汾河太原河段水華藻及生物源物質(zhì)抑藻機理研究.pdf

1、淡水水體的富營養(yǎng)化和氣候變暖引起的有害藍藻水華已經(jīng)成為了全球嚴重的環(huán)境問題之一。藍藻水華可導致一系列水環(huán)境問題的發(fā)生，如降低水體溶解氧，影響水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、飲用水供應及休閑娛樂用水。最嚴重的是，有害藍藻水華產(chǎn)生的次生代謝物（藻毒素和藻源異味物質(zhì)等）對水生生物、牲畜及人類有極大的危害。山西省水資源嚴重匱乏，省內(nèi)河流屈指可數(shù)，其中最大且最長的河流是汾河。在維持山西生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟發(fā)展和居民生活中起著不可估量的作用。汾河太原河段處于汾河流域的中段。

2、隨著工業(yè)發(fā)展和城市人口的迅速膨脹，水體富營養(yǎng)化日益嚴重，導致水質(zhì)開始惡化。2011年8月，汾河太原段暴發(fā)了大規(guī)模的藍藻水華，被污染的水域長達數(shù)公里，其后每年都會發(fā)生不等面積的水華。因此，控制藻類的大量生長和繁殖，消除頻繁出現(xiàn)的有害藍藻水華，成為了一個亟待解決的環(huán)境問題。2012-2016年，本課題組對汾河太原段水體中的浮游植物及水華優(yōu)勢種進行了鑒定，首次發(fā)現(xiàn)產(chǎn)藻毒素和藻源異味物質(zhì)種類。為了控制水華，研究了環(huán)境友好型的控藻方法及抑藻機理，

3、主要的研究結(jié)果如下:
　　(1)2012-2016年，通過對采集樣品的觀察，共鑒定出浮游植物202種，隸屬于7門72屬，區(qū)系組成主要以綠藻、硅藻和藍藻為主。隨著季節(jié)和年份的變化，浮游植物物種總數(shù)呈現(xiàn)上升的趨勢，尤其是藍藻、綠藻和硅藻。每年采集的樣品中都會發(fā)現(xiàn)新出現(xiàn)的物種，并且數(shù)量也在不斷上升。汾河太原河段浮游植物細胞密度呈現(xiàn)高度的時空異質(zhì)性，并且在年內(nèi)各個季度分配不均，5月份汾河太原河段10個采樣點的浮游植物平均細胞密度為68.8

4、5×106-74.00×106cells L-1，7月份浮游植物平均細胞密度為194.57×106-226.70×106cells L-1和10月份浮游植物平均細胞密度為45.63×106-63.00×106cells L-1。隨著年份的變化，藻類的細胞密度呈現(xiàn)上升的趨勢，并且藍藻以絕對優(yōu)勢呈現(xiàn)上升的趨勢。這5年中，10個采樣點共發(fā)現(xiàn)浮游植物優(yōu)勢種6門19種。其中藍藻門種類占42.11％，其次為綠藻門種類，占21.05％，其它門優(yōu)勢種類

5、相對較少。但是每年的5月份，躋汾橋和南中環(huán)橋段都會出現(xiàn)裸藻水華，而每年的7-9月份，各采樣點都會出現(xiàn)面積不等的微囊藻水華，并且是不同種的微囊藻形成優(yōu)勢種。各采樣點的優(yōu)勢種呈現(xiàn)高度的時空異質(zhì)性，并且在年內(nèi)各個季度變化較大。通過形態(tài)和分子生物學結(jié)合的手段，對發(fā)生水華的優(yōu)勢種進行了鑒定，結(jié)果表明，5月份發(fā)生的裸藻水華，優(yōu)勢種為血紅裸藻（Euglena sanguinea）。而7-9月份發(fā)生的微囊藻水華，優(yōu)勢種為銅綠微囊藻（Microcysti

6、s aeruginosa）、挪氏微囊藻（Microcystis novacekii）和惠氏微囊藻(Microcystis wesenbergii)。
　　(2)本研究首次發(fā)現(xiàn)汾河太原河段水體中的微囊藻產(chǎn)毒素和異味物質(zhì)。分離純化得到的8株微囊藻中有5株含有微囊藻毒素合成相關(guān)基因mcyA、mcyD和mcyE，且均為產(chǎn)毒微囊藻，但是其產(chǎn)毒素濃度較低。TY001、FH0003、FH0004、FH0006和FH0007產(chǎn)毒素濃度分別為59.

7、76±5.32、36.54±3.06、39.19±2.09、32.09±2.08和36.46±3.02pg/108cells。分離純化的微囊藻揮發(fā)性異味物質(zhì)的檢測結(jié)果表明，8株微囊藻中有6株（TY001、FH0002、FH0003、FH0004、FH0005和FH0006）可產(chǎn)生明顯的異味。經(jīng)過嗅味判斷及與常見異味種類標準品的比對，確定這6株微囊藻產(chǎn)生的異味物質(zhì)主要為β-環(huán)檸檬醛(β-cyclocitral)，其他三類淡水水體常見的藻源

8、異味物質(zhì)(Geosmin，2-MIB和β-紫羅蘭酮)均未檢出。
　　(3)連苯三酚同其它化感物質(zhì)一樣，對銅綠微囊藻生長有一定的抑制作用。首先，藻膽體降解相關(guān)基因nblA表達量的上升可能引起PBS降解蛋白的增加，導致光合效率下降。其次，F(xiàn)v/Fm、PIABS和PICS等葉綠素熒光參數(shù)的顯著降低，綜合說明銅綠微囊藻完整的光合作用性能受到了破壞。同時，也表明連苯三酚對銅綠微囊藻的光合抑制是極其重要的機理。連苯三酚可以明顯抑制細胞生長甚至

9、使細胞致死，是能有效控制和消除銅綠微囊藻水華的化感物質(zhì)。更進一步的研究中，探索更多的化感抑制機理，尋求更高效的化感抑藻物質(zhì)來控制有害藍藻水華。
　　(4)連苯三酚可明顯上調(diào)銅綠微囊藻TY001的氧化脅迫應答相關(guān)基因prx、ftsH、grpE和fabZ，DNA修復相關(guān)基因recA和gyrB的相對表達量。同時，氧化脅迫明顯提高了細胞內(nèi)3種關(guān)鍵的抗氧化酶(SOD、POD和CAT)含量，ROS的大量增加引起脂質(zhì)過氧化反應發(fā)生，從而導致丙二

10、醛(MDA)含量上升。這些實驗結(jié)果表明，連苯三酚對銅綠微囊藻TY001有明顯的抑制作用，氧化損傷和DNA損傷是重要的致毒機理。更重要提出的是，微囊藻毒素合成基因（mcyB和mcyD）和氮吸收相關(guān)基因（ntcA）的表達量及微囊藻含量明顯提高。進一步的研究中需要發(fā)現(xiàn)更多的化感物質(zhì)和更加深入的抑藻機理，控制和消除有害藍藻水華。
　　(5)5，4'-二羥基黃酮(5，4'-dihydroxyflavone，5，4'-DHF)對銅綠微囊藻TY

11、001有明顯的抑制作用。5，4'-DHF脅迫可明顯提高細胞內(nèi)的活性氧水平，同時，prx基因和抗氧化酶(SOD、POD和CAT)的含量也明顯上升。但是隨著處理時間的增長，prx基因的表達量明顯下降，抗氧化酶系統(tǒng)受到損傷，而活性氧水平持續(xù)增高，抗氧化酶不能清除過量的活性氧，導致細胞生理平衡受到破壞。從而，引起了脂質(zhì)過氧化反應和MDA含量的增加，fabZ基因的表達量也明顯下降，細胞膜也受到了極大的損傷。5，4'-DHF脅迫下，recA基因的表