全 文 ：第 17 卷
1 9 9 8 年
第 5 期
9 月
环 境 化 学
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低 p H 值 , 铝及钙铝比对斜生栅藻
( S e e n e d e s m u s o b l i q u u s )
谷眯甘肤含量影响研究` ’
孔繁翔 胡 伟 李继军 刘 营
(污染控制与资源化利用 国家重点实验室 , 南京大学环境科学与工程系 , 南京 , 2 1。。 9 3)
摘 要
本文研究了低 p H 值条件下 , 铝及钙铝 比对斜生栅藻生长及细胞中谷胧甘肤
( G S H ) 水平的影响 . 结果表明 , 低 p H 值和铝对藻的生长具有抑制作用 , 而对细胞中
G S H 水平则有显著激发作用 ; 当培养基中加人适量钙离子 , 一定程度降低藻细胞中
G S H 水平 . 这说明钙对低 p H 值及铝的毒害具有一定缓解作用 , 其缓解程度主要取决
于钙与铝的相对量 ; 并讨论了钙缓解作用的可能机理 .
关键词 : 斜生栅藻 , 低 p H 值 , 铝 , 钙 , 谷胧甘肤 .
由于酸雨导致环境中 p H 值下降 , 有利于铝等金属化合物的溶解 , 提高了环境中金属
离子的浓度和生物可利用性 , 对生物产生毒害 , 引起水生生态系统中生物群落的改变 . 有
研究表明 , 环境中的钙铝 比对铝的生物毒性具有一定的调节作用 〔`〕 . 但钙缓解低 p H 值和
铝的生物毒性作用机理 目前仍在探讨中 .
近十年来 , 生物标志物作为研究环境因子对生物作用机理的重要手段 , 已引起生态
毒理学家的关注 . 因为污染物质对生态系统的影响 , 最初的作用必然是首先与细胞中生
物大分子作用开始 , 然后逐步反应在细胞 、 个体 、 种群乃至群落和生态系统各个水平上圈 .
所以 , 无论是了解低 p H 值以及铝对生物的毒害 , 还是探讨钙的缓解作用 , 在分子水平上
研究生物对这些物质的生物化学反应 , 是研究环境与生物之间相互作用机理的重要手段
之一
谷胧甘肤 ( G S H ) 与超氧化物歧化酶 ( SO D ) 、 过氧化氢酶 ( tC ) 是所有需氧生物在
长期进化过程中形成的防御过氧化系统的成分 ,亦是环境质量的生物标志物 . tS e in 认为 ,
生物体内总 G S H 是很有希望的生物指标川 . 但目前这方面的研究局限于鱼类 , 且对 S O D
和 C t 的测定报道较多 . 而低等生物 , 如原生动物和藻类生物体内是否存在 G SH 这类应
激反应 , 却很少见报道 .
本实验选择常见水生藻类生物斜生栅藻作为实验生物 , 研究低 p H 值条件下铝离子
的存在对藻类生长以及不同钙铝 比 ( C a/ A )I 对细胞内 G S H 水平的影响 , 以深入研究酸
1) 国家 自然科学基金资助项目 (3 95 70 15 0) .
孔繁翔等 :低 pH值 , 铝 及钙铝比对斜生栅藻 ( S’ 阴心。 。。 “ 。 o bl , 、 。 : 、 、 )谷肤甘肤 含量影响研究
雨对生物的作用机理 , 并对 G S H 作为生物标志物在环境质量早期预报中的广范性和敏感
性提出实验根据 .
1 实验部分
1
.
1 生物及培养方法
斜生栅藻 ( S 。 尸 , 2。 d 。 , 、 u 、 。 lb lq z , , ` 、 K lt z )从中国科学院水生生物研究所藻种室获得 . 培
养于 2 5 o m l 锥型瓶 内 80 m l 水生四号培养基中 . 置于光照培养箱 内振荡培养 , 25 C , 光 :
暗周期 为 14 , I O.h
1
.
2 溶液 p H 值及铝浓 度设置
用 l m ol · !一 H CI 调节培养液的 p H 值为 5 . 2 , 并在处理组中加入 lA : (S O , ) : 和 A ICI : ,
使其铝离子理论浓度为 。 . 0 , 0 . 2 5 , 。 . 4吕, 。 . 8 和 1 . 4m g’ l ’ , 培养方法同上 . 每隔 2 h4
取样 , 在分光光度计上测定藻培养液光密度 , 一部分样品在干燥箱中 l o 5 C烘干至衡重 ,
测定单位体积培养液中藻细胞干重 , 以 确定铝的 96 h E C : 一 实验结束后 ( 4 d ) . 离心收集
藻细胞 , 用蒸馏水洗涤数遍 . 液氮冷冻 , 低温真空干燥 14 d , 一 38 C 下保存 , 用于 G S H
含量的测定 .
1
.
3 钙 /铝比对生物影响实验
确定了铝离子 9 6h E C : 后 . 在 p H 分别为 6 . 8 和 5 . 2 的培养基中 . 选择 。 . 7m g · l一 1
为铝二A l : ( (S ) 、 ) : 二实验浓度 . 同时加入相应量的钙 `C a C 12 ) , 使培养基 中的钙 /铝离子比
( 摩尔浓度比 ) 分别 为 。 勺 , 。 / 1 , 。 . 别 1 , 1 1/ 和 2且 . 然后接入新鲜藻培养液 , 使初始藻
细胞密度为 3 . 。一 5 . 。 火 1了 ce n · ! 1 , 培养方法同上 . d4 后 , 藻细胞经离心收集并洗涤后 ,
用液氮冷冻 , 低温真空干燥 . 称重 , 计算单位体积培养液中藻的干重 , 干燥样品冷冻储
存 , 用于 G S H 含量测定 . 每个处理为三个平行样 , 并重复实验 .
1
.
4 藻细胞中 G S H 的提取及含量测定
称取一定量干燥藻粉于离心管内 , 加入 l m l m ol · l 一 ` E D T A 溶液 , 制成匀浆 , 然后
在 匀浆中加入 H 1C 0 ; . 使其最终浓度为 。 . 3 m ()1 · ! 一 1 . 离心 sm l n , 上清液保存于 一 3 8 C 下 ,
用于 G S H 含量的测定 .
取 。 . 3m l 上清 液 , 用 l m ol · 1 N a( ) H 将 其调 至 中性 , 加 入 1 . s ml 磷 酸缓 冲液
(0
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一 1 .
p日 8 . 。 ) . 混匀后加入蒸馏水 . 使总体积为 3 . 6 m l , 再加入 。 . 15 m l l %邻
苯二醛的甲醇溶液 , l m m 后 , 在岛津 R F 一 5 。。 o 荧光光度计上 , 以 3 4 3n m 为激发光 . 在
4 2 5n m 处测定荧光强度 , 立即读数 , 计算每毫克藻体 G S H 的相对含量 ` . 以 p H S . 2 , 钙
铝 比为 。 o 处理组中的 G S H 为 10 计 . 单位干重藻细胞中蛋白质含量用 F ol i n 一酚方法测
定 . 以牛血清蛋白 ( B S A ) 为标准蛋白 一
实验中所用生化药品来 自 iS g m a , G S H 含量测定数据统计分析用 S T A T G R A P H CI S
软件包进行 .
2 结果与讨论
环 境 化 学 1 7卷
2
.
1 低 p H值及铝对细胞中 G S H 含量的影响
在低 p H (5 . 2) 条件下 , 不同铝离子浓
度对藻细胞中 G S H 含量影响见图 1 . 从图 l
可以看到 , 当 p H 为 5 . 2 时 , 如果以对照组
(铝离子浓度为 0 . om g · 1一 ’ ) 中的 G S H 含量
为 1 0 , 随 lA 离子浓度的升高 , 不同处理组
中的 G S H 含量都有一定程度的增加 . 当铝达
到 1 . 4m gl 一 `时 , G S H 含量达到最大值 , 是对
照组的 2 8 0 % ( A IC 13 ) 和 18 0 % [A 12 ( 5 0 ` ) 3〕
(P < 0
.
01 )
. 这表明藻细胞中的 G S H 含量对
环境中的 p H 值和金属离子十分敏感 , 在低 图 1
p H 值条件下 , 铝对 G SH 有激发作用 . 而这
两者的差异可能是由铝盐中不同酸根所引起
的 .
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p H 对谷肤甘肤 (G S H )含量的影响
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2 不同钙 /铝比对藻干重的 G S H 含量影响及其相关性
不同钙铝 比对单位体积培养液中藻干重的影响见图 2 . 在 p H 值分别为 5 . 2 和 6 . 8 的
两组中 , 与对照组 (钙铝 比为 。 / 0) 相 比较 , 钙铝 比为 。 1/ 时 , 藻干重均为最小值 , 可见 ,
铝对藻类的生长有一定抑制作用 ; 随着钙离子的加人 , 如钙铝比为 。 . 5 1/ 时 , 藻干重略
有增加 . 而当钙铝 比为 1 1/ 时 , 虽然其单位体积培养液中藻干重仍低于对照组 , 但在所
有钙铝处理组中 , 达到最大值 . 与 p H 6 . 8 处理组相 比较 , 当 p H 为 5 . 2 时 , 不同钙铝比
中的干重均低于 p H 6 . 8 的各处理组 , 但差异并不显著 . 而铝离子与低 p H 值共同作用 , 对
藻的生长抑制较为明显 . 但钙离子的加入 , 对低 p H 值和铝离子的生物毒性有明显的缓解
作用 . 当培养基中钙与铝摩尔浓度基本相等时 , 缓解作用最为明显 , 低于或高于铝离子
浓度 , 其缓解作用都受到影响 , 即钙的缓解作用程度取决于钙与铝在培养基中的相对浓
度 , 而不是其绝对浓度 .
测定结果 (见图 3) 表明 , 不同钙铝 比对藻细胞中 G S H 含量有明显的影响 . 以 p H S . 2 ,
钙铝 比 。0/ 处理组中的 G S H 含量为 1 0 计 , 在 p H 6 . 8 处理组中 , 不同钙铝 比处理组中
G S H 的含量差异并不显著 , 这说明 p H 为中性时 , 铝对 G S H 的代谢没有影响 。 当然也不
存在钙的缓解作用 ; 这可能是由于在中性 p H 条件下 , 铝离子的浓度变化与其生物可利用
性没有相关性 . 但在 p H 值降为 5 . 2 时 , 不同钙铝比的处理对 G S H 含量的影响比较显著 .
当钙铝 比为 。1/ 时 , G S H 含量明显升高 , 达到本实验的最大值 (P < 。 . 0 5) . 随着钙离子
的加入 , 当钙铝比由 0 . 5/ 1 上升到 1 / l , G S H 含量逐步下降 , 但当钙铝 比为 2/ 1 时 , G S H
含量又略有上升 .
统计分析结果表明 , 同一实验组中 , 低 p H 值及不同钙铝 比对藻类生长和对 G S H 含
量的影响具有显著负相关性 (r - 一 0 . 74 , 户< 0 . 0 5 ) , 且 G S H 的反应更为敏感 . 也就是
说 , 在低 p H 值条件下 , 随着铝离子的加入 , 藻类生长受到抑制 , 而 G S H 的合成受到激
发 , 含量增加 ; 当钙离子加入后 , 会缓和铝对藻类生长的抑制作用 , 干重有所增加 , 而
G S H 含量却随之下降 , 这种缓和作用与钙铝的浓度 比相关 .
5 期 孔公翔等 :低 pH值 , 铝及钙铝 比对斜生栅藻 ( cs 翻巴de s , us 喇 iq u us )谷耽甘肤含量影响研究
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图 2 钙 /铝 比及 p H 值对藻类生长的影响
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图 3 钙 /铝 比及 p H 值对谷肤甘肤含量的影响
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3 E l f e e t s o f C a /A I a n d l o w p H
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e e o n e e n t r a t i o n o f G S H
G S H 与超氧化物歧化酶 ( SO D ) 、 过氧化氢酶 ( tC ) 组成了生物体内的防御过氧化系
统 巨6〕 . 因为当生物暴露于可产生氧化还原循环的污染物质后 , 体内会产生大量的活性氧 ,
这些活性氧可使细胞中 D N A 断裂 , 脂质过氧化 , 酶蛋 白失活 . 而 G S H 同时可能被诱导
合成 , 与 S O D , tC 等一起去除这些过多的活性氧 , 且其变化可定量监测 . 因此 , G SH 含
量的变化 , 是生物对环境状况的一种应激反应 , 对生物本身有保护作用 . 可以说 , 细胞
内 G S H 的含量可以从一个侧面表征生物所处的环境状况 . 当 G S H 含量明显升高 , 说明
了环境中污染物含量有所增加 , 此时细胞内解毒系统被诱导 . 由于这种应激反应是发生
在细胞内分子水平上 , 其变化要 比生物的生长或繁殖对环境的反应更灵敏 ; 且环境中能
够诱导产生活性氧的污染物种类非常多 , 因此 , 反映污染物作用的范围更广 . S et in 等人
从野外五个污染程度不同的水体中取样 , 测定水生生物体 内 G S H 含量 . 结果表 明 , 作为
生物标志物 , G S H 能够准确地表征不同水体污染程度的差异「, 〕 .
酸雨是由大气污染形成 , 其成分相当复杂 . 当酸雨对生物形成可见伤害或完全抑制
生物生长时 , 一般已经是作用后期 , 此时研究酸雨伤害机理的意义已经有限川 . 因此 , 酸
雨对水生生态系统的早期影响的预测 , 以减轻酸雨的危害 , 就显得十分重要 . 而以生物
标志物作为指标 , 因其对环境变化十分敏感 , 可以进行早期预测 . 本实验结果表明 , G SH
含量与环境中的污染物浓度具有一定相关性 , 且随着对这种污染物毒性作用的缓解 ,
G S H 含量随之下降 .
早期的研究以及放射性元素示踪实验证明 , 在低 p H 值下 , 铝抑制了水生生物对环境
中` S C a 的吸收比 ’ 〕 . T a y lor 则报道了铝 、 钙 、 磷和 p H 值之间的复杂相互作用及其对植物
生长的影响 , 并肯定了钙和磷保护植物不受铝及低 p H 值伤害的作用 , 。〕 .
本研究结果进一步证明 , 在低 p H 值条件下 , 一定浓度的铝明显抑制了藻类生长 , 并
激发 了体内过氧化防御系统 . 而在培养基中加入适量的钙离子 , 会在一定程度上缓解铝
的毒性 , 以减缓酸性环境及铝对藻类的伤害 , 这可能是由于 : ( 1) 浓度较高的钙离子存
在 , 增加了藻类对钙的吸收 , 使铝对生物钙的代谢影响得到缓和 ; ( 2) 由于钙与铝之间
6 4 2境 化 学环
的离子强度竞争 , 一定程度上抑制了铝的生物可利用性 , 减轻了藻类生物受伤害的程度 .
这可能是钙保护生物不受伤害的机理之一 同时 . 本研究结果也证明 , 由于体 内 G S H 含
量对环境因子的改变比较敏感 , 其变化比生物的生长以及种群增长和群落演替等变化灵
敏 , 测定周期短 , 因此 . 可以作为生化指标 , 对环境中的污染物浓度进行早期监测 , 对
环境质量作出更为准确的预报 .
3 结论
( l) 在低 p H 值条件下 . 较高浓度的铝对藻细胞 内的 G S H 含量有显著的激发作用 .
( 2) 在低 p H 值条件 下 , 铝对藻类的生长具 有明显的抑制作用 , 但对细胞内的 G S H
含量有显著的激发作用 ; 当培养基中加入适量钙离子 . 会缓和铝对生长的影响 , G S H 含
量也有所下降 . 当钙 /铝为 1 / 1 时 . 这种缓和作用最为明显 . 钙的缓解作用主要取决于钙
与铝的相对量 .
( 3) 钙的缓解作用机理可能是 : ( a ) 藻类对钙的吸收增加 , 使铝对生物体内钙的代谢
影响得到缓和 ; ( b) 钙与铝间的离子强度竟争抑制了铝的生物可利用性 .
( 4 ) G S H 含量对环境因子的改变比较敏感 , 可以作为尘化指标 , 对污染物影响环境
的程度进行早期监测 .
参 考 文 献
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一e z e n e 一e s S t r u e t u r a l C h a n g e s I n r h e C o l l o f F o r e , t P l a n r
. 飞g r ; . E o o : 夕 5 . 艺 。 二 ; r o n 二 1 9 9 2 . 书2 : 3 65一 3 9 8
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P 3 2 7一 3 6 1
1 9 9 7年 9 月 7 日收到 .
5 期 孔繁翔等 :低 pH 值 ,铝 及钙铝 比对斜生栅藻 (S “ 。 山 s m o ob il q u 、 )谷肤甘肤含量影响研究 4 2 7
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