常见入侵植物水提液对水华藻生长及光合荧光特性的影响

石雨鑫，汤春宇，谭 梦，何培民，2，邵 留，2*

(1上海海洋大学海洋生态与环境学院，上海 201306；2上海海洋大学水域环境生态上海高校工程研究中心，上海 201306)

在水生态系统中，藻类快速生长导致的水华爆发是水体富营养化的重要表征之一[1]。水华能显著影响水体质量，如使水体发出异味[2]，破坏水生生态系统，导致水体内生物多样性减少等[3-4]。富营养化引发的水华现象已成为世界公认的主要环境问题之一[5-7]，因此通过科学有效的手段抑制有害藻类繁殖、控制水华爆发是亟待解决的问题。

近年来，植物化感作用已经成为防治水华的一条新型有效途径[8-9]。植物化感作用是指植物(包括微生物)向环境中释放各种化学物质，从而直接或间接促进或抑制其他个体或自身生长发育的现象[10]。植物(包括微生物)释放的次生代谢产物，被称为化感物质[11]。利用化感物质控制藻类具有温和、低毒以及对环境亲和等优势[12]，为恢复良好的水生态环境提供了新的思路。

现有研究表明，多种水生植物及陆生植物提取液均具有较强的化感抑藻作用[13-20]。最近几年，有研究者另辟蹊径，将有害藻类控制与入侵植物资源化利用相结合，指出不少水生及陆生入侵植物提取物同样具有化感抑藻效应[21-24]。将入侵植物提取物用于有害水华的防控技术，不仅丰富了抑藻化感植物备选库，同时也为入侵植物的资源化利用提供了新的途径。但目前有关入侵植物化感抑藻的研究多偏重于研究某一种入侵植物的抑藻效应，缺乏系统性,且由于试验条件等不同，不同研究成果无法直接进行比较；此外现有报道的研究指标多集中于提取液对藻类细胞密度及叶绿素含量等表观指标的影响[9,25]，较少涉及机理剖析。

叶绿素荧光测量技术在不对植物本身造成损伤的前提下，能够提供不同的荧光参数，包括最大量子产额(FvFm)、有效量子产额(YII)、电子传递效率(ETRmax)等，为植物的生理变化提供有效信息[26]，并能够在藻体形态或密度发生明显变化之前识别光合状态的变化[27]，是一种快速灵敏地估算植物光合作用能力的有效技术。本试验基于叶绿素荧光测定技术，着重研究4种常见入侵植物的水提液对3种有害水华藻生长及光合系统的影响，以期通过比较不同入侵植物的抑藻效果及作用机理分析，筛选出高效、靶向性明确的植物源抑藻剂，为富营养化水体目标水华的防治提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料一年蓬、加拿大一枝黄花、喜旱莲子草和水葫芦均采自上海临港地区。将植物材料采回后，洗净烘干，粉碎至粒径270μm后保存备用。

黄丝藻、铜绿微囊藻和水华微囊藻藻种均购自中国科学院武汉水生生物研究所，3种藻均为苏州河道内的优势种[28-29]，也是水华爆发的优势藻种[30-31]。购回的藻种用BG-11培养基培养，培养条件为温度(25±1)℃，光照强度2 000—2 500 lx，光暗时间为12 h∶12 h，每天定时摇晃2次，并镜检藻种生长情况。当藻体生长进入对数生长期后，进行分瓶试验。

1.2 试验方法

1.2.1 入侵植物水提液的制备

称取适量烘干的植物粉末，以1∶20的固液比加入蒸馏水进行超声波常温提取2 h，连续提取2次。混合水提液后以4 000 rmin离心3 min，过滤以去除沉淀，并用0.22 μm滤膜过滤以去除微生物的影响，定容至250 mL，得到清澈的干粉质量浓度为7.5 gL的水提液母液备用。

1.2.2 入侵植物水提液抑藻试验

设置4个试验组(一年蓬、加拿大一枝黄花、喜旱莲子草、水葫芦)及1个对照组，每组3个平行。于250 mL锥形瓶中分别加入60 mL BG-11培养液和60 mL植物水提液(对照组加入60 mL蒸馏水)，并加入30 mL藻液。试验用水提液最终干粉质量浓度为3 gL。

1.2.3 入侵植物水提液对藻类生长及光合作用影响的参数测定

植物水提液对藻类生长的影响通过藻细胞计数及测量藻体叶绿素荧光参数来反映，每隔24 h测1次藻细胞数及藻体叶绿素荧光参数，连续测量96 h。

利用浮游植物计数框对藻细胞进行计数。叶绿素荧光参数采用浮游植物分类荧光仪(PHYTO-PAM，德国 WALZ)测定。测量方法参照胡廷尖等[23]，并根据不同藻种对光参数进行适当调整。

1.3 数据处理

试验数据处理和图表绘制采用Excel 2017软件和SPSS 24.0软件。数据表示为平均值±标准误(n=3)，所有数据均为正态分布数据(S-W检验)。利用SPSS 24.0软件，采用独立样本t检验进行对照组和处理组之间的均值比较，P<0.05表示两组之间差异显著，P<0.01表示两组之间差异极显著。

2 结果与分析

2.1 不同入侵植物水提液对水华藻细胞数量的影响

2.1.1 对黄丝藻生长的影响

不同入侵植物水提液对初始密度为1.4×106个mL的黄丝藻生长影响如图1所示。对照组藻密度从试验开始至结束一直呈增长趋势，藻细胞长势良好；水葫芦和喜旱莲子草水提液在前48 h抑藻效果不显著，甚至出现短期促进作用，但72 h时两试验组藻数量突降明显，96 h时水葫芦和喜旱莲子草水提液对藻细胞的生长抑制率分别达到90.34%和73.71%，抑制作用显著。添加加拿大一枝黄花水提液的试验组藻细胞数量在试验期间一直处于增长状态，且前72 h试验组藻细胞数量均大于对照组。一年蓬水提液试验组前72 h对黄丝藻生长的抑制效果不显著，96 h时抑制率达70%以上。总体来看，各植物水提液对黄丝藻生长抑制作用表现为水葫芦>喜旱莲子草、一年蓬>加拿大一枝黄花。

2.1.2 对铜绿微囊藻生长的影响

不同入侵植物水提液对初始密度为3.25×106个mL的铜绿微囊藻生长影响如图2所示。各试验组自开始就均表现为抑制作用，处理24 h后各试验组藻细胞颜色变透明，出现黄化、大量死亡的现象，总体上试验组均表现出随时间的延长，藻细胞数量逐渐降低的趋势。96 h时各试验组植物水提液对铜绿微囊藻藻细胞的生长抑制率均能达到60%以上，抑制效果显著，加拿大一枝黄花水提液的抑制作用略高于其他3个试验组，96 h时抑制率达到73.02%。各试验组对藻细胞生长抑制作用表现为加拿大一枝黄花>一年蓬、水葫芦、喜旱莲子草。

2.1.3 对水华微囊藻生长的影响

不同入侵植物水提液对初始密度为1.71×106个mL的水华微囊藻生长影响如图3所示。对照组藻细胞数量从试验初始阶段不断增长，且藻细胞完整、长势良好。水葫芦水提液处理的藻细胞数量出现先下降后升高的现象，藻细胞数量始终低于对照组，抑制作用显著。喜旱莲子草和加拿大一枝黄花试验组藻细胞数量均从48 h时开始出现明显降低，96 h时略增长，抑制率分别达到75.65%和72.66%，抑制作用显著。添加一年蓬水提液处理的试验组藻细胞数量同样出现先降低后升高的现象，96 h时抑制作用依然显著。水华微囊藻藻细胞抑制效果总体上表现为：喜旱莲子草>加拿大一枝黄花>一年蓬>水葫芦。

2.2 不同入侵植物水提液对水华藻光合荧光特性的影响

在藻类叶绿素荧光参数中，FvFm用来表示光系统II的最大光合效率，反映光系统II的最大光能转化效率和藻类潜在光合作用能力。正常情况下，FvFm可以维持在一个相对稳定的水平，当受到外界胁迫时，FvFm值会明显下降。YII表示光系统II的实际光合效率，可以用来评估光系统II吸收的能量用于光合作用的比例，YII值越高，表明光系统II的光合效率越高[32]。

2.2.1 对黄丝藻光合荧光特性的影响

由图4、5可以看出，试验期间对照组黄丝藻的FvFm值和YII值一直维持在相对稳定的状态。相比对照组，各试验组在24 h时黄丝藻的FvFm值均出现明显降低。水葫芦水提液试验组黄丝藻的FvFm值有一定的波动，处理24 h后出现先增加后下降的趋势，96 h时与对照组差异不显著。喜旱莲子草水提液试验组自试验开始黄丝藻的FvFm值和YII值就下降至较低水平，96 h时FvFm值仅为对照组的1.47%，抑制效果极显著。加拿大一枝黄花水提液和一年蓬水提液试验组黄丝藻的FvFm值均出现先下降后升高的趋势，48 h时FvFm值分别为对照组的50.79%和33.33%，YII值也出现缓慢升高的趋势，96 h时与对照组无显著差异。从FvFm值和YII值综合分析，4种植物水提液对黄丝藻光合荧光特性的抑制效果表现为喜旱莲子草>一年蓬>加拿大一枝黄花>水葫芦。

2.2.2 对铜绿微囊藻光合荧光特性的影响

由图6、图7可见，试验期间对照组铜绿微囊藻的FvFm值及YII值稳中有升，各试验组铜绿微囊藻的FvFm值及YII值在培养过程中出现不同程度的下降。水葫芦水提液试验组在24 h时降低后开始逐渐增加，但96 h时降到最低值，铜绿微囊藻的FvFm值为对照组的14.03%，抑制作用显著。喜旱莲子草水提液处理的铜绿微囊藻FvFm值和YII值在48 h时出现最小值，分别为对照组的32.62%和21.42%，处理48 h后出现小幅上涨。加拿大一枝黄花水提液处理的铜绿微囊藻FvFm值和YII值均维持在较低水平，其中YII值在72 h时和96 h时接近0，抑制效果极显著。一年蓬水提液试验组铜绿微囊藻的Fv/Fm值和YII值从24 h时开始始终呈下降趋势，96 h时抑制率分别达到95.32%和93.88%。总体来看，各入侵植物水提液对铜绿微囊藻光合荧光特性的抑制作用表现为加拿大一枝黄花>一年蓬、水葫芦>喜旱莲子草。

2.2.3 对水华微囊藻光合荧光特性的影响

由图8、图9可以看出，对照组水华微囊藻叶绿素荧光参数值始终呈现增加的状态。水葫芦水提液试验组的水华微囊藻叶绿素荧光参数变化趋势与对照组相似，差异不显著。喜旱莲子草水提液试验组水华微囊藻的FvFm值和YII值均表现为先下降后增长的趋势，但总体显著低于对照组。加拿大一枝黄花试验组水华微囊藻的FvFm值同样出现先下降后增长的趋势，但YII值自24 h时至试验结束均呈现逐渐降低的趋势，表现出较高的抑制效果。一年蓬水提液对水华微囊藻叶绿素荧光参数的抑制作用明显，FvFm值和YII值自试验开始就持续降低，96 h时YII值抑制率为95.69%，抑制效果极显著。各入侵植物水提液对水华微囊藻光合荧光特性的抑制作用表现为一年蓬>加拿大一枝黄花、喜旱莲子草>水葫芦。

3 讨论

大量研究表明，很多木本植物、草本植物以及水生植物释放出的活性物质能够抑制水体中蓝绿藻的生长[33]。化感作用一般具有选择性和专一性[9]，一种化感物质一般只对一种或几种植物或微生物存在显著化感作用，而对其他植物没有影响或影响不明显，另外由于化感物质结构的多样性，化感作用的作用机理和性能也具有多样性[34]。

本研究表明，相比于黄丝藻，陆生入侵植物(加拿大一枝黄花、一年蓬)提取液对微囊藻生长及光合系统有更高的抑制率，可能的原因是与黄丝藻相比，微囊藻细胞体积更小，化感物质更容易对其产生影响。而黄丝藻属于丝状藻，存在聚集成团的现象，细胞体积较大，藻细胞与化感物质接触面积相对较小，对植物水提液中的化感物质响应时间更长。刘光涛等[4]也认为细胞体积大小与其对化感物质的响应存在相关性，细胞体积越小的藻类对化感物质的刺激反应越敏感。

叶绿素a在光合作用中承担着吸收和转化光能的作用，其含量与植物光合作用密切相关[35]。研究表明，藻细胞密度对化感物质处理的反应与叶绿素a含量变化具有同趋势性[36-37]。然而在本研究中，水葫芦和一年蓬水提液在试验期间均能较好地抑制黄丝藻藻细胞生长，但对黄丝藻光合效率影响不明显。梁宇斌等[38]也发现随着作用时间的增加，铜绿微囊藻的叶绿素a含量下降，但FvFm值却出现一定上升。可能原因是受到胁迫时，藻细胞生长环境发生变化，藻体的生理状态发生相应的变化，但藻细胞通过自身调节生理状态会得到一定恢复；另外，随着化感物质作用时间的增加，一些活性物质失去活性，抑制效果减弱，藻细胞受到的胁迫减弱，生理活性得到一定的恢复[38]。与两种陆生植物不同的是，喜旱莲子草对3种水华藻生长和光合系统都有较好的抑制作用，但对光合系统作用时间及强度不同。添加喜旱莲子草水提液后，黄丝藻耐受强光能力降低，光合系统和结构受到一定程度的损伤，并随着培养时间的延长，化感作用加剧。对于微囊藻，光合系统II的光能转化效率具有一定急性抑制效应，随着时间的延长，藻细胞可以通过自我调节恢复其光合活性。可能原因是微囊藻PSII不是喜旱莲子草所释放的化感物质攻击的主要靶位点，而黄丝藻PSII则是主要靶位点[39]。

植物水提液的化感作用对不同藻类表现出选择性抑藻的效果，且作用的靶位点不同，藻细胞密度下降并不意味着光合系统受到不可恢复的损伤，化感物质如何降低叶绿素含量和破坏PSII，其途径如何，都应是今后研究的方向和重点。同时，选择判定化感物质抑藻效果的指标也应更加多样化、全面化，对化感抑藻机理进行深入研究。

4 结论

本试验选取了我国几种常见的入侵植物作为试验材料进行抑藻作用的比较和筛选，以选择高效的抑藻剂。结果表明：(1)4种常见入侵植物水提液对3种水华藻表现出了选择性抑藻的作用，且主要抑制机理也不同。(2)对于黄丝藻，水葫芦抑制藻类生长的主要方式是抑制藻细胞增殖，喜旱莲子草主要通过影响光系统II的活性抑制藻类生长。加拿大一枝黄花和一年蓬对光合活性具有急性抑制效应，处理48 h后随着时间的延长藻细胞可通过自我调节恢复其光合活性。(3)两种陆生入侵植物(一年蓬、加拿大一枝黄花)对铜绿微囊藻抑制效果优于水葫芦和喜旱莲子草，且藻细胞数量变化与光合活性变化趋势一致。(4)喜旱莲子草对水华微囊藻藻细胞增殖的抑制效果更好，两种陆生入侵植物(一年蓬、加拿大一枝黄花)对藻细胞光合活性抑制效果显著。