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《山西大学》 2017年
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汾河太原河段水华藻及生物源物质抑藻机理研究

王捷  
【摘要】:淡水水体的富营养化和气候变暖引起的有害蓝藻水华已经成为了全球严重的环境问题之一。蓝藻水华可导致一系列水环境问题的发生,如降低水体溶解氧,影响水产养殖业、饮用水供应及休闲娱乐用水。最严重的是,有害蓝藻水华产生的次生代谢物(藻毒素和藻源异味物质等)对水生生物、牲畜及人类有极大的危害。山西省水资源严重匮乏,省内河流屈指可数,其中最大且最长的河流是汾河。在维持山西生态环境、经济发展和居民生活中起着不可估量的作用。汾河太原河段处于汾河流域的中段。随着工业发展和城市人口的迅速膨胀,水体富营养化日益严重,导致水质开始恶化。2011年8月,汾河太原段暴发了大规模的蓝藻水华,被污染的水域长达数公里,其后每年都会发生不等面积的水华。因此,控制藻类的大量生长和繁殖,消除频繁出现的有害蓝藻水华,成为了一个亟待解决的环境问题。2012–2016年,本课题组对汾河太原段水体中的浮游植物及水华优势种进行了鉴定,首次发现产藻毒素和藻源异味物质种类。为了控制水华,研究了环境友好型的控藻方法及抑藻机理,主要的研究结果如下:(1)2012–2016年,通过对采集样品的观察,共鉴定出浮游植物202种,隶属于7门72属,区系组成主要以绿藻、硅藻和蓝藻为主。随着季节和年份的变化,浮游植物物种总数呈现上升的趋势,尤其是蓝藻、绿藻和硅藻。每年采集的样品中都会发现新出现的物种,并且数量也在不断上升。汾河太原河段浮游植物细胞密度呈现高度的时空异质性,并且在年内各个季度分配不均,5月份汾河太原河段10个采样点的浮游植物平均细胞密度为68.85×106–74.00×106 cells L-1,7月份浮游植物平均细胞密度为194.57×106–226.70×106 cells L-1和10月份浮游植物平均细胞密度为45.63×106–63.00×106 cells L-1。随着年份的变化,藻类的细胞密度呈现上升的趋势,并且蓝藻以绝对优势呈现上升的趋势。这5年中,10个采样点共发现浮游植物优势种6门19种。其中蓝藻门种类占42.11%,其次为绿藻门种类,占21.05%,其它门优势种类相对较少。但是每年的5月份,跻汾桥和南中环桥段都会出现裸藻水华,而每年的7–9月份,各采样点都会出现面积不等的微囊藻水华,并且是不同种的微囊藻形成优势种。各采样点的优势种呈现高度的时空异质性,并且在年内各个季度变化较大。通过形态和分子生物学结合的手段,对发生水华的优势种进行了鉴定,结果表明,5月份发生的裸藻水华,优势种为血红裸藻(Euglena sanguinea)。而7–9月份发生的微囊藻水华,优势种为铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)、挪氏微囊藻(Microcystis novacekii)和惠氏微囊藻(Microcystis wesenbergii)。(2)本研究首次发现汾河太原河段水体中的微囊藻产毒素和异味物质。分离纯化得到的8株微囊藻中有5株含有微囊藻毒素合成相关基因mcyA、mcyD和mcyE,且均为产毒微囊藻,但是其产毒素浓度较低。TY001、FH0003、FH0004、FH0006和FH0007产毒素浓度分别为59.76±5.32、36.54±3.06、39.19±2.09、32.09±2.08和36.46±3.02 pg/108cells。分离纯化的微囊藻挥发性异味物质的检测结果表明,8株微囊藻中有6株(TY001、FH0002、FH0003、FH0004、FH0005和FH0006)可产生明显的异味。经过嗅味判断及与常见异味种类标准品的比对,确定这6株微囊藻产生的异味物质主要为β-环柠檬醛(β-cyclocitral),其他三类淡水水体常见的藻源异味物质(Geosmin,2-MIB和β-紫罗兰酮)均未检出。(3)连苯三酚同其它化感物质一样,对铜绿微囊藻生长有一定的抑制作用。首先,藻胆体降解相关基因nblA表达量的上升可能引起PBS降解蛋白的增加,导致光合效率下降。其次,Fv/Fm、PIABS和PICS等叶绿素荧光参数均显著降低,综合说明铜绿微囊藻完整的光合作用性能受到了破坏。同时,也表明连苯三酚对铜绿微囊藻的光合抑制是极其重要的机理。连苯三酚可以明显抑制细胞生长甚至使细胞致死,是能有效控制和消除铜绿微囊藻水华的化感物质。更进一步的研究中,可探索更多的化感抑制机理,寻求更高效的化感抑藻物质来控制有害蓝藻水华。(4)连苯三酚可明显上调铜绿微囊藻TY001的氧化胁迫应答相关基因prx、ftsH、grpE和fabZ,DNA修复相关基因recA和gyrB的相对表达量。同时,氧化胁迫明显提高了细胞内3种关键的抗氧化酶(SOD、POD和CAT)含量,活性氧(ROS)的大量增加引起脂质过氧化反应发生,从而导致丙二醛(MDA)含量上升。这些实验结果表明,连苯三酚对铜绿微囊藻TY001有明显的抑制作用,氧化损伤和DNA损伤是重要的致毒机理。更重要提出的是,微囊藻毒素合成基因(mcyB和mcyD)和氮吸收相关基因(ntcA)的表达量及微囊藻含量明显提高。进一步的研究中需要发现更多的化感物质和更加深入的抑藻机理,控制和消除有害蓝藻水华。(5)5,4'-二羟基黄酮(5,4'-dihydroxyflavone,5,4'-DHF)对铜绿微囊藻TY001有明显的抑制作用。5,4'-DHF胁迫可明显提高细胞内的ROS水平,同时,prx基因和抗氧化酶(SOD、POD和CAT)的含量也明显上升。但是随着处理时间的增长,prx基因的表达量明显下降,抗氧化酶系统受到损伤,而ROS水平持续增高,抗氧化酶不能清除过量的ROS,导致细胞生理平衡受到破坏。从而,引起了脂质过氧化反应和MDA含量的增加,fabZ基因的表达量也明显下降,细胞膜也受到了极大的损伤。5,4'-DHF胁迫下,recA基因的表达量明显下降,可能铜绿微囊藻TY001的DNA受到了损伤。5,4'-DHF降低了psbA基因的表达量,光合作用中的电子传递和能量转移受到破坏,光合效率大大降低。5,4'-DHF没有提高微囊藻毒素合成基因mcyB基因的表达量,可能微囊藻毒素的合成量也会显著降低。以上结果表明,光合抑制、氧化损伤和DNA损伤是5,4'-DHF对铜绿微囊藻抑制的主要机理。5,4'-DHF是一种环境友好且抑藻效率高的化感物质,可应用于控制铜绿微囊藻水华。
【学位授予单位】:山西大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:X52;X173

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