全 文 ：收稿日期:2012 － 12 － 27;修回日期:2013 － 01 － 21
基金项目:海洋公益性行业科研专项经费资助(200905021 － 3)、(201205027) ;山东省自然科学基金项目(ZR2012DQ015) ;广东省中国科
学院全面战略合作项目(2011A090100040)
作者简介:李勇勇(1987 －) ，女，汉族，硕士，分析化学，E-mail:mengxiang0124@ 163. com;
通讯作者:郁章玉(1960 －) ，男，汉族，教授，博士生导师，主要从事生命电分析化学研究，E-mail:yuzywxl@ 163. com;秦 松(1968 －) ，男，
汉族，研究员，博士生导师，主要从事藻类资源高价值利用研究，E-mail:sqin@ yic． ac． cn。
doi∶10． 3969 / j. issn. 2095 － 1736． 2013. 04. 037
重金属铅离子(Pb2 + )对两株螺旋藻生长影响的研究
李勇勇1，赵 楠1，李善策2，邵明飞3，郁章玉1，4，秦 松5
(1. 曲阜师范大学 化学与化工学院，曲阜 273165;2. 中南大学 资源加工与生物工程学院，长沙 410083;
3. 南京农业大学 资源与环境科学学院江苏省海洋生物学重点实验室，南京 210095;4. 菏泽学院
化学与化工系，菏泽 274015;5. 中国科学院烟台海岸带研究所 生物资源实验室，烟台 264003)
摘 要:以来自两个不同企业产业化的螺旋藻作为出发藻株 A、藻株 B，从生物量、藻胆蛋白、可溶性蛋白、半数致死
浓度 4 个方面研究藻株对重金属铅离子(Pb2 +)的耐受性，为解析耐受机理积累研究基础。实验结果表明，两株藻
对 Pb2 +的耐受性存在明显差异，藻株 B 比藻株 A 对铅的耐受性强。藻株 A:Pb2 +浓度低于 1 mg /L，促进其生长;
Pb2 +浓度为 10 ～ 40 mg /L，对其无明显影响;Pb2 +浓度大于 50 mg /L时，抑制其生长;Pb2 +浓度为 100 mg /L，藻丝体
降解死亡;96 h半数致死浓度(EC50)为 61. 66 mg /L。藻株 B:Pb
2 +浓度低于 20 mg /L，对其无明显影响;Pb2 +浓度为
20 mg /L，促进其生长;Pb2 +浓度大于 50 mg /L，抑制其生长;Pb2 +浓度为 100 mg /L，藻丝体降解死亡;96 h 半数致死
浓度(EC50)为 72. 44 mg /L。当 Pb
2 +浓度为 20 mg /L时，藻蓝蛋白(PC)和水溶性蛋白均具有较高的积累量，与其正
常生长情况相似。
关键词:螺旋藻;铅离子;生物量;96 h-EC50
中图分类号:X131. 2 文献标识码:A 文章编号:2095 － 1736(2013)04 － 0037 － 05
Pb2 + impacts on growth of two Spirulina strains
LI Yong-yong1，ZHAO Nan1，LI Shan-ce2，SHAO Ming-fei3，YU Zhang-yu1，4，QIN Song5
(1． School of Chemistry and Chemical engineering，Qufu Normal University，Qufu 273165;2. School of
Mineral Processing and Bioengineering，Central South University，Changsha 410083;3. Key Laboratory of
Marine Biology in Jiangsu，College of Resources and Environmental Sciences，Nanjing Agricultural University，
Nanjing 210095;4. Department of Chemistry and Chemical Engineering，Heze University，Heze 274015;
5. Yantai Institute of Coastal Zone Research，Chinese Academy of Sciences，Yantai 264003，China)
Abstract:To investigate the impacts of heavy metal ions (Pb2 +)on spirulina biomass，phycobiliprotein，soluble proteins，and the
median lethal concentration，a comparative study between two industrialized spirulina strains (A and B)was conducted． Experimental
data indicated that the response of strain A was quite different from strain B with different Pb2 +，and that strain B was more tolerant to
Pb2 + than strain A． With Pb2 + concentration lower than 1 mg /L，growth of strain A was promoted;with Pb2 + concentration from 10 to
40 mg /L，no obvious effect was found;with Pb2 + concentration more than 50 mg /L，inhibited;with Pb2 + concentration 100 mg /L，
died;the 96 h-EC50 of strain A was 61. 66 mg /L． With Pb
2 + concentration lower than 20 mg /L，no obvious effect was found on strain
B;with Pb2 + concentration 20 mg /L，strain B growth was promoted;with Pb2 + concentration more than 50 mg /L，inhibited;with
Pb2 + concentration 100 mg /L，died;the 96 h-EC50 of strain A was 72. 44 mg /L． When Pb
2 + concentration was 20 mg /L，content of
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phycocyanin and water-soluble proteins were higher，consistent with the normal growth．
Keywords:Spirulina;lead;biomass;96 h-EC50
螺旋藻(Spirulina platensis)属于蓝藻门(Cyanophy-
ta) ，蓝藻纲(Cyanophyceae) ，颤藻目(Oscillatorisles) ，颤
藻科(Oscillatoriaceae) ，螺旋藻属(Spirulina［1］，是一种
能进行光合自养的丝状不形成异形胞的蓝细菌(Cya-
nobacteria) ，广泛分布于湖泊、池塘和半咸水中。因其
富含蛋白质、多种维生素、矿物质、类胡萝卜素、必须脂
肪酸及色素，成为目前利用最广泛的经济微藻［2］，产量
与消费逐年递增，被誉为“21 世纪最理想的食品”［3］。
同时，藻体具有耐高温、高碱和高盐的特点，其在生理
生化和分子遗传等研究领域受到广泛关注。
随着中国工业的迅速发展，人类对重金属的开采、
加工及商业制造活动日益增多，由此引起的重金属污
染日益严重。2010 年四川省内江市隆昌县渔箭镇等
地受铅污染，导致 49 人铅血铅含量异常，其中儿童 47
人，成人 2 人。湖南嘉禾县、陕西凤翔县、河南济源市
等地区也报道了此类铅中毒事件。重金属通过各种途
径进入水体后，难降解，通过参与复杂的水体生物地球
化学循环，影响水生态系统［4 － 6］。藻类作为水生态系
统的初级生产者，具有较强的富集水体中重金属的能
力，并通过食物链进入浮游动物、鱼虾等体内，再经餐
桌进入人体，很有可能造成机体铅中毒。因此，研究重
金属对藻类的影响具有重要意义。
本文主要研究了不同浓度的铅离子对两株螺旋藻
生长、藻胆蛋白含量、水溶性蛋白含量的影响，旨在寻
求螺旋藻对铅离子的耐受浓度范围，为进一步研究铅
离子对螺旋藻的胁迫机制提供参考。
1 材料与方法
1. 1 实验材料
螺旋藻(Spirulina)藻株 A、藻株 B 分别来自东台
赐百年生物工程有限公司和内蒙古鄂尔多斯市乌审旗
蒙力源生物科技有限公司。螺旋藻培养基为 Zarrouk
培养基［7］，Pb2 +以硝酸铅的形式提供，分别配制成 1 g /
L和 10 g /L的 Pb2 +标准液以供使用。所用试剂均为
分析纯。
1. 2 培养条件
以灭菌的 1 g /L 和 10 g /L Pb2 +溶液为母液，用
Zarrouk培养基作为溶剂配制成含 Pb2 +浓度分别为
0、1、10、20、40、50、60、70、100 mg /L 的培养基。将螺
旋藻藻株接种于 250 mL 三角瓶中，调节藻丝体的起
始吸光度(A560)为 0. 085 于光照培养箱中培养，温度
(28 ± 1)℃，初始 pH 值为 8. 5，光照强度为 4000 lx，
光暗比为 12 h ∶ 12 h，每天摇匀 2 次。
1. 3 生物量的测定
螺旋藻生长周期内，每天同一时间用 TU － 1810 紫
外可见分光光度计于 560 nm 处测定螺旋藻藻液的吸
光度(A560) ，以时间(t /d)为横坐标，A560为纵坐标，绘
制生长曲线。每个质量浓度设 3 个平行，取平均值。
通过测定不同光密度下螺旋藻的干重，获得螺旋藻生
物量［ρ(生物) ］(g /L)与吸光度(A560)之间的相关性，
做出吸光度(A560)与 ρ(生物)的线性回归方程
［8］。
1. 4 藻胆蛋白含量的测定
螺旋藻藻株在不同 Pb2 + 培养基中培养至第 9 d
后，取定量藻泥用磷酸盐缓冲液悬浮，悬浮混合液用液
氮反复冻融 3 次，12000 r /min离心取上清，放入 4℃冰
箱中备用。用紫外可见分光光度计测定上清液在 620
nm和 650 nm处的吸光度，根据经验公式分别计算藻
蓝蛋白和别藻蓝蛋白的含量［9］，进而得到藻胆蛋白含
量。
1. 5 水溶性蛋白浓度测定
将 1. 4 得到的上清液作为样品，用考马斯亮蓝 G
－ 250 蛋白含量测定方法［10］测定其中水溶性蛋白浓
度。
2 结果与分析
2. 1 螺旋藻生物量［ρ(生物) ］(g /L)与藻株溶液吸
光度(A560)相关性研究
图 1 螺旋藻生物量［ρ(生物) ］(g /L)与光密度(A560)之间的线性关系
Fig 1 The linear relationship between Spirulina biomass
［ρ (biomass) ］(g /L) ］and absorbance (A560)
从图 1 可以看出，螺旋藻的生物量［ρ(生物) ］(g /
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L)和吸光度(A560)具有良好的线性关系(R
2 =
0. 9916) ，在以下的实验中，可以通过测定螺旋藻藻株
溶液的吸光度(A560)方便、快捷地了解藻株的生长状
况。
2. 2 不同质量浓度的 Pb2 +对两株螺旋藻生长的影响
图 2 不同质量浓度 Pb2 +处理培养基中藻株(A)和藻株(B)的生长曲线
Fig 2 The growth curve of strain (A)and strain (B)in the treatment
medium with different Pb2 + concentrations
由图 2 可见，从整体上看，藻株(A)和藻株(B)生
长的整体趋势一致。当 Pb2 +浓度小于 50 mg /L 时，与
对照组相比尽管 Pb2 +对螺旋藻的生长有一定的抑制
作用但并不致死，藻体生长仍呈上升趋势;当 Pb2 +浓
度大于 60 mg /L时，螺旋藻的生长受到明显抑制，藻液
变黄，藻细胞出现畸形;当 Pb2 +浓度为 100 mg /L时，螺
旋藻死亡。
Pb2 +对两株螺旋藻生长影响的不同点是:从图 2
－ A可以看出，在培养的前 3 d，当 Pb2 +浓度为 20 mg /
L时，与空白对照组的生长情况无明显差异，培养至第
6 天，Pb2 +浓度为 1 mg /L 时，能够促进藻株(A)的生
长，甚至超过了对照组。
从图 2 － B可以看出，在培养的前 2 d，不同质量浓
度的 Pb2 +对藻株 B生长影响无明显差异，从第 3 d 开
始，不同处理培养基的藻株 B 生长情况出现差异。
Pb2 +浓度为 20 mg /L的处理培养基能促进藻株 B的生
长，藻体生长情况优于空白对照组;当 Pb2 +浓度达到
100 mg /L时，藻株 A立即出现负增长，而藻株 B在前 2
d仍有一定生长，随后才出现负增长。
2. 3 不同质量浓度的 Pb2 +对两株螺旋藻藻蓝蛋白、别
藻蓝蛋白和藻胆蛋白含量的影响
图 3 不同质量浓度的 Pb2 +对藻蓝蛋白(PC)、
别藻蓝蛋白(APC)和藻胆蛋白(PC + APC)含量的影响
Fig 3 The influence of phycocyanin (PC) ，allophycocyanin (APC)and
phycobiliprotein (PC + APC)content under different Pb2 + concentrations
藻蓝蛋白(PC)和别藻蓝蛋白(APC) ，作为蓝藻中
普遍存在的两种光合色素蛋白，它们是螺旋藻中重要
的活性物质，并且在光的传递过程中起着桥梁的作用，
与藻体生长状况有着紧密联系［11］。
从图 3 － A 可以发现，在不同质量浓度 Pb2 +的胁
迫条件下，藻株 A 中藻蓝蛋白(PC) ，别藻蓝蛋白
(APC)以及藻胆蛋白三者的相对含量在总体上均呈现
先上升而后下降的趋势。在 Pb2 +浓度为 20 mg /L 时，
三者的浓度最高。结果表明，经过 8 d 的实验室培养，
在该 Pb2 +浓度条件下，螺旋藻的蛋白量为最大值，推
测该 Pb2 +浓度对于螺旋藻的蛋白表达有一定程度的
促进作用;同时可以发现，Pb2 +浓度在 1 ～ 20 mg /L 的
范围时，藻胆蛋白和藻蓝蛋白的相对含量均维持在
0. 08 mg /L以上，而当 Pb2 +浓度达到 50 mg /L 时，藻胆
蛋白相对含量明显下降，说明此时的 Pb2 +浓度对藻体
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正常生长产生很强的抑制作用，这与藻体生长曲线的
结果相吻合;别藻蓝蛋白(APC)的相对含量受 Pb2 +的
影响较小，一直维持在一个稳定的范围内。
从图 3 － B 可以看出，在不同质量浓度的 Pb2 +的
胁迫下，别藻蓝蛋白(APC)相对含量及藻胆蛋白相对
含量在总体上均呈下降趋势;藻蓝蛋白(PC)相对含量
在一定 Pb2 +浓度范围(1 ～ 20 mg /L)内保持稳定，超过
该范围，藻蓝蛋白含量均明显下降。藻株 B 中别藻蓝
蛋白(APC)对于 Pb2 +的胁迫比藻蓝蛋白(PC)更为敏
感。
从图 3 － A、3 － B 可知，在 Pb2 +浓度较低范围内，
藻体的捕光蛋白量维持在较高水平，这与藻体生长趋
势的结果是一致的。当 Pb2 +浓度达 40 ～ 50 mg /L 时，
藻体中藻胆蛋白浓度变化趋势与藻体的生长趋势出现
了差异。在藻体生长受低浓度 Pb2 +胁迫条件影响较
小情况下，藻胆蛋白一定程度上可以反映藻体的生长
状况;但由于不同藻株受 Pb2 +胁迫条件下降解程度有
差异，藻体受 Pb2 +胁迫严重时，藻胆蛋白不能很好的
反映藻体的生长情况。另外，采用两组相同的 Pb2 +组
合浓度处理培养基培养两株藻，藻株的生长响应在生
物量和蛋白量上存在差异。
2. 4 不同质量浓度的 Pb2 +对螺旋藻水溶性蛋白含量
的影响
图 4 不同质量浓度的 Pb2 +对藻株 A和藻株 B的
水溶性蛋白浓度的影响
Fig 4 The influence of water-soluble protein content of strain A and
strain B under different Pb2 + concentrations
从图 4 中可以看出，不同质量浓度的 Pb2 +对于两
株螺旋藻水溶性蛋白的影响相似，在 Pb2 +浓度小于 20
mg /L时，水溶性蛋白的浓度先降低后升高;当 Pb2 +浓
度大于 20 mg /L时，随着 Pb2 +浓度的继续升高，水溶性
蛋白的浓度呈下降趋势;Pb2 +浓度为 20 mg /L 时，水溶
性蛋白浓度达到最大值。实验表明，当 Pb2 +浓度为 20
mg /L时有利于藻体水溶性蛋白的积累。
2. 5 铅离子抑制螺旋藻生长的 96 h 半数致死浓度
(96 h-EC50)
图 5 几率单位与浓度对数(lgC)的线性关系曲线
Fig 5 The linear relationship between probity and logarithm
cumulative concentration(lgC)
用几率单位法［12］计算 Pb2 +对藻株 A 和藻株 B 生
长抑制的 96 h- EC50，如图 5 所示，得到线性回归方程
分别为:JA = 6. 7579 lgC － 7. 1179 ，R
2 = 0. 9673;JB =
6. 6433 lgC － 7. 3853，R2 = 0. 9325(J-几率单位，C-Pb2 +
的质量浓度) ，由回归方程计算得到 Pb2 +对藻株 A 和
藻株 B 生长抑制的 96 h-EC50分别为 61. 66 mg /L 和
72. 44 mg /L。由此可见，藻株 A 比藻株 B 更易受重金
属 Pb2 +的影响。
3 讨论
本文研究表明，不同质量浓度的 Pb2 +对两株螺旋
藻的生长影响不同。当 Pb2 +浓度小于 50 mg /L 时，对
螺旋藻的生长抑制作用不明显，仍呈上升趋势;当
Pb2 +浓度大于 60 mg /L时，对螺旋藻的抑制作用明显，
随培养时间的延长，培养液藻体颜色由绿色逐渐变为
黄色，藻体出现结块，此现象与胡一兵、周长芳等［13，14］
的研究结果相近。董庆霖等［15］也报道了 Pb2 +对藻生
长影响的有双重性，低于 38. 5 mg /L 能促进其生长，高
于 38. 5 mg /L 则抑制其生长。当 Pb2 + 浓度达到 100
mg /L时，藻体很快变黄，藻液变澄清;用 Pb2 +浓度为
100 mg /L的培养基培养螺旋藻的第 2 d，藻株 A 表现
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出受到明显的抑制作用，而藻株 B 在第 3 d 时表现出
受到明显的抑制作用。在 Pb2 +浓度为 100 mg /L 处理
组中藻株 B的生长受到抑制，但其光密度在一定时间
内仍能维持在较高值，可能是由于藻体自溶释放出的
内溶物所致。藻株 A 和藻株 B 的 96 h 半数致死浓度
分别为 61. 66 mg /L、72. 44 mg /L，表明藻株 B相对于藻
株 A 对 Pb2 + 具有较高的耐受性;温军杰［16］报道的
Pb2 +对螺旋藻的 72 h 半数致死浓度为 11. 46 mg /L。
Pb2 +对湛江叉鞭金藻、小球藻的 96 h 半数致死浓度分
别为 9. 03 mg /L和 20 mg /L［17］。从 Pb2 +螺旋藻生长的
影响与以上已报道的 Pb2 +对有关藻类生长的影响结
果比较看，这两株藻对 Pb2 +具有较强的耐受性。通过
对不同浓度的重金属的比较发现螺旋藻对 Pb2 +的耐
受力强，对 Ag、Hg 敏感［18］，而当向培养基中加入不同
浓度的 Pb2 +后，重金属会影响螺旋藻细胞的光电子传
递，使螺旋藻光合作用受到不同程度的影响［19，20］，推测
原因是重金属离子抑制螺旋藻碳水化合物和蛋白质生
物合成，降低螺旋藻藻细胞叶绿素含量等［21］。本研究
中的实验藻株对 Pb2 +具有强耐受性，在生物代谢合成
方面表现出优势，因而成为产业化前景看好的种质资
源。
通过光学显微镜观察发现，受 Pb2 +胁迫的螺旋藻
藻丝体出现了不同程度的断裂、变形。高浓度的 Pb2 +
胁迫条件下，螺旋藻藻丝体有大量细胞内溶物溶出，与
吴华莲等用过氧化氢胁迫螺旋藻的现象一致［22］，这可
能是由于在胁迫条件下藻丝体细胞膜受到破坏，引起
藻胆体色素解离，进而溶出。
本实验首次对不同企业的螺旋藻进行重金属
Pb2 +耐受性比较研究，分析不同培养阶段藻株生物量、
藻胆蛋白、可溶性蛋白的变化，求解 96 h 半数致死浓
度，以了解 Pb2 +对螺旋藻的生长影响及螺旋藻的铅耐
受范围，为解析耐受机理积累研究基础。
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Vol. 30 No. 4
Aug，2013
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