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镉离子对红树林底栖硅藻新月筒柱藻胞外多糖的影响



全 文 :第52卷 第1期 厦门大学学报(自然科学版) Vol.52 No.1
 2013年1月 Journal of Xiamen University(Natural Science) Jan.2013 
  
收稿日期:2012-05-28
基金项目:国家自然科学基金项目(40906058,30930017);福建省
自然科学基金项目(2011J01279)
*通信作者:gaoyh@xmu.edu.cn
镉离子对红树林底栖硅藻新月筒柱藻胞外多糖的影响
陈长平1,徐华林2,3,梁君荣1,高亚辉1*
(1.厦门大学生命科学学院,福建 厦门 361102;2.厦门大学环境与生态学院,福建 厦门 361102;
3.广东内伶仃-福田国家级自然保护区管理局,广东 深圳 518040)
摘要:重金属镉在沉积物中普遍存在,易对底栖硅藻造成慢性毒害.研究了不同浓度的镉离子对红树林底栖硅藻新月
筒柱藻的细胞生长、蛋白质含量及胞外多糖(extracelular polymeric substances,EPS)的影响.结果表明,与对照组相比,
不同浓度的镉离子显著抑制了细胞的生长和蛋白质含量;0.001、0.01和0.1μg/mL实验组均显著抑制了EPS含量(p
<0.05),浓度越高,抑制越强.但新月筒柱藻在不同生长阶段分泌附着胞外多糖(attached EPS,AEPS)和胶体胞外多糖
(coloidal EPS,CEPS)不一样,在培养的前4d,CEPS含量高于AEPS含量10倍以上,4d后则AEPS含量高于CEPS.与
0.001μg/mL的镉离子实验组相比,0.1μg/mL的镉离子促进CEPS的积累,而抑制AEPS的产生,特别是在生长前期.
这说明细胞倾向于向培养基中分泌大量的CEPS,而不是在细胞周围形成大量的 AEPS来缓解高浓度镉离子的胁迫.研
究结果有助于了解镉离子在底栖硅藻集群的时空分布和沉积物的稳定性等方面的作用.
关键词:海洋硅藻;胞外多糖;镉离子;胁迫
中图分类号:Q 781    文献标志码:A     文章编号:0438-0479(2013)01-0122-05
  底栖硅藻相对固定地生活在一定区域的沉积物
中,由于腐殖质的作用,重金属的酸可溶性相的比例增
大,特别是当人为干扰时,沉积物的通气透水状况改
善,有机质大量分解,土壤酸度增加,金属易游离成为
离子态[1],特别是红树林沉积物在高浓度腐殖质的作
用下,易成为一个潜在的重金属富集区.镉是一种毒性
较强的重金属,由于工业等废水排放到水体、土壤中,
在红树林区沉积物中普遍存在,易对环境中的生物如
底栖硅藻等造成慢性毒害[2].硅藻在其生长过程中会
以多种形式分泌胞外多糖(extracelular polymeric
substances,EPS),如附着薄膜、细胞覆盖物等.这些胞
外物质具备多种功能,如运动、附着性、稳定环境、影响
群落组成等,是硅藻生长过程的一个重要组成部
分[3-5].胞外产物通常包括EPS、胞外氮和胞外酶等成
分,其中EPS是胞外产物的一个重要组成部分.本文
研究不同浓度的镉离子对底栖硅藻生长、蛋白质以及
胞外产物的影响,对了解镉离子在底栖硅藻集群的时
空分布和沉积物的稳定性等方面的作用具有重要
意义.
1 材料与方法
藻种为羽纹纲菱形藻科筒柱藻属新月筒柱藻(Cy-
lindrotheca closterium(Ehr.)Reimann et Lewin),是从九
龙江口龙海浮宫草埔头村红树林林下淤泥中分离出来
的底栖硅藻.f/2培养液培养[6],温度20℃,pH 8.0,
盐度15,光强2 500lx,光照采用白色日光灯,光照周
期12∶12.氯化镉为分析纯.先称取一定量的实验试
剂,用去离子水溶解配制重金属离子母液.实验3个梯
度(0.001,0.01和0.1μg/mL),3个重复.以不加重金
属离子的培养液为对照组.
1.1 细胞密度的测定
在无菌条件下取一定量的藻液,稀释后吸取0.1
mL,在光学显微镜下计数,计算得到藻细胞密度.
1.2 蛋白质含量的测定
用考马斯亮蓝法于595nm波长测定[7].
1.3 EPS含量的测定
EPS含量的测定采用苯酚硫酸法[8].标准曲线的
制作方法见范晓等[8]的方法.参考 Wolfstein等[9]的
方法,把EPS分为2种组份:附着胞外多糖(attached
EPS,AEPS)和胶体胞外多糖(coloidal EPS,CEPS).
CEPS是指溶解在培养基中的多糖,AEPS是指粘附
在细胞表面的多糖.
第1期 陈长平等:镉离子对红树林底栖硅藻新月筒柱藻胞外多糖的影响
1.4 数据统计分析
本文中的t-检验数据统计过程使用SPSS 10.0
for Windows统计软件完成[10].
2 结 果
2.1 不同浓度的镉离子对细胞密度和蛋白质
含量的影响
  与对照组相比,不同浓度的镉离子显著抑制了细
胞的生长(图1).在培养期间,0.001μg/mL组细胞密
度有明显的增长,在第7天至第10天达到最大值,0.1
μg/mL的实验组在1d后观察发现藻细胞破碎死亡,
到第7天全部死亡,与对照组相比,3组均显著抑制了
细胞密度的增长(p<0.05),浓度越高,抑制越强.
不同浓度的镉离子对细胞蛋白质含量的抑制随浓
度增高而增强(图2).0.001和0.01μg/mL实验组蛋
白质含量在第10天最高,而0.1μg/mL实验组蛋白
质含量一直在减少,与对照组相比,3组均显著抑制了
蛋白质含量(p<0.05).浓度越高,抑制越强.
图1 不同浓度的镉离子对新月筒柱藻细胞增殖的影响
Fig.1 Influence of different Cd2+concentration on the
reproduction of C.closterium
2.2 不同浓度的镉离子对细胞CEPS的影响
2.2.1 CEPS
与对照组相比,0.001,0.01和0.1μg/mL实验组均
显著抑制了CEPS含量(p<0.05),浓度越高,抑制越强,
但0.001和0.01μg/mL之间无显著差异(p>0.05)(图
3).在镉离子实验各组中,培养期间CEPS含量均有增加,
而在第4天,3个处理的CEPS含量均高于对照组.
由于重金属离子对细胞的生长产生了影响,培养
液中CEPS的含量是单个细胞的生理状况和细胞数决
定的,因此用单个细胞的CEPS能较好地反映出单个
细胞在不同重金属胁迫下分泌的CEPS.与对照组相
比,仅0.1μg/mL镉离子实验组显著促进了单个细胞
CEPS的分泌(p<0.05),而后死亡,而另2组与对照
组之间无显著性差异(p>0.05)(图4).
2.2.2 新月筒柱藻每微克蛋白分泌的CEPS
  CEPS的产量与细胞的生理状态关系密切,我们
采用CEPS与细胞蛋白质含量的比值(CEPS/Pr)来反
映在不同生长状态下细胞CEPS的产量.重金属离子
影响下的不同生理状态的细胞分泌CEPS含量有很大
的不同.除第 4 天外,不同浓度的镉离子处理组
CEPS/Pr值均较低,与对照组相比,0.001和0.01
μg/mL实验组显著抑制了CEPS/Pr(p<0.05),0.1
μg/mL实验组由于细胞发生死亡,蛋白质含量很低,
因此CEPS/Pr值较高(图5).
2.3 不同浓度的镉离子对细胞AEPS的影响
新月筒柱藻分泌AEPS和CEPS的生长阶段是不
同的,在生长前期,CEPS浓度要高于 AEPS浓度10
倍以上,生长后期则AEPS含量高于CEPS.不同浓度
处理组AEPS积累速度要低于对照组的积累速度.与
对照组相比,3组均显著抑制了AEPS的分泌,浓度越
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厦门大学学报(自然科学版) 2013年
高,抑制越强(图6).
2.3.1 单个细胞分泌的AEPS
单个细胞分泌的 AEPS在生长前期远小于单个
细胞分泌的CEPS,生长后期则大于单个细胞分泌的
CEPS,在镉离子实验组,单个细胞分泌的 AEPS在稳
定生长期最大,与对照组相比,3组均显著抑制了单个
细胞AEPS的分泌,浓度越高,抑制越强(图7).
2.3.2 AEPS/Pr
与对照组相比,3组均显著抑制了AEPS/Pr的积
累(p<0.05)(图8).
2.4 总胞外多糖(CEPS与AEPS之和,TEPS)
镉离子抑制了新月筒柱藻 TEPS的分泌,TEPS
保持较低的水平.与对照组相比,3组均显著抑制了
TEPS的分泌,浓度越高,抑制越强(图9).
3 讨 论
重金属离子对不同藻类的毒性是不同的.我们的
结果表明镉离子显著抑制新月筒柱藻蛋白质含量,镉
浓度越高,抑制越强(本文中0.1μg/mL为高浓度,而
0.001μg/mL为低浓度).许章程
[11]发现10μg/mL的
镉离子对钙质角毛藻(Chaetoceros calcutrans)的增长
仅有轻微毒性效应,而1μg/mL的镉离子无明显毒
性.陈贞奋[12]发现牟氏角毛藻(Chaetoceros muelleri)
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第1期 陈长平等:镉离子对红树林底栖硅藻新月筒柱藻胞外多糖的影响
图9 不同浓度的镉离子对新月筒柱藻
细胞TEPS的影响
Fig.9 Influence of different Cd2+concentration
on TEPS of C.closterium
对镉离子有较高的耐受性,其在11.24μg/mL的高浓
度下,细胞还能增殖.
对硅藻EPS的研究最早见于对浮游硅藻EPS的
研究[13-14].在指数生长期细胞通常分泌较少的EPS,
进入稳定生长期,开始大量分泌EPS.这一现象也出
现在我们的实验中,细胞在指数生长期后期,开始进入
稳定生长期时,CEPS的含量最高(本文中培养的前4
d定义为生长前期,4~10d为生长后期,10d后为稳
定生长期).镉离子实验组即使在0.001μg/mL低质
量浓度下,培养基中CEPS含量仍表现出早期高于对
照组,后期低于对照组.这在某种程度上表现了EPS
在抗重金属毒性方面的作用,其他的研究也表明浮游
植物在重金属胁迫下,细胞可以分泌多糖与重金属结
合,以减轻重金属对细胞的毒害[15-17].随着培养时间
的延长,最高浓度重金属离子的各个处理并没有继续
分泌更多的EPS,Staats等[18]认为光合作用会影响到
硅藻EPS的产量,因此这可能是过高的重金属离子对
细胞的胁迫加大,色素体受到破坏,光合能力下降,其
光合合成的碳水化合物不足以满足EPS分泌的需要.
在毒害较大的重金属离子镉离子高浓度的胁迫
下,前期单个细胞均分泌出较多的CEPS,这样必然对
细胞的增殖产生影响.低浓度的重金属对单个细胞分
泌的CEPS的影响较小.重金属对CEPS/Pr的影响与
单个细胞的CEPS的影响相反,高浓度的重金属离子
促进了 CEPS/Pr的积累,低浓度的重金属离子对
CEPS/Pr没有显著的影响.这是因为高浓度的重金属
离子显著抑制了细胞的蛋白质含量,同时又促进了细
胞分泌更多的CEPS,导致CEPS/Pr值较高.
与CEPS相比,对AEPS的研究比较少见.AEPS
对底栖硅藻是重要的.在潮间带的底栖硅藻集群中,其
分泌到外界中的 CEPS,很可能被潮汐带走,导致
CEPS对稳定沉积物的作用不大,底栖硅藻也无法利
用这部分的EPS.而 AEPS与细胞的结合比较牢固,
与沉积物的结合也比较牢固,可以起到稳定沉积物的
作用,有研究表明底栖硅藻的AEPS对细胞的迁移是
至关重要的,底栖硅藻在黑暗中也可以利用这部
分EPS[19].
对照组底栖硅藻的 AEPS在指数生长期产量很
小,而在稳定生长期达到最大(图6).0.1μg/mL镉离
子实验组在第4天具有最高的EPS产量,而且单个细
胞的CEPS和CEPS/Pr均表现出了明显的促进作用
(图3~5).这可能与0.1μg/mL镉离子对细胞的较强
毒性作用有关(第7天发生细胞死亡现象).在高浓度
镉离子的胁迫下,细胞被迫向培养液中分泌大量的
EPS,并且在第7天细胞生长受到严重影响,无法适应
而死亡.高质量浓度(0.1μg/mL)的镉离子对单个细
胞CEPS和AEPS的影响有很大的不同,高浓度的镉
离子明显促进单个细胞CEPS的积累,而显著抑制单
个细胞 AEPS的产生,特别是在生长前期更是如此
(图4~5,7~8).这说明在镉离子的胁迫下,细胞倾向
于向培养基中分泌大量的CEPS,而不是在细胞周围
形成大量的 AEPS来缓解镉离子的胁迫.0.01和
0.001μg/mL镉离子实验组对新月筒柱藻CEPS的影
响在生长不同时期,如前期(前4d)高于对照组,而后
期(4~10d后)则较低.这可能因为前期镉离子的胁
迫促进了细胞CEPS的分泌,而10d后由于对照组的
细胞进入了稳定期,CEPS的分泌也逐渐增加.
对照组和低浓度镉离子组单个细胞 AEPS含量
在生长过程中一直增加,到稳定生长期达到最大,浓度
高于单个细胞的CEPS,而单个细胞的CEPS由于后
期细胞数的大量增加,反而下降.这反映了无胁迫或低
胁迫下的新月筒柱藻在生长后期倾向于分泌更多的
AEPS,而不是CEPS,可能与稳定生长期很高的细胞
密度有关.
参考文献:
[1] Prakash A,Rashid M A.The influence of humic sub-
stances on coastal phytoplankton productivity[C]∥
Coastal Lagoon,A Symposium.Paris:UNAM-Unesco,
1969:431-438.
[2] 林鹏.中国红树林生态系[M].北京:科学出版社.1997:
297-316.
[3] Tanaka N.Adhesive strength of epiphytic diatoms on va-
rious seaweeds[J].Bul Jap Soc Sci Fish,1986 52:
817-821.
[4] Daniel G F,Chamberlain A H L,Jones E B G.Ultrastruc-
·521·
厦门大学学报(自然科学版) 2013年
tural observations on the marine fouling diatomAmphora
[J].Helgol Wiss Meeresunters,1980,34:123-149.
[5] Ernissee J J,Abbott W H.Binding of mineral grains by a
species of Thalassiosira[J].Nova Hedwigia Beihefte,
1975 53(8):241-248.
[6] 程兆第,高亚辉,刘师成.福建沿岸微型硅藻[M].北京:
海洋出版社,1993:8-10.
[7] 蔡武城,袁厚积.生物物质常用化学分析法[M].北京:科
学出版社,1982:1-183.
[8] 范晓,严小军,韩丽君.海藻化学分析方法[M].北京:学
苑出版社,1996.
[9] Wolfstein K,Lucas J S.Production of extracelular poly-
meric substances(EPS)by benthic diatoms:effect of irra-
diance and temperature[J].Mar Eco Progr Ser,2002,
236:13-22.
[10] 三味工作室.世界优秀统计软件SPSS V10.0for Win-
dows实用基础教程[M].北京:北京希望电子出版
社,2001.
[11] 许章程.四种重金属对海洋钙质角毛藻的毒性[J].台湾
海峡,1999,18(3):303-307.
[12] 陈贞奋.四种重金属对牟氏角毛藻生长率和叶绿素含量
的影响[J].海洋学报,1985,7(3):342-352.
[13] Strycek T,Acreman J,Kerry A,et al.Extracelular fibril
production by freshwater algae and cyanobacteria[J].
Microb Ecol,1992,23:53-74.
[14] Myklestad S.Prodution of carbohydrates by marine
planktonic diatoms.II.Influence of the N/p ratio in the
growth medium on the assimilation ratio,growth rate,
and production of celular and extracelular carbohy-
drates by Chaetoceros affinis var.willei(Gran.)Hus-
tedt and Skeletonema costatum (Grev.)Cleve[J].J Exp
Mar Biol Ecol,1977,29:161-179.
[15] Decho A W.Microbial exopolymer secretions in ocean
environments:their role(s)in food webs and marine
processes[J].Oceanogr Mar Biol Annu Rev,1990,28:
73-153.
[16] Swalow K C,Westal J C,Mcknight D M,et al.Poten-
tiometric determinationof copper complexaion by phyto-
plankton exudates[J].Limnol Oceanogr,1978(23):
538-542.
[17] Gonzalez-Davila M.The role of phytoplankton cels on
the control of heavy metal concentration in seawater[J],
Marine Chemistry,1995(48):215-236.
[18] Staats N,Stal L J,de Winder B,et al.Oxygenic photo-
synthesis as driving process in exopolysaccharide pro-
duction of benthic diatoms[J].Mar Ceol Prog Seri,2000
(193):261-269.
[19] David J S,Underwood G J C.Exopolymer production by
intertidal epipelic diatoms[J].Limnol Oceanogr,1998,43
(7):1578-1591.
The Influence of Cd2+on the Extracelular Polymeric Substances Excreted
by the Benthic DiatomCylindrotheca closteriumfrom Mangrove
CHEN Chang-ping1,XU Hua-lin2,3,LIANG Jun-rong1,GAO Ya-hui 1*
(1.School of Life Sciences,Xiamen University,Xiamen 361102,China;
2.Colege of the Environment &Ecology,Xiamen University,Xiamen 361102,China;
3.The Administrative Bureau of Neilingding-Futian National Nature Reserve,Shenzhen 518040,China)
Abstract:The heavy metal Cd2+ are common in sediment,with chronic toxicity to benthic diatoms.The influence of Cd2+ on the
growth,protein content and extracelular polymeric substances(EPS)of the benthic diatomCylindrotheca closteriumfrom mangrove
was studied in the present paper.Compared to the control group,the growth,protein content and the EPS content were inhibited un-
der different Cd2+concentration significantly.The content of attached EPS(AEPS)and coloidal EPS(CEPS)excreted by Cylin-
drotheca closterium were different in different growth stages.CEPS content was 10times higher than AEPS content before day 4,
while AEPS content was higher than CEPS content after day 7.Compared to 0.001μg/mL Cd
2+ group,CEPS content were in-
creased,while AEPS content were inhibited by 0.1μg/mL Cd
2+group,especialy at the early stage,indicating that CEPS,rather than
AEPS,was excreted by diatoms to reduce the heavy metal stress.Our results contributed to the understanding of distribution of ben-
thic diatom assemblages and its roles on the sediment stability.
Key words:marine diatom;extracelular polymeric substances(EPS);Cd2+;stress
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