柴油水溶性組分對鼠尾藻和孔石莼生長及抗氧化酶的影響?

吳 勝, 任蘭英, 高 旭, 劉 巖, 宮慶禮

(海水養殖教育部重點實驗室(中國海洋大學), 山東 青島 266003)

隨著海洋石油資源的大量開發利用,海上原油開采及運輸過程中造成的泄漏問題愈發嚴重,對周邊海洋環境造成了極大損害[1]。目前,石油類污染物已成為我國近海的第二大污染物[2]。石油類物質進入海洋后會形成漂浮油膜、溶解或分散乳化態和凝聚態殘余物三種形式。漂浮油膜極不穩定,會受到環境因素、動力因素、油的數量以及油的性質等很多因素的影響而快速分解消失[3]。凝聚態殘余物質不會對海洋生物產生明顯的影響[4]。溶解或分散于水體的石油組分主要含有烷烴類、芳香烴類、酚類化合物及金屬離子等多種復雜成分[5],對海洋生物產生直接危害,其組分性質及分散程度決定毒性的程度[6-7],通常會使生物發生組織改變,引起代謝異常的現象,從而進一步影響到物種的繁殖、群落結構,對整個生態系統產生影響。石油類水溶性組分還可以通過藻類、甲殼類和魚類組成的食物鏈向人體轉移,可能會導致生物發生可遺傳的基因突變[8]。柴油是常用的石油類制品,廣泛應用于輪船、貨車和鐵路機車等大型運輸工具中,其水溶性組分中包含低分子量烷烴和多環芳烴(PAHs)、酚類、重金屬等成分,是石油烴污染的主要形態。這些污染物能夠通過船艙排污、城市徑流以及海上船舶運輸事故發生等途徑進入到海洋環境中,對海洋生物產生影響。

海藻作為海洋生態系統中的初級生產者,對整個海洋生態系統的能量流動和物質循環都具有重要作用。大量研究表明,不同濃度的石油烴會通過影響色素含量、Rubisico酶活性、抗氧化酶活性等重要因子而對藻類的生長產生影響[9-12],由其毒性所產生的活性氧自由基會刺激海藻體內抗氧化系統啟動生理應答[13-15],長期的石油烴污染還會使海洋藻類群落的多樣性、均勻度以及優勢種等發生變化[16-19]。

鼠尾藻(Sargassumthunbergii)是一種廣泛分布于北太平洋潮間帶的大型藻類,其對光照、溫度、鹽度等環境因子的適應性很強[20],是中國北方沿海潮間帶生態系統中的重要組成部分,為很多潮間帶動物提供了棲息、繁殖的場所。鼠尾藻具有較強的營養鹽吸收能力和較強的重金屬耐受能力[21-22],能夠凈化富營養水體,具有重要的生態價值。孔石莼(Ulvapertusa)主要分布在中、低潮區及大干潮線附近的巖礁,葉片膜狀,僅由兩層細胞構成。孔石莼對環境的敏感性較高,具有較強的抗逆境脅迫能力[23],在修復和保護海洋生態系統中也發揮著重要的作用,可以作為海洋環境監測和評價的一種新手段[24-25]。

本研究以鼠尾藻和孔石莼這兩種處于相同生態位但具有不同形態結構的潮間帶海藻為研究對象,探討其生長、光合作用、呼吸作用和生化組分對不同濃度柴油水溶性組分的反應規律,以期探明石油烴類對大型海藻生長、生存的影響和藻體內部的生理應答機制,并為石油烴污染水域生物修復物種篩選提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 柴油水溶性組分母液制備 柴油樣品為在中國石化加油站購買的0#柴油,將過濾海水和0#柴油按照9∶1的比例混合,密封、避光、振蕩24 h后轉移到分液漏斗中靜置3 h,取下層水相,即得0#柴油水溶性組分母液。將母液抽濾除菌后置于4 ℃環境中避光密封保存。參照國標法測定母液濃度為85.990 mg/L。

1.1.2 樣品采集 鼠尾藻、孔石莼采集自青島太平角潮間帶,置于低溫避光容器中運回實驗室。樣品用海水清洗去除沉積物、附生植物、小型附生動物等。用手術刀切取鼠尾藻尖端2～3 cm,將藻段放在含1/4 PESI培養基的錐形瓶中,置于光照培養箱中暫養;用1 cm孔徑打孔器打孔獲得孔石莼藻片,將藻片放在含f/2培養基的錐形瓶中,置于光照培養箱中暫養。暫養條件為:溫度13 ℃、光照強度90 μmol·m-2·s-1、光暗周期12L∶12D。連續充氣暫養3 d。

1.2 實驗方法

1.2.1 相對生長率測定 分別選取暫養后健康的兩種藻體進行實驗,培養密度為1 g/L。將滅菌過濾海水和0#柴油水溶性組分母液按一定比例混合,得到5個不同濃度的處理組,量級及其中柴油水溶性組分濃度分別為0(0 mg/L)、10(8.599 mg/L)、30(25.770 mg/L)、50(41.285 mg/L)和100(85.990 mg/L),每組3個重復。光照培養箱設置條件與暫養相同。實驗周期為96 h,分別于24、48、72和96 h收集樣品,用吸水紙分別吸干藻體表面多余水分后稱量鮮質量,計算相對生長速率(Relative growth rate, RGR)。計算公式如下:

RRGR=ln(Wt/W0)×100%/t。

式中:W0為初始藻體鮮質量;Wt為處理t小時后的藻體鮮質量;t為處理時間,單位為h。

1.2.2 析氧速率的測定 分別于培養24、48、72和96 h后,隨機挑選藻體置于污水瓶(330 mL)中,利用光纖測氧儀(Manual FireSting O2Ⅱ)分別測定在光照和黑暗條件下單位時間(h)每克藻體(鮮質量)所產生和消耗氧氣的含量(μmol),以此來計算凈光合速率和呼吸速率。每個處理測定3個生物學重復。

1.2.3 生化組分指標的測定 1.2.1中的藻體稱重后投入液氮中速凍,并轉移至超低溫冰箱中,用于生化組分指標的測定。鼠尾藻的葉綠素a含量測定參照Seely的方法進行[26],孔石莼葉綠素a含量的測定參照Alan等的方法進行[27];丙二醛(MDA)、超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、總抗氧化能力(T-AOC)含量的測定均使用南京建成生物工程研究所的試劑盒進行測定,具體步驟按照試劑盒提供的方法進行。

1.3 數據分析

通過Excel進行原始數據處理及繪圖,SPSS 26.0進行時間與濃度組分的雙因素方差分析,對數據進行正態分布和方差齊性檢驗,使用鄧肯多重比較法(Duncan’s multiple range test)比較各組之間的差異,以P<0.05表示顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 柴油水溶性組分對鼠尾藻和孔石莼生長的影響

柴油水溶性組分對鼠尾藻和孔石莼生長的影響如圖1所示。從圖1(A)可以看出,每個濃度處理組自身的鼠尾藻RGR在整個培養周期無顯著差異。在96 h時,100量級處理組的鼠尾藻RGR要顯著低于30和50量級處理組(P<0.05),所有處理組在整個培養周期未出現負增長。從圖1(B)可以看出,低濃度處理組(10、30量級)的孔石莼RGR在整個培養周期無顯著差異,而高濃度處理組(50、100量級)在72 h后顯著降低(P<0.05),且均出現負增長。

(圖中大寫字母不同表示不同時間相同處理組之間差異顯著(P<0.05),小寫字母不同表示相同時間不同處理組之間差異顯著(P<0.05)。Capital letters indicate statistical difference (P<0.05) in the same experimental treatments at different times, Lowercase letters indicate statistical difference (P<0.05) among different experimental treatments at the same time.)圖1 不同濃度柴油水溶性組分對鼠尾藻(A)和孔石莼(B)相對生長率(鮮質量)的影響Fig.1 Effect of different concentrations of diesel water accommodated fraction on relative growth rate of fresh weight in Sargassum thunbergii (A) and Ulva pertusa (B)

2.2 柴油水溶性組分對鼠尾藻和孔石莼凈光合速率的影響

柴油水溶性組分對鼠尾藻和孔石莼凈光合速率的影響如圖2所示。從圖2(A)可以看出,每個濃度處理組自身的鼠尾藻凈光合速率在整個培養周期無顯著差異。在48 h時,100量級處理組的鼠尾藻凈光合速率要顯著低于其他濃度處理組(P<0.05);在96 h時,10量級處理組的鼠尾藻凈光合速率要顯著高于其他濃度處理組(P<0.05)。從圖2(B)可以看出,30量級處理組的孔石莼凈光合速率在96 h要顯著高于48和72 h(P<0.05),50量級處理組的孔石莼凈光合速率在72 h要顯著高于48和96 h。在96 h時,高濃度處理組(50、100量級)的孔石莼凈光合速率要顯著低于其他濃度處理組(P<0.05)。

(圖中大寫字母不同表示不同時間相同處理組之間差異顯著(P<0.05),小寫字母不同表示相同時間不同處理組之間差異顯著(P<0.05)。Capital letters indicate statistical difference (P<0.05) in the same experimental treatments at different times, Lowercase letters indicate statistical difference (P<0.05) among different experimental treatments at the same time.)圖2 不同濃度柴油水溶性組分對鼠尾藻(A)和孔石莼(B)凈光合速率的影響Fig.2 Effect of different concentrations of diesel water accommodated fraction on net photosynthetic rate in Sargassum thunbergii (A) and Ulva pertusa (B)

2.3 柴油水溶性組分對鼠尾藻和孔石莼呼吸速率的影響

柴油水溶性組分對鼠尾藻和孔石莼呼吸速率的影響如圖3所示。從圖3(A)可以看出,每個濃度處理組自身的鼠尾藻呼吸速率在72 h后顯著增高(P<0.05)。在24、48和72 h時,100量級處理組的鼠尾藻呼吸速率要顯著高于其他處理組(P<0.05);在96 h時,各濃度處理組的鼠尾藻呼吸速率無顯著差異。從圖3(B)可以看出,100量級處理組的孔石莼呼吸速率在72 h要顯著低于24和48 h(P<0.05),其他濃度處理組的孔石莼呼吸速率在整個培養周期無顯著變化;在48 h時,30量級處理組的孔石莼呼吸速率要顯著高于對照組(P<0.05),72 h時,100量級處理組的孔石莼要顯著低于30和50量級處理組(P<0.05),其他時間各濃度處理組的孔石莼呼吸速率無明顯變化。

(圖中大寫字母不同表示不同時間相同處理組之間差異顯著(P<0.05),小寫字母不同表示相同時間不同處理組之間差異顯著(P<0.05)。Capital letters indicate statistical difference (P<0.05) in the same experimental treatments at different times, Lowercase letters indicate statistical difference (P<0.05) among different experimental treatments at the same time.)圖3 不同濃度柴油水溶性組分對鼠尾藻(A)和孔石莼(B)呼吸速率的影響Fig.3 Effect of different concentrations of diesel water accommodated fraction on respiration rate in Sargassum thunbergii (A) and Ulva pertusa (B)

2.4 柴油水溶性組分對鼠尾藻和孔石莼生化組分的影響

2.4.1 葉綠素a含量 柴油水溶性組分對鼠尾藻和孔石莼葉綠素a含量的影響如圖4所示。從圖4(A)可以看出,每個濃度處理組自身的鼠尾藻葉綠素a含量在整個培養周期無顯著差異。在48 h后,高濃度處理組(50、100量級)的鼠尾藻葉綠素a含量顯著降低(P<0.05)。從圖4(B)可以看出,高濃度處理組的孔石莼葉綠素a含量在96 h時顯著降低。在24 h時,10和100量級處理組的孔石莼葉綠素a含量顯著低于對照組,而30量級處理組的孔石莼葉綠素a含量顯著高于對照組(P<0.05);在48和72 h時,各濃度處理組的孔石莼葉綠素a含量與對照組相比無顯著差異;在96 h時,高濃度處理組的孔石莼葉綠素a含量與其他濃度處理組相比顯著降低(P<0.05)。

(圖中大寫字母不同表示不同時間相同處理組之間差異顯著(P<0.05),小寫字母不同表示相同時間不同處理組之間差異顯著(P<0.05)。Capital letters indicate statistical difference (P<0.05) in the same experimental treatments at different times, Lowercase letters indicate statistical difference (P<0.05) among different experimental treatments at the same time.)圖4 不同濃度柴油水溶性組分對鼠尾藻(A)和孔石莼(B)葉綠素a含量的影響Fig.4 Effect of different concentrations of diesel water accommodated fraction on the content of chlorophyll a in Sargassum thunbergii (A) and Ulva pertusa (B)

2.4.2 丙二醛含量 柴油水溶性組分對鼠尾藻和孔石莼MDA的影響如圖5所示。從圖5(A)可以看出,10量級和30量級處理組的鼠尾藻MDA含量在48 h要顯著低于其他時間(P<0.05),而高濃度處理組的鼠尾藻MDA含量在72和96 h要顯著高于24和48 h(P<0.05)。在72 h后,100量級處理組的鼠尾藻MDA含量要顯著高于對照組(P<0.05)。從圖5(B)可以看出,每個濃度處理組自身的孔石莼MDA含量在整個培養周期無顯著變化。在24和96 h時,100量級處理組的孔石莼MDA含量要顯著高于對照組(P<0.05)。

(圖中大寫字母不同表示不同時間相同處理組之間差異顯著(P<0.05),小寫字母不同表示相同時間不同處理組之間差異顯著(P<0.05)。Capital letters indicate statistical difference (P<0.05) in the same experimental treatments at different times, Lowercase letters indicate statistical difference (P<0.05) among different experimental treatments at the same time.)圖5 不同濃度柴油水溶性組分對鼠尾藻(A)和孔石莼(B)丙二醛含量的影響Fig.5 Effect of different concentrations of diesel water accommodated fraction on the content of MDA in Sargassum thunbergii (A) and Ulva pertusa (B)

2.4.3 超氧化歧化酶活性 柴油水溶性組分對鼠尾藻和孔石莼SOD活性的影響如圖6所示。從圖6(A)可以看出,除對照組外,每個濃度處理組自身的鼠尾藻SOD活性在96 h要顯著高于其他時間(P<0.05)。在24和48 h時,各濃度處理組的鼠尾藻SOD活性要顯著低于對照組(P<0.05);而在96 h時,100量級處理組的鼠尾藻SOD活性要顯著高于其他處理組(P<0.05)。從圖6(B)可以看出,10和30量級處理組的孔石莼SOD活性在48 h要顯著高于其他時間(P<0.05)。在24 h時,各濃度處理組的孔石莼SOD活性要顯著高于對照組(P<0.05);在48 h時,除100量級處理組外,其他濃度處理組孔石莼SOD活性要顯著高于對照組(P<0.05);在72 h時,10量級處理組孔石莼SOD活性要顯著低于其他濃度處理組(P<0.05);在96 h時,10量級處理組的孔石莼SOD活性要顯著高于其他濃度處理組(P<0.05)。

(圖中大寫字母不同表示不同時間相同處理組之間差異顯著(P<0.05),小寫字母不同表示相同時間不同處理組之間差異顯著(P<0.05)。Capital letters indicate statistical difference (P<0.05) in the same experimental treatments at different times, Lowercase letters indicate statistical difference (P<0.05) among different experimental treatments at the same time.)圖6 不同濃度柴油水溶性組分對鼠尾藻(A)和孔石莼(B)超氧化物歧化酶活性的影響Fig.6 Effect of different concentrations of diesel water accommodated fraction on SOD activity in Sargassum thunbergii (A) and Ulva pertusa (B)

2.4.4 過氧化氫酶活性 柴油水溶性組分對鼠尾藻和孔石莼CAT活性的影響如圖7所示。從圖7(A)可以看出,10量級處理組的鼠尾藻CAT活性在48 h要顯著高于其他時間(P<0.05),其他各濃度處理組的鼠尾藻CAT活性在整個培養周期無顯著變化。每個濃度處理組自身的鼠尾藻CAT活性在各時間無顯著變化。從圖7(B)可以看出,10和30量級處理組的孔石莼CAT活性在72 h要顯著高于其他時間(P<0.05)。在24和48 h時,30、50和100量級處理組的孔石莼CAT活性要顯著低于對照組(P<0.05);在72 h時,10量級處理組的孔石莼CAT活性要顯著高于其他濃度處理組(P<0.05),且100量級處理組的孔石莼CAT活性在72和96 h均出現負值。

(圖中大寫字母不同表示不同時間相同處理組之間差異顯著(P<0.05),小寫字母不同表示相同時間不同處理組之間差異顯著(P<0.05)。Capital letters indicate statistical difference (P<0.05) in the same experimental treatments at different times, Lowercase letters indicate statistical difference (P<0.05) among different experimental treatments at the same time.)圖7 不同濃度柴油水溶性組分對鼠尾藻(A)和孔石莼(B)過氧化氫酶活性的影響Fig.7 Effect of different concentrations of diesel water accommodated fraction on CAT activity in Sargassum thunbergii (A) and Ulva pertusa (B)

2.4.5 過氧化物酶活性 柴油水溶性組分對鼠尾藻和孔石莼POD活性的影響如圖8所示。從圖8(A)可以看出,100量級處理組的鼠尾藻POD活性在24和96 h要顯著低于其他時間(P<0.05)。在96 h時,高濃度處理組的鼠尾藻POD活性要顯著低于對照組(P<0.05),在其他時間各濃度處理組鼠尾藻POD活性與對照組相比無顯著差異。從圖8(B)可以看出,30和50量級處理組的孔石莼POD活性在48 h要顯著高于其他時間(P<0.05)。在24 h時,各濃度處理組的孔石莼POD活性要顯著低于對照組(P<0.05);在48 h時,30和50量級處理組的孔石莼POD活性要顯著高于其他濃度處理組(P<0.05);在72 h時,30量級處理組的孔石莼POD活性要顯著高于其他濃度處理組(P<0.05);在96 h時,各濃度處理組間的孔石莼POD活性無顯著差異。

(圖中大寫字母不同表示不同時間相同處理組之間差異顯著(P<0.05),小寫字母不同表示相同時間不同處理組之間差異顯著(P<0.05)。Capital letters indicate statistical difference (P<0.05) in the same experimental treatments at different times, Lowercase letters indicate statistical difference (P<0.05) among different experimental treatments at the same time.)圖8 不同濃度柴油水溶性組分對鼠尾藻(A)和孔石莼(B)過氧化物酶活性的影響Fig.8 Effect of different concentrations of diesel water accommodated fraction on POD activity in Sargassum thunbergii (A) and Ulva pertusa (B)

2.4.6 總抗氧化能力 柴油水溶性組分對鼠尾藻和孔石莼總抗氧化能力的影響如圖9所示。從圖9(A)可以看出,30、50及100量級處理組的鼠尾藻總抗氧化能力在96 h要顯著高于其他時間(P<0.05)。在96 h時,鼠尾藻的總抗氧化能力隨著柴油水溶性組分濃度的增大而呈升高趨勢(P<0.05),100量級處理組的鼠尾藻總抗氧化能力顯著高于對照組(P<0.05),而其他時間各濃度處理組的鼠尾藻總抗氧化能力無顯著變化。從圖9(B)可以看出,30量級處理組的孔石莼總抗氧化能力在48和72 h時要顯著高于24和96 h(P<0.05),50量級處理組的孔石莼總抗氧化能力在48 h要顯著高于其他時間(P<0.05)。在48 h時,50量級處理組的孔石莼總抗氧化能力要顯著高于對照組(P<0.05),在96 h時,100量級處理組的孔石莼總抗氧化能力要顯著低于對照組(P<0.05)。

(圖中大寫字母不同表示不同時間相同處理組之間差異顯著(P<0.05),小寫字母不同表示相同時間不同處理組之間差異顯著(P<0.05)。Capital letters indicate statistical difference (P<0.05) in the same experimental treatments at different times, Lowercase letters indicate statistical difference (P<0.05) among different experimental treatments at the same time.)圖9 不同濃度柴油水溶性組分對鼠尾藻(A)和孔石莼(B)總抗氧化能力的影響Fig.9 Effect of different concentrations of diesel water accommodated fraction on T-AOC in Sargassum thunbergii (A) and Ulva pertusa (B)

3 討論

從相對生長率的結果來看,兩種海藻對柴油水溶性組分的耐受能力不同。96 h內,孔石莼能夠在0～30量級處理組中生存,而鼠尾藻能夠在0～100量級處理組中生存。孔石莼與鼠尾藻同屬于潮間帶物種,具有類似的棲息環境條件,但是其耐受范圍低于鼠尾藻,這可能與藻體的形態結構有關。鼠尾藻和孔石莼均為多細胞藻體,但是孔石莼的藻體僅由兩層細胞構成,這樣的細胞結構可能加快了有毒物質進入藻體的過程,進而導致了相對較差的適應性。此外,實驗結果還表現出對鼠尾藻和孔石莼相對生長率的低促高抑現象。鼠尾藻在10、30和50量級處理組中相對生長率均高于對照組,100量級處理組出現抑制現象。24 h內各處理組對孔石莼生長均有促進作用,在處理72 h后50和100量級處理組的相對生長率開始顯著下降,這可能是因為前期柴油水溶性組分被藻類吸收利用,為生長提供所需要的碳源和氮源,而長時間高濃度的柴油水溶性組分處理超出了藻體自身的防御能力,對內部細胞結構造成了不可逆的損傷,從而對生長產生抑制。王修林等認為,在低于0.5 mg/L的石油烴處理組中,旋鏈角毛藻(Chaetoceroscurvisetus)與的生長受到顯著的促進[28],王悠在研究多環芳烴蒽對球等鞭金藻(Isochrysisgalbana)和中肋骨條藻(Skeletonemacostatum)的影響中也發現類似的低促高抑現象[14]。趙紅梅等的實驗證明海帶(Laminariajaponica)能夠吸收和降解多環芳烴,在藻體內形成二硫二巰基物質,對機體進行解毒效應[29],但是目前關于藻類對石油烴類物質的吸收和代謝的機理并不完全透徹,該理論的證實還需要進一步的研究。

鼠尾藻和孔石莼的葉綠素a含量與相對生長率的變化趨勢大致相同,高濃度的柴油水溶性組分會導致其葉綠素a含量下降,而低濃度柴油水溶性組分(10和30量級處理組)的作用,則會增加其細胞內葉綠素a的含量。這一結果與田繼遠發現的小新月菱形藻(Nitzschiaclosterium)在受到蒽脅迫時葉綠素a含量會下降[30]、徐夢發現的低濃度多環芳烴(小于等于10 μg/L)會增加裙帶菜幼孢子體細胞內葉綠素的含量[11]的結果相一致。造成光合色素含量的下降的原因可能為以下兩種情況:(1)柴油水溶性組分降低了藻體營養鹽吸收速率,導致體內營養成分供應的不足。Reilley等認為陸生植物葉片色素含量下降的原因是由于多環芳烴類物質堵塞了植物根系上具有吸收能力的細胞,吸收養分和水分的能力受到破壞,造成色素合成能力下降[31]。(2)柴油水溶性組分透膜進入細胞后會直接對葉綠體結構造成損傷。在研究柴油對鉤沙菜(Hypneamusciformis)的影響時通過透射掃描電鏡以及熒光顯微鏡觀察到葉綠體結構受損[32]。但本實驗的具體影響因素有哪些還需要進一步研究。

本研究中凈光合作用速率與色素含量、相對生長速率相對應,鼠尾藻在48 h時出現低促高抑的現象。陳蓮花研究表面活性劑對銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)光合作用的影響時,表明20 mg/L濃度的AEO9可以對銅綠微囊藻的光合作用產生明顯的促進[33]。王珊研究三種石油烴種類對孔石莼光合速率影響的結果表明,在不同石油烴濃度下,孔石莼的光合速率表現出先增加后下降的趨勢[10]。這些研究進一步驗證了低濃度污染物可以刺激機體的自我防御系統,通過加快光合速率和呼吸速率的方式為機體制造有機物,加快能量供應。孔石莼在24 h表現出低濃度促進,在48 h表現出50和100量級處理組凈光合作用速率下降,但隨時間的延長有一定的恢復,這表明柴油水溶性組分在48 h內對孔石莼光合作用造成的損傷有可能是可逆轉的。倪妍等在研究硝磺草酮對微囊藻(Microcystissp.)細胞造成的影響時也出現類似的恢復現象,在硝磺草酮濃度為5 mg/L 時,微囊藻細胞最大光化學量子產量在最初受到的損傷會隨著時間的延長出現恢復現象,10 mg/L處理組的藻細胞則沒有出現類似的現象[34]。本研究中高濃度處理組中孔石莼的凈光合速率在96 h又出現了的顯著下降,這表明高濃度的柴油水溶性組分作用較長時間所帶來的脅迫加重了藻體的損傷程度。柴油水溶性組分除了對兩種藻類凈光合速率產生影響外,也對黑暗呼吸速率產生影響。本研究表明柴油水溶性組分的處理會促進藻體的呼吸速率。研究表明,當植物受到脅迫后,呼吸速率會增加,這可能與藻類自身的防御系統有關,當藻體遇到不利環境時,為了保證更好的生長,需要更多的能量來啟用各種代謝活動,因此會導致呼吸速率升高。

在受到有機污染時,由于細胞膜具有磷脂雙分子層結構,石油烴中的污染物質能夠迅速地進入細胞,首先對植物體的第一道防線細胞膜造成損傷,發生膜脂過氧化作用,其產物丙二醛含量越高說明植物細胞膜受到的損傷程度越大[35]。張木清在研究低溫影響甘蔗葉片的活性氧變化時發現丙二醛的含量與膜脂過氧化程度呈正相關[36]。呂娓娓研究發現條斑紫菜(Porphyrayezoensis)絲狀體受到銅、鎘脅迫時,銅、鎘的濃度越高,MDA升高的幅度越大[37]。除了有機污染物脅迫,侯和勝等在進行高溫對條斑紫菜的脅迫實驗時也出現了相同的結果,溫度越高,MDA的含量越高[38]。蔡恒江在研究UV-B輻射對孔石莼的影響時發現孔石莼在UV-B輻射處理第12天時MDA含量達到最高值,相對應的特定生長率顯著低于對照組,說明MDA含量上升可能會抑制機體的生長[39]。同樣地,朱琳在研究UV-B輻射對龍須菜(Gracilarialemaneiformis)的影響時也發現輻射強度的增加會導致MDA含量升高,并引起生長率下降[40]。本實驗中,高濃度的柴油水溶性組分均會引起兩種藻類的丙二醛含量上升,表明高濃度的柴油水溶性組分對其長時間的處理加劇了藻類細胞膜脂質過氧化的程度,對細胞結構造成了損傷。在96 h高濃度組中藻體MDA含量大幅升高而相對生長率卻下降,這表明細胞膜脂質過氧化程度過高會抑制藻體的生長。

鼠尾藻在應對柴油水溶性組分處理時,藻體中的SOD活性在96 h顯著上升,CAT則在48 h顯著上升,POD活性則變化不顯著,總抗氧化能力在96 h時達到最高值。總抗氧化能力的變化能夠調節MDA的含量,保證藻體的正常生長。孔石莼在應對柴油水溶性組分的逆境環境時,也會激活體內的抗氧化防御系統,但是高濃度的長期污染會造成CAT酶的失活,總抗氧化能力下降,與之對應的相對生長率也出現最低值。這些結果表明,抗氧化酶能夠調節藻體的損傷,但是超過某個閾值后,調節能力便會降低,同時出現相對生長率下降的現象。王曉艷在研究溫度對裙帶菜(Undariapinnatifida)幼孢子體的影響時也發現了類似的現象,裙帶菜幼孢子體中的抗氧化酶在28 ℃的高溫處理下,活性均處于較低水平[41]。侯和勝在研究條斑紫菜絲狀體對高溫的響應時,也發現適宜的高溫刺激可以促進抗氧化酶活性,但是溫度在28～30 ℃時抗氧化酶活性都處于較低水平[38]。趙宇瑛在研究機械損傷對黃瓜(Cucumissativus)抗氧化系統的影響時也發現隨著損傷時間的延長,抗氧化酶呈先升高后下降的趨勢,與此相對應的是活性氧含量先升高后降低隨后又升高的過程[42]。本研究中還發現不同的抗氧化酶對脅迫的響應程度不同。張瑩等在研究硼脅迫對龍須菜生理的影響時表明體內的SOD與對照組無顯著差異,CAT在受到影響后則會顯著下降[43],崔相東研究發現裙帶菜受到機械損傷后,三種抗氧化酶對機械損傷脅迫都具有強烈的反應[44],徐群在研究溫度對鼠尾藻的影響時發現當溫度為35 ℃時,CAT活性會顯著上升,SOD活性會顯著下降[45]。

鼠尾藻和孔石莼雖然對柴油水溶性組分表現出不同的耐受能力,但兩種藻的生長和生化組分的變化趨勢相同。低濃度的柴油水溶性組分能夠被兩種藻吸收利用,促進了藻體的生長、增加了葉綠素含量、光合作用速率升高。高濃度的柴油水溶性組分能夠對藻體產生不可逆轉的傷害,導致生長收到抑制、葉綠素含量減少、光合作用速率降低。而低濃度和高濃度的柴油水溶性組分均會造成兩種藻的呼吸速率上升,以此抵御柴油水溶性組分所帶來的影響。兩種藻在應對柴油水溶性組分處理時所表現出的總抗氧化能力不同,鼠尾藻的總抗氧化能力隨著柴油水溶性組分處理時間的增加而呈現增加的趨勢,而孔石莼的抗氧化能力隨著柴油水溶性組分處理時間的增加呈現先增加后降低的趨勢,說明抗氧化酶只能在有限范圍內調節柴油水溶性組分對藻體造成的損傷。

4 結語

本文研究結果表明低濃度柴油水溶性組分對兩種大型海藻的生長具有促進作用,高濃度則會產生抑制作用。藻體的抗氧化酶對柴油水溶性組分脅迫的響應也表現出了與濃度和作用時間的相關性。鼠尾藻與孔石莼均為潮間帶大型海藻,所處生態位接近,鼠尾藻對高濃度的污染環境耐受性較強,適宜作為工具藻在污染早期開展生物修復,而孔石莼在低濃度條件下表現出更高的生長速度,可在修復后期與鼠尾藻協同應用。目前,在利用大型海藻修復石油烴污染的過程中還有許多未解釋的問題,如大型海藻對石油烴的吸收方式,大型海藻對石油烴類物質的代謝通路,大型海藻對石油烴類物質基因水平上的響應等問題,這些將是今后利用大型藻類進行石油烴污染修復需要解決的問題。