全 文 ：植物学通报Chinese Bulletin of Botany 2008, 25 (1): 67-71, w w w .chinbullbotany.com
收稿日期: 2006-11-30; 接受日期: 2007-05-20
基金项目: 国家重点基础研究发展规划课题 (No. 2002CB412306)
* 通讯作者。E-mail: shnchen@ynu.edu.cn
.实验简报.
改性纳米 TiO2对蓝藻的生理生态影响
周丽娟, 陈小兰, 邓国宾, 王炎炎, 刘微, 陈善娜*
云南大学生命科学学院, 昆明 650091
摘要 在自然光照条件和日光灯光照条件下, 用掺1%Ag纳米TiO2 、掺5%Fe2O3纳米TiO2、掺10%ZnO纳米TiO2和纯纳米
TiO2对铜绿微囊藻(Synechocystis sp.)PCC6803和集胞藻(Microcystis aeruginosa)进行处理, 并对2种藻样的叶绿素含量、
类胡萝卜素含量、体外超氧自由基含量及超氧化物歧化酶(s uperoxidase d ism utase, SOD)活性进行测定。结果表明, 自然
光照条件比日光灯光照条件更利于纳米材料光催化反应的进行; 改性后的3种纳米材料对蓝藻的抑制效果要好于纯纳米TiO2,
其中效果最好的为掺1%Ag纳米TiO2; 2种藻样在适应由光催化剂引发光催化而产生的自由基胁迫时, 集胞藻的适应能力比铜
绿微囊藻更强。
关键词 蓝藻, 叶绿素, 生长抑制, 纳米TiO2 , 超氧阴离子, SOD
周丽娟 , 陈小兰 , 王炎炎 , 刘微 , 陈善娜 (2008). 改性纳米TiO2对蓝藻的生理生态影响. 植物学通报 25, 67-71.
我国是一个拥有众多湖泊的国家。近年来, 因资源
利用强度加大, 我国各大湖泊富集化趋势严重, 生态系统
退化, 蓝藻水华频繁爆发(马祖友等, 2005), 严重影响了
人类的生产生活。目前, 控制蓝藻的方法有很多种, 其
中运用最多的是杀藻剂, 但该法用量大且易造成环境的
二次污染, 因此不宜推广(陈静等, 1999)。
纳米材料受紫外波段的光激发后, 可引发光催化反
应而产生活性氧(吴兴惠等, 2003)。活性氧具有极好的
杀菌作用, 并能够降解水和空气中的绝大多数有机污染
物, 其产物清洁, 因此被认为是一种极具前途的环保材
料。近年来许多学者对纳米 TiO2抑制细菌(Matsunaga
et al., 1985; Sunada et al. , 1998; Maness et al., 1999;
Huang et al., 2000)和藻类(陆长梅等, 2002; Kim and
Lee, 2005)生长进行了研究。但不同的改性纳米 TiO2
对蓝藻生长的影响及其对不同光强响应性的比较研究还
未见报道, 因此本文对这两个问题进行了初步探讨。
1 材料与方法
1.1 材料
实验所用纳米材料为 3种经过改性的光催化剂, 即掺
1%Ag纳米 TiO2 (简写为 Ag/TiO2)、掺 5%Fe2O3 纳米
TiO2(简写为Fe2O3/TiO2)和掺10%ZnO纳米TiO2(简写
为 ZnO/TiO2), 以及未改性的纳米 TiO2。藻种为铜绿
微囊藻(S ynec hoc ys t i s s p .)P CC6803 和集胞藻
(Microcyst is aeruginosa), 均购于中国科学院典型
培养物保藏委员会淡水藻种库(Fres hwa t er A l gae
Cultu re Collec t ion of the Ins t itu te of Hyd robio -
l ogy )。
1.2 方法
1.2.1 处理方法
取处于对数生长期的藻液离心去培养液, 用新鲜培养基
漂洗 2次之后接种, 使OD680处于 0.4左右。将 4种纳
米材料按照0.1%(W/V)的浓度分别外加于铜绿微囊藻
和集胞藻液中。设 2 组光照处理：自然光照( 3 6 0
mmol.m-2.s-1)和日光灯光照(20 mmol.m-2.s-1); 每组
光照条件下 2种藻各设 1个对照样及 4个处理样, 每个
样设 3 个重复。
1.2.2 取样方法
在每天同一时间取藻样, 2 055×g离心 10分钟, 上清液
68 植物学通报 25(1) 2008
用于体外超氧自由基含量的测定; 沉淀部分加入不同的
提取液, 提取后用于可溶性蛋白、超氧化物歧化酶
( supe rox i dase d is mu tase , SO D)、过氧化氢酶
(catalase, CAT)及色素含量的测定。
1.2.3 测定方法
叶绿素 a与类胡萝卜素含量测定参照 Lichtenthaler和
Wellburn (1883)的方法; 可溶性蛋白含量测定参照周丽
孟等(2006)的方法; 超氧自由基含量测定参照王爱国和
罗广华(1990)的方法; SOD活性测定参照NBT光还原法
(Giannopolit is and Ries,1977)。
2 结果与分析
2.1 改性纳米TiO2对蓝藻生长的影响
目前测定藻类生长的方法主要有细胞计数法及藻液 OD
值测定法。在本实验中纳米材料的存在使这两种方法
的准确性受到严重干扰, 因此本文采用每毫升藻液中叶
绿素 a的含量来表征蓝藻的生长情况, 使其更加准确地
反映实际情况。由表 1的数据分析可知, 在处理光照和
藻种相同的条件下, 4种光催化剂对蓝藻的生长存在不
同程度的抑制作用, 其中TiO2处理样与对照样无显著差
异, Fe2O3/TiO2 处理样与对照样有显著差异, 而 ZnO/
TiO2和Ag/TiO2处理样与对照样的差异达到了极显著水
平。在同一光照和同一纳米材料处理的条件下, 2种藻
对于因纳米材料引发光催化反应而产生大量自由基胁迫
的适应能力存在着较为明显的差异; 而且 2种藻样对不
同光照条件的适应能力也存在着较为显著的差异。综
合分析处理结果可以看出, 经过不同改性的纳米 TiO2,
其光催化活性得到了不同程度的提高, 尤其是 Ag/TiO2
光催化效果最好。
2.2 改性纳米TiO2对体外超氧自由基浓度的影响
在藻液中因光催化反应而产生的超氧自由基对杀藻效果
起到了决定性作用。为了更好地体现不同藻样、不同
光照条件下超氧自由基释放的持续性和积累情况, 我们
选用了第 6天体外超氧自由基浓度来作说明。从图 1和
图2可以看出, 处理后的第6天, 在处理材料相同的条件
下, 自然光照条件下处理的藻样中体外超氧自由基的浓
度基本都是日光灯光照条件下的 2倍以上, 因此自然光
照条件更有利于纳米材料光催化反应的进行。另外, 在
外加催化剂与光照条件相同的情况下, 2种藻样中体外超
氧自由基的浓度存在较大的差异, 这可能与 2种藻抗氧
化系统的超氧自由基清除能力有关。
2.3 改性纳米TiO2对铜绿微囊藻SOD活性的影响
蓝藻之所以在各种胁迫环境下都可以生存, 很大程度上
得益于抗氧化物质的保护; 而SOD是细胞内清除活性氧
表 1 不同光照条件下各藻样第3天的叶绿素 a含量
Table 1 The Chl a content of different samples in different light conditions on the 3rd day
Treatment
Content of Chl a(µg.mL-1)
Natural illumination Fluorescent
Mi crocys tis aerugi nosa Synechocysti s sp. Mi crocys tis aerugi nosa Synechocysti s sp.
Control 1.11+0.02 b 0.75+0.01 b,++ 1.09+0.02 b 1.30+0.02 b,++
1% Ag/ TiO2 0.05+0.01**,b,++ 0.00+0.00**,b,++ 0.51+0.01**,b,++ 0.59+0.015**,b,++
TiO2 1.11+0.02 b,+ 0.69+0.01 b,++ 1.058+0.01 b,+ 1.19+0.003 b,++
5%Fe/ TiO2 1.03+0.02**,b 0.64+0.01**,b,++ 1.028+0.01*,a 1.07+0.01**,a,++
10%Zn/ TiO2 0.62+0.01**,b,++ 0.34+0.01**,b,++ 0.55+0.000**,b,++ 1.08+0.01**,b,++
同一光照条件及藻种, 不同纳米材料处理样间显著性差异比较; *: 差异显著; **: 差异极显著; 同一藻种及纳米材料, 不同光照条件各处理
样间显著性差异比较; +: 差异显著; ++: 差异极显著; 同一光照条件及纳米材料, 不同藻种各处理样间显著性差异比较; a: 差异显著; b: 差
异极显著
The comparison of signif icant difference on the different nanometer materials under the same light condit ion and algae; *: signif i-
cant dif ference at P<0.05 level; **: signif icant sharply diff erence at P<0.05 level; the comparison of signif icant diff erence on the
different light condition w ith same nanometer materials and algae; +: signif icant diff erence at P<0.05 level; ++: s ignif icant sharply
difference at P<0.05 level; the comparison of signif icant difference on the different algae under same light condition and nanometer
mater ials; a: signif icant diff erence at P<0.05 level; b: s ignif icant sharply diff erence at P<0.05 level
69周丽娟等: 改性纳米TiO2对蓝藻的生理生态影响
的保护酶, 也是细胞抗氧化系统中的关键酶(吴国荣等,
2000 )。如图 3和图 4所示, 在自然光照条件下, 除外
加 Ag/ TiO2的处理样外(由于 Ag/ TiO2处理后藻样的死
亡, 数据部分缺失), 处理的前4天内铜绿微囊藻的SOD
活性一直都保持明显的上升趋势, 而在处理 4 天后其
SOD活性出现明显下降。集胞藻 SO D活性的迅速升
高出现在处理的第 2 天, 而在这一迅速增长之后, 其
SOD活性仍保持持续上升的趋势, 直至处理的第 4、5
图 1 不同光照条件下铜绿微囊藻第6天的体外超氧自由基浓度
Figur e 1 The extracellular superoxide radical concentration
of Synechocysti s sp. in the diff erent light conditions on the 6th
day
图 4 自然光照下集胞藻SOD活性的变化
Figure 4 Variation of SOD activity of Mic rocys tis aeruginosa
under natural illumination condition
图 3 自然光照下铜绿微囊藻SOD活性的变化
Figure 3 V ar iation of SOD activ ity of Synechocys ti s sp.
under natural illumination condition
图 2 不同光照条件下集胞藻第 6天的体外超氧自由基浓度
Figur e 2 The extracellular superoxide radical concentration
of Mi crocys tis aerugi nosa in the dif ferent light condit ions on
the 6th day
70 植物学通报 25(1) 2008
天才有所下降。这一数据反映出 2种藻在遭受因纳米材
料进行光催化反应而产生大量超氧自由基的胁迫时, 其
SOD活性的变化是存在一定差异的, 同时这也说明2种
藻的抗氧化适应对策是有区别的(由于 Ag/ TiO2 处理后
藻样的死亡, 数据部分缺失)。
2.4 改性纳米TiO2对铜绿微囊藻Car/Chl a比值的
影响
在蓝藻中, 类胡萝卜素可以作为抗氧化剂淬灭三线态叶
绿素和单线态氧等自由基, 在抵抗氧自由基侵袭中起重
要作用(Woodall et al. , 1997 )。虽然外加光催化剂处
理的藻样中类胡萝卜素和叶绿素a都呈现出下降的趋势,
但由图 5和图 6可以看出无论是经光催化剂处理的铜绿
微囊藻还是集胞藻, 其Car/Chl a比值都表现出一个持续
上升的趋势。由此我们认为提高相对类胡萝卜素含量是
2种藻受到外源自由基胁迫时的一种共同适应性对策。
3 讨论
纳米TiO2光催化剂经过改性之后, 其光催化活性得到不
同程度的提高。因此, 本实验中采用的 4种纳米材料抑
制蓝藻生长的效果也存在一定的差异。通过实验数据
的分析得知, 不同的纳米光催化剂抑制铜绿微囊藻和集
胞藻生长的效果从强到弱依次为：A g / T i O 2、Zn O /
TiO2、Fe2O3/TiO2和 TiO2; 其中 Ag/TiO2抑制蓝藻生长
的效果最好, 特别是在自然光照条件下表现尤为突出。
在遭受因纳米材料进行光催化反应而产生大量自由
基的胁迫时, 2种藻的适应能力存在着显著差异。在光
照及处理材料相同的条件下, 由叶绿素含量所反映出的
生存率来看, 集胞藻的生存率要高于铜绿微囊藻。另外
从 SOD的活性来看, 在处理的第 7天集胞藻的 SOD仍
具有较高的活性, 而铜绿微囊藻的SOD活性从第4天后
就开始急剧下降。因此我们认为集胞藻对超氧自由基
胁迫的适应能力要高于铜绿微囊藻。
另外, 值得注意的是, 在受到胁迫的初期, 蓝藻通过
提高自身 SOD活性和类胡萝卜素含量来抵御超氧自由
基的胁迫, 但是到了胁迫的后期, 由于体内、体外都聚
集了大量的超氧自由基, 使藻体内抗氧化物质难以清除,
最终导致抗氧化能力急剧下降, 藻体死亡。
自然光照条件对于光催化剂作用的发挥有明显的促
图 5 自然光照条件下铜绿微囊藻的胡萝卜素与叶绿素a含量比
值的变化
Figur e 5 Variation of Car /Chl a of Synechocys tis sp. under
natural illumination condition
图 6 自然光照条件下集胞藻的胡萝卜素与叶绿素a 含量比值
的变化
Figure 6 Variation of Car /Chl a of Mi crocystis aerugi nosa
under natural illumination condition
71周丽娟等: 改性纳米TiO2对蓝藻的生理生态影响
进作用, 这也说明在低纬度和高海拔的昆明地区采用光
催化剂来抑制蓝藻的生长具有良好的外界环境条件及可
适用性。而且纳米材料对于水体中难分解的有机物、
农药及藻毒素具有极强的分解能力, 因此, 纳米材料在环
境治理中将具有广阔的应用前景和研究价值。
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Abstr act Synechocysti s sp. PCC6803 and Mi crocysti s aeruginosa w ere treated w ith the dopant nano TiO2 components 1% Ag,
5% Fe2O3, 10% ZnO, and nano TiO2 alone under natural illumination and f luorescent conditions . We determined the content of
chlorophyll a, carotenoids, extracellular O2
-. and superoxide dismutase activity in samples . The natural illumination condit ion w as
more eff ective than the f luorescent condition in the photocatalysis of nanometer mater ial. The dopant nano mater ials w ere more
ef fec tive than nano mater ial alone in inhibit ing grow th of blue-green algae, 1% A g having the bes t inhibitory effect. M. aeruginosa
has a stronger ability to adapt to superoxide anion stress produced by photocatalys is of nano TiO2 than Synechocysti s sp.
Ke y w ords b lue-gre en alg ae, chl oro phyll, inh ibi tio n of growth, nano Ti O2, O2
-. , SOD
Zhou LJ , Che n XL, Wang YY, Liu W, Chen SN (2 008). Ef fects of dopan t na no T iO2 on vege tal p hysio logy of b lue-g reen algae . Chin Bull
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(责任编辑: 孙冬花)* Author for correspondence. E-mail: shnchen@ynu.edu.cn