植物化感作用研究进展——以抑制铜绿微囊藻生长为例

钱凯荣 马增岭 李仁辉 陈斌斌 王敏 朱淑楠 荣梦薇 秦文莉

（温州大学生命与环境科学学院，温州 325000）

经济全球化的今天，环境问题日益显著。其中，水体富营养化的控制和藻华的消除是环境工作者面临的一个难题。淡水藻华中，铜绿微囊藻大量繁殖是水体富营养化的一种常见表现形式［1］。同时，铜绿微囊藻会释放一种单环七肽化合物，且已有过百个同源体，即微囊藻毒素（microcystins，MCs），它会使植物幼苗发生变形、叶片光合能力降低，MCs会通过食物链直接或间接的进入动物体内，通常会出现中毒症状，如肌肉无力、呼吸窘迫等［2］。早期学者普遍认为 MCs 是一种急性肝毒素，通过皮肤接触就会刺激损伤肝脏。近期的研究表明，MCs 对肾、脑等器官均表现出一种慢性毒作用，并诱导呼吸、生殖系统产生生理上的病变，基因突变也是其危害的范畴之内［3］，也有人认为在中国地区高发的原发性肝癌就与其相关。因此，水体藻华如何被有效控制，已是环境领域多年来的研究热点。

世界各地的学者不断探索与研究各种方法来应对水体富营养化带来的危害，目前对于控藻的常规方法有操作简单但处理时间较长且消耗成本过高的物理法、用于应急治理但日后对水体危害较大的化学法以及生态危害性低但控藻过程较为繁琐的生物法，但因生物法符合当下各国的可持续发展理念，进而备受国内外学者关注，植物化感物质控制藻类生长即是生物法中的一类。

21 世纪以来，植物对铜绿微囊藻生长繁殖的化感作用已有大量研究。由于早期学者的研究思路致使水生植物的起始研究较陆生植物早，已有研究证实通过化感物质的释放来使得铜绿微囊藻生长受到抑制的水生植物有沉水植物、挺水植物和浮水植物，其中包括粉绿狐尾藻（Myriophyllum aquaticum）［4-5］、黄菖蒲（Lris pseudacorus）［6］、槐叶萍（Salvinia natans）［7］等。而常见的陆生植物如大麦（Hordeum vulgare）、加拿大一枝黄花（Solidago canadensis）、水稻（Oryza sativa）等，植物量大、次生代谢产物丰富等特点使其逐渐成为新的研究热点。

本文针对水生植物和陆生植物对铜绿微囊藻的化感作用，从化感作用的发展、化感物质和作用机制进行详细阐述，归纳了各种植物的化感作用特点，并且总结了抑制铜绿微囊藻的植物种类和研究方法以供深入研究参考。

1 化感作用

德国科学家 Molisch 在 1937 年提出“化感作用”，阐述包括微生物在内的所有植物间生物化学方面的相互作用。将近40年之后，Rice［8］对“化感作用”进行更深层次的补充，增添了植物是通过释放化感物质来对其他植物以及微生物产生危害这一前提。但是，现有研究表明，化感作用也有相互促进的效果。水生植物对藻类的异株克生是1949 年Hasler 等［9］首次发现。随着富营养化水体问题的日益严峻，预防水华发生已经是全球环境领域研究的中心和前沿，显然通过化感作用来控制藻类的繁殖与生长已是众多学者专研的课题。

2 水生植物对铜绿微囊藻的化感作用

20 世纪后期开始了水生植物化感抑藻的相关研究，具有化感抑藻作用的水生植物主要有沉水植物、挺水植物和浮水植物等［10］。研究表明，植物中含有大量化感物质，至今已知的化感物质大体上分为如表1所示［8，11］。表 2 总结了抑制铜绿微囊藻生长的水生植物种类、对应的抑藻研究方法、已分离鉴定的主要化感物质及其有效抑制率。

表1 按化学结构对化感物质的归类Table 1 The classification of allelochemicals in terms of their chemical structure

表2 对铜绿微囊藻具有化感作用的水生植物Table 2 Aquatic plants that are allelopathic to Microcystis aeruginosa

表2续表

2.1 沉水植物对铜绿微囊藻的化感作用

沉水植物生长在水面以下，争夺藻的生存空间、营养物质以及遮挡水中有效光照的射入，从而影响藻的生长生存。另外，其还通过化感物质的释放来影响和阻碍藻类生长［12］。如穗花狐尾藻（Myriophyllum spicatum）、伊乐藻（Elodea canadensis）、轮叶狐尾藻（Myriophyllum verticillatum）释放的水解多酚对铜绿微囊藻生长有抑制作用［13］。Nakai等［14］和 He等［15］在研究穗花狐尾藻化感抑制铜绿微囊藻生长过程中，发现其分泌物中酚酸类化合物占主导，其中有富含焦酸、没食子酸、（+）-儿茶素等酚酸类化感物质，以及棕榈酸、正壬酸、硬脂酸、肉豆蔻酸及油酸在内的多种脂肪酸类化感物质。胡陈艳等［16］从马来眼子菜（Potamogeton malaianus）中分离出脂肪酸类活性组分，其中脂肪酸和油酸高达 8 种，证实了脂肪酸类化感物质具有抑藻效应。黄新颖等［17］对马来眼子菜、黑藻（Hydrilla verticillata）和苦草（Vallasneria asiatica）进行抑藻活性组分的分析，结果表明，从3种植物的水浸出液中分离出 40 余种化合物，其中脂肪酸类占据多数。另外，眼子菜科植物，如浮叶眼子菜（Potamogeton natan）［16，18］、光叶眼子菜（Potamogeton lucens）、篦齿眼子菜（Potamogeton pectinatus）［19］等体内可以分离得到生物碱、二萜、类黄酮等具有控藻活性化合物。最新的研究表明，生物碱类物质对铜绿微囊藻生长的抑制效果最佳，其最大抑制率（＞80%）高达酚酸类，脂肪酸和酯类化感物质的 52 倍，且作用时效也明显长于酚酸类，脂肪酸和酯类化感物质［20］。因此，沉水植物中可以通过释放酚酸类、脂肪酸类、生物碱等化感物质从而控制铜绿微囊藻的生长。

将多种植物混合培养，则会产生复合效应，具有更强的抑制效果［21］。鲜啟鸣等［22］将金鱼藻（Antirrhinum majus）和微齿眼子菜（Potamogeton maackianus）这两种植物共培养，对铜绿微囊藻抑制效果要优于两种植物单独培养时的抑制效果。同样，张之浩［23］也进行了类似的研究，结果显示植物组合处理的实验组对浮游藻的抑制能力都显著高于单一植物处理组，其抑制率顺序为：（金鱼藻+黑藻）＞（狐尾藻+苦草）＞（金鱼藻+苦草）＞（狐尾藻+黑藻）＞（黑藻+苦草）＞（狐尾藻+金鱼藻）＞单一植物，证实了多种植物混合培养能够提升对藻的抑制能力。不同植物的化感物质分泌至同一环境中，化感物质结合产生新的化感特性，进而提升了对铜绿微囊藻的抑制能力。高云霓等［24］对苦草化感物质的进一步分析，在研究苦草释放的酚酸对铜绿微囊藻的化感作用时，从其乙酸乙酯组分中检测到苯甲酸、对羟基苯甲酸、对羟基苯乙酸、邻苯二甲酸、对羟基苯丙酸、香草酸、原儿茶酸、阿魏酸和咖啡酸等9种酚酸。不同酚酸混合后表现出加和抑藻效应，且随着混合种数的增多，酚酸的加和效应增强。综上所述，多种化感活性物质的交互或联合作用可能是水环境中沉水植物化感抑制铜绿微囊藻的一种关键机制。

2.2 挺水植物对铜绿微囊藻的化感作用

挺水植物茎和叶挺出水面，根生长在底泥之中，主要通过根部释放化感物质抑制藻类的生长。Zhang等［25］研究了铜绿微囊藻对菖蒲（Acorus calamus）根茎提取物的生理耐受性实验发现，50 mg/L 和 100 mg/L 的菖蒲提取物在 3 d内对铜绿微囊藻的抑制率接近 100%。早期有学者对菖蒲的根部做了对比实验显示，根部未受损的菖蒲对铜绿微囊藻有明显抑制效果，这也表明菖蒲对铜绿微囊藻的化感作用主要来源于根部分泌物［26］。李锋民和胡洪营等［27］研究得出大型水生植物芦苇（Phragmites communis）能分泌出化感物质 2 -甲基乙酰乙酸乙酯（ethyl 2-methyl acetoacetate，EMA），EMA 能对铜绿微囊藻的生长起到抑制作用并对其生理特性产生不同程度的影响。也有学者对芦苇不同部位浸出液对铜绿微囊藻的抑制效果进行比较发现：根＞穗＞秆［28］，说明植物各部位化感抑藻能力存在差异，但根部释放的化感物质对铜绿微囊藻抑制效果更好。

目前有研究发现挺水植物以根部为化感物质的主要释放源，但部分植物的化感物质释放量浓度很低，导致抑制效果不明显，因此通过有效的提取方法来增强其抑制效果成为了新的研究热点。王红强等［29］对菖蒲、香蒲（Typha orientalis Presl）、梭鱼草、水花生（Alternanthera philoxeroides）比较超纯水与丙酮溶剂提取液对铜绿微囊藻的抑制情况发现，超纯水浸提液的抑制率分别为 9.8%、6.3%、7.5%和43.2%，丙酮浸提液抑制率分别为 38.0%、16.5%、17.6%和61.7%，表明丙酮浸提液的抑制效果显著高于超纯水浸提液，这或许是与两者提取的多酚纯度有关，但并未得到有力的实验举证，需进一步研究分析。李江［30］通过植物种植水、植物浸提液、共培养等3种实验方式研究慈姑（Sagittaria trifolia）和荸荠（Eleocharis dulcis）对铜绿微囊藻生长的影响，均是取植株根茎部位进行实验，结果显示慈姑种植水、慈姑浸提液、荸荠种植水、荸荠浸提液均对铜绿微囊藻的生长具有抑制作用，且抑制率分别为55.45%、89.30%、57.04%和91.40%。同时，实验还证实荸荠对应的外源性化合物圣草酚是导致铜绿微囊藻藻细胞减少以及死亡的主要化感物质。同样的，张娉杨［31］也做了类似的实验，对水葱和慈姑的种植水和根茎提取液进行对比，表明水葱种植水、水葱茎浸提液、慈姑种植水及慈姑茎浸提液对铜绿微囊藻生长的最高抑制率分别达 25.32%、67.39%、53.54%和90.99%。总体而言，对铜绿微囊藻的抑制能力强弱的排序为：慈姑＞水葱，根茎浸提液＞种植水。这一结果与李江的实验结果一致，说明通过浸提的方式提取化感物质能够增强对铜绿微囊藻的抑制效果。

2.3 浮水植物对铜绿微囊藻的化感作用

浮水植物基本浮在水面且其具有较大的叶片或植物组织，从而切断了水体中藻类的光源，导致藻类不能进行有序的光合作用，因此藻密度降低。但有研究发现了浮水植物对藻类生长的影响不仅于此，其同样可以释放化感物质，进一步影响藻类的生长。杨小杰等［32］研究了凤眼莲对铜绿微囊藻共培养效果，其 4 d时铜绿微囊藻细胞就出现萎缩现象，类囊体片层结构出现溶解，细胞 ATP 水平持续快速下降，铜绿微囊藻毒素（MC-LR 和 MC-RR）的释放量显著降低。刘洁生等［33］发现凤眼莲（Eichhornia crassipes）根系丙酮提取物中存在多种化感物质如亚油酸、N-苯基-2-萘胺、亚油酸甘油脂、壬酸和丙酰胺等。同时，荇菜（Nymphoides peltatum）［34］、睡莲（Nymphaea tetragona）［35-36］、水罂粟（Hydrocleys nymphoides）［37］和大薸（Pistiastratiotes）［38］等均对铜绿微囊藻生长有着显著抑制作用。汪丽［34］将铜绿微囊藻作为优势种与荇菜进行共培养发现，藻细胞光合能力的大小与荇菜植株的生长及其产生的遮光作用密切相关，在 40 d时铜绿微囊藻相比初始藻密度下降了 94.68%，铜绿微囊藻生长受到明显的抑制。藻细胞酶活性指数显著上升，说明荇菜种植水含有化感物质并且对铜绿微囊藻产生了不利的生理影响。因此，浮水植物除了遮光效应［39］外，分泌抑藻化感物质也是抑制铜绿微囊藻生长的一种重要机制。

浮水植物的相关研究相对较少［40］，目前的研究发现，浮水植物化感物质成分主要有：N-苯基-1-萘胺、N-苯基-2-2 萘胺、苯并茚酮、亚油酸、亚油酸甘油脂、非那烯、双非那烯和间苯二酚等，这些化感物质对雷氏衣藻、隐藻也有较好的化感抑制效果［41］。

3 陆生植物对铜绿微囊藻的化感作用

长久以来，水生植物的化感作用始终是研究的主要内容，而陆生植物的化感作用研究甚少。这部分原因可能是由于早期研究者所创造的研究路线与方向有关。近些年，研究者把目光逐渐转向生物量更大的、次生代谢产物更为丰富的陆生植物上。孙垂华［58］所出版的关于植物化感作用的书籍中，认为陆生系统的化感物质对水生生态系统更有效，尤其是对淡水生态系统的作用不容小觑。目前研究较多的是草本植物和木本植物，表 3 总结了抑制铜绿微囊藻生长的陆生植物种类、对应的抑藻研究方法、已分离鉴定的主要化感物质及其有效抑制率。

3.1 草本植物对铜绿微囊藻的化感作用

研究发现，草本植物中的禾本科、菊科、百合科、天南星科和毛茛科植物的提取物都表现出对藻类的抑制作用［59］。早在 1990 年，大麦秸秆的抑藻作用就已经在实验室和自然水体取得了成功，这也是目前为止比较成功的化感抑藻的应用实例。邓继选［60］检测出大麦秸秆中 20 多种化感物质，其中胺类和酯类含量较大，可能为大麦秸秆中主要的化感物质，大麦秸秆分泌的十六烷基三甲基溴化铵（hexadecyl trimethyl ammonium bromide，HTAB）和邻苯二甲酸二丁酯（dibutyl phthalate，DP）对铜绿微藻具有较强的抑制效果，EC50在第 6天分别是 1.3 mg/L 和 2.1 mg/mL，两种抑藻物质通过破坏铜绿微囊藻细胞膜的结构，从而使得细胞内物质成分紊乱并且匮乏，最终导致细胞破裂死亡，这可能是秸秆对铜绿微囊藻抑制机理之一。也有学者在最新的研究中表明，大麦秸秆降解过程中产生的主要是酚酸［61］。Yuan等［62］发现禾本科植物互花米草（Spartina alterniflora）水提液对铜绿微囊藻的生长具有抑制作用，其抑制率呈显著剂量相关，从互花米草鉴定出多种化感物质，如环己烷、庚烷、2-环己烷-1- 1、十六烷酸和2，4-二叔丁基酚和氢肉桂酸等。这也就表明了陆生植物常常含有多种化感物质且能够协同抑制铜绿微囊藻生长。菊科植物野艾蒿等蒿属植物化感物质极其丰富，徐芙清等［63］选取野艾蒿（Artemisia lavandulaefolia）、小白酒草（Conyza canadensis）、杭白菊（Chrysanthemum morifolium）3种常见陆生菊科植物与铜绿微囊藻共培养，10 d 后抑制能力从高至低分别为：野艾蒿、杭白菊、小白酒草，抑制率分别为 89.3%、75.2%和4.9%，表明陆生菊科植物具有明显的控藻功能，其中野艾蒿具有应用于水体富营养化的治理和开发新型抑藻剂的潜力。

提取的溶剂和植物部位选择的不同，均会导致所提浸出液抑藻效果的不同，这一现象也出现在陆生植物之中。程萌等［64］做了入侵草本植物喜旱莲子草对铜绿微囊藻的化感作用研究，结果显示，喜旱莲子草不同部位浸提液化感作用强弱不同，且植物体地下部分浸提物化感作用明显强于地上部位。薛维纳等［65］对仙人掌茎进行了不同溶剂浸提实验，发现水浸液提取物对铜绿微囊藻具有低促高抑的作用效果，而用乙醇溶剂提取的浸提液对铜绿微囊藻仅仅具有抑制效果，并且抑制效果更强，表明乙醇比水可以浸提种类更多或者浓度更高的有机化感物质。Ni等［66］做了类似的实验，对青蒿（Artemisia carvifolia）、小白酒草（Erigeron canadensis）和一年蓬（Erigeron annuus）用石油醚、乙酸乙酯和乙醇不同溶剂进行提取，结果表明乙酸乙酯提取液对铜绿微囊藻的抑制效果最好。白羽等［67］研究发现在第7天时加拿大一枝黄花的水浸液对铜绿微囊藻抑制率达到了 90% 左右的，其不同部位的浸提液对铜绿微囊藻的抑制效率为：叶＞根＞茎。除了控藻能力的差异外，甚至某些陆生植物不同部位浸出液会出现反作用方向，如朱佳等［68］对滴水观音（Alocasia macrorrhiza）不同部位的浸提液对铜绿微囊藻的作用效果进行研究发现，其叶浸提液的化感抑藻能力高于根，抑制率可达 93%，而茎浸提液反而促进了铜绿微囊藻的生长，促进率达 364%，说明同种植物的不同部位所含化感物质作用差异较大，部分植物存在高浓度促进作用。这一结果与水生植物出现显著差异，且部分水生植物的不同部位有一定的促进作用，但抑制率还是高于促进率，这也就整体趋向于抑制主导，所以在草本植物化感作用方面还需要进行长久的探讨与努力。

3.2 木本植物对铜绿微囊藻的化感作用

研究发现，木本植物中的桃金娘科、松科、漆树科、芸香科、桑科、木犀科、胡桃科、杨柳科、柏科和山茶科植物提取物均对藻类的生长有抑制作用［59］。马妍等［69］通过研究植物浸提液对铜绿微囊藻的抑制作用发现，雪松、核桃楸、枫杨和核桃 4种植物是具有开发价值的陆生抑藻植物。同时，石雨鑫等［70］对香樟、梧桐、银杏和柳树进行抑藻实验发现，这 4 种植物浸提液均对铜绿微囊藻具有抑制生长的效果。Zhao 等［71］研究了桉树对铜绿微囊藻的抑制作用，结果表明除种植桉树对铜绿微囊藻有抑制效果之外，桉树叶提取物对铜绿微囊藻的生长也能起到抑制作用。在我国南方地区，漆树科植物人面子（Dracontomelon duperreanum）极为常见，Wang 等［72］测得其落叶水浸提液在第15天时对铜绿微囊藻的抑制率达到 99.6%。这也很好地解释了在自然界中，一般落叶较多的水体中出现藻类暴发的几率会比较低，这是由于落入水体中的叶片组织能够浸出某种化感物质，对藻类生长起到一定的抑制作用。除了树叶有抑制效果之外，树干也同样具备抑藻能力。Park等［73］和周丽等［74］日本常绿橡木（Quercus acuta）的树叶和树干、麻栎（Quercus acutissima）树叶、赤皮椆（Quercus gilva）树干、柳叶栎（Quercus salicina）树叶等 9 种植物不同组织部位用甲醇溶剂进行化感物质的提取，结果表明 5 种甲醇浸提液均对铜绿微囊藻起到显著抑制作用，其平均抑制率超过 90%，还有7 种浸提液对铜绿微囊藻有一定的抑制效率，抑制率在约50%。Man和Pei等［75］发现臭椿树（Ailanthus altissima）的树皮浸提液对铜绿微囊藻的抑制率也在90%以上。这也证明了植物树干、树叶都对铜绿微囊藻具有抑制效果，可以作为新型抑藻剂的研究方向，是一种废物再利用的生态友好型藻华控制策略。

除了树皮和落叶外，植物的果实也成了化感物质研究的又一热点。木犀科植物女贞（Ligustrum lucidum）的果实女贞子，其浸提液对铜绿微囊藻有较好的抑制作用［76］。另外有早期的研究发现，橘子皮浸出液能够显著的控制铜绿微囊藻的生长，其40 d 的抑制率到了100%［77］。也有学者对香蕉皮和槟榔（Areca catechu）核进行了对比研究，结果均能对铜绿微囊藻有抑制作用，其中槟榔的抑制作用更为明显，槟榔的平均抑制效率达到 99%［78-79］。Chen等［80］用石榴（Punica granatum）皮粉对铜绿微囊藻进行生长实验发现，石榴皮粉 8 g/L 时抑制率达到93.9%。通过对植物果实的不断探索性实验，可以推测植物果实含有丰富的化感物质，这为人们找到化感物质丰富的来源提供了方向，应该更深一步展开植物果实化感物质成分鉴定，分离纯化及抑藻机理方面的研究。

4 化感物质抑藻作用机理

水生植物和陆生植物含有大量的酚类、胺类、有机酸、黄酮类、萜类、酯类、芳香族化合物和其他的一些活性物质，并且部分活性物质已被提取、分离和鉴定，可对淡水有害藻类产生抑制作用［90-91］。根据目前已有的研究成果，化感物质抑制铜绿微囊藻生长主要是细胞膜结构的破坏、影响藻类光合作用和改变藻细胞内酶活性这3个方面进行，而近几年的研究朝影响藻细胞的基因表达与蛋白质合成方向发展。

4.1 破坏藻细胞膜结构

细胞膜作为细胞重要结构和功能元件，对细胞的分裂、分化以及生长起着重要保护作用，使得细胞内环境稳定［92］。化感物质会破坏组成细胞膜的单元，使细胞膜的选择渗透性功能出现紊乱，导致胞内所需物质的流失和胞外废弃物的进入，最终都会导致细胞的死亡。李峰民等［27］通过实验证实化感物质 EMA 使得铜绿微囊藻细胞膜不饱和脂肪酸增加，因其不饱和键的存在，导致其分子间排序杂乱且紧密度降低，同时相变温度降低，从而细胞膜流动性增强，最终细胞膜破损并且胞内物渗出，细胞内片层结构解体。Ni和Rong等［93］在研究亚油酸对铜绿微囊藻抑制机制时也发现藻细胞外液中电导率增加，第40天达到对照组的 3 倍，而对照组并无显著变化。可能是由于亚油酸处理后藻细胞光合作用过程产生的 O2-，引起细胞质膜的膜质过氧化，造成细胞膜通透性功能的改变。物质交换和能量传递都经过细胞膜的转运以及过滤筛选，然而受损的细胞膜，会导致外来物质自由进入细胞，而细胞内物质也没有了阻拦，向外渗透，导致藻细胞死亡。

4.2 影响藻类光合作用

植物自身的生理生化必须借助光合作用来维持。研究证实，藻细胞中的叶绿素（Chl）a 含量会被植物所释放的化感物质所影响，其光合作用场所被破坏，影响光系统 II（photosystem Ⅱ，PSII）的正常功能，从而使得其无法利用从光中吸收的能量，有序的生理功能被打乱，使得藻细胞的生长速度减缓或衰退［74］。张欣等［94］从沉水植物菹草与铜绿微囊藻共培养实验中发现，其化感物质通过抑制Chl的合成，从而影响光合作用系统，且可溶性糖合成受阻，正常的生理代谢过程被打乱，从而抑制了铜绿微囊藻的生长。李锋民等［27］研究发现 EMA 通过降低藻光合作用速率以及降解 Chl a，从而影响铜绿微囊藻的生理特性。Wu等［5］分析粉绿狐尾藻对铜绿微囊藻藻细胞吸收光谱、藻胆蛋白吸收光谱及Chl a三者相对含量等指标的变化态势，发现藻胆蛋白应对化感物质表现出更敏感的特性，其中别蓝藻蛋白（allophycocyanin，APC）的敏感性最为突出，这也就使得其有更大的受损风险，从而推断藻胆蛋白是粉绿狐尾藻对铜绿微囊藻光合系统的化感作用的主要靶位点。Zhu等［95］研究发现穗花狐尾藻释放的中焦性没食子酸（pyrogallicacid）能够影响铜绿微囊藻PSⅡ，使其电子传递被阻断，产生梅勒反应，即假环式电子传递在其光合作用过程中，不能正常运行，细胞体中活性氧（reactive oxygen species，ROS）增加，而 ROS 会对D1蛋白造成严重的损伤，而损伤的 D1蛋白又是光系统放氧复合体的核心蛋白，导致光合放氧速率严重下降，且 ROS 的积累，会诱导藻细胞的程序性死亡，进一步影响了藻类的正常光合作用，致使藻不能正常生长［96］。综上所述，化感物质影响藻植物的 Chl a、藻胆蛋白等从而影响其捕光系统的正常功能，也可通过对电子传递链的破坏，使得藻细胞代谢活动能量无法补充，抗胁迫分子的形成阻碍增大，导致受损光合系统不能被修复，光合电子传递链能力下降，最大量子产率也将出现一同的变化趋势。这一连环的结构功能被破坏，导致藻类植物不能进行有效的光合作用，最终导致藻细胞死亡。

4.3 改变藻细胞酶活性

酶活性对于植物适应环境至关重要，在化感物质的胁迫下，铜绿微囊藻通过细胞酶活性的改变来缓解由化感作用导致的 ROS 的伤害，这是藻类的一种自我保护机制。因此，针对性的对酶活性或酶干扰底物进行抑制或破坏，能有效控制藻类的生长。若清除 ROS 的主要酶类含量降低，大量 ROS 产生囤积，使得细胞器和细胞结构遭到破坏。同时，编码帮助清除过氧化物酶类的基因表达量也下降［97］。超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、抗坏血酸过氧化酶（ascorbic peroxidase，APX）、过氧化氢还原酶（catalase，CAT）三者是细胞用于清除ROS 的主要酶系。细胞内 ROS 水平的稳定主要是取决于 SOD 与 CAT 或 APX 之间的平衡［98］。目前已有研究表明，一些化感物质能对抗氧化酶活性产生不利影响。贾惠雁等［45］发现水蕹菜有效抑制铜绿微囊藻生长，在 40g/L 水蕹菜种植水作用下，其 SOD、过氧化物酶（peroxidase，POD）和 CAT 活性在 4 d内到达峰值，随后藻酶活性急剧下降，在第10天酶活性指标低于对照组，且藻最终失活。化感物质的加入使得铜绿微囊藻抗氧化酶活性往往呈现一种先增加后下降的趋势，原因是由于受体通过提升自生抗氧化酶活性来应对 ROS 所带来的伤害，由于 ROS的不断产生与积累，致使其无法清除大量的 ROS，使得这种保护机制奔溃，导致酶活性的下降，而酶活性的降低，使得植物对环境的适应能力下降，最终导致植物死亡。

4.4 影响藻细胞基因表达与蛋白质合成

生命功能重要的支撑者就是蛋白质。细胞内各种细胞因子、转录翻译调节子、酶类及离子通道等都是蛋白质。DNA 的遗传信息转录为 RNA，在翻译调节因子的调节下翻译成多肽，通过机体的加工与修饰形成有对应功能的蛋白质［99］。化感物质通过影响以上的某一项或多项环节，从而影响受体中蛋白质的合成和基因表达。Lu 等［100］研究铜绿微囊藻被绿茶茶多酚的主要组成成分——没食子酸酯（epigallocatechin gallate，EGCG）胁迫下的基因表达状况，结果发现 psa C 和 psb D 的表达在 EGCG 胁迫下下调，对光合中心 PSI 和 PSII 造成不利影响，另外 ndh C 和 atp B 表达下调，导致铜绿微囊藻藻细胞ATP的合理受阻，对藻细胞生长产生负面影响。Bi等［101］发现小檗碱对铜绿微囊藻基因表达有明显影响，抑制了 869 个基因表达并且诱导 1 419 个基因表达，小檗碱通过影响 psb D、psa A、psa B 等关键光合作用基因的表达而诱导藻类光合作用过程的紊乱。黄莹莹等［102］研究也证实了加拿大一枝黄花浸提物对铜绿微囊藻作用时，261 种蛋白表达出现异常，其中 220 种上调，41 种下调，其中包含参与藻生物过程和代谢过程的蛋白，使得铜绿微囊藻生理生化反应受到影响。目前化感作用对藻细胞的基因表达和蛋白质合成具体机制尚不明确，无法解释是如何影响上述基因表达，或者对其他基因的表达和蛋白转录合成是否有影响，还有待进一步的研究来揭示。

5 植物化感抑藻研究的不足

至今，已有许多研究发现了水生植物与陆生植物均能对铜绿微囊藻的生长繁殖产生抑制乃至完全控制的效果，但还存在许多问题。在植物的化感抑藻研究中，往往通过种植水、共培养以及溶剂浸提液的方式进行抑藻研究，并且大多数研究不够深入且实际应用难度较高甚至无法应用。

5.1 植物化感抑藻研究设计不全面

对于化感作用研究大多集中于控制实验，外界干扰因素可控，仅是单一植物或几种植物混合实验对微囊藻的化感效应，研究结果在实际应用中会因现实因素的干扰导致效果不理想，需要进一步模拟真实环境进行深入研究。目前对抑制微囊藻生长的水陆植物化感物质的提取仅局限于独立的根、茎、叶等部位，但水陆植物抑藻作用可能是依靠植物整体的动态调节作用，因此，抑藻过程水陆植物各部位活性物质释放的动态监测结果对研究植物化感作用具有理论指导意义。

研究者在化感控藻实验中，种植水与共培养方面往往集中在水生植物的抑藻实验中，这可能是因大部分陆生植物无法适应水环境生长或水培难度较高而导致研究较少，但陆生植物化感物质的释放以及营养物质的吸收能力普遍高于水生植物，能取得稳定且持续的效果，如Zhao等［71］用桉树进行水培实验，发现水体内氮、磷含量在30 d内持续稳定下降，藻密度也随之降低，且对水环境中其余生物群落结构影响甚微。将陆生植物用于水培抑藻的实验研究甚少，大部分在集中在植物组织浸提液的化感抑藻上，研究手段过于单一化，应结合其他学科进行多领域的共同治理。另外，陆生植物虽有较好的抑藻效果，但因其是环境外部的生物进入水体，会不会引起水环境的生态失衡还有待进一步完善与研究。

5.2 化感物质的鉴定、用量及其稳定性尚不明确

多数的研究徘徊在化感物质的提取与藻生物量的直接关系上，并未对其余要素做充分考虑，使得研究结果未能具有为应用于实践提供强有力的数据支撑。如大薸、加拿大一枝黄花、人面子等［38，67，72］为实验主要材料的研究中，用有机溶剂提取植物体中的化感物质从而进行对铜绿微囊藻抑制的研究，但所提取的化感物质不明，在实验中也未进行化感物质的鉴定，即使对铜绿微囊藻有较好的抑制效果，但因存在不安全性，致使此类材料无法得到实际应用。同时，植物释放化感物质的浓度对藻的化感作用，与它们的相对生物量有关，这也是今后可以研究的方向，总结并分类各个植物对各藻种的最佳抑制效果时的生物量对比，可为日后的研究工作带来便利与指引。另外，天然植物所产生的化感物质稳定性较差，在水中会很快降解，这就无法有效的对藻进行化感作用，所以研究化感物质进入水体后的分解或降解过程是很有必要的。

5.3 化感物质作用靶点不明确

虽然目前研究出许多水陆植物对藻有明显抑制效果，但化感物质对藻的作用靶点还不明确，也使得目前的杀藻剂呈现出一种“治标不治本”的态势，对藻体受害位的确定是研究出更安全、更有效的杀藻剂的必经之路。另一方面，化感物质抑制藻类生长的机理始终未得到充分的解释，常见的化感控藻的实验研究往往用藻细胞酶活性变化来表征细胞所受的胁迫效应，从而来解释抑制机理，但这只停留于表面，未更深层次的进行研究，未来应从分子甚至基因层面进行实验结果的剖析，才具有研究的完整性与科学性。

6 总结与展望

植物化感作用的发现为处理藻华、修复富营养水体提供了新的思路，从最先的水生植物对铜绿微囊藻的抑制研究到后面选择生物量更大且次生代谢产物更为丰富的陆生植物。水生植物与水密切接触，致使研究的起始点要高于陆生植物，同一水生植物不同部位释放的化感物质是不同的，且植物组织浸提液的抑制效果往往高于植物种植水。对于陆生植物来说，因其生存条件的差异，与水生植物的研究手段会有所差别，但陆生植物同水生植物有类似的化感物质种类。陆生植物所释放的化感物质也有协同抑制作用，且陆生植物果实的抑制效果尤为明显。化感作用控藻的机理研究从细胞膜的破坏、光合作用的影响、细胞酶活性的异常表现以及基因表达与蛋白的合成进行研究，其中前三者的研究更为完整详细，基因表达与蛋白质合成的研究尚需进一步完善。

植物体的各组织部位释放的化感物质种类、释放量、稳定性存在差异，为解决以上问题，需建立在研究实验是全面完善的前提下。化感物质协同改性的特点应更深入的进行分析，建立起最佳的化感物质协同种类以及比例，为更有效、更安全的水生态修复提供科学指导。最后，化感作用的机理研究应提高至更深层次，从原来的细胞水平研究拓展到分子以及基因上的实验分析，这也将成为以后化感物质抑藻机理的研究重点。

一种稳定、持续且不影响水环境中正常生物群落结构的植物，才是我们真正需要的控藻材料。总而言之，为开发能够应用于生态治理的化感作用产品或方法，仍需要发现更多有助于藻华控制的化感植物，从化感物质的分离鉴定、抑藻机理、生态安全性等多个方面进行更深入、系统和全面的研究，才能更安全、更有效的治理环境问题。