零，比Ran等研究中所用的3種藻類對(duì)Cd2+耐受性更低。本研究發(fā)現(xiàn)重金屬Cd2+和Zn2+與威氏海鏈藻的Fv/Fm存在劑量相關(guān)關(guān)系，該指標(biāo)數(shù)值隨著重金屬濃度的升高而逐漸下降。Cu是微藻生長所必需的元素之一，它可以影響微藻光合系統(tǒng)PSI在還原側(cè)的電子傳遞與光合系統(tǒng)PSII在氧化側(cè)(P680)的電子傳遞，從而降低光合系統(tǒng)PSII反應(yīng)中心的活性[35]。Zn也是微藻生長所必需的元素之一，雖然對(duì)威氏海鏈藻的Fv/Fm的影響較小，但仍有許多研究發(fā)現(xiàn)高濃度Zn2+可以通過多種途徑對(duì)微藻的光合過程產(chǎn)生抑制作用。Rai等[34]發(fā)現(xiàn)Zn2+可以破壞色素合成系統(tǒng)中氧化還原的平衡，進(jìn)而影響光合作用效率；Novák等[25-27]也發(fā)現(xiàn)當(dāng)Zn2+濃度達(dá)到20 mg/L以上時(shí)便可以完全抑制微藻中葉綠素a的合成。這些發(fā)現(xiàn)與本研究中Zn2+>10 mg/L時(shí)威氏海鏈藻的Fv/Fm出現(xiàn)了顯著的抑制現(xiàn)象相符[33]。絕大部分微藻細(xì)胞生長的能量來源于光合作用，當(dāng)光合作用酶系統(tǒng)受到重金屬離子影響，光能轉(zhuǎn)化存儲(chǔ)能力受到抑制將最終影響藻細(xì)胞的生長和細(xì)胞組成。

3.2 重金屬Cd2+、Cu2+和Zn2+對(duì)威氏海鏈藻油脂含量的影響

尼羅紅將微藻體內(nèi)的中性油脂染色后在一定的激發(fā)光下可以發(fā)出熒光，其熒光強(qiáng)度的變化可以反映出微藻胞內(nèi)油脂含量[37]。許多研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)營養(yǎng)充足、無外界脅迫的自然條件下時(shí)，藻細(xì)胞油脂含量通常較低，一般不超過細(xì)胞干重的20%，此時(shí)微藻各種代謝產(chǎn)生的能量多用于細(xì)胞生長與分裂等活動(dòng)；而當(dāng)受到一定程度的環(huán)境脅迫時(shí)(例如重金屬脅迫以及N和P等營養(yǎng)物質(zhì)缺乏等)，微藻會(huì)傾向于轉(zhuǎn)變生理代謝途徑，合成較多的油脂作為貯存物質(zhì)，這樣有助于其在不利的環(huán)境中存活下來，而這種油脂中占絕大多數(shù)的便是中性油脂——三酰基甘油TAGs[14, 38]。而當(dāng)重金屬濃度過高導(dǎo)致脅迫強(qiáng)度過大時(shí)，微藻的油脂積累、生長代謝都可受影響甚至全面抑制[35]。在本研究中，3種重金屬Cd2+、Cu2+和Zn2+對(duì)威氏海鏈藻油脂積累表現(xiàn)出來3種不同的特點(diǎn)。Cd2+的濃度在0.1～2 mg/L時(shí)對(duì)威氏海鏈藻的生長沒有顯著影響，但藻細(xì)胞的油脂含量有下降趨勢(shì)；當(dāng)Cd2+>2 mg/L后，隨著Cd2+濃度的升高，威氏海鏈藻的最大油脂指數(shù)又逐漸上升，但生長率和光合效率均急劇下降。如前文所述，Cd2+不是微藻生長必需的營養(yǎng)元素，但Cd2+可以干擾藻類細(xì)胞一些關(guān)鍵的酶活性，抑制葉綠素合成進(jìn)而影響光合作用和CO2固定等[39]。Cu和Zn是微藻生長所必需的元素，本研究中低濃度的Zn2+(0.5 mg/L)對(duì)藻細(xì)胞油脂積累具有促進(jìn)作用，其他濃度則對(duì)油脂積累的促進(jìn)作用并不明顯。低濃度的Cu2+(<0.5 mg/L)對(duì)油脂含量沒有顯著影響，而高濃度的Cu2+不僅全面抑制威氏海鏈藻的生長和光合效率，對(duì)油脂積累也產(chǎn)生了強(qiáng)烈的抑制，且隨濃度提高抑制增強(qiáng)。因此，威氏海鏈藻可能并不適合在吸附富集Cd2+和Cu2+過程中進(jìn)行油脂積累，但可以作為治理因熔鋅、冶煉等過程導(dǎo)致的水體Zn2+污染，并同時(shí)富集油脂生產(chǎn)生物柴油的的適用藻株。

4 結(jié)論

(1)重金屬離子Cd2+濃度小于2 mg/L時(shí)，對(duì)威氏海鏈藻的生長速率沒有顯著抑制，而當(dāng)濃度大于5 mg/L后對(duì)生長速率產(chǎn)生明顯抑制。Cd2+在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的濃度下，對(duì)威氏海鏈藻的光系統(tǒng)II最大光能轉(zhuǎn)化效率Fv/Fm均有抑制作用，且抑制隨著Cd2+濃度的提高而增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)中各個(gè)濃度的Cd2+對(duì)威氏海鏈藻的油脂積累均沒有促進(jìn)作用。

(2)重金屬離子Cu2+在小于2 mg/L時(shí)，對(duì)威氏海鏈藻的生長速率與Fv/Fm的影響并不顯著，在濃度大于2 mg/L后抑制顯著且隨著濃度的提高抑制逐漸增強(qiáng)。Cu2+在小于0.5 mg/L時(shí)，對(duì)油脂積累的影響并不顯著，而當(dāng)濃度大于1 mg/L后，隨著濃度的增加，油脂積累受到顯著抑制。

(3)重金屬離子Zn2+濃度在小于1 mg/L時(shí)，對(duì)威氏海鏈藻的生長速率和Fv/Fm無顯著影響，而當(dāng)濃度大于2 mg/L后則顯著抑制威氏海鏈藻的生長和Fv/Fm。Zn2+濃度在0.5 mg/L時(shí)，對(duì)油脂含量有顯著的促進(jìn)作用，而當(dāng)Zn2+濃度大于10 mg/L后油脂積累則受到顯著抑制。

(4)3種重金屬離子對(duì)威氏海鏈藻生長具有毒性興奮效應(yīng)(Hormesis)。在今后的研究中，應(yīng)該傾向于探索用更低濃度的重金屬Cd2+、Cu2+或Zn2+以及多種重金屬耦合作用來達(dá)到促進(jìn)威氏海鏈藻油脂積累的效果。

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