全 文 ：UVB辐射增强对三种赤潮微藻 DNA的伤害效应*
蔡恒江1 唐学玺1* * 张培玉1, 2
( 1 中国海洋大学海洋生态学研究室,青岛 266003; 2曲阜师范大学生命科学学院,曲阜 273165)
摘要 运用生态毒理学和生物化学方法研究了 UVB 辐射增强对赤潮异弯藻、亚历山大藻和中肋骨条
藻 DNA的伤害作用. 结果表明, 3 种赤潮微藻的生长状况对 UVB 辐射增强的敏感性不同; 对 UVB 辐射
增强的敏感性由高到低依次是赤潮异弯藻、亚历山大藻和中肋骨条藻. 随着 UVB 辐射剂量的增加, 3 种
赤潮微藻的 DNA损伤程度提高,而且赤潮异弯藻 DNA 的损伤程度明显高于亚历山大藻和中肋骨条藻,
亚历山大藻 DNA的伤害程度又远远高于中肋骨条藻. UVB 辐射处理解除后,损伤 DNA 可明显恢复. 赤
潮异湾藻和亚历山大藻恢复培养 6 d, 损伤 DNA 可明显恢复( P < 005) ;而中肋骨条藻恢复培养 3 d, 损伤
DNA 可明显恢复( P < 005) ,说明 3种赤潮微藻的 DNA 损伤水平不适合作为指示 UVB辐射增强的生物
学指标.
关键词 赤潮异弯藻 亚历山大藻 中肋骨条藻 UVB 辐射增强 DNA 损伤
文章编号 1001- 9332( 2005) 03- 0559- 04 中图分类号 X171 5 文献标识码 A
Effects of UVB radiation enhancement on DNA damage of three redtide microalgae species. CAI Hengjiang1 ,
TANG Xuex i1, ZHANG Peiyu1, 2 ( 1Marine Ecology Laborator y , Ocean Univer sity of China, Qingdao 266003,
China; 2College of L if e Sciences, Quf u Nor mal Univer sity , Quf u 273165, China) . Chin. J . A pp l . Ecol. ,
2005, 16( 3) : 559~ 562.
The ecotox icolog ical and biochemical study w ith Heterosigma akashiwo , A lexandrium tamar ense and Skeletone
ma costatum showed that the test three species of redt ide microalgae had different sensitivities to UVB radia
tion enhancement, and the order from high to low was Heter osigma akashiwo , A lexandr ium tamar ense and
Skeletonema costatum . T he DNA damage of algal cells increased wit h UVB radiation enhancement, being more
no table in Heter osigma akashiw o than in A lexandr ium tamar ense and Skeletonema costatum , and in A lexan
dr ium tamar ense than in Skeletonema costatum . The DNA damage of Heter osigma akashiw o and A lexandr ium
tamar ense could be significantly repair ed ( P < 0. 05) after 6 days of UVB radiation r emoval, and that of Skele
tonema cos tatum could be significantly repair ed ( P < 0. 05) after 3 days, w hich illustrated that the DNA damage
of three redt ide microalg ae species could no t indicate the damaged degree of marine microalgae resulted from
UVB radiation enhancement.
Key words Heterosigma akashiw o , A lexandr ium tamar ense , Skeletonema costatum , UVB radiation en
hancement, DNA damage.
* 国家自然科学基金项目( 30270258)和山东省优秀中青年科学家科
研奖励基金资助项目( 03BS120) .
* * 通讯联系人.
2004- 03- 24收稿, 2004- 07- 05接受.
1 引 言
臭氧层侵蚀和破坏的日趋加重, 使到达地面的
紫外线,尤其是对生物 DNA 具损伤作用的紫外线 B
波段( U VB, 280~ 320 nm )的辐射增强, 致使整个
地面生态系统发生变化. 这是最引人注目的全球气
候变化现象之一[ 8, 12, 19] . 海洋生物受到紫外线的潜
在危险也在不断增加. 其伤害不仅局限于海水表层
生物, 北海海水表面紫外线辐射率的 10%能够穿透
到6 m 深的水层,而在北冰洋的清澈水域, 10%的表
面辐射率可到达 30 m 的水层, UVB辐射增强势必
对海洋生态系统产生明显的影响[ 9] . 因此, 整个海
洋生态系统和海洋生物(尤其是海洋浮游生物)受紫
外线辐射增强影响和伤害的潜在危险性不断增加.
浮游植物是海洋生态系统的主要生产者, 是海洋食
物链的基础.浮游植物一旦受到破坏,势必影响到整
个海洋生态系统的稳定性.关于 UVB辐射增强对
浮游 植 物 影 响的 研 究 国 内 外 已 有许 多 报
道[ 2, 6, 13, 18] , 但对赤潮微藻影响的研究报道较少,而
且仅有的工作都是围绕赤潮藻的光合作用和运动行
为开展的[ 7, 16] . 本文选择 3 种海洋赤潮微藻, 探讨
UVB辐射增强对海洋赤潮微藻 DNA 的伤害效应,
为从分子水平阐明海洋生态系统对全球变化的响应
和 UVB辐射增强对赤潮发生过程的影响提供参考
依据.
2 材料与方法
2 1 供试材料
2 1 1 藻种 实验所用的赤潮异弯藻 ( Heter osigma akashi
应 用 生 态 学 报 2005 年 3 月 第 16 卷 第 3 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Mar. 2005, 16( 3)!559~ 562
wo)、亚历山大藻 ( A lexandr ium tamarense) 和中肋骨条藻
( Skeletonema costatum )取自中国海洋大学微藻培养中心.
212 UVB 辐射体系 采用北京曙光电源厂生产的紫外 B
灯,北京师范大学生产的 UVB型紫外辐射强度仪测定辐射
强度.紫外 B 灯外用乙酸纤维素薄膜(上海生化试剂公司,厚
度为 0 12 mm)包被,以除去 280 nm 的短波辐射. 整个体系
在正式实验前需连续照射 72 h,以减小薄膜滤过作用的不稳
定性.所用薄膜每隔 1 周更换 1 次, 防止薄膜的老化作用.
213 培养方法及条件 培养液采用 f/ 2 营养盐配方. 培养
温度 19 ∀ 1 # , 以日光灯管照射作为光源, 光照强度
3 000 lx, 光暗周期 12 h: 12 h. 用于微藻培养的三角瓶预先
用1 mol∃L- 1的盐酸浸泡 24 h,消毒海水冲洗干净后待用.将
处于指数生长期的微藻接种在 100 ml f/ 2 培养液中, 同时设
4 个平行样, 3 种藻的处理相同.
22 研究方法
221 UVB 辐射处理 辐射强度控制在 1 25W∃cm- 2 ,通
过调整辐射时间控制辐射剂量. 在预备实验的前提下, 设计
0、03、06、0 9、1 2、1 5、1 8、21、2 4、2 7 和 30 J∃m- 2的
辐射剂量,每天以紫外 B 灯取代日光灯管照射处理.处理时
间为 4 d, 然后取样进行细胞密度计算和 DNA 样品的制备和
检测.
222 UVB 辐射处理解除后的恢复实验 UVB辐射处理
结束后,将 3 种赤潮微藻在 22 的培养条件下继续培养, 在
培养的第 3 天、第 6 天和第 12 天取样进行 DNA 样品的制备
和检测.
223 细胞密度计算 培养过程中定时摇动培养物, 每天至
少摇动 6次 ,每隔 2 d取 1 ml藻液,用 Lugol碘液固定, 血球
计数板计数并计算细胞密度. 每个样品计数 3 次, 取其平均
值.
224 DNA 样品制备 采用 CTAB 法[ 1]和 Shugart [ 10]方法,
用小牛胸腺 DNA 作为标准 DNA溶液.
225 数据处理 采用 Shugar t [ 10]的公式: f = ( X sample-
X ssDNA) / ( X dsDNA- X ssDNA ) . 式中, X sample为样品解旋后的荧
光值, X ssDNA为样品单链 DNA 的荧光值, X dsDNA为样品双链
DNA的荧光值, f 表示解旋后存留双链 DNA 的比例. 采用 t
检验分析组间的差异性大小.
3 结果与分析
31 UVB辐射增强对 3种海洋赤潮微藻生长的
影响
由相对增长率的变化可以看出, 3种海洋赤潮
微藻的生长对 UVB 辐射增强的反应表现出明显的
差异性(图 1) .随着 UVB辐射剂量的加大,赤潮异
弯藻的相对增长率逐渐下降; 而低剂量的 UVB 辐
射(低于 09 J∃m- 2和 12 J∃m - 2)处理对亚历山大
藻和中肋骨条藻生长表现出一定的刺激生长效应,
二者的相对增长率均高于对照; 高剂量的UVB辐
图 1 UVB辐射处理对 3种赤潮藻生长的影响
Fig. 1 Effect s of UVB radiat ion t reatment on grow th of three redtide
microalgae species.
a)赤潮异弯藻 He terosigm a akashiw o; b ) 亚历山大藻 A lexandr ium
tamarense; c) 中肋骨条藻 S kel etonema costatum . 下同 T he sam e be
low .
射(高于 09 J∃m- 2和 12 J∃m- 2)表现出对亚历山
大藻和中肋骨条藻生长的抑制效应, 二者的相对增
长率均低于对照. UVB辐射增强对赤潮异弯藻、亚
历山大藻和中肋骨条藻的 96 h半抑制剂量分别是
163、234和 258 J∃m- 2.
32 UVB辐射增强对 3种海洋赤潮微藻 DNA的
损伤作用
UVB辐射增强对 3 种海洋赤潮微藻 DNA 的
损伤作用呈现出剂量效应关系, 即随着 UVB辐射
剂量的提高, DNA 的损伤愈严重, 表现在 f 值呈逐
渐降低的趋势(图 2) . 比较 3种赤潮微藻 f 值的高
低和变化情况可以看出, UVB 辐射增强对 3种赤
潮微藻 DNA 的损伤程度存在差异, 赤潮异弯藻
DNA的损伤程度明显严重于亚历山大藻和中肋骨
条藻,而亚历山大藻 DNA 的伤害程度又远高于中
肋骨条藻.
33 UVB 辐射处理解除后 3 种海洋赤潮微藻
DNA损伤的恢复作用
图 2 UVB辐射增强对 3种赤潮微藻 DNA 的损伤作用
Fig. 2 Effect s of UVB radiat ion enhancement on DNA damage in three
red tide microalgae species.
560 应 用 生 态 学 报 16卷
331赤潮异弯藻 不同剂量的 UVB 辐射处理解
除后,赤潮异弯藻继续培养 3 d、6 d和 12 d时的 f
值变化如图 3 所示. 恢复培养 3 d时, 赤潮异弯藻
DNA损伤的恢复效应不明显,其 f 值与 UVB辐射
处理组比较无差异 ( P> 005) ; 当恢复培养到 6 d
时, DNA 伤害的恢复效应显著 ( P< 005) ; 而培养
到第 12 天时, DNA 的恢复效应更加明显 ( P <
001) .
图 3 UVB辐射解除后 3种赤潮微藻 DNA损伤的恢复作用
Fig. 3 Recovery of DNA damage af ter U VB radiat ion removal in th ree
redt ide m icroalgae species.
1 )U VB辐射处理UVB radiation t reatment ; 2)恢复培养 3 d Recovery
culture 3 d; 3) 恢复培养 6 d Recovery culture 6 d; ; 4) 恢复培养 12 d
Recovery culture 12 d.
332亚历山大藻由图 3可见,恢复培养 3 d时, 亚
历山大藻 DNA 伤害的恢复效应不明显, 其 f 值与
UVB辐射处理组比较无差异( P> 005) ;当恢复培
养到 6 d时, DNA伤害的恢复效应显著( P< 005) ;
而培养到第 12 天时, DNA的恢复效应更加明显( P
< 001) .
333中肋骨条藻 由图 3可见, 恢复培养 3 d时,
亚历山大藻 DNA 已得到明显的恢复, 其 f 值与
UVB辐射处理组比较差异显著( P< 005) ; 当恢复
培养到 6 d和 12 d时, DNA伤害的恢复效应更加显
著( P< 001) .尤其低剂量 UVB辐射(低于 12 J∃
m- 2)处理组,在恢复培养的第 3天 DNA 的损伤便
恢复到正常水平.
4 讨 论
41 低剂量的 UVB辐射处理对海洋赤潮微藻生
长的促进作用
低剂量的UVB辐射(低于09 J∃m- 2和 12 J∃
m- 2)处理下, 亚历山大藻和中肋骨条藻的生长出现
生长促进现象,其相对增长率高于对照组.这与其它
研究相类似[ 1, 5, 11, 14] . Stebbing[ 11]和高尚德等[ 5]在
研究有机锡对海洋微藻的毒性效应时, 发现有机锡
对海洋微藻生长的促进作用;唐学玺等[ 14, 15]的工作
表明,多种有机磷农药在较低浓度时都可引起海洋
微藻生长加快. 而赵素达等[ 20]发现,低浓度的重金
属污染对海洋大型藻石莼的生长、光合作用和呼吸
作用都有一定的促进作用.这说明胁迫因子在低浓
度或低剂量下对海洋植物生长的促进作用具有一定
的普遍性. Stebbing[ 11]指出,毒物在低浓度下出现的
促生长现象是其在无毒情况下的刺激反应,具有一
定的普遍性.他把这一现象称作%毒物的兴奋(刺激)
效应&.
42 3种海洋微藻对 UVB辐射作用敏感性差异
本研究发现, 3种赤潮藻对 UVB 辐射处理的
反应不同.在实验所采用的 UVB辐射剂量范围内,
赤潮异弯藻的生长始终受到抑制, 而亚历山大藻和
中肋骨条藻在低剂量 UVB辐射处理下表现出刺激
生长的作用, 在高剂量的 UVB 辐射处理下显示出
抑制作用.由表 1可以看出, 3种赤潮藻对 UVB辐
射处理的敏感性存在明显的差异性, 赤潮异弯藻最
敏感,亚历山大藻次之,中肋骨条藻最不敏感.
表 1 3种赤潮藻的 96 h半抑制剂量
Table 1 96 h EC50 value of three species of red tide microalgae
赤潮异弯藻
Heterosigma
akashiw o
亚历山大藻
A lexand rium
tamarense
中肋骨条藻
S kele tonema
costatum
96h EC50值( J∃m- 2)
96h EC50 value
163 234 258
研究表明,赤潮异弯藻 DNA 的损伤对 UVB辐
射增强的敏感性明显大于亚历山大藻和中肋骨条
藻,是指示 UVB 辐射增强对海洋微藻伤害程度的
优选藻种.
43 DNA损伤水平作为指示环境污染(胁迫)程度
的生物学指标的可行性
与常规的物理和化学监测方法相比, 生物监测
5613 期 蔡恒江等: UVB辐射增强对三种赤潮微藻 DNA 的伤害效应
方法由于其灵敏度高、真实性强和可反映环境污染
的连续性等优点倍受重视.因此,寻找灵敏而有效的
指示环境污染(胁迫)状况的生物学指标成为关键.
许多污染物或环境胁迫因子会引起生物体多种类型
的DNA的损伤,如 DNA加合物、链断裂、碱基的氧
化和碱基的缺失等. 不同类型的 DNA 损伤之间存
在密切的相关性, 一种类型的 DNA 损伤常常可以
指示其它类型 DNA 损伤的存在. 这是由于污染物
在体内的代谢过程中会产生多种中间产物. 一方面
这些中间产物会直接作用并伤害 DNA 分子, 另一
方面, 许多中间产物还可以间接地造成 DNA 分子
的多种类型的损伤.而且,不同类型的 DNA 损伤之
间可以相互转化[ 4] . 研究表明, 生物体遗传物质受
污染损伤的修复作用比较困难, 其 DNA 的损伤水
平可用于反映污染损伤程度的灵敏而有效的分子生
物学检测指标[ 17] . Shugart [ 10]、陈弈欣等[ 3]和冯涛
等[ 4]都对多环芳烃引起鱼类 DNA 的损伤进行了研
究,指出 DNA 的损伤程度可指示海洋多环芳烃污
染的程度.本实验采用海洋赤潮微藻为生物材料, 测
试了 UVB 辐射增强对 DNA 的损伤作用. 结果表
明, 3种海洋赤潮微藻 DNA 的损伤在 UVB 辐射处
理解除后均得到不同程度的恢复,而且随着恢复培
养时间的延长, DNA 修复作用越加明显. 对于中肋
骨条藻,低剂量的 UVB辐射解除后, 其 DNA 的损
伤可恢复到正常的水平. 说明实验所用的 3种赤潮
微藻的 DNA损伤水平不适合作为指示 UVB 辐射
增强的生物学指标. 因此, DNA 损伤水平作为环境
污染(胁迫)的生物指示指标在实际应用中有一定的
局限性,受到环境污染(胁迫)因子的类型和测试生
物种类等多种因素的限制.
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作者简介 蔡恒江, 男, 1978 年生,博士生, 主要从事生态毒
理学研究. T el: 05322031640; Email: river1107@ 163. com
562 应 用 生 态 学 报 16卷