水生植物化感作用应急处置海洋赤潮和淡水水华

2012-08-15边归国

中国环境管理 2012年5期

边归国

（福建省环境保护厅，福州 350003）

20世纪以来，伴随着沿湖、河、海地区人口激增和工农业的迅速发展，库湾、河口和沿岸水域出现了严重的有机污染和富营养化，有害赤潮和水华在中国的发生规模和频率呈急剧上升趋势，对我国造成了严重的生态、资源、环境问题和重大的经济损失，我国已步入赤潮和水华灾害多发国家行列，防治赤潮和水华已成为亟待解决的重大问题。目前，国内外处置藻类爆发的方法主要包括物理、化学和生物等方法，但综合评估都不是很理想。因此，探索有效、经济、无二次污染、生态风险小的控制赤潮和水华发生的方法是当前环境科学的一项重要任务，而化感作用则为赤潮和水华控制提供了一个可能途径。1969年，fitzgerald[1]发现水生植物的代谢产物可能抑制藻类的生长，人们对此开展研究，希望通过对代谢产物的研究进一步开发高效专一的除藻剂，最终为应急处置赤潮和水华藻类探索切实可行的方法。

水生植物普遍存在于水体中，容易获得、栽种或移植，且数量丰富。它们一方面能吸收水体中的营养物质，为水中营养物质提供输出的渠道; 另一方面它们能够分泌抑制藻类生长的化感物质，起到修复、净化富营养化水体的作用。这些化感物质是水生植物生长过程中产生的次生代谢物质，一般能在自然条件下降解，不会在生态系统中长期积累，生态安全性好。

1.水生植物化感作用和化感物质

1.1 化感作用

1996年国际化感作用学会(International Allelopathy Society)将化感作用定义为：包括植物、藻类、细菌和真菌在内的生物产生的次生代谢产物对生物和农业系统产生的影响。这个定义包括了促进和抑制两方面的作用。植物化感作用首先对膜产生伤害，通过细胞膜上的靶位点，将化感物质胁迫的信息传送到细胞内，从而对激素、离子吸收等产生影响，而激素、离子吸收以及水分状况等变化必然引起植物细胞分裂、光合作用等的变化，从而对植物的生长产生抑制作用。化感作用的机制复杂，包括：① 影响细胞器膜的透性；②影响细胞分裂、生长和亚显微结构；③影响植物激素的水平；④影响对矿物离子的吸收及生物体内的水分平衡；⑤影响酶的功能和活性；⑥影响植物的呼吸作用和光合作用；⑦影响蛋白质合成和基因的表达。研究结果表明，化感作用普遍存在于海洋和淡水水体，并且水体中几乎所有的初级生产者(蓝藻、微藻、大型藻类以及高等水生植物)都能产生并释放具有一定化感作用活性的化合物。初步统计,具有化感抑藻作用的水生植物以及部分湿生植物至少有60多种，其中浮水植物14种约占24.6%，挺水植物19种约占33.3%，沉水植物24种约占42.1%，可有效抑制38种的藻类。

1.2 化感物质

目前所发现的化感物质大致可分为：水溶性有机酸、直链醇、脂肪族醛和酮；简单不饱和内酯；长链脂肪酸和多炔；醌类；苯甲酸及其衍生物肉桂酸及其衍生物；香豆素类；内黄酮类；单宁；内萜；氨基酸和多肽；生物碱和氰醇；硫化物和芥子油苷；嘌呤和核苷；其他化合物等15类，最常见的是低分子量有机酸、酚类和内萜类化合物[2]。目前已发现的水生植物化感抑藻物质主要有:

酸类：棕榈酸、油酸、亚油酸、a-亚麻酸、18碳脂肪酸、咖啡酸、香豆酸、β-香豆酸、豆蔻酸、肉豆蔻酸、没食子酸、阿魏酸、香草酸、芥子酸、丁香酸、原儿茶酚酸、正壬酸、硬脂酸、软脂酸、癸酸、月桂酸、焦棓酸、酚酸、羟基酸类、苯甲酸、对羟基苯甲酸、对羟基苯乙酸、邻苯二甲酸、对羟基苯丙酸。

醇类：β固甾醇、20（s）-4α-甲基-24亚甲基胆甾-7-烯3-β-醇、固醇类、3-（4-羟基-3-甲氧基苯基）-1,2-丙二醇、1-（4-羟基-3-甲氧基苯基）-2-[4-(2,3-二羟丙基)]-2-甲氧基苯基-1,3-丙二醇、甾醇、苯丙三醇。

酯类：反式-异丁子香酚甲酯、胆固醇油酸酯、2-甲基乙酰乙酸乙酯、戊酮酸乙酯、甘油脂肪酸酯、邻苯二甲酸二异辛酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸丁酯 2-甲基丙酯、二氢猕猴桃内酯、脱氢枞酸甲酯、脱氢枞酸乙酯、亚油酸甘油酯。

胺类：2-乙基-3甲基顺丁烯二酰亚胺、N-苯基-1-萘胺、N-苯基-2-萘胺、丙酰胺。

醚类：α-细辛醚、β-细辛醚、γ-细辛醚。

萜类：环阿尔廷醇型三萜类、半日花烷型二萜类。

苯类：1,2-二甲氧基-4-（E3，-甲基环氧乙烷基）苯、1,2,4-三甲氧基-5-（E3，-甲基环氧乙烷基）苯。

烷类：苯基丙烷、二硫环戊烷、4-甲硫基-1,2二噻茂烷、5-甲硫基-1,2,3-三噻烷。

酚类：2-氯酚、间苯二酚、新木质素类、（+）-儿茶素。

醛类：香草醛、水杨醛、棕榈醛、β-D-脱水吡喃糖。

酮类：β-紫罗兰酮、4氧代-β-紫罗兰酮、苯并茚酮。

菲类：二聚类苯基菲类、9,10-二氢菲类。

芘类：四氢芘。

烯类：非那烯、双非那烯。

杂环类：二萜呋喃类吲哚、9H-吡啶吡[3,4-6]吲哚、5-甲基噻唑、7-甲基喹啉、2,4二甲氧基嘧啶、烟碱、2-乙基吡嗪、2-乙基-5-甲基吡嗪、1,2,3,4-四氢吩嗪。

2.水生植物化感作用应急处置藻类方式

目前，利用水生植物化感作用处置的藻类主要有共培养、投放干物质、施加提取物或种植水、人工合成等方法，由于共培养周期长无法应急处置藻类的暴发，因此施加提取物或种植水、投放干物质、人工合成等方法可用于海洋赤潮和淡水水华藻类的应急处置。

2.1 投加种植水

鲜启呜等[3]分别种植微齿眼子菜、伊乐藻、金鱼藻以及金鱼藻与微齿眼子菜混生培养3d后，分别取种植水，用0.45μm微滤膜过滤，进行连续滴加后，金鱼藻与微齿眼子菜均有较明显的克铜绿微囊藻效应，且金鱼藻的克藻效果比微齿眼子菜更好，这说明植物的化感物质是连续释放到环境中，当其达到一定浓度时才发挥作用。而当两种植物混生培养时抑藻效果又要强于金鱼藻，这可能因为金鱼藻和微齿眼子菜混生培养时产生协同增效作用。

2.2 投放干物质

干燥植物体腐败过程中仍可释放抑藻化感物质，投加干燥植物体还可以为鱼虾等提供栖息环境,改善水体生态环境。但此方法影响水体美观,必须做好投放后植物的管理工作,防止植物投放时间过长引起的二次污染。刘洁生等[4]将凤眼莲的根洗净后室温干燥，研磨成粉末，避光保存。研究发现，高于1.0g/L的根粉末可显著抑制藻的生长，投放2.0g/ L的根粉末第6d藻类几乎全部死亡。镜检观察发现藻细胞破裂，有些藻细胞只剩下空壳。

2.3 施加提取物

从水生植物中提取化感物质施入水体对藻类可控性好、作用迅速、生态危害小,是一种非常有前景的方法, 可取代化学农药,大大减少农药用量。结合其他资源化方法,如造纸、发酵制沼气等还可同时解决植物提取后的剩余残渣处置问题。张庭廷等[5]分别取水花生和茭白根、茎叶，用蒸馏水淋洗后，剪成小段将其完全浸泡，在4℃下放置96 h后，先用定性滤纸过滤出浸提液，再将其用0.45μm微孔滤膜过滤，除去微生物。植物鲜组织浸提液对蛋白核小球藻、斜生栅藻抑藻作用顺序为水花生根＞茭白根＞水花生茎叶、茭白茎叶。这反映出不同的水生植物对藻类生长的抑制能力不同，而植物的不同部位的克藻作用也有所区别。

2.4 人工合成化感物质

根据化感物质的结构进行人工合成方法不受水生植物的限制,不需要进行物质的分离提取、也不存在其他有机物的污染和活性的干扰,并且通过合理的人工修饰还可以进一步改良化感物质的抑藻特性,更好地满足抑藻需求。研究表明,0.9 mmol/L的苯丙烯酸（肉桂酸）对水华鱼腥藻抑制率在第6d达到99.36%。其对鲤鱼血清中的丙氨酸氨基转移酶(ALT)、天门冬氨酸氨基转移酶(AST)、碱性磷酸酶(ALP)和γ-谷氨酰基转移酶(γ-GT)的活性没有明显影响，对肝脏、鳃和肌肉中的超氧化物歧化酶(SOD) 的活性和丙二醛( MDA) 含量也没有明显影响，基本无毒性作用，在水华治理方面有一定的应用前景[6]。

3.海洋赤潮藻类的应急处置

凤眼莲根中含有一定量的亚油酸、N-苯基-2-萘胺和大量的长链脂肪酸（十六酸、9-十六碳烯酸等）。N-苯基-2-萘胺浓度为l mg/L时，第6d对东海原甲藻的抑制率超过60%，浓度50μg/L时，亚油酸对东海原甲藻的抑制率超过 80%[4]。当活体凤眼莲浸出液和干凤眼莲浸出液浓度达到8g/L时，对东海原甲藻都具有杀灭作用，东海原甲藻全部死亡出现的时间分别为培养后的第4d和第5d[7]。结果表明[8]，浓度高于5 mg/L以上的 N-苯基-2-萘胺，3d后能对塔玛亚历山大藻抑制率超过50%。可能是N-苯基-2-萘胺通过光分解产生自由基，在藻细胞膜上发生一系列脂膜过氧化反应，产生大量的 H•和 C10 H7•等自由基以及丙二醛（MD A）、乙烷等，导致蛋白质分子及酶变性失活，使DNA受到损伤。SOD活力的降低则打破细胞内自由基产生与清除间的正常平衡状态，使自由基过量产生并积累，进一步对藻造成伤害。亚油酸浓度为70μL/ L对塔玛亚历山大藻的抑制率约为40%，壬酸浓度为70μL/ L第3d可以达到85%的抑藻率。红树粉、红树粉水浸液、红树根系分泌抑藻物质对中肋骨条藻生长均有明显的化感作用，并主要通过根分泌到植物体外，抑制赤潮藻类大量繁殖[9]。球形棕囊藻是一种广温广盐性的藻类，能在富营养化海域中短期内暴发性增殖形成有害赤潮。研究发现，0.1g/L 灭菌水稻杆能显著促进藻细胞的生长，剂量在0.5g/L以上时藻细胞的生长受到显著抑制，其中1g/L组藻密度没有出现反弹，表明1g/L灭菌稻秆能够持续、高效地抑制藻的生长[10]。

4.淡水水华藻类的应急处置

目前，利用水生植物化感作用处置的淡水水华藻类主要有蓝藻、绿藻、金藻、红藻、隐藻、裸藻、硅藻等。

4.1 蓝藻

蓝藻分布很广，在淡水、海水、潮湿和干旱的土壤或岩石上、树干和树叶、温泉、冰雪，甚至在盐卤池、岩石缝中都有它们的踪迹，已知的蓝藻约有2000种，中国已有记录的约900种。蓝藻水华暴发可产生微囊藻毒素，如固氮的鱼腥藻、束丝藻、拟柱胞藻、胶刺藻和节球藻，非固氮的微囊藻、颤藻和鞘丝藻等。它是一种肝毒素，对蛋白磷酸酶1和蛋白磷酸酶2A具有抑制作用，因此与肿瘤促进作用有直接关系。而铜锈微囊藻含有的藻毒素是由10个氨基酸组成的多肽，致死的最低剂量是0.5mg/Kg体重。

微囊藻属：研究表明：水浮莲（种植水、提取物）、凤眼莲（提取物）、槐叶萍、睡莲（种植水）、荇菜（种植水）、水罂粟（种植水）、菖蒲（提取物）、香蒲（提取物）、黄花鸢尾（种植水、提取物）、溪荪（种植水）、芦苇（提取物）、芦竹（提取物）、梭鱼草（种植水）、白花水龙、两栖蓼、莲（种植水）、美人蕉（种植水）、马来眼子菜（种植水）、微齿眼子菜（种植水）、蓖齿眼子菜（提取物）、苦草（提取物）、黑藻（种植水）、伊乐藻（提取物）、水蕰草、穗花狐尾藻、粉绿狐尾藻（种植水）、互花狐尾藻、轮叶狐尾藻、金魚藻（种植水）、杉叶藻（种植水）、巴西艽、大茨藻、水稻（干物质、提取物）等33种植物对铜绿微囊藻有明显的克制作用。黄花水龙、普生轮藻等对微囊藻也有较好的抑制作用。在20g/L水稻秆添加量的试验中，对照组铜绿微囊藻细胞的呼吸速率未出现明显的变化，试验组呼吸速率在第3d明显提高，几乎是植入当天的2倍。第5d呼吸速率有所下降但仍处于高水平，第7d时已经低于同期对照组的1/2，第9d已几乎测不出其呼吸速率[11]。

集胞藻属：通过比较粉绿狐尾藻、水葫芦、水浮莲、金边富贵竹、荇菜、海菜花、金鱼藻、穗状狐尾藻、黑藻、苦草l0种高等水生植物培养水对集胞藻的化感作用，发现海菜花培养水对受试藻种的生长略有促进作用，而其他水生植物培养水均表现出不同程度的抑藻效应。抑藻效应的强弱顺序依次为：粉绿狐尾藻＞水葫芦＞金鱼藻＞水浮莲＞荇菜＞穗状狐尾藻＞黑藻＞金边富贵竹＞苦草，其中粉绿狐尾藻的抑藻效率高达89.9%。研究发现，荇菜所释放的化感物质可破坏集胞藻的叶绿素a和藻胆蛋白(包括PC和APC) 的特征吸收峰，降低藻细胞对光的吸收能力，说明高等水生植物释放某些的化感物质损害藻类的叶绿素a和藻胆蛋白可能是其抑制或杀死浮游藻类的重要途径之一[12]。

蓝纤维藻属：浦寅芳等发现，当菹草为80g/L(鲜重) 时，其新鲜组织的水浸出液在第12d时其对蓝纤维藻等水华藻类的生长抑制率为86.5%；干粉末质量浓度达到20g/L(干重) 时的蒸馏水萃取物，第12d时对水华藻类的生长抑制率超过50%；干粉末质量浓度达到1.92g/L(干重)时的甲醇萃取物第12d时，对水华藻类的生长抑制率均超过80%。

聚球藻属：水剑叶对细长聚球藻有明显的抑制作用。

鱼腥藻属：鱼腥藻一般能分泌毒素，引起鱼类及其它生物中毒。菖蒲、石菖蒲、香蒲、细果荸荠、尖叶眼子菜、黑藻、水蕰草、穗花狐尾藻、大茨藻等9种植物分别对水华鱼腥藻、鱼腥藻、链状鱼腥藻等抑制效果较好，其中菖蒲对水华鱼腥藻抑制率达100%[13]。

颤藻属：细果荸荠可抑制弱细颤藻。

席藻属：尖叶眼子菜、水蕰草可抑制小席藻，石龙尾种植水和苦草培养液使纤细席藻生物量下降，说明具有良好的抑制作用。

4.2 绿藻

约6000种，多见于淡水中，常附著于沉水的岩石和木头上，或漂浮在死水表面，也有生活于土壤或海水中的种类，是水生动物的食物或氧的来源。

小球藻属：凤眼莲、槐叶萍、荇菜、水蕹菜、香蒲、芦苇、茭白、水葱、两栖蓼、莲（荷花）、美人蕉、苦草、黑藻、穗花狐尾藻、金魚藻和菱等16种植物对蛋白核小球藻有较好的抑制作用，EC50值依次为：芦苇＜莲＜慈姑＜水葱、香蒲、菱＜荇菜[14]。水浮莲、水罂粟、菖蒲、石菖蒲、香蒲、黄花鸢尾、溪荪、芦苇、梭鱼草、白花水龙、水芹、美人蕉、马来眼子菜、菹草、苦草、穗花狐尾藻、川蔓藻、普生轮藻、石龙尾19种植物可有效抑制小球藻。研究结果显示，芦苇化感物质EMA浓度为0.25mg/L，蛋白核小球藻和普通小球藻的SOD、POD、CAT活性都高于对照组。但随着化感物质浓度的升高，蛋白核小球藻3种酶活性都逐渐下降，当化感物质浓度为4mg/L时，SOD活性为0[15]。

衣藻属：从水花生、水浮莲、水葫芦的种植水中得到的分泌粗提物，都显示了对雷氏衣藻的抑制效应，证实了有相生相克关系的存在。紫萍、满江红、石菖蒲、芦苇、西洋菜等也具有化感抑藻作用[16]。另外，美人蕉可抑制卵形衣藻，马来眼子菜、菹草、苦草、穗花狐尾藻、矮慈姑对衣藻有抑制作用。

栅藻属：栅藻是淡水中常见的浮游藻类，极喜在营养丰富的静水中繁殖。许多种类对有机污染物具有较强的耐性,在水质评价中可作为指示生物，如斜生栅藻是甲型中污带的指示种；尖细栅藻、弯曲栅藻、被甲栅藻和四尾栅藻等是乙型中污带的指示种。栅藻在水体自净和污水净化中有一定作用，是有机污水氧化塘生物中的优势种类。凤眼莲、菱、浮萍对栅藻抑制作用明显。凤眼莲、水浮莲、满江红、空心莲子草、水罂粟、水蕹菜、石菖蒲、黄花鸢尾、溪荪、芦苇、茭白、梭鱼草、白花水龙、马来眼子菜、蓖齿眼子菜、菹草、苦草、黑藻、伊乐藻、水剑叶、金魚藻21种植物可有效抑制斜生栅藻。菖蒲、石菖蒲、菹草、石龙尾对四尾栅藻具有克藻作用，其中石菖蒲、菹草还可抑制二形栅藻，而穗花狐尾藻能抑制被甲栅藻。在马来眼子菜和斜生栅藻共培养系统中，斜生栅藻的过氧化物酶( POD )、超歧化物氧化酶( SOD)、过氧化氢酶( CAT )、细胞色素氧化酶( COD ) 等同工酶发生变化。与正常生长状态的对照组相比，马来眼子菜作用下的斜生栅藻 POD酶带总数保持稳定，但酶谱组成发生变化。样品组的斜生栅藻的 SOD酶带数量减少而 CAT酶带数量增加。结果表明，样品组藻体在化感作用下通过改变酶活性、调整同工酶组成等来抵御化感作用带来的活性氧( ROS ) 伤害。马来眼子菜作用下的样品组藻体 COD同工酶的酶谱变化明显，说明化感作用在一定程度上影响了斜生栅藻的生物氧化过程[17]。

盘星藻属：通过共培养和施加石菖蒲培养液两种方式，排除了与藻类对矿物营养和光竞争的条件下，石菖蒲对盘星藻等藻类仍有极为显著的抑藻作用。

月牙藻属：芦苇、马蹄莲、灯芯草、马来眼子菜、蓖齿眼子菜、苦草对羊角月牙藻都有抑制，其中加入从芦苇中提取的化感组分后，羊角月牙藻细胞显著增大,6mg/L实验组中细胞平均宽度约为对照组的1.5倍。其可能的原因是化感组分改变了膜透性，造成细胞内含物外泄，由此引发细胞溶胀，EC50值为0.60mg / L[18]。

红球藻属：细果荸荠对雨生红球藻有抑制作用。

4.3 硅藻

多种沉水植物对藻类有化感作用，可抑制藻类水华的暴发，其克藻作用有一定的专一性。金魚藻对硅藻，水剑叶、丽藻、轮藻等对谷皮菱形藻都有较好的抑制作用。另外，发现穗状狐尾藻能抑制极小盘冠藻变种等藻类的生长[19]。

4.4 其他藻类

由于蓝藻、绿藻、硅藻经常发生水华，且常有藻毒素的产生，所以对其抑制及机理的研究较多，而对金藻、隐藻、裸藻和红藻等相对较少。目前，有关水浮莲对金藻和红藻的化感作用已有报道，而萍蓬草对隐藻也具有一定的抑制作用。

菖蒲具有杀虫抑菌等医学用途，也被认为是清洁水体的指示植物。越来越多的研究表明，菖蒲在环境中能显示出化感作用，其中对纤细裸藻有较好的抑制效果。

5.展望

水生植物比较适合于浅层湖泊、以及坡降和水流速度不大等水体中恢复与重建，但是藻类和其他水生植物分泌的化感物质及藻类死亡后分解的物质，亦影响水生植物的兴衰。目前，许多河流因为水利设施建设所形成的库湾也经常暴发水华，采取栽种水生植物方法显然不行。因此，利用具有化感抑藻作用水生植物的干物质或合成无二次污染的化感物质将成为今后研究的重点。

利用淡水浮水植物化感作用对水华藻类原位和异位修复以及抑制海洋赤潮有一定效果。而利用海洋植物对海洋赤潮原位化感控制仅有龙须菜、孔石纯、江蓠等少数大型海藻的研究报道。因此，提取海洋植物化感物质或利用大型海藻与微藻间的相互作用来防止赤潮是一个新的研究方向。

由于水生植物化感作用具有选择性、专一性，必须利用各种植物的协同作用合理搭配植物种类，充分发挥它们之间的协同增效作用，联合它们的观赏价值，合理搭配浮叶和漂浮植物以及挺水和沉水植物，创造出良好的环境效果。且多种植物的合理搭配不仅满足了物种多样性，更容易保持湖泊生态系统的长期稳定。

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