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原生动物棕鞭毛虫清除有毒微囊藻的环境效应及其降解藻毒素机制的研究

张露  
【摘要】:全球气候变暖和水体富营养化加剧了蓝藻水华的暴发,对水生态系统造成极大的危害。一方面,蓝藻缺乏必要的营养物质,无法满足初级消费者的正常生长和繁殖活动;其次,蓝藻中的有毒种类会产生藻毒素,枝角类、轮虫和鱼类等都不具有彻底降低藻毒素的能力,因而会直接受到藻毒素的毒害作用。此外,这些藻毒素在自然水体中难以被快速降解,还会随食物链传递,在高营养级的生物体内富集,这对水生态系统安全及人类健康造成了极大威胁。生物操纵控制有害藻类是基于水体中原有生物摄食能力的一种环境友好型控藻手段。在自然水体中,原生动物是浮游植物的主要捕食者,其中许多种类可以耐受和摄食有毒蓝藻,并对藻毒素有一定降解能力,从而可以在以有毒初级生产者为主的食物网中有效地疏通物质和能量流动通道,降低有毒藻类造成的水体安全风险。因此,相对于枝角类、桡足类等后生浮游动物,这些原生动物在控制有毒蓝藻中具有一定的优势。然而,目前有关原生动物控藻的环境效应及解毒机制的研究尚缺乏系统性的认识,如在自然水体中哪些种类的原生动物可以清除微囊藻并降解藻毒素?如何快速培养这种原生动物?主要环境因子是如何影响原生动物控藻和降解藻毒素的?在原位环境中原生动物的控藻效果如何?原生动物耐受和降解藻毒素的机制是什么?由于微囊藻是最常见以及最主要的水华蓝藻种类之一,本研究围绕以上科学问题,结合实验室模拟和原位实验的方法,分别从种群、群落和分子水平探讨一种来源于自然水体中可耐受藻毒素的原生动物摄食有毒微囊藻和降解藻毒素的环境效应及分子机制。本论文的主要研究结果包括以下五个方面:1.棕鞭毛虫的分离鉴定与快速培养从太湖采集的水样中通过筛选、分离和纯化获得了一株可高效摄食产毒铜绿微囊藻的原生动物,经形态和分子手段鉴定出这株原生动物属于金藻门金胞藻目棕鞭藻属的Ochromoas gloeopara(定为YZ1株)。其次,通过对该棕鞭毛虫在不同营养条件下的生长和光合能力的分析,确定该棕鞭毛虫为混合营养型生物,且其在混合营养模式下生长速率和光合效率最大。此外,本实验以葡萄糖为碳源,通过连续补充有机碳的培养模式可以在6天内获得高丰度的棕鞭毛虫。该研究结果为采用原生动物控制微囊藻提供了一种可能途径,同时也为棕鞭毛虫O.gloeopara控藻的后续研究奠定了基础。2.温度和CO_2(非生物因素)对棕鞭毛虫摄食产毒微囊藻和降解藻毒素的影响气候变暖加剧了蓝藻水华的暴发,本实验探究了升温和CO_2浓度升高对棕鞭毛虫摄食微囊藻及降解藻毒素的影响。首先,在升温实验中设置了 3个温度条件:20、25和30℃。该实验结果表明,温度升高可以显著促进棕鞭毛虫对微囊藻的清除及对藻毒素的降解。其次,在升温和CO_2浓度增高的实验中设置了 5个温度(19、22、25、29和33℃)和2个CO_2水平(400和750ppm)。该实验结果表明,在高温和高浓度CO_2处理下,棕鞭毛虫的摄食率显著下降,且清除微囊藻种群的时间延长。本实验结果体现了环境因子相互作用对捕食者—猎物种间关系影响的复杂性,并为预测未来气候变化下的原生动物控藻效果提供了一定参考。3.常见藻类(生物因素)对棕鞭毛虫摄食产毒微囊藻和降解藻毒素的影响本实验探究了不同温度下(20、25和30℃)两种绿藻(蛋白核小球藻和斜生栅藻)对混合营养型棕鞭毛虫摄食产毒微囊藻和降解藻毒素的影响。该实验结果显示,绿藻的添加抑制了混合营养型棕鞭毛虫的摄食,延缓了其清除微囊藻种群和降解藻毒素的时间。伴随着微囊藻种群的下降,绿藻种群逐渐增大,并最终占据优势。本实验结果表明,棕鞭毛虫的食物选择性促使优势藻类种群由微囊藻向绿藻转变,这将有利于有益藻类种群的恢复以及浮游植物群落结构的改善。4.添加棕鞭毛虫对半原位/原位水体浮游植物群落结构的影响本实验分别设置了以小群体微囊藻和单细胞微囊藻为主的2种浮游植物群落,探究在半原位和原位微宇宙实验条件下,棕鞭毛虫对微囊藻种群的控制效果以及对浮游植物群落结构的影响。该实验结果表明,棕鞭毛虫在半原位和原位环境下均可以有效地抑制小群体微囊藻和单细胞微囊藻种群,同时促使以蓝藻为主的浮游植物群落向以绿藻和硅藻为优势种的群落结构演替,提高了浮游植物群落的生物多样性和物种丰富度。该研究结果体现了混合营养型棕鞭毛虫在原位控藻中的可行性和优势,这对改善以有害蓝藻为主的浮游植物群落具有重大的实际意义。5.棕鞭毛虫降解微囊藻毒素的机制:基于转录组学和代谢组学的整合分析基于本研究中的棕鞭毛虫可耐受和降解微囊藻毒素,本实验综合利用转录组和代谢组技术手段,将摄食产毒和无毒微囊藻的棕鞭毛虫的转录组和代谢组检测结果进行差异比较,并分析棕鞭毛虫耐受和降解藻毒素的分子机制。该实验数据显示,差异表达基因和差异代谢物主要与翻译、碳水化合物代谢和能量代谢等相关。本研究结果揭示了,棕鞭毛虫对藻毒素的耐受性与其胞内抗氧化活动和修复能力的增强以及胞外基质的增加有关;棕鞭毛虫降解藻毒素的过程主要依赖于细胞内溶酶体中的代谢活动,如ROS的强氧化作用,同时也与GST和GSH解毒过程有关。综合上述各章节的研究结果得出,从太湖水体筛选、分离和纯化得到的这株棕鞭毛虫可以高效清除产毒微囊藻;高温能够促进其对微囊藻种群的清除及对藻毒素的降解,但在高温下的高浓度CO_2会抑制棕鞭毛虫的控藻能力;尽管绿藻的存在延缓了棕鞭毛虫对微囊藻种群的清除,但棕鞭毛虫的食物选择性促进了绿藻种群的恢复;尤其是在原位实验中,该棕鞭毛虫对微囊藻种群的抑制有效地改善了浮游植物群落的结构,并提高了浮游植物群落的生物多样性和物种丰富度;通过对棕鞭毛虫转录组和代谢组学的分析,揭示了混合营养型棕鞭毛虫对藻毒素的耐受性与其能量合成、修复能力、抗氧化活动的增强有关,细胞内溶酶体代谢活动的加强是棕鞭毛虫降解藻毒素的主要机制。


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