条斑紫菜中磷和钙的亚细胞分布及其与富集砷的关系

2016-12-02尚德荣宁劲松赵艳芳翟毓秀李风铃盛晓风丁海燕徐正段德麟周永东

生态毒理学报 2016年4期

尚德荣，宁劲松，赵艳芳,*，翟毓秀，李风铃，盛晓风，丁海燕，徐正，段德麟，周永东

1. 中国水产科学研究院黄海水产研究所国家水产品质量监督检验中心农业部水产品质量安全检测与评价重点实验室，青岛 266071 2. 中国科学院海洋研究所，青岛 266071 3. 江苏盐城海瑞食品有限公司，大丰 224100

尚德荣1，宁劲松1，赵艳芳1,*，翟毓秀1，李风铃1，盛晓风1，丁海燕1，徐正1，段德麟2，周永东3

研究条斑紫菜中磷和钙的亚细胞分布，并探讨其与条斑紫菜富集砷的关系。结果表明：条斑紫菜吸收磷、钙主要分布在细胞壁组分中，平均占总磷含量的53.9%，占总钙含量的61.25%，其次为细胞液。与对照组相比(砷暴露浓度0.5 mg·L-1)，在添加磷浓度为0.1 mg·L-1和1.0 mg·L-1处理组中，条斑紫菜中磷、砷之间呈现协同效应；当添加磷浓度为5.0 mg·L-1和10.0 mg·L-1时，条斑紫菜中磷、砷之间则呈现拮抗作用，砷的富集量分别比照组下降61.37%和72.73%。经添加钙液暴露过的条斑紫菜，当钙暴露浓度为1 000 mg·L-1时其对砷的富集量比对照组减少15.51%。可知，5.0 mg·L-1磷处理条斑紫菜，条斑紫菜对砷的富集受到明显的抑制。

砷；磷；钙；条斑紫菜；亚细胞定位；富集

条斑紫菜是中国的优势水产品，其食品安全备受关注。有关条斑紫菜(Porphyra yezoensis)富集重金属及其赋存形态方面已经开展了大量研究，但是这些研究主要集中在As5+、Cu2+、Pb2+、Cd2+、Hg2+对条斑紫菜的胁迫作用及其赋存形态方面[1-9]，而考察改善生境条件(如添加磷、钙等元素)对重金属胁迫所产生的协同或拮抗作用的研究目前仅在一些陆地植物中展开[10-16]，其研究结果也不尽相同[17-22]。

笔者从降低条斑紫菜砷含量、提高产品质量及安全角度出发，以自然养殖与室内模拟实验相结合探讨不同生境条件下(不同钙、磷浓度等)条斑紫菜藻体对砷的富集及其亚细胞组分中砷的含量及分布规律，揭示条斑紫菜富集砷与生境条件的相关关系(拮抗和协同的关系)。研究试图为生境条件对条斑紫菜体内砷的分布、富集和迁移规律提供理论依据，为条斑紫菜的安全养殖生产提供指导。

1 材料与方法 (Materials and methods)

1.1 实验材料

条斑紫菜活体于2014年1月14日采自江苏连云港港口养殖区域，当天运回实验室暂养1 d，依据从大样本中抽取小样本进行分组的规范方法，选取一定量的健康条斑紫菜作为空白组、对照组和实验组。暴露实验中所采用的砷为Na2HAsO4·7H2O，磷为NaH2PO4·2H2O，钙为Ca(NO3)2·4H2O。

1.2 实验方法

根据海水中砷的环境浓度选择As(V)浓度0.5 mg·L-1为实验对照组，磷处理组中添加磷最终浓度分别为0.1 mg·L-1、1.0 mg·L-1、5.0 mg·L-1、10.0 mg·L-1；钙处理组中添加钙最终浓度分别为250 mg·L-1、500 mg·L-1、1 000 mg·L-1，每个浓度组分别设3个平行，实验连续进行6 d，中间不更换实验溶液，并分别于0、1、2、3、4、5、6 d各取样1次。同时做只用海水养殖无添加任何试剂的空白实验。

条斑紫菜亚细胞组分的分离、亚细胞组分分析、仪器条件及详细的实验方法详见文献[9]。

2 结果与讨论(Results and discussion)

2.1 条斑紫菜中磷的亚细胞分布

表1展示了条斑紫菜经不同浓度磷、钙处理6 d后，藻体中亚细胞不同组分磷含量分布，由表1可知，无论是暴露在添加磷液或添加钙液处理组中的条斑紫菜均以细胞壁的磷含量最高，为541.72～1 100.57 mg·kg-1，占总磷含量的43.2%～64.6%，其次为细胞液，含量为428.40～676.54 mg kg-1，占总磷含量的25.0%～42.0%；而细胞器中P含量仅为129.3～192.7 mg kg-1占总磷含量的9.6%～20.2%。经添加磷液暴露过的条斑紫菜随着磷浓度的增加其细胞壁中磷含量和所占比例依次增大，而细胞液组分中高磷浓度暴露组的磷含量低于其他暴露浓度组，细胞器中的磷含量随着磷浓度的增加磷含量依次增大，图1a、1b、1c分别是暴露在不同磷溶液1～6 d后条斑紫菜细胞壁、细胞液和细胞器组分中磷含量。经添加钙液暴露过的条斑紫菜随着钙浓度的增加其细胞壁、细胞液和细胞器中磷含量依次减少，图1d、1e、1f分别是暴露在不同钙溶液1～6 d后条斑紫菜细胞壁、细胞液和细胞器组分中磷含量。

2.2 条斑紫菜中钙的亚细胞分布

表2展示了条斑紫菜经不同浓度磷、钙处理6 d后，藻体中亚细胞不同组分钙含量分布，由表2可知，无论是暴露在添加磷液或添加钙液处理组中的条斑紫菜均以细胞壁的钙含量最高，达188.56～1 019.21 mg·kg-1，占总钙含量的42.94%～79.56%；其次为细胞液，其钙含量为174.80～229.46 mg·kg-1，占总钙含量的16.60%～38.59%；而细胞器中仅为74.96～133.26 mg·kg-1，占总钙含量的9.64%～17.25%。且随着磷暴露浓度的增加其细胞壁、细胞液和细胞器中钙含量依次增加，图2a、2b、2c分别是暴露在不同磷溶液1～6 d条斑紫菜细胞壁、细胞液和细胞器组分中钙含量，暴露在添加磷溶液中的条斑紫菜各亚细胞组分的钙含量高于暴露在添加钙溶液中各亚细胞组分中钙的含量。图2d、2e、2f分别是暴露在不同钙溶液1～6 d条斑紫菜细胞壁、细胞液和细胞器组分中钙含量。

图1 暴露于不同浓度的磷或钙1～6 d后条斑紫菜中磷的亚细胞分布注：1a、1b、1c分别是暴露在不同磷溶液1～6 d后条斑紫菜细胞壁、细胞液和细胞器组分中磷含量；1d、1e、1f分别是暴露在不同钙溶液1～6 d后条斑紫菜细胞壁、细胞液和细胞器组分中磷含量。Fig. 1 Subcellular distribution of phosphorus in Porphyra yezoensis exposed to different concentrations of phosphorus and calcium for 1-6 dNote: 1a, 1b and 1c was phosphorus content in the cell wall, cytoplasm and cell organelle respectively in P. yezoensis exposed to different concentrations of phosphorus during 1-6 d;1d, 1e and 1f was phosphorus content in the cell wall, cytoplasm and cell organelle respectively in P. yezoensis exposed to different concentrations of calcium during 1-6 d.

表1 暴露于不同浓度的磷或钙6 d后条斑紫菜中磷的亚细胞分布

图2 暴露于不同浓度的磷或钙1～6 d后条斑紫菜中钙的亚细胞分布注：2a、2b、2c分别是暴露在不同磷溶液1～6 d后条斑紫菜细胞壁、细胞液和细胞器组分中钙含量；2d、2e、2f分别是暴露在不同钙溶液1～6 d后条斑紫菜细胞壁、细胞液和细胞器组分中钙含量。Fig. 2 Subcellular distribution of Ca in P. yezoensis exposed to different concentrations of phosphorus and calcium for 1-6 dNote: 2a, 2b and 2c was Ca content in the cell wall, cytoplasm and cell organelle respectively in P. yezoensis exposed to different concentrations of phosphorus during 1-6 d; 2d, 2e and 2f was Ca content in the cell wall, cytoplasm and cell organelle respectively in P. yezoensis exposed to different concentrations of calcium during 1-6 d.

表2 暴露于不同浓度的磷或钙6 d后条斑紫菜中钙的亚细胞分布

2.3 在不同浓度磷、钙条件下条斑紫菜中砷的亚细胞分布

将暴露在0.5 mg·L-1As(V)中的条斑紫菜做对照组，再在其中分别添加不同最终浓度的磷、钙溶液，考察在磷、钙影响下条斑紫菜对砷的富集规律、亚细胞分布特征。通过对9个不同处理液的藻体进行分析发现，条斑紫菜中砷的亚细胞分布与区隔化差异很大，各组分的砷含量分别为：细胞液>细胞壁>细胞器。砷的区隔化作用(compartmentalization)可以降低砷对藻体细胞新陈代谢的影响，从而保证其正常生长和发育，表3展示了条斑紫菜经不同浓度磷、钙暴露6 d的处理组以及对照组和空白组中，藻体不同亚细胞组分中砷的含量分布。

由表3可知，在磷暴露浓度为0.1和1.0 mg·L-1时，条斑紫菜对砷的吸收效率有所提高，条斑紫菜中磷、砷之间呈现协同效应；在磷暴露浓度为5.0和10.0mg·L-1，条斑紫菜中磷、砷之间则呈现拮抗作用，砷的富集量分别是对照组(加砷0.5 mg·L-1)的37.98%和26.65%，细胞液组分的砷含量分别是对照组的25.78%和15.36%，细胞壁组分的砷含量分别是对照组的80.70%和66.34%。图3a、3b、3c分别是暴露在不同磷溶液1～6 d后条斑紫菜细胞壁、细胞液和细胞器组分中砷含量。在添加钙浓度为250和500 mg·L-1时，条斑紫菜中砷的富集总量与对照组(加砷0.5 mg·L-1)基本相同，其中，细胞壁组分的砷含量比对照组分别增加了35.52%和93.16%，细胞器组分中的砷含量比对照组分别增加了93.48%和117.42%，细胞液组分中砷含量分别比对照组减少了14.77%和27.6%。在添加钙浓度为1 000 mg·L-1时，条斑紫菜中砷的富集总量比对照组减少15.51%，细胞液组分中砷含量比对照组减少30.06%。图d3、3e、3f分别是暴露在不同钙溶液1～6 d条斑紫菜细胞壁、细胞液和细胞器组分中砷含量。

图3 暴露于不同浓度的磷或钙1～6 d后条斑紫菜中砷的亚细胞分布注：3a、3b、3c分别是暴露在不同磷溶液1～6 d后条斑紫菜藻体细胞壁、细胞液和细胞器组分中砷含量；3d、3e、3f分别是暴露在不同钙溶液1～6 d后条斑紫菜细胞壁、细胞液和细胞器组分中砷含量。Fig. 3 Subcellular distribution of As in P. yezoensis exposed to different concentrations of phosphorus and calcium for 1-6 dNote: 3a, 3b and 3c was As content in the cell wall, cytoplasm and cell organelle respectively in P. yezoensis exposed to different concentrations of phosphorus during 1-6 d; 3d, 3e and 3f was As content in the cell wall, cytoplasm and cell organelle respectively in P. yezoensis exposed to different concentrations of calcium during 1-6 d.

表3 暴露于不同浓度的磷或钙6 d后条斑紫菜中砷的亚细胞分布

综上可知：

1)无论是暴露在添加磷液或添加钙液处理组中的条斑紫菜，其磷和钙都主要存在其细胞壁组分中。2)加磷浓度5.0 mg·L-1处理组中条斑紫菜对砷的富集受到明显的抑制作用。3)条斑紫菜中砷的亚细胞分布主要集中在细胞液中，其分布为细胞液>细胞壁>细胞器，胞液对砷具有非常明显的区隔化作用。本研究结果为进一步研究条斑紫菜胞液中砷的转运机制，揭示条斑紫菜的耐砷毒和砷富集机理奠定基础。

致谢：感谢江苏省紫菜协会在条斑紫菜样品采集中给予的帮助。

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The Subcellular Fate of Phosphorus and Calcium in the Seaweed Porphyra yezoensis and Its Relationship with the Arsenic Accumulation

Shang Derong1, Ning Jinsong1, Zhao Yanfang1,*, Zhai Yuxiu1, Li Fengling1, Sheng Xiaofeng1, Ding Haiyan1, Xu Zheng1, Duan Delin2, Zhou Yongdong3

1. Yellow Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, National Center for Quality Supervision and Test of Aquatic Products, Key Laboratory of Testing and Evaluation for Aquatic Product Safety and Quality, Ministry of Agriculture, Qingdao 266071, China 2. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China 3. Yancheng Hairui Food Co. Ltd, Dafeng 224100, China

Received 13 November 2015 accepted 17 March 2016

The subcellular distribution of phosphorus (P) and calcium (Ca) in P. yezoensis was studied and the relationship with its high accumulation of arsenic was also discussed. The results showed that P and Ca were mainly accumulated in the cell wall, accounting for about 53.9% of total P and about 61.25% of total Ca. The second largest accumulation of P and Ca was in the cytoplasm. Compared with the control group (only treated with 0.5 mg·L-1As), the synergistic effect occurred in the uptake of P and As for groups also exposed to 0.1 and 1.0 mg·L-1P, while the antagonistic effect occurred for 5.0 and 10.0 mg·L-1P pretreatment groups, and the accumulated As decreased by 61.37% and 72.37% respectively. For the group exposed to Ca (1 000 mg·L-1), the accumulated As concentration decreased by 15.51% compared to the control group. It could be concluded that 5.0 mg·L-1P could significantly inhibit the accumulation of As in P. yezoensis.

arsenic; phosphorus; calcium; Porphyra yezoensi; subcellular localization; accumulation

农产品质量安全监管专项经费(2011)；中华人民共和国农业行业标(10167)；南极海洋生物资源开发利用项目(21301352015103)；江苏省科技项目(BE2015335; CX(13)3095)

尚德荣(1960-)，女，高级工程师，研究方向为水产品质量安全与检测技术，E-mail: shangdr@ysfri.ac.cn；

*通讯作者(Corresponding author)， E-mail: zhaoyf@ysfri.ac.cn

10.7524/AJE.1673-5897.20151113002

2015-11-13 录用日期：2016-03-17

1673-5897(2016)4-258-07

X171.5

简介：赵艳芳(1979—)，女，海洋生物学博士，副研究员，主要研究方向为水产品质量安全与分析技术，发表学术论文40余篇。

尚德荣, 宁劲松, 赵艳芳, 等. 条斑紫菜中磷和钙的亚细胞分布及其与富集砷的关系[J]. 生态毒理学报，2016, 11(4): 258-264

Shang D R, Ning J S, Zhao Y F, et al. The subcellular fate of phosphorus and calcium in the seaweed Porphyra yezoensis and its relationship with the arsenic accumulation [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2016, 11(4): 258-264 (in Chinese)