藻類聚合磷酸鹽的分析方法

閆 彬

(重慶大學城市建設與環境工程學院，重慶 400045)

?

藻類聚合磷酸鹽的分析方法

閆 彬

(重慶大學城市建設與環境工程學院，重慶 400045)

對藻細胞內部聚合磷酸鹽的檢測方法進行了總結，并從細胞染色法、化學提取分析法兩方面進行了具體的論述，比較了不同分析方法的優缺點，有助于藻類聚合磷酸鹽研究的發展。

聚合磷酸鹽，藻類，染色法，化學分析法

聚合磷酸鹽(polyphosphate,polyP)是由三個以上正磷酸根殘基通過高能磷酸鍵連接而成的線性聚合體，其廣泛存在于自然界，在火山冷凝物、深海熱泉和生物(細菌、真菌、原生動物、植物、哺乳動物)都有發現，其在地球上的出現時間甚至比核酸、蛋白質更早，但由于檢測方法的限制，聚合磷酸鹽長期被忽視。聚合磷酸鹽首先發現于迂回螺菌中，故又被稱為迂回體，Graham在1833年通過熔合磷酸二氫鈉后快速冷卻的方法最早合成了無機聚磷酸鈉鹽[1,2]。polyP在生命系統的主要功能有:貯存磷和能量，螯合和貯存陽離子、構成膜通道、參與磷轉運、參與細胞膜形成、調控酶活性、調控脅迫響應等[3-5]。

藻類廣泛分布于淡水和海洋生態系統中，為全球貢獻超過50%的初級生產力，在維持水生生態系統穩定、促進營養元素(碳、氮、磷)的生物地球化學循環中扮演舉足輕重的角色。目前藻類水華與水體營養狀態的研究集中于水體中總磷、溶解性總磷、氮磷比方面，對細胞內部的磷存儲機制涉及較少[6-8]。由于聚合磷酸鹽聚合度變化范圍廣、結構復雜且藻類體內含量少，缺乏準確可行的測定方法，藻類體內聚合磷酸鹽的研究發展緩慢。本文對藻類細胞內聚合磷酸鹽的分析方法進行總結，以期在分析方法的實際應用選擇上提供借鑒。

1 聚合磷酸鹽的染色方法

聚合磷酸鹽在研究中，最常用、最早的研究方法是通過染色驗證其存在性，常用的染色劑有甲苯胺藍、亞甲基藍(美蘭)、中性紅，異染粒在染色劑的作用下呈現不同顏色的亮光，但由于染色劑染色對象的非選擇性，胞內的其他聚合物也會被染上顏色，會削弱甚至屏蔽聚合磷酸鹽的染色效果；另外染色法只能定性地判斷聚合磷酸鹽的存在，不能對其含量進行測定。

亞甲基藍在pH較低時(約2.8)方可與多聚物結合，與聚合磷酸鹽結合后呈粉紫色，細胞呈藍色，由于兩種顏色的區別并不鮮明，該方法適用于胞內儲存大量聚合磷酸鹽的情況，染色15 s即可。奈瑟氏染色時需要先將亞甲基藍溶解在酸性溶液中，與聚合磷酸鹽結合后顆粒呈紫黑色，細胞為棕黃色，明顯顏色反差使得奈瑟氏染色比亞甲基藍染色效果更好，染色30 s的效果較好。對奈瑟氏方法的改進取得了良好效果，與傳統方法相比，使用的復染液都是乙液，改進方法將傳統使用的初染液成分(亞甲基藍與結晶紫的混合液)改為僅亞甲基藍，新方法染色后的顆粒呈墨綠色，使用的試劑相對簡單，也便于與細胞區分[10,11]。

作為生物研究中常用的熒光染料，4’,6—二脒基—2-苯基吲哚(4’,6—diamidino—2-phenylindole，DAPI)也可以對胞內聚合磷酸鹽進行染色，需使用熒光顯微鏡進行觀察[12]。DAPI常用于DNA的染色，同時也可對脂類進行染色，DAPI與DNA結合后呈藍白色熒光，與聚合磷酸鹽結合后呈黃色，與脂類染色也呈黃色，不過DAPI—脂類的熒光在幾秒就會猝滅，而DAPI—聚合磷酸鹽的黃色熒光不易猝滅[13]。DAPI染色使用的激發光為紫外光(330 nm～385 nm)，發射光波長為526 nm，對于細菌的染色發現染料濃度為1 mg/L，染色1 h可以減輕高濃度染料(50 mg/L)所帶來的背景熒光過高的問題[14]，Allan and Miller[12]建立了對藻類胞內聚合磷酸鹽熒光觀察的方法，并得到廣泛應用。

2 聚合磷酸鹽的化學分析方法

聚合磷酸鹽的化學分析方法首先通過化學試劑將聚合磷酸鹽從細胞內提取出來，然后將其分解為無機磷酸鹽并使用鉬銻抗法進行測定。由于聚合磷酸鹽的聚合度變化范圍大，目前沒有對特定聚合度的聚合磷酸鹽直接測定的方法。

早期聚合磷酸鹽的提取方法是沿用核酸提取方法，直到1936年Mac Farlane提出了胞內聚合磷酸鹽的提取方法，根據該方法，聚合磷酸鹽分為可溶于酸(5%三氯乙酸(trichloroacetic acid，TCA)或0.5M 高氯酸(perchloric acid，PCA))的聚合磷酸鹽和不可溶于酸的聚合磷酸鹽。對于不可溶于酸的聚合磷酸鹽，常用方法是用稀堿液(pH 8～9)進行提取；Schmidt and Thannhauser[15]使用1M KOH在37 ℃進行不同時間的提取，該方法得到了廣泛應用；也有研究使用熱酸對聚合磷酸鹽進行提取，如使用5%TCA或10%高氯酸在80 ℃～100 ℃進行反應，此反應條件下可將大部分聚合磷酸鹽分解為正磷酸鹽。

是否溶于酸是聚合磷酸鹽的一種分類標準，寬泛的分類不利于明確不同聚合磷酸鹽的功能。Lagen和Liss依次使用1%TCA(0 ℃)、飽和NaClO4溶液、NaOH溶液(pH 10)和NaOH溶液(0.05M)對聚合磷酸鹽進行了分步提取，實現對不同鏈長聚合磷酸鹽的分離。該方法之所以被廣泛應用，是因為不同鏈長的聚合磷酸鹽在胞內的存在位置有所不同，進而表現出不同的生理學作用，比是否溶于酸的分類更細致，如低聚合度的聚合磷酸鹽在細胞中常以游離態存在，而高聚合度的聚合磷酸鹽則常與生物大分子(蛋白質、DNA)形成復合物。Miyachi等[17-18]通過對小球藻(Chlorella ellipsoiden)的分步提取實驗將上述分類進一步細化，使用的試劑依次為8%TCA(0 ℃)，KOH(pH 9,0 ℃)，KOH(2M)，PCA，相應地將提取到的聚合磷酸鹽分別稱為：polyP-A，polyP-B，polyP-C，polyP-D，其中，polyP-A是可溶于酸的聚合磷酸鹽；polyP-B雖不溶于酸，但溶于pH=9的低溫堿液；polyP-C，既不溶于酸，也不溶于pH=9的低溫堿液；polyP-D可溶于2M KOH，但可以被酸溶解。在光合作用中，polyP-A和polyP-C作為媒介將磷從無機正磷酸鹽傳遞給DNA和磷蛋白；polyP-B和polyP-D則作為細胞的磷庫，在環境中磷過量時將磷酸鹽儲存于體內，外界磷缺乏時分解為正磷酸鹽以供細胞維持生命活動。

雖然使用強酸、強堿溶液可以對胞內聚合磷酸鹽進行較完整的提取，但不可避免的是，如此劇烈的反應條件勢必引起聚合磷酸鹽的分解，一定程度上會高估正磷酸鹽的含量，因此研究人員嘗試了溫和反應條件下聚合磷酸鹽的提取，以獲得盡可能完整的聚合磷酸鹽，這些提取試劑有熱水、碳酸鈉溶液、氯化鈉溶液和乙醇預處理后的冷水提取。相比較而言，最后一種提取方法的效果較好。不過，溫和反應條件的提取都存在一個缺陷，即對胞內聚磷的提取可能是不完全的。Eixler等[19]分別使用冷水，熱水，NaOH，NaCl，NaNO3作為提取試劑對小球藻(Chlorella vulgaris)體內的聚合磷酸鹽進行提取，認為NaOH和熱水處理適于對聚合磷酸鹽的提取，提取過程中聚合物水解量較少，不過使用NaOH作為提取試劑時，測定正磷酸鹽含量前需先對溶液pH進行調整。

3 展望

作為生物體內重要的儲磷、儲能物質，聚合磷酸鹽在藻類對于營養吸收、存儲、利用過程中的功能仍有待研究，需要繼續開發更精細、更快捷的檢測方法。

[1]Graham T. Researches on the arseniates, phosphates and modifications of phosphoric scid. Phil. Trans.R.Soc.London,1833,253(123):75-77.

[2]Franklin MH. Inorganic polyphosphates in biology: structure, metabolism, and function. Bacterilolgical Reviews,1966,30(4):772-794.

[3]Kumble KD, Kornberg A. Inorganic polyphosphate in mammalian-cells and tissues.Journal of Biological Chemistry,1995,270(11):5818-5822.

[4]Achbergerová L, Nahálk J. Polyphosphate-an ancient energy source and active metabolic regulator.Microbial Cell Factories,2011,63(10):579-591.

[5]Arthur K, Narayana RN, Dana A. Inorganic polyphosphate:A molecule of many functions.Annu. Rev Biochem,1999(68):89-125.

[6]Litchman E, Klausmeier CA, Schofield OM, et al. The role of functional traits and trade-offs in structuring phytoplankton communities:scaling from cellular to ecosystem level.Ecology Letters,2007,10(12):1170-1181.

[7]張勝花，常軍軍，孫珮石.水體藻類磷代謝及藻體磷礦化研究進展.生態環境學報，2013(7):1250-1254.

[8]沈國英,朱小明.幾種浮游單細胞藻類磷代謝的初步研究.廈門大學學報(自然科學版),1996(4):619-624.

[9]Kulaev IS, Vagabov VM. Polyphosphate metabolism in micro-organisms. Advances in Microbial Physiology,1983(24):83-171.

[10]錢軼超，陳英旭，樓莉萍.核磁共振技術在沉積物磷素組分及遷移轉化規律研究中的應用.應用生態學報,2010(7):1892-1898.

[11]任世英，肖 天.聚磷菌體內多聚物的染色方法.海洋科學,2005,29(1):59-63.

[12]Allan RA, Miller JJ. Influence of S-adenosylmethionine on DAPI-induced fluorescence of polyphosphate in the yeast vacuole-DAPI.Can.J.Microbiol,1980(26):912-920.

[13]Smolders GJF, Van der Meij J, van Loosdrecht MCM, et al. Model of the anaerobic metabolism of the biological phosphorus removal process: stoichiometry and pH influence.Biotechnol Bioeng,1994(43):461-470.

[14]Zilles JL, Hung CH, Noguera DR. Presence of Rhodocyclus in a full-scale wastewater treatment plant and their participation in enhanced biological phosphorus removal: International Water Association.Rome Italy,2001(2):75-81.

[15]Schmidt G,Thannhauser S. A method for the determination of deoxyribonucleic acid, ribonucleic and phosphoproteins in animal tissues.Biol.Chem,1945(161):83.

[16]Krishnan PS, Damle SP, Bajaj V. Studies on the role of metaphosphate in molds.Ⅱ.The formation of soluble and insoluble metaphosphate. Arch. Biochem.Biophys,1957(67):35.

[17]Miyachi S, Kanai R, Mihara S,et al. Metabolic roles of inorganic polyphosphates in Chlorella cells.Biochim.Biophys.Acta,1964,93(3):625-634.

[18]Kanai R, Miyachi S, Miyachi S. Light-induced formation and mobilization of polyphosphate “C” in Chlorella cells. Plant Cell Physiol.(Tokyo), special issue.Studies on microalgae and photosynthetic bacteria,1963(2):613-618.

[19]Eixler S, Selig U, Karsten U. Extraction and detection methods for polyphosphate storage in autotrophic planktonic organisms.Hydrobiologia，2005(533):135-143.

Detection methods of polyphosphate in algae

Yan Bin

(CollegeofCityConstruction&EnvironmentEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400045,China)

Made a simple summary on the detection methods of polyphosphate in algae. It contained two aspects, such as staining and chemical extract methods. The advantages and disadvantages of different methods were discussed. It was useful for research development in algal polyphosphate.

polyphosphates, algae, staining, chemical analysis

1009-6825(2015)18-0204-03

2015-04-14

閆 彬(1989- )，男，在讀碩士

X132

A