黄沛玲, 李 玲, 李俊杰, 李雪妍
华侨大学化工学院, 福建 厦门 361021
除草剂是广泛使用的一类农药,其产量和使用量均呈逐年增加的趋势[1]. 氯乙酰苯胺类除草剂是一种常用的芽后选择性除草剂,被广泛施用于向日葵、大豆、玉米、玉米等作物中. 异丙甲草胺是一种常见的氯乙酰苯胺类除草剂,其通过阻止蛋白质、叶绿素、脂肪酸和脂类的合成,在目标杂草中起生长抑制剂的作用. 最初在作物上广泛使用的是外消旋异丙甲草胺,其由两个R对映体和两个S对映体1∶1组成,而后研究发现该除草剂活性主要来源于异丙甲草胺的两个S对映体[2]. 因此,在实际生产中S-异丙甲草胺逐渐取代了外消旋异丙甲草胺,并且在20世纪90年代末被列为欧洲十大最常用除草剂之一[3]. S-异丙甲草胺的水溶性很高,在20 ℃下可达480 mg/L,并可以连续暴露在阳光下30 d不被降解[4]. S-异丙甲草胺的高利用率和相对较低的土壤吸附力导致其大量渗入到水环境中,从而威胁水质[5]. 研究[6]表明,美国有50.3%的地表水和2%的地下水中检测出S-异丙甲草胺. 此外,S-异丙甲草胺会对非靶标物种造成不同程度的损害,如使阿米巴原虫生长受抑制[7],甲壳类动物死亡率和繁殖力降低[8],对牡蛎和斑马鱼的早期发育造成损害[9],导致鲤鱼卵子中的脂肪变性[10],使水蚤繁殖力显著下降[11],引起海鲈鱼表皮细胞肿胀[12],降低藻密度[13]. 由于S-异丙甲草胺对水环境的影响力较高,因此有必要进一步研究S-异丙甲草胺对水生生态系统的影响.
水华微囊藻(Microcystisflos-aquae)属于一种常见蓝藻水华属,是初级水生生物,水体富营养化会导致蓝藻水华暴发性生长,其健康状态可直接反映水生生态系统的污染程度[14]. 而逆境条件可通过影响藻类光合反应的电子传递能力、光合活性、量子产量等光合参数进而影响其生长[15]. 因此,该研究通过研究在S-异丙甲草胺胁迫下水华微囊藻色素含量及叶绿素荧光参数的变化情况,探讨S-异丙甲草胺对水华微囊藻光合生理的影响,以期为评估S-异丙甲草胺所造成的环境风险提供依据.
S-异丙甲草胺(CAS号为178961-20-1)购自坛墨质检标准物质中心,纯度为98%;丙酮购自国药集团化学试剂有限公司,为分析纯试剂. 水华微囊藻(Microcystisflos-aquae)(FACHB-1028)购自中国科学院水生生物研究所淡水藻种库.
按照OECD 201[16]藻类生长试验规定条件来培养水华微囊藻. 采用BG11培养液[17],于25 ℃,湿度为60%,12 h光照、12 h黑暗,光强为 3 700 lx下静置培养,每天定时人工振荡4次. 根据OECD 201藻类毒性测试的标准试验方法,结合预试验结果,设置ρ(S-异丙甲草胺)分别为0.1、1、10、25和50 mg/L的处理组,以及不加S-异丙甲草胺处理的对照组,每组设置3个平行样品. 将经S-异丙甲草胺处理的水华微囊藻液及对照组置于原培养条件中进行培养,每天测叶绿素a含量,每2 d测叶绿素荧光参数Fv/Fm(最大光能转化效率)、Y(Ⅱ) (实际光能转化效率)、快速光响应曲线、α(光能利用率)、Pnmax(最大电子传递速率)、Ik(半饱和光强点),培养周期为7 d,并在第7天时测定类胡萝卜素含量.
取1 mL藻液置于样品杯中,黑暗条件下2 min后置于浮游植物分类荧光仪(Phyto-PAM,德国Walz),在2 μmol/(m2·s)(以光子数计,下同)光强下测得最小荧光产量(F0)、最大荧光产量(Fm),不经暗适应的条件下测定最大荧光水平(Fm′);再于32 μmol/(m2·s)光强下测定叶绿素a含量[18],最后完成快速光响应曲线的拟合及光能利用率(α)、最大电子传递速率〔Pnmax,μmol/(m2·s)〕以及半饱和光照强度点〔Ik,μmol/(m2·s)〕数值的测定,计算公式:
Fv/Fm=(Fm-F0)/Fm
(1)
Y(Ⅱ)=(Fm′-F)/Fm′
(2)
Pn=Pnmax×(1-e-α×PAR/Pnmax)×e-β×PAR/Pnmax
(3)
Ik=Pnmax/α
(4)
式中:Fv/Fm为最大光能转化效率;Y(Ⅱ)为实际光能转化效率;Pn为光合速率,即电子传递速率,μmol/(m2·s);PAR为有效光辐射强度,μmol/(m2·s);β为光抑制参数.
用丙酮-加热法[19]进行类胡萝卜素含量的测定. 先确定藻密度,再各取一定量藻液于离心管中,于 12 000 r/min下离心,吸上清液并加入80%丙酮对藻饼进行重悬后,用锡箔纸包裹置于55 ℃下水浴加热30 min,再于 12 000 r/min下离心,取上清液并用80%丙酮定容后,测定其在663和440 nm处的吸光度(A663 nm、A440 nm),计算公式:
CA=A663 nm/82
(5)
Ck=4.7A440 nm-0.27CA
(6)
Chl=(Ck×V)/(Pu×106)
(7)
式中:CA为叶绿素a的含量,mg/L;Ck为每L藻液的叶绿素含量,mg/L;Chl为单个细胞类胡萝卜素的含量,g/(109cell);V为藻提取液总量,L;Pu为藻细胞总数,个.
使用Origin 9.1软件作图. 试验数据用SPSS 22.0软件进行数据统计分析,采用单因素方差分析(ANOVA)及Duncan检验进行显著性差异分析,采用多因素方差分析(MANOVA)进行相关光合参数统计分析,P<0.05表示有显著性差异,P<0.01表示有极显著性差异.
2.1.1叶绿素a含量对S-异丙甲草胺的响应
不同ρ(S-异丙甲草胺)处理对水华微囊藻叶绿素a含量的影响如图1所示. 由图1可见:各S-异丙甲草胺处理组和对照组的叶绿素a含量均随着培养时间的增加而增加(P<0.01),而7 d内水华微囊藻叶绿素a含量的增长速率随ρ(S-异丙甲草胺)的增加而减小,其中对照组以及0.1、1、10、25、50 mg/L S-异丙甲草胺处理组7 d内叶绿素a含量的增长速率分别为0.272、0.263、0.260、0.243、0.242和0.240. 从第3天起,ρ(S-异丙甲草胺)为10、25和50 mg/L处理组的叶绿素a含量开始低于对照组;第7天,不同ρ(S-异丙甲草胺)处理组的叶绿素a含量均显著低于对照组(P<0.05),其中,ρ(S-异丙甲草胺)为50 mg/L时,水华微囊藻的叶绿素a含量较对照降低最多,该处理组第7天的叶绿素a含量仅为对照组的67%.
ρ(S-异丙甲草胺)(mgL):1—0.1; 2—1; 3—10; 4—25; 5—50.注:*表示不同ρ(S-异丙甲草胺)处理组与对照组有显著性差异;字母表示各处理组间显著性差异,P<0.05. 下同.图1 不同ρ(S-异丙甲草胺)处理对水华微囊藻叶绿素a含量的影响Fig.1 Effects of different ρ(S-metolachlor) on the chlorophyll a content of Microcytis flos-aquae
由表1可见,ρ(S-异丙甲草胺)对叶绿素a含量的影响显著(P<0.01),培养时间对叶绿素a含量的影响也显著(P<0.01),培养时间和ρ(S-异丙甲草胺)之间的交互作用对叶绿素a含量影响显著(P<0.01).
表1 各光合参数的多因素方差分析
2.1.2类胡萝卜素含量对S-异丙甲草胺的响应
不同ρ(S-异丙甲草胺)处理对水华微囊藻类胡萝卜素含量的影响如图2所示. 由图2可见,除ρ(S-异丙甲草胺)为0.1 mg/L的处理组外,其余处理组的类胡萝卜素含量均显著低于对照组(P<0.05),其中ρ(S-异丙甲草胺)为10 mg/L时,水华微囊藻的类胡萝卜素含量较对照组降低了11.36%,并与ρ(S-异丙甲草胺)为50 mg/L的处理组不存在显著性差异(P>0.05),但与其他ρ(S-异丙甲草胺)处理组均存在显著性差异(P<0.05).
图2 不同ρ(S-异丙甲草胺)处理对水华微囊藻类胡萝卜素含量的影响Fig.2 Effects of different ρ(S-metolachlor) on the carotenoid content of Microcytis flos-aquae
2.2.1Fv/Fm对S-异丙甲草胺的响应
不同ρ(S-异丙甲草胺)处理对水华微囊藻Fv/Fm的影响如图3所示. 由图3可见:随着培养时间的增加,各S-异丙甲草胺处理组的Fv/Fm值呈先增后减的趋势. 第1天,10和50 mg/L S-异丙甲草胺处理组的Fv/Fm值显著低于对照组(P<0.05),其余处理组与对照组无显著性差异(P>0.05);第3天,不同ρ(S-异丙甲草胺)处理组的Fv/Fm值均显著性高于对照组(P<0.05),其中25与50 mg/L S-异丙甲草胺处理组的Fv/Fm值存在显著性差异(P<0.05),但与其他处理组均无显著性差异(P>0.05);第5天,不同ρ(S-异丙甲草胺)处理组的Fv/Fm值均达到培养期间的最高值,随着ρ(S-异丙甲草胺)的增加,各处理组的Fv/Fm值相较于对照组分别增加了14%、29%、23%、34%、32%.
ρ(S-异丙甲草胺)/(mg/L):1—0.1; 2—1; 3—10; 4—25; 5—50.图3 不同ρ(S-异丙甲草胺)处理对水华微囊藻Fv/Fm的影响Fig.3 Effects of different ρ(S-metolachlor) on Fv/Fm of Microcytis flos-aquae
双因素方差分析结果(见表1)表明,不同ρ(S-异丙甲草胺)对Fv/Fm值存在显著影响(P<0.01),培养时间对Fv/Fm值也存在显著影响(P<0.01),ρ(S-异丙甲草胺)与培养时间之间的交互作用对Fv/Fm值影响显著(P<0.01). 说明7 d培养周期内,水华微囊藻的Fv/Fm值受到培养时间和ρ(S-异丙甲草胺)的交互影响.
2.2.2Y(Ⅱ)对S-异丙甲草胺响应
不同ρ(S-异丙甲草胺)处理对水华微囊藻Y(Ⅱ)值的影响如图4所示. 由图4可见:随着培养时间的增加,各S-异丙甲草胺处理组的Y(Ⅱ)值整体呈先增后减的趋势. 第1天,各S-异丙甲草胺处理组均显著低于对照组(P<0.05),其中50 mg/L处理组的Y(Ⅱ)值相较于对照组降低了15%,且50 mg/L处理组的Y(Ⅱ)值与其余S-异丙甲草胺处理组的Y(Ⅱ)值均存在显著性差异(P<0.05);第3天,各S-异丙甲草胺处理组的Y(Ⅱ)值均达到最高,且除10 mg/L S-异丙甲草胺处理组外,其余处理组的Y(Ⅱ)值仍显著低于对照组(P<0.05);第7天,各S-异丙甲草胺处理组Y(Ⅱ)值与对照组均无显著性差异(P>0.05),且各处理组之间也无显著性差异(P>0.05).
ρ(S-异丙甲草胺)/(mg/L):1—0.1; 2—1; 3—10; 4—25; 5—50.图4 不同ρ(S-异丙甲草胺)处理对水华微囊藻Y(Ⅱ)值的影响Fig.4 Effects of different ρ(S-metolachlor) on Y(Ⅱ) of Microcytis flos-aquae
双因素方差分析结果(见表1)表明,不同ρ(S-异丙甲草胺)对Y(Ⅱ)值的影响不显著(P>0.05),但培养时间对Y(Ⅱ)值存在显著影响(P<0.01),培养时间与ρ(S-异丙甲草胺)之间的交互作用对Y(Ⅱ)值影响不显著(P>0.05).
2.2.3快速光响应曲线及其相关拟合参数的响应
2.2.3.1快速光响应曲线对S-异丙甲草胺的响应
不同ρ(S-异丙甲草胺)处理对水华微囊藻快速光响应曲线的影响如图5所示. 由图5可见:随着光照强度的增加,各S-异丙甲草胺处理组的Pn值呈增大的趋势. 第3天,25和50 mg/L S-异丙甲草胺处理组的Pn值显著高于对照组(P<0.05),且50 mg/L S-异丙甲草胺处理组的Pn值显著高于25 mg/L处理组(P<0.05);第5天,10、25和50 mg/L S-异丙甲草胺处理组的Pn值均显著高于对照组(P<0.05),在PAR为 1 464 μmol/(m2·s)时Pn值表现为25 mg/L S-异丙甲草胺处理组〔132.540 8 μmol/(m2·s)〕>50 mg/L S-异丙甲草胺处理组〔127.075 2 μmol/(m2·s)〕>10 mg/L S-异丙甲草胺处理组〔122.207 4 μmol/(m2·s)〕的特征;第7天,50 mg/L S-异丙甲草胺处理组Pn值低于10 mg/L处理组,但10和50 mg/L处理组的Pn值均显著高于对照组(P<0.05);而0.1和1 mg/L S-异丙甲草胺处理组在第3天起Pn值均低于对照组,且这两个处理组之间无显著性差异(P>0.05).
ρ(S-异丙甲草胺)/(mg/L):1—0.1; 2—1; 3—10; 4—25; 5—50.图5 不同ρ(S-异丙甲草胺)处理对水华微囊藻快速光响应曲线的影响Fig.5 Effects of different ρ(S-metolachlor) on the rapid light-response curves of Microcytis flos-aquae
2.2.3.2水华微囊藻光合作用拟合参数对S-异丙甲草胺的响应
不同ρ(S-异丙甲草胺)处理对水华微囊藻光合参数α、Ik、Pnmax的影响如图6所示. 由图6(A)和表1可见:随着培养时间的增加,各S-异丙甲草胺处理组的α值整体呈先增后减的趋势. 第1天,0.1、1和10 mg/L S-异丙甲草胺处理组的α值显著高于对照组(P<0.05),而50 mg/L S-异丙甲草胺处理组的α值则显著低于对照组(P<0.05),相较对照组降低了8%;第3天,除10 mg/L S-异丙甲草胺处理组外,其余S-异丙甲草胺处理组的α值均显著低于对照组(P<0.05),但各S-异丙甲草胺处理组之间无显著性差异(P>0.05);第5天,50 mg/L S-异丙甲草胺处理组的α值显著低于对照组(P<0.05),相较于对照组降低了13%,而其他处理组均与对照组之间无显著性差异(P>0.05).
由图6(B)和表1可见,随着培养时间的增加,各S-异丙甲草胺处理组的Ik值也呈先增后减的趋势. 随着ρ(S-异丙甲草胺)的增加,Ik值呈逐渐增高的趋势. 第3天,各S-异丙甲草胺处理组的Ik值达到最高,且随ρ(S-异丙甲草胺)的增加,0.1、1、10、25、50 mg/L S-异丙甲草胺处理组的Ik值相较于对照组分别增加了30%、31%、41%、59%、77%,除0.1与1 mg/L S-异丙甲草胺处理组之间不存在显著性差异(P>0.05)外,与其余处理组之间均存在显著性差异(P<0.05).
由图6(C)和表1可见:随着培养时间的增加,各ρ(S-异丙甲草胺)处理组的Pnmax值呈先增后减的趋势. 第1天,0.1、1和10 mg/L S-异丙甲草胺处理组的Pnmax显著高于对照组(P<0.05);第3天,各S-异丙甲草胺处理组的Pnmax均达最高值,且10、25和50 mg/L S-异丙甲草胺处理组的Pnmax显著高于对照组(P<0.05),其相较于对照组分别增加了22%、26%、45%,且这3个处理组之间存在显著性差异(P<0.05);第7天,各S-异丙甲草胺处理组之间均不存在显著性差异(P>0.05).
ρ(S-异丙甲草胺)/(mg/L):1—0.1; 2—1; 3—10; 4—25; 5—50.图6 不同ρ(S-异丙甲草胺)处理对水华微囊藻光合参数α、Ik、Pnmax的影响Fig.6 Effects of different ρ(S-metolachlor) on α, Ik and Pnmax photosynthetic parameters of Microcytis flos-aquae
双因素方差分析结果(见表1)表明,不同ρ(S-异丙甲草胺)对α值的影响不显著(P>0.05);但培养时间对α值存在显著影响(P<0.01);培养时间与ρ(S-异丙甲草胺)之间的交互作用对α值影响不显著(P>0.05). 不同ρ(S-异丙甲草胺)处理对水华微囊藻的Pnmax和Ik值影响显著(P<0.01);培养时间对水华微囊藻Pnmax和Ik值也存在显著影响(P<0.01);ρ(S-异丙甲草胺)与培养时间之间的交互作用对Pnmax和Ik值影响显著(P<0.01),说明在7 d培养周期内,水华微囊藻的Pnmax和Ik值均受到培养时间与ρ(S-异丙甲草胺)的交互影响.
光合作用是生态系统中能量流动和物质传递的重要环节,并且与植物的生长密切相关. 光合色素含量、叶绿素荧光参数均与光合作用系统各反应过程紧密相关,其变化可反映胁迫因子对植物光合作用产生的影响.
光合色素在植物获取光能过程中起着重要的作用,它直接影响光合势,进而影响初级生产力[20]. 该研究中,各S-异丙甲草胺处理组的叶绿素a含量均受到抑制,这可能是由于S-异丙甲草胺抑制了水华微囊藻光合色素合成酶的活性,从而导致光合色素的合成下降[21]. ZHANG等[22]研究发现,不同浓度的铯均会抑制芥菜叶绿素a含量的增加. 植物在逆境条件下,叶片中叶绿素含量会降低[23]. 类胡萝卜素在保护光合反应中心免受自身氧化中起着重要作用,特别是在非生物胁迫条件下[24]. 该研究中,ρ(S-异丙甲草胺)为1、10、25和50 mg/L时类胡萝卜素含量均显著低于对照组,这可能是由于S-异丙甲草胺破坏了水华微囊藻的类囊体膜,从而抑制其类胡萝卜素含量的合成;Sheo等[25]研究发现,丙草胺和紫外线的B波段(UV-B)对水蕨的叶绿体和类囊体膜造成了损伤,继而出现了类胡萝卜素含量降低的现象. 因此,在S-异丙甲草胺胁迫下,水华微囊藻色素含量的下降导致了其捕光能力的减弱.
Fv/Fm代表植物光反应中心光系统Ⅱ的最大光能转换效率,是表示光系统Ⅱ状况的重要参数[26]. 在健康的生理状态下,Fv/Fm值保持相对稳定,而当植物受到严重胁迫时,光反应中心光系统Ⅱ会失活,Fv/Fm值就会下降,因此Fv/Fm是研究环境胁迫对光合作用影响的重要指标[27]. Megha等[28]研究发现,0.5 mg/L异丙甲草胺会降低杜氏盐藻的Fv/Fm值;JIU等[29]研究发现,在25 mg/m3SO2的胁迫下,紫丁香的Fv/Fm值会降低. 然而,该研究中各S-异丙甲草胺处理组的Fv/Fm值均高于对照组,这表明在该试验处理范围内S-异丙甲草胺对水华微囊藻的胁迫不足以造成功能损伤,水华微囊藻可通过提高自身的最大光能转化效率来进行有效调节,以此耐受逆境. 杨弯弯等[30]也发现,铜绿微囊藻可以通过提高Fv/Fm值来调节低浓度硫氰酸红霉素的胁迫作用.Y(Ⅱ)表示光系统Ⅱ的实际光能转化效率,其反映了被用于光化学途径激发能占进入总激发能的比例[31]. 该研究中水华微囊藻的Y(Ⅱ)先降低后又恢复到正常水平,表明虽然在培养初期S-异丙甲草胺会略微降低水华微囊藻的实际光能转化效率,但水华微囊藻仍能通过自身调节使实际光能转化效率恢复到正常水平. LIU等[32]研究发现,逆境条件会降低胡桃的实际光能转化效率. 刘蕾蕾等[33]研究发现,低温胁迫下,小麦叶片的Y(Ⅱ)会降低,但随着处理时间的延长,在第5天小麦叶片Y(Ⅱ)恢复到了正常水平. 该研究中Fv/Fm和Y(Ⅱ)这两个指标的变化情况均表明水华微囊藻在经过短时间的胁迫适应性调节后,S-异丙甲草胺对藻类光系统Ⅱ反应中心的影响减弱.
快速光响应曲线是电子传递速率随光照强度的变化曲线,可以反应植物的实际光化学效率[34]. 已有研究[35]表明,当藻类受到严重胁迫时,快速光响应曲线会低于正常水平,反映其光合作用受到抑制. 该研究中,10、25和50 mg/L S-异丙甲草胺处理组的快速光响应曲线随着培养时间的增加逐渐显著高于对照组,表明水华微囊藻通过提高自身的实际光化学效率来耐受S-异丙甲草胺的胁迫. 但随着培养时间的增加,50 mg/L S-异丙甲草胺处理组中水华微囊藻的耐受能力有所降低,但其实际光化学效率仍高于对照组. 李雪妍等[36]在研究分散橙S-4RL对微藻的光合活性中也发现,在一定浓度范围内分散橙S-4RL浓度越高,快速光响应曲线越高于对照组. WU等[37]研究发现,高浓度聚氯乙烯会使水华微囊藻的快速光响应曲线高于对照组.
快速光响应曲线有3个特征参数:α反映了光合器官对光能的利用效率;Pnmax反映了浮游植物的最大电子传递速率;Ik反映了浮游植物耐受强光的能力,是捕获的光能与光合中心能够接受的最大光能的一个平衡点[38]. 该研究中,0.1~25 mg/L S-异丙甲草胺处理组的α值先升后降,最后恢复正常水平,但50 mg/L S-异丙甲草胺处理组的α值始终低于对照组,表明当ρ(S-异丙甲草胺)≤25 mg/L时,水华微囊藻可通过自身调节作用维持正常的光能利用率,而当ρ(S-异丙甲草胺)达50 mg/L时,水华微囊藻对光能的利用率开始降低. 而10~50 mg/L处理组的Pnmax值和0.1~50 mg/L处理组的Ik值均高于对照组,表明水华微囊藻在S-异丙甲草胺胁迫下最大电子传递速率变高、抗强光能力变强. WANG等[39]研究发现,氟苯尼考和甲砜霉素会增强水华微囊藻的Pnmax值和Ik值. 桂仁意等[40]研究发现,低137Cs-γ辐射剂量处理毛竹叶片时,其Pnmax值会提高,最大电子传递速率升高.
综上,当ρ(S-异丙甲草胺)≤25 mg/L时,其对水华微囊藻毒性不大,并且在一定浓度范围的S-异丙甲草胺会提高水华微囊藻的光合活性;当ρ(S-异丙甲草胺)达50 mg/L时,水华微囊藻耐受S-异丙甲草胺胁迫的能力开始降低.
a) 在S-异丙甲草胺的胁迫下,水华微囊藻的叶绿素a含量和类胡萝卜素含量均被抑制,且对叶绿素a含量的抑制效果随ρ(S-异丙甲草胺)的增加而增大.
b) 水华微囊藻对S-异丙甲草胺的胁迫有一定的耐受能力. 0.1~50 mg/L处理组的Fv/Fm、Ik值以及10~50 mg/L处理组的Pnmax值从第3天开始高于对照组;10、25和50 mg/L处理组的快速光响应曲线在第5天开始较对照组增加;0.1~50 mg/L处理组的Y(Ⅱ)值虽然在培养的前1~5 d较对照组降低,但到第7天恢复到正常水平;另外,0.1~25 mg/L处理组的α值较对照组出现不同程度的波动,到第5天恢复到正常水平.
c) 在进行水体监测时,可以选择藻类较为灵敏的检测指标〔如叶绿素a含量、Fv/Fm、Y(Ⅱ)及Ik值〕来反映水生生态系统的污染程度.