全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2015, 51 (2): 178~182　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2014.0523178
收稿 2014-11-24　　修定 2015-01-29
资助 国家自然科学基金(41201244)和中国环境管理干部学院博
士基金(B201409)。
* 通讯作者(E-mail: xll1979@gmail.com; Tel: 0335-7815875)。
Cu2+对铜锈微囊藻生长及叶绿素荧光特性的影响
晋利, 李晓亮*
中国环境管理干部学院环境工程系, 河北秦皇岛066102
摘要: 利用浮游植物荧光仪(Photo-PAM)研究了不同Cu2+浓度处理不同时间(12、24、48、72、96 h)对铜锈微囊藻(Micro-
cystis aeruginosa)生长及叶绿素荧光特性的影响。结果表明: 在一定时间(96 h)内, 低浓度Cu2+ (1 μmol·L-1)处理的铜锈微囊
藻的藻细胞密度以及PSII最大光合效率(Fv/Fm)、PSII实际光合效率(ΦPSII)、光能利用效率(α)与对照相比变化不显著, 最大
电子传递速率(Pm)显著下降; 高浓度Cu
2+ (2、4、6、8 μmol·L-1)处理下, 藻细胞密度及Fv/Fm、ΦPSII、α、Pm随着Cu
2+浓度
的加大和胁迫时间的延长均显著降低, 浓度为6、8 μmol·L-1 Cu2+处理48 h, 铜锈微囊藻Fv/Fm、ΦPSII、α、Pm的测得值为0。
可见, 高浓度Cu2+ (≥2 μmol·L-1)处理极大地影响铜锈微囊藻的生长及叶绿素荧光特性, 胁迫作用显著。
关键词: Cu2+; 铜锈微囊藻; 生长; 叶绿素荧光
Effects of Cu2+ on the Growth and Chlorophyll Fluorescence of Microcystis
aeruginosa
JIN Li, LI Xiao-Liang*
Environmental Engineering Department, Environmental Management College of China, Qinhuangdao, Hebei 066102, China
Abstract: Algae, live in body of water, are inevitably stressed by copper pollution. The growth and chlorophyll
fluorescence traits of Microcystis aeruginosa exposed to the culture medium with different copper concentra-
tions for different times (12, 24, 48, 72, 96 h) were studied. The results showed that the maximal photochemical effi-
ciency of PSII (Fv/Fm), the actual photochemical efficiency of PSII in the light (ΦPSII) and the light use efficiency
(α) were no significant differences under low Cu2+ concentration (1 μmol·L-1), but the maximal relative electron
transport rate (Pm) was decreased significantly within 96 hours. However, when Cu
2+ concentrations were high
(2, 4, 6 and 8 μmol·L-1), the differences of the parameters were significant. And the changes of the decrease
tendency were evident with the increase of Cu2+ concentrations and the prolongation of time. The measured values of
Fv/Fm, ΦPSII, α and Pm were zero when Cu
2+ concentrations were 6 and 8 μmol·L-1 after 48 h. Therefore, the
high content of Cu2+ (≥2 μmol·L-1) inhibited the growth and chlorophyll fluorescence of M. aeruginosa severely.
Key words: Cu2+; Microcystis aeruginosa; growth; chlorophyll fluorescence
微藻是水域中的主要初级生产者, 为其他生
物提供赖以生存的物质基础。近年来随着我国工
农业的迅速发展, 重金属污染物不断增加, 重金属
离子进入水体后, 会对藻类生物产生不同程度的
影响(Gonzalez-Torres等2014; Jarvis等2012, 2008;
Fabrizi等2010)。传统测定重金属对藻类的毒性方
法主要是将微藻在含有重金属的培养基中进行培
养, 然后测定微藻的密度、比增长速率、最大现
存量和半数有效浓度等来反映重金属对微藻的影
响, 或是通过超微结构的变化来反映重金属对藻
的敏感程度(李慧敏等2007; 邱昌恩等2007; 苏秀榕
等2000)。上述方法费时耗力, 并且容易造成实验
结果不准确。叶绿素荧光分析技术是一种以光合
作用理论为基础、以叶绿素荧光参数为探针, 研
究和探测植物光合生理状况及各种外界因子对其
细微影响的新型生物活体测定和诊断技术, 与传
统测定方法相比, 具有简单、快速、准确的特点
(梁英和王帅2009)。本试验利用叶绿素荧光来研
究不同Cu2+浓度下铜锈微囊藻生长和叶绿素荧光
参数的变化规律, 揭示铜锈微囊藻在Cu2+浓度下的
生长和光合特性, 为进一步了解铜锈微囊藻的生
态学行为和铜污染对湖泊初级生产力的影响提供
理论依据。
晋利等: Cu2+对铜锈微囊藻生长及叶绿素荧光特性的影响 179
材料与方法
1 实验材料
实验藻种为铜锈微囊藻[Microcystis aerugino-
sa (Kütz.) Elenk.] FACHB469, 取自中国科学院水
生生物研究所藻种保藏中心。
实验以BG11 (加Cu2+)培养基为基础, 设置
最终Cu2+浓度为0、1、2、4、6和8 μmol·L-1。
BG11 (无Cu2+)培养基成分: NaNO3 1.5 g, K2H-
PO4 0.04 g, MgSO4·7H2O 0.075 g, CaCl2·2H2O
0.036 g, Na2SiO3·9H2O 0.058 g, 柠檬酸0.06 g, 柠
檬酸铁铵0.006 g, EDTA 0.001 g, Na2CO3 0.02 g,
A5微量元素溶液(无Cu2+) 1 mL, 蒸馏水999 mL。
2 接种
实验前一周进行藻种的活化培养, 使铜锈微
囊藻达到对数生长期, 然后取适量藻于4 000×g
离心10 min, 去上清, 再用15 mg·L-1 NaHCO3溶
液洗涤, 4 000×g离心10 min, 重复3次, 洗涤、离
心后将藻种用无菌水进行接种。
3 培养
将洗涤离心后的铜锈微囊藻于无菌条件下
接种到100 mL培养基中, 置于光照培养箱中培
养, 设定温度为(25±1) ℃, 光照时间12 h·d-1, 光照
强度为50 µmol·m-2·s-1。每天定时摇动锥形瓶3
次, 每个梯度设定3个平行。
4 生长的测定
采用光吸收法测定。将藻接种到100 mL
BG11培养基中, 每天同一时间测定其在670 nm
波长下的光吸收值(吴生才等2005; Bracher和
Tilzer 2001), 同时对藻细胞进行显微计数(周凤
霞和白京生2008)。
5 叶绿素荧光参数的测定
采用德国Walz公司生产的浮游植物荧光仪
(Phyto-PAM)进行叶绿素荧光各项参数的测定。
先将Cu2+处理下各个铜锈微囊藻样品进行暗适
应15 min, 取3 mL加入比色皿, 置于荧光仪中,
打开调制测量光, 测量初始荧光(Fo), 然后打开
饱和脉冲, 测定最大荧光(Fm), 以此计算出最大
光化学量子产量(Fv/Fm), 接着打开设定强度的光
化光连续照射, 完成各荧光参数的测定, 取荧光值
达到稳定后的数值进行分析(尹翠玲等2007)。
叶绿素荧光参数计算公式为Fv/Fm=(Fm–Fo)/
Fm; ФPSII=(Fm’–Ft)/Fm’; Pm=ФPSII×PAR×0.5× 0.84;
Fo/Fv=Fo/(Fm–Fo)。式中, Fm’表示光适应的样品
打开饱和脉冲时得到的最大荧光产量; F t表示任
意给定时间测得的荧光产量; PAR表示入射到样
品的光合有效辐射强度(μmol·m-2·s-1)。
实验结果
1 不同Cu2+浓度处理不同时间对铜锈微囊藻生长
的影响
结果(图1)表明, 670 nm波长下的OD670值与藻
细胞数, 即藻密度线性相关, 因此本实验选用OD670
值表征铜锈微囊藻的生长情况。
不加Cu2+和Cu2+浓度为1、2 µmol·L-1的处理
组, 藻液呈蓝绿色, 且随着处理时间的延长颜色逐
渐变深; Cu2+浓度为4 µmol·L-1时, 处理72 h, 藻液呈
黄绿色; 6和8 µmol·L-1 Cu2+处理24 h, 呈黄绿色, 48
h后黄绿色变浅, 近于黄褐色, 72 h后变为黄白色,
且三角瓶底部有一层乳白色沉淀物, 镜检为聚集
成堆的死亡藻细胞。如图2所示, 处理藻液12 h, 各
Cu2+浓度处理之间藻光密度差异不显著; 处理24 h,
1 µmol·L-1 Cu2+处理与无Cu2+处理相比, 其光密度
无显著性差异, 而在2、4、6和8 µmol·L-1 Cu2+处理
下, 其光密度显著下降, 且随着Cu2+浓度的增大和
处理时间的延长, 其下降趋势越来越明显。处理96
h, Cu2+浓度为1、2、4、6和8 µmol·L-1的藻密度分
别为无Cu2+处理的96.13%、87.31%、32.58%、
14.41%和14.30%。
图1 OD670与藻细胞浓度的线性关系
Fig.1 The linear relationship between OD670 and cell concentration
植物生理学报180
2 不同Cu2+浓度处理不同时间对铜锈微囊藻叶绿
素荧光特性的影响
PSII最大光合效率(Fv/Fm)、PSII实际光合效
率(ΦPSII)、光能利用效率(α)和最大电子传递速率
(Pm)是铜锈微囊藻在铜胁迫下, 测定其叶绿素荧光
特性的主要指标。如图3所示, Cu2+浓度为1、2、4
μmol·L-1的处理组, 处理96 h, 铜锈微囊藻的Fv/Fm
分别是无Cu2+处理组的92.47%、77.53%、64.04%;
ΦPSII分别是无Cu
2+处理组的96.20%、83.31%、
56.86%; α分别是无Cu2+处理组的97.13%、72.32%、
55.42%; P m分别是无Cu
2+处理组的58.11%、
56.56%、48.86%。Cu2+浓度为6和8 μmol·L-1的处
理组, 处理48 h, 上述四项参数测定值为0。这些结
果表明, 在一定时间内(96 h), 1 μmol·L-1的Cu2+对铜
锈微囊藻的Fv/Fm、ΦPSII和α的影响不显著; 2、4、
6和8 µmol·L-1的Cu2+对以上参数有较大影响, 且
Cu2+浓度越高、处理时间越长, 参数值下降得越显
著, 甚至测不到。所有的Cu2+处理均显著降低Cu2+锈
微囊藻的Pm值, 且铜浓度越高, 降低的趋势越明显。
讨　　论
1 不同Cu2+浓度处理对铜锈微囊藻生长的影响
铜是构成藻细胞许多酶的成分之一, 也存在
于叶绿体质体蓝素之中, 参与光合作用的电子传
递(李慧敏等2007)。痕量的铜是藻类生长所必须
的, 浓度稍高就会产生毒性, 不同的藻类对铜具有
不同的耐受性(欧阳慧灵等2012)。Cu(NO3)2浓度
达到10 mg·L -1 (即53 μmol·L -1 Cu2+)时, 塔胞藻
图2 不同Cu2+浓度处理不同时间对铜锈微囊藻生长的影响
Fig.2 Effects of different concentrations of Cu2+ for different
times on the growth of M. aeruginosa
图3 不同Cu2+浓度处理不同时间对铜锈微囊藻
叶绿素荧光特性的影响
Fig.3 Effects of different concentrations of Cu2+ for different
times on chlorophyll fluorescence of M. aeruginosa
晋利等: Cu2+对铜锈微囊藻生长及叶绿素荧光特性的影响 181
(Pyramimonas sp.)几乎全部死亡(张建民等2005);
Cu2+浓度达1.0 mg·L-1 (即16 μmol·L-1)时, 小形月牙
藻(Selenastrum minutum)的生长接近停止(周宏和
项斯瑞1998); 20~100 μmol·L-1 Cu2+对斜生栅藻
(Scenedesmus obliqnus)具有明显的抑制作用, 但处
理48 h均未死亡(陈雷等2009)。本试验结果表明铜
锈微囊藻对铜较敏感, 2 μmol·L-1 Cu2+处理48 h即
抑制其生长, 4 μmol·L-1 Cu2+处理48 h严重抑制其
生长, 6、8 μmol·L-1 Cu2+处理48 h, 铜锈微囊藻生长
停滞甚至死亡。铜对微藻的毒害作用存在着明显
的浓度效应, 在一定范围内, Cu2+浓度越大, 对微藻
生长的抑制效应越大。分析原因可能是藻类细胞
壁上带有负电荷、羟基、氨基等官能团, 对含有
正电荷的金属离子有着较大的亲和力, 随着金属
离子浓度的增加, 藻细胞表面的官能团与其结合
而丧失活性, 从而影响了藻正常的生化反应进程,
最终导致藻的生长受到抑制, 甚至死亡(周文彬和
邱保胜2004; Xue和Sigg 1990; 王坎等2001)。另外,
铜对微藻的毒害作用具有一定的饱和浓度, 这可
能与藻细胞表面官能团与Cu2+的结合位点数量有
限有一定的关系。
2 不同Cu2+浓度处理对铜锈微囊藻叶绿素荧光特
性的影响
光合作用是绿色植物最基本和最重要的生命
活动过程(欧阳峥嵘等2010)。叶绿素荧光是光合
作用的良好指标和探针, 通过对各种荧光参数的
分析, 可以得到有关光能利用途径的信息, 也可以
反映植物受胁迫的情况(陈书秀和梁英2009)。
Cedeno等(1972)研究表明, Cu2+能够抑制光合电子
传递, 阻碍光合作用中CO2的固定; Mallick和Mohn
(2003)研究重金属对斜生栅藻的影响得出结论, 处
理12 h后, Cu2+可使Fo升高, Fm下降, Fv/Fm值下降;
梁英等(2008)发现纤细角毛藻在重金属胁迫下, 其
叶绿素荧光参数(Fv/Fm、Fv/Fo、ΦPSII和rETR)、细
胞密度和叶绿素相对含量均与Cu2+浓度呈显著的
负相关。本试验结果表明, 所有Cu2+浓度处理均会
显著降低Pm值, 这一抑制在所有的叶绿素荧光参
数的降低中是最明显的, 即显著影响铜锈微囊藻
的光合电子传递, 这一点与上述研究者的结果是
一致的。植物的生长和光合作用是通过电子传递
来进行的, 电子传递受阻, 类囊体膜上的许多生理
生化反应不能正常的进行 , 藻细胞同化所需的
NADPH和ATP无法正常合成, 从而影响了细胞对
碳的固定和同化, 藻类的生长就会受到明显的影
响, 其他各叶绿素荧光参数也会下降。但对于低
浓度的Cu2+ (1 μmol·L-1)处理而言, 在一定的反应时
间内(96 h), 叶绿素荧光参数Fv/Fm、ΦPSII和α与无
Cu2+对照相比, 数值降低但不显著, 可能是由于与
Cu2+作用的结合位点多存在于暗反应所需的酶中,
较低浓度的Cu2+与部分作用位点相结合, 降低了暗
反应的生成效率, 但对光反应过程中光能的吸收
利用影响较小, 使得其他叶绿素荧光参数变化不
显著。
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