呂 芳,王翔宇,辛美麗,詹冬梅,丁 剛,吳海一
(1.山東省海洋生物研究院,山東省大型海藻資源保護(hù)與應(yīng)用工程技術(shù)研究中心,山東青島 266104;2.青島市大型海藻工程技術(shù)研究中心,山東青島 266104)
《2018年中國海洋生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示,我國近海海域水質(zhì)主要超標(biāo)要素為無機(jī)氮和活性磷酸鹽,呈富營養(yǎng)化狀態(tài)的海域面積達(dá)56 680 km2,氮、磷濃度在不同海域變化較大。由于大型海藻生產(chǎn)力很高,在生長過程中可大量吸收碳、氮、磷等生源要素,因此,栽培大型海藻是凈化養(yǎng)殖廢水、控制水域富營養(yǎng)化和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的有效措施[1-3]。
海黍子(Sargassummuticum)屬褐藻門,馬尾藻科,是馬尾藻屬中一種重要的提取褐藻膠和多酚等活性物質(zhì)的主要原料之一,具有巨大的潛在經(jīng)濟(jì)價(jià)值。此外,海黍子還具有適應(yīng)性廣、生長快、營養(yǎng)儲存庫大等特點(diǎn),對海水中的富營養(yǎng)化物質(zhì)和重金屬等有較強(qiáng)的生物吸附能力[4-5],具有重要的生態(tài)價(jià)值和較好的應(yīng)用前景,從而成為修復(fù)富營養(yǎng)化水域和構(gòu)建海藻場的研究熱點(diǎn)。氮、磷營養(yǎng)鹽是海藻細(xì)胞生長的重要限制性營養(yǎng)元素,對海藻的生長具有顯著影響[6-8],在一定的濃度范圍內(nèi)會使藻類的生長速率升高,光合作用增加,但濃度過低或過高時(shí),則對藻類的生長產(chǎn)生抑制作用。大型海藻對氮、磷營養(yǎng)鹽的吸收特性不僅因海藻種類存在差異,與海藻的生長環(huán)境和發(fā)育階段也顯著相關(guān),盡管營養(yǎng)鹽濃度對海黍子生長的影響已有一些報(bào)道[5,9],但高濃度氮、磷對海黍子藻體內(nèi)各種生化組分的生成和消耗以及抗氧化系統(tǒng)的調(diào)節(jié)等仍鮮見報(bào)道,而這方面的研究對弄清海黍子在人工增養(yǎng)殖過程中養(yǎng)殖環(huán)境的選擇及其在富營養(yǎng)化水域中進(jìn)行生物修復(fù)所持續(xù)的時(shí)間和對環(huán)境的適應(yīng)性等具有極其重要的意義。鑒于此,本研究通過實(shí)驗(yàn)生態(tài)學(xué)方法,探討不同氮、磷營養(yǎng)條件對海黍子的生長、生理生化特性以及抗氧化能力的影響,旨在為豐富海黍子人工增養(yǎng)殖技術(shù)體系,進(jìn)而為我國近海富營養(yǎng)化等環(huán)境污染的生物治理和可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。
實(shí)驗(yàn)用海黍子為2019年3月采集于山東榮成俚島近岸海域(37°25′N、122°59′E)潮下帶的野生群體。藻體采集后用保溫箱迅速運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室,用海水反復(fù)清洗去除泥沙及雜質(zhì),置于循環(huán)水箱中充氣暫養(yǎng),培養(yǎng)條件為溫度15℃,光照強(qiáng)度5 000 lx,鹽度30.5,光周期12L∶12D,5 d后用于實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)在1 L的三角瓶中進(jìn)行,選取健康藻體,每瓶放置(4.0±0.1)g。培養(yǎng)液以天然海水(海水鹽度為基質(zhì),經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后,用NaNO3、NaNO2、(NH4)2SO4、KH2PO4加富氮、磷濃度,其中各試驗(yàn)組中溶解無機(jī)氮(dissolved inorganic nitrogen,DIN)的濃度比設(shè)為5∶5∶1。實(shí)驗(yàn)分組如下:T1(對 照 組,天 然 過 濾 海 水),T2P),T3(100μmol·L-1DIN+6.25μmol·L-1L-1DIN+37.5μmol·L-1每組設(shè)3個(gè)重復(fù)。培養(yǎng)條件同1.1,每隔一天更換培養(yǎng)液,實(shí)驗(yàn)周期為15 d,在實(shí)驗(yàn)的1、3、7、15 d分別取樣進(jìn)行測定。
觀察藻體表觀性狀并稱量鮮質(zhì)量,按下式計(jì)算相對生長速率:
式(1)中,Wt為實(shí)驗(yàn)中期或結(jié)束時(shí)鮮藻體質(zhì)量(g),W0為實(shí)驗(yàn)開始時(shí)鮮藻體質(zhì)量(g),t為培養(yǎng)時(shí)間(d)。
式(2)中,V為吸收速率[μmol·(g·h)-1],S0、St分別為取樣時(shí)間間隔的起始和結(jié)束時(shí)培養(yǎng)液中氮、磷的濃度,V0為每次取樣時(shí)間間隔起始的培養(yǎng)液體積(L),t為取樣的時(shí)間間隔(h),B為實(shí)驗(yàn)開始時(shí)鮮藻體質(zhì)量(g)。
光合色素的提取和測定參照呂芳等[10]的方法測定。取0.1 g新鮮藻體在液氮中研磨成勻漿狀,加入8 mL 80%丙酮,然后置于4℃黑暗處抽提24 h。于4℃、4 000 r·min-1離心10 min,棄沉淀,上清用80%丙酮定容至10 mL。以80%丙酮作為空白對照,分別測定665、652、510、480 nm波長處的吸光值。重復(fù)3次以上,計(jì)算平均值。按下式計(jì)算葉綠素a和類胡蘿卜素的含量:
式(3)、式(4)中,V為浸提丙酮的體積(mL),W為鮮藻體質(zhì)量(g),葉綠素a和類胡蘿卜素含量的單位為mg·g-1。
可溶性蛋白采用南京建成蛋白檢測試劑盒-考馬斯亮藍(lán)法測定。取1.0 g新鮮藻體在液氮中研磨成勻漿狀,加蒸餾水后離心定容到10 mL,作為待測溶液。
超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、過氧化氫酶(catalase,CAT)、過氧化物酶(peroxidase,POD)的活性和丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量均采用南京建成生物工程研究所試劑盒測定。取1.0 g新鮮藻體在液氮中研磨成勻漿狀,加入4 mL提取液(50 mmol·L-1磷酸緩沖液,pH 7.0;0.1% Triton X-100;1% PVP),離心取上清作為待測溶液。
采用SPSS 13.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,用單因素方差分析(one-way ANOVA)的Duncan法進(jìn)行組間多重比較,當(dāng)P<0.05時(shí)為有顯著性差異。結(jié)果采用Origin 9.0進(jìn)行分析繪圖。
比較不同氮、磷濃度對海黍子相對生長速率的影響發(fā)現(xiàn),培養(yǎng)3 d時(shí),藻體RGR隨著氮、磷濃度的增加,呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢,除T6試驗(yàn)組與對照組無顯著性差異外(P>0.05),T2、T3、T4、T5試驗(yàn)組的RGR隨著氮、磷濃度的增加較對照組分別上升了30.7%、61.7%、47.0%和23.8%;培養(yǎng)7 d時(shí),各試驗(yàn)組的RGR均較3 d時(shí)有所下降,其中T2試驗(yàn)組仍顯著高于對照組,T6試驗(yàn)組則顯著低于對照組(P<0.05),而其余3組均與對照組無顯著差異(P>0.05);培養(yǎng)15 d時(shí),僅T2試驗(yàn)組的RGR與對照組無顯著差異,其他試驗(yàn)組均顯著低于對照組,且隨著氮、磷濃度的增加呈逐漸下降的趨勢,其中T6試驗(yàn)組RGR出現(xiàn)負(fù)增長,這可能是因?yàn)榈?、磷濃度過高對海黍子產(chǎn)生了毒害作用,抑制了其生長代謝過程(圖1)。
圖1 不同氮、磷濃度對海黍子相對生長速率的影響Fig.1 Effects of different N,P concentrations on relative growth rate of S.muticum
加富不同氮、磷濃度培養(yǎng)3 d后,海黍子對3種形態(tài)氮和磷的吸收速率見圖2。隨著氮、磷濃度的增加,藻體對3種形態(tài)氮和磷的吸收速率均呈逐漸升高的趨勢,且均較對照組存在顯著性差異(P<0.05);比較3種形態(tài)氮的吸收速率發(fā)現(xiàn),海黍子對NH+4-N的吸收速率略高于NO-3-N,但兩者間差異不顯著(P>0.05),而對NO-2-N的吸收速率則顯著低于NH+4-N和NO-3-N。
圖2 海黍子對不同形態(tài)氮和磷吸收速率的比較Fig.2 Comparison of different forms of N and P absorptivity rates in S.muticum
海黍子光合色素的含量均受到氮、磷濃度和培養(yǎng)時(shí)間的影響。在3 d時(shí),T3、T4、T5、T6試驗(yàn)組葉綠素a的含量隨著氮磷濃度的升高均有增加;在7 d時(shí),藻體葉綠素a的含量隨著氮、磷濃度的升高呈先上升后下降的趨勢,在T4試驗(yàn)組中達(dá)到最大值,氮、磷濃度較低的4個(gè)試驗(yàn)組藻體葉綠素a的含量顯著高于對照組(P<0.05);至15 d時(shí),各試驗(yàn)組葉綠素a的含量均有所下降,除T1試驗(yàn)組與對照組無顯著差異外,其余4組則顯著低于對照組(P<0.05)(圖3-A)。
在培養(yǎng)3 d時(shí),各試驗(yàn)組類胡蘿卜素的含量均顯著升高,隨著氮、磷濃度的升高,T2、T3、T4、T5、T6試驗(yàn)組分別比對照組高22.0%、26.1%、26.2%、39.5%和35.8%;培養(yǎng)7 d時(shí),T3、T4、T5、T6試驗(yàn)組類胡蘿卜素的含量仍顯著高于對照組,其中T4試驗(yàn)組最高;培養(yǎng)15 d時(shí),各試驗(yàn)組變化各異,其中T2試驗(yàn)組仍顯著高于對照組(P<0.05),T3試驗(yàn)組與對照組差異不顯著(P>0.05),T4、T5、T6試驗(yàn)組較對照組則顯著降低(圖3-B)。
圖3 不同氮、磷濃度對海黍子光合色素含量的影響Fig.3 Effects of different N,P concentrations on photosynthetic pigments of S.muticum
氮、磷濃度對海黍子可溶性蛋白含量的影響比較顯著,培養(yǎng)3 d時(shí),T2、T3試驗(yàn)組與對照組無顯著差異,而T4、T5、T6試驗(yàn)組顯著升高,但3組間差異并不顯著(P>0.05);培養(yǎng)7 d時(shí),各試驗(yàn)組可溶性蛋白含量均顯著高于對照組,且隨著氮、磷濃度的升高呈先上升后下降的趨勢,其中T5試驗(yàn)組最高;至15 d時(shí),T2、T3、T4、T5、T6試驗(yàn)組可溶性蛋白含量分別是對照組的1.16、1.25、1.25、2.06和1.61倍,差異顯著(P<0.05)(圖4)。
圖4 不同氮、磷濃度對海黍子可溶性蛋白含量的影響Fig.4 Effects of different N,P concentrations on soluble protein content of S.muticum
各試驗(yàn)組SOD活性的變化隨氮、磷濃度的升高呈現(xiàn)差異性,其中T2試驗(yàn)組SOD活性在培養(yǎng)3 d時(shí)略有下降,7 d后與對照組無顯著性差異(P>0.05);T3試驗(yàn)組在培養(yǎng)3 d時(shí),其藻體SOD活性較對照組無顯著差異,7 d時(shí),較對照組上升了13.8%,15 d又降至對照組水平;T4、T5、T6組在實(shí)驗(yàn)期間SOD活性均保持在較高水平,15 d時(shí)分別比對照組高出15.3%、11.5%和12.8%(圖5-A)。
實(shí)驗(yàn)期間,各試驗(yàn)組藻體CAT活性隨氮、磷濃度的升高均呈先升高后下降的趨勢。T2試驗(yàn)組CAT活性僅在培養(yǎng)7 d時(shí)略低于對照組,其他時(shí)間均與對照組無顯著差異(P>0.05);T6試驗(yàn)組CAT活性在15 d內(nèi)均顯著低于對照組,其中15 d時(shí)僅為對照組的52.2%;T3、T4、T5試驗(yàn)組CAT活性則顯著高于對照組,至15 d時(shí)較對照組分別高10.2%、26.4%和56.8%(圖5-B)。
培養(yǎng)3 d時(shí),POD活性試驗(yàn)組T2、T3、T4藻體與對照組無顯著差異,而T5、T6組POD活性則顯著高于對照組(P<0.05);培養(yǎng)7 d時(shí),藻體POD活性隨氮、磷濃度的升高呈逐漸上升的趨勢,其中T4、T5、T6組較對照組分別升高22.2%、47.9%和56.1%;至15 d時(shí),除T6組POD活性略有下降外,其余各試驗(yàn)組仍呈上升趨勢(圖5-C)。
MDA含量在實(shí)驗(yàn)期間均隨著氮、磷濃度的增加呈逐漸上升的趨勢,除T2、T3組在培養(yǎng)3 d時(shí)MDA的含量略低于對照組外,其余各組MDA的含量在實(shí)驗(yàn)期間較對照組均有不同程度的升高,尤其是T5、T6試驗(yàn)組MDA含量在培養(yǎng)7 d后急劇升高,至15 d時(shí)較對照組分別上升了127.1%和312.7%(圖5-D)。
圖5 不同氮、磷濃度對海黍子抗氧化系統(tǒng)的影響Fig.5 Effects of different N,P concentrations on antioxidant system of S.muticum
海藻的生長受海水中營養(yǎng)鹽的影響,其中氮、磷是主要的限制性營養(yǎng)元素。本研究結(jié)果表明,氮、磷濃度和培養(yǎng)時(shí)間顯著影響海黍子的生長。氮、磷濃度在不高于400、25μmol·L-1下,培養(yǎng)3 d時(shí),藻體的生長速率隨著氮、磷濃度的升高而增加,這與YU和YANG[6]報(bào)道的龍須菜(Gracilarialemaneiformis)在氮、磷濃度較高的情況下生長速率增大的結(jié)果一致,其原因是海水中營養(yǎng)鹽濃度的上升可使藻體利用營養(yǎng)生長的一系列生理過程的底物濃度升高,從而使海藻的同化作用增加,促進(jìn)藻體生長。而當(dāng)海水中氮、磷含量超過一定濃度后,其對藻類的生長則產(chǎn)生抑制作用,本研究也進(jìn)一步證實(shí)了海藻生長存在臨界營養(yǎng)鹽濃度[11],超過該臨界值反而不利于海藻的生長。當(dāng)繼續(xù)培養(yǎng)至7 d時(shí),氮、磷濃度超過100、6.25μmol·L-1,隨著氮、磷濃度的升高藻體生長速率有下降的趨勢,可見該臨界營養(yǎng)鹽濃度與海藻的營養(yǎng)狀態(tài)有關(guān),當(dāng)海藻處于營養(yǎng)虧損狀態(tài)下,營養(yǎng)鹽加富會導(dǎo)致海藻出現(xiàn)超補(bǔ)償生長[12],當(dāng)海藻處于營養(yǎng)過剩條件下,營養(yǎng)的持續(xù)加富會由促進(jìn)作用轉(zhuǎn)為抑制作用。因此海黍子在人工增養(yǎng)殖過程中養(yǎng)殖海區(qū)的選擇尤為重要,氮、磷濃度在不超過400、25μmol·L-1時(shí)海黍子生長良好,當(dāng)?shù)?、磷濃度上升?00、37.5μmol·L-1時(shí),海黍子的生長在比較短的時(shí)間內(nèi)就會受到抑制。此外,氮磷比也是影響藻類生長的重要影響因素,這些都有待進(jìn)一步的研究。
在培養(yǎng)3 d時(shí),海黍子對氮、磷的吸收速率隨著外界營養(yǎng)鹽濃度的升高而增大,而同期藻體的生長速率卻呈先升高后下降的趨勢,原因可能是當(dāng)?shù)?、磷濃度達(dá)到海藻生長所需的臨界營養(yǎng)鹽濃度時(shí),藻類生長達(dá)到飽和狀態(tài),而營養(yǎng)鹽濃度過高則導(dǎo)致營養(yǎng)鹽在藻體內(nèi)積累[6]。研究表明,海藻從環(huán)境中吸收的氮主要是形式,其中首先要被還原為才能為藻體所同化,所以當(dāng)環(huán)境中和等氮源共存時(shí),絕大多數(shù)藻類總是優(yōu)先選擇吸收本研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)和等量存在時(shí),海黍子對兩種氮源的吸收無顯著差異,這可能與海黍子的生理狀態(tài)和實(shí)驗(yàn)條件有關(guān),也可能是不同形態(tài)氮之間的相互影響所致[14],具體的作用機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。
海水中氮、磷濃度的高低在影響?zhàn)B殖海藻生長的同時(shí),也對藻體內(nèi)的各種生化組分(如色素、蛋白質(zhì)等)的含量進(jìn)行著調(diào)節(jié)。葉綠素作為藻類進(jìn)行光合作用的主要色素,其含量的多少直接影響光合速率和光合能力,此外葉綠素也是藻體內(nèi)一種重要的氮貯藏庫。研究表明,在外界氮源豐富的條件下,藻體細(xì)胞可以將外界的氮源合成葉綠素積累于葉綠體中,而在缺氮情況下,葉綠素就會降解釋放出氮以供應(yīng)細(xì)胞的生長,進(jìn)而起到調(diào)節(jié)氮源的作用[15],因此養(yǎng)殖海藻葉綠素含量的變化對研究海藻的生長特征具有重要意義。本研究中氮、磷加富培養(yǎng)3 d時(shí),可促進(jìn)海黍子藻體內(nèi)葉綠素a的生成,但繼續(xù)培養(yǎng)至15 d,氮、磷濃度高于100、6.25μmol·L-1時(shí)反而阻止了葉綠素a的生成,在其他一些大型海藻中也得到類似的結(jié)果[6,16],推測其原因可能是高濃度的氮、磷抑制了葉綠素相關(guān)合成酶的活性,從而阻礙了葉綠素的合成,導(dǎo)致藻體內(nèi)葉綠素含量的顯著下降。類胡蘿卜素是光合作用的輔助色素,也是一種光氧化保護(hù)劑,本研究顯示其含量在氮、磷加富3 d時(shí)顯著升高,至15 d,氮、磷濃度高于200、12.5μmol·L-1時(shí)則顯著降低,進(jìn)一步說明過高濃度的氮、磷在長時(shí)間作用下會抑制海藻的生長。
藻體內(nèi)可溶性蛋白是衡量藻類代謝水平的重要指標(biāo)之一,其含量的升高有助于維持藻細(xì)胞的正常代謝,提高其抗逆性。NH+4或NO-3是藻體內(nèi)蛋白質(zhì)合成的底物,因此海水中氮濃度的變化對蛋白質(zhì)的合成具有顯著影響。培養(yǎng)7 d后,各試驗(yàn)組可溶性蛋白含量均顯著升高,說明海黍子可能通過提高可溶性蛋白的含量來增加細(xì)胞滲透濃度和功能蛋白的數(shù)量,而啟動自身保護(hù)機(jī)制以維持藻細(xì)胞的正常代謝,其中當(dāng)?shù)?、磷濃度?00、25μmol·L-1培養(yǎng)15 d時(shí),藻體可溶性蛋白含量達(dá)到峰值,提示海水中氮、磷濃度超過該值后,進(jìn)入藻體的氮、磷不能參與蛋白的合成和生長。
藻類在生長過程中,活性氧的產(chǎn)生與清除處于動態(tài)平衡狀態(tài)。當(dāng)藻類處于逆境脅迫下,動態(tài)平衡被破壞,造成活性氧自由基的大量累積,由此啟動抗氧化酶類防御系統(tǒng)。SOD、CAT和POD是藻類細(xì)胞內(nèi)清除活性氧的主要抗氧化酶,其活性被認(rèn)為是藻類抗逆性的重要指標(biāo)[17-18]。本研究表明,氮、磷濃度和培養(yǎng)時(shí)間可顯著影響海黍子藻體的抗氧化酶系統(tǒng)。氮、磷濃度為50、3.13 μmol·L-1加富培養(yǎng)3 d時(shí),CAT和POD活性沒有顯著變化,而SOD活性略有下降,表明該處理沒有造成藻細(xì)胞活性氧的積累。當(dāng)?shù)?、磷濃度升高?00、12.5μmol·L-1以上時(shí),SOD活性顯著升高,而CAT的活性則在氮、磷濃度為600、37.5 μmol·L-1的試驗(yàn)組中顯著降低,推測發(fā)生此種變化的原因可能是藻體受脅迫后產(chǎn)生活性氧(ROS)的量上升,從而激活更多的SOD來清除活性氧,而產(chǎn)生的超氧化物進(jìn)一步歧化為H2O2,H2O2的大量積累導(dǎo)致CAT代謝失衡,活性下降。培養(yǎng)7 d后,SOD、CAT和POD 3種抗氧化酶活性變化各異,表明海黍子對海水中不同氮、磷營養(yǎng)條件的響應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜過程。對于作為衡量細(xì)胞膜脂損傷程度重要指標(biāo)的MDA含量,氮、磷濃度在低于200、12.5μmol·L-1的試驗(yàn)組中培養(yǎng)3 d時(shí)出現(xiàn)了短暫的下降,進(jìn)一步說明藻體內(nèi)活性氧可能沒有大量積累,膜脂過氧化程度較低,而持續(xù)培養(yǎng)7 d后,各氮磷加富試驗(yàn)組藻體MDA含量較之對照組均明顯升高,表明藻體內(nèi)活性氧增多,造成膜脂過氧化程度增強(qiáng)。這一現(xiàn)象說明,長期富營養(yǎng)化環(huán)境會使海黍子的抗逆性受到抑制,不但不能起到生物修復(fù)作用,反而受其脅迫,海黍子生長受到抑制。
本研究探討了不同氮、磷營養(yǎng)條件下海黍子的生長、生理生化特性以及抗氧化能力的變化情況,表明氮、磷濃度在一定濃度范圍和培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)對海黍子生長起到明顯的促進(jìn)作用,而當(dāng)?shù)⒘诐舛瘸^一定值或培養(yǎng)時(shí)間時(shí),海黍子的生長及藻體的各項(xiàng)生理生化指標(biāo)開始受到抑制,并逐漸發(fā)生過氧化損傷,抗逆性受到抑制,該結(jié)果可為進(jìn)一步完善海黍子的健康養(yǎng)殖技術(shù)和對富營養(yǎng)化污染水域的修復(fù)機(jī)制研究提供一定的理論參考。