張晨怡,毛佳昊,苗馨文,劉 汀,熊曉輝,盧一辰
(南京工業(yè)大學(xué) 食品與輕工學(xué)院,江蘇 南京 211800)
三氯生(triclosan,TCS)的化學(xué)名稱為2,4,4′-三氯-2′-羥基二苯醚,被廣泛應(yīng)用于個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品、醫(yī)療用品中[1]。長期以來,隨著生活污水大量排放,殘留在各種環(huán)境中的三氯生被大量檢出,對(duì)水體環(huán)境造成極大污染。近年來,三氯生對(duì)水生動(dòng)植物的急慢性毒性效應(yīng)和致畸作用被廣泛報(bào)道和關(guān)注[2-3]。2013年美國食品藥品監(jiān)督局宣布在日化用品中禁止使用三氯生。環(huán)境中大量殘留的三氯生可以通過食物鏈傳遞對(duì)人類健康構(gòu)成潛在威脅。因此,迫切需要研究高效綠色的三氯生降解方式。
微藻不僅是水生動(dòng)物賴以生存的營養(yǎng)來源,也是水體環(huán)境中重要的代謝分解者。大量研究表明藻類能夠富集、濃縮和降解水體中化學(xué)污染物,例如:重金屬、農(nóng)藥和可持續(xù)性有機(jī)污染物等[4-5]。萊茵衣藻(Chlamydomonasreinhardtii)是一種生長周期和傳代時(shí)間短、可固體或液體培養(yǎng)的單細(xì)胞真核綠藻,由于其具有遺傳背景和基因結(jié)構(gòu)清晰、易于分子生物學(xué)研究等特點(diǎn),常被用作理想的模式生物[6]。梁永莉等[7]發(fā)現(xiàn)萊茵衣藻對(duì)雙酚A具有一定的富集和降解能力。因此,激發(fā)藻類富集降解雙酚A等化學(xué)污染物的能力在環(huán)境修復(fù)應(yīng)用中具有很大的潛在價(jià)值。
茉莉酸類物質(zhì)(jasmonates,JAs)廣泛存在于高等植物體內(nèi),主要包括茉莉酸(JA)和茉莉酸甲酯(MeJA),參與調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育過程。近年來研究發(fā)現(xiàn)茉莉酸及其衍生物可作為信號(hào)分子誘導(dǎo)植物體內(nèi)防御基因的表達(dá),調(diào)節(jié)植物對(duì)外源生物或者非生物脅迫的防御響應(yīng)。Armagan等[8]發(fā)現(xiàn)茉莉酸處理可提高煙草細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶、抗壞血酸過氧化物酶等抗氧化酶系的活力,緩解了甲咪唑煙酸對(duì)煙草的毒性作用。然而茉莉酸對(duì)微藻代謝外源有機(jī)污染物方面的研究還未見報(bào)道。本文中,筆者以萊茵衣藻為受試物,茉莉酸為研究對(duì)象,三氯生為處理試劑,從植物生理、酶學(xué)響應(yīng)以及毒物積累代謝3個(gè)方面研究茉莉酸對(duì)萊茵衣藻應(yīng)答三氯生脅迫反應(yīng)和代謝降解三氯生的影響機(jī)制,旨在建立一種通過激發(fā)微藻內(nèi)源代謝來提高水體中三氯生降解效率的綠色環(huán)境修復(fù)方式。
LRH-150-S型恒溫恒濕培養(yǎng)箱,廣東省醫(yī)療器械廠;SW-C-1F型單人雙面凈化工作臺(tái),蘇州凈化設(shè)備有限公司;5471R型臺(tái)式離心機(jī),德國Eppendorff公司;GL-20G-II型冷凍離心機(jī),上海安亭科學(xué)儀器廠;SPECTRUMLAB型紫外可見分光光度計(jì),上海棱光技術(shù)有限公司;BXM-30R型立式壓力蒸汽滅菌器,上海博訊科技有限公司;JY92-IID型超聲波細(xì)胞粉碎機(jī),寧波新芝科器研究所;DL型24位固相萃取裝置,上海秉越電子儀器有限公司;Agilent2000型高效液相色譜儀,蘇州賽恩斯儀器有限公司。
分析純的NH4Cl、K2HPO4和KH2PO4,西隴化工股份有限公司;分析純的冰醋酸、甲醇、乙醇和丙酮,上海凌峰化工有限公司;文中所用試劑盒,南京建成生物工程研究所有限公司。
參考文獻(xiàn)[9]方法配制TAP藻培養(yǎng)基,并于121℃滅菌20 min,冷卻備用。接種一定體積的藻液至TAP培養(yǎng)基內(nèi),25±2 ℃、相對(duì)濕度50%±5%、8 h/16 h的光/暗條件進(jìn)行培養(yǎng)。待萊茵衣藻生長至對(duì)數(shù)期(OD600為0.6~0.8)后,按照實(shí)驗(yàn)設(shè)置需求以每瓶50 mL進(jìn)行分裝。
在生長量、葉綠素、電導(dǎo)率和丙二醛測(cè)定中,實(shí)驗(yàn)設(shè)置7個(gè)處理組和1個(gè)對(duì)照組,具體為①空白對(duì)照組(CK)為未處理三氯生和茉莉酸;②0.05 JA為僅0.05 μmol/L茉莉酸處理;③0.15 JA為僅0.15 μmol/L茉莉酸處理;④0.45 JA為僅0.45 μmol/L茉莉酸處理;⑤TCS為僅2 mg/L三氯生處理;⑥0.05 JA+TCS為0.05 μmol/L茉莉酸和2 mg/L三氯生共同處理;⑦0.15 JA+TCS為0.15 μmol/L茉莉酸和2 mg/L三氯生共同處理;⑧0.45 JA+TCS為0.45 μmol/L茉莉酸和2 mg/L三氯生共同處理。每組設(shè)置3個(gè)平行。
準(zhǔn)確吸取2 mL對(duì)數(shù)期的藻液,分別稀釋2、4、6、8、10倍,在750 nm處測(cè)定各稀釋度藻液的吸光值。同時(shí)取上述1 mL各稀釋度的藻液,經(jīng)過魯哥氏溶液固定后,在普通光學(xué)顯微鏡下,用血細(xì)胞計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)。根據(jù)藻的細(xì)胞數(shù)與OD600的線性關(guān)系得細(xì)胞數(shù)標(biāo)準(zhǔn)曲線y=18.12x-0.212 7(R2=0.997 4)。
取對(duì)數(shù)生長期的藻液按1.2節(jié)實(shí)驗(yàn)設(shè)置進(jìn)行處理,在0、24、48、72和96 h分別取樣,測(cè)定其在750 nm處的吸光值A(chǔ)750,根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算細(xì)胞數(shù)[10]。
取對(duì)數(shù)生長期的藻液按1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)置進(jìn)行處理,處理后96 h取樣,用80%乙醇提取色素,采用光密度法測(cè)定665 nm處吸光值,按式(1)來計(jì)算細(xì)胞總?cè)~綠素含量[11]。
ρ(總?cè)~綠素)=(6.10A665+20.04A649)×0.6
(1)
取對(duì)數(shù)生長期的藻液按1.2節(jié)實(shí)驗(yàn)設(shè)置進(jìn)行處理,在24、48、72、96 h分別取樣,并用電導(dǎo)儀測(cè)定初始電導(dǎo)率,記為E0。將樣品置于25 ℃下30 min,記錄此刻電導(dǎo)率為E1。再將樣品置于95 ℃水浴20 min,再次測(cè)定電導(dǎo)率,記為E2。通過式(2)計(jì)算電導(dǎo)率E。
(2)
取對(duì)數(shù)生長期的藻液按1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)置進(jìn)行處理,在0、24、48、72和96 h分別取樣,采用丙二醛(MDA)測(cè)試盒(貨號(hào):A0031,TBA法)測(cè)定細(xì)胞內(nèi)丙二醛含量。
取對(duì)數(shù)生長期的藻液設(shè)置對(duì)照組和處理組,分別為①空白對(duì)照組(CK)為未處理三氯生和茉莉酸;②0.15 JA為僅0.15 μmol/L茉莉酸處理;③TCS為僅2 mg/L三氯生處理;④0.15 JA+TCS為0.15 μmol/L茉莉酸和2 mg/L三氯生共同處理,每組設(shè)置3個(gè)平行。將各組藻液10 000 r/min離心10 min,去上清液,加入3 mL 50 mmol/L Tris-HCl緩沖液(pH 7.0),混勻后在冰浴保護(hù)下進(jìn)行細(xì)胞破碎后10 000 r/min離心10 min,上清液即為粗酶液,保存待用。依照試劑盒操作說明測(cè)定各組細(xì)胞中過氧化物酶(POD)、谷胱甘肽S轉(zhuǎn)移酶(GST)、多酚氧化酶(PPO)酶活力。
取對(duì)數(shù)生長期的藻液設(shè)置對(duì)照組和處理組,分別為①TCS為僅2 mg/L三氯生處理;②0.15 JA+TCS為0.15 μmol/L茉莉酸和2 mg/L三氯生共同處理,每組設(shè)置3個(gè)平行。每個(gè)處理各取80 mL的藻液,10 000 r/min離心20 min,分別收集藻細(xì)胞和30 mL上清液待處理。將30 mL上清液完全通過C18固相萃取柱,用3 mL 80%(體積分?jǐn)?shù))甲醇溶液洗脫并過0.22 μm濾膜后上機(jī)檢測(cè)。
收集藻細(xì)胞中加入75%(體積分?jǐn)?shù))的丙酮溶液10 mL,室溫下超聲提取10 min。10 000 r/min離心6 min后取上清液。將上清液氮吹至剩水相,過C18固相萃取柱,用3 mL 80%(體積分?jǐn)?shù))甲醇溶液洗脫并過0.22 μm濾膜后上機(jī)檢測(cè)。液相色譜條件:色譜柱C18(4.6 mm×250 mm,5 μm);柱溫30.0 ℃;進(jìn)樣體積20.0 μL;流速1.0 mL/min;流動(dòng)相甲醇和水(體積比75∶ 25);檢測(cè)器為紫外檢測(cè)器;檢測(cè)波長230 nm。質(zhì)譜條件為ESI正離子模式;掃描范圍為50~1 000;分析模式為IDA;裂解能量為10 eV。
用單因素分析法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,所有數(shù)據(jù)均使用Excel軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理,采用標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)各處理組之間的差異進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理,并進(jìn)行顯著性差異分析(P<0.05),圖中顯著性差異均用字母(a、b、c、d)或*標(biāo)注。生理指標(biāo)數(shù)據(jù)至少重復(fù)3次,代謝數(shù)據(jù)至少重復(fù)2次,使用Origin軟件進(jìn)行作圖。
茉莉酸對(duì)三氯生脅迫下萊茵衣藻細(xì)胞數(shù)的影響如圖1所示。
圖1 茉莉酸作用對(duì)三氯生脅迫下萊茵衣藻細(xì)胞數(shù)的影響
由圖1可知,TCS處理組藻細(xì)胞數(shù)隨著處理時(shí)間增加而逐漸降低。加藥處理24 h的藻細(xì)胞數(shù)為對(duì)照組的78.60%,48 h時(shí)僅為對(duì)照組的50.03%??梢?,TCS對(duì)萊茵衣藻生長有明顯抑制作用。當(dāng)加入0.05、0.15和0.45 μmol/L茉莉酸處理96 h后,藻細(xì)胞數(shù)分別是單獨(dú)TCS處理組的2.38、2.50和2.54倍??梢?,外源施用茉莉酸緩解了TCS對(duì)細(xì)胞衰亡的促進(jìn)作用。然而,從僅JA處理組和對(duì)照相比來看,在0.45 μmol/L JA處理24 h的細(xì)胞數(shù)僅為CK組的78.40%,到96 h時(shí)僅為CK組的52.39%,說明高濃度茉莉酸處理反而抑制了藻細(xì)胞生長。
丙二醛是當(dāng)組織體內(nèi)的器官衰老凋亡或受到外界逆環(huán)境刺激時(shí),細(xì)胞質(zhì)膜發(fā)生的過氧化最終產(chǎn)物之一,是衡量細(xì)胞損傷程度的重要因素[12]。茉莉酸對(duì)三氯生脅迫下萊茵衣藻(以其鮮質(zhì)量來計(jì)算)丙二醛含量的影響如圖2所示。
圖2 茉莉酸作用對(duì)三氯生脅迫下萊茵衣藻丙二醛(MDA)含量的影響
由圖2看出,CK組MDA含量?jī)H為TCS組的26.9%,說明萊茵衣藻細(xì)胞在三氯生作用下發(fā)生膜脂過氧化。當(dāng)加入茉莉酸后,被三氯生誘導(dǎo)上升的MDA含量均有明顯下降??梢姡琂A緩和了TCS對(duì)萊茵衣藻的氧化脅迫。
葉綠素是萊茵衣藻進(jìn)行光合作用的重要元素,具有吸收、傳遞以及轉(zhuǎn)化光能的作用。在環(huán)境因素脅迫下,葉綠素含量往往會(huì)降低,進(jìn)而導(dǎo)致光合作用下降[12]。茉莉酸對(duì)三氯生脅迫下萊茵衣藻葉綠素含量的影響如圖3所示。
圖3 茉莉酸作用對(duì)三氯生脅迫下萊茵衣藻總?cè)~綠素含量的影響
由圖3可知,與對(duì)照組(CK)相比,TCS處理顯著降低了萊茵衣藻葉綠素含量。但是,隨著外源添加茉莉酸從0.05 μmol/L升至0.45 μmol/L,萊茵衣藻葉綠素含量也逐漸恢復(fù)。特別在0.45 μmol/L JA處理后,葉綠素含量與TCS處理組相比增加了53.2%。單獨(dú)添加0.15 μmol/L JA的萊茵衣藻與對(duì)照組相比,葉綠素含量是對(duì)照組的1.33倍,進(jìn)一步說明茉莉酸可以提高萊茵衣藻光合作用。
當(dāng)受到外界環(huán)境的脅迫時(shí),細(xì)胞質(zhì)膜往往最先作出反應(yīng),導(dǎo)致其選擇透過性降低或喪失,因此質(zhì)膜通透性的變化可以反映出細(xì)胞功能受損程度[13]??疾燔岳蛩釋?duì)三氯生脅迫下萊茵衣藻電導(dǎo)率的影響,結(jié)果如圖4所示。
圖4 茉莉酸作用對(duì)三氯生脅迫下萊茵衣藻電導(dǎo)率的影響
從圖4可知,在0 h時(shí)各受試組電導(dǎo)率幾乎無差異。在96 h時(shí),TCS組的相對(duì)電導(dǎo)率最高,是CK組的1.03倍;JA組和TCS+JA組的電導(dǎo)率均比TCS處理組低??梢?,JA改善了因TCS造成的藻細(xì)胞通透性改變。
三氯生處理導(dǎo)致藻細(xì)胞中MDA含量增加,并伴隨著電解質(zhì)滲漏增大,顯示細(xì)胞膜發(fā)生了膜脂過氧化而被氧化損傷。過氧化物酶(POD)作為抗氧化體系中重要組成之一,主要作用是將植物體內(nèi)過量的活性氧轉(zhuǎn)化為H2O,緩解脅迫。在茉莉酸作用下,三氯生對(duì)萊茵衣藻抗氧化酶活力的影響如圖5所示。由圖5(a)可知,TCS處理提高了POD酶活力,比CK增高了1.74%;而外源施用JA后,其酶活力與CK組相比均有下降,分別為30.34%和15.41%??赡艿脑蚴荍A加強(qiáng)了藻自身對(duì)活性氧自由基的清除,緩解了三氯生的氧化脅迫作用,導(dǎo)致POD酶活力降低。
圖5 茉莉酸作用下三氯生對(duì)萊茵衣藻抗氧化體系的影響
谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶(GST)是植物體內(nèi)重要的II相解毒酶,其主要功能是催化某些內(nèi)源的或外來有害物質(zhì)的親電子基團(tuán)與還原型的谷胱甘肽相偶聯(lián),增強(qiáng)其疏水性,使其易于被排出細(xì)胞膜,從而緩解有害物質(zhì)的毒害,達(dá)到解毒的目的[14]。由圖5(b)可知,三氯生脅迫激發(fā)了GST的活性,TCS處理組GST活力比CK提高了37.83%。相反,TCS+JA組與TCS組相比,其酶活力下降了26.83%,和 POD酶活力趨勢(shì)一致。進(jìn)一步說明茉莉酸存在下細(xì)胞毒性減少,GST酶活力的誘導(dǎo)效應(yīng)減弱。
多酚氧化酶(PPO),是多酚化合物氧化過程中的關(guān)鍵酶[14]。多酚氧化酶在植物體內(nèi)廣泛存在,當(dāng)機(jī)體內(nèi)自由基大量存在時(shí)會(huì)誘導(dǎo)PPO大量表達(dá),因此可以作為細(xì)胞的氧化指標(biāo)之一[15]。由圖5(c)可知,與CK組相比,TCS組的PPO活力提高了328.14%,JA組的PPO活力下降了56.20%,TCS+JA組的PPO活力下降了91.15%。進(jìn)一步表明外源茉莉酸的加入促進(jìn)了藻細(xì)胞對(duì)自由基的清除,藻細(xì)胞體內(nèi)自由基的積累量下降,PPO活性降低。
茉莉酸對(duì)萊茵衣藻體內(nèi)三氯生積累量的影響如圖6所示。由圖6(a)可得,TCS處理組藻細(xì)胞內(nèi)三氯生含量明顯較高,是TCS+JA處理組的1.67倍。然而兩組培養(yǎng)基內(nèi)三氯生含量無顯著差異(圖6(b))。可見,茉莉酸促進(jìn)了藻細(xì)胞內(nèi)三氯生的代謝降解而非促進(jìn)藻細(xì)胞對(duì)三氯生的吸收,減輕了三氯生對(duì)藻細(xì)胞的毒害作用。
圖6 藻細(xì)胞內(nèi)三氯生積累量(a)及其培養(yǎng)基中殘留量(b)
利用高分辨液質(zhì)聯(lián)用鑒定了茉莉酸處理下萊茵衣藻體內(nèi)三氯生的代謝產(chǎn)物(表1和圖7)。通過離子流圖對(duì)比,篩出空白對(duì)照組(CK)沒有、而在TCS處理組和TCS+JA處理組新增的峰作為三氯生代謝產(chǎn)物,并根據(jù)該峰的質(zhì)譜信息解析化學(xué)結(jié)構(gòu)。
表1 三氯生代謝產(chǎn)物質(zhì)譜信息
使用四級(jí)桿飛行時(shí)間質(zhì)譜儀進(jìn)行全掃描,得到其對(duì)應(yīng)的離子流圖,將不同加藥處理組的離子流圖進(jìn)行對(duì)比(圖7),其中CK組和TCS處理組沒有檢出,而TCS+JA樣本組中檢出的產(chǎn)物是JA作用于萊茵衣藻而導(dǎo)致TCS代謝的新產(chǎn)物。
紅色線表示TCS+JA處理組;綠色線表示TCS處理組;藍(lán)色線表示空白對(duì)照組
不同處理組細(xì)胞內(nèi)三氯生代謝產(chǎn)物的相對(duì)豐度如圖8所示。由圖8可知,共檢出三氯生代謝產(chǎn)物共6種(M1~M6),其中僅在TCS+JA組檢出有4種,分別是M1(m/z464)、M2(m/z495)、M3(m/z510)和M4(m/z313)。根據(jù)二級(jí)碎片離子信息推斷降解產(chǎn)物結(jié)構(gòu),M1(m/z464)脫落1個(gè)OH—Glucose基團(tuán)(m/z197)形成m/z267的主要碎片離子;M2(m/z495)和M1(m/z464)的主要碎片離子都有m/z267,M2(m/z495)是形成M1(m/z464)的前提化合物,此2種降解產(chǎn)物均為糖基化Ⅱ相代謝物;M3(m/z510)的主要碎片離子為m/z254,推測(cè)為脫去一個(gè)氯原子的三氯生,因此該化合物M3推測(cè)為雙脫氯三氯生結(jié)合物;M6(m/z585)比M3(m/z510)多了75,推測(cè)其為M3的甘氨酸結(jié)合物(Ala-M3);M4(m/z313)的主要碎片離子為m/z153,該碎片離子推測(cè)分子式為C8H9OS·,因此M4化合物推測(cè)為硫乙基取代的三氯生。
圖8 不同處理組細(xì)胞內(nèi)三氯生代謝產(chǎn)物相對(duì)豐度
對(duì)代謝產(chǎn)物進(jìn)行相對(duì)豐度比較發(fā)現(xiàn),有茉莉酸處理的藻細(xì)胞體內(nèi)代謝產(chǎn)物豐度顯著大于僅三氯生處理組。從質(zhì)荷比看出,藻細(xì)胞內(nèi)檢出的代謝產(chǎn)物的質(zhì)荷比均大于母體農(nóng)藥三氯生(m/z287),因此可推測(cè)其降解產(chǎn)物均為Ⅱ相代謝綴合物。Ⅱ相代謝是高等植物解毒外源化學(xué)物的重要生物轉(zhuǎn)化過程。可見,茉莉酸激活了藻體內(nèi)代謝解毒體系,使三氯生向Ⅱ相代謝途徑進(jìn)行。
1)在2 mg/L TCS加藥處理下,通過對(duì)萊茵衣藻細(xì)胞數(shù)、葉綠素、電導(dǎo)率和丙二醛4個(gè)生理指標(biāo)測(cè)定,發(fā)現(xiàn)外源茉莉酸可以緩解三氯生對(duì)萊茵衣藻的氧化脅迫。
2)測(cè)定了不同處理?xiàng)l件下,萊茵衣藻細(xì)胞內(nèi)POD、GST和PPO的酶活。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),TCS+JA組酶活明顯下降,說明外源茉莉酸的加入促進(jìn)了藻細(xì)胞對(duì)自由基的清除,降低了對(duì)酶活的誘導(dǎo)效應(yīng)。
3)通過高效液相色譜準(zhǔn)確測(cè)定了TCS和TCS+JA處理組藻體內(nèi)和相應(yīng)培養(yǎng)液中三氯生的積累量和殘留量。分析發(fā)現(xiàn),TCS+JA組藻體內(nèi)三氯生含量較TCS組明顯降低,然而培養(yǎng)基內(nèi)TCS殘留量并無顯著性差異,說明茉莉酸通過促進(jìn)三氯生的降解,而非促進(jìn)藻細(xì)胞對(duì)三氯生的吸收,從而緩解三氯生對(duì)藻細(xì)胞的毒性作用。
4)通過高分辨質(zhì)譜鑒定了三氯生在TCS和TCS+JA處理藻體內(nèi)和相應(yīng)培養(yǎng)液中的降解產(chǎn)物。一共篩查到了6種降解產(chǎn)物。值得注意的是,TCS+JA處理組藻體內(nèi)大多數(shù)降解產(chǎn)物的相對(duì)含量顯著大于TCS處理組,進(jìn)一步說明了茉莉酸促進(jìn)了三氯生在藻體內(nèi)的代謝。