全 文 ：应用与环境生物学报　 2005, 11(6):690～ 693 　 　
Chin J A pp lEnviron B io l=ISSN 1006-687X 　 2005-12-25
　
Cu
2+对一种绿球藻生长及生理特性的影响*
邱昌恩 1, 2, 3　刘国祥 1　况琪军 1　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;3湖北师范学院生物系　湖北黄石　 435002)
摘　要　研究了不同浓度的 Cu2+(0. 01, 0. 1, 1, 10, 50, 100, 200m g /L)对绿球藻(Chlorococcum sp. )生长 、形态结构及生
理特性的影响.结果表明 , Cu2+对绿球藻的显微结构 、生长及生理状态的影响比较显著. 与对照 BG11培养的绿球藻比
较 , 0. 01 ～ 1 mg /L Cu2+浓度下培养的绿球藻 ,细胞壁无明显增厚 ,色素没有多大变化 , 但蛋白核由一个变为多个;而在
高浓度 (10 ～ 200 m g /L Cu2+)下 ,细胞壁明显增厚为多层 , 色素减少 , 蛋白核减少并回复到 1个或消失. 低浓度 Cu2+
(0. 01, 0. 1 mg /L)对绿球藻生长无影响;高于 0. 1 m g /L浓度时 ,绿球藻生长变得缓慢甚至出现负生长.在 1 m g /L Cu2+
浓度下 ,绿球藻对 Cu2+的去除率最高为 90. 5%;叶绿素含量及光合作用强度随 Cu2+浓度的升高逐渐降低;呼吸强度在
0. 01 ～ 10 mg /L Cu2+浓度范围内逐渐升高 , 大于 10 m g /L Cu2+则逐渐降低. 结果提示 , 绿球藻是一种耐受 Cu2+胁迫的
藻类 ,对其去除率也高 , 可以应用于含铜污水的处理. 图 3表 3参 17
关键词　绿球藻;Cu2+;生长;细胞结构;生理特性
CLC　X I 73 ∶ Q945. 78
EFFECT OF Cu
2+
ON GROWTH AND PHYSIOLOGICAL CHARACTERISTICS
OF CHLOROCOCCUM SP.
*
Q IU Chang’ en1, 2, 3 , LIU G uox iang1 , KUANG Q ijun1＆HU Zhengyu1**
(1S ta teK ey Laboratory ofF reshwa terE co logy and B iotechnology, In stitu te ofHydrobio logy, Ch inese Academy o fS ciences, Wuhan 430072, C hina)
(2Gradua te S chool of th e Ch inese Academy o fS ciences, Bei jing 100039, C hina)
(3D epartmen t ofB io logy, Hubei Norm a lUn iversity , Huangsh i435002, H ubei, Ch ina)
Abstract　The effec ts o f d iffe rent concentrations o f Cu2+(0. 01, 0. 1, 1, 10, 50, 100, 200 mg /L) in BG11 on the grow th,
m orpho structure and phy sio log ica l characteristics o fCh lorococcum sp. w ere studied, and the effects we re obvious. Compared
w ith the ce ll cultured in BG11, the ce ll w a ll of the ce lls cultured at low concentration o f Cu2+(0. 01 ～ 1 m g /L) did not
m arkedly becom e th ick and the ch lo rophy ll d id no t change notably, but the num ber of py reno id inc reased. How ever, the ce ll
w a ll cultured at high concen tra tion o f Cu2+(10 ～ 200 m g /L) w as clearly th ickened and becam e mu ltip le layers, and the pig-
m ent dec reased and the py renoid becam e one or disappeared. Low concentration of Cu2+(0. 01 m g /L, 0. 1 m g /L) d id no t af-
fec t the g row th ofCh lorococcum sp. , bu t the g row th became slow and even nega tive beyond the concentration o f 0. 1 mg /L. The
rem oval ra te o f Cu2+ by Chlorococcum sp. was the la rgest at the concentra tion of 1 mg /L and reached 90. 5%. The chlorophy ll
con tents and pho to syn thesis decreased gradua lly w ith the increasing of Cu2+ concen tra tion. The re sp ira tion rose gradua lly in the
range o f 0. 01 ～ 10 m g /L Cu2+ and fell gently over 10 m g /L. These results indicated tha tCh lorococcum sp. could be app lied to
trea t the w astew ater conta ining Cu2+, because it cou ld endure the stress o f Cu2+ w ith high rem ova l rate of Cu2+. F ig 3, Tab 3,
Ref 17
Keywords　Ch lorococcum sp. ;Cu2+;g row th;ce ll struc ture;physiologica l v ariation
CLC　X I 73 ∶ Q945. 78
　　重金属对水环境的危害是人们日益关注的问题.随着工业
生产的发展 , 重金属污染物的排放量日趋增加 , 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.
传统的重金属污水处理方法有沉淀法 、电解化学法 、离
收稿日期:2005-03-03　　接受日期:2005-06-30
*国家 863计划(2002AA601021)和 973计划(2002CB412309)资助　
Supported by the S tate H igh Techno logy P roject(863and973) of
C hina
**通讯作者　C orrespond ing au thor(E-m ail:huzy@ ihb. ac. cn)
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
在一些缺点 , 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 、其它生物难以生存的水域.利用藻类生物反应器对
工业污水进行预处理 ,或用于回收贵重金属离子 , 既节约资源 ,
又避免了环境污染.国外有利用微藻作为生物吸附剂处理废水
中铜等重金属的报道 , 效果显著 [ 1 ～ 3] . 国内有关利用藻类去除
污水中重金属的研究报道尚不多见 ,许多研究主要针对藻类对
Cu2+等重金属的耐受性及富集 , 重金属对藻类生长 、结构 、生
理的影响等 [ 4 ～7] .作者从美国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 ,作者试图通过研究其对
重金属(如铜 、镉 、锌 、铅等)胁迫的响应及生理变化的特征 ,为
其最终应用于高 N、高 P以及重金属污水处理提供研究资料.
本文首先报道重金属 Cu2+对这种绿球藻的生长 、形态结构和
生理的影响.
1　材料方法
1. 1　试验藻种
绿球藻 Ch lorococcum sp. 采自美国亚里桑那州一家污水处
理厂 , 应用微藻分离纯化的方法 ,用 BG11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 BG11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
Pe rkinElme rAnalyst 800原子吸收仪 , Le ica DM 5000B研究
显微镜 , 氧电极 (Rank Brothe rs, Eng land), 紫外可见分光光度
计(UV -1601, SH IMADZU).
1. 3　Cu2 +浓度设置与培养条件
以 BG11为基本培养基, 灭菌过的 20 mg /L和 200 m g /L
Cu2+(用分析纯 CuSO4 5H2O配制)为母液 ,配制成 0. 01, 0. 1,
1, 10, 50, 100, 200 mg /L共 7个 Cu2+培养浓度. 每个浓度组 3个
重复 ,均用 250 mL锥形瓶盛装培养液, 配后体积 150 mL.另外 ,
用不含 Cu2+的 BG11培养基设置一个对照组作参照.
取适量藻液在 4 000 r /m in离心 10 m in, 用 15 m g /L NaH-
CO 3悬浮洗涤两次(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 ～ 40 μmo l m - 2 s- 1 , 光暗时间比 14 :
10,光周期时每天定时摇动锥形瓶 4次.
1. 4　生长测定和比增长率 (μ)计算
10 d内 ,每隔 48 h,用 SH IMADZU UV - 1601分光光度计 ,
在 660 nm波长处测一次藻液的 Dλ值(吸光值).同时用显微镜
直接计数法(血球计数法)[ 8]测定细胞密度 , 也可以用细胞个
数与光密度之间的线性回归方程计算细胞密度. 以公式 μ=
( logN - logN 0) /t计算比生长率 ,公式中 N 0 , N分别表示培养物
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(天).
1. 5　叶绿素含量测定
培养至 d 6时 ,每个处理各取藻液 5 mL, 4 000 r /m in离心
10 m in, 去除培养液 , 藻体用 80%丙酮提取 2次 , 每次 24 h. 采
用文献 [ 9]方法测叶绿素含量.每组 2个重复.
1. 6　Cu2 +含量测定
每个处理培养至 d 6时 , 每组 2个重复 , 每个取 5 mL藻
液 , 在 4 000 r /m in离心 10 m in,取上清液进行 Cu2+含量测定.
用培养起始 Cu2+含量减去测定时 Cu2+含量 ,计算每个处理绿
球藻对 Cu2+的去除率.
图 1　Cu2+对绿球藻生长的影响
Fig. 1　E ffect of Cu2+ on grow th ofCh lorococum sp.
1. 7　光合作用强度和呼吸作用强度测定
培养至 d 8时 ,每个处理取 2 mL藻液 ,用氧电极法 [ 9]测量
每个处理光合作用和呼吸作用强度 ,每个处理 2个重复.
1. 8　细胞显微结构观察
培养至 d 10时 , 每个处理制成玻片后 , 用 DM 5000B研究
显微镜在 40×物镜下观察拍照.
2　实验结果与分析
2. 1　Cu2 +对绿球藻生长的影响
从图 1和表 1可以看出 , 以 BG11培养基作参照 , 在低浓
度 Cu2+(0. 01, 0. 1 mg /L)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 d 6, Cu2+对绿球
藻生长基本没影响;1 ～ 10 mg /L Cu2+培养条件下 ,绿球藻可以
缓慢生长 ,最大比生长速率出现在 d 6,说明绿球藻可以耐受此
Cu2+浓度;在 50 m g /L以上 Cu2+浓度下培养 ,绿球藻出现负生
长 , Cu2+对绿球藻生长表现明显抑制作用.
表 1　不同 Cu2+浓度下绿球藻比生长速率的变化
Tab le 1　Change in spec ific g row th ra te ofChlorococcum sp. a t different Cu2+ concentrations
培养时间
Cu ltu re tim e ( t /d)
ρ(Cu2+) /mg L - 1
BG11
(对照 CK) 0. 01 0. 1 1 10 50 100 200
2 0. 038 0. 034 0. 032 0. 009 0. 000 -0. 007 -. 0. 027 - 0. 032
4 0. 032 0. 036 0. 037 0. 010 0. 000 -0. 012 - 0. 001 - 0. 001
6 0. 046 0. 044 0. 043 0. 030 0. 013 0. 000 0. 001 0. 004
8 0. 030 0. 034 0. 037 0. 014 0. 000 0. 017 0. 018 0. 010
10 0. 028 0. 019 0. 018 0. 017 0. 004 0. 014 0. 003 - 0. 007
2. 2　绿球藻对 Cu2+的去除
不同 Cu2+浓度条件下培养至 d 6时 , 测定绿球藻对 Cu2+
的去除情况 , 结果见图 2. 在 1 m g /L Cu2+条件下 , 去除率最高
达 90. 5%, 之后随 Cu2+浓度增加 ,去除率逐渐降低;0. 01 ～ 0. 1
691　 6期 邱昌恩等:C u2+对一种绿球藻生长及生理特性的影响 　　
m g /L Cu2+浓度条件下 , 去除率为 35%.
2. 3　Cu2 +对绿球藻叶绿素含量的影响
从表 2可知 , 随培养基中 Cu2+浓度增加 , 绿球藻 chl a+
ch l b含量以及 chl a含量逐渐降低 ,说明 Cu2+可能抑制了绿球
藻叶绿素合成 , 且造成叶绿素分解破坏.
2. 4　Cu2 +对绿球藻光合作用和呼吸作用的影响
从表 3可知 , 随 Cu2+浓度增加 ,绿球藻光合作用强度逐渐
降低. 在 0. 01 ～ 10 m g /L Cu2+浓度范围内 , 绿球藻呼吸强度逐
渐升高 , 高于 10 mg /L Cu2+浓度 , 绿球藻呼吸强度则逐渐降低.
图 2　绿球藻对 Cu2+的去除率(培养 6 d)
Fig. 2　Rem oval rate of Cu2+ by Ch lorococcum sp. (after 6 d)
表 2　Cu2+对绿球藻叶绿素含量的影响(培养 6 d)
Table 2　Effec t of Cu2+ on ch lo rophy ll con tent in Chlorococcum sp. (afte r 6 d)
ρ(Cu2+) /m g L- 1 BG 11(对照 CK) 0. 01 0. 1 1 10 50 100 200
　Ch la+ch lb (m /pg cell- 1) 2. 12 1. 99 2. 12 1. 73 1. 36 1. 32 1. 31 1. 27
C h la (m /pg cell-1) 1. 28 1. 08 1. 14 0. 82 0. 72 0. 68 0. 61 0. 53
表 3　Cu2+对绿球藻光合作用和呼吸作用的影响(培养 8 d)
Table 3　Effect of Cu2+ on photosynthesis and re sp ira tion o fCh lorococcum sp. (afte r 8 d)
ρ(Cu2+) /mg L - 1 BG11(对照 CK) 0. 01 0. 1 1 10 50 100 200
净光合强度 Photosyn thesis
〔1010μmo l(O 2) h - 1 cell- 1〕 6840 5640 4038 3678 3504 3198 2946 1356呼吸强度 Resp iration
〔1010μmo l(O 2) h - 1 cell- 1〕 810 1038 1116 1728 3012 2298 2040 1518
2. 5　Cu2 +对绿球藻细胞显微结构的影响
在正常 BG11培养基培养条件下 , 绿球藻的显微结构如图
3 (A):具明显细胞壁 ,壁较厚 ,色素深 ,具一个蛋白核 . Cu2+对
绿球藻显微结构的影响见图 3 (B ～ H):在 0. 01, 0. 1, 1 m g /L
Cu2+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 ～ D);在 10, 50, 100, 200
m g /L Cu2+浓度时 , 与对照相比 ,细胞壁明显增厚为多层 , 色素
减少 , 蛋白核减少逐渐回复到 1个或消失(E ～ H).
图 3　C u2+对绿球藻显微结构的影响(比例尺 =10μm)
Fig. 3　E ffect of Cu2+ on the m icrostructu re ofCh lorococcum sp. (B ar=10μm)
A:BG11;B:0. 01mg /L Cu2+;C:0. 1mg /L Cu2+;D:1m g /L Cu2+;E:10 mg /L Cu2+;F:50mg /L Cu2+;G:100mg /L Cu2+;H:200m g /L Cu2+
3　讨 论
铜是生物必需的微量元素 ,在一定浓度范围内对生物生长
有利 , 当 Cu2+达到一定浓度时 , 就会对生物产生毒性 .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 [ 10] .低浓度 Cu2+(0. 01和 0. 1 m g /L)对
绿球藻生长无影响 , 绿球藻在 1 ～ 10 m g /L浓度下可以生长 ,
Cu2+浓度大于 50 m g /L时才完全抑制绿球藻生长.说明绿球藻
是一种耐受 Cu2+胁迫的藻类 , 而且在 Cu2+ 1 mg /L浓度下对其
去除率高达 90. 5%, 因而绿球藻应该是一种处理重金属废水
692 　　　　　　　　应 用与 环 境生 物学 报　　Chin J App lEnviron B io l　　　　　　　　　　　　　　 　　　11卷
很好的材料 , 可以应用于含铜等重金属污水的处理.
绿球藻耐受高浓度 Cu2+的原因是:第一 , 绿球藻形成多个
蛋白核以储存能量 , 能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 , 使 Cu2+多吸附在细胞壁上 ,
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
Cu2+的适应;第三 ,生理上产生了相应的适应 , 呼吸作用增强 ,
光合作用降低. 至于 Cu2+胁迫造成绿球藻体内氧化酶类活性
的变化等其它生理原因 ,有待进一步研究.
高浓度 Cu2+(大于 50 m g /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 Cu2+对藻
的毒害机理基本类似. 如:Cu2+抑制 Chlorella pyrenoidosa 251
的生长 、光合作用和 Ch la合成 [ 11] ;Cu2+使蓝藻藻胆体光吸收
峰蓝移 [ 12 ～ 14] , PSⅡ活性降低 [ 14] ;高浓度 Cu2+可使 5种单胞藻
光合色素含量下降 [ 15] ;Cu2+可影响小形月牙藻 、扁藻的叶绿
体 、线粒体结构 [ 16 ～17]等等.因此 , Cu2+对藻类在形态结构以及
生理上的毒害机理值得深入探讨.
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