全 文 ：第 25卷第 2期 大 连 水 产 学 院 学 报 Vol.25No.2
2 0 1 0年 4月 JOURNALOFDALIANFISHERIESUNIVERSITY Apr.2 01 0
文章编号:1000-9957(2010)02-0178-05
Cd(Ⅱ)、 Zn(Ⅱ)对新月菱形藻
生长及生化成分的影响
路艳君 , 姜爱莉 , 窦柏蕊 , 王粲 , 王长海
(烟台大学海洋学院 , 山东 烟台 264005)
摘要:研究了不同浓度的 Cd(Ⅱ)、 Zn(Ⅱ)对新月菱形藻 Nitzschiaclosterium生长及细胞内蛋白质 、 多
糖 、 叶绿素等生化成分含量的影响。结果表明:新月菱形藻对两种重金属均有一定的耐受力;Cd(Ⅱ )、
Zn(Ⅱ)浓度分别低于 3.0、 1.0 mg/L时对新月菱形藻的生长没有显著影响 (P>0.05), 高于此浓度则产
生明显的抑制作用 (P<0.05);Zn(Ⅱ )对新月菱形藻胞内蛋白质含量的影响不明显 (P>0.05), Cd
(Ⅱ)能抑制新月菱形藻蛋白质的合成;低于 3.0 mg/L的 Cd(Ⅱ)、 Zn(Ⅱ)能促进新月菱形藻胞内多糖
和叶绿素的合成。
关键词:新月菱形藻;Cd(Ⅱ);Zn(Ⅱ);生长;生化成分
中图分类号:X171.5　　　　文献标志码:A
　　近年来 , 工业废水和固体废弃物的渗出液直接
排入水体 , 致使水体中有毒重金属元素的含量越来
越高 , 重金属已成为水生生态系统中最危险的物质
之一。水体中重金属浓度很小时即可产生毒性 , 在
进入生态系统后 , 经食物链的生物放大作用逐级在
较高级的生物体内富集 , 引起生态系统中各级生物
的不良反应 , 甚至危害包括人体在内的各种生命体
的健康与生存 [ 1] 。Cd是一种具有潜在危害的重金
属 , 在水环境中非常稳定 , Cd对天然藻类的生长
有明显影响 , 对单胞藻的亚显微结构和光合作用有
一定的影响[ 5-7] 。 Zn是藻类生长代谢必需的微量
元素 , 在保持蛋白核的完整中起着重要作用 , 但高
浓度的 Zn能抑制光合作用 , 降低叶绿素的含量 ,
使类胡萝卜素和叶绿素的比例失调;Zn也会导致
细胞膜通透性增加 , 使电解质漏失 , 引起细胞形态
变异[ 8] 。
微藻作为水相环境中的第一营养水平 , 对外界
环境异常敏感 , 对抑制光合作用的化合物 , 如某些
除草剂 、重金属等尤其敏感 , 敏感度高于鱼类和脊
椎类动物 , 所以用藻类作生物监测是目前水污染监
测中必不可少的部分 , 已为一些权威机构如美国环
保署 (EPA)、 国 际 经 济 合 作 与 发 展 组 织
(OECD)、国际标准化组织 (ISO)等所承认[ 2-3] 。
新月菱形藻 Nitzschiaclosterium是单细胞浮游硅藻 ,
具硅质细胞壁 , 藻体悬浮水中生活。新月菱形藻藻
体微小 , 而且都是低温生态类型 , 富含多不饱和脂
肪酸 , 是多种养殖生物的优良饵料 , 特别适合中国
北方海水养殖动物育苗前期的饵料培养 [ 4] 。
本试验中 , 作者针对重金属污染水体后不易被
发现的特点 , 利用微藻的一些敏感成分作为指标 ,
从监测水体重金属污染的角度出发 , 研究了新月菱
形藻与两种重金属离子的相互作用 , 探讨了两种重
金属离子对新月菱形藻生长及生化成分的影响 , 为
利用微藻进行水体重金属污染的生物监测和生物修
复提供一些参考资料。
1　材料与方法
1.1　材料
新月菱形藻由烟台大学海洋生化工程研究所提
供。
试验用海水取自烟台附近无污染海水 , 经沉
淀 、 砂滤和 0.45 μm膜过滤处理 , 盐度为 32。海
水中 Cd(Ⅱ)、 Zn(Ⅱ)浓度低于 1μg/L, 其他
　收稿日期:2009-08-11
　基金项目:山东省自然科学基金资助项目 (Y2007D59)
　作者简介:路艳君 (1983-), 女 , 硕士研究生。 E-mail:luyanjun630@yahoo.com.cn
　通信作者:王长海 (1962-), 男 , 博士生导师 , 教授。 E-mail:chwang2001@sina.com
DOI :10.16535/j.cnki.dlhyxb.2010.02.001
重金属含量均符合 GB3097-1997一类水质标准 。
将纯藻种接种于 300 mL三角瓶中 , 接种量为
20%, 23 ℃下连续光照通风培养 , 光照强度为
2 000 lx, 藻体培养采用 f/2优化培养基[ 9] 。
1.2　方法
1.2.1　金属离子溶液的配制 　CdSO4 · 8H2O、
ZnSO4· 7H2O(分析纯)为试验用 Cd(Ⅱ )、
Zn(Ⅱ)来源 , 用双蒸水将其配成 10 g/L的母液 ,
用无菌海水稀释至试验所需浓度。
根据国家海洋环境公告中黄渤海海域近海的污
染情况 , 在预试验的基础上设置 Cd(Ⅱ)浓度梯
度 6个:0.01、 0.1、 1.0、 3.0、 5.0、 10.0 mg/L;
Zn(Ⅱ )浓度梯度 6个:0.1、 0.5、 1.0、 2.0、
5.0、 10.0mg/L。
培养初期向 f/2培养基中加入 Cd(Ⅱ )、 Zn
(Ⅱ)溶液 , 配成 6个浓度梯度 , 最终培养液体积
为 220mL, 23 ℃下连续光照培养。每个浓度设 4
个平行 , 对照组不加 Cd(Ⅱ)、 Zn(Ⅱ)。每 12h
取藻液 1次 , 测定藻液密度及胞内蛋白质 、多糖及
叶绿素的含量。
1.2.2　几项指标的测定　
1)藻液细胞密度的计算。将藻液 (2 ×106
个 /mL)稀释至 5个浓度梯度 , 测定其吸光度
A443 nm。另取 100 mL藻液经 0.45μm的膜过滤 , 用
双蒸馏水反复洗涤藻泥 , 将滤膜于 60 ℃下烘干 ,
滤膜前后的重量差即为藻体干重 (WD)。作 WD与
A的标准曲线 , 经回归分析得到方程:
WD=0.4312A+0.0026, R2 =0.9993。
再由测得的 A443 nm值 , 计算藻液的细胞干重
(g/L)。
2)多糖的测定。取 40 mL藻液离心 , 将藻泥
加入 3 mL磷酸缓冲液 (PBS)中 , 用超声波破碎
3次 , 以 4 000 r/min离心 20 min。取 1 mL上清液
加入 0.1mol/L的 ZnSO4溶液 0.1mL, 置于沸水浴
中 5 min, 立即加入 0.1 mL的亚铁氰化钾 (100
g/L), 离心 10 min。取上清液 1 mL加入 3 mL蒽
酮中 , 置于沸水浴中 10min, 于冷水浴中迅速冷却
至室温 , 稳定后于 620 nm波长处测定其吸光度 。
根据标准葡萄糖曲线确定样品中多糖的含量。
3)叶绿素 a的测定。取 3 mL藻液离心 , 用体
积分数为 90%的丙酮 3 mL溶解藻泥 , 用超声波破
碎 30 min, 反复冻融 , 于 4 ℃下的黑暗处放置 24
h, 分别于 630、 645、 665 nm下测定其吸光度 A,
并根据下式计算:
叶绿素总量 =11.6A665 nm-0.14A630 nm-1.31A645 nm。
4)微藻胞内蛋白质的测定 。在藻泥中加入
PBS3mL, 摇匀 , 超声波破碎 3次 , 充分振荡后 ,
以 4 000r/min离心 20 min。取 1 mL上清液加入 3
mL考马斯亮蓝溶液 , 测定 595 nm波长处的吸光
度。根据标准蛋白质曲线确定样品中蛋白质的含
量。
1.3　数据处理
每个样品平行测定两次 , 采用 SPSS15.0软件
对数据进行处理 , 处理结果以平均值 ±标准差表
示。对数据进行 ANOVA分析 , P<0.05为组间差
异显著 , P<0.01为差异极显著 。
2　结果
2.1　两种金属离子对新月菱形藻生长的影响
从图 1可见:浓度低于 3.0 mg/L的 Cd(Ⅱ)
对新月菱形藻的生长没有明显的抑制作用 (P>
0.05), 在此浓度范围内 , 新月菱形藻都能很快适
应 Cd(Ⅱ)的环境 , 生长曲线与对照组无显著差
异 (P>0.05), 而浓度为 0.01 mg/L的 Cd(Ⅱ)
在生长初期对新月菱形藻的生长还略有促进;但高
浓度 (﹥ 3.0mg/L)的 Cd(Ⅱ)对新月菱形藻的
生长具有明显的抑制作用 (P<0.05), 藻的适应
期增长 , 生长缓慢 , 藻密度的增加受到限制 。
Zn(Ⅱ)浓度 <1.0 mg/L时 , 各试验组藻体
的生长曲线和对照组无显著差异 (P>0.05), Zn
(Ⅱ)浓度为 0.1 mg/L时 , 藻的密度甚至略高于
对照组;Zn(Ⅱ)浓度 >2.0 mg/L的试验组 , 藻
体的生长曲线和对照组差异显著 (P<0.05), 没
有明显的对数生长期 , 藻体密度缓慢增加。
2.2　两种金属离子对藻体胞内蛋白质含量的影响
微藻可以通过调节自身的保护酶系统抵御重金
属的毒害 , 这种调节最直观的表现就是微藻胞内蛋
白质含量的变化。从图 2可见:所有试验组新月菱
形藻蛋白质的含量变化表现出相同的趋势 , 即生长
初期 , 新月菱形藻的蛋白质含量增长较快;进入对
数生长期后 , 随着微藻生长速度的快速提高 , 蛋白
质合成速度低于微藻生长速度 , 单位质量藻体的蛋
白质含量迅速降低;进入稳定期后 , 蛋白质合成速
度和微藻生长速度渐趋稳定 , 蛋白质含量缓慢上
升。
179第 2期　　　　　　路艳君 ,等:Cd(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)对新月菱形藻生长及生化成分的影响
图 1　Cd(Ⅱ)、 Zn(Ⅱ)对新月菱形藻生长的影响
Fig.1　EffectofCd(Ⅱ), andZn(Ⅱ)ongrowthinalgaNitzschiaclosterium
图 2　Cd(Ⅱ)、 Zn(Ⅱ)对新月菱形藻 (干重)蛋白质含量的影响
Fig.2　EffectofCd(Ⅱ), andZn(Ⅱ)onproteincontentinalgaNitzschiaclosterium
　　Cd(Ⅱ)的加入抑制了新月菱形藻蛋白质的
合成 , 在整个试验周期内 , 试验组藻体的蛋白质含
量始终低于对照组;但不同浓度组相比较 , 浓度低
于 3.0mg/L的试验组微藻中蛋白质含量明显低于
高浓度组 (>3.0 mg/L)中的含量 (P<0.01)。
在培养初期 (12 h内), 除 0.1、 0.5 mg/L的
Zn(Ⅱ)浓度组新月菱形藻的蛋白质含量高于对
照组外 , 其他浓度的 Zn(Ⅱ)对藻体蛋白质的合
成表现出一定的抑制作用 。各组微藻中蛋白质含量
在试验初期均有所增加 , 且蛋白质含量随着 Zn
(Ⅱ)浓度的增加而降低;随着试验的进行 , 藻体
中蛋白质含量均逐渐下降 , 各组之间的差异也逐渐
减小;到中后期 , 各试验组藻体的蛋白质含量略低
于对照组 , 但无显著差异 (P>0.05)。
2.3　两种金属离子对藻体多糖含量的影响
从图 3可见:Cd(Ⅱ)浓度为 0.1 mg/L的试
验组 , 在整个试验周期内藻体的多糖含量不断增
加 , 多糖含量及变化与对照组相差不大 (P>
0.05);Cd(Ⅱ)浓度为 0.01 mg/L和 1.0 mg/L
的试验组 , 最终多糖含量甚至高于其它组;Cd
(Ⅱ)浓度大于 1.0 mg/L的试验组 , 藻体多糖含
量明显低于对照组 , 且随着时间的增加多糖含量逐
渐下降 , 至试验结束时 , 10.0 mg/L的 Cd(Ⅱ)
浓度组多糖含量几乎接近于零。
加入 Zn(Ⅱ)后 , 藻体多糖含量在试验之初
不断增加 , 3 d后趋于平稳 , 5 d后又逐渐下降 ,
但各组藻体最终多糖含量仍高于初期。 Zn(Ⅱ)
浓度为 0.1 mg/L的试验组 , 生长初期多糖含量与
对照组无明显差异 , 而试验后期略高于对照组;
Zn(Ⅱ)浓度为 0.5mg/L和 1.0 mg/L的试验组 ,
试验初期多糖含量与对照组相差不大 , 而试验后期
多糖含量略低于对照组 , 但差异均不显著 (P>
0.05);Zn(Ⅱ )浓度大于 1.0 mg/L的试验组 ,
多糖含量明显低于对照组 (P<0.05), 尤其在 3 ～
5d时差异更加明显 (P<0.01), 但随着时间的延
长 , 这种差异逐渐减小 , 至试验结束时 , 试验组与
对照组多糖含量已无显著差异 (P>0.05)。
2.4　两种金属离子对藻体叶绿素 a含量的影响
从图 4可见:Cd(Ⅱ)浓度为 0.01 mg/L的
试验组 , 藻体叶绿素 a的含量略高于对照组 , 表明
180 大 连 水 产 学 院 学 报　　　　　　　　　　　　第 25卷
0.01mg/L的 Cd(Ⅱ)对叶绿素的合成具有一定
的促进作用 , 尤其是在试验前期;Cd(Ⅱ)浓度
为 0.1 mg/L的一组 , 试验初期藻体叶绿素 a的含
量高于对照组 , 但 3 d后叶绿素含量低于对照组;
浓度为 1.0 mg/L的 Cd(Ⅱ)对叶绿素合成的影响
不明显 (P>0.05);但当 Cd(Ⅱ)浓度大于 1.0
mg/L时 , 叶绿素 a含量急剧降低 , 显著低于对照
组 (P<0.05), 随着 Cd(Ⅱ)浓度的升高 , 这种
影响越来越明显 , 且在藻类生长的后期抑制作用更
为明显 (P<0.01), 最后新月菱形藻中叶绿素 a
接近于零 , 光合作用几乎停止 。
不同浓度的 Zn(Ⅱ)均能抑制新月菱形藻的
光合作用 , 随着 Zn(Ⅱ)浓度的升高 , 这种影响
越来越明显。培养初期 , 各试验组微藻中叶绿素的
含量均有所下降 , 叶绿素 a含量明显低于对照组
(P<0.05);随着新月菱形藻对重金属的适应 , 各
浓度组藻液中叶绿素 a含量均有所上升 , 但仍低于
对照组。当 Zn(Ⅱ)浓度小于 2.0 mg/L时 , 试验
组与对照组的叶绿素含量相差不大;而 Zn(Ⅱ)
浓度大于等于 2.0 mg/L时 , 试验组的叶绿素含量
明显低于对照组。
图 3　Cd(Ⅱ)、 Zn(Ⅱ)对新月菱形藻多糖含量的影响
Fig.3　EffectofCd(Ⅱ ), andZn(Ⅱ)onpolycaccharidecontentinalgaNitzschiaclosterium
图 4　Cd(Ⅱ)、 Zn(Ⅱ)对新月菱形藻叶绿素 a含量的影响
Fig.4　EffectofCd(Ⅱ ), andZn(Ⅱ)onchlorophyl-acontentinalgaNitzschiaclosterium
3　讨论
在微藻生长过程中 , 藻体自身合成一些生化物
质如蛋白质 、多糖 、 叶绿素等 , 以维持自身的生长
及细胞的正常状态。微藻可以通过调节自身的保护
酶系统抵御重金属的毒害 。多糖是细胞壁的重要组
成成分 , 为了适应重金属离子环境 , 减少重金属进
入细胞对其各种生理活动造成伤害 , 细胞可能会通
过合成更多的多糖来增加细胞壁的厚度或与重金属
离子结合 , 从而避免或者减少重金属离子进入细胞
内。叶绿素是植物光合作用的主要色素 , 是指示植
物光合器官生理状况的重要指标 , 其含量的高低与
植物光合作用水平的强弱密切相关 , 叶绿素被破坏
与降解会直接导致藻类光合作用效率降低。
本试验结果表明:较高浓度 (>2.0 mg/L)
的 Zn(Ⅱ), 对新月菱形藻的生长有明显的抑制作
用 , 而低浓度 (<1.0 mg/L)的 Zn(Ⅱ)对新月
菱形藻的生长几乎没有抑制作用 , 甚至还表现出一
181第 2期　　　　　　路艳君 ,等:Cd(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)对新月菱形藻生长及生化成分的影响
定的促进作用。这说明 Zn(Ⅱ)可以作为藻细胞
生长的必需元素 , 但高浓度的 Zn(Ⅱ)对藻细胞
有毒害作用 。低浓度的 Cd(Ⅱ) (<3.0 mg/L)
对新月菱形藻的生长没有显著影响 , 当浓度达到
3.0mg/L时则显著抑制藻的生长 , 浓度高于 3.0
mg/L时影响更加明显 。这说明藻细胞对 Cd(Ⅱ)
有一定的耐受力 , 但高浓度的 Cd(Ⅱ)对藻细胞
的毒性较强 。
Cd(Ⅱ)在毒性条件下常影响藻类的生理代
谢 。本试验结果表明:低浓度的 Cd(Ⅱ)(<0.1
mg/L)对藻多糖和叶绿素合成均有一定促进作用 ,
而高浓度的 Cd(Ⅱ)则抑制多糖和叶绿素的合成;
高浓度 Cd(Ⅱ)的试验组蛋白质含量高于低浓度
组 , 可能是由于在高浓度 Cd(Ⅱ)胁迫下 , 微藻
需要合成更多的蛋白质与金属离子络合 , 降低其毒
性 。
Zn(Ⅱ)浓度低于 1.0 mg/L时 , 对新月菱形
藻多糖和叶绿素的合成无显著影响 , 浓度高于 2.0
mg/L时 , 藻多糖和叶绿素的合成受到显著抑制
(P<0.05);Zn(Ⅱ)对新月菱形藻蛋白质含量的
影响不明显 (P>0.05), 各试验组与对照组的蛋
白质含量相差不大。试验初期 , 0.1、 0.5 mg/L浓
度组藻体的蛋白质含量高于对照组 , 说明痕量的
Zn(Ⅱ)在保持蛋白核的完整中起着重要作用 ,
而高浓度的 Zn(Ⅱ)可造成藻体的线粒体损伤并
阻碍其蛋白质合成 , 从而抑制藻体的生长 。
本试验中 , 新月菱形藻对 0.01 ～ 0.1 mg/L的
Cd(Ⅱ)、 Zn(Ⅱ)有较强的适应性 , 在此浓度
范围内 , 藻的生长状况与对照组均无显著差异 (P
>0.05);但当 Cd(Ⅱ)、 Zn(Ⅱ)浓度分别高于
3.0、 1.0 mg/L时 , 藻的生长受到明显抑制 , 培养
液中藻细胞密度明显与对照组有显著差异 (P<
0.05)。根据国家 海洋环境标 准 , 海水 中的
Cd(Ⅱ)、 Zn(Ⅱ)浓度为 0.001 ～ 0.1 mg/L, 这
与新月菱形藻的适宜生长范围一致。因此 , 作者认
为 , 可以利用新月菱形藻在自然海域中进行重金属
的生物监测和修复 。
参考文献:
[ 1] 　赵红霞 ,周萌 ,詹勇 ,等.重金属对水生动物毒性的研究进展
[ J] .中国兽医杂志 , 2004, 40(4):39-41.
[ 2] 　孙红文 ,黄国兰 ,丛丽莉 ,等.藻类固定化技术在环境领域中的
应用 [ J] .上海环境科学 , 1999, 18(8):356-359.
[ 3] 　王海英 ,蔡妙颜 ,郭祀远.微藻与环境检测 [ J] .环境科学与技
术 , 2004, 27(3):98-101.
[ 4] 　石娟 ,潘克厚.不同光照条件对小新月菱形藻和等鞭金藻 8701
生长及生化成分的影响 [ J].中国水产科学 , 2004, 11(2):121
-128.
[ 5] 　LasheenMR, ShehataSA.AliGH.EfectofCd, CuandCron
thegrowthofNilewateralgae[ J].WatAirSoilPolut, 1990, 50(1
-2):19-30.
[ 6] 　苏秀榕 ,李太武 , ChienPK.Cu2+, Zn2+, Cd2+对五种单细胞藻
类生长的影响 [ J] .水产科学, 1999, 18(1):3-5.
[ 7] 　周宏 ,项斯瑞.重金属铜 、锌 、铅 、镉对小形月牙藻生长及亚显
微结构的影响 [ J] .杭州大学学报 , 1998, 25(2):86-91.
[ 8] 　 LeuschA, HolanZR, VoleskyB.Biosorptionofheavymetals
(Cd, Cu, Ni, Pb, Zn)bychemicaly-reinforcedbiomassofma-
rinealgae[ J] .JChemTechBiotechnol, 1995, 62:279-288.
[ 9] 　任莉红.新月菱形藻的高密度培养 [ D].烟台:烟台大学 , 2008.
EfectofCd(Ⅱ)andZn(Ⅱ)ongrowthandbiochemical
compositionofalgaNitzschiaclosterium
LUYan-jun, JIANGAi-li, DOUBai-rui, WANGCan, WANGChang-hai
(OceanSchoolofYantaiUniversity, Yantai264005, China)
Abstract:EfectsofCd(Ⅱ)andZn(Ⅱ)ongrowthandcontentofpolysaccharideaswelaschlorophylandpro-
teinwerestudiedinalgaNitzschiaclosterium.Thealgashowedtosomeextenttolerancetothetwometalswhichdid
notshowsignificantefectonthegrowthofthealgaatlowerthan3.0, and1.0 mg/LforCd(Ⅱ)andZn(Ⅱ)(P>
0.05).However, significantinhibitionofthegrowthinthealgawasobservedatthemetalconcentrationsofmore
than3.0 , and1.0 mg/L(P<0.05).Cd(Ⅱ)refrainedthesynthesisofproteininthealgaewhiletherewasnoevi-
dentefectofZn(Ⅱ)ontheproteinsynthesisinthealga(P>0.05).Cd(Ⅱ)andZn(Ⅱ)promotedthesynthesis
ofpolysaccharideandchlorophylinthealgaatconcentrationoflessthan3.0 mg/L.
Keywords:Nitzschiaclosterium;Cd(Ⅱ);Zn(Ⅱ);growth;composition
182 大 连 水 产 学 院 学 报　　　　　　　　　　　　第 25卷