全 文 ：收稿日期:2005-05-26;修订日期:2006-09-25
基金项目:863计划(2002AA601021);973计划(2002CB412309)资助
作者简介:邱昌恩(1966—),男,汉族 ,湖北鄂州市人;副教授,博士生 ,主要从事植物生理生化及环境生物学研究。 E-mail:qiuchangen@163.com
通讯作者:胡征宇 , E-mai l:huzy@ihb.ac.cn
研究简报
Cd2+对绿球藻生长及生理特性的影响研究
邱昌恩1 , 2　况琪军1　毕永红1　胡建林1 ,2　胡征宇1
(1.中国科学院水生生物研究所淡水生态与生物技术国家重点实验室 ,武汉　430072;2.中国科学院研究生院 ,北京　100039)
THE EFFECTSOF Cd2+ON THE GROWTH AND PHYSIOLOGICAL
CHARACTERISTICSOF CHLOROCOCCUM SP.
QIU Chang-En1 , 2 , KUANG Qi-Jun1 , BI Yong-Hong1 , HU Jian-Lin1 , 2and HU Zheng-Yu1
(1.The State Key Laboratory of Freshwater Ecology and Biotechnology , Institute of Hydrobiology , The Chinese Academy of Sciences , Wuhan　430072;
2.Graduate School of the Chinese Academy of Sciences , Beijing　100039)
关键词:绿球藻;Cd2+;生长;形态结构;生理特性
Key words:Chlorococcum sp.;Cd2+;Growth;Morphostructure;Physiological characteristic
中图分类号:X173　　文献标识码:A　　文章编号:1000-3207(2007)01-0142-04
　　重金属对水环境的危害是人们日益关注的问题。随着
经济的迅猛发展 ,工农业生产过程中排出的有害重金属离子
日益增加 ,如:汞 、镉 、铅 、铜 、锌 、铬 、镍等 , 造成水体受到不同
程度的污染 。过量的重金属离子如铜 、锌 、镉等对生物体具
有毒性 ,并可通过食物链进入人体而引起各种疾病。这些污
染物不仅直接危害人体健康 ,破坏自然环境 , 而且还会给国
民经济造成重大损失。
传统的重金属水处理方法有沉淀法 、电解化学法 、离子
交换法 、活性炭吸附法等 , 但是这些方法成本高 , 或多或少存
在一些不足 ,有的处理后废水中重金属离子仍具有相当的浓
度。藻类是一类光合自养生物 ,在氧化塘法 、生物膜法 、生物
反应器 、生物吸附法以及固定化法处理污水的系统中起着重
要作用 , 且对许多金属具有良好的生物富集能力 , 可广泛应
用于治理已经遭受重金属污染且其他生物难以生存的水域。
国外有许多利用藻类吸附去除镉 、铜等重金属的研究[ 1—4] ,
国内也有许多藻类对 Cu2+、Cd2+等重金属的耐受性和富集
以及重金属对藻类生长 、结构 、生理的影响等方面的研究工
作[ 5—9] 。作者从美国亚里桑那州一家污水处理厂的污水中分
离纯化了一种绿球藻 ,由于其耐污性较好 ,试图通过研究其对
重金属(如铜 、镉 、锌 、铅等)胁迫的响应及生理变化的特征 , 为
其最终应用于重金属污水处理提供参考依据。本文报道重金
属Cd2+对绿球藻的生长、生理和形态结构的影响研究。
1　材料与方法
1.1　试验藻种　绿球藻(Chlorococcum sp.)采自美国亚里桑
那州一家污水处理厂 ,应用微藻分离纯化方法 , 用 BG-11 琼
脂培养基分离纯化后保种培养。在无菌条件下 , 将琼脂培养
基上的单个藻落转接到 BG-11 液体培养基中 , 置 LRH-250-G
光照培养箱中培养 ,在获得足够藻液后用于试验。
1.2　试验仪器　PerkinElmer Analyst 800 原子吸收仪 , Leica
DM5000B研究显微镜 ,氧电极(Rank Brothers , England), 紫外可
见分光光度计(UV-1601 , SHIMADZU)。
1.3　Cd2+浓度设置与培养条件　以 BG-11 为基本培养基 , 灭
菌过的 50mg/ L和 2000mg/L Cd2+(用分析纯 CdCl2·2.5H2O 配
制)为母液 , 配制成 0.1 , 1 , 5 , 10 , 50 , 100 , 200mg/ L七个 Cd2+浓度
梯度。每个浓度组三个重复, 均用 250mL锥形瓶盛装培养液,
配后体积 150mL。设一个不含 Cd2+的 BG11 培养基作参照。
取适量液体藻种在 4000r/min 离心 10min , 用 15mg/ L
NaHCO3悬浮洗涤 2 次(洗去藻体上附着的培养基), 然后对每
个实验组进行等量接种后 ,置上述光照培养箱中培养。培养
温度 25±1℃, 光照强度35—40μmol/m2·s , 光暗时间比为 14∶
10 ,光照期间每天定时摇动 4 次。
第 31卷 第 1 期 水 生 生 物 学 报 Vol.31 , No .1
2 0 0 7 年 1 月 ACTA HYDROBIOLOGICA SINICA Jan., 2 0 0 7　
1.4　生长测定和增长率(μ)计算　10d 内 , 每隔 48h , 用 SHI-
MADZU UV-1601 分光光度计 ,在 660nm 波长处测一次藻液的吸
光值(OD)。用细胞个数与光密度之间的线性回归方程
C=0.02776+16.76748A(R=0.99781)计算细胞密度 ,回归方程中
C 为细胞个数A为光密度。以公式μ=(logN-logN0)/ t计算比
生长速率 ,式中 μ为比生长速率 , N0 , N 表示培养物生长计时起
始和结束时的藻类生物量即光密度 , t 为结束与起始时间差(d)。
1.5　叶绿素含量测定　培养 6d 时 , 每个处理取藻液 5mL,
4000r/min 离心 10min ,去除培养液 , 藻体用 80%丙酮提取 2 次,
每次 24h。采用文献[ 10] 方法测叶绿素含量。每组 2个重复。
1.6　Cd2+含量测定　培养 6d 后 , 每个处理组的 2 个重复 ,
各取 5mL藻液 ,在 4000r/ min 离心 10min , 取上清液进行 Cd2+
含量测定。用起始 Cd2+含量减去培养后的 Cd2+含量 , 计算
每个处理绿球藻对 Cd2+的去除率。
1.7　光合作用强度和呼吸作用强度测定　培养 8d 后 , 每个
处理取 2mL藻液 ,用氧电极法[ 16]测量各处理的光合作用和
呼吸作用强度 ,每组处理做 2 个重复样。
1.8　显微结构观察　培养 10d 后 , 每个处理制成玻片 , 用
DM5000B研究显微镜在40×物镜下观察拍照。
1.9　统计分析方法　生物统计的单因子方差分析(ANOVA)
以及平均数 LSD多重比较用于检验本研究指标间的差异。
2　结　果
2.1　Cd2+对绿球藻生长的影响
从图 1可以看出 , 以 BG11培养基作参照 , 在低浓度 Cd2+
(1mg/ L 以下)培养条件下 , 绿球藻生长与对照 BG11 培养
基相近 , 最大比生长速率均出现在第 6d , Cd2+对绿球藻生
长基本没有影响;5—10mg/ L Cd2+培养条件下 , 绿球藻可
以生长 , 最大比生长率均出现在第 8d , 说明绿球藻可以耐
受此 Cd2+浓度;在 50mg/ L 以上 Cd2+浓度下培养 , 绿球藻
出现负生长 , Cd2+对藻生长表现明显抑制作用(ANOVA ,
p<0.05)。
图 1　Cd2+对绿球藻生长的影响
Fig.1　The effect of Cd2+on the growth of chlorococcum sp.
2.2　Cd2+对绿球藻叶绿素含量的影响
从表 1可知 , 随培养基中 Cd2+浓度增加 , 绿球藻 Chl a+
Chl b 含量以及 Chl a含量逐渐降低 ,说明 Cd2+可能抑制了绿
球藻叶绿素合成。浓度大于 10mg/L的 Cd2+对细胞色素含量
具有显著性影响(p<0.05)。
表 1　Cd2+对绿球藻叶绿素含量的影响(培养 6d)
Tab.1　The effect of Cd2+ on the chlorophyll contents in Chlorococcum sp.(cultivating 6 days)
Cd2+培养浓度(mg/ L)
Cd2+concentration
BG11
Cont rol
0.1 1 5 10 50 100 200
Chla+Chlb(pg/ cel l) 1.663 1.488 1.455 1.098 0.878 0.641 0.563 0.469
Chla(pg/ cell) 0.712 0.663 0.619 0.469 0.393 0.320 0.249 0.170
2.3　Cd2+对绿球藻光合作用和呼吸作用的影响
从表 2 可知 , 随 Cd2+浓度增加 ,绿球藻呼吸强度逐渐降
低 ,说明 Cd2+抑制了绿球藻的呼吸作用 ,各浓度组与对照有
显著差异(p<0.05)。在 1mg/L Cd2+浓度以下 ,绿球藻净光
合强度有所增强 , 然后随 Cd2+浓度增加 , 绿球藻净光合强度
逐渐降低;Cd2+浓度大于等于 50mg/L 时 , 净光合作用强度
检测不到。绿球藻在 5mg/L Cd2+浓度以上 , Cd2+对绿球藻
光合作用具有明显抑制作用(p<0.05)。
表 2　Cd2+对绿球藻光合作用和呼吸作用的影响(培养 8d)
Tab.2　The effect of Cd2+on photosynthesis and respiration in Chlorococuum sp.(cultivating 8 days)
Cd2+培养浓度(mg/ L)
Cd2+ concentration
BG11
Cont rol
0.1 1 5 10 50 100 200
净光合强度
Net photosynthetic rate
(μmolO2/ h·cell×1010)
7290 8618 8190 1080 507 - - -
呼吸强度
Respiration rate
(μmolO2/ h·cell×1010)
3447 3025 2664 2370 1548 1559 878 637
1期 邱昌恩等:Cd2+对绿球藻生长及生理特性的影响研究 143　
2.4　Cd2+对绿球藻显微结构的影响
在正常 BG11 培养基培养条件下 , 绿球藻的显微结构具
明显细胞壁 , 壁较厚 , 色素深 , 具一个蛋白核 , 如图 2(A)。
Cd2+对绿球藻显微结构的影响见图 2(B-H):在 0.1 , 1mg/L
Cd2+浓度下 , 与对照相比细胞壁不见明显增厚 , 色素没多大
变化 ,但蛋白核由一个变为多个(B-C);5—200mg/L Cd2+浓
度条件下 , 细胞壁逐渐增厚 , 且 Cd2+浓度越大 , 细胞壁增厚
越明显 , 色素含量减少 ,蛋白核消失(D-H)。
图 2　Cd2+对绿球藻显微结构的影响　(比例尺=10微米)
Fig.2　The effect of Cd2+on the microstructure of Chlorococcum sp.(Bar=10μm)
A:BG11 , B:0.1mg/ L Cd2+ , C:1mg/ L Cd2+ , D:5mg/ L Cd2+ , E:10mg/L Cd2+, F:50mg/ L Cd2+, G:100mg/ L Cd2+ , H:200mg/L Cd2+
2.5　绿球藻对 Cd2+的去除
不同 Cd2+浓度条件下培养 6d 后, 测定绿球藻对 Cd2+的
去除情况 ,结果见图3。10mg/ L Cd2+培养条件下 ,去除率最高
达88.05%, 之后随 Cd2+浓度增加, 去除率逐渐降低;10mg/ L
Cd2+浓度以下 , 随 Cd2+浓度增加 , 去除率逐渐增加;而在较
低浓度下(0.1mg/ L)绿球藻对 Cd2+的去除率很低 ,仅为 6%。
图 3　绿球藻对Cd2+的去除率(培养 6d)
Fig.3　The removal rate of Chlorococcum sp.on Cd2+
3　讨　论
镉是植物非必需元素 ,镉进入植物体内并积累到一定浓
度 ,就会表现出毒害症状。导致重金属对藻类毒性差异的主
要因素包括藻类种类 、生理和环境条件以及重金属的形
态[ 11] 。低浓度 Cd2+(小于 1mg/ L)对绿球藻生长没有影响 ,
在 5—10mg/L 浓度下可以生长 , 浓度大于 50mg/L 时才完全
抑制绿球藻生长。这说明绿球藻是一种耐受 Cd2+胁迫的藻
类 ,而且在可以生长的浓度范围内对 Cd2+具有较高的吸收 ,
达 88%左右。据文献 Cd 在小于 10ppm 浓度下就抑制羊角月
牙藻 、栅藻 、斜生栅藻 、纤维藻 、小球藻等的生长[ 12] 。因此认
为 ,绿球藻是一种处理重金属废水较好的材料 , 可以应用于
含镉等重金属污水的处理。
绿球藻耐受Cd2+的原因 ,可能有以下几个方面:第一 , 绿
球藻形成多个蛋白核以储存能量 ,以提供因呼吸作用增强而
导致的能量消耗;第二 , 绿球藻形成厚的细胞壁 , 由于壁上的
多糖和蛋白质分子中的—NH2、—OH、—COOH 、—NH 、—SH
等基团与镉离子结合[ 13] ,结果 Cd2+过多地吸附在细胞壁上 ,
而转运到藻体内的量相对减少 ,从而提高了绿球藻对高浓度
Cd2+胁迫的适应;第三 ,资料证明 , 镉处理可以使海藻(Nan-
nochloropsis oculata)的抗氧化酶及同工酶发生改变[ 14] , Cd2+胁
迫可能同样导致绿球藻体内的氧化酶类及同工酶的活性发
生变化而增强其对 Cd2+的耐受力;第四 , Cd2+胁迫诱导雪松
聚球藻藻体内产生抗性蛋白金属硫蛋白[ 15] , 镉和铜还可使
藻胞内胞外产生金属配体[ 16] , 因而 Cd2+胁迫也有可能诱导
绿球藻产生这些物质从而增强对Cd2+的抗性。有关第三 、第
四两个方面 ,作者将通过进一步试验予以验证。
高浓度 Cd2+(大于 50mg/ L)对绿球藻有明显的毒害作
用 ,表现为生长停止 , 总叶绿素以及叶绿素 a 含量明显下降 ,
光合作用降低 ,呼吸作用降低。这个结果与国内外研究Cd2+
对藻类的毒害机理基本类似。如:锌 、钴 、镉使绿藻(Chlorella
pyrenoidosa Chicks-39)光合放氧减少 , PS Ⅱ 活性降低 , 抑制
PSⅡ的电子传输[ 17] ;高浓度 Cu2+、Cd2+、Zn2+可使五种单胞
藻光合色素含量下降[ 18] ;Cu、Zn、Pb 、Cd 等离子可影响小形月
牙藻 、扁藻的叶绿体 、线粒体结构[ 19 , 20]等等。在 0.1mg/L 和
1mg/ L Cd2+浓度下 ,绿球藻净光合强度增高 , 是由于此时呼
吸强度降低所致。细胞壁增厚是绿球藻对 Cd2+胁迫产生的
结构上的适应 ,其作用如前所述。
144　 水　　生　　生　　物　　学　　报 31卷
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