植物化感作用研究進展
——以抑制銅綠微囊藻生長為例

錢凱榮 馬增嶺 李仁輝 陳斌斌 王敏 朱淑楠 榮夢薇 秦文莉

（溫州大學生命與環境科學學院，溫州 325000）

經濟全球化的今天，環境問題日益顯著。其中，水體富營養化的控制和藻華的消除是環境工作者面臨的一個難題。淡水藻華中，銅綠微囊藻大量繁殖是水體富營養化的一種常見表現形式［1］。同時，銅綠微囊藻會釋放一種單環七肽化合物，且已有過百個同源體，即微囊藻毒素（microcystins，MCs），它會使植物幼苗發生變形、葉片光合能力降低，MCs會通過食物鏈直接或間接的進入動物體內，通常會出現中毒癥狀，如肌肉無力、呼吸窘迫等［2］。早期學者普遍認為 MCs 是一種急性肝毒素，通過皮膚接觸就會刺激損傷肝臟。近期的研究表明，MCs 對腎、腦等器官均表現出一種慢性毒作用，并誘導呼吸、生殖系統產生生理上的病變，基因突變也是其危害的范疇之內［3］，也有人認為在中國地區高發的原發性肝癌就與其相關。因此，水體藻華如何被有效控制，已是環境領域多年來的研究熱點。

世界各地的學者不斷探索與研究各種方法來應對水體富營養化帶來的危害，目前對于控藻的常規方法有操作簡單但處理時間較長且消耗成本過高的物理法、用于應急治理但日后對水體危害較大的化學法以及生態危害性低但控藻過程較為繁瑣的生物法，但因生物法符合當下各國的可持續發展理念，進而備受國內外學者關注，植物化感物質控制藻類生長即是生物法中的一類。

21 世紀以來，植物對銅綠微囊藻生長繁殖的化感作用已有大量研究。由于早期學者的研究思路致使水生植物的起始研究較陸生植物早，已有研究證實通過化感物質的釋放來使得銅綠微囊藻生長受到抑制的水生植物有沉水植物、挺水植物和浮水植物，其中包括粉綠狐尾藻（Myriophyllum aquaticum）［4-5］、黃菖蒲（Lris pseudacorus）［6］、槐葉萍（Salvinia natans）［7］等。而常見的陸生植物如大麥（Hordeum vulgare）、加拿大一枝黃花（Solidago canadensis）、水稻（Oryza sativa）等，植物量大、次生代謝產物豐富等特點使其逐漸成為新的研究熱點。

本文針對水生植物和陸生植物對銅綠微囊藻的化感作用，從化感作用的發展、化感物質和作用機制進行詳細闡述，歸納了各種植物的化感作用特點，并且總結了抑制銅綠微囊藻的植物種類和研究方法以供深入研究參考。

1 化感作用

德國科學家 Molisch 在 1937 年提出“化感作用”，闡述包括微生物在內的所有植物間生物化學方面的相互作用。將近40年之后，Rice［8］對“化感作用”進行更深層次的補充，增添了植物是通過釋放化感物質來對其他植物以及微生物產生危害這一前提。但是，現有研究表明，化感作用也有相互促進的效果。水生植物對藻類的異株克生是1949 年Hasler 等［9］首次發現。隨著富營養化水體問題的日益嚴峻，預防水華發生已經是全球環境領域研究的中心和前沿，顯然通過化感作用來控制藻類的繁殖與生長已是眾多學者專研的課題。

2 水生植物對銅綠微囊藻的化感作用

20 世紀后期開始了水生植物化感抑藻的相關研究，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質，至今已知的化感物質大體上分為如表1所示［8，11］。表 2 總結了抑制銅綠微囊藻生長的水生植物種類、對應的抑藻研究方法、已分離鑒定的主要化感物質及其有效抑制率。

表1 按化學結構對化感物質的歸類Table 1 The classification of allelochemicals in terms of their chemical structure

表2 對銅綠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續表

2.1 沉水植物對銅綠微囊藻的化感作用

沉水植物生長在水面以下，爭奪藻的生存空間、營養物質以及遮擋水中有效光照的射入，從而影響藻的生長生存。另外，其還通過化感物質的釋放來影響和阻礙藻類生長［12］。如穗花狐尾藻（Myriophyllum spicatum）、伊樂藻（Elodea canadensis）、輪葉狐尾藻（Myriophyllum verticillatum）釋放的水解多酚對銅綠微囊藻生長有抑制作用［13］。Nakai等［14］和 He等［15］在研究穗花狐尾藻化感抑制銅綠微囊藻生長過程中，發現其分泌物中酚酸類化合物占主導，其中有富含焦酸、沒食子酸、（+）-兒茶素等酚酸類化感物質，以及棕櫚酸、正壬酸、硬脂酸、肉豆蔻酸及油酸在內的多種脂肪酸類化感物質。胡陳艷等［16］從馬來眼子菜（Potamogeton malaianus）中分離出脂肪酸類活性組分，其中脂肪酸和油酸高達 8 種，證實了脂肪酸類化感物質具有抑藻效應。黃新穎等［17］對馬來眼子菜、黑藻（Hydrilla verticillata）和苦草（Vallasneria asiatica）進行抑藻活性組分的分析，結果表明，從3種植物的水浸出液中分離出 40 余種化合物，其中脂肪酸類占據多數。另外，眼子菜科植物，如浮葉眼子菜（Potamogeton natan）［16，18］、光葉眼子菜（Potamogeton lucens）、篦齒眼子菜（Potamogeton pectinatus）［19］等體內可以分離得到生物堿、二萜、類黃酮等具有控藻活性化合物。最新的研究表明，生物堿類物質對銅綠微囊藻生長的抑制效果最佳，其最大抑制率（＞80%）高達酚酸類，脂肪酸和酯類化感物質的 52 倍，且作用時效也明顯長于酚酸類，脂肪酸和酯類化感物質［20］。因此，沉水植物中可以通過釋放酚酸類、脂肪酸類、生物堿等化感物質從而控制銅綠微囊藻的生長。

將多種植物混合培養，則會產生復合效應，具有更強的抑制效果［21］。鮮啟鳴等［22］將金魚藻（Antirrhinum majus）和微齒眼子菜（Potamogeton maackianus）這兩種植物共培養，對銅綠微囊藻抑制效果要優于兩種植物單獨培養時的抑制效果。同樣，張之浩［23］也進行了類似的研究，結果顯示植物組合處理的實驗組對浮游藻的抑制能力都顯著高于單一植物處理組，其抑制率順序為：（金魚藻+黑藻）＞（狐尾藻+苦草）＞（金魚藻+苦草）＞（狐尾藻+黑藻）＞（黑藻+苦草）＞（狐尾藻+金魚藻）＞單一植物，證實了多種植物混合培養能夠提升對藻的抑制能力。不同植物的化感物質分泌至同一環境中，化感物質結合產生新的化感特性，進而提升了對銅綠微囊藻的抑制能力。高云霓等［24］對苦草化感物質的進一步分析，在研究苦草釋放的酚酸對銅綠微囊藻的化感作用時，從其乙酸乙酯組分中檢測到苯甲酸、對羥基苯甲酸、對羥基苯乙酸、鄰苯二甲酸、對羥基苯丙酸、香草酸、原兒茶酸、阿魏酸和咖啡酸等9種酚酸。不同酚酸混合后表現出加和抑藻效應，且隨著混合種數的增多，酚酸的加和效應增強。綜上所述，多種化感活性物質的交互或聯合作用可能是水環境中沉水植物化感抑制銅綠微囊藻的一種關鍵機制。

2.2 挺水植物對銅綠微囊藻的化感作用

挺水植物莖和葉挺出水面，根生長在底泥之中，主要通過根部釋放化感物質抑制藻類的生長。Zhang等［25］研究了銅綠微囊藻對菖蒲（Acorus calamus）根莖提取物的生理耐受性實驗發現，50 mg/L 和 100 mg/L 的菖蒲提取物在 3 d內對銅綠微囊藻的抑制率接近 100%。早期有學者對菖蒲的根部做了對比實驗顯示，根部未受損的菖蒲對銅綠微囊藻有明顯抑制效果，這也表明菖蒲對銅綠微囊藻的化感作用主要來源于根部分泌物［26］。李鋒民和胡洪營等［27］研究得出大型水生植物蘆葦（Phragmites communis）能分泌出化感物質 2 -甲基乙酰乙酸乙酯（ethyl 2-methyl acetoacetate，EMA），EMA 能對銅綠微囊藻的生長起到抑制作用并對其生理特性產生不同程度的影響。也有學者對蘆葦不同部位浸出液對銅綠微囊藻的抑制效果進行比較發現：根＞穗＞稈［28］，說明植物各部位化感抑藻能力存在差異，但根部釋放的化感物質對銅綠微囊藻抑制效果更好。

目前有研究發現挺水植物以根部為化感物質的主要釋放源，但部分植物的化感物質釋放量濃度很低，導致抑制效果不明顯，因此通過有效的提取方法來增強其抑制效果成為了新的研究熱點。王紅強等［29］對菖蒲、香蒲（Typha orientalis Presl）、梭魚草、水花生（Alternanthera philoxeroides）比較超純水與丙酮溶劑提取液對銅綠微囊藻的抑制情況發現，超純水浸提液的抑制率分別為 9.8%、6.3%、7.5%和43.2%，丙酮浸提液抑制率分別為 38.0%、16.5%、17.6%和61.7%，表明丙酮浸提液的抑制效果顯著高于超純水浸提液，這或許是與兩者提取的多酚純度有關，但并未得到有力的實驗舉證，需進一步研究分析。李江［30］通過植物種植水、植物浸提液、共培養等3種實驗方式研究慈姑（Sagittaria trifolia）和荸薺（Eleocharis dulcis）對銅綠微囊藻生長的影響，均是取植株根莖部位進行實驗，結果顯示慈姑種植水、慈姑浸提液、荸薺種植水、荸薺浸提液均對銅綠微囊藻的生長具有抑制作用，且抑制率分別為55.45%、89.30%、57.04%和91.40%。同時，實驗還證實荸薺對應的外源性化合物圣草酚是導致銅綠微囊藻藻細胞減少以及死亡的主要化感物質。同樣的，張娉楊［31］也做了類似的實驗，對水蔥和慈姑的種植水和根莖提取液進行對比，表明水蔥種植水、水蔥莖浸提液、慈姑種植水及慈姑莖浸提液對銅綠微囊藻生長的最高抑制率分別達 25.32%、67.39%、53.54%和90.99%。總體而言，對銅綠微囊藻的抑制能力強弱的排序為：慈姑＞水蔥，根莖浸提液＞種植水。這一結果與李江的實驗結果一致，說明通過浸提的方式提取化感物質能夠增強對銅綠微囊藻的抑制效果。

2.3 浮水植物對銅綠微囊藻的化感作用

浮水植物基本浮在水面且其具有較大的葉片或植物組織，從而切斷了水體中藻類的光源，導致藻類不能進行有序的光合作用，因此藻密度降低。但有研究發現了浮水植物對藻類生長的影響不僅于此，其同樣可以釋放化感物質，進一步影響藻類的生長。楊小杰等［32］研究了鳳眼蓮對銅綠微囊藻共培養效果，其 4 d時銅綠微囊藻細胞就出現萎縮現象，類囊體片層結構出現溶解，細胞 ATP 水平持續快速下降，銅綠微囊藻毒素（MC-LR 和 MC-RR）的釋放量顯著降低。劉潔生等［33］發現鳳眼蓮（Eichhornia crassipes）根系丙酮提取物中存在多種化感物質如亞油酸、N-苯基-2-萘胺、亞油酸甘油脂、壬酸和丙酰胺等。同時，荇菜（Nymphoides peltatum）［34］、睡蓮（Nymphaea tetragona）［35-36］、水罌粟（Hydrocleys nymphoides）［37］和大薸（Pistiastratiotes）［38］等均對銅綠微囊藻生長有著顯著抑制作用。汪麗［34］將銅綠微囊藻作為優勢種與荇菜進行共培養發現，藻細胞光合能力的大小與荇菜植株的生長及其產生的遮光作用密切相關，在 40 d時銅綠微囊藻相比初始藻密度下降了 94.68%，銅綠微囊藻生長受到明顯的抑制。藻細胞酶活性指數顯著上升，說明荇菜種植水含有化感物質并且對銅綠微囊藻產生了不利的生理影響。因此，浮水植物除了遮光效應［39］外，分泌抑藻化感物質也是抑制銅綠微囊藻生長的一種重要機制。

浮水植物的相關研究相對較少［40］，目前的研究發現，浮水植物化感物質成分主要有：N-苯基-1-萘胺、N-苯基-2-2 萘胺、苯并茚酮、亞油酸、亞油酸甘油脂、非那烯、雙非那烯和間苯二酚等，這些化感物質對雷氏衣藻、隱藻也有較好的化感抑制效果［41］。

3 陸生植物對銅綠微囊藻的化感作用

長久以來，水生植物的化感作用始終是研究的主要內容，而陸生植物的化感作用研究甚少。這部分原因可能是由于早期研究者所創造的研究路線與方向有關。近些年，研究者把目光逐漸轉向生物量更大的、次生代謝產物更為豐富的陸生植物上。孫垂華［58］所出版的關于植物化感作用的書籍中，認為陸生系統的化感物質對水生生態系統更有效，尤其是對淡水生態系統的作用不容小覷。目前研究較多的是草本植物和木本植物，表 3 總結了抑制銅綠微囊藻生長的陸生植物種類、對應的抑藻研究方法、已分離鑒定的主要化感物質及其有效抑制率。

3.1 草本植物對銅綠微囊藻的化感作用

研究發現，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現出對藻類的抑制作用［59］。早在 1990 年，大麥秸稈的抑藻作用就已經在實驗室和自然水體取得了成功，這也是目前為止比較成功的化感抑藻的應用實例。鄧繼選［60］檢測出大麥秸稈中 20 多種化感物質，其中胺類和酯類含量較大，可能為大麥秸稈中主要的化感物質，大麥秸稈分泌的十六烷基三甲基溴化銨（hexadecyl trimethyl ammonium bromide，HTAB）和鄰苯二甲酸二丁酯（dibutyl phthalate，DP）對銅綠微藻具有較強的抑制效果，EC50在第 6天分別是 1.3 mg/L 和 2.1 mg/mL，兩種抑藻物質通過破壞銅綠微囊藻細胞膜的結構，從而使得細胞內物質成分紊亂并且匱乏，最終導致細胞破裂死亡，這可能是秸稈對銅綠微囊藻抑制機理之一。也有學者在最新的研究中表明，大麥秸稈降解過程中產生的主要是酚酸［61］。Yuan等［62］發現禾本科植物互花米草（Spartina alterniflora）水提液對銅綠微囊藻的生長具有抑制作用，其抑制率呈顯著劑量相關，從互花米草鑒定出多種化感物質，如環己烷、庚烷、2-環己烷-1- 1、十六烷酸和2，4-二叔丁基酚和氫肉桂酸等。這也就表明了陸生植物常常含有多種化感物質且能夠協同抑制銅綠微囊藻生長。菊科植物野艾蒿等蒿屬植物化感物質極其豐富，徐芙清等［63］選取野艾蒿（Artemisia lavandulaefolia）、小白酒草（Conyza canadensis）、杭白菊（Chrysanthemum morifolium）3種常見陸生菊科植物與銅綠微囊藻共培養，10 d 后抑制能力從高至低分別為：野艾蒿、杭白菊、小白酒草，抑制率分別為 89.3%、75.2%和4.9%，表明陸生菊科植物具有明顯的控藻功能，其中野艾蒿具有應用于水體富營養化的治理和開發新型抑藻劑的潛力。

提取的溶劑和植物部位選擇的不同，均會導致所提浸出液抑藻效果的不同，這一現象也出現在陸生植物之中。程萌等［64］做了入侵草本植物喜旱蓮子草對銅綠微囊藻的化感作用研究，結果顯示，喜旱蓮子草不同部位浸提液化感作用強弱不同，且植物體地下部分浸提物化感作用明顯強于地上部位。薛維納等［65］對仙人掌莖進行了不同溶劑浸提實驗，發現水浸液提取物對銅綠微囊藻具有低促高抑的作用效果，而用乙醇溶劑提取的浸提液對銅綠微囊藻僅僅具有抑制效果，并且抑制效果更強，表明乙醇比水可以浸提種類更多或者濃度更高的有機化感物質。Ni等［66］做了類似的實驗，對青蒿（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劑進行提取，結果表明乙酸乙酯提取液對銅綠微囊藻的抑制效果最好。白羽等［67］研究發現在第7天時加拿大一枝黃花的水浸液對銅綠微囊藻抑制率達到了 90% 左右的，其不同部位的浸提液對銅綠微囊藻的抑制效率為：葉＞根＞莖。除了控藻能力的差異外，甚至某些陸生植物不同部位浸出液會出現反作用方向，如朱佳等［68］對滴水觀音（Alocasia macrorrhiza）不同部位的浸提液對銅綠微囊藻的作用效果進行研究發現，其葉浸提液的化感抑藻能力高于根，抑制率可達 93%，而莖浸提液反而促進了銅綠微囊藻的生長，促進率達 364%，說明同種植物的不同部位所含化感物質作用差異較大，部分植物存在高濃度促進作用。這一結果與水生植物出現顯著差異，且部分水生植物的不同部位有一定的促進作用，但抑制率還是高于促進率，這也就整體趨向于抑制主導，所以在草本植物化感作用方面還需要進行長久的探討與努力。

3.2 木本植物對銅綠微囊藻的化感作用

研究發現，木本植物中的桃金娘科、松科、漆樹科、蕓香科、桑科、木犀科、胡桃科、楊柳科、柏科和山茶科植物提取物均對藻類的生長有抑制作用［59］。馬妍等［69］通過研究植物浸提液對銅綠微囊藻的抑制作用發現，雪松、核桃楸、楓楊和核桃 4種植物是具有開發價值的陸生抑藻植物。同時，石雨鑫等［70］對香樟、梧桐、銀杏和柳樹進行抑藻實驗發現，這 4 種植物浸提液均對銅綠微囊藻具有抑制生長的效果。Zhao 等［71］研究了桉樹對銅綠微囊藻的抑制作用，結果表明除種植桉樹對銅綠微囊藻有抑制效果之外，桉樹葉提取物對銅綠微囊藻的生長也能起到抑制作用。在我國南方地區，漆樹科植物人面子（Dracontomelon duperreanum）極為常見，Wang 等［72］測得其落葉水浸提液在第15天時對銅綠微囊藻的抑制率達到 99.6%。這也很好地解釋了在自然界中，一般落葉較多的水體中出現藻類暴發的幾率會比較低，這是由于落入水體中的葉片組織能夠浸出某種化感物質，對藻類生長起到一定的抑制作用。除了樹葉有抑制效果之外，樹干也同樣具備抑藻能力。Park等［73］和周麗等［74］日本常綠橡木（Quercus acuta）的樹葉和樹干、麻櫟（Quercus acutissima）樹葉、赤皮椆（Quercus gilva）樹干、柳葉櫟（Quercus salicina）樹葉等 9 種植物不同組織部位用甲醇溶劑進行化感物質的提取，結果表明 5 種甲醇浸提液均對銅綠微囊藻起到顯著抑制作用，其平均抑制率超過 90%，還有7 種浸提液對銅綠微囊藻有一定的抑制效率，抑制率在約50%。Man和Pei等［75］發現臭椿樹（Ailanthus altissima）的樹皮浸提液對銅綠微囊藻的抑制率也在90%以上。這也證明了植物樹干、樹葉都對銅綠微囊藻具有抑制效果，可以作為新型抑藻劑的研究方向，是一種廢物再利用的生態友好型藻華控制策略。

除了樹皮和落葉外，植物的果實也成了化感物質研究的又一熱點。木犀科植物女貞（Ligustrum lucidum）的果實女貞子，其浸提液對銅綠微囊藻有較好的抑制作用［76］。另外有早期的研究發現，橘子皮浸出液能夠顯著的控制銅綠微囊藻的生長，其40 d 的抑制率到了100%［77］。也有學者對香蕉皮和檳榔（Areca catechu）核進行了對比研究，結果均能對銅綠微囊藻有抑制作用，其中檳榔的抑制作用更為明顯，檳榔的平均抑制效率達到 99%［78-79］。Chen等［80］用石榴（Punica granatum）皮粉對銅綠微囊藻進行生長實驗發現，石榴皮粉 8 g/L 時抑制率達到93.9%。通過對植物果實的不斷探索性實驗，可以推測植物果實含有豐富的化感物質，這為人們找到化感物質豐富的來源提供了方向，應該更深一步展開植物果實化感物質成分鑒定，分離純化及抑藻機理方面的研究。

4 化感物質抑藻作用機理

水生植物和陸生植物含有大量的酚類、胺類、有機酸、黃酮類、萜類、酯類、芳香族化合物和其他的一些活性物質，并且部分活性物質已被提取、分離和鑒定，可對淡水有害藻類產生抑制作用［90-91］。根據目前已有的研究成果，化感物質抑制銅綠微囊藻生長主要是細胞膜結構的破壞、影響藻類光合作用和改變藻細胞內酶活性這3個方面進行，而近幾年的研究朝影響藻細胞的基因表達與蛋白質合成方向發展。

4.1 破壞藻細胞膜結構

細胞膜作為細胞重要結構和功能元件，對細胞的分裂、分化以及生長起著重要保護作用，使得細胞內環境穩定［92］。化感物質會破壞組成細胞膜的單元，使細胞膜的選擇滲透性功能出現紊亂，導致胞內所需物質的流失和胞外廢棄物的進入，最終都會導致細胞的死亡。李峰民等［27］通過實驗證實化感物質 EMA 使得銅綠微囊藻細胞膜不飽和脂肪酸增加，因其不飽和鍵的存在，導致其分子間排序雜亂且緊密度降低，同時相變溫度降低，從而細胞膜流動性增強，最終細胞膜破損并且胞內物滲出，細胞內片層結構解體。Ni和Rong等［93］在研究亞油酸對銅綠微囊藻抑制機制時也發現藻細胞外液中電導率增加，第40天達到對照組的 3 倍，而對照組并無顯著變化。可能是由于亞油酸處理后藻細胞光合作用過程產生的 O2-，引起細胞質膜的膜質過氧化，造成細胞膜通透性功能的改變。物質交換和能量傳遞都經過細胞膜的轉運以及過濾篩選，然而受損的細胞膜，會導致外來物質自由進入細胞，而細胞內物質也沒有了阻攔，向外滲透，導致藻細胞死亡。

4.2 影響藻類光合作用

植物自身的生理生化必須借助光合作用來維持。研究證實，藻細胞中的葉綠素（Chl）a 含量會被植物所釋放的化感物質所影響，其光合作用場所被破壞，影響光系統 II（photosystem Ⅱ，PSII）的正常功能，從而使得其無法利用從光中吸收的能量，有序的生理功能被打亂，使得藻細胞的生長速度減緩或衰退［74］。張欣等［94］從沉水植物菹草與銅綠微囊藻共培養實驗中發現，其化感物質通過抑制Chl的合成，從而影響光合作用系統，且可溶性糖合成受阻，正常的生理代謝過程被打亂，從而抑制了銅綠微囊藻的生長。李鋒民等［27］研究發現 EMA 通過降低藻光合作用速率以及降解 Chl a，從而影響銅綠微囊藻的生理特性。Wu等［5］分析粉綠狐尾藻對銅綠微囊藻藻細胞吸收光譜、藻膽蛋白吸收光譜及Chl a三者相對含量等指標的變化態勢，發現藻膽蛋白應對化感物質表現出更敏感的特性，其中別藍藻蛋白（allophycocyanin，APC）的敏感性最為突出，這也就使得其有更大的受損風險，從而推斷藻膽蛋白是粉綠狐尾藻對銅綠微囊藻光合系統的化感作用的主要靶位點。Zhu等［95］研究發現穗花狐尾藻釋放的中焦性沒食子酸（pyrogallicacid）能夠影響銅綠微囊藻PSⅡ，使其電子傳遞被阻斷，產生梅勒反應，即假環式電子傳遞在其光合作用過程中，不能正常運行，細胞體中活性氧（reactive oxygen species，ROS）增加，而 ROS 會對D1蛋白造成嚴重的損傷，而損傷的 D1蛋白又是光系統放氧復合體的核心蛋白，導致光合放氧速率嚴重下降，且 ROS 的積累，會誘導藻細胞的程序性死亡，進一步影響了藻類的正常光合作用，致使藻不能正常生長［96］。綜上所述，化感物質影響藻植物的 Chl a、藻膽蛋白等從而影響其捕光系統的正常功能，也可通過對電子傳遞鏈的破壞，使得藻細胞代謝活動能量無法補充，抗脅迫分子的形成阻礙增大，導致受損光合系統不能被修復，光合電子傳遞鏈能力下降，最大量子產率也將出現一同的變化趨勢。這一連環的結構功能被破壞，導致藻類植物不能進行有效的光合作用，最終導致藻細胞死亡。

4.3 改變藻細胞酶活性

酶活性對于植物適應環境至關重要，在化感物質的脅迫下，銅綠微囊藻通過細胞酶活性的改變來緩解由化感作用導致的 ROS 的傷害，這是藻類的一種自我保護機制。因此，針對性的對酶活性或酶干擾底物進行抑制或破壞，能有效控制藻類的生長。若清除 ROS 的主要酶類含量降低，大量 ROS 產生囤積，使得細胞器和細胞結構遭到破壞。同時，編碼幫助清除過氧化物酶類的基因表達量也下降［97］。超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、抗壞血酸過氧化酶（ascorbic peroxidase，APX）、過氧化氫還原酶（catalase，CAT）三者是細胞用于清除ROS 的主要酶系。細胞內 ROS 水平的穩定主要是取決于 SOD 與 CAT 或 APX 之間的平衡［98］。目前已有研究表明，一些化感物質能對抗氧化酶活性產生不利影響。賈惠雁等［45］發現水蕹菜有效抑制銅綠微囊藻生長，在 40g/L 水蕹菜種植水作用下，其 SOD、過氧化物酶（peroxidase，POD）和 CAT 活性在 4 d內到達峰值，隨后藻酶活性急劇下降，在第10天酶活性指標低于對照組，且藻最終失活。化感物質的加入使得銅綠微囊藻抗氧化酶活性往往呈現一種先增加后下降的趨勢，原因是由于受體通過提升自生抗氧化酶活性來應對 ROS 所帶來的傷害，由于 ROS的不斷產生與積累，致使其無法清除大量的 ROS，使得這種保護機制奔潰，導致酶活性的下降，而酶活性的降低，使得植物對環境的適應能力下降，最終導致植物死亡。

4.4 影響藻細胞基因表達與蛋白質合成

生命功能重要的支撐者就是蛋白質。細胞內各種細胞因子、轉錄翻譯調節子、酶類及離子通道等都是蛋白質。DNA 的遺傳信息轉錄為 RNA，在翻譯調節因子的調節下翻譯成多肽，通過機體的加工與修飾形成有對應功能的蛋白質［99］。化感物質通過影響以上的某一項或多項環節，從而影響受體中蛋白質的合成和基因表達。Lu 等［100］研究銅綠微囊藻被綠茶茶多酚的主要組成成分——沒食子酸酯（epigallocatechin gallate，EGCG）脅迫下的基因表達狀況，結果發現 psa C 和 psb D 的表達在 EGCG 脅迫下下調，對光合中心 PSI 和 PSII 造成不利影響，另外 ndh C 和 atp B 表達下調，導致銅綠微囊藻藻細胞ATP的合理受阻，對藻細胞生長產生負面影響。Bi等［101］發現小檗堿對銅綠微囊藻基因表達有明顯影響，抑制了 869 個基因表達并且誘導 1 419 個基因表達，小檗堿通過影響 psb D、psa A、psa B 等關鍵光合作用基因的表達而誘導藻類光合作用過程的紊亂。黃瑩瑩等［102］研究也證實了加拿大一枝黃花浸提物對銅綠微囊藻作用時，261 種蛋白表達出現異常，其中 220 種上調，41 種下調，其中包含參與藻生物過程和代謝過程的蛋白，使得銅綠微囊藻生理生化反應受到影響。目前化感作用對藻細胞的基因表達和蛋白質合成具體機制尚不明確，無法解釋是如何影響上述基因表達，或者對其他基因的表達和蛋白轉錄合成是否有影響，還有待進一步的研究來揭示。

5 植物化感抑藻研究的不足

至今，已有許多研究發現了水生植物與陸生植物均能對銅綠微囊藻的生長繁殖產生抑制乃至完全控制的效果，但還存在許多問題。在植物的化感抑藻研究中，往往通過種植水、共培養以及溶劑浸提液的方式進行抑藻研究，并且大多數研究不夠深入且實際應用難度較高甚至無法應用。

5.1 植物化感抑藻研究設計不全面

對于化感作用研究大多集中于控制實驗，外界干擾因素可控，僅是單一植物或幾種植物混合實驗對微囊藻的化感效應，研究結果在實際應用中會因現實因素的干擾導致效果不理想，需要進一步模擬真實環境進行深入研究。目前對抑制微囊藻生長的水陸植物化感物質的提取僅局限于獨立的根、莖、葉等部位，但水陸植物抑藻作用可能是依靠植物整體的動態調節作用，因此，抑藻過程水陸植物各部位活性物質釋放的動態監測結果對研究植物化感作用具有理論指導意義。

研究者在化感控藻實驗中，種植水與共培養方面往往集中在水生植物的抑藻實驗中，這可能是因大部分陸生植物無法適應水環境生長或水培難度較高而導致研究較少，但陸生植物化感物質的釋放以及營養物質的吸收能力普遍高于水生植物，能取得穩定且持續的效果，如Zhao等［71］用桉樹進行水培實驗，發現水體內氮、磷含量在30 d內持續穩定下降，藻密度也隨之降低，且對水環境中其余生物群落結構影響甚微。將陸生植物用于水培抑藻的實驗研究甚少，大部分在集中在植物組織浸提液的化感抑藻上，研究手段過于單一化，應結合其他學科進行多領域的共同治理。另外，陸生植物雖有較好的抑藻效果，但因其是環境外部的生物進入水體，會不會引起水環境的生態失衡還有待進一步完善與研究。

5.2 化感物質的鑒定、用量及其穩定性尚不明確

多數的研究徘徊在化感物質的提取與藻生物量的直接關系上，并未對其余要素做充分考慮，使得研究結果未能具有為應用于實踐提供強有力的數據支撐。如大薸、加拿大一枝黃花、人面子等［38，67，72］為實驗主要材料的研究中，用有機溶劑提取植物體中的化感物質從而進行對銅綠微囊藻抑制的研究，但所提取的化感物質不明，在實驗中也未進行化感物質的鑒定，即使對銅綠微囊藻有較好的抑制效果，但因存在不安全性，致使此類材料無法得到實際應用。同時，植物釋放化感物質的濃度對藻的化感作用，與它們的相對生物量有關，這也是今后可以研究的方向，總結并分類各個植物對各藻種的最佳抑制效果時的生物量對比，可為日后的研究工作帶來便利與指引。另外，天然植物所產生的化感物質穩定性較差，在水中會很快降解，這就無法有效的對藻進行化感作用，所以研究化感物質進入水體后的分解或降解過程是很有必要的。

5.3 化感物質作用靶點不明確

雖然目前研究出許多水陸植物對藻有明顯抑制效果，但化感物質對藻的作用靶點還不明確，也使得目前的殺藻劑呈現出一種“治標不治本”的態勢，對藻體受害位的確定是研究出更安全、更有效的殺藻劑的必經之路。另一方面，化感物質抑制藻類生長的機理始終未得到充分的解釋，常見的化感控藻的實驗研究往往用藻細胞酶活性變化來表征細胞所受的脅迫效應，從而來解釋抑制機理，但這只停留于表面，未更深層次的進行研究，未來應從分子甚至基因層面進行實驗結果的剖析，才具有研究的完整性與科學性。

6 總結與展望

植物化感作用的發現為處理藻華、修復富營養水體提供了新的思路，從最先的水生植物對銅綠微囊藻的抑制研究到后面選擇生物量更大且次生代謝產物更為豐富的陸生植物。水生植物與水密切接觸，致使研究的起始點要高于陸生植物，同一水生植物不同部位釋放的化感物質是不同的，且植物組織浸提液的抑制效果往往高于植物種植水。對于陸生植物來說，因其生存條件的差異，與水生植物的研究手段會有所差別，但陸生植物同水生植物有類似的化感物質種類。陸生植物所釋放的化感物質也有協同抑制作用，且陸生植物果實的抑制效果尤為明顯。化感作用控藻的機理研究從細胞膜的破壞、光合作用的影響、細胞酶活性的異常表現以及基因表達與蛋白的合成進行研究，其中前三者的研究更為完整詳細，基因表達與蛋白質合成的研究尚需進一步完善。

植物體的各組織部位釋放的化感物質種類、釋放量、穩定性存在差異，為解決以上問題，需建立在研究實驗是全面完善的前提下。化感物質協同改性的特點應更深入的進行分析，建立起最佳的化感物質協同種類以及比例，為更有效、更安全的水生態修復提供科學指導。最后，化感作用的機理研究應提高至更深層次，從原來的細胞水平研究拓展到分子以及基因上的實驗分析，這也將成為以后化感物質抑藻機理的研究重點。

一種穩定、持續且不影響水環境中正常生物群落結構的植物，才是我們真正需要的控藻材料。總而言之，為開發能夠應用于生態治理的化感作用產品或方法，仍需要發現更多有助于藻華控制的化感植物，從化感物質的分離鑒定、抑藻機理、生態安全性等多個方面進行更深入、系統和全面的研究，才能更安全、更有效的治理環境問題。