高等植物化感作用在抑制藻類研究中的應用

陳 波，閆 浩，張庭廷

(安徽師范大學 生命科學學院，安徽 蕪湖 241000)

高等植物化感作用在抑制藻類研究中的應用

陳 波，閆 浩，張庭廷

(安徽師范大學 生命科學學院，安徽 蕪湖 241000)

高等植物化感作用抑制藻類的生長繁殖具有環境友好、生態安全高等特點。本文從草本植物、木本植物、沉水植物、挺水植物、浮水植物及抑藻機制幾個方面進行綜述，并提出未來研究應關注的方向，以期為高效、安全友好的抑藻化感物質開發應用提供理論基礎。

高等植物；化感作用；抑制機理

隨著人類社會的快速發展，環境問題也越來越突出。特別是水體接受了過量的營養鹽而導致富營養化并由此帶來的藻類(特別是藍藻)暴發式過度增殖，致使水生生物多樣性降低、水環境整體質量下降影響水域生態景觀、破壞水體生態系統和諧平衡和自我調節修復能力。因此，尋找高效、安全、經濟的控制藻類發生和治理、修復受損水體的方法成為水環境研究領域的熱點。目前治理藻類的方式有物理、化學和生物三種，但前兩種方法都存在著不同程度的劣勢，歸結起來為物理法除藻耗能較大、費用高、操作時間長；化學法除藻主要包括使用化學試劑和金屬鹽來控制藻類，但很多化學合成的物質以及重金屬鹽類(如硫酸銅等)不能被生物降解，易在水體或隨生物鏈蓄積而形成二次污染，從而給水生動植物以及人類健康帶來不利影響[1-6]。而高等植物抑制藻類是利用生態系統中生物與生物之間基本的辯證關系來達到抑制藻類過度繁殖的目的，是一種“綠色”除藻方法,同時具有材料來源廣、生態風險小等優勢。基于此，本文結合相關研究成果著重對高等植物抑制藻類和抑制機理進行綜述，以期為高效、安全友好的抑藻劑開發應用提供理論基礎。

1 高等植物及有效抑制的藻類

水生植物不僅具有美化水體景觀、吸收水體中的無機營養元素和凈化水質等，還可以向水體中持續釋放化感物質來克制藻類，因此水生植物在修復受損水體和抑制藻類方面有著其獨特的優勢。而陸生植物具有生物量大，獲取容易和次生代謝產物種類豐富等優點，因此，也受到人們高度的重視。化感物質按照其結構主要可分為14類：水溶性有機酸、直鏈醇、脂肪族醛和酮；簡單不飽和內酯；長鏈脂肪酸和多炔；苯醌、萘醌、蒽醌和復合苯醌；簡單酚、苯甲醛、苯甲酸及其衍生物；肉桂酸及其衍生物；香豆素類；黃酮類；丹寧；萜類和甾類化合物；氨基酸和多肽；生物堿和氰醇；硫化物和芥子油苷；嘌呤和核苷。但有研究指出大麥稈在腐爛的過程中釋放的化感物質和在光照條件下，水體中溶解氧和腐殖質相互作用產生的過氧化氫等可能是抑制甚至殺死藻類的原因[7-11]。表1列舉了目前國內外學者對陸生和水生兩種不同生活型的高等植物及其抑制的藻類。

2 高等植物對藻類抑制機理

從Hasler首次發現水生植物對藻類有克制效果開始[71]，有關植物對藻類抑制效應的研究從未止步且研究方法和深度都在不斷進步。從克藻方式到化感物質的分離純化和開發利用再到抑制機理各個方面都有廣泛研究，目前有關抑藻機理研究主要集中在高等植物對藻類酶活性、細胞結構、光合系統和基因蛋白表達的影響四個方面。

2.1 對酶活性的影響

對生物來說，酶的活性是至關重要的。在利用高等植物控制藻類的研究中發現，許多植物都可以釋放化感物質來影響藻類酶的活性和功能，最終導致藻細胞裂解死亡。李一葳等在研究輪藻浸出液對銅綠微囊藻抑制作用時發現，浸出液顯著抑制了超氧化物歧化酶(SOD)的活性，氧自由基不能被及時有效地清除造成對藻細胞的傷害[38]。菹草與銅綠微囊藻共培養時，銅綠微囊藻藻細胞的抗氧化能力下降、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)活性下降、丙二醛(MDA)含量上升[50]。研究發現化感物質抑藻主要是通過改變藻細胞內POD、SOD、CAT等酶的活性，從而破壞藻細胞的抗氧化系統導致細胞的死亡。但，這些物質是如何改變藻細胞內酶活性的？還有待進一步的探討。

表1 高等植物及其抑制的藻類

續表

注：表中“-”表示同上。

2.2 對細胞結構的影響

功能完好的細胞結構對藻細胞生命過程非常關鍵。研究發現細胞膜和胞內的某些超微結構是化感物質作用的靶點。孫志偉等研究發現在秋茄葉片水提液作用下球形棕囊藻和赤潮易彎藻的細胞體積增大，細胞破裂，這可能是細胞外某些物質的滲入或胞內內含物的外滲引起的[30]。劉潔生等在研究中發現，鳳眼蓮提取物中的有效化感物質N-苯基-2萘胺可能通過光解產生自由基在細胞膜上發生脂質氧化反應，導致細胞膜受損和破壞[68]。羅凱等在研究黑荊樹提取物對銅綠微囊藻抑制作用時發現，提取物使得藻細胞細胞壁、細胞膜和類囊體遭到破壞以至于內容物流出，藻細胞不能完成正常生理活動而死亡[23]。黑藻養殖水顯著破壞了銅綠微囊藻細胞的細胞質膜(CM)、中央擬核區(PN)和類囊體片層(Th)的結構，隨著作用時間的持續，CM出現皺縮、缺陷、破裂直至解體；PN逐漸萎縮消失；Th從緊密排列逐漸變得散亂無序[44]。張勝娟等研究了槐葉萍養殖水抑藻效應，結果發現槐葉萍釋放的化感物質誘導銅綠微囊藻產生大量氧自由基，通過脂質過氧化反應破壞細胞膜結構[64]。由此可以推斷出，化感物質是可能誘發氧自由基的過剩和膜的脂質過氧化反應來破壞膜結構，改變藻細胞膜的通透性、胞內外離子通道和細胞超微結構等方式來抑制藻細胞的生長甚至殺死藻細胞。

2.3 對光合系統的影響

光合作用是植物進行生命活動的重要一環。有些高等植物釋放的化感物質將光合系統作為攻擊靶點，破壞葉綠素a(Chla)和光合作用第二階段(PS Ⅱ)，降低藻同化產物積累供應來抑制藻類生長。郭沛勇等在研究柳樹葉浸提液對四尾柵藻抑制作用時發現，四尾柵藻Chla含量和Fv/Fm顯著下降，PSⅡ光合活性降低，導致藻細胞光合效率降低[31]。山鷹等在應用水稻和再力花抑藻試驗中發現，二者浸提液都能對水綿的PSⅡ最大光能轉換效率( Fv/Fm) 、PS Ⅱ實際光能轉化效率( ΦPSⅡ) 和最大電子傳遞效率( ηe，t，max)產生影響，致使光合作用效率和光通道受到一定抑制[59]。有研究發現紅掌種植水抑制了銅綠微囊藻光合活性，具體表現為最大光量子產量和有效光量子產量降低，最大相對電子傳遞速率降低；當紅掌根添加量達到3.0g/L時，光合作用幾乎停滯[66]。黃偉等研究發現蜘蛛蘭使得水華微囊藻Chla濃度、Fv/Fm和Fv/Fo顯著下降，影響光合作用，對水華微囊藻生長產生嚴重地抑制作用[20]。目前研究多集中在對Chla的影響，對藻細胞內其他光和色素的研究卻很少涉及；對于高等植物釋放的化感物質是如何破壞PSⅡ以及是否會影響光合作用第一階段(PS I)過程，還不是很明確。

2.4 對基因、蛋白的影響

高等植物化感作用對藻類基因和蛋白表達影響研究起步較晚。從目前已有報道來看，主要集中在誘導藻類某些基因表達和蛋白質合成。Shao等在研究中發現銅綠微囊藻在受到化感作用時psbA、mcyB、prx和fabZ基因表達上調[72]。研究發現加拿大一枝黃花提取物作用于銅綠微囊藻時共有261種蛋白表達出現差異，其中上調的有220種，下調的有41種[73]。由于高等植物釋放化感物質的多樣性，這表明不同化感物質作用位點、強度和方式可能存在一定的差異性。這些化感物質是如何影響遺傳物質的表達?除上述外是否還會對其他基因或蛋白的轉錄與翻譯產生作用，還有待進一步研究。

3 高等植物化感作用抑藻應用展望

高等植物除藻技術相比較傳統的物理和化學抑藻方法具有顯著的優勢，在對富營養化水體的綜合治理和生態修復方面日益受到重視。但還有一些問題值得進一步研究和探討。

(1)高等植物抑藻研究多是集中在對抑藻有效成分的提取和鑒別上，但這些有效化感物質天然含量低、純度不足且工業化生產難以實現，同時缺乏對這些有效成分環境安全性的評價。因此尋找含量豐富、純度高或者易于人工合成有效抑藻物質應得到高度關注。

(2)高等植物在抑制機理、特異性選擇等方面的研究不夠深入。因此對這些方面的研究可以結合分子生物學、蛋白質組學等學科，在分子、基因和蛋白質表達的水平上進行機理研究。

(3)已有的抑藻研究多數都是在實驗室中嚴格的環境控制下進行的，研究的因子單一,很難真實地反映實際情況。實際水體環境復雜多樣，因此進行原位試驗是必要和有意義的。

(4)植物和微生物總是共存在一起，但目前的抑制藻類的研究卻將二者隔離開來，二者在抑藻方面是否具有協同或拮抗效應值得深入研究。

[1]Lurling M, Faassen E J. Controlling Toxic Cyanobacteria: Effects of Dredging and Phosphorus-binding Clay on Cya-nobacteria and Microcystins [J].Water Res, 2012, 46(5): 1447-1459.

[2]Van Hullebusch E,Deluchat V,Chazal P M,et al. En-vironmental Impact of Two Successive Chemical Treat-mentsin a Small Shallow Eutrophied Lake: Part I. Case of Alu-minium Sulphate[J].Environ Pollut, 2002, 120(3): 617-626.

[3]Shannon M A, Bohn P W, Elimelech M, et al.Science and Technology for Water Purification in the Coming Decades[J]. Nature,2008,452(7185):301-310.

[4]Schwarzenbach R P, Escher B I, Fenner K, et al. The Challenge of Micropollutants in Aquatic Systems[J].Science,2006,313(5790):1072-7.

[5]秦伯強，高光，朱廣偉，等.湖泊富營養化及其生態系統響應[J].科學通報，2013，58(10)：855-864.

[6]Van Hullebusch E,Deluchat V,Chazal P M,et al. Environmental Impact of Two Successive Chemical Treatmentsin a Small Shallow Eutrophied Lake: Part II. Case of Copper Sulfate[J].Environ Pollut, 2002,120(3):627-634.

[7]WELCH I, BARRETT P, GIBSON M, et al. Barley Straw as an Inhibitor of Algal Growth I: Studies in the Chesterfield Canal[J].Journal of Appllied Phycology, 1990, 2(3): 231-239.

[8]GIBSON M, WELCH I, BARRETT P, et al. Barley Straw as an Inhibitor of Algal Growth II: Laboratory Studies[J]. Journal of Applled Phycology, 1990, 2(3): 241-248.

[9]PILLINGER J M, COOPER J A, RIDGE I. Role of Phenolic Compoundsin the Antialgal Activity of Barley Straw[J].Journal of Chemical Ecology,1994,20(7):1557-1569.

[10]COOPER W J, ZIKA R G. Photochemical Formation of Hydrogen Peroxide in Surface and Ground Waters Exposed to Sunlight[J].Science,1983,220(4598):711-712.

[11]Ball A S, Williams M, Vincent D,et al.Algal Growth Control by a Barley Straw Extract[J]. Bioresource Technology,2001,77(2):177-81.

[12]胡曉佳，魏月姑，孫小紅，等.加拿大一枝黃花提取物對銅綠微囊藻的抑制作用[J].環境科學與技術，2012，35(1)：55-58.

[13]李舒雅，康露偉，侯雨晴，等.洋蔥抑藻效應及其化感物質分離鑒定[J].衛生研究，2016，44(5)：813-817.

[14]徐芙清，何偉，鄭星，等.野艾蒿及其有機提取物對銅綠微囊藻生長的抑制作用[J].生態學報，2010，30(3)：745-750.[15]畢相東，張樹林，孫學亮，等.中草藥烏梅浸提液的抑藻效應研究[J].天津農業科學，2013，19(12)：66-69.

[16]李林，陳峰，趙榮芳.鄱陽湖灰化苔草浸泡液對銅綠微囊藻的化感作用[J].環境科學與技術，2016，39(2)：1-5.

[17]薛維納，彭巖波，陳陽.仙人掌浸提液對銅綠微囊藻生長的影響[J].山東建筑大學學報，2012，27(1)：55-59.

[18]向麗，鄒華，黃亞元，等.稻稈對銅綠微囊藻抑制作用的研究[J].環境工程學報，2011，5(2)：279-283.

[19]張彬，羅本福，梅子良.禾本科植物抑制三峽庫區水華優勢藍藻的探討[J].重慶三峽學院學報，2014，30(3)：10-14.[20]黃偉，郭沛涌，陳淑芳.蜘蛛蘭去除不同程度富營養水體中氮磷及抑藻效應[J].環境工程學報，2014，8(1)：62-66.

[21]廖春麗，吳創業，鄭瑞，等.藥用植物浸提液溶藻效果和溶藻機理的研究[J].河南農業大學學報，2014，48(4)：470-474.

[22]董昆明，繆莉，李楠，等.廣玉蘭葉片浸提液中抑銅綠微囊藻化學成分分析[J].環境化學，2011，30(7)：1253-1258.

[23]羅凱，劉丹丹，周麗蓉，等.黑荊樹提取物對銅綠微囊藻的化感抑制效應[J].深圳大學學報理工版，2014，31(2)：205-209.

[24]梁宇斌，畢永紅，劉國祥，等.三種柑橘類果皮提取物對銅綠微囊藻生長的影響[J].植物科學學報，2010，28(1)：43-48.

[25]周曉見，繆莉，靳翠麗，等.廣玉蘭、龍爪槐和黃楊化感物質對銅綠微囊藻生長的抑制[J].環境污染與防治，2010，32(11)：34-38.

[26]李健，葉優靜，葛建，等.山核桃果皮提取物對銅綠微囊藻生長抑制研究[J].安徽農業科學，2011，39(33)：20415-20417.

[27]楊維東，劉玉榮，劉潔生，等.桉木粉對塔瑪亞歷山大藻(Alexandriumtamarense)的抑制作用及其化學基礎研究[J].環境科學，2008，29(8)：2296-2301.

[28]汪小雄，姜成春，汪曉軍，等.白玉蘭落葉水浸出液抑制藍藻生長和葉綠素熒光特性分析[J].環境化學，2015，34(10)：1867-1874.

[29]汪小雄，姜成春，李錦衛，等.荔枝落葉對銅綠微囊藻生長和光合作用的影響[J].環境科學，2015，36(5)：1648-1654.[30]孫志偉，段璐洋，周靜韻，等.紅樹植物干粉和新鮮組織水提物對兩種赤潮藻的化感抑制效應[J].生態科學，2012，31(2)：109-114.

[31]郭沛涌，李慶華，蘇東嬌，等.柳樹葉浸提液對四尾柵藻生長特性及光合效率的影響[J].激光生物學報，2011，20(4)：455-461.

[32]閆志強，宋本如，劉黽，等.5種沉水植物對斜生柵藻的化感作用[J].應用與環境生物學報，2015，21(1)：75-79.

[33]紀海婷，謝冬，周恒杰，等.沉水植物浸提液組分對三種常見附植藻類生長的影響[J].生態學雜志，2015，34(2)：445-453.

[34]YAO Yuan,HE Feng,HU Shenghua,et al.Effects of Allelopathy of Submerged Macrophytes on Phytoplankton Community Collected from the West Part of the West Lake Wetland in Hangzhou[J]. Acta Ecologica Sinica, 2016,36(4):971-978.

[35]張庭廷，陳傳平，何梅，等.幾種高等水生植物的克藻效應研究[J].生物學雜志，2007，24(4)：32-36.

[36]劉璐，李誠，夏文彤，等.魚腥草對銅綠微囊藻的抑制作用[J].衛生研究，2014，43(3)：483-487.

[37]鮮啟明，陳海東，鄒惠仙.四種沉水植物的克藻效應[J].湖泊科學，2005，17(1)：75-80.

[38]李一葳，黃彩虹，孟瑞，等.輪藻浸出液對銅綠微囊藻生長特性的影響[J].湖泊科學，2013，11(3)：388-391.

[39]Nakai S, Inoue Y, Hosomi M, et al. Growth Inhibition of Blue-green Algae by Allelopathic Effects of Macrophytes[J]. Water Science & Technology, 1999, 39(8):47-53.

[40]ZHANG T T,HE M,WU A P,et al. Allelopathic Effect of Surbmerbed Macrophyte Chara Vulgaris on Toxic Microcystis Aeruginosa[J]. Allelopathy Journal, 2009, 23(2): 391-402.

[41]何宗祥，夏文彤，楊曉輝，等.輪葉狐尾藻及其根際微生物聯合抑藻的數學模型分析[J].衛生研究，2015，44(6)：959-964.

[42]舒惠琳，鄭凌凌，翁笑艷，等.黏偽魚腥藻和銅綠微囊藻之間的化感作用研究[J].福建師范大學學報(自然科學版)，2016，32(2)：62-68.

[43]吳程，常學秀，董紅娟，等.粉綠狐尾藻對銅綠微囊藻的化感抑制效應及其生理機制[J].生態學報，2008，28(6)：2595-2603.

[44]王立新，張玲，張余霞，等.黑藻養殖水對銅綠微囊藻的抑制效應及其機制[J].植物生理與分子生物學報，2006，32(6)：672-678.

[45]高云霓，劉碧云，王靜，等.苦草釋放的酚酸類物質對銅綠微囊藻的化感作用[J].湖泊科學，2011，23(5)：761-766.

[46]陳為民，張清敏，戴樹桂.草與銅綠微囊藻的相互化感作用[J].中國環境科學，2009，29(2)：147-151.

[47]趙坤，傅海燕，柴天，等.水網藻對銅綠微囊藻的化感作用及對氮磷去除能力研究[J].環境科學，2011，32(8)：2267-2271.

[48]王紅強，成水平，張勝花，等.伊樂藻生物堿的GC_MS分析及其對銅綠微囊藻的化感作用[J].水生生物學報，2010，34(2)：361-366.

[49]王紅強，朱慧杰，張麗萍，等.伊樂藻中有機酸的GC_MS分析及其抑藻作用研究[J].環境科學與技術，2011，34(7)：23-26.

[50]李源，閆浩，施媚，等.菹草與銅綠微囊藻化感互作及其對藻抗氧化能力的影響[J].安徽師范大學學報(自然科學版)，2015，38(6)：572-575.

[51]孫穎穎，蘇振霞，浦寅芳，等.菹草乙酸乙酯組分抑藻活性物質的分離純化和鑒定[J].環境科學，2015，36(10)：3860-3865.

[52]楊維東，李麗璇，劉潔生，等.海洋底棲甲藻利瑪原甲藻對三種赤潮藻的化感作用[J].環境科學學報，2008，28(8)：1631-1637.

[53]蘇躍龍，王正芳.不同水生植物抑藻效果及機理研究[J].環境科學導刊，2014，33(6)：15-22.

[54]于淑池，姜燕，鄧紅英，等.蘆葦稈浸出液對銅綠微囊藻抑制作用的研究[J].淡水漁業，2013，43(2)：66-70.

[55] Jianzhong,Chen,Haiyang,Zhang,ZhipingHan，et al.The Influence of Aquatic Macrophytes on Microcystis Aeruginosa Growth[J].Ecological Engineering，2012，42(3)：130-133.

[56] Zhang T T，Hu W，Zhang D. Allelopathic Effect ofTyphaAngustifoliaL. on Phytoplankton[J]. Advanced Materials Research，2012，383-390(4910):3724-3728.

[57]李江，劉云國，曾光明，等.荸薺對銅綠微囊藻的化感抑制作用研究[J].中國環境科學，2015，35(5)：1474-1479.

[58]徐年軍，唐軍，張澤偉，等.大米草對赤潮藻的抑制作用及其抑藻物質的分離鑒定[J].應用生態學報，2009，20(10)：2563-2568.

[59]山鷹，王麗卿，張瑋，等.2種植物浸提液對水綿生長的抑制作用[J].生態與農村環境學報，2014，30(1)：57-62.

[60]Wu X,Wu H,Chen J,et al.Effects of Allelochemical Extracted from Water Lettuce (PistiastratiotesLinn.) on the Growth,Microcystin Production and Release of Microcystis Aeruginosa [J]. Environmental Science and Pollution Research，2013，20(11)：8192-8201.

[61]周慶，韓士群，嚴少華，等.鳳眼蓮對銅綠微囊藻生長及藻毒素與營養鹽釋放的影響[J].環境科學，2014，35(2)：597-604.

[62]吳湘，吳昊，葉金云.黃花水龍化感物質對銅綠微囊藻生長及藻毒素產生和釋放的影響[J].海洋與湖沼，2014，45(4)：783-788.

[63]Dai L Z,Cheng X Y,Yu S,et al. Inhibitory Effects of Organic Solvent Extract from Nasturtium Officinale on Microcystis Aeruginosa Associated with Isolation of the Allelochemical Ingredients[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2015，35(12)：4159-4168.

[64]張勝娟，夏文彤，楊曉輝，等.槐葉萍養殖水對銅綠微囊藻的抑制效應[J].衛生研究，2016，45(1)：81-86.

[65]趙欣勝，崔麗娟，擺亞軍，等.水培彩葉草抑制藻類繁殖的試驗研究[J].環境污染與防治，2011，33(8)：1-4.

[66]朱嘉成，周利，朱佳，等.水生觀賞植物紅掌對銅綠微囊藻的化感作用[J].環境科學研究，2015，28(10)：1638-1644.

[67]田如男，孫欣欣，魏勇，等.水生花卉對銅綠微囊藻、斜生柵藻和小球藻生長的影響[J].生態學雜志，2011，30(12)：2732-2738.

[68]Ying Zhong Tang，Christopher J. Gobler.The Green Macroalga，Ulvalactuca, Inhibits the Growth of Seven Common Harmful Algal Bloom Species Via Allelopathy[J].Harmful Algae, 2011(10): 480-488.

[69]Liu J，Chen Z，Yang W. Inhibitory Mechanism of Acetone Extract from Eichhornia Crassipes Root on Alexandrium Tamarense[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2006, 26(5):815-820.

[70]胡陳艷，葛芳杰，張勝花，等.馬來眼子菜體內抑藻物質分離及常見脂肪酸抑藻效應[J].湖泊科學，2010，22(4)：569-576.

[71]HASLER A D，JONES E. Demonstration of the Antagonistic Action of Large Aquatic Plants on Algae and Rotifers[J].Ecology,1949,30(3)：359-364.

[72]Shao J, Wu Z, Yu G, et al. Allelopathic Mechanism of Pyrogallol to Microcystis Aeruginosa PCC7806 (Cyanobacteria)：from Views of Gene Expression and Antioxidant System[J]. Chemosphere, 2009, 75(7)：924-928.

[73]黃瑩瑩，白羽，王艷，等.基于iTraq技術的加拿大一枝黃花提取物作用下銅綠微囊藻細胞差異表達蛋白[J].中國環境科學，2015，35(6)：1822-1830.

Application ofHigher Plants Allelopathy in Inhibiting Algal Bloom

CHEN Bo, YAN Hao, ZHANG Tingting

(CollegeofLifeSciences,AnhuiNormalUniversity,Wuhu241000,China)

The allelopathic inhibition of algal growth and reproduction by higher plants has environment-friendly, safe and efficient ecological features. This paper summarized the research progress on the herbaceous, woody, submerged, emergent and floating plants as well as the inhibitory mechanisms. And put forward the direction of future research, so as to provide theoretical bases for developing and applying of efficient, safe and friendly allelochemicals.

higher plants; allelopathy; inhibition mechanism

2016-12-20

陳波(1991-)，男，安徽蚌埠人，碩士研究生，研究方向：化學生態學。通信作者：張庭廷(1955-)，女，安徽東至人，教授，研究方向：水污染生態學。

X173

A

1009-9735(2017)02-0078-06