全 文 ：铜 、锌和锰抑制蛋白核小球藻生长的毒性效应
阎海 ,王杏君 ,林毅雄 ,温官(中国科学院生态环境研究中心 环境水化学国家重点实验室 , 北京　
100085)
摘要:运用评价化学品毒性藻类测试的标准实验方法 , 得到铜 、锌和锰对蛋白核小球藻生长的安全浓度分别为
31.8μg/ L、65.0μg/ L和 5.5mg/ L , 抑制蛋白核小球藻生长的 96h-EC50分别为 67.3μg/ L 、473.0μg/ L 和 17.0mg/
L.实验结果表明无论从安全浓度还是从 96h-EC50考虑 , 都证明抑制蛋白核小球藻生长的毒性由大到小的顺序是
铜>锌>锰.不同金属离子与藻细胞的不同亲和性是导致金属离子抑制蛋白核小球藻生长毒性差异的主要原
因.
关键词:蛋白核小球藻;铜;锌;锰;毒性
中图分类号:X173　文献标识码:A　文章编号:0250-3301(2001)01-04-0023
基金项目:国家自然科学基金资助项目(39870133)
作者简介:阎海(1962～ ), 男 ,在职博士 ,副研究员 ,主要研究
方向为环境生物学.
收稿日期:2000-02-17
Toxic Effects of Cu ,Zn and Mn on the Inhibition of Chlorella pyrenoi-
dosa′s Growth
Yan Hai ,Wang Xing jun , Lin Yixiong ,Wen Guan(State Key Lab.of Environmental Aquatic Chemistry , Re-
search Center for Eco-Environmental Sciences , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100085 , China)
Abstract:A standard method of algal bio assay fo r ev aluating the tox icity of toxic chemicals was applied in the study.It
w as found that safety concentrations of Cu , Zn and Mn fo r Chlorella pyrenoidosa′s grow th w ere 31.8μg/ L、65.0μg/ L
and 5.5mg/ L , and 96h-EC50 w ere 67.3μg/ L、473.0μg/ L and 17.0mg/ L , respectively.Acco rding to bo th safety con-
centration and 96h-EC50 , the toxic sequences of these metals from high to low on the inhibition of C.py renoidosa′s
g row th were Cu , Zn and Mn.The different affinities between different metal ions and algal cells are mainly responsible
for the different inhibitions of C.pyrenoidosa′s g rowth.
Keywords:Chlorella pyrenoidosa;Cu;Zn;Mn;toxicity
　　美国环保局规定保障供水中铜 、锌和锰的
安全浓度分别为 1.0mg/ L 、50mg/ L 和 50μg/
L[ 1] .目前 ,关于藻类与重金属之间相互作用的
研究主要集中在藻类对金属的富集和金属对藻
类的毒性 2个方面.富集量因藻种和金属的种
类 、形态及环境条件特别是 pH 的不同而变
化[ 2 ,3] .在金属的毒性方面 ,Edding[ 4]的实验表
明 ,铜抑制辐射织线藻(Plectonema radiosum)
和席藻类(Phorm idium sp.)的半效应浓度
(EC50)分别为 318mg/L 和 339mg/L.沈德中
等[ 5]发现 ,重金属可导致水田土壤中藻类种群
结构的变化 ,铜和锌的临界值分别为 50mg/kg
和 300mg/kg.王菊英等[ 6] 在重金属对金藻
(Dicrateria zhanj ianggensis)的亚微结构变化
进行了研究 ,发现铜和锌可造成线粒体损伤并
阻碍蛋白质合成而抑制金藻的生长.Webste[ 7]
的研究表明 ,铜可使莼藻(Ulva lactuca)细胞内
的钾和镁不可逆转地丧失 ,从而对藻细胞膜的
完整构成破坏.此外 , Rojickovapadrtova等[ 8]在
7种不同蓝绿藻对铜和锌的不同敏感性和毒性
测试方法方面进行了研究.为了进一步确定重
金属对藻类生长的安全浓度和 96h抑制藻类生
长的半效应浓度(96h-EC50),本研究选择铜 、锌
和锰 3种重金属 ,采用化学品毒性藻类测试的
第 22卷第 1期
2001 年 1 月 环　　境　　科　　学ENVIRONMENTAL SC IENCE
Vol.22 , No.1
Jan., 2001
DOI :10.13227/j.hjkx.2001.01.006
标准实验方法 ,分别研究它们对淡水标准实验
藻种蛋白核小球藻(Chlorel la pyrenoidosa)生
长的毒性效应.在制定水质排放标准和进行水
质评价方面具有重要意义.
1　实验部分
1.1　实验材料
蛋白核小球藻购自中国科学院水生生物研
究所.所用化学试剂 CuCl2 、ZnCl2 和 MnCl2 等
都是分析纯 ,使用前未经进一步纯化.
1.2　实验方法
(1)实验条件　采用水生 4号培养基[ 9] ,所
用玻璃器皿和培养基均经过高温 124℃20min
的灭菌 ,实验前又在洁净工作台内经 20min 的
紫外线灭菌.实验所用容器为 100ml玻璃三角
瓶 ,培养量为 25ml.实验平行样 3 个 , 重复 3
次.实验温度 24±2℃,12h光照黑暗循环 ,光照
强度 3500lx.用分光光度计在 650nm 下测定藻
液光密度(OD650nm)以示蛋白核小球藻的生长 ,
藻液初始 OD650nm为 0.010.在平行样之间的相
对偏差小于 10%时 ,实验数据取自 3个平行样
的均值.
(2)安全浓度　在确定安全浓度的实验中 ,
金属离子浓度呈几何级数增加 , 以藻液 96h
OD650nm为指标 , 通过均值最小无显著差异法
(LSD)计算[ 10] ,分别确定出铜 、锌和锰对蛋白
核小球藻生长的安全浓度.
(3)半效应浓度　在确定 96h 半效应浓度
(96h-EC50)的实验中 ,根据初步实验的结果 ,以
用直线内插法确定的 96h-EC50为中点 ,各向两
边以等差数列的形式延伸 2 个浓度 ,共 5组浓
度和 1组对照进行.根据实验数据 ,采用机率单
位法计算出 96h-EC50[ 11] .为了保证计算结果的
可信度 ,对金属浓度对数与机率单位之间的剂
量反应方程进行了 X 2 检验.
2　结果与讨论
2.1　铜 、锌和锰对蛋白核小球藻生长的安全浓
度
图 1 、2和 3显示 ,分别随着铜 、锌和锰浓度
的增加 , 96h OD650nm逐渐减小 , 说明抑制蛋白
核小球藻生长的毒性加强.根据所测定的
OD650nm ,经采用 LSD法在 α=0.05 水平进行
计算[ 10] ,分别得到在铜 、锌和锰抑制藻类生长
的均值最小无显著差异 , OD650nm值分别为
0.008 、0.023和 0.010.从图 1 、2和 3中可以看
出 ,在铜 、锌和锰的不同初始浓度下 ,与对照生
长(OD650nm)的差值小于最小无显著差异的最
高浓度分别为 31.8μg/L 、65.0μg/L 和 5.5mg/
L ,由此确定这 3个浓度分别是铜 、锌和锰对蛋
白核小球藻生长的安全浓度.同时也说明 ,蛋白
核小球藻对这些金属离子的敏感度由大到小的
顺序是铜>锌>锰.
图 1　铜对蛋白核小球藻生长的效应
F ig.1　Effect of Cu on C.pyrenoidosa s grow th
图 2　锌对蛋白核小球藻生长的效应
Fig.2　Effect of Zn on C.pyrenoidosa s grow th
2.2　铜 、锌和锰分别抑制蛋白核小球藻生长的
96h-EC50
表 1显示铜 、锌和锰抑制蛋白核小球藻生
长的 96h-EC50实验结果 ,铜 、锌和锰浓度对数
(x)与机率单位(y)分别进行一元线性回归 ,得
到如下剂量反应方程:
24 环　　境　　科　　学 22 卷
铜:y =15.36-5.67 x 　r=-0.991 (1)
锌:y =12.33-2.74 x 　r=-0.997 (2)
锰:y =12.20-5.85 x 　r=-0.985 (3)
图 3　锰对蛋白核小球藻生长的效应
Fig.3　Effect of Mn on C.pyrenoidosa s grow th
当机率单位为 5时 ,分别通过上述方程 1 、
2和 3计算得到铜 、锌和锰的浓度对数分别为
1.83 ,2.68和 1.23 ,从而分别得到铜 、锌和锰抑
制蛋白核小球藻生长的 96h-EC50 分别为
67.3μg/L 、473.0μg/L 和 17.0mg/L.同时也再
次说明 ,金属抑制蛋白核小球藻生长的毒性由
大到小的顺序仍是铜>锌>锰.
铜 、锌和锰属于过渡金属 ,在安全浓度内 ,
这些金属可作为酶的辅助因子促进藻类的光合
作用和生长 ,这在本实验中也明显观察到这一
现象.但在高浓度下 ,这些金属又会抑制藻类的
生长.当藻类与金属离子开始接触时 ,藻类首先
表现为对金属的富集.其原因是因为藻类细胞
壁带有负电荷和氨基 、羟基等官能团 ,这些结构
特点决定了对带有正电荷的金属离子能够吸引
富集.过渡金属一般倾向于同氧 、硫和氮进行结
合 ,生成稳定的络合物.藻类对不同金属离子的
富集效率和选择性与静电引力或水合离子的半
径有关.一般藻类对金属离子的亲和性是铜>
锌>锰[ 3] .因为与锌和锰相比 , 铜与蛋白核小
球藻有更强的亲和性 ,因此细胞壁更容易结合
和沉积铜 ,从而使细胞表面许多活性基团因与
铜结合后丧失了生物活性 ,进而更强地抑制了
蛋白核小球藻的光合作用和生长.因此可推断 ,
金属离子与藻类的亲和性是导致金属抑制藻类
生长的主要原因之一 ,与藻类亲和性强的金属
离子对抑制藻类生长的毒性越强 ,这也是抑制
蛋白核小球藻生长的毒性由大到小的顺序是铜
>锌>锰的主要原因.
表 1　铜 、锌和锰抑制蛋白核小球藻生长的结果
Table 1　Results of Cu , Zn and Mn on the inhibition of
C.pyrenoidosa s g row th
Cu浓度/μg·L -1 0 50 60 70 80 90
Cu浓度对数(x) 1.70 1.78 1.85 1.90 1.95
OD650nm 0.423 0.316 0.263 0.204 0.151 0.092
反应率/ % 100.00 74.70 62.17 48.23 35.70 21.75
机率单位(y) 5.661 5.313 4.955 4.631 4.220
Zn浓度/μg·L -1 0 327 392 458 523 589
浓度对数(x) 2.51 2.59 2.66 2.72 2.77
OD650nm 0.461 0.310 0.271 0.232 0.213 0.180
反应率/ % 100.00 67.25 58.79 50.33 46.20 39.05
机率单位(y) 5.453 5.224 5.010 4.904 4.722
M n浓度/mg·L -1 0 13.2 15.4 17.6 19.8 22.0
浓度对数(x) 1.12 1.19 1.25 1.30 1.34
OD650nm 0.428 0.307 0.258 0.212 0.154 0.096
反应率/ % 100.00 71.73 60.28 49.53 35.98 22.43
机率单位(y) 5.572 5.258 4.986 4.639 4.243
2.3　剂量反应方程的 X 2检验
上述剂量反应方程是否真实反映了金属抑
制蛋白核小球藻生长的毒性效应 ,对上述剂量
反应方程分别进行的 X 2检验结果表明(表 2),
查 X 2 表 ,当自由度为 3时 , X 20.05=7.82 ,而计
算的 X 2 分别为 1.15 、0.12和 1.83 ,因为 X 20.05
251 期 环　　境　　科　　学
>X 2 , 故上述剂量反应方程均符合精度要求 , 计算出的 96h-EC50真实可靠.
表 2　剂量反应方程的 X2 检验结果
Table 2　X 2 test results of reaction equations of metals
金属 浓度对数(x)
计算机率
单位(y)
反应率
(p)
对照反应
率(k)/ %
实际反应
率(r)/ % kp r-kp
(r-kp)2/
kp(1-p)
铜 1.70 5.726 0.7653 100 74.70 76.53 -1.83 0.186
1.78 5.273 0.6077 100 62.17 60.77 1.40 0.082
1.85 4.876 0.4520 100 48.23 45.20 3.03 0.371
1.90 4.593 0.3415 100 35.70 34.15 1.55 0.107
1.95 4.309 0.2448 100 21.75 24.48 -2.73 0.403
X 2 1.149
锌 2.51 5.453 0.6725 100 67.25 67.25 0.00 0.000
2.59 5.233 0.5915 100 58.79 59.15 -0.33 0.005
2.66 5.042 0.5160 100 50.33 51.60 -1.27 0.065
2.72 4.877 0.4523 100 46.20 45.23 0.97 0.038
2.77 4.740 0.3967 100 39.05 39.67 0.62 0.016
X 2 0.124
锰 1.12 5.642 0.7407 100 71.73 74.07 -2.34 0.285
1.19 5.232 0.5907 100 60.28 59.07 1.21 0.061
1.25 4.881 0.4537 100 49.53 45.37 4.16 0.698
1.30 4.589 0.3397 100 35.98 33.97 2.01 0.180
1.34 4.355 0.2583 100 22.43 25.83 -3.40 0.603
X 2 1.827
3　结论
(1)采用化学品藻类毒性测试的标准实验
方法 ,通过均值最小无显著差异法计算 ,分别得
到铜 、锌和锰对蛋白核小球藻生长的安全浓度
分别为 31.8μg/L 、65.0μg/L 和 5.5mg/L .
(2)采用化学品藻类毒性测试的标准实验
方法 ,通过金属浓度对数与机率单位的剂量反
应方程计算 ,得到铜 、锌和锰抑制蛋白核小球藻
生长的 96h-EC50分别为 67.3μg/L 、473.0μg/L
和17.0mg/L .经 X 2 检验 ,剂量反应方程符合
精度要求 ,计算出的 96h-EC50真实可靠.
(3)无论从安全浓度还是从 96h-EC50考
虑 ,都说明抑制蛋白核小球藻生长的毒性由大
到小的顺序为 Cu>Zn>Mn.不同金属离子与
藻细胞的不同亲和性是导致金属离子抑制蛋白
核小球藻生长毒性差异的主要原因.
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