全 文 ：第 45卷　增刊
2006年 5月 　　　　　　　　　　
厦门大学学报 (自然科学版 )
Journal of X iamen Unive rsity (Na tu ra l Science)　　　　　　　 　　
Vo .l 45　Sup.
M ay 2006
　　
　　收稿日期:2006-01-11
　　基金项目:福建省自然科学基金(B0510005),厦门大学科技创新项
目(XDKJCX20041018)资助
　　作者简介:梁君荣(1975 -),女 ,博士 ,讲师.
Em ai l:sun ljr@163. com
　　*通讯作者:gaoyh@xmu. edu. cn
底栖硅藻新月筒柱藻对锌胁迫的生理学效应
梁君荣 ,唐川宁 ,陈长平 ,高亚辉*
(厦门大学生命科学学院 , 福建 厦门 361005)
摘要:采用流式细胞仪检测细胞增长与色素含量 、原子火焰吸收光谱法测定金属含量以及显微镜观察细胞状态等方法
研究了红树林底栖硅藻新月筒柱藻(Cy lindrotheca closterium (Ehr. ) Reimann and Lew in)暴露在重金属锌 96 h内的细胞
增长 、光合色素含量和细胞形态结构等胁迫效应 , 以及锌在藻细胞内外动态分布的情况. 结果为:(1)在 Zn2+浓度小于 10
m g /L范围内 , 锌对新月筒柱藻的细胞增长和色素含量均无显著抑制作用. (2)1 m g /L和 10 m g /L的 Zn2+对藻细胞内的
叶黄素和叶绿素 a的产生都有促进作用. (3)在实验开始的 24 h内 ,藻细胞处在低 Zn2+浓度(1 mg /L)时 ,藻细胞胞内吸
收的 Zn2+大于胞外吸附的 Zn2+.而藻细胞处在高 Zn2+浓度(10 mg /L)时 , 胞外吸附的 Zn2+较胞内吸收的大 , 细胞内
Zn2+的含量处在较低水平 ,从而促进细胞的增长和色素的合成并使细胞免受外界高浓度锌的毒害. 可见 , 新月筒柱藻正
是通过改变对锌的富集方式 ,以保持细胞内锌含量的相对稳定来适应不同浓度锌的胁迫.
关键词:底栖硅藻;新月筒柱藻;锌;锌胁迫
中图分类号:X 503. 2　　　　　文献标识码:A　　　　　文章编号:0438-0479(2006)S-0225-05
　　红树林生态系统是热带和亚热带沿岸潮间带独特
的 、高生产力的生态系统 [ 1] ,在沿岸河口区具有重要
的生态学意义.其中的底栖硅藻是红树林滩涂中重要
的初级生产者和海洋动物的主要食物. 红树林区的滩
涂是高腐殖质的还原环境 ,具有较强的吸附重金属的
能力 ,是潜在的重金属富集区 [ 2] . 这些重金属对其中
的生物 ,特别是底栖硅藻将产生种种不利或有利的影
响 ,且这些影响也将通过食物链在各个不同食物级生
物中发生迁移转化和生物放大. 底栖硅藻是如何适应
这种重金属富集区的  值得探讨.
锌是红树林滩涂的主要重金属之一 ,在生物体中
起着双重作用 ,既是生物代谢必需的微量营养元素 ,又
是一种高浓度下具高毒性的重金属. 有关锌对藻类生
长的影响已有不少研究 [ 3 ～ 7] ,而关于重金属对特殊生
境下的底栖硅藻的毒性研究还鲜见报道.
新月筒 柱藻 (Cy lindrotheca closterium (Ehr. )
Reim ann and Lew in)是红树林滩涂中常见的底栖硅藻
类 ,也是重要的饵料生物. 因此 ,本文以新月筒柱藻为
研究对象 ,研究锌对其生长 、色素和细胞形态的急性胁
迫影响 ,以及 Zn2 +在藻体内外吸收分布的动态规律 ,
并探讨新月筒柱藻对锌胁迫的生理学效应和可能的耐
受机制.
1　材料和方法
1. 1　藻种分离与培养
底栖硅藻新月筒柱藻 (C. closterium )分离自九龙
江口龙海浮宫草埔头村红树林区淤泥中 ,由本实验室
扩大培养.藻种培养采用 f /2培养液 ,培养体积为 150
mL,温度 20 ℃, pH 8. 0,盐度 15 ,光强 1 500 ～ 2 500
lx,光照周期 12 D∶12 L,每天摇动 2 ～ 3次.
1. 2　Zn毒性实验组设置
将分析纯的 ZnSO 4. 7H2O用去离子水配制成高浓
度 Zn2+母液 ,浓度为 1 500 mg /L. 待藻细胞生长处于
指数生长期时 ,加入 Zn2+离子母液 ,配置成下列 3个
浓度组即:对照组 (Zn2+离子浓度为 0 mg /L)、低浓度
组 (Zn2+离子浓度为 1mg /L)和高浓度组 (Zn2+离子浓
度为 10 mg /L),每组设 3个重复.实验所用的 250 mL
三角瓶均用 10 % HC l浸泡 3 d,去离子水冲洗烘干.
1. 3　藻细胞生长的测定
Zn
2+离子母液加入后 ,分别于 0、1、6、12、 24、48、
72和 96 h取样 ,取藻液 2 ～ 3mL,用甲醛 1∶1(体积比 )
固定. 用 Beckman Coulterepics XL流式细胞仪进行藻
细胞计数 ,进量流速为 0. 372 9 μL /s[ 8] ,进样时间 100
s,测出藻细胞个数.
光学显微镜下和电子扫描电镜下 ,观察藻细胞形
态和色素体结构变化.
1. 4　单个藻细胞内叶绿素 a、叶黄素含量测定
采用 Beckman Cou lterepics XL流式细胞仪测定单
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个藻细胞内叶绿素 a和叶黄素的相对含量. 选取氩离子
激光器 , 激发波长 488 nm ,信号前向散射 (FS)、侧向散
射(SS)及 2个波长的荧光:FL3(620 nm )和 FL4(675
nm).其中 FL3(620 nm)参数直接反映了单个细胞中叶
黄素的含量 ,而 FL4(675 nm)参数反映了单个细胞中叶
绿素 a的含量.优化各参数后进行所有样品测定.
1. 5　藻细胞胞内吸收 、胞外吸附和溶液中游离
锌的量
　　藻细胞胞外吸附锌的量:参考 Reinfe lder＆ F isher
(1991)的方法测定 [ 9] .
藻细胞外游离锌的量:收集藻细胞溶液 ,离心 ,原
子火焰吸收光谱法测上清液锌的含量.
藻细胞胞内吸收锌的量 =外加入锌的量 - (藻细
胞胞外吸附 +细胞外游离锌的含量).
富集量 =胞内吸收锌的量 +胞外吸附锌的量
富集百分率 =(富集量 /外加入锌的量 )×100%
2　结　果
2. 1　锌对藻细胞生长的影响
96 h内 ,金属锌对新月筒柱藻生长的影响见图 1,
实验各组的藻细胞增长趋势基本一致.其中 , Zn2+浓度
为 1 mg /L时 ,藻细胞的生长率略低于对照组 ,但从差
异度分析 ,两者差异不显著. Zn2 +浓度为 10 mg /L时 ,
藻细胞的生长率略高于对照组 ,特别是在 72 ～ 96 h期
间 , Zn2 +对藻细胞增长的促进作用显著.
2. 2　锌对藻细胞叶绿素 a、叶黄素含量的影响
光学显微镜和扫描电镜观察下 ,锌对藻细胞的形
状和色素体均无明显影响. 但藻细胞中的色素含量存
在变化. 24 h内 ,包括对照组在内的所有实验组的单
个藻细胞内的叶黄素和叶绿素 a含量均显现出昼夜周
期波动 ,且加 Zn2+浓度组产生的叶绿素 a和叶黄素均
较对照组高 (图 2),表现为锌具有促进叶绿素 a和叶
　　　　　　　图 1　不同浓度的锌对新月筒柱藻细胞生长的影响
F ig. 1　E ffec t o f different concentrations o f zinc on cell g row th o fC. c losterium
图 2　不同锌浓度下单个新月筒柱藻细胞叶黄素和叶绿素 a相对含量变化
F ig. 2　Varia tion o f re lative contents o f lute in and ch lo rophy ll in sing le ce ll o fC. closterium unde r differen t concentra tions
of zinc
增刊　　　　　　　　　　　　梁君荣等:底栖硅藻新月筒柱藻对锌胁迫的生理学效应　　　　 　　　　　　　　 227　
黄素产生的作用. 在 96 h内 , 10 mg /L的 Zn2+促进叶
黄素的产生作用较显著 , 1 mg /L的 Zn2+对叶黄素的产
量促进作用较不显著 (p>0. 05)(图 2).相对于叶绿素
a来说 ,在 48 h之前 , 1 mg /L浓度的 Zn2+促进作用较
10mg /L浓度的锌强;48 h之后 ,高浓度的 Zn2+则具有
更强的促进作用.
2. 3　藻细胞对锌的富集动态
藻类对重金属的富集方式主要为两种:细胞内吸
收和细胞外吸附 [ 3] . 新月筒柱藻对 Zn2+离子的吸附速
度相当快 ,在 1 h内就已经完成 ,而在 6 h左右被吸附
的 Zn2+离子就转移进入细胞内 ,很快细胞内外的 Zn2+
离子达到初步平衡(图 3、4).
在 1 mg /L Zn2+培养液中 , 12 h内藻细胞富集的
Zn
2+大都立即转移进入藻细胞内;12 ～ 48 h, Zn2+又被
排出藻细胞外 ,附着 Zn2+增多;48 ～ 72 h吸收已基本
停止 ,附着 Zn2+和胞内 Zn2+逐渐达到平衡(图 3、4).
在 10mg /L的 Zn2+培养液中 , 1 h内就已经有相
当多的富集量 ,多为胞外吸附;1 ～ 12 h,吸附 Zn2+量降
低 ,胞内的 Zn2+总量没有太大变化;12 ～ 24 h,胞外吸
附量和胞内吸收量都有较大提高;24 ～ 48 h,吸附量又
有增加;48 ～ 96 h,细胞内外交换趋于稳定(图 3、4).
由此可见 , 24 h内高浓度 Zn2+与低浓度 Zn2+的吸
收分配情况有明显差别.高浓度偏于吸附富集 ,低浓度
重金属则大都转移吸收进入细胞内.
2. 4　藻细胞对锌的富集系数变化
计算藻细胞对锌的富集系数 (富集量和富集百分
率 ),结果为 (图 5):(1)96 h内 ,高浓度组的 Zn2+富集
量和富集百分率都较低浓度组高 ,表明藻细胞处于高
浓度的 Zn2+浓液时 ,它对锌的绝对和相对富集量都较
高. (2)新月筒柱藻对于高 、低浓度 Zn2+的富集方式的
差异体现在 24 h之内.
3　讨　论
3. 1　新月筒柱藻对金属锌的耐受能力
锌作为一种有毒重金属 ,对单细胞藻类的毒性可
以表现为抑制藻类生长 、降低叶绿素 a含量 、使海生浮
游植物天然群落的光合能力下降等 [ 4] . 锌对不同藻的
胁迫作用相差较大 ,半致死浓度有明显差异.如三角褐
指藻 、蛋白核小球藻和月形藻的 96 h - EC50值为分别
为 0. 363[ 5] , 0. 473[ 6]和 0. 038 mg /L[ 7] . 而本实验浓度
和时间范围内 ,锌对新月筒柱藻细胞的增长和光合色
素产量都没有显著抑制作用 ,甚至有不同程度的促进
作用.且锌对光合色素的促进作用与其对藻细胞生长
的促进作用是相对应的.锌对新月筒柱藻的半致死浓
度远远高于三角褐指藻 、蛋白核小球藻以及月形藻的
半致死浓度 ,说明新月筒柱藻对锌忍耐力较高.
3. 2　新月筒柱藻对锌的耐受机制
本实验可以看出 ,虽然高浓度组的藻细胞对锌的
富集系数显著高于低浓度组 , 但是藻细胞对高浓度
Zn
2+离子与低浓度 Zn2+离子的富集方式有明显差别.
正是这种富集方式的差异提高了新月筒柱藻对锌的耐
受能力.当新月筒柱藻处在较低浓度 Zn2+(1 mg /L)
时 ,藻细胞主要以细胞内吸收的方式富集锌 ,锌大都吸
收转移入细胞内 ,吸收的少量 Zn2+可以满足藻细胞的
基本生理需要. 而新月筒柱藻处在高浓度 Zn2+(10
mg /L)时 ,藻细胞胞外吸附的锌多于胞内吸收的锌 ,表
现为偏于胞外吸附富集 ,因此进入到细胞内的锌较少;
同时藻细胞的增殖速度较快(48 h就可以完成一次细
胞分裂 ),增殖后的细胞增加了细胞表面附着锌的量 ,
进一步降低进入到细胞内的锌含量 ,因此细胞内锌的
含量保持在较低的水平细胞内环境的稳定 ,提高了藻
　　　　　　　　图 3　Zn2+在新月筒柱藻细胞内外的分布情况
F ig. 3　The distribu tion o f Zn2+ in ce lls o fC. closterium
228　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　厦门大学学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　　　　　　　　2006年
　　　　　　图 4　新月筒柱藻细胞对 Zn2+的富集动态
A细胞外吸附的锌浓度 , B细胞内吸收的锌浓度
F ig. 4　Abso rption dynam ic o f zinc in ce lls o fC. closterium
图 5　新月筒柱藻细胞对锌的富集系数变化
F ig. 5　Variation of enrichm en t coe fficien t of zinc in ce lls ofC. closterium
细胞对金属锌的耐受性.这种富集方式的差异使得新
月筒柱藻能够很好地生活在红树林的淤泥中.
3. 3　高浓度组锌促进新月筒柱藻生长原因
一般来说 ,高浓度的 Zn2 +对单细胞藻增殖有抑制
作用[ 5 ～ 7] . 虽然本实验 48 h后 , Zn2+ 10 mg /L组的细
胞增长和细胞内光合色素的产量都显著高于对照组和
低浓度组.但是 , 48 h后 ,高 、低浓度组的藻细胞内 Zn2+
离子含量都很低.其中 1mg /L组的细胞内 Zn2 +离子含
量近乎 0(图 4B),该组的细胞增殖和色素变化情况表现
为与对照组无显著差别.而 10mg /L浓度组的藻细胞内
的低 Zn2+离子却促进藻细胞的增长和繁殖 ,以及色素
的合成.由此可见 ,对新月筒柱藻的增殖和色素变化起
直接作用的是细胞内吸收的 Zn2+含量 ,而不是培养液
中的 Zn2+含量.藻细胞内低浓度的 Zn2+离子对藻细胞
的增长和叶绿素 a的合成都有促进作用.
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TheToxic Effects of Zinc on a BenthicD iatom
Cylindrotheca closterium
LIANG Jun-rong, TANG Chuan-n ing, CHEN Chang-ping, GAO Y a-hui*
(School of L ife Sc iences, X iam en Un ivers ity, X iamen 361005, China)
Abstract:The toxic effec ts of zinc on the cell d iv ision, pigment content, and cellmorpho logy ofCylindrotheca closterium , a ben th ic
d ia tom commonly occurr ing in the mangrove soil, were investigated. The d is tribution pattern of z inc in algal cells was also studied. The
flow cy tom eter, a tom ic absorption sepec trome tr and m icroscope w ere used in th is artic le. The results show ed:1) when the concentration
of z incw as below 10mg /L, the re w as no signif icant negative effect on cell d iv is ion or p igm ent con ten.t 2) 1 mg /L and 10 mg /L zinc
ion improved lute in and chlorophy ll a content in a lgal ce l.l 3) In the first 24 hours of the cu lture exper imen t, the alga l ce lls of 1m g /L
zinc ion group had higher in trace llular absorption of zinc, and the a lgal cells of 10m g /L group had higher a ttached absorption of zinc. Re-
main ing low concentration of intracellular z inc ion improved ce ll div is ion and p igm en t content when the ce lls were cultured in 10m g /L
zinc ion solution. SoC. closterium cou ld avoid the zinc toxic ity by chang ing the absorption w ay of z inc ion to rem ain low concentration
of intracellu la r z inc ion when the ce lls under the zinc stress.
Key words:Benthic diatom;Cy lindrotheca closterium;zinc;z inc stress