全 文 ：第 30卷第 5期
2011年 5月
水 产 科 学
F ISH ERIES　SCIENCE Vol.30 No.5May 2011
干燥和模拟酸雨胁迫对条斑紫菜光合作用的影响
李信书1 , 2 ,徐军田1 ,何培民2
(1.淮海工学院 江苏省海洋生物技术重点实验室 ,江苏　连云港　222005;2.上海海洋大学
水产与生命学院 ,上海　201306)
摘　要:探讨了条斑紫菜在干燥和酸雨胁迫时叶绿体光系统Ⅱ最大光化学量子产量的变化。试验结果
表明 , 条斑紫菜在干燥 3 h 后脱水 94.5%,光合作用停止 , 复水后迅速恢复其原有的光合能力。 刚脱水
的条斑紫菜在未干燥时如遭遇酸雨 , 其最大光化学量子产量随 pH 降低和时间延长而降低。试验中最
低的 pH 4.0酸雨处理 6 h 后 , 复水6 h 仍能恢复光合能力。如干燥脱水后遭遇酸雨 , 除 pH 5.6 处理1
h 组经过 24 h 恢复 , 可基本达到原有的光合能力外 , pH 4.5 组 24 h 内不能恢复。而 pH 4.0 组藻体变
红死亡。如干燥后酸雨处理 3 h , pH 5.6 和 pH 4.5 组均受到严重伤害 , 而在24 h 内不能恢复正常光合
能力 , pH 4.0组趋于死亡。说明干燥脱水和酸雨的双重胁迫 , 严重危害条斑紫菜的生存 , 可能造成条
斑紫菜养殖的严重减产。
关键词:干燥;模拟酸雨;条斑紫菜;荧光特性
中图分类号:Q948.112 文献标识码:A 文章编号:1003-1111(2011)05-0260-05
收稿日期:2010-08-18;　修回日期:2010-10-15.
基金项目:江苏省海洋生物技术重点实验室资助项目(2006HS006);上海市水生生物学重点学科资助项目(S30701).
作者简介:李信书(1968-), 男 ,副教授 ,博士研究生 , 研究方向:藻类生物学;E-mai l:xinshul@sina.com.通讯作者:何培民
(1959-),男 ,教授 ,研究方向:海藻生物技术与生态修复;E-mail:pm he@shfu.edu.cn.
　　目前 ,酸雨与全球气候变暖 、臭氧层破坏并列
为世界三大生态环境灾难。中国已成为继欧洲 、北
美之后的世界第三大酸雨区[ 1] 。酸雨是指 pH 值
低于 5.6的降水 ,在国外被喻为“空中死神” 。酸雨
是中国这个地球上人口最多的国家所面临的最主
要的环境问题之一 ,受到酸雨危害的面积已经占中
国面积的 40%[ 2] 。
江苏沿海是条斑紫菜(Porphyra yezoensis)的
主产区 ,江苏省降水充沛 ,境内雨水是水资源的一
个重要来源 ,而随着工业的发展 ,空气中的污染物
也逐渐增多。降水的 pH 值呈现较大幅度的变化。
改革开放以来 ,以燃煤为主的能源结构和治理措施
的不当 ,使江苏省成为我国酸雨较严重省份之一。
据报道 , “九五”以来 ,酸雨发生率总体在 30%上下
波动[ 3] 。
条斑紫菜是典型的潮间带生物 ,规律性地暴露
在空气中或浸没在海水里 ,因此干出时经常遭受干
燥 、雨水 、温度 、盐分等非生物环境条件的胁迫 。干
出后如果遭受酸雨的胁迫 ,对于条斑紫菜的光合作
用和存活是否有强烈的影响等尚未见报道。叶绿
素荧光分析技术是研究和探测植物光合生理状况
及各种外界因子对其细微影响的新型植物活体测
定和诊断技术[ 4] ,可以快速 、灵敏及无损伤地研究
和探测多种逆境因子对植物光合作用的影响。荧
光分析中最常用的参数为叶绿体光系统 Ⅱ(Pho to-
sy stem Ⅱ , PS Ⅱ)的最大光化学量子产量(Fv/
Fm),其反映叶绿素光系统反应中心的最大光能转
化效率[ 5] 。在非胁迫条件下此参数变化很小 ,但在
胁迫条件下 ,则变化较大 ,因此它也是反映植物生
长环境的重要参数[ 6] 。笔者采用叶绿素荧光分析
技术 ,研究了条斑紫菜在干燥和酸雨胁迫下的光合
作用生理的变化 ,以探讨酸雨对在潮间带生长的条
斑紫菜可能带来的危害 ,为紫菜养殖的健康发展提
供理论依据 。
1　材料与方法
1.1　材料
条斑紫菜叶状体于 2010 年 2月 16 日采自江
苏省连云港市高公岛近海筏式养殖区。选择健康
一致的叶状体 ,长度约 10 cm ,放入盛有少量海水的
塑料袋中 ,用低温(4 ℃)箱 3 h内运回实验室。因
为藻体不同部位光合活性可能不同 ,本研究选用叶
状体中部 ,剪成约 1 cm×1 cm 的小片 。在灭菌的
自然海水(pH 8.2 ,盐度 30)中培养 24 h(温度 5
℃;光照度 6000 lx;光暗比为 12 h∶12 h;充气泵
24 h 充空气),使藻体受伤组织愈合 、恢复活性后 ,
DOI :10.16378/j.cnki.1003-1111.2011.05.005
用作试验材料。
1.2　干燥处理
将试验紫菜用吸水纸吸去表面游离水分 ,于分
析天平上称量质量。置于称量纸上在光照培养箱
中(微风 , 5 ℃, 1500 lx)自然失水 。相对水含量
(RWC)按下式计算[ 7] :
RWC=(mt-m d)/(m f-m d)×100%.
式中 ,m f 为鲜质量;m t为样品在空气中失水 t 时间后的
质量;md 为在 110 ℃干燥箱中充分干燥 72 h 后质量.
1.3　模拟酸雨处理
模拟酸雨根据江苏省环境监测中心监测结果 ,
参照童贯和等[ 8] 方法配制 ,硫酸与硝酸质量比为
7.78∶1 ,每升水中加入 KNO 3 1.52 mg 、NaNO3
0.51 mg 、(NH4)2SO 4 5.35 mg ,用蒸馏水配置 pH
5.6 、4.5 、4.0 3个梯度 ,以自然海水(pH 8.2 ,盐度
30)为对照 。将鲜紫菜或自然干燥的紫菜样品放入
盛有 20 m l模拟酸雨的培养皿中处理一定时间 ,取
出用消毒海水冲洗后放入自然海水中恢复。定时
测叶绿体光系统 Ⅱ的最大光化学量子产量。
1.4　叶绿体光系统 Ⅱ(PS Ⅱ)的最大光化学量子产
量(F v/Fm)的测定
用 Phy to-PAM-EDF 叶绿素荧光仪(Walz , Ef-
felt rich ,德国)测定最大光化学量子产量。测量前
将待测紫菜样品暗适应 10 m in ,先用测量光(50 lx)
照射 ,测量初始荧光 F0 ,再用强饱和脉冲光(2.0×
10
5
lx ,0.8 s)激发 ,测量最大荧光 Fm ,得出叶绿体
光系统Ⅱ的最大光化学转化效率[ 5] :
Fv/Fm =(Fm -F 0)/Fm
1.5　数据处理
所有测定结果表示为平均数±标准差 ,用 Ori-
g in7.0统计软件进行单因子方差分析(ANOVA),
检测平均数之间的差异 ,以 P =0.05作为差异的
显著性水平。
2　结果与分析
模拟条斑紫菜自然干露的情形见图 1 。条斑紫
菜的脱水程度随时间的延长逐渐加剧。在此试验
条件下 ,干燥 1 h ,相对含水量为 65.5%,干燥 2 h ,
相对含水量为 32.2%,干燥 3 h ,相对含水量只有
8.5%。未脱水前条斑紫菜的最大光化学量子产量
为 0.68 ,脱水 0 ～ 0.5 h ,下降速度较慢;至 1 h 时最
大光化学量子产量下降 33.8%(0.47)此后下降速
率几乎保持直线 。干燥 0 ～ 2.5 h ,相对含水量和最
大光化学量子产量的下降之间呈良好的线性关系 ,
相关系数 r2 =0.98。至脱水 2 h时 ,最大光化学量
子产量已下降 80.3%(0.14),表明条斑紫菜受到明
显的干燥胁迫。3 h时最大光化学量子产量近于0 ,
表明此时条斑紫菜的光合作用基本停止。
图 1　条斑紫菜在空气中干燥脱水过程中相对水含量
和最大光化学量子产量的变化
模拟条斑紫菜刚刚干出脱水的时候突然遭遇
酸雨的情形见图 2。当条斑紫菜从自然海水中进入
到不同 pH 值的模拟酸雨中 ,最大光化学量子产量
均表现下降 ,但程度有很大不同。模拟酸雨浸泡 1
h 时 ,最大光化学量子产量在 pH 5.6 、pH 4.5 和
pH 4.0模拟酸雨中分别为 0.58 、0.47 、0.22;浸泡
3 h 时 , 最大光化学量子产量分别为 0.59 、0.44 、
0.15;浸泡 6 h 时 , 最大光化学量子产量分别为
0.57 、0.39 、0.11。显示随着 pH 值的降低和处理
时间的延长 ,模拟酸雨对条斑紫菜光合作用的抑制
程度逐渐加大。
图 2　模拟酸雨处理条斑紫菜最大光化学量子
产量随时间的变化
条斑紫菜刚脱水时遭遇酸雨后 ,涨潮时又浸没
在海水中 ,此时的恢复情况见图 3 。不同酸雨处理
时间后的条斑紫菜最大光化学量子产量均能迅速
恢复。酸雨处理 1 h试验中 , pH 5.6组在海水中恢
复 1 h ,最大光化学量子产量由 0.58 恢复至 0.61 ,
24 h 后达到 0.64 ,完全恢复原有的光合作用效率。
pH 4.5组的最大光化学量子产量由初始的 0.47 ,1
h 后达到 0.54 ,24 h后达到 0.62的水平。pH 4.0
组的最大光化学量子产量从初始的0.22 , 1 h 后达
到 0.51 , 24 h后也达到 0.62的水平(图 3a)。酸雨
261第 5期 李信书等:干燥和模拟酸雨胁迫对条斑紫菜光合作用的影响
处理 3 h ,最大光化学量子产量在 pH 5.6 、4.5 、4.0
的模拟酸雨中分别为 0.59 、0.44 、0.15 ,自然海水中
恢复 1 h 后 , 最大光化学量子产量分别为 0.63 、
0.52 、0.37;恢复 6 h 后 ,最大光化学量子产量分别
为 0.60 、0.62 、0.62。基本恢复原有的光合作用效
率(图 3b)。酸雨处理 6 h 后 ,条斑紫菜的最大光化
学量子产量分别为 0.59(pH 5.6)、0.44(pH 4.5)、
0.11(pH 4.0),自然海水中恢复 1 h 后 ,最大光化
学量子产量分别为 0.61 、0.54 、0.44;恢复 6 h 后 ,
最大光化学量子产量分别为 0.61 、0.62 、0.58 ,也基
本恢复原有的光合作用效率(图 3c)。
图 3　条斑紫菜经过 1 h(a)、3 h(b)和 6 h(c)酸雨处理后在自然海水中恢复过程中最大光化学量子产量的变化
　　落潮干燥后的条斑紫菜如遭遇酸雨 ,此时遭遇
干燥和酸雨的双重胁迫 ,条斑紫菜的命运又将如何
呢?由图 4可见 ,干燥和酸雨对最大光化学量子产
量的减少显示出叠加效应。失水 90%的条斑紫菜
经过模拟酸雨浸泡 1 h 后再于海水中恢复 0.5 h
后 ,最大光化学量子产量分别为 0.20(pH 5.6)、
0.15(pH 4.5)、0.05(pH 4.0),均显著低于自然海
水的对照组(0.36)(P <0.05)。海水中恢复 24 h
后 ,最大光化学量子产量恢复至 0.58(pH 5.6)、
0.52(pH 4.5)、0.03(pH 4.0)。除 pH 5.6组与对
照组差异不显著外 , pH 4.5和 pH 4.0组均显著低
于对照组。其中 pH 4.0组的最大光化学量子产量
趋于 0 ,藻体颜色变红 ,表明此时藻体已经基本死亡
(图 4a)。
如果酸雨浸泡时间延长到 3 h ,海水恢复 1 h ,
最大光化学量子产量分别为 0.35(pH 5.6)、0.15
(pH 4.5)、0.04(pH 4.0);海水恢复24 h 时的最大
光化学量子产量分别为 0.43(pH 5.6)、0.24(pH
4.5)、0.01(pH 4.0), 均显著低于对照组(P <
0.05)。pH 4.0组的藻体颜色变为铁锈红色 ,已经
死亡。
图 4干燥后的条斑紫菜经过模拟酸雨处理 1 h(a)和 3 h(b)后在海水中恢复过程中最大光化学量子产量的变化
3　讨论
潮间带生活的条斑紫菜 ,每日周期性地干出 2
次 ,除了面临失水胁迫 ,还将面临盐度 、温度和光照
等一系列的环境剧变。条斑紫菜是单层细胞的膜
结构 ,失水速度很快 。失水作用对潮间带海藻干出
过程中光合能力有很大的影响[ 9] ,潮间带海藻对干
出的反应并不是简单的对一种破坏性胁迫的忍耐 ,
如条斑紫菜在干出时适度的失水 ,反而会增加光合
速率[ 10] ,这可能是随着叶状体水分损失 , CO 2在水
相中扩散障碍减小而导致的[ 11] 。这种在干露时维
持一定光合速率的能力 ,对于海藻的光合生产力具
有重要的意义。进一步失水后 ,光合速率随水分损
失而下降。这时 ,光合速率下降直接与藻体的水分
含量相关 ,而与栖息地无关[ 11] 。根据本研究的结
果 ,条斑紫菜随着水分的损失 ,最大光量子产量呈
262 水　产　科　学 第 30卷
逐渐下降的趋势 ,脱水 80%,最大光化学量子产量
就接近于 0 ,表明光合作用基本停止。最大光化学
量子产量作为植物发生光抑制的敏感指标 ,其数值
的下降 ,既可能是叶绿素光系统 Ⅱ反应中心受到光
化学伤害的结果 ,也可能是光保护反应即非光化学
能量耗散的结果[ 13] 。对不同水分含量的褐藻叶状
体的叶绿素荧光分析表明 ,干燥最先损伤的是在叶
绿素光系统 Ⅰ与叶绿素光系统 Ⅱ的电子转递解偶
联。当褐藻损失水分 60%～ 70%时 ,由水光解向叶
绿素光系统Ⅱ的电子转递终止 ,并导致光合作用停
止。光合作用停止的临界水分含量与种类相关 ,但
临界水分含量与种类的失水忍耐能力之间没有明
显的相关性[ 12] 。对于失水忍耐的生理机制 ,还必须
考虑到重新沉水时的光合恢复速率或恢复程度[ 13] 。
条斑紫菜干燥后复水 ,最大光化学量子产量迅速恢
复。复水 1 h 后基本恢复光合能力。沟鹿角菜
(Pelv et ia canalaculata)和墨角藻(Fucus vesiculo-
sus)失水 80%～ 90%, 也可在短时间内完全恢
复[ 12] 。条斑紫菜抗干燥的机制 ,主要是通过胞内多
糖形成玻璃化胞质以防止胞质结晶 、膜崩解和蛋白
质变性 ,而活性氧防御系统和膜相转化抑制这两种
陆生植物的抗干燥机制只起到次要作用[ 14] 。
酸雨会对高等植物叶片和根系造成不同程度
的伤害。酸雨在减弱了植物光合作用和蒸腾作用
的同时 ,加速了植物的呼吸作用 。酸雨还会淋洗植
物营养元素(如 K + 、Ca2+和 Mg2+)的析出 ,造成植
物营养失衡 , 使得植物的生长呈现出负生物效
应[ 15] 。在酸雨胁迫下 ,条斑紫菜的最大光化学量子
产量随着时间的延长和 pH 值的降低而下降 ,这表
明在酸雨的胁迫下条斑紫菜叶绿体的叶绿素光系
统Ⅱ反应中心活性下降 、光合电子传递受阻 。但重
新进入海水中恢复后 ,均可恢复正常的光合作用能
力。表明仅受到酸雨的单独胁迫 ,在一定的时间内
(<6 h),条斑紫菜可以迅速恢复到正常的生理状
态。
尽管干燥和酸雨单独胁迫时 ,条斑紫菜都能迅
速恢复其原有的光合能力 ,对其难以造成不可逆转
的伤害 ,但在干燥和酸雨共同作用下 ,条斑紫菜将
会受到严重伤害 ,甚至死亡 。对于条斑紫菜 ,干燥
和酸雨这两种胁迫间存在协同作用。尽管酸雨发
生和干露重复的概率不是很大 ,但一旦发生则可能
对紫菜养殖业产生严重的不良影响。紫菜依假根
细胞附着于附着基上 ,如果酸雨和干燥双重胁迫导
致部分假根细胞死亡 ,则该叶状体将脱落。在生产
上应做好酸雨的预报 ,及时调整养殖装置避免干
露 ,以免遭酸雨的危害。酸雾和酸雨的成分相似 ,
其 pH 值甚至更低[ 16] ,其对条斑紫菜养殖业的破坏
作用可能比酸雨更为严重 ,值得进一步研究。
参考文献:
[ 1] 　吴丹 ,王式功 , 尚可政.中国酸雨研究综述[ J] .干旱气
象 , 2006 , 24(2):71-77.
[ 2] 　徐苏凌 ,方勇 , 邢承华.酸雨和 Cd 胁迫对紫花苜蓿生
长和抗氧化酶系统的影响[ J] .浙江大学学报:农业与
生命科学版 , 2008 , 34(4):467-472.
[ 3] 　刘梅 ,濮梅娟 , 尹东屏 , 等.江苏省酸雨时空分布特征
及酸雨潜势预报因子[ J] .气象科技 , 2008 , 36(4):462-
467.
[ 4] 　赵会杰 ,邹奇 , 余振文.叶绿素荧光分析技术及其在植
物光合机理研究中的应用[ J] .河南农业大学学报 ,
2000 , 34(3):248-251.
[ 5] 　Schreiber U , Gademann R , Ralph P J.Assessment o f
pho tosynthetic pe rfo rmance of Pro chlo ron in Lissoc li-
num patella by in situ and in ho spite chlo rophy ll f luo-
rescence measurements[ J] .Plant Cell Phy siol , 1997 ,
38(8):945-951.
[ 6] 　冯建 ,胡秀丽 , 王训申.叶绿素荧光动力学在研究植物
逆境生理中的应用[ J] .经济林研究 , 2002 , 20(4):14-
18.
[ 7] 　Bell E C.Pho to synthe tic re sponse to tempe rature and
desiccation of the inter tida l alga Mastocarpus papil-
latus[ J] .Mar Bio l , 1993 , 11(7):337-346.
[ 8] 　童贯和 , 梁惠玲.模拟酸雨及其酸化土壤对小麦幼苗
体内可溶性糖和含氮量的影响[ J] .应用生态学报 ,
2005 , 16(8):1487-1492.
[ 9] Lipkin Y , Beer S , Eshel A.The ability o f Por phy ra
linearis(Rhodophy ta)to tolerate prolonged periods o f
desiccation[ J] .Bot Ma r , 1993 , 36(6):517-523.
[ 10] Gao K , Aruga Y.P reliminary studies on the pho tosyn-
thesis and respiration of Porphy ra yez oensis under e-
mersed condition[ J] .J Tokyo Univ Fish , 1987 , 47(1):
51-65.
[ 11] 邹定辉 ,高坤山.低潮干出状态下潮间带海藻的某些
光合生理特性[ J] .植物生理学通讯 , 2003 , 39(5):525-
530.
[ 12] Dring M J , Brow n F A.Pho tosynthesis of intertidal
brow n alg al during and after periods of emersion:a re-
newed search for phy siological causes of zonation[ J] .
Mar Ecol P rog Se r , 1982(8):301-308.
[ 13] Bjo rkman O , Demmig B.Pho ton yield o f O 2 evolution
and chlo rophyll fluo rescence characteristics at 77K a-
mong vascular plants o f div erse origins[ J] .Planta ,
1987 , 170(4):489-504.
[ 14] Liu Y C.Mechanism fo r diffe rential desiccation tole r-
ance in Porphy ra species[ D] .Boston:Northeaste rn
263第 5期 李信书等:干燥和模拟酸雨胁迫对条斑紫菜光合作用的影响
Unive rsity , 2009.
[ 15] 黄辉 ,黄朝法.酸雨对植物生理生态特性的影响研究
进展[ J] .林业勘察设计 , 2008(1):46-49.
[ 16] Te tsuya A , Tomoko O , Junko I , et al.Chemical charac-
te rization o f acid fo g and rain in no rthern Japan using
back trajec to ry and oblique ro tational factor analy sis
[ J] .Water A ir and So il Po llu , 2001 , 130(1/ 4):337-
342.
Photosynthesis Characteristics in Laver Porphyra yezoensis :
Responses to Desiccation and Simulated Acid Rain
LI Xin-shu 1 , 2 ,XU Jun-tian1 ,HE Pei-min 2
(1.Key Labo rato ry of Marine Bio technology of Jiang su P rov ince , H uaihai Institute o f Techno log y ,
L ianyungang 222005 , China;2.Aquaculture and Life Co lleg e , Shanghai Ocean Unive rsity , Shanghai 201306 , China)
Abstract:T he changes in the opt imum pho tochemical quantum y ield(Fv/Fm)o f pho to sy stem Ⅱwe re in-
vestig ated in laver Porphy ra yezoensis exposed to desiccat ion and simulated acid rain st resses , sometimes
occurrence under natural condi tions.The results show ed that the thalli lost 94.5% of w ater 3 hours af ter
the de siccation , and then stopped pho to synthesis ,but resumed photosynthesis quickly during immersion in
sea w ater.The maximum quantum y ield w as found to decrease as the pH decreased and the period pro-
longed when the thalli just undesiccated expo sed to acid rain.The thalli had recovery photosynthetic capac-
i ty 6 hours af ter rehydra tion w hen the thalli we re expo sed to the minimal pH(4.0)acid rain fo r even 6
hours.However , the thalli did no t show recove ry pho to synthesis w hen they w ere exposed to pH 4.5 medi-
um except in the thalli exposed to pH 5.6 fo r 24 hours , even turned to red and died in the pH 4.0 medium.
The thalli we re heavi ly damaged and did not recove r photosynthetic capacity 24 hours af ter the thalli w ere
exposed to acid rain for 3 hours af ter desiccat ion in the pH 5.6 and pH 4.5 g roups , even died in the pH
4.0 g roup.The re sults suggested that the double st resses of desiccat ion and acid rain lead to decrease in
the survival and product ion of the laver.
Key words:desiccation;simula ted acid rain;Porphy ra yezoensis;f luo rescence characteristics
264 水　产　科　学 第 30卷