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微量元素钴对脆杆藻和斜生栅藻增殖的影响



全 文 :山西农业科学 2012,40(3):207- 211 Journal of Shanxi Agricultural Sciences
微量元素钴对脆杆藻和斜生栅藻增殖的影响
张玮玮 1,王家官 2
(1.山西生物应用职业技术学院,山西太原 030031;2.山西省农业厅农垦局,山西太原 030031)
摘 要:微量元素钴是浮游藻类代谢、生长所需要的一种元素。藻类增长潜力(AGP)试验显示,在钴(Co2+)质
量浓度为 0.120 0~0.167 8μg/L的液体培养基中,脆杆藻(Fragilaria sp.)的生长增殖较快;Co2+质量浓度达
到 0.229 1μg/L时,脆杆藻的生长增殖受到明显抑制。Co2+质量浓度在 0.120 0~0.229 1μg/L之间时,斜生
栅藻(Scenedesmus obiquus)的生长增殖较快;Co2+质量浓度大于 0.284 9μg/L后,斜生栅藻的生长增殖则受
到不同程度的抑制。汾河水库水体的 Co2+含量平均为 0.167 8μg/L,在其他条件适宜时对硅藻和绿藻的细
胞分裂与生长有促进作用。
关键词:藻类增长潜力试验;钴(Co2+);脆杆藻;斜生栅藻
中图分类号:X524 文献标识码:A 文章编号:1002- 2481(2012)03- 0207- 05
Influence of Co2+ on the Cell Multiplication of Fragilaria sp. and Scenedesmus obiquus
ZHANGWei- wei1,WANG Jia- guan2
(1.Shanxi Biological Application Vocational and Technical College,Taiyuan 030031,China;
2.Bureau of Reclamation,Department of Agriculture of Shanxi,Taiyuan 030031,China)
Abstract:Co2+ is a kind of trace element needed by phytoplanktons metabolism and growth. The results of algal growth
potential test showed that cell growth and multiplication of Fragilaria sp. increased faster at Co2+ concentration of 0.120 0~
0.167 8μg/L in liquid culture media, and were obviously inhibited when Co2+mass concentration was above 0.229 1μg/L. It also
shown that the optimum Co2+ mass concentration for cell growth and multiplication of Scenedesmus obiquus was 0.120 0~
0.229 1 μg/L. However, the Co2+ concentration above 0.284 9μg/L caused obviously inhibition to cell growth and multiplication
of Scenedesmus obiquus in different degrees. The Co2+ concentration in Fenhe reservoir was 0.167 8μg/L. It could also acceler-
ate the growth and cell multiplication ofDiatom and Chlorophyta, when other conditions were suitable.
Key words:algal growth potential test; Co2+; Fragilaria sp.; Scenedesmus obiquus
收稿日期:2011- 11- 22
基金项目:山西省科技攻关项目(20100311094)
作者简介:张玮玮(1981-),女,山西浑源人,助教,硕士,主要从事药用植物学研究与教学工作。
doi:10.3969/j.issn.1002-2481.2012.03.05
钴(Co)属铁族元素,为顺磁性银白色金属。
半个世纪以来,钴的研究取得了很大进展,迄今
为止,已证实钴元素是人体、动物、藻类、微生物
及豆科作物等所必需的微量营养元素[1- 2],是植物
生长的有益元素,对多种农作物有增产作用[3]。大
量研究表明,钴及其化合物具有一定的生物学效
应和药理作用。在高等植物中,钴可以提高叶片
叶绿素含量,增强植株的光合作用,对多种作物
有增产作用。钴参与机体酶的组成以及对酶具有
活化作用,可治疗多种贫血;钴盐对低色素小细
胞性贫血的疗效较好;钴参与构造维生素 B12的
特定结构,对高色素巨细胞性贫血疗效显著,因
而,钴的研究引起了人们的重视[4- 5]。目前,在藻类
中也开展了一些工作,崔青曼等[6]试验表明,低浓
度的钴对小球藻、极大螺旋藻的生长具有明显的
促进作用。重金属对藻类生物的影响主要体现在
2个方面:一方面是重金属对藻类的致毒效应,
另一方面是重金属可提高藻类的新陈代谢过程,
促进生长[7]。比较重要的微量金属有 Fe,Mn,Cu,
Mg,Mo,Co等,其主要机理是作为辅助因子参与
生物生化反应,以促进生物增殖。在对汾河水库
水体监测的过程中发现,钴浓度的变化与硅藻、
绿藻的消长有一定的相关性。
本试验采用藻类增长潜力试验(AGP)探讨
了钴对脆杆藻(硅藻)和斜生栅藻(绿藻)细胞增
殖的影响,以期从微量元素角度探讨汾河水库浮
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游藻类细胞密度上升较快的原因,为防治水体富
营养化提供科学依据。
1 材料和方法
1.1 试验材料
本试验所用的藻种是脆杆藻(Fragilaria sp.
Fachb- 218)和斜生栅藻(Scenedesmus obiquus)。
1.2 试验方法
1.2.1 藻种的驯化与培养 将藻种在 MGC-
300B型微电脑控制光照培养箱中进行无菌驯化
培养。斜生栅藻选用 BG11培养基,脆杆藻选用 D1
培养基。培养条件为:光照强度 2 000 lx,光暗比
14 h∶10 h。经过 14~21 d的驯化培养,藻种可
达到试验要求。
1.2.2 Co2+ 质量浓度梯度的培养基配制 用
Co(NO3)2·6H2O配置系列 Co2+质量浓度梯度的培
养基,如表 1所示。
1.2.3 接种 用 722S分光光度计测出斜生栅藻
与脆杆藻藻种液的细胞光密度值为 0.1~0.2时,
进行接种。取 50 mL藻种液,在 3 500 r/min下离
心 10 min,弃上清液。沉淀的藻细胞用 0.001 5%
碳酸氢钠水溶液重新悬浮,再离心,以除去营养
物及其他物质。这样的洗涤过程进行 2次,最后
用碳酸氢钠水溶液再悬浮(碳酸氢钠液的体积根
据已计算出的用于接种时所需要的藻种液的细
胞密度来确定)。接种完毕,锥形瓶用透气膜封
盖,在设定条件下进行培养。
1.2.4 试验条件 斜生栅藻培养温度(25±
1)℃,脆杆藻培养温度(22±1)℃,光照强度为
2 000 lx,光暗比 14 h∶1 0 h。为减少因光照不均
匀可能造成的影响,每隔 2~3 h摇动并更换各试
验组锥形瓶的位置 1次。保持试验液 pH值≤8.5。
1.2.5 光密度(OD)值与叶绿素 a(Chla)的测定
培养液中藻细胞密度能决定其光密度(OD)的
大小和叶绿素 a(Chla)含量的高低。本试验通过
测定试验液中 OD和 Chla的数值来说明 2种藻
的细胞密度消长状况。
OD值的测定:先用紫外分光光度计测定斜
生栅藻和脆杆藻的全吸收波谱,确定它们的吸收
峰,然后将试验液在 722S可见分光光度计上测定
OD值。斜生栅藻和脆杆藻测定 750 nm(吸收峰)
处的 OD值。从试验第 2天开始,每隔 1 d测定
1次,直到试验结束,每次测定的时间基本相同。
叶绿素 a的测定:采用甲醇萃取法。取 3 mL
试验藻液在 3 500 r/min下离心 10 min,弃去上清
液,然后等体积加入 90%(V/V)无水甲醇,混匀,
放置在 4℃黑暗条件下萃取 6~8 h,离心,取上
清液,在 722S可见分光光度计上测定 665 nm处
光密度值。根据公式 C(μg/mL)=OD665×13.9,
计算出叶绿素 a的含量。
2 结果与分析
2.1 钴对脆杆藻增殖的影响
2.1.1 不同质量浓度(A~E)Co2+对脆杆藻 OD
值的影响 试验结果(图 1)显示,在试验的前
4 d,脆杆藻处于增殖的调整期,从第 7天开始,
A,B,C,D组的该藻细胞均不同程度进入分裂增
殖对数期,B,C组增长幅度较大,并一直呈上升
趋势,而 D,E组虽也增长但趋势比较缓慢,直到
第 8天后,开始有缓慢增殖。试验结果还显示,当
Co2+质量浓度在 0.120 0~0.167 8μg/L之间时,
脆杆藻增殖比较明显;当 Co2+质量浓度达到
0.284 9μg/L时,该藻的增殖受到很大抑制,至
第 12天细胞分裂基本停止。
表 1 培养基中 Co2+的质量浓度梯度
D
0.229 1
E
0.284 9
组别
质量浓度 /(μg/L)
A
0.000 0
B
0.120 0
C
0.167 8
F
0.328 1
G
0.350 0
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张玮玮等:微量元素钴对脆杆藻和斜生栅藻增殖的影响
由 B组与 D组细胞吸光值的 t检验结果得
出,B组与 D组之间存在显著性差异(P<0.05)。
此检验说明,在氮磷营养盐等条件适宜的情况
下,低质量浓度的钴对脆杆藻藻细胞的增殖有明
显的促进作用。
2.1.2 不同质量浓度(A~E)Co2+对脆杆藻叶绿
素 a含量的影响 叶绿素 a的含量能反映出不
同钴质量浓度下脆杆藻细胞的增殖状况。从图 2
可以看出,Co2+质量浓度为 0.120 0 μg/L时(B
组),叶绿素 a含量增长较快;Co2+质量浓度在
0.229 1~0.284 9μg/L之间时,叶绿素 a含量增
长受到抑制。
从图 2可以看出,脆杆藻叶绿素含量的变化
与 OD值变化趋势基本一致,呈正相关。图 1显
示,A组在接种 7 d后细胞分裂进入对数期,但
增长幅度较小,到第 10天达到最大值,以后呈下
降趋势。其变化趋势与 B组、C组类似。图 2显
示,A组与 B组、C组的变化趋势基本一致。A组
的这种变化趋势的原因可能是脆杆藻对钴元素
的需要极其微量,在接种之前藻细胞中已含有的
钴元素维持了它前期细胞增殖的需要,随着钴元
素消耗,细胞密度明显下降(图 1)。
2.2 钴对斜生栅藻增殖的影响
2.2.1 不同质量浓度(A~G)Co2+对斜生栅藻光
密度值的影响 试验结果(图 3)显示,在试验的
前 4 d,斜生栅藻处于增殖的调整期,从第 5天
开始,各试验组的该藻细胞均不同程度进入分裂
增殖对数期,B,C,D组增长幅度较大,并一直呈
上升趋势,而 E,F,G组增长趋势比较缓慢,尤其
G组到 12 d后细胞分裂基本停止。试验结果还
显示,当 Co2+质量浓度在 0.120 0~0.229 1μg/L
之间时,斜生栅藻的增殖比较明显;当 Co2+质量
浓度达到 0.328 1μg/L时,该藻的增殖受到抑
制,接种后至第 10天细胞分裂缓慢。当 Co2+质量
浓度达到 0.328 1μg/L以上时,该藻生长繁殖基
本停止。
C组与 E组细胞吸光值的 t检验结果显示,
C组与 E组之间有显著性差异(P<0.05)。C组钴
的质量浓度为 0.167 8μg/L,E组钴的质量浓度
为 0.284 9μg/L。此检验说明,在氮磷营养盐等
条件适宜的情况下,低质量浓度的钴对斜生栅藻
藻细胞的增值有明显的促进作用。
2.2.2 不同质量浓度(A~G)Co2+对斜生栅藻叶
绿素 a含量的影响 叶绿素 a的含量能反映出
不同钴质量浓度下斜生栅藻细胞的增殖状况。
结果显示,Co2+ 质量浓度为 0.167 8 μg/L 时
(C组),叶绿素 a含量增长较快;Co2+质量浓度
在 0.284 9~0.350 0μg/L之间时,叶绿素 a含量
增长受到抑制。
从图 3,图 4可以看出,A组与 B组、C组的
变化趋势基本一致。由此可以得出,斜生栅藻与
脆杆藻一样,对于钴元素含量的要求都非常低。
2.3 汾河水库中钴的含量及其与浮游藻类密度
的关系
汾河水库位于山西省太原市西北娄烦县境
内,下静游村至下石家庄之间引黄入晋工程实施
后,汾河水库作为黄河水的调蓄水库,担负起省
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城 340万人的饮水供应任务,成为省城最主要的
水源地。自 1961年建成后,其水质良好,一直保
持在国家地表水环境质量Ⅱ类水标准(GB
3838—88)。但是 1999年以来,由于我国华北地
区连续干旱和上游用水量增加等原因,使库区蓄
水量急剧减少,环境容量迅速萎缩,加之面源、点
源和内源的污染,使库区水体中浮游藻类的密度
上升较快。初步调查显示,除了上述原因造成库
区水体中以 N,P为主的营养盐含量增长以外,
微量元素也起着一定作用。
2010年 4月、9月与 2011年 5月、9月对汾
河水库 8个断面的微量元素进行检测,钴的含
量在不同的时间段变化趋势不同,其结果如图 5
所示。
从图 5 可以看出,2010 年 4 月和 2011 年
5月这 2个月份中 Co2+的含量比较高;而 2010年
9月和 2011年 9月 Co2+的含量却相对较低。汾
河水库浮游藻类密度随着季节的变化而改变,在
相应的时间内硅藻、绿藻和蓝藻的密度变化如图
6所示。
在库区水体物理、化学指标一定的前提下,
从图 5,6可以看出,水体中钴的质量浓度同浮
游藻类中硅藻、绿藻的生长有一定的相关性,即
当钴的含量较高时,硅藻、绿藻的细胞密度相应
较少,同时由于 4,5 月光照弱、水温低,不利于
藻类的生长,所以,藻细胞密度较少;反之,当钴
的含量较低时,硅藻、绿藻的细胞密度会相应增
加,同时由于 9 月光照强、水温高,有利于藻类
的生长,所以,藻细胞密度较多。而对于蓝藻来
说,钴的含量多少对其生长影响没有规律性。这
一结论与 AGP试验结果刚好吻合。这表明,低质
量浓度的钴常具有促进藻类生长的作用,而高
质量浓度的钴则有抑制作用,严重时会产生毒
害作用。
3 结论与讨论
钴是藻类许多生理过程中起重要作用的微
量元素,在适当的浓度下可促进许多酶的活性。
草酰乙酸脱羧酶是一种催化 CO2分子从草酰乙
酸上脱落下来的酶,Co2+的质量浓度对该酶的活
性有很大的影响,低质量浓度时,酶的活性较高,
而高质量浓度时酶的活性会受到很大程度的抑
制。钴离子能使核酸解聚,结合在磷酸酯基上的
金属离子可从 RNA和多核酸的磷酸二酯链上夺
取电子,从而使得成键不稳定和易水解,这样生
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物大分子可降解成小碎片,从而使生物机体发生
病变[7- 8]。锰、镍等也可促使这种降解作用。一般情
况下,重金属对藻类的致毒效应主要表现在:影响
藻类的生长代谢、抑制光合作用、减少细胞色素,
导致细胞畸变[9- 10]。
无论是在人工培养液还是天然水体中,重金
属的种类与数量都不可能是单一的、固定不变
的,各种水生生物,包括藻类,常受到多种重金属
联合作用的综合影响。重金属彼此间的相互作用
有拮抗、协同、相加和致敏 4种,已查明,许多成
对的元素在生物学上表现出拮抗效应[11],常见的
有:Hg-Cu,Cd-Zn,Fe-Mn,Cu-Co等;有时是
2种以上的元素起作用,如:Co-Cu-Mn。在高
等植物中,钴可以提高番茄叶片叶绿素含量、增
强植株的光合作用,并显著提高番茄的坐果率、
单株结果数和产量。
本试验的结果显示,脆杆藻和斜生栅藻在不
同的钴质量浓度下增长的情况不同,在质量浓度
较低时,影响藻类的生长代谢;在适宜的质量浓
度范围内,能增强藻类的光合作用,使藻细胞数
量增殖较快;质量浓度较高时,藻细胞数目增殖
较慢,原因可能是藻类生长除了受钴的影响外,
还受到其他一些因素的影响,如金属间的相互作
用等。
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