全 文 ：　生态与农村环境学报　2010, 26 (3):257-263JournalofEcologyandRuralEnvironment
基金项目:国家自然科学基金(40873057);江苏省科技支撑计划(BE2008677);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(NIES200707)
收稿日期:2009-09-14
①通讯联系人 E-mail:cktangxiaoyan@163.com
荇菜 (Nymphoidespeltatum)对铜绿微囊藻 (Microcystisaerugi-
nosa)生长的抑制效应及其机制
汪　丽 1 ,王国祥 1 ,唐晓燕2① ,陈正勇 1 ,王文林 1, 2　(1.南京师范大学地理科学学院 /江苏省环境演变与生态建设重点
实验室 , 江苏 南京　210046;2.环境保护部南京环境科学研究所 , 江苏 南京　210042)
摘要:构建了荇菜(Nymphoidespeltatum)与以铜绿微囊藻为优势种的自然藻体共培养系统 , 分析系统中各藻种藻
细胞密度 、藻体叶绿素 a含量 、荇菜生长指标及水下 [光 ]照度的变化;同时以荇菜种植水配置培养基 ,在适宜光照
条件下培养铜绿微囊藻 ,分析藻类生长生理指标随时间的变化。 结果表明:共培养系统中藻类总藻细胞密度显著
下降(P<0.05), 其中铜绿微囊藻(Microcystisaeruginosa)藻细胞密度下降最为明显 , 40 d时比初始藻细胞密度减
少了 94.68%,而三角四角藻(Tetraedronminimum)数量逐渐增多 ,成为优势藻种 , 表明荇菜对铜绿微囊藻生长具有
明显抑制作用。共培养系统中荇菜鲜重 、水下 20 cm深处光衰减率均与藻类叶绿素 a含量呈显著负相关(P<
0.05), 表明藻细胞光合能力的大小与荇菜植株的生长及其产生的遮光作用密切相关。随培养时间延长 , 添加荇
菜种植水的培养基中铜绿微囊藻藻细胞光密度值(D650)下降明显;叶绿素 a、藻胆蛋白(包括藻蓝蛋白 、别藻蓝蛋
白 、藻红蛋白)相对含量均有不同程度的下降 , 培养 9 d后 4者相对含量分别降至 5.27%、15.53%、21.11%和
48.48%;藻细胞 Ca2+Mg2+-ATP酶活性下降明显 , 表明荇菜种植水中存在着某种对铜绿微囊藻产生抑制作用的活
性物质 , 通过对铜绿微囊藻光反应系统(PSⅠ和 PSⅡ)的作用来阻碍藻细胞光合作用进程 , 抑制藻类生长 , 说明
除了遮光效应外 ,分泌抑藻活性物质也是荇菜抑制铜绿微囊藻生长的重要机制。
关键词:荇菜;铜绿微囊藻;抑制效应;藻胆蛋白;ATP酶活性
中图分类号:Q143;Q145;X524　　文献标识码:A　　文章编号:1673-4831(2010)03-0257-07
InhibitoryEffectofNymphoidespeltatumonMicrocystisaeruginosaandItsMechanism.WANGLi1 , WANGGuo-
xiang1 , TANGXiao-yan2 , CHENZheng-yong1 , WANGWen-lin1, 2(1.JiangsuKeyLaboratoryofEnvironmentalChangeand
EcologicalConstruction/ColegeofGeographicalScience, NanjingNormalUniversity, Nanjing210046, China;2.Nanjing
InstituteofEnvironmentalSciences, MinistryofEnvironmentalProtection, Nanjing210042, China)
Abstract:Aco-culturesystemofNymphoidespeltatumandnaturalfronddominatedwithbloomabluegreenalgae(Micro-
cystisaeruginosa)wasestablishedforanalysisofvariationofceldensityandcontentofchlorophyll-aofvariousalgae,
growthofNymphoidespeltatumandunderwaterlightintensityinthesystem.Meanwhile, M.aeruginosawasculturedinthe
mediumpreparedoutoftheculturesolutionofN.peltatumunderaproperlightconditionforanalysisofvariationofthe
physiologicalindexesofalgagrowthwithtime.Resultsshowthattotalalgalceldensitydroppedsignificantlyforalltheal-
gaeinthesystem(P<0.05), andthatofM.aeruginosainparticularby94.68% ascomparedwiththeinitialdensity40
daysbefore.However, thepopulationofTetraedronminimumwasgrowinggraduallytobeadominantspecies.Itisobvious
thatthegrowthofM.aeruginosawassignificantlyinhibitedbyN.peltatum.Intheco-culturesystem, chlorophyl-aofalgae
wasinsignificantnegativecorrelationwithfreshweightofN.peltatumandlightatenuationrateat20 cmunderwater, indi-
catingthatphotosyntheticcapacityofthealgalcelsiscloselyrelatedtothegrowthofN.peltatumanditsshadingefect.
Withtheculturegoingon, lightdensity(D650)ofM.aeruginosacellsdecreasedsignificantly, andsodidtherelativecontent
ofchlorophyll-aandphycobiliproteins(includingphycocyanin, alophycocyanin, phycoerythrin)byavaryingdegreesor
downto5.27%, 15.53%, 21.11% and48.48%, respectivelyafter9daysofincubationofthesystemandCa2+Mg2+-AT-
Paseactivityaswel.AllthesefindingssuggestexistenceofsomeactivesubstancesthathavealelopathicefectonM.aerug-
inosaintheN.peltatumculturesolutionandaffectthephotoreactionsystem(PSIandPSⅡ)ofM.aeruginosa, inhibiting
photosynthesisandgrowthofM.aeruginosa.Itisquiteobviousthatbesidestheshadingeffects, allelopathicactivesub-
stancessecretedbyN.peltatumisalsoanimportantmechanismofN.peltatuminhibitinggrowthofM.aeruginosa.
· 258　 · 生　态　与　农　村　环　境　学　报 第 26卷
Keywords:Nymphoidespeltatum;Microcystisaeruginosa;inhibitoryefect;phycobiliprotein;Ca2+Mg2+-ATPaseac-
tivity
　　近年来 ,由于湖泊水环境恶化与富营养化日趋
严重 ,我国南方很多湖泊频繁暴发蓝藻水华现象 ,水
质性缺水日益加剧 , 严重制约着社会和经济的可持
续发展 。形成蓝藻水华的藻类包括微囊藻 (Micro-
cystis)、鱼腥藻(Anabaena)、颤藻(Oscilatoria)和束
丝藻(Aphanizomenon)等 , 而太湖 、滇池等地形成的
水华优势种为铜绿微囊藻 (Microcystisaerugino-
sa)[ 1] 。铜绿微囊藻是一种光能自养原核生物 ,具有
一套独特的生理学机制和进化机制 ,具有极强的生
态学竞争优势 [ 2] 。如何控制铜绿微囊藻的生长是
水体富营养化治理进程中亟待解决的问题 。作为水
体主要生产者的高等水生植物 ,对调节水体功能和
维持水体生态平衡起着重要的作用 ,其不仅能吸收
同化水体中氮 、磷等营养物质 ,控制水体营养盐浓
度;而且某些水生植物能够分泌 、释放抑制浮游藻类
的化感物质 ,从而维持水体的结构稳定和水质清洁 。
此外 ,水生植物分泌的化感物质是其产生的次生代
谢物 ,通常在自然水体中易于降解 ,不会带来潜在的
生态危害。因此 ,利用高等水生植物控制浮游藻类
过量增殖具有较好的应用前景 [ 3] 。
研究表明 ,沉水植物如黑藻 (Hydrilaverticila-
ta)、金鱼藻(Ceratophylumdemersum)、伊乐藻(Elo-
deanutali)等 ,挺水植物如菖蒲(Acoruscalamus)、
荷花(Nelumbonucifera),以及鲜水稻秸秆等对铜绿
微囊藻均具有明显的化感抑制作用 ,而对浮叶植物
与铜绿微囊藻之间相互作用的研究则鲜见报
道 [ 4-9] 。荇菜(Nymphoidespeltatum)是长江中下游
浅水湖泊中常见的根生浮叶植物 ,荇菜群落是太湖
分布面积最大的浮叶植物群落。调查发现 ,在太湖
有草区 ,水体透明度一般较高 ,大型水生植物生长繁
茂 ,藻类较少 ,叶绿素含量低 [ 10] 。笔者以荇菜为材
料 ,通过构建荇菜群落微型系统 ,与以铜绿微囊藻为
优势种的自然藻体共培养 ,研究其对铜绿微囊藻生
长的影响 ,同时采集荇菜种植水研究其对纯种铜绿
微囊藻的抑制效应 ,以探讨荇菜对铜绿微囊藻是否
存在化感抑制作用 ,为筛选新型植物材料用以控制
蓝藻水华提供科学依据。
1　材料与方法
1.1　试验设计
1.1.1　荇菜与铜绿微囊藻共培养试验
选择生长良好且株高一致的荇菜植株 ,仔细清
洗并清除植物茎叶上的动物卵体 ,吸干表面水分后
称量每株荇菜鲜重 ,以每桶约 60 g为初始生物量 ,
将荇菜分别移至 2个装有 130 L水(采用曝气自来
水)的蓝色塑料桶(45 cm ×50 cm ×70 cm)中预
培养;另外 2个桶内不种植植物 ,作为对照。待植物
生长稳定后 ,向处理组(种植荇菜)和对照组水体中
加入适量营养液 ,使水体 TN、TP分别保持在 2.0、
0.2 mg·L-1 ,以模拟富营养化湖泊水体环境 ,研究
荇菜对藻类生长的影响 。向各组试验桶水体中分别
加入 5 L暴发铜绿微囊藻水华的自然水样 ,使系统
中铜绿微囊藻初始藻细胞密度为 107 L-1。自然水
华藻体采自南京师范大学校园内池塘 ———月亮湾 ,
藻样加入前先将水体经 13号浮游动物网 (孔径
0.112 mm)过滤 3遍 ,尽量消除浮游动物的影响 。
试验期间定期测定各藻种藻细胞密度 、藻类叶
绿素 a含量以考察系统中藻类种类和生物量的变
化 ,定期测定荇菜株高 、叶片数 、叶宽以考察荇菜植
株自身的生长变化 ,同时测定系统中 [光 ]照度的变
化;每隔 1 d测定水体 TN、TP含量并及时补充营养
液使水体维持富营养化状态 。
1.1.2　荇菜种植水抑制铜绿微囊藻生长试验
采用曝气自来水单独培养荇菜植株约 60 g,培
养期间不添加营养盐且不补充蒸发水分 , 20 d后采
集荇菜种植水 ,经 0.22 μm孔径滤膜抽滤灭菌 ,用
灭菌后的种植水配置 BG-11培养基 。在 250 mL
三角锥形瓶中加入 150 mL培养液 ,再加入 10mL处
于对数生长期的铜绿微囊藻藻种 ,置于摇床中恒温
培养 , 培养条件:温度(25 ±3)℃, t(光)∶t(暗)=
12∶12, [光 ]照度 2 200 lx。接种当天吸取藻液以测
定铜绿微囊藻藻细胞光密度值(D650),叶绿素 a、藻
胆蛋白含量和 Ca2+Mg2+-ATP酶活性 ,测完后补充
相应的添加液 ,以后每隔 2 d测定 1次。对照组和
处理组(添加荇菜种植水)均设 3个平行 ,所有操作
(接种 、转移 、取藻样等)均在无菌条件下进行 。
1.2　指标测定方法
1.2.1　共培养试验指标测定
TN、TP用 Skalar水质连续流动分析仪(荷兰)
测定 ,其他指标均按照文献 [ 11]的标准方法测定。
1.2.2　纯种铜绿微囊藻叶绿素 a和藻胆蛋白含量
测定
纯种铜绿微囊藻叶绿素 a含量的测定方法参见文
献 [ 12] 。藻胆蛋白含量测定参照 PADGETT的方
　第 3期 汪　丽等:荇菜(Nymphoidespeltatum)对铜绿微囊藻(Microcystisaeruginosa)生长的抑制效应及其机制 · 259　 ·
法[ 12-13] :取 5 mL藻液 ,在 10 000 r· min-1下离心 15
min,弃上清液 ,加入 5mL磷酸缓冲液(0.05 mol·L-1 ,
pH=7.0);将样品放入超低温冰箱 8h后 ,室温避光溶
解 ,反复冻溶 3 ～ 4次提取藻胆蛋白。将冻溶的样品在
12 000r·min-1下离心 10min,分别测定上清液在 620、
650和 565nm下的吸光度。根据式(1)—式(6)分别计
算藻蓝蛋白(NPC)、别藻蓝蛋白(NAPC)和藻红蛋白
(NPE)含量及其相对含量(MPC、MAPC、MPE):
NPC=(D620 -0.7×D650)/7.38 (1)
NAPC=(D650 -0.19×D620)/5.65 (2)
NPE=(D656 -2.8×NPC-1.34×NAPC)/1.27 (3)
MPC=ρtreatment, PC/ρcontrol, PC×100% (4)
MAPC=ρtreatment, APC/ρcontrol, APC×100% (5)
MPE=ρtreatment, PE/ρcontrol, PE×100% (6)
式(1)—式(6)中 , ρtreatment、ρcontrol分别为处理组和对
照组某物质质量浓度 , mg· L-1。
1.2.3　Ca2+Mg2+-ATP酶活性测定
粗酶液的制备:取藻液 20 mL,于 4 ℃、10 000
r·min-1下冷冻离心 10min,弃上清液 ,加入 3.0 mL
STN缓冲液(含 0.05 mol·L-1蔗糖 、0.01 mol· L-1
NaCl, pH7.8, 4 ℃预冷),冰浴下超声破碎(3 min, 5
s, 5 s),再于 4 ℃、7 000 r· min-1下冷冻离心 10
min,上清液即为粗酶液 [ 14] ,用于酶活性测定。 Ca2+
Mg2 +-ATP酶活性测定采用南京建成生物工程研究
所的 ATP酶试剂盒 , 1个 ATP酶活性单位定义为:
1 h1 mg蛋白分解产生 1 μmol无机磷的 ATP的量 。
1.3　统计分析
1.3.1　荇菜植株鲜重的计算方法
选择生长良好的荇菜植株 30株 ,分别统计各植
株株高(x1)、叶片数(x2)、叶宽(x3)和鲜重 ,得到鲜
重(y)与其他 3个生长指标的回归方程为:y=
-14.11+0.15x1 +1.39x2 +3.58x3 , R2 =0.821,通
过此方程可计算荇菜生长过程生物量的变化。
1.3.2　其他数据处理
采用 SPSS16.0统计分析软件对数据进行显著
性 t检验 , P<0.05表示差异显著;并用 Pearson相
关系数评价不同因子间的相关关系 , P<0.05表示
相关显著。
2　结果与分析
2.1　共培养水体中荇菜对铜绿微囊藻生长的影响
2.1.1　共培养水体中荇菜对铜绿微囊藻生长量的
影响
对照组与处理组(种植荇菜)水体中均加入 5 L
自然藻体作为初始值 ,经鉴定初始藻种主要包括铜
绿微囊藻 、小行色球藻 、颤藻属 、隐藻属 、蓝隐藻属 、
衣藻属 、四角藻属 、栅藻属等藻类 ,总藻细胞密度为
5.19×107 L-1。如图 1所示 ,在对照组(藻类单独
培养)水体中 ,藻细胞密度在试验初期(0— 5 d)有
所降低 ,这可能是由于藻体还未适应试验水体 ,待藻
体适应后藻细胞密度逐渐升高并一直处于较高水
平 , 32 d时藻类生长量达到最高 ,总藻细胞密度为
8.47×107 L-1。试验末期(32— 40d)藻细胞密度却
呈下降趋势 ,其原因可能是培养过程中环境因子对
藻类生长具有一定影响 ,空间生长资源减少以及试
验后期温度日变化较大 。但总体来说 ,总藻细胞密
度仍保持在 107 L-1数量级水平上。从藻种组成来
看 ,试验期间对照组水体中铜绿微囊藻一直处于优
势地位(图 2), 40 d时藻细胞密度仍达 5.57×107
L-1 ,占总藻细胞密度的 91.20%;其他藻类如小行
色球藻和四尾栅藻等数量未明显增加。
如图 1所示 ,在处理组(荇菜与藻类共培养)水
体中 ,试验初期(0— 5d)总藻细胞密度略有上升 ,试
验 5 d后藻类生长量开始显著下降(P<0.05),此
后一直处于较低水平 ,表明水体中藻类已处于稳定
生长状态;从藻种组成来看(图 2),初始时铜绿微囊
藻在藻类群落中属于优势藻种 , 5 d时其细胞密度
占总藻细胞密度的 54.88%;此后随试验时间延长 ,
铜绿微囊藻细胞密度逐渐降低 , 40 d时降至 2.47 ×
10
6 L-1 ,与初始藻细胞密度相比下降了 94.68%;而
与此相反 ,三角四角藻数量逐渐增多 ,试验 25 d时
达到最高值 5.5×106 L-1 ,占藻类总数的 50.76%,
替代铜绿微囊藻成为水体中的优势藻种 。
由图 1可知 ,处理组与对照组之间水体中总藻
细胞密度 、铜绿微囊藻藻细胞密度均有显著差异
(P<0.05),可见 ,荇菜的存在及其生长对铜绿微囊
藻生长具有明显的抑制作用 。由图 2可知 ,种植荇
菜的水体与不种植荇菜的对照水体中 ,藻类群落的
藻种组成差异明显 ,种植荇菜的水体中 ,藻类数量较
低 ,但藻类种类增多 ,试验中后期绿藻门植物三角四
角藻数量逐渐增多而成为优势种 ,表明荇菜对铜绿
微囊藻的抑制可间接促进其他藻类的生长 ,这对维
持水体中藻类群落结构的稳定具有积极作用 。
2.1.2　共培养水体中荇菜对藻类叶绿素 a含量的
影响
浮游植物依靠光合作用生长 ,而叶绿素 a是藻
类的主要光合色素 ,通过测定藻类和浮游植物叶绿
素含量可掌握水体的初级生产力 ,故将叶绿素 a含
量作为衡量其光合作用潜力的一种指标。同时 ,作
为活体藻细胞的色素 ,叶绿素 a含量的变化也可以
· 260　 · 生　态　与　农　村　环　境　学　报 第 26卷
反映水体中藻类生物量的变化 。如图 3所示 ,试验
期间处理组与对照组叶绿素 a含量差异显著 (P<
0.05)。对照组藻类叶绿素 a含量与藻细胞密度变
化趋势 (图 1)基本一致 , 32 d时达到最高值 ,即
237.53mg· m-3 ,而处理组藻类叶绿素 a含量变化
不大 ,一直处于 50 mg· m-3以下的低水平状态 ,表
明水体中藻类的光合作用受到持续抑制 。
图 1　共培养水体中荇菜对藻类总藻细胞密度及铜绿微囊藻藻细胞密度的影响
Fig.1　EfectofNymphoidespeltatumontotalceldensityofalgaeandMicrocystisaeruginosaintheco-culturesystem
图 2　共培养水体中荇菜对藻类群落的藻种组成及其数量的影响
Fig.2　EffectsofNymphoidespeltatumonspeciescompositionandpopulation
ofthealgalcommunityintheco-culturesystem
图 3　共培养水体中荇菜对藻类叶绿素 a含量的影响
Fig.3　EffectofNymphoidespeltatumon
chlorophyll-acontentintheco-culturesystem
对试验期间系统中荇菜的生长进行了监测 ,结
果表明:荇菜长势良好 ,其株高 、叶片数 、叶宽 、鲜重
均明显增加 (表 1), 试验结束时总鲜重增加了
126.36%,增幅最大;而荇菜叶片数也逐渐增多 ,平
均叶宽增大 ,叶片覆盖的水表面积也随之增大 ,这使
得荇菜能够吸收大部分的阳光 ,在促进植株自身旺
盛生长的同时 ,也使下层水体 (水下 20、40 cm深
处)的光衰减率显著高于对照组(图 4),对下层水体
中藻类产生极强的遮光作用。 Pearson相关性分析
结果表明 ,荇菜植株鲜重 、水下 20cm深处光衰减率
与藻类叶绿素 a含量均呈显著负相关关系(r鲜 =
-0.824, P=0.044, n=4;r光 =-0.847, P=0.033,
n=6),进一步说明藻细胞密度的下降与荇菜的遮
光效应密切相关。
共培养试验表明 ,荇菜对铜绿微囊藻的生长
具有显著的抑制作用 ,这一作用与其叶片产生的
遮光效应密切相关 ,而研究表明 ,高等水生植物对
特定藻类具有普遍的化感抑制作用 [ 15] 519。在植物
群落中 ,植物和微生物通过释放化学物质促进或
抑制其他个体或自体生长的现象称为化感作用
　第 3期 汪　丽等:荇菜(Nymphoidespeltatum)对铜绿微囊藻(Microcystisaeruginosa)生长的抑制效应及其机制 · 261　 ·
(alelopathy),水生植物的代谢产物可能抑制藻类
的生长繁殖 ,对藻类产生化感抑制作用 [ 16] 。荇菜
对铜绿微囊藻是否具有化感抑制作用仍未见报
道 ,因此进一步采集荇菜种植水来培养纯种铜绿
微囊藻 ,消除光照与营养竞争的影响 ,以验证荇菜
对铜绿微囊藻是否存在化感抑制效应 ,并从植物
生理的角度探讨其抑制机理 。
表 1　共培养水体中荇菜生长指标的变化
Table1　VariationofthegrowthindexesofNymphoides
peltatumintheco-culturesystem
日期 株高 /cm 叶片数 叶宽 /cm 鲜重 /g
07-14 61.89±2.30 14.50±0.58 4.76±0.23 64.50±0.71
08-04 72.66±5.15 26.00±1.16 5.85±0.50 107.50±4.95
08-13 90.68±6.01 27.00±5.23 6.62±0.19 120.50±17.68
08-25 100.37±3.36 36.50±1.73 5.98±1.48 146.00±7.07
图 4　共培养水体中荇菜对水下 20、40cm深处光衰减率的影响
Fig.4　EffectofNymphoidespeltatumonlightattenuationrateat20 and40 cmunderwaterintheco-culturesystem
2.2　荇菜种植水对铜绿微囊藻生理特性的影响
2.2.1　荇菜种植水对铜绿微囊藻生长的影响
由图 5可知 ,与正常培养的铜绿微囊藻相比 ,荇
菜种植水培养基中铜绿微囊藻藻细胞光密度值随试
验时间延长逐渐下降 ,且前期下降速率较为缓慢 ,后
期逐渐加快;第 9天时藻细胞密度值比初始下降了
60.14%,仅为同一时间对照组的 34.27%,表明荇
菜种植水中确实存在某些化感抑制物质 ,其对铜绿
微囊藻的生长产生抑制作用。
2.2.2　荇菜种植水对铜绿微囊藻光合作用系统的
影响
藻胆蛋白是红藻 、蓝藻细胞中重要的捕光色素
蛋白 ,主要包括藻红蛋白 、藻蓝蛋白和别藻蓝蛋白 3
种 。藻胆蛋白充当 “天线分子 ”将捕获的光能高效
地传递给叶绿素 ,帮助藻细胞行使光合作用 。通过
测定不同试验阶段铜绿微囊藻藻胆蛋白组分构成
(表 2)可知 ,随试验时间延长 ,铜绿微囊藻细胞内藻
蓝蛋白(PC)、别藻蓝蛋白(APC)、藻红蛋白(PE)及
叶绿素 a均受到不同程度损伤 。其中 ,处理组藻蓝
蛋白和叶绿素 a损伤较为严重 ,第 9天时 2者含量
分别为对照组的 15.53%和 5.27%;损伤程度次之
的为别藻蓝蛋白和藻红蛋白 ,第 9天时 2者含量分
别是对照组的 21.11%、48.48%。由此可推测 ,化
感抑制物质主要通过对藻蓝蛋白的损伤来影响细胞
内光能的有效传递 ,阻碍铜绿微囊藻藻细胞内光合
作用进程 ,同时使细胞内叶绿素 a受损伤 ,进一步抑
制铜绿微囊藻光合作用能力 。
图 5　荇菜种植水对铜绿微囊藻生长的影响
Fig.5　EffectofNymphoidespeltatumculture
solutionongrowthofMicrocystisaeruginosa
表 2　荇菜种植水对铜绿微囊藻叶绿素 a及藻胆蛋白各组
分相对含量的影响
Table2　EffectsofNymphoidespeltatumculturesolutionon
chlorophyl-acontentandrelativecontentofvariousfrac-
tionsofphycobiliproteininMicrocystisaeruginosa %
试验时间 /
d 藻蓝蛋白 别藻蓝蛋白 藻红蛋白 叶绿素 a
1 100 100 100 100
3 47.42±17.95 56.35±18.10 45.81±16.40 48.48±13.89
5 60.11±6.40 58.20±9.55 63.06±4.90 14.38±8.16
7 39.39±0.91 30.00±4.81 58.55±1.23 10.42±3.61
9 15.53±1.90 21.11±2.49 48.48±13.89 5.27±0.56
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2.2.3　荇菜种植水对铜绿微囊藻 Ca2+Mg2 +-ATP
酶活性的影响
ATP酶存在于组织细胞及细胞器的膜上 ,是生
物膜上的一种蛋白酶 ,机体在缺氧状态下 , ATP酶受
到损伤 ,活力下降 。ATP酶活力的大小是细胞能量
代谢及功能有无损伤的重要指标。 Ca2+Mg2 +-ATP
酶存在于生物细胞多个部位 ,如细胞质膜和内囊体 ,
对细胞营养物质的转运和光合作用起着重要作用 。
处理组与对照组藻细胞内 Ca2+Mg2+-ATP酶活性变
化见图 6。由图 6可知 ,试验 1d后荇菜种植水中藻
类 ATP酶活性即明显下降 ,此后几天藻细胞数量逐
渐减少(图 5), ATP酶活性一直处于低水平状态 ,第
9天时仅为对照组 ATP酶活性的 16.80%,表明此
时铜绿微囊藻藻细胞的能量代谢功能受到了严重损
害 。HEHMANN等[ 17]认为 ,赖氨酸可能通过抑制微
囊藻细胞的 ATP酶活性或磷酸循环来抑制微囊藻
对钙 、镁或其他矿质元素的吸收 ,进而引起微囊藻细
胞的裂解。本试验结果表明 ,荇菜种植水中亦存在
具有相似性质的化感抑制物质 ,可通过同样的途径
对微囊藻细胞产生抑制作用。
图 6　荇菜种植水对铜绿微囊藻 Ca2+Mg2+-ATP
酶活性的影响
Fig.6　EfectsofNymphoidespeltatumculturesolution
onCa2+Mg2+-ATPaseactivityofMicrocystisaeruginosa
3　讨论
荇菜与铜绿微囊藻水华藻体共培养时 ,微囊藻
藻细胞密度显著减少 ,从优势藻种逐渐转变为非优
势藻种 ,铜绿微囊藻的生长受到明显抑制;叶绿素 a
含量与藻细胞密度变化趋势较为一致 ,表明藻类光
合作用受到影响;而荇菜植株自身生长良好 ,生物量
增加显著 ,在生长资源的竞争上处于优势地位 。本
试验中 ,共培养水体的营养盐含量一直维持在稳定
水平 ,消除了荇菜与藻类之间的营养竞争;试验过程
中荇菜叶片不断增多 ,盖度逐渐增大 ,使得其下层水
体中光衰减率逐渐增大 ,对下层水体形成较强的遮
光作用 ,藻类增殖受到极大抑制 ,表明荇菜形成一定
生物量后 ,在光资源的竞争上占有较强优势。但荇
菜对铜绿微囊藻所表现出的显著抑制作用是否只是
由光资源不足引起的呢? 孙文浩等[ 18]对凤眼莲的
抑藻机理研究表明 ,凤眼莲抑制藻类生长的原因有
3个 ,除了遮光作用和对营养物质的竞争以外 ,凤眼
莲根系分泌物对藻类有克制作用 。挺水植物芦苇 、
菖蒲 、莲以及沉水植物金鱼藻 、黑藻 、伊乐藻 、穗花狐
尾藻等均对特定藻类表现出显著的化感抑制作用 ,
但各种水生植物释放或分泌的化感活性物质对藻细
胞的作用机理仍不十分明确[ 3] , [ 15] 521。荇菜对铜绿
微囊藻的化感作用研究尚未见报道。
荇菜种植水抑制铜绿微囊藻生长的试验结果表
明 ,正常光照条件下铜绿微囊藻生长受到明显抑制 ,
藻细胞光密度值显著降低;同时处理组藻类生理指
标也发生相应变化 ,表现为:叶绿素 a相对含量 、藻
胆蛋白各组分相对含量随处理时间的变化而逐渐下
降 ,表明铜绿微囊藻藻细胞内叶绿素 a、藻胆蛋白都
受到一定损伤 ,其中 ,叶绿素 a下降最为明显 。叶绿
素 a是光合系统 Ⅱ(PSⅡ)反应中心的功能物质 ,藻
胆蛋白是蓝藻光合作用捕光天线的主要功能团 ,位
于捕光天线———藻胆体内 ,它主要由藻蓝蛋白(PC)
和别藻蓝蛋白(APC)2种蛋白构成 ,是光反应系统
中的天线系统 ,具有捕获光能并将能量高效传递给
PSⅡ的功能 [ 14] ,当 PSⅡ受到损伤 、光反应效率降低
时 ,可能会因此而诱发光反应的天线系统 ———藻胆
蛋白通过调节其组分构成来适应这一变化 [ 19] 。因
此 ,荇菜种植水抑制微囊藻的机理可能在于:化感活
性物质直接作用于铜绿微囊藻细胞的 PSⅡ反应中
心 ,抑制光反应中心叶绿素 a含量 ,从而扰乱藻胆蛋
白组分构成 ,使微囊藻的光合作用系统受到破坏 。
在 PSⅡ和 PSⅠ之间的电子传递过程中光合膜两侧
会建立质子膜梯度 ,它可以驱动 ATP酶合成 ATP[ 20] 。
因此 ,当 PSⅡ受到损伤时 ,会使这种 ATP合成缺乏驱
动能量 ,导致 ATP酶活性降低[ 19] 。另外 ,由于在活体
中不管是氧化磷酸化还是光合磷酸化 , ATP合成均与
电子传递耦联 ,因此 ATP合成受到抑制 ,反过来也会
导致细胞内电子传递链受到限制 ,由此可能进一步导
致细胞功能紊乱 ,如抑制细胞对钙 、镁等矿质元素的
吸收等 [ 17] ,进而使细胞生长受到抑制。
一般来说 ,化学物质的抑藻机理主要是抑制细胞
壁的合成 、酶活性或者光合作用。研究表明 ,赖氨酸
能显著影响铜绿微囊藻细胞色素 ,抑制叶绿素 a的生
成 ,改变藻胆蛋白各组分的比例 ,但对 SOD酶活性和
　第 3期 汪　丽等:荇菜(Nymphoidespeltatum)对铜绿微囊藻(Microcystisaeruginosa)生长的抑制效应及其机制 · 263　 ·
MDA含量的影响不显著 [ 21] ;在金鱼藻化感物质作用
下 ,铜绿微囊藻的藻蓝蛋白比叶绿素 a更易受损。藻
胆蛋白的损伤导致光能捕获或传递失败可能是导致
光合作用无法正常进行的原因[ 12] ;而粉绿狐尾藻释
放的化感物质可直接破坏铜绿微囊藻的捕光天
线———藻胆体内的辅助捕光色素系统 ,阻断藻胆蛋白
对光电子的捕获和传递 ,从而抑制其光合作用 ,最终
导致藻细胞生长停滞甚至死亡[ 13] 。笔者以荇菜为材
料研究其对铜绿微囊藻的抑制机理 ,所得结论也支持
上述观点 ,即光反应系统(PSⅠ和 PSⅡ)是化感活性物
质在微囊藻藻细胞内的重要作用位点。
通过上述分析 ,笔者认为 ,除了遮光效应以外 ,化
感作用也是荇菜对铜绿微囊藻生长产生抑制效应的
重要机制 ,其分泌的化感活性物质能有效抑制微囊藻
的生长繁殖。因此 ,可以将其作为控制蓝藻水华的植
物材料加以利用。但植物分泌的物质中有很多容易
被微生物所利用 ,只有当它们达到一定浓度时才会抑
制微生物的生长 ,不同植物所分泌的克藻物质是不同
的 [ 22-23] ,因此利用各种植物的协同作用合理配置水
生植物种类 ,充分发挥它们之间的协同增效作用 ,联
合它们的观赏价值 ,搭配浮叶 、挺水 、沉水和漂浮 4种
植物类型 ,可创造出好的环境效果 ,且多种植物的优
化组合不仅满足了物种多样性[ 8, 24] ,而且更容易保持
湖泊生态系统的长期稳定性 。
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作者简介:汪丽(1985— ), 女 , 江苏淮安人 , 硕士生 , 主要研
究方向为水环境生态修复。 E-mail:xdruila@163.com