氨基酸對銅綠微囊藻生長及葉綠素熒光參數的影響

姚冬梅，張樹林，張達娟，張迎

(天津農學院 水產學院，天津市水產生態及養殖重點實驗室，天津 300384)

目前，藍藻水華問題日趨突出，其暴發時不僅對水質產生嚴重影響，且有些藍藻種類可產生一系列毒性較強的次級代謝產物，對水生動物及人類健康造成潛在或直接的危害。中國水華藍藻共有26種，其中微囊藻屬Microcystis和魚腥藻屬Anabaena十分常見[1]，隨著富營養化水平的加劇，淡水養殖水體水華優勢種逐漸演變為微囊藻屬一類，且發生面積及頻率呈逐年上升趨勢。萬蕾等[2]研究表明，銅綠微囊藻是引起淡水水華的主要優勢種。溫度、光照等物理因素通常被認為是水華季節演替的原因，但水華的頻繁暴發主要還是歸因于水體中氮負荷的加劇所造成的水體富營養化[3]。

目前，關于有機氮對藻類生長影響的相關研究較少，且多是對尿素氮相關研究的報道。如黃文敏等[8]研究表明，銅綠微囊藻能有效吸收利用尿素作為氮源，且高濃度的尿素氮促進其生長。但也有研究發現，有些藻類不能利用尿素氮生長，如Yamaguchi等[9]研究發現，卵圓卡盾藻Chattonellaovata不能利用尿素形態的有機氮，推測其原因可能與該藻細胞內缺少尿素酶有關。而氨基酸作為有機氮的主要存在形式，在水體氮循環中扮演著重要角色[10]，但其在淡水生態系統中的濃度分布有較大差異，如日本琵琶湖氨基酸濃度為4.0～7.2 μmol/L[11]，美國佐治亞洲Satilla河水為59.0 μmol/L[12]，而在以銅綠微囊藻為優勢種的太湖中，氨基酸濃度在春季為40.9～60.4 μmol/L，秋季為75.38～93.96 μmol/L[13]。近年來，關于氨基酸方面的研究多為其在自然水體中的釋放機制，而通過人為控制其種類和濃度對銅綠微囊藻的研究鮮有報道，如吳軒浩等[4]研究了不同濃度下丙氨酸對銅綠微囊藻生長和產毒的影響，Dai等[14]研究了單一高濃度下6種氨基酸對銅綠微囊藻生長和產毒的影響。這些前期相關研究中，一方面缺乏對自然水體中氨基酸濃度范圍的合理選擇，另一方面缺乏其對銅綠微囊藻生長產生影響時，葉綠素a含量和相關葉綠素熒光參數的變化情況。

本研究中，通過銅綠微囊藻的分子結構和氨基酸側鏈基團極性進行劃分[15-16]，選擇了天門冬氨酸(Asp)、絲氨酸(Ser)、精氨酸(Arg)、谷氨酸(Glu)、丙氨酸(Ala)和甘氨酸(Gly)等6種不同種類的氨基酸，以自然水體中氨基酸濃度范圍為界，研究其作為培養基中的唯一添加氮源時，與無氮培養基(不添加氮源)為空白對照時對銅綠微囊藻生長及葉綠素熒光參數的影響，以期為控制自然水體中藍藻水華暴發的機制提供數據參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗用藻種銅綠微囊藻(FACHB-905)購自中國科學院水生生物研究所。在BG11 培養基中進行培養，培養溫度為(30±1)℃，光照強度為2 000 lx ，光暗周期為12L∶12D。

試驗所用藻種在接種之前需進行預處理，在其生長至對數期時，取適量藻種離心濃縮，用無菌蒸餾水洗滌2～3次后接種于無氮培養基BG11中先饑餓培養3 d，使得藻細胞內氮氣被消耗殆盡。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計

將經過饑餓培養后的銅綠微囊藻分別接種到以天門冬氨酸(Asp)、絲氨酸(Ser)、精氨酸(Arg)、谷氨酸(Glu)、 丙氨酸(Ala)、甘氨酸(Gly)作為唯一添加氮源的培養基中，以無氮培養基作為空白對照，研究6種氨基酸分別在12、25、50、75、100 μmol/L 5個濃度(各氨基酸濃度以氮元素的質量濃度為準)下對銅綠微囊藻生長及葉綠素熒光參數的影響。

各組培養基初始體積均為200 mL，初始接種藻密度約為2×106cells/mL，試驗期間，每天搖動藻液，以防止藻細胞貼壁下沉。試驗周期為16 d，每組設3個平行，每隔2 d測定藻細胞數量、葉綠素熒光參數等相關指標，并對以上指標進行處理分析，以探明不同種類、不同濃度的氨基酸對銅綠微囊藻生長及葉綠素熒光參數的影響。

1.2.2 指標測定與計算

1) 藻密度。取少量混合均勻的藻液，在顯微鏡下用血球計數板對藻細胞數量計數兩次。若兩次相差超過 20%，則需進行第 3 次計數。

2) 葉綠素熒光參數。利用浮游植物熒光儀(PHYTO-PAM) 測定銅綠微囊藻藻液中葉綠素a (Chl-a)含量、葉綠素熒光基礎參數及光反應中心PSⅡ光合電子的傳遞速率(electron transfer rate，ETR)，具體測定參見劉忠榮、游波等[10-12]的方法。根據檢測所得葉綠素熒光基礎參數(F0、Fm)計算可得到光反應中心 PSⅡ的最大量子產量(即最大光能轉化效率,Fv/Fm),其計算公式為

Fv/Fm=(Fm-F0)/Fm。

其中：F0為初始熒光值(minimal fluorescence)；Fm為最大熒光值(maximal fluorescence)。

1.3 數據處理

試驗結果以平均值±標準差(mean±S.D.)表示，采用 SPSS 20.0軟件對試驗數據進行方差分析，采用Duncan法進行組間多重比較，顯著性水平設為0.05。

2 結果與分析

2.1 銅綠微囊藻的生長變化

控制對照組和各試驗組的初始接種藻細胞數量為2×106cells/mL。從圖1可見：在試驗期間，對照組的藻細胞數量在第2～6 天時略有上升，但始終低于各氨基酸試驗組，約為各氨基酸試驗組最低濃度時平均藻細胞數量的2/3；各氨基酸試驗組藻細胞數量在不同濃度下存在顯著性差異(P<0.05)。

隨著氨基酸濃度的升高，各氨基酸試驗組平均藻細胞數量發生明顯的變化，其中，谷氨酸試驗組平均藻細胞數量呈先上升后下降的趨勢，在氨基酸濃度為75 μmol/L時達到峰值3.78×106cells/mL；除谷氨酸試驗組外，其他5種氨基酸試驗組平均藻細胞數量均呈上升趨勢，在氨基酸濃度為100 μmol/L時均達到最高值(圖1)。

隨著培養時間的延長，除谷氨酸試驗組藻細胞數量波動較明顯以外，其他5種氨基酸試驗組藻細胞生長整體均呈先上升后下降趨勢，除丙氨酸試驗組藻細胞數量于第4天時出現最大值外，其他5種氨基酸試驗組藻細胞數量最大值均出現在第8天(圖1)。

圖1 氨基酸對銅綠微囊藻生長的影響

2.2 氨基酸對銅綠微囊藻葉綠素a含量的影響

從表1可見：各氨基酸試驗組不同濃度下Chl-a含量均存在明顯差異，隨著氨基酸濃度的升高，各氨基酸試驗組平均Chl-a含量總體上呈上升趨勢；天門冬氨酸濃度為100 μmol/L時，分別在第2、4、10、12、14、16天時達到最高值，絲氨酸濃度為100 μmol/L時各培養時間下均達到最高值，精氨酸濃度為100 μmol/L時，除第2天外，其余各時間點均達到最大值，谷氨酸濃度為100 μmol/L時，分別在第8、10、12、14天時達到最大值。

隨著試驗的進行，對照組的Chl-a含量總體呈下降趨勢；除谷氨酸試驗組波動較明顯以外，其他5種氨基酸試驗組在不同濃度下的Chl-a含量隨著培養時間的延長，總體上均呈先上升后下降的趨勢，Chl-a含量最大值均出現在培養的第8天；各氨基酸試驗組Chl-a含量變化情況總體上為天門冬氨酸試驗組中的Chl-a含量最高，其次為絲氨酸、精氨酸、丙氨酸、谷氨酸、甘氨酸，其中，甘氨酸試驗組的Chl-a含量最低，且高濃度(50、75、100 μmol/L)試驗組中的Chl-a含量明顯高于低濃度(12、25 μmol/L)試驗組(表1)。

表1 氨基酸對銅綠微囊藻Chl-a含量的影響

2.3 氨基酸對銅綠微囊藻Fv/Fm 的影響

從表2可見：各氨基酸試驗組不同濃度下Fv/Fm值均存在明顯差異，隨著氨基酸濃度的升高，各氨基酸試驗組Fv/Fm值總體上均呈上升趨勢；天門冬氨酸濃度為100 μmol/L時，在第8天達時到最高值，絲氨酸濃度為100 μmol/L時，分別在第10、12、14、16天時達到最高值，丙氨酸濃度為100 μmol/L時，分別在第6、8、10、12、16天時達到最高值。

表2 氨基酸對銅綠微囊藻Fv/Fm的影響

隨著培養時間的延長，對照組的Fv/Fm值總體上呈下降趨勢；除谷氨酸試驗組波動較明顯以外，其他5種氨基酸試驗組在不同濃度下的Fv/Fm值總體上均呈先上升后下降的趨勢，Fv/Fm值最大值均出現在培養的第8天，各氨基酸試驗組Fv/Fm值變化情況總體上為天門冬氨酸試驗組中的Fv/Fm值最高，其次為絲氨酸、精氨酸、丙氨酸、谷氨酸、甘氨酸，其中，甘氨酸試驗組的Fv/Fm值最低。

2.4 氨基酸對銅綠微囊藻ETR的影響

從表3可見：各氨基酸試驗組不同濃度下ETR值均存在明顯差異，隨著氨基酸濃度的升高，各氨基酸試驗組平均ETR值總體上呈上升趨勢；天門冬氨酸濃度為100 μmol/L時，分別在第2、8天時達到最高值，絲氨酸濃度為100 μmol/L時，除第16天外其余各時間點均達到最高值，丙氨酸濃度為100 μmol/L時，分別在2、4、6天時達到最高值，甘氨酸濃度為100 μmol/L時，分別在第4、10、12、14、16天時達到最高值。

表3 氨基酸對銅綠微囊藻ETR的影響

隨著試驗的進行，對照組的ETR值總體上呈下降趨勢；除谷氨酸試驗組波動較明顯以外，其他5種氨基酸試驗組在不同濃度下的ETR隨著培養時間的延長總體上均呈先上升后下降的趨勢，ETR最大值均出現在培養的第6～8 天，各氨基酸試驗組ETR變化情況總體上為天門冬氨酸試驗組中的ETR最高，其次為絲氨酸、精氨酸、丙氨酸、谷氨酸、甘氨酸，其中，甘氨酸試驗組的ETR最低。

3 討論

3.1 氨基酸對銅綠微囊藻生長及葉綠素a含量的影響

氮濃度和氮的存在形態均會對銅綠微囊藻生長繁殖起到至關重要的作用，氨基酸作為小分子，能夠通過主動轉運的方式被藻細胞吸收進入細胞內，提高微囊藻對其的吸收效率，進而影響微囊藻的生長繁殖[4]。本研究結果發現，除谷氨酸試驗組外，其他5種氨基酸試驗組平均藻細胞數量隨著氨基酸濃度的升高均呈上升趨勢，且多種氨基酸在濃度為100 μmol/L時達到最高值，表明這5種氨基酸均能支持銅綠微囊藻的持續生長，而銅綠微囊藻細胞對氨基酸的利用程度依次為為天門冬氨酸> 絲氨酸>精氨酸>谷氨酸>丙氨酸>甘氨酸，這表明天門冬氨酸、絲氨酸對銅綠微囊藻的促生長效應最高。Dai 等[14]研究表明，銅綠微囊藻在丙氨酸、亮氨酸和精氨酸作為單一氮源時生長良好，而在谷氨酸和天冬氨酸存在下銅綠微囊藻生長最快卻不能支持其持續生長，此結果與本研究結果有明顯差異，這是因為Dai等僅監測了銅綠微囊藻240 h的生長情況，而忽略了銅綠微囊藻的生長周期，同時，光照強度為400～650 lx和培養溫度為26 ℃均不是銅綠微囊藻適宜的生長條件，存在一定局限性，而本研究中以銅綠微囊藻的生長曲線和最適生長條件為基礎，能突出氨基酸對銅綠微囊藻生長的周期變化。而本研究中谷氨酸培養基中藻細胞數量在試驗前期持續降低，并于第8天時藻密度突然開始增高的現象仍需進一步研究。

銅綠微囊藻細胞內的Chl-a主要位于光合系統Ⅱ(SPⅡ)的核心復合體上，能吸收能量傳遞到反應中心進行光化學反應[17]，當藻細胞受到環境脅迫時，會直接或間接地影響到Chl-a含量，因而Chl-a含量變化可以作為藻類受到脅迫的生理反應指標[18]。本研究中，對照組Chl-a含量總體上呈下降趨勢，一方面與藻細胞數量的變化有關，另一方面是藻類處于無氮狀態受到環境脅迫所致。甘小蓉等[19]在研究化學物質對銅綠微囊藻生長和葉綠素熒光參數時發現，Chl-a含量的變化符合藻細胞數量的變化特征，而本研究結果同樣發現，Chl-a含量變化和藻細胞數量變化特征相符合，這表明添加不同濃度、不同種類的氨基酸對藻細胞數量造成影響時，Chl-a含量也會隨之變化。華汝成[20]和張亞麗等[21]關于無機氮的研究結果發現，低濃度氮對Chl-a有抑制作用，高濃度氮對Chl-a有促進作用，在一定濃度范圍內Chl-a含量隨著氮濃度的增大而升高，與本研究中低濃度氮對Chl-a仍有促進作用的結果不同，由于葉綠素a含量還會受光合營養條件的影響[22]，因此，這可能是無機氮和有機氮參與葉綠素合成機制的不同所導致的。相關研究中，應當模擬自然水體藍藻暴發期夏季涉及的所有溫度、光照強度等條件，通過響應面分析氨基酸在多種條件下對銅綠微囊藻Chl-a的作用機制，從而進一步了解藍藻暴發期的藻細胞生長和Chl-a的變化特征。

3.2 氨基酸對銅綠微囊藻葉綠素熒光參數的影響

葉綠素熒光參數Fv/Fm通常用來判斷植物是否受到條件抑制，它反映了光反應中心 PSⅡ的最大量子產量(即最大光能轉化效率)，該值下降則表明植物受到了環境脅迫[21]。本研究中，對照組的Fv/Fm值整體呈下降趨勢，與對照組處于無氮狀態受到環境脅迫的表現相對應，表明無氮脅迫下銅綠微囊藻PSⅡ最大光能轉化效率下降，PSⅡ天線色素吸收的光能用于光化學電子傳遞的份額降低，會進一步導致ETR值的下降，這是缺乏氮源時葉綠素熒光參數Fv/Fm值的正常變化[23]。本研究中，隨著氨基酸濃度的升高，各氨基酸試驗組平均Fv/Fm值均呈上升趨勢，這是由于氮元素是蛋白質、葉綠素與光合作用有關的酶的必要組成成分，隨著氮濃度的升高，PSⅡ需求的光能大于吸收的光能，其活性反應中心活躍，光能轉化效率提高，從而導致Fv/Fm值升高[24-25]。Fv/Fm值的總體變化趨勢與Chl-a含量的變化相似，Chl-a和Fv/Fm均反映了光合速率變化的特征，以及葉綠素熒光參數對轉能效率的影響[26]。

ETR表示光反應中心 PSⅡ光合電子的傳遞速率[27]，其傳遞效率的狀態可反映光合作用的動態變化及各種外界因素對藻類的微妙影響[28-29]，如王昭玉[30]利用葉綠素熒光參數ETR對氮指標的響應判斷山東青島近海氮的反應情況。本研究中，對照組的ETR值總體呈下降趨勢，與各葉綠素熒光參數表現的結果一致，是光合作用各反應受到抑制的表現，與其受到環境脅迫的影響密不可分[27]。

本研究中，隨著氨基酸濃度的升高，各氨基酸試驗組平均ETR值大致呈上升趨勢。ETR值的顯著升高與氮濃度的升高密不可分，是活性反應中心活躍、電子傳遞效率提高的正常現象[24-25]。ETR值的整體變化趨勢與相關葉綠素熒光參數的表現相似，是光合作用中光能吸收、光化學反應、電子傳遞共同表現的結果，反映了葉綠素熒光參數的重要作用[27]，與其他氨基酸相比，不同濃度的谷氨酸對銅綠微囊藻生長及葉綠素熒光參數的影響有較大差異，表明銅綠微囊藻生長過程中對不同濃度谷氨酸氮吸收是不穩定的。

4 結論

1) 在所設置氨基酸濃度(12、25、50、75、100 μmol/L) 范圍內，各氨基酸試驗組在不同濃度下藻細胞數量、Chl-a含量、Fv/Fm及ETR值均存在明顯差異，其反映的結果基本符合銅綠微囊藻生長過程中的延滯期、對數生長期和穩定期的規律。

2) 從4種測定指標的結果發現，無氮對照組數值顯著低于各氨基酸試驗組，一定程度上反映了環境脅迫下藻細胞數量及相關葉綠素熒光參數的下降是銅綠微囊藻在逆境條件下的正常反應。

3) 隨著氨基酸濃度的升高，天門冬氨酸、絲氨酸、精氨酸、丙氨酸、谷氨酸及甘氨酸均能逐漸促進銅綠微囊藻的生長及相關葉綠素熒光參數的提高，且葉綠素熒光參數與藻細胞數量呈正相關關系。

4) 隨著培養時間的延長，銅綠微囊藻在天門冬氨酸、絲氨酸試驗組中生長狀況最好，在甘氨酸試驗組生長狀況較差，相關葉綠素熒光參數也隨之產生相應的變化，這充分反映出氮對銅綠微囊藻的分裂增殖及其正常代謝過程的控制作用，以及Fv/Fm等葉綠素熒光參數作為銅綠微囊藻氮監測的響應指示作用。

5) 本研究中設定的氨基酸濃度，覆蓋了自然水體中已知的氨基酸含量范圍，較好地模擬了自然水體中銅綠微囊藻的生長、葉綠素a含量及葉綠素熒光參數的動態變化，研究結果可為控制自然水體中藍藻水華暴發的機制提供一定的基礎數據參考。