全 文 ：第2 9 卷 第 1
1 9 9 8年 l
海 洋 与 湖 沼
( 减二EA O N LO G IA E I T L M NO LO G IA S I IC A N
V o l
.
2 9 N b
.
l
Jn a
. ,
199 8
期月
粘土矿物对尖刺拟菱形藻多列型生长和藻毒素产生的影响 ’
俞 志
(中国科学院海洋研究所
D V S u b b a
明
青岛 26 6 0 7 1 )
P么O
及dfo r d nI s it 扭 et of O e e a n o g raP 匆 , P 0 oB x 10 0 6 , 刀口 r伽 o u ht N 况 aC n a da BZ Y 4ZA )
提要 于 1994 年 1一 7 月在加拿大贝德福 (Be dof dr )海洋研究所进行粘土矿物 (喇 l oy is te)
对尖刺拟菱形藻 (乃 u e内n i tzs e人i a 尸u雌 e n s .f m u zits e r ie s )生长和藻毒素软骨藻酸 (氏m o i e
cA id
,下简称 D A )生成的影响研究 . 在 山m 详 rtz 菌类生长方程的基础上 , 建立了尖刺拟菱形
藻生长速率模型 , 得到各实验条件下的藻细胞最大生长速率 。 结果表明 , 粘土矿物对藻细胞的
“遮荫效应 ” 可导致藻细胞最大生长速率的降低 , 其幅度随粘土矿物浓度的增加而加大 。 对软
骨藻酸的影响研究发现 , 在实验浓度范围内 , 粘土矿物可 以抑制软骨藻酸的生成 ,最大抑制率
可达 30% 以上 。
关键词 粘土矿物 赤潮藻 培养 藻毒素
学科分类号 X 14 5
利用粘土矿物治理赤潮是 目前国内外首选的赤潮治理方法之一 ( S ih or at , 19 89 ;俞志明
等 , 19 93 ) 。 自 7 0 年代末 日本初次在鹿儿岛试验场应用 以来 , 许多人围绕该方法的应用和
机制进行了大量研究和探讨 ` )( 代 田昭彦 , 1 9 80) , 就其抑制机理主要有两种观点 : 一种立足
于粘土粒子和生物细胞的表面性质 , 认为以吸附作用为主 (代田昭彦 , 19 80) ;一种则认为是
由于粘土中溶出的铝离子杀死赤潮生物细胞所致 2) (九万田一 己 , 19 82) 。 作者等人 ( 1994 ,
19 94 a
,
19 b4
,
19 5) 从絮凝作用理论出发 , 系统研究了粘土矿物对赤潮生物的去除作用 , 提
出了提高其去除能力 的表面改性方法 。 本文将在此基础上 , 通过考察粘土矿物对赤潮生物
生长速率的影响和藻毒素软骨藻酸的作用 , 进一步对其作用机制进行研究和探讨 。
1 实验部分
L l 材料与试剂
* 国家 自然科学基金资助项目 , 6A 4 9 5 1 12 1号 . 俞志明 , 男 , 出生于 19 59 年5月 , 博士 , 研究员 , F卜m ia l : zy n l@
nsI
.
q id o
. 朗 . c n
l) 鹿儿岛水产试验场 , 19 80 . 赤潮对策技术开发试脸报告书 . 2一 ( l)
2) 鹿儿岛水产试验场 , 19 82 . 赤潮对策技术开发试验报告书 . 1一 (3)
收稿 日期 : 1 99 6-() 3一 10 , 收修改稿日期 : 19 97 刃 9一 15
48 海 洋 与 湖 沼 29卷
粘土矿物取 自江苏吴县 , 经研磨 、 提纯 、 过筛 , 取 10 目以上者使用 。 软骨藻酸标准为
加拿大国家海洋分析标准试剂 , 其检测方法同文献 ( S u b a R盈 0 。 t al , 198 8 ) 。 其它试剂均
为 A R 级 。
L Z 赤潮生物培养
尖刺拟菱形藻取 自于加拿大爱德华王子岛 ( P ir cn e Ed w a dr slI a n d ) , 经加拿大贝德福
海洋研究所纯化 、 分离 , 在 10 ℃ , 6 1 5“ m ol / (耐 · s )白色荧光灯 连续光照下 , FE 培养液
( S u b b a R巨 o , 1 9 5 5 )中培养 。
L 3 实验方法
当尖刺拟菱形藻母液生长至指数增长期时 (约 7 d) , 以 2 0 : l( 培养液 :母液 )分别接种于
数个 1 00 ml 的锥形瓶 中 , 加人不同浓度的粘 土矿物 , 在 10 ℃ , 6 1 5“ m ol / (耐 · s) 白色荧
光灯连续光照下 , FE 培养液 中 , 低转速连续搅拌下培养 , 定期分别测定细胞浓度 、 hC l . a 和
细胞中的软骨藻酸 。 细胞浓度测定方法为 : 取 l m l 藻液于浮游植物计数皿中 , 在倒置显微
镜下计数 。 C h l . a 的测定方法 为 : 取一定体积的藻液通过 25 ~ 的 G F / F 滤膜
, 将滤膜转
移至具有 10m l 9 0% 丙酮 的具塞瓶 中 , 在 0一 4℃ 的冰箱 中萃取 24 一36 h , 用荧光方法测定
( S u b b a Ra o
e t a l
,
19 9 3 )
。 软骨藻酸使用 FM O C 方法测定 ( S u b b a Ra o e t a l , 19 8 8 ) 。
2 结果与讨论
2
.
1 尖刺拟菱形藻细胞生长速率模型
图 1为尖刺拟菱形藻在实验条件下的生长曲线及粘土浓度对其生长的影响 。 图 1表
明其细胞生长规律与海洋其它微藻相似 , 生长曲线主要 由三部分组成 : 延缓期 、 指数增长
期和静止期 , 与 C泊m ep rtz (wz ie et ir n g et al
,
19 90) 描述的菌类生长模型相似 。 根据该模
型 , 细胞增长与时间的关系可定量表达为 :
夕 = a e x p [ 一 e x (P b 一 e )t ] ( l )
a…厂 二 . 沪尹一 .3 0 4 0 0 10 2 0 30 4 0于
.
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20一。0 1 0 2 0 3 0 4 0 0 1 0
d
. ~厂一
ǎ,I\1é。七工只)经赵纂界
1 0 20 3 0
培养时间 ( d)
图 1 尖刺拟菱形藻在不同粘土浓度下的生长曲线 (实心圈为实验值 , 实线为模型计算值)
I C扮o w ht of 凡 u e do n i姗 e h ia P u眼e n s .f mu l此 e r ies in het me id a w iht id fe 化 nt e l盯 eonc e n t m it o ns
几 空白试脸 ; b . 10m g / L ; e . 10 0叱 / L ; d . 2 0 0m g / L ; e . 50 0毗 / L : .f 1 0 0 0毗 / L
1 期 俞志明等 :粘土矿物对尖刺拟菱形藻多列型生长和藻毒素产生的影响
这里 y= l( n从 / 戈 ), 其中 从 , 戈分别为细胞在 t 和初始时刻的浓度 ; t 为时间 ; 。 , b , 。 分别为
与实验条件 、 细胞种类等有关的参数 。
分别对方程 ( l) 左右两边求时间导数 , 得 :
祭一 p〔一试。一 t) l二仄。一 t) (2 )
方程 ( 2) 即为描述细胞生长与时间关系的速率方程 。 由方程 ( 2) 可分别求得细胞最大生长
速率 :
凡 _ = 丝
孟“
~ e
( 3 )
和达到最大速率所需时间 :
maxt (
4 )
,口.e
一
式 (3) 中 e 为自然对数底数 .2 7 1 8 。
.2 2 粘土浓度对尖刺拟菱形藻细胞生长的影响
本实验采用低速 、 连续搅拌的培养方法 , 使粘土矿物对细胞生长的絮凝影 响降至最低
程度 。 由不同粘土浓度下细胞生长实验 (图 l) 可见 , 随着粘土浓度的增加 , 粘土矿物并未
能有效地抑制尖刺拟菱形藻细胞的增长 , 基本保持原有的生长特征 。 该结果难以支持粘
土体系是通过溶出的 1A 3 + 离子来抑制赤潮生物细胞生长的观点 .
根据上述尖刺拟菱形藻细胞生长速率模型 , 对实验数据进行非线性拟合 , 分别求得上
述参数 “ , b , c ,建立不 同实验条件下的细胞生长模型 。 其模拟曲线见 图 1 , 各计算结果分别
列人表 1。
表 1 细胞生长速率模型对尖刺拟菱形旅生长实验的计算结果
T a b
.
l 掩 s ul st o f het g or w ht ar et m od e l fo r sP u e do n i娜 hc 匆 P u n g en s .f m u l山 e r et s
粘土浓度 (m g / L )
不气砍 ( d 一 ’
临 “ (d)
相关系数 R
0
3
.
1 5 8
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.
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0 4 5 2
0
.
5 3
2
.
9
0 9 9 9
l 0
3
.
0 7 5
1
.
3 7 8
0
.
4 9 2
0
.
5 5
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.
8
0
.
9 9 5
50 0
2
.
9 8 3
0
.
9 9 0
1 0 0 0
2
.
9 9 4
0
.
9 5 0
0
.
3 17
0
.
3 5
3 0
0
.
9 8 1
由图 1和表 1不难看出 , 该实验体系基本符合 C心m ep rtz 方程 , 其空 白试验 (未加粘土 )
的相 关系数达 .0 99 . 随着粘土浓度的增加 , 该符合程度逐渐降低 (见相关系数的变化 ) ,
表明粘土的加人或多或少地影响了细胞的正常生长 。 由细胞最大生长速率的变化更能反
映这种影响作用 (图 2) : 在粘土浓度较低 ( < 10m g / )L 的实验条件下 , 尖刺拟菱形藻的最
大生长速率基本保持不变 (0 . 53 一 0 . 5 / d) ; 随着粘 土浓度的增加 , 该生物细胞的最大生长
速率逐渐降低 , 其程度也随粘土量 的增加而增大 。 作者认为这种影响主要是 由于粘土的
加人导致光照效应降低所致 。 M ay e sr ( 19 62) 对实验室一次性培养 b( aot h c ul ot r e )下 的藻细
胞密度与有效光照的关系研究表明 : 在低细胞密度时 , 细胞间并不影响对人射光的吸收 ;
但当细胞密度较高时 , 细胞间的 “遮荫效应 ” (m u ut a l sh ad i n g )将会对细胞的增殖产生负影
0 5海 洋 与 湖 沼 9 2卷
响 ; 在一定范围内 , 细胞生长速率常数与有效光密度成正 比 。 根据该理论 , 在本实验体系
中 , 由于粘土的加人将导致体系透明度的降低— 产生 “遮荫效应 ” 。 该效应在低粘土浓度下并不显著 , 但随着粘土量的增加而逐渐增大 , 从而导致细胞生长速率随着粘土浓度 的
增加而逐渐降低 。
图 3 是静止期 (第 37 天 )时不 同培养体系中单位细胞 C h l . a 含量 与粘土浓度 的关系 。
图 3 表明 , 随着粘土量 的增加 , 细胞 C h l . a 含量逐渐降低 。 从另一角度说明了粘土矿物对
细胞光合作用的影 响 , 与 M a y e sr 的观点相同 。
.2 3 粘土矿物对尖刺拟夔形藻分泌软骨藻酸的影响
软骨藻酸是一种神经性藻毒素 , 以前认为主要产 自于某些红藻 。 19 8 7 年加拿大科学
。 · 61 0 . 20 .
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0 3 L es es一 - - ~一 - ~ 一一 `一一 一~ ~0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 80 0 1 0 0 0粘土浓度 ( m g / L )图 2 不同粘土浓度培养体系下的尖刺拟菱形藻细胞最大生长速率
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.
2 M ax im姗 g r o w ht ar t e s o f 凡 u e do n i娜 e h ia
P u n g e n s .f 脚u l t i3 e r勿 5 in ht e me id a w i ht
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n t e l即 e o n c e n t ar it o n s
2 00 4 0 0 60 0
粘土浓度 ( m g I/ )
80 0 1 00 0
图 3 细胞中C .hl a含量与培养体系中粘土
浓度的关系曲线
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.
3 砒 liat o sn hi P be wt e e n C hi . a ep r e e ll a n d
e l ay e o cn
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家首次发现在该国东部生长的尖刺拟菱形藻也能产生软骨藻酸 , 并由此引发 了 19 8 7 年加
拿大 C aJ 对ig an 湾 三人死亡 、 逾百 人中毒 的软骨藻 酸 食物 中毒事件 s( ub ba R公 o 。 t al,
19 8 8 )
。
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熟公多
, 二夕
,
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图 4 是尖刺拟菱形藻生长 阶段与软骨藻酸
生成的关系 曲线 , 以及粘 土浓度 的影响 。 该结果
表 明 , 尖刺拟菱形 藻在最初生长的 4 d 里没有软
骨藻酸生成 ; 从第 4 天至第 10 天开始产生软骨
藻酸 , 但数量极少 , 平均低于 .0 0 1 2 gP / e ;l 大量
软骨藻酸生成主要发生在静止期 , 从第 10 天到
第 25 天 , 软骨藻酸浓度急剧增高 , 可达 .0 SP g /
e n 以上 , 而后 又趋于平缓 .
当培养体系 中加人粘土矿物后 , 软骨藻酸
产生规律基本与空 白实验相 同 。 主要产生阶段
也发生在第 10 天 以后 , 但生成量随粘土浓度 的
变化有所改变 : 当粘土浓度较低时 l( om g / )L ,
粘 土对软骨藻 酸的生成影响不大 , 基本与空 白
氏.0.0已
(1山。/盛灿)翻如阔眯娜取
2 0 3 0
培养时间 ( d )
图4 尖刺拟菱形藻生长阶段与软
骨藻酸生成的关系
R .g 4 砒 liat on s hi p be wt e n het g~ ht ep ir ed of
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.f 脚 u l公 e r ie s a n d
1期 俞志明等 : 粘土矿物对尖刺拟菱形藻多列型生长和藻毒素产生的影响
实验相 同 ;随着粘土浓度的增加 , 与空 白实验相 比 , 软骨藻酸生成量基本呈下降趋势 . 在
实验浓度范围内 , 最大下降幅度可达空 白实验的 1 / 3 .
软骨藻酸是一种游离氨基酸 。 实验结果表明 , 该氨基酸主要是在细胞生长后期产生
的 , 可能是藻细胞处在低代谢能力状态下 , 由其它氨基化合物转化而来 。 氨基酸是藻细胞
体内一类重要化合物 , 其组成 、 结构和数量不仅与藻类的生长环境 、 营养状态有关 , 而且
与藻类的光合作用 、 代谢作用 紧密相联 ( Fb w de n , 1 9 6 2) 。 在低粘土浓度下 , 粘土对藻类
生长环境 、 营养状态和光合作用影响极少 , 所以对软骨藻酸 的生成没有较显著的影响 . 随
着粘土浓度 的增加 , 该影 响明显增大 , 主要体现在 : l) 对水体某些营养成分 (如 二 P O ;一
51 0 ;一微量营养物质等 )的吸附作用导致营养环境的变化 ; 2) “遮荫效应 ” 导致光合作用
的降低 。 上述两种影响作用在细胞生长后期尤为显著 。 所以 , 实验结果表明粘土矿物对
软骨藻酸生成的影响主要体现在细胞生长后期 (第 20 天 以后 ) , 与上述理论分析相一致 .
目前 , 对这两种作用的影响机制 尚不明确 , 有待于进一步的实验和研究 。
3 结语
结合前文研究 (Y u e r a l , 19 9 4 a ; 19 9 4 b ; 1 9 9 5 ;俞志明等 , 1 9 9 4 ) , 上述结果进一步说
明粘土矿物不仅能够絮凝赤潮生物 , 抑制赤潮 的发生 , 而且有助 于降低某些藻毒素的生
成 , 是一种极有应用前景 的赤潮治理方法 。
参 考 文 献
俞志明 邹景忠 马锡年等 , 19 9 3 . 治理赤潮的化学方法 . 海洋与湖沼 , 2 4 ( 3) : 3 14 一 31 8
俞志明 邹景忠 马锡年 , 19 94 . 一种提高粘土矿物去除赤潮生物能力的新方法 . 海洋与湖沼 , 25 ( 2) : 226 一
2 32
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Fb w de
n L, 19 6 2
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M a y e sr J, 19 6 2
. 外 y s io lo g y an d B ioc he而 s ytr o f lA g ae . 阮 w Y o u k a n d L o n d o n : cA ad e而 e P er s s . 6 0 3一 6 1 5
Sih r o at A, 19 89
.
eR d it de P
r o lb e m an d
e o u n et
mer as眠 5 . nI t J A q R s h eT e h n o l, 1: 2 5一 38 , 19 5一 2 2 3
S u b b a R巨 0 D V , Pan Y o ul i叽 乙应 。 , V e t a l, 19 9 3 . 以 a n .h e it e s he llif s h op i s om gn (D S功 as s co i幽 d w iht a
s u be u汀 ac e lb o om o f D认 op hy s is n o r丫 e g i e a i n B e d fo dl B as i氏 e as 忆 m C a n a d a
.
M a r 玫 01 P or g S e r, 9 7: 1 17一 12 6
S u bb
a Ra o D V
,
19 8 8
.
5声 e ie s s pe c iif e P ir m a巧 p r de u e it o n me as 眼me n ts of 眼 it e P h y ot lP an kot 几 B r Ph y e ol
J, 2 3
: 2 7 3一 2 8 2
S u b b a R巨 0 D V , Qu i lliam M 人 P oc ik i gl t o n 凡 19 8 8 . 1) 〕m of e 即 i企a ne our ot x ie a 幻n lon iaC d P r od u c e d by
hte
r n a n ne id a t o m iN娜 e h i a P u n g e n s in e ul t让 re . C an J R s h A q u a t S e i , 4 5 ( 12 ) : 2 0 7 6一 2 0 7 9
Y u Z h i而gD , 2泊u J i赔 z ho gD , M a iX in an, 19 9 4几 A P P li e iat o n o f e l盯 5 ot er r n o v al o f 玲 d it ds o rg画 s m s 1 .
oC昭 lu iat on o f er d it de o gr画 s m s w i ht e l叮 5 . C ih J cO e a n o l U m n o l, 12 ( 3 ): 1 9 3一 2 0 0
uY Zh l而 n g , Z心u ij 飞 z h o吧 . M a Xi hi .na 19 9 4 b . A PP lie iat o n o f c l即 5 ot er m o v al Of er d it ds o飞如 s m s 1 .
伪 ag ul iat o n o f id fe er n t s伴 c ie s of er d it de o gr 咖 sms w iht m on mt o ir ll o in et a n d e fe e t o f e lay P er etr a 。刀 e nL C h l n
J Oc
e
an
o l U m n ol
,
12 ( 4 )
: 3 1 6一 3 2 4
uY Z为i而gn , Z o u 乙 ng z h o n g , M a iX in an, 1 9 9 5 . A lP ic iat on o f cl ay s ot er m vo al o f er d it de o gr ha s m s m .
.
1l l e e o昭 lu iat on o f k a o li n o n er d it de o gr画 s m s . C ih n J OC e an ol iL in n o】, 1 3 ( l ) : 6 2一7 0
Z w i e te ir gl M 凡 J o n g e n bu 馆 e r L R心m ob uts F M e t a l, 19 9 0 . M do e lli gn of het b鱿 et ir al g r o w ht evur e
.
A P P】
E n v ior n 珑 e r o b, 5 6 : 1 87 5一 1 8 8 1
5 2海 洋 与 湖 沼 9 2卷
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s t i细 t eofO e ean o l o 邵乒, 几 e hC in es e cA a de 柳 of & et n e es , Q呷da o , 2 6 6 0 7 1)
D V S u b b a Ra o
(及dof r d 众 s it tu te of O e e a n o g r即抑 , P 0 OB x 10 0 6 , 加 r如o u ht , N 5 aC n a da BZ Y 42A )
A b s t r a e t T七e im P aC t o f e l ay (haj lo y s iet ) o n g or w ht of a er d it de o gr hia sm
,
sP u e do n i娜 e h i a
P u n g李n s .f mu list e r is s
, 阴 d het P r od uc it o n of dom io e ac id w as s ut d le d in B e d fo dr nsI it ut ot o f
众 e ano g ar P hy , C a n ad a , i n Jan aU yr ot ulJ y 199 4 . B as e d o n het G o m pe 由 e qu iat on o f bac et ir a g or w ht,
a g r o w ht r a et m do e l o f sP u e do n i姗 c h ia P u gn e n s .f 阴 u l ist e r ie s w as e s at b】i she d a n d m ax im um g r o w ht
m et s o f al g ia e e ll s w e er o biat en d u n d e r
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