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南极冰藻对UV-B辐射增强的适应性及其抗紫外线辐射活性物质的研究

缪锦来  
【摘要】: 在极端环境中生存的微生物,在与环境的长期抗争的适应过程中形成了许多普通微生物所没有的独特特性。因而,自20世纪70年代以来引起了人们的广泛关注,成为当今科学研究的热点之一。研究极端微生物不仅对了解生命的极限、微生物的进化与分类等很有理论价值,而且对治理环境污染、改造生态环境、开辟微生物新功能等应用研究均具有重要意义。南极冰藻,是极端微生物中的具有奇特特性的一种。南极冰藻是极地海洋生态系统中初级生产力的重要承担者之一,在南极生态系统中具有重要的地位和作用。随着臭氧层破坏的日益严重,紫外线对生态的影响越来越引起人们的重视。研究已证实,UV-B对藻类有明显的伤害作用,其损伤的主要目标是蛋白质、DNA和光合色素等:同时,藻类对UV-B也有一定的适应能力,尤其是南极冰藻生存于南极臭氧空洞下强紫外线辐射的环境中,抗紫外线辐射能力很强。但是南极地区的紫外线辐射已经很强,若再有小幅的增加,对南极冰藻也会产生重大影响。因此,本文以南极冰藻为对象,通过研究其对UV-B增强的响应,探讨UV-B辐射增强对南极冰藻的影响机制和南极冰藻对UV—B辐射增强的适应机制,以及其抗紫外辐射活性物质的抗辐射活性、组成和分子结构等,以期为南极冰藻的深入研究和开发应用提供科学依据。 作者从中国第十八次南极考察采集的南极海水和海冰中,分离得到南极冰藻微藻20种,纯化培养后,根据不同实验的目的,分别选用代表性藻种进行研究。 1.对分离微生物的两种常规方法进行了改进,使其适合南极冰藻的分离。从南极海水和海冰中得到纯培养的微藻20种共5大类,主要有单细胞硅藻15种,绿藻2种,蓝藻1种,甲藻1种,金藻1种。硅藻是优势藻种,蓝藻、甲藻和金 南极冰藻对UV七辐射增强的适应性及其抗紫外线辐射活性物质的研究 藻含量极少,不易分离和得到。其中蓝藻是继姜英辉博士之后的再一次发现,进 一步证实南极确实存在蓝藻。采用两种改进的分离技术,优势互补的对南极冰藻 进行分离。比较这两种方法,毛细滴管复洗技术具有一次完成和培养时间短的优 点;琼脂板技术具有操作简单,分离方便的优点。自行设计两种纯化方法,并对 南极冰藻进行纯化,发现抗生素技术不适用于南极冰藻的纯化,而紫外线辐照方 法可用于南极冰藻的纯化。通过对南极冰藻群落形态的观察,发现藻体以群落形 式聚集并具有很好的对称性。这可能是,南极冰藻抵御酷寒、高盐度和强紫外线 辐射环境的一种生存机制。总之,南极冰藻的耐紫外线辐照特点和对称的几何群 落形态,可认为是与南极极端环境相适应的结果。 2.由于实验室培养的南极冰藻,与其它普通海洋微藻相比生长缓慢,为此 自行制备甘氨酸镁,并将其作为一种新型促生长剂应用于南极冰藻绿藻L-1和硅 藻H-1的培养中,发现对这两种南极冰藻有显著的促生长作用。促生长作用的机 理主要是增加南极冰藻中叶绿素(a,b)的含量,从而提高南极冰藻的光合作用 效率,促进南极冰藻的生长。 3.设计O卜W*m-‘、35HWW·cm“’、70pw·cm-‘、10*W·cm“‘4禾UV-B辐射强 度对绿藻卜卜 绿藻L-4、硅藻H-1、硅藻H-2和硅藻H-3等5种南极冰藻的生 长进行影响试验。结果表明,5种南极冰藻的生长均受到明显的抑制,而且随紫 外线辐射强度增强而显著增大。实验还发现,紫外线辐照下5种南极冰藻的细胞 显著增重,可产生新的水溶性和脂溶性色素类物质。这些可认为是,南极冰藻对 强辐射环境的适应性结果。 4.采用光学显微镜、透射和扫描电子显微镜对南极冰藻绿藻L-4的形态和 超微结构进行研究。研究发现,UV-B辐射增强后,藻细胞向胞外分泌大量的粘 性物质并包裹细胞;同时构成细胞的多糖、脂肪和黑色颗粒等也大量增加。作者 认为,这些物质有些可能是在紫外线诱导下大量增加的固有物质或在紫外线诱导 下产生的新活性物质。南极绿藻L-4的细胞形态和结构变化,反映了其在长期进 化过程中对极地强辐射环境的适应性。 5.运用常规方法对绿藻L-1、绿藻L-4、硅藻H-1和硅藻H-2等4种南极冰 藻的主要生化成分及含量进行分析。结果表明,UV-B辐射增强后,4种南极冰藻 x 南极冰藻对UV-B辐射增强的适应性及其抗紫外线辐射活性物质的研究 的生化成分和含量均发生明显的变化。具体如下: 电泳试验结果表明,有些蛋白质带(可能是新蛋白质)含量增加,构成蛋白 质的氨基酸组成也发生显著变化,4种南极冰藻均增加了 Pro和 Pro—OH的含量。 UV-B辐射增强后,4种南极冰藻的总脂含量明显增加,而且二种绿藻的增幅 几乎超过 2种硅藻的 1倍。2种绿藻的总脂含量增加 3 0%以上;2种硅藻的总脂 含量增加相近,都超过 15%。脂肪酸的组成也发生了显著的改变,4种南极冰藻 的饱和脂肪酸含量均降低,不饱和脂肪


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