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天然黄酮类化合物的抑藻活性—结构关系、作用机制及抑藻剂开发研究

黄皓旻  
【摘要】:近年来利用植物化感物质控制藻类生长被认为是极具前景的生态防治水华暴发方法,其中天然黄酮类化合物作为化感抑藻物质不仅具有较强生物活性潜能而且资源丰富,因此有望开发为新一代生态安全、廉价高效的应急抑藻方法。然而,由于黄酮化合物单体种类繁多而其抑藻活性构效关系及微观抑藻机制尚未清楚,探究黄酮抑藻活性构效关系及微观机制能更好地为藻华应急治理方案提供理论支持;而在实际应用中,直接将合适的黄酮化合物投于水华暴发的水体中是不合理的,对天然黄酮类化合物进行抑藻缓释试剂开发研究能为以天然产物为先导的高效新型抑藻剂开发提供实际应用基础。因此,本文以淡水水华优势蓝藻铜绿微囊藻为研究对象,考察系列天然黄酮类化合物抑制有害蓝藻生长的规律,借助二维定量构效关系(2D-QSAR)和三维定量构效关系(3D-QSA R)理论工具,系统研究黄酮天然分子抑藻活性与其分子结构之间的关系;利用流式细胞仪、浮游植物荧光仪等生物分析仪器,从黄酮胁迫下藻细胞光合作用和细胞膜系统的动态变化情况,探索植物天然产物黄酮类化合物抑藻的微观作用机制;通过微球化缓释技术开发了黄酮仿生化感抑藻剂,以期为以天然产物为先导的高效新型黄酮类抑藻开发提供技术指导。取得的主要研究成果如下:(1)系统研究了22种植物天然黄酮化合物对铜绿微囊藻Microcystis aeruginosa的抑制作用,发现5,4'-二羟基黄酮、山奈酚和木犀草素具有较强的抑藻活性;通过对黄酮化合物结构-抑藻活性关系的系统分析,揭示了其羟基数目对抑藻效果的影响规律,即羟基个数越多抑藻效果较好,然而当羟基数量为2个时,黄酮抑藻活性更多受羟基位置的影响。(2)在化感物质抑藻活性研究中创新性地引入定量构效关系手段,通过文献中噻唑烷二酮类化合物抑藻活性进行2D-QSAR模型建立,验证了该研究手段在预测化感物质抑藻活性的可行性并总结了相应的建模策略;进而对上述22种植物天然黄酮化合物的抑藻活性进行2D-QSAR分析,通过严格的内部检验和外部检验,验证了所建模型的稳定性和预测力,同时发现黄酮分子的极性越大、通透性越高以及疏水性越佳,其抑藻活性越高,即具有高极性、高通透性以及高疏水性的天然黄酮化合物有望成为新型化感抑藻剂。(3)进一步对天然黄酮化合物的抑藻活性进行3D-QSAR模型分析,所建CoMFA模型和CoMSIA模型均具有较佳的拟合程度和较强的预测能力。通过分析可得,黄酮分子3位亲水基团、A环5位带负电氢键供体基团、B环4'位亲水性氢键供体基团以及3'、4'位带负电的基团取代有利于其抑藻活性的增加,反之,在A环6、7位引入带负电且为氢键供体基团或在B环2'、3'、5'和6'位引入氢键供体基团不利于黄酮化合物的抑藻活性;在3D-QSAR模型的推测下,采用透射电镜观察藻细胞内部结构变化和通过红外光谱分析磷脂脂质体模拟实验验证了黄酮化合物对蓝藻抑制作用的其中一个活性位点是通过氢键结合作用于藻细胞膜上的磷脂分子,影响细胞膜功能,其中黄酮分子中的5位和4'位羟基是氢键结合的关键位置。(4)研究三种典型黄酮化合物5,4'-二羟基黄酮、芹菜素、木犀草素对铜绿微囊藻的细胞膜系统和光合作用的影响,初步揭示了黄酮化合物对铜绿微囊藻生长抑制机理。结果表明木犀草素主要是通过中断光合系统II反应中心的电子传递,而5,4'-二羟基黄酮和芹菜素主要是影响藻细胞的形态和细胞膜系统。这结果与3D-QSAR结果一致,具有5位和4'位羟基的5,4'-二羟基黄酮和芹菜素的抑藻作用机制主要在于影响藻细胞膜,而木犀草素B环上邻位羟基极有可能加强黄酮对藻细胞光合作用的影响。(5)利用医药微球化技术制备得到黄酮仿生抑藻剂,该抑藻剂模拟了植物天然化感抑藻作用能持续缓慢地向水体中释放黄酮物质,较直接投加黄酮物质方式更为合理、可控。通过释放模型计算得到,黄酮仿生抑藻剂的理论释放时间可长达约120天,足以覆盖整个水华季节。通过摇瓶抑藻实验和中试试验证实了黄酮仿生抑藻剂能长期有效抑制铜绿微囊藻的生长,而单次添加纯黄酮物质的抑藻效果仅持续10天。当初始藻密度越低时,黄酮抑藻剂的作用效果越佳。因此黄酮仿生抑藻剂作为植物化感物质抑藻的新型使用技术具有巨大的应用前景,可为应急控制蓝藻水华暴发提供可行修复方案。


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