海洋微藻响应重金属复合胁迫的生理生态学机制

蔡卓平, 吴皓 刘伟杰 刁盼盼 骆育敏 段舜山

1. 广东省生态学会, 广州 510600 2. 暨南大学水生生物研究中心, 广州 510632

海洋微藻响应重金属复合胁迫的生理生态学机制

蔡卓平1,2,*, 吴皓1,2, 刘伟杰1,2, 刁盼盼1,2, 骆育敏1,2, 段舜山1,2,*

1. 广东省生态学会, 广州 510600 2. 暨南大学水生生物研究中心, 广州 510632

重金属污染物进入海洋环境会破坏海洋生态系统的结构和功能。海洋微藻构成了海洋食物链的基础, 是海洋生态系统主要的初级生产者。重金属复合胁迫对海洋微藻产生毒性效应, 会阻碍藻细胞分裂、破坏DNA结构、抑制光合作用、减少细胞色素合成、导致藻细胞畸变以及改变浮游植物种类组成等。海洋微藻在长期种系进化或个体发育过程中, 形成了一系列响应重金属复合胁迫的特殊生理生态机制。它们可以利用由酶类和非酶类组成的抗逆保护系统, 减轻重金属复合胁迫导致的生物毒害作用; 还可以通过调节金属硫蛋白(Metallothionein, MT)等相关蛋白基因表达以维持正常的生理功能。探究海洋微藻响应重金属复合胁迫的生理生态学机制, 有利于为海洋重金属污染的生物修复提供依据, 具有重要的理论与现实意义。

海洋微藻; 重金属; 复合胁迫; 生理生态学机制

1 前言

海洋环境中浓度较高且生物毒性显著的重金属元素包括镉(Cd)、铅(Pb)、铜(Cu)、锌(Zn)、汞(Hg)、铬(Cr)等, 它们通常具有环境残留时间长、难以降解、并可沿着食物链传递富集、危害不可逆性等特点[1]。它们在海洋中累积到一定限度就会对海洋生态系统结构和功能产生严重的危害, 并可通过食物链直接或间接影响到人类健康[2]。重金属对人体产生巨大的危害, 典型的例子是由于汞污染而引起的“水俣病”以及由镉污染引起的“神经骨痛”事件。其中“神经骨痛”病就是因人体摄入镉后, 骨骼弱化甚至骨折, 疼痛难忍而得名[3-4]。重金属 Pb能导致中枢神经系统损坏, 也能引起肾脏、肝脏和大脑功能的衰竭; Cr通过食物链积累而影响人体生理功能,甚至导致一系列皮肤问题或肺癌。重金属Cd也被认为是 IA级致癌物, 对人类产生“三致性”危害(致癌、致畸、致突变)[5]。重金属的污染往往是复合存在, 单一重金属污染的状况比较少见[6]。作为海洋生态系统主要的初级生产者, 海洋微藻响应重金属复合污染胁迫的生理生态特征对重金属的累积和迁移都起到关键的作用。研究表明海洋微藻的酶类和非酶类物质可以一定程度上调节重金属复合胁迫的毒害效应。金属硫蛋白是一种广泛存在于动物、植物以及微生物体内的低分子量、富含半胱氨酸的蛋白质, 可对非必需重金属(如镉和铅)进行脱毒[7]。认识海洋微藻对重金属复合胁迫的解毒机制, 有利于丰富海洋微藻的抗逆分子生态学理论, 同时也有利于海洋重金属污染的生物修复研究工作。

2 海洋环境的重金属复合污染

各种重金属污染物从排放源排出进入环境水体后, 难以被水体自身净化, 不断发生沉降作用而进入沉积物中, 使得海洋沉积物成为重金属的主要蓄集库。水—沉积物界面是水相和沉积物相之间的转换区, 也是水生生态系统的重要组成部分。沉积物中的各种重金属元素在一定条件下可重新释放并进入上覆水, 对海洋环境造成二次污染。海洋沉积物中的重金属含量也能间接地反映出该区域的环境质量现状[8]。通过对南黄海海域表层沉积物中的重金属含量进行测定, 分析重金属元素的分布特征, 采用地累积指数法和生态风险指数法评价沉积物中重金属的污染水平及其对环境的潜在生态危害程度,发现 Cu、Pb、Cd、Zn、Hg、As 的平均含量分别为17.1×10-6、19.6×10-6、0.092×10-6、77.3×10-6、0.021×10-6、6.97×10-6，空间分布特征整体表现为重金属高值区主要分布在南黄海中部及偏东北部区域[9]。测定湛江港表层沉积物和海洋生物中Hg、Cu、Zn、Pb、Cd 等5种重金属元素的含量, 分析评价沉积物和海洋生物中重金属的含量分布及富集特征，结果表明, 除 Cd 外, 其他重金属元素在沉积物中的含量均高于其在海洋生物体中的含量; 湛江港海域 Cu、Zn、Cd在生物体内积累较严重[10]。分析2005—2015 年其中 4 年东碇临时海洋倾倒区及邻近海域表层沉积物中Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As 等6种重金属的含量及时空分布特征, 并采用潜在生态风险指数对重金属污染现状及潜在生态风险进行评价，结果表明Cd、Cu 的空间分布不均匀, 其余4 种重金属指标空间分布差异不大, 在表层沉积物中, As、Pb、Zn 富集程度相对较高, 而Cu、Hg、Cd 较低, 其中 As、Pb 和 Hg 为主要潜在生态风险因子[11]。

3 海洋微藻对重金属的生物吸附降解

海洋微藻吸附金属的作用方式根据是否需要能量可分为被动作用方式和主动作用方式。前者主要是指通过物理、化学作用来吸附金属的方式, 即金属离子通过络合、螯合、离子交换、物理吸附、氧化还原及微沉淀等作用结合至藻细胞表面, 其作用特点是吸附速度快、时间短、可逆、不依赖于细胞的能量代谢; 后者则是有代谢活性的细胞完成金属转移或细胞与金属之间的反应, 即金属离子主要是依赖扩散作用进行胞内运输, 此过程常伴随有能量的消耗, 其特点是吸附速度慢, 作用持续时间长,一般是不可逆过程, 并可能被能量代谢抑制剂所抑制。许多学者认为微藻吸附金属的作用主要是前一种方式, 即被动作用方式。藻类对于重金属离子的吸附性能主要由其细胞壁的结构和组成决定。海洋微藻的细胞壁主要由多聚糖、蛋白质和脂类组成,带有一定的负电荷, 且具有较大的表面积和粘性。这些组分含有大量可以同金属离子结合的基团, 有些基团可以靠静电引力吸附金属离子, 有的带有孤对电子, 可以和金属离子形成配位键而络合吸附金属, 有的基团表面吸附的离子可以与金属离子发生离子交换作用。细胞膜是具有高度选择性的半透过性膜, 这些特点也决定了海洋微藻可以富集许多离子[12]。

一般来说, 微藻吸附重金属过程主要涉及到以下几种机理。第一种是表面络合机理: 微藻置于金属溶液中时, 首先与金属离子接触的是细胞壁, 因此细胞壁的化学组成和结构决定着金属离子与它的相互作用特性。微藻细胞壁官能团所含的N、O、P、S 等原子可以提供孤对电子与金属离子配位, 通过络合作用吸附金属离子, 络合的方式可以是离子键或共价键。第二种是离子交换机理: 金属离子除了能与藻细胞壁上的负电性官能团络合而被吸附外,还能以离子交换的形式被吸附。此指的离子交换是藻细胞物质结合的金属离子被另一些结合能力更强的金属离子替代的过程。第三种是氧化还原机理:变价金属离子在具有还原能力的生物体上吸附, 有可能发生氧化还原反应。一般来说, 氧化还原反应需要有代谢活性的细胞参与, 但也有研究报道, 非活细胞也能吸附金属离子并将其还原为元素态。第四种是无机微沉淀机理: 无机微沉淀是易水解金属常见的吸附机理之一。易水解而形成聚合水解产物的金属离子在细胞表面易形成无机沉淀物, 它们以磷盐、硫酸盐、碳酸盐或氢氧化物等形式通过晶核作用在细胞壁上或细胞内沉淀下来[13]。

4 海洋微藻应对重金属毒害的保护物质

海洋微藻在长期种系进化或个体发育过程中形成了一系列耐受环境重金属复合胁迫的特殊生理响应体系。海洋微藻体内存在着一个由酶类和非酶类组成的抗逆保护系统, 以防御环境胁迫带来的伤害。主要酶类物质包括超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶、谷胱甘肽过氧化物酶等; 非酶类物质包括还原型谷胱甘肽、还原型抗坏血酸等。海洋微藻受到重金属复合胁迫时, 体内会产生过多的活性氧物质, 使得活性氧的产生与清除处于一种非平衡状态, 此时海洋微藻体内的抗氧化系统就可能增强，以清除多余的活性氧, 从而减轻由活性氧积累产生的氧化伤害[14]。在重金属复合胁迫下, 海洋微藻还可能通过调节金属硫蛋白(Metallothionein,MT)等相关蛋白基因表达以维持其正常的生理功能[15]。

金属硫蛋白是一种富含半胱氨酸、热稳定性、可诱导型非酶低分子量金属结合蛋白。研究发现大多数生物体内的金属硫蛋白分子结构是由两个大小相近的结构域构成哑铃型, 两个结构域通过赖氨酸残基相连。金属硫蛋白铰链区的存在使得两个结构域具有较大的柔性和可变性, 为调节生物体内重金属离子代谢提供了结构基础。金属硫蛋白在必需金属元素的调节和非必需金属元素的解毒等方面具有重要的作用, 其—SH能强烈螯合有毒的游离金属离子, 减弱重金属离子毒性, 并可将之排出体外, 从而实现解毒功能[16]。近年, 金属硫蛋白作为监测水环境重金属污染的一个重要标志物, 已经得到广泛关注。随着分子生物学等技术手段在海洋环境领域的应用, 不同生物的金属硫蛋白基因序列被相继克隆, 这为从基因表达水平上反映海洋环境重金属的污染状况提供了可靠技术手段[7].

5 展望

在自然环境中, 重金属之间以及它们与其他污染物之间会联合作用而构成复合污染, 因此重金属污染常呈现复合性和多样性[17]。重金属之间的相互作用通常分为拮抗、加和或协同作用, 当多种重金属共同暴露于生物体时, 其作用效应与单一重金属暴露往往有很大的不同, 因此开展重金属复合污染研究更能客观体现环境中重金属污染物与生物有机体之间的相互作用规律和机理[18]。此外, 不同的海洋藻类之间对重金属胁迫也存在不同的生长响应特征, 而重金属对藻类生长的胁迫作用还会受到光照、温度、营养盐、pH等环境因子的直接影响或间接影响。一般情况下, 重金属的毒性与温度高低成正相关; 水中的氧化还原电位与 pH是影响水中重金属迁移转化的两个重要理化因素, 而重金属在水中及海洋微藻内的迁移转化速率, 也一定程度决定了重金属的生物毒性[19]。此外，由于金属硫蛋白含大量巯基, 在空气中极不稳定, 在自然状态下较难分离纯化[20], 特别是在海洋微藻上的研究远远不足,今后有待进一步加强相关方面的研究工作。

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Physiological and ecological mechanism of marine microalgae responding to heavy metal complex stress

CAI Zhuoping1,2, WU Hao1,2, LIU Weijie1,2, DIAO Panpan1,2, LUO Yumin1,2, DUAN Shunshan1,2,*
1. Ecological Society of Guangdong Province, Guangzhou 510650, China 2. Research Center of Hydrobiology, Jinan University, Guangzhou 510632, China

heavy metals may enter the marine environment, and hence destroy the structure and function of marine ecosystem.Marine microalgae are the primary producers of marine ecosystem and constitute the basis of food chain in sea. The heavy metals are harmful to marine microalgae, which may hinder the algal cell division, destroy the DNA structure, inhibit the photosynthesis, reduce the cytochrome synthesis, cause cell distortion and even change phytoplankton species composition.During the long-term evolution or individual development of marine microalgae, a series of physiological and ecological mechanisms in response to heavy metal complex stress have been formed. They can start the protective system composed of enzymes and non enzymes to alleviate the toxic effect of heavy metals; they may also regulate the expression of metallothionein and other related protein genes in order to maintain the normal physiological function. Exploring the physiological and ecological mechanism of marine microalgae in response to heavy metal complex stress is beneficial to the bioremediation of marine heavy metal pollution, which is of both theoretical and practical significance.

marine microalgae; heavy metal; complex stress; physiological and ecological mechanism

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.03.031

X173

A

1008-8873(2017)03-216-04

蔡卓平, 吴皓, 刘伟杰, 等. 海洋微藻响应重金属复合胁迫的生理生态学机制[J]. 生态科学, 2017, 36(3): 216-219.

CAI Zhuoping, WU Hao, LIU Weijie, et al. Physiological and ecological mechanism of marine microalgae responding to heavy metal complex stress[J]. Ecological Science, 2017, 36(3): 216-219.

2016-03-08;

2017-01-12

广东省省级科技计划项目(2015A070709013, 2016A070708011); 水体富营养化与赤潮防治广东普通高校重点实验室(暨南大学)(KLGHEI KLB07007); 广州市科技计划项目(201707010481, 201609010091)

蔡卓平(1980—), 男, 博士, 主要从事生态学研究工作, E-mail: zpcai@scau.edu.cn

*通信作者:段舜山, 男, 博士, 教授, E-mail: tssduan@jnu.edu.cn