铜离子胁迫对小球藻生物量、蛋白质、多糖及MDA含量的影响

铜离子胁迫对小球藻生物量、蛋白质、多糖及MDA含量的影响

葸玉琴,朱巧巧,何文平,孔维宝,杨红

(西北师范大学生命科学学院，甘肃兰州730070)

摘要：用不同浓度Cu2+(0,0.1,0.4,0.7 mmol·L-1)处理小球藻,通过测定其生物量、蛋白质、多糖以及丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量来反映小球藻的生长状况.结果表明，在不同浓度Cu2+的胁迫下,0～2 d高浓度Cu2+促进小球藻的生长,2～6 d则表现为低浓度促进小球藻的生长，而高浓度抑制其生长.蛋白质含量随着Cu2+浓度的增加而明显降低,说明低浓度的Cu2+促进而高浓度Cu2+抑制小球藻合成蛋白质.在Cu2+胁迫下小球藻多糖明显高于对照组,但随着Cu2+浓度的增加,含量依次降低.MDA含量在无Cu2+影响下,无明显的变化,在0.7 mmol·L-1时,MDA含量最高.

关键词：铜离子;小球藻;生物量;蛋白质;多糖;丙二醛

收稿日期：2015-05-25;修改稿收到日期:2015-07-07

基金项目:国家自然科学基金资助项目(11564037)

作者简介：葸玉琴(1964—)，女，甘肃永昌人，副教授，硕士，硕士研究生导师.主要研究方向为低等植物生理生化和污染生态学.E-mail:xiyuqin@nwnu.edu.cn

中图分类号：Q 914.82，Q 945.78文献标志码：A

Effect of copper ions onChlorellavulgarisbiomass,

protein,polysaccharide and MDA content

XI Yu-qin,ZHU Qiao-qiao,HE Wen-ping,KONG Wei-bao,YANG Hong

(College of Life Sciences,Northwest Normal University,Lanzhou 730070,Gansu,China)

Abstract:Different concentrations of Cu2+(0,0.1,0.4,0.7 mmol·L-1) are used for processing of Chlorella vulgaris,and the growing status of Chlorella vulgaris is reflected by determining the biomass,protein,polysaccharide and MDA(malondialdehyde, MDA) content.The results show that: at the different concentrations of Cu2+ stress,high concentration of Cu2+ can promote the growth of Chlorella vulgaris in 0～2 d.Howevr,low concentration can promote the growth,while high concentration of Cu2+ can inhibit growth in 2～6 d.Protein content decreases significantly with increasing of Cu2+,this indicates that protein synthesis is promoted in low concentration of Cu2+ and inhibited in high concentration of Cu2+.Polysaccharide is significantly higher than the control group in the stress of Cu2+,while polysaccharide content increases successively with increasing of Cu2+.MDA content is the highest in 0.7 mmol·L-1,while without affecting Cu2+,and MDA content has no obviously changes.

Key words:Cu2+；Chlorellavulgaris；biomass;protein；polysaccharide；malondialdehyde(MDA)

小球藻是一种单细胞绿藻，属于绿藻门、绿藻纲、小球藻属.小球藻含有丰富的营养物质，具有抗肿瘤及抗病毒感染的保健功能[1].微藻法处理污水是一种很环保的方法，具有低耗、高效、快速、无二次污染的特点，国内外已有大量研究[2].

重金属是主要的水体污染物质,其一般通过金属冶炼、化石燃料的燃烧以及地质侵蚀等方式进入水体[3],不仅严重影响植物的生长发育、降低其产量和质量,还会通过食物链的富集危及人类的健康[4-5].Cu2+是动植物所必须的微量元素，人体缺铜，可能会有贫血、腹泻等症状，如果人体吸入过量的铜，则会对人体的脏器产生毒害作用.小球藻对多种重金属显示出一定的生物富集能力(如Cd,Cu,Pd,Zn等),成本低、耗能少、效率高是藻类作为污水处理的优点[6],具有一定的生态环保作用.铜是光合作用及呼吸作用的重要辅酶因子和电子传递链的组成成分[7],但是低浓度Cu2+是生物生长的必须元素,高浓度的Cu2+则会对藻细胞产生毒害作用[8].因此测定小球藻的生长状况对研究重金属影响下小球藻的耐受性具有重要意义.

1材料与方法

1.1实验材料

普通小球藻(Chlorellavulgaris)购自武汉中科院水生生物研究所.

1.2培养方法

实验采用的培养基为SoilEM培养基.试验温度(25±1) ℃,12 h黑暗循环,光照强度为2 500 lux,每天定时摇动数次.每个处理设3个平行,培养6 d.

1.3测定方法

1.3.1生物量的测定生物量测定采用浊度比色法.每天取出一定量的小球藻稀释后用日立UV-1800可见紫外分光光度计在680 nm下测定藻的光密度(OD680 nm),以示小球藻的生长状况.

1.3.2蛋白质的测定蛋白质含量采用考马斯亮蓝染色法[9].

1.3.3多糖的测定多糖含量采用蒽铜比色法[10].

1.3.4MDA含量的测定采用硫代巴比妥酸(TBA)法,参照李合生等[11]的方法,每24 h测定一次,连续6 d.

2结果与分析

2.1铜离子胁迫对小球藻生物量的影响

小球藻在无Cu2+浓度(对照组)的培养基和不同Cu2+(0.1,0.4,0.7 mmol·L-1)浓度的培养基中进行培养,检测6 d的生物量，结果见图1.

从图1可以看出,0～2 d小球藻在有Cu2+胁迫下繁殖速度较快,且在高Cu2+浓度下小球藻繁殖的速度较低Cu2+浓度下小球藻的繁殖速度快;2～6 d各培养基中的小球藻的生长速率逐渐发生了变化,表现为低浓度Cu2+的培养基中小球藻的生长速率升高,而高浓度Cu2+的培养基中小球藻的生长速率下降，且低浓度Cu2+培养基中小球藻的生长速度高于对照组.

图1　不同浓度Cu 2+对生物量的影响

微量的Cu2+是藻类代谢所必须的,但高浓度的Cu2+对藻类具有一定的毒害作用.Cu2+是一种强烈的细胞代谢抑制剂[12].小球藻抵抗胁迫主要是通过对重金属的富集来达到抗胁迫的目的.藻类在长期响应重金属胁迫过程中,建立起一系列的适应机制.这些保护机制主要包括：藻细胞的某些胞外组分与重金属结合,从而减少重金属进入胞内；在重金属诱导下藻细胞可合成金属结合蛋白或多肽[13],重金属铜与小球藻细胞内的相关配体结合从而达到富集重金属铜的目的[14].由图1可以看出，小球藻为了适应环境抵抗Cu2+的胁迫,通过提高繁殖速度增加群体的数量来吸附更多的Cu2+从而降低Cu2+的胁迫,因此0～2 d Cu2+胁迫下小球藻的繁殖速度较快且在高Cu2+浓度下繁殖的速度比在低Cu2+浓度下快,此时小球藻的密度也慢慢增长.2～6 d由于代谢产物、pH和Cu2+胁迫双重因素的影响,低浓度Cu2+胁迫下小球藻的生长速度远远超过了高浓度Cu2+胁迫下小球藻的生长速度.

2.2铜离子胁迫对小球藻蛋白质的影响

图2为不同浓度Cu2+影响下蛋白质的积累，蛋白质含量随着Cu2+浓度的增加而明显降低,呈现高浓度的Cu2+抑制蛋白质的合成而低浓度的Cu2+促进蛋白质合成.金属硫蛋白(MT)是普遍存在于生物体内的富含半胱氨酸具有结合金属能力和高诱导性的低分子量蛋白质[15],能够参与生物体内重金属解毒,增强生物机体对应激的适应能力等[16].在Cu2+浓度较低时,小球藻内的蛋白质可以与金属铜结合,形成MT,MT能够参与小球藻体内的解毒,增强小球藻在Cu2+污染下的耐受性,使小球藻中的蛋白质含量增加.没有Cu2+胁迫的小球藻,呈现正常的生长状态,因此表现为蛋白质含量高于高浓度Cu2+胁迫中的小球藻的蛋白质含量而低于低浓度下胁迫小球藻的蛋白质含量.高浓度Cu2+污染下的小球藻，死亡较多，因为产生的蛋白质的量不足以结合全部的铜,因而其耐受性较低,产生的蛋白质的量低于低浓度和无胁迫下的小球藻的蛋白质含量,随着Cu2+浓度的升高,产生的蛋白质的量也在逐渐下降,因此表现为在0.4 mmol·L-1Cu2+胁迫下的蛋白质含量高于0.7 mmol·L-1Cu2+胁迫下蛋白质的含量.

图2　不同浓度Cu 2+对蛋白质的影响

2.3铜离子胁迫对小球藻多糖的影响

图3为6 d之后小球藻可溶性糖的测定结果，在低浓度Cu2+胁迫下小球藻多糖含量明显高于对照组,但随着Cu2+浓度的增加,多糖含量依次降低.这是由于小球藻抗胁迫的能力需要能量的支持,而能量最终来源于糖类，所以在Cu2+胁迫下的小球藻含糖量总比对照组高;又由于Cu2+浓度过高时会对小球藻产生毒害作用,这种毒害作用的结果降低了小球藻的数量,所以随着Cu2+浓度增高而小球藻含糖量却依次降低.另外适量的Cu2+可以作为光合作用中酶的辅助因子从而催化小球藻的光合作用,同时可以破坏细胞中的线粒体从而破坏了呼吸作用[17，18].

2.4铜离子胁迫对小球藻MDA的影响

由结果看出对照组的MDA含量保持相对比较平稳的趋势(图4),与丁玉梅[19]和王丽平[20]等的研究基本一致.有Cu2+胁迫的小球藻，其MDA含量均高于对照组，且随着Cu2+浓度的增大，相对应的MDA的含量依次增加.MDA被认为是生物膜遭到氧化作用破坏的标志性产物[21].随着铜离子浓度的增加,膜结构遭到了严重的破坏,生物膜的通透性持续增加,细胞内的电解质会大量渗透,代谢紊乱,造成小球藻细胞大量死亡[22].重金属的胁迫使小球藻生物膜的磷脂、酶和膜受体相关的多不饱和脂肪酸发生氧化作用,从而破坏了生物膜的流动性和通透性.因为在生物膜遭到破坏时,MDA是膜脂氧化的最终分解产物.因此,可以通过测定MDA的含量来了解小球藻的生物膜被破坏的程度.MDA含量多,说明生物膜遭受的破坏大,但是当胁迫变得更大的时候,生物膜的破坏已经到达了极限,MDA的含量将不再继续增加而是呈现一定程度的减少.因此在第6 d的时候，被胁迫小球藻的MDA含量呈现缓慢减少的趋势.

图3　不同浓度Cu 2+对多糖的影响

图4　不同浓度Cu 2+对MDA的影响

3结论

无Cu2+胁迫时,小球藻的生长较为平缓.有Cu2+胁迫时,各浓度胁迫下的小球藻的生长在0～2 d表现为高浓度促进小球藻的生长,而2～6 d则表现为高浓度抑制而低浓度促进其生长,并且在2～6 d低浓度Cu2+影响下小球藻的生长均低于无胁迫的小球藻的生长.蛋白质含量随着Cu2+浓度的增加而明显降低,低浓度的Cu2+促进而高浓度Cu2+抑制小球藻蛋白质的合成.多糖含量表现为Cu2+浓度升高,其相应的含量降低,但均高于无胁迫时的含量.MDA含量随着Cu2+浓度的增加而增加,0.7 mmol·L-1Cu2+影响下的MDA的含量最高.本实验结果为治理Cu2+污染的水体提供了一定的理论基础，小球藻可以清除有机废水，达到净化水源的目的，在环保领域具有深远的意义[23].

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(责任编辑俞诗源)