高等植物化感作用在抑制藻类研究中的应用

陈 波，闫 浩，张庭廷

(安徽师范大学 生命科学学院，安徽 芜湖 241000)

高等植物化感作用在抑制藻类研究中的应用

陈 波，闫 浩，张庭廷

(安徽师范大学 生命科学学院，安徽 芜湖 241000)

高等植物化感作用抑制藻类的生长繁殖具有环境友好、生态安全高等特点。本文从草本植物、木本植物、沉水植物、挺水植物、浮水植物及抑藻机制几个方面进行综述，并提出未来研究应关注的方向，以期为高效、安全友好的抑藻化感物质开发应用提供理论基础。

高等植物；化感作用；抑制机理

随着人类社会的快速发展，环境问题也越来越突出。特别是水体接受了过量的营养盐而导致富营养化并由此带来的藻类(特别是蓝藻)暴发式过度增殖，致使水生生物多样性降低、水环境整体质量下降影响水域生态景观、破坏水体生态系统和谐平衡和自我调节修复能力。因此，寻找高效、安全、经济的控制藻类发生和治理、修复受损水体的方法成为水环境研究领域的热点。目前治理藻类的方式有物理、化学和生物三种，但前两种方法都存在着不同程度的劣势，归结起来为物理法除藻耗能较大、费用高、操作时间长；化学法除藻主要包括使用化学试剂和金属盐来控制藻类，但很多化学合成的物质以及重金属盐类(如硫酸铜等)不能被生物降解，易在水体或随生物链蓄积而形成二次污染，从而给水生动植物以及人类健康带来不利影响[1-6]。而高等植物抑制藻类是利用生态系统中生物与生物之间基本的辩证关系来达到抑制藻类过度繁殖的目的，是一种“绿色”除藻方法,同时具有材料来源广、生态风险小等优势。基于此，本文结合相关研究成果着重对高等植物抑制藻类和抑制机理进行综述，以期为高效、安全友好的抑藻剂开发应用提供理论基础。

1 高等植物及有效抑制的藻类

水生植物不仅具有美化水体景观、吸收水体中的无机营养元素和净化水质等，还可以向水体中持续释放化感物质来克制藻类，因此水生植物在修复受损水体和抑制藻类方面有着其独特的优势。而陆生植物具有生物量大，获取容易和次生代谢产物种类丰富等优点，因此，也受到人们高度的重视。化感物质按照其结构主要可分为14类：水溶性有机酸、直链醇、脂肪族醛和酮；简单不饱和内酯；长链脂肪酸和多炔；苯醌、萘醌、蒽醌和复合苯醌；简单酚、苯甲醛、苯甲酸及其衍生物；肉桂酸及其衍生物；香豆素类；黄酮类；丹宁；萜类和甾类化合物；氨基酸和多肽；生物碱和氰醇；硫化物和芥子油苷；嘌呤和核苷。但有研究指出大麦秆在腐烂的过程中释放的化感物质和在光照条件下，水体中溶解氧和腐殖质相互作用产生的过氧化氢等可能是抑制甚至杀死藻类的原因[7-11]。表1列举了目前国内外学者对陆生和水生两种不同生活型的高等植物及其抑制的藻类。

2 高等植物对藻类抑制机理

从Hasler首次发现水生植物对藻类有克制效果开始[71]，有关植物对藻类抑制效应的研究从未止步且研究方法和深度都在不断进步。从克藻方式到化感物质的分离纯化和开发利用再到抑制机理各个方面都有广泛研究，目前有关抑藻机理研究主要集中在高等植物对藻类酶活性、细胞结构、光合系统和基因蛋白表达的影响四个方面。

2.1 对酶活性的影响

对生物来说，酶的活性是至关重要的。在利用高等植物控制藻类的研究中发现，许多植物都可以释放化感物质来影响藻类酶的活性和功能，最终导致藻细胞裂解死亡。李一葳等在研究轮藻浸出液对铜绿微囊藻抑制作用时发现，浸出液显著抑制了超氧化物歧化酶(SOD)的活性，氧自由基不能被及时有效地清除造成对藻细胞的伤害[38]。菹草与铜绿微囊藻共培养时，铜绿微囊藻藻细胞的抗氧化能力下降、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)活性下降、丙二醛(MDA)含量上升[50]。研究发现化感物质抑藻主要是通过改变藻细胞内POD、SOD、CAT等酶的活性，从而破坏藻细胞的抗氧化系统导致细胞的死亡。但，这些物质是如何改变藻细胞内酶活性的？还有待进一步的探讨。

表1 高等植物及其抑制的藻类

续表

注：表中“-”表示同上。

2.2 对细胞结构的影响

功能完好的细胞结构对藻细胞生命过程非常关键。研究发现细胞膜和胞内的某些超微结构是化感物质作用的靶点。孙志伟等研究发现在秋茄叶片水提液作用下球形棕囊藻和赤潮易弯藻的细胞体积增大，细胞破裂，这可能是细胞外某些物质的渗入或胞内内含物的外渗引起的[30]。刘洁生等在研究中发现，凤眼莲提取物中的有效化感物质N-苯基-2萘胺可能通过光解产生自由基在细胞膜上发生脂质氧化反应，导致细胞膜受损和破坏[68]。罗凯等在研究黑荆树提取物对铜绿微囊藻抑制作用时发现，提取物使得藻细胞细胞壁、细胞膜和类囊体遭到破坏以至于内容物流出，藻细胞不能完成正常生理活动而死亡[23]。黑藻养殖水显著破坏了铜绿微囊藻细胞的细胞质膜(CM)、中央拟核区(PN)和类囊体片层(Th)的结构，随着作用时间的持续，CM出现皱缩、缺陷、破裂直至解体；PN逐渐萎缩消失；Th从紧密排列逐渐变得散乱无序[44]。张胜娟等研究了槐叶萍养殖水抑藻效应，结果发现槐叶萍释放的化感物质诱导铜绿微囊藻产生大量氧自由基，通过脂质过氧化反应破坏细胞膜结构[64]。由此可以推断出，化感物质是可能诱发氧自由基的过剩和膜的脂质过氧化反应来破坏膜结构，改变藻细胞膜的通透性、胞内外离子通道和细胞超微结构等方式来抑制藻细胞的生长甚至杀死藻细胞。

2.3 对光合系统的影响

光合作用是植物进行生命活动的重要一环。有些高等植物释放的化感物质将光合系统作为攻击靶点，破坏叶绿素a(Chla)和光合作用第二阶段(PS Ⅱ)，降低藻同化产物积累供应来抑制藻类生长。郭沛勇等在研究柳树叶浸提液对四尾栅藻抑制作用时发现，四尾栅藻Chla含量和Fv/Fm显著下降，PSⅡ光合活性降低，导致藻细胞光合效率降低[31]。山鹰等在应用水稻和再力花抑藻试验中发现，二者浸提液都能对水绵的PSⅡ最大光能转换效率( Fv/Fm) 、PS Ⅱ实际光能转化效率( ΦPSⅡ) 和最大电子传递效率( ηe，t，max)产生影响，致使光合作用效率和光通道受到一定抑制[59]。有研究发现红掌种植水抑制了铜绿微囊藻光合活性，具体表现为最大光量子产量和有效光量子产量降低，最大相对电子传递速率降低；当红掌根添加量达到3.0g/L时，光合作用几乎停滞[66]。黄伟等研究发现蜘蛛兰使得水华微囊藻Chla浓度、Fv/Fm和Fv/Fo显著下降，影响光合作用，对水华微囊藻生长产生严重地抑制作用[20]。目前研究多集中在对Chla的影响，对藻细胞内其他光和色素的研究却很少涉及；对于高等植物释放的化感物质是如何破坏PSⅡ以及是否会影响光合作用第一阶段(PS I)过程，还不是很明确。

2.4 对基因、蛋白的影响

高等植物化感作用对藻类基因和蛋白表达影响研究起步较晚。从目前已有报道来看，主要集中在诱导藻类某些基因表达和蛋白质合成。Shao等在研究中发现铜绿微囊藻在受到化感作用时psbA、mcyB、prx和fabZ基因表达上调[72]。研究发现加拿大一枝黄花提取物作用于铜绿微囊藻时共有261种蛋白表达出现差异，其中上调的有220种，下调的有41种[73]。由于高等植物释放化感物质的多样性，这表明不同化感物质作用位点、强度和方式可能存在一定的差异性。这些化感物质是如何影响遗传物质的表达?除上述外是否还会对其他基因或蛋白的转录与翻译产生作用，还有待进一步研究。

3 高等植物化感作用抑藻应用展望

高等植物除藻技术相比较传统的物理和化学抑藻方法具有显著的优势，在对富营养化水体的综合治理和生态修复方面日益受到重视。但还有一些问题值得进一步研究和探讨。

(1)高等植物抑藻研究多是集中在对抑藻有效成分的提取和鉴别上，但这些有效化感物质天然含量低、纯度不足且工业化生产难以实现，同时缺乏对这些有效成分环境安全性的评价。因此寻找含量丰富、纯度高或者易于人工合成有效抑藻物质应得到高度关注。

(2)高等植物在抑制机理、特异性选择等方面的研究不够深入。因此对这些方面的研究可以结合分子生物学、蛋白质组学等学科，在分子、基因和蛋白质表达的水平上进行机理研究。

(3)已有的抑藻研究多数都是在实验室中严格的环境控制下进行的，研究的因子单一,很难真实地反映实际情况。实际水体环境复杂多样，因此进行原位试验是必要和有意义的。

(4)植物和微生物总是共存在一起，但目前的抑制藻类的研究却将二者隔离开来，二者在抑藻方面是否具有协同或拮抗效应值得深入研究。

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Application ofHigher Plants Allelopathy in Inhibiting Algal Bloom

CHEN Bo, YAN Hao, ZHANG Tingting

(CollegeofLifeSciences,AnhuiNormalUniversity,Wuhu241000,China)

The allelopathic inhibition of algal growth and reproduction by higher plants has environment-friendly, safe and efficient ecological features. This paper summarized the research progress on the herbaceous, woody, submerged, emergent and floating plants as well as the inhibitory mechanisms. And put forward the direction of future research, so as to provide theoretical bases for developing and applying of efficient, safe and friendly allelochemicals.

higher plants; allelopathy; inhibition mechanism

2016-12-20

陈波(1991-)，男，安徽蚌埠人，硕士研究生，研究方向：化学生态学。通信作者：张庭廷(1955-)，女，安徽东至人，教授，研究方向：水污染生态学。

X173

A

1009-9735(2017)02-0078-06