环境因子对海洋藻类酶活性的影响及其应用

2022-04-06初润

中国科技纵横 2022年21期

初润

（大连理工大学生物工程学院，辽宁大连 116024）

0.引言

作为海洋及地球最大的初级生产者，海洋藻类为海洋及地球提供极大的能量，可在较大程度上对海洋及地球环境进行改善[1-2]。近年来，随着科学家对海洋藻类不断深入研究发现，其存在独特的生物功能性物质，不仅能够对海洋环境起到有效的修复作用，同时通过加工后会为人类提供蛋白质与良好的保健作用[3-4]。同其他生物一般，海洋藻类也需要不断进行新陈代谢，通过研究发现，其新陈代谢主要由诸多酶的催化下进行作用，因此酶的活性对于藻类的生长发育产生直接影响[5]；同时通过进一步研究发现，环境因子的变化又会在一定程度上影响酶的活性，从而对藻类的生长发育产生影响[6]。对此本文将分析环境因子对海洋藻类酶活性的影响及其应用。

1.物理因素对海洋藻类酶活性产生的影响

1.1 光照

光照的强度、质量、周期均对藻类酶的活性变化产生影响。在胡忻等人的研究中，作者进行了光对高盒形藻硝酸还原酶（NR）的影响实验，通过结果可知，光对NR活性的诱导存在昼夜节律情况。依据国外学者Ramalho等人的研究可知，甲藻NR活性的昼夜变化能够与酶蛋白含量的昼夜变化保持平行，并且仅在硝酸盐参与时，光信号才能够对NR蛋白合成过程进行诱导，然而在黑暗中NR蛋白则又会发生降解现象。NR活性会随着光照时间的延长而变强，在某一小范围内NR会产生最大的活性。光可对大型海藻及某些微藻对NO3-的吸收形成刺激，依据相关的研究显示，虽然部分藻类在未接受光照的情况下也能够吸收NO3-，但仅限于巨藻。光周期也会对海藻吸收NO3-产生影响，分析原因在于NR的合成与活性此种显著的昼夜节律[7]。依据国内相关学者的研究可知，α-半乳糖苷酶具有显著的活性日变化现象，在光照开始的3 h内，酶活性并未表现出显著的变化，甚至还呈现出下降的特点，之后随着光照时间的不断延长，其活性会显著的提升；在光照6h时，酶活性达到峰值，之后开始缓慢降低；在未接受光照情况下，酶的活性始终保持于较低水平，并缓慢下降，通过上述学者的结果表明，相比于非光照情况，光周期内的酶活性明显高，峰值约为骨质的3.6倍。在光照情况下，红藻糖苷的合成速度会加快，且其代谢酶α-半乳糖苷酶与磷酸化酶的活性也会显著提升；然而在非光照情况下，红藻糖苷的合成、降解与总体含量明显较低，代谢酶的活性也会在较大程度上降低。

1.2 温度

温度会在较大程度上影响NO3-的释放，也会影响NR与三磷酸腺苷（ATP）含量，成为对蛋白、碳水化合物与碳进行调节的主要因子，通过实验表明，随着温度的升高，蛋白、碳水化合物与碳的含量会显著降低，反之则升高。温度是影响海藻NR活性的重要因素，也是对大型海藻营养吸收进行控制的重要因子，温度对不同离子吸收会产生不同的影响，当温度下降时，会降低长海带对NO3-的吸收率，但却不会对一种墨角藻对NO3-的吸收率产生明显的影响，分析原因在于上述两种海藻最适的NR活性存在不同的温度范围[8]。

在海洋当中，如果藻类的品种不同，那么它们也会存在着不同的临界温度，同时体内的活性酶其实也存在着不同的适应温度。根据国内相关学者的研究结果便可以得知[9]，过氧化氢酶的温度一般来说会保持在10℃～15℃左右，个别需要控制在5℃～20℃左右，在55℃的时候进行5min的加热，在这个时候活性就会减半，在60℃～65℃左右的温度下进行15min的加热，那么活性就会完全丧失。根据国内相关学者的研究可以得知[10]，通过针对于螺旋藻的过氧化氢酶进行相关的研究可以发现，当到达了某个温度的时候，螺旋藻的过氧化氢酶就会表现出非常高的活性，而且不同的螺旋藻的过氧化氢酶活性也完全不同，并且也能够表现出非常大的温度性差异。

可以发现光照包括温度针对于海洋当中的藻类的生长率以及营养的吸收都会产生一定的影响，相较于营养吸收率来说，其实生长率针对于光照的反应是更加明显的，分析其原因可能在于藻类当中的酶类活性物很容易就会受到光照的影响。在冬季中由于光照跟温度条件都是比较低的，所以说，在很大程度上会限制藻类的生长以及酶的反应速率。但是，在这个时候藻类的体内色素，包括酶的浓度都会出现补偿性增加的特点，所以，这也是海藻适应季节性的一个显著特征。

2.化学因素对海洋藻类酶活性产生的影响

2.1 盐度

经过研究之后可以发现，对于海洋当中藻类酶的活性来说，盐度的变化也会对其产生一定的影响。根据国内相关学者的研究可以发现有学者在进行实验的过程当中，选择把龙须菜放在盐度不同的营养液当中对其进行培养，并且观察龙须菜矿半乳糖苷酶的具体活性。经过观察之后，发现在进行了3d培养之后，龙须菜的3个品系表现的酶活性变化是非常相近的，也就是说相较于高盐度来说，在低盐度当中酶活性会更加的高一些。依据国外相关学者的研究报道内容可知[11]，高盐度会在较大程度上提升红藻糖苷的含量。酶活性变化也对红藻糖苷的渗透调节作用进行了间接反映，当外部为低盐渗透压力时，α-半乳糖苷会产生较高的酶活性，而红藻糖苷会在较大程度上被降解；当外部为高盐渗透压时，α-半乳糖苷的酶活性则会降低，红藻糖苷则不会在较大程度上被降解。

2.2 氮浓度

氮浓度的不同也会对α-半乳糖苷酶活性产生不同的影响。依据孙雪[12]等人的研究可知，作者使用不同浓度的营养盐浓度分别对龙须菜α-半乳糖苷酶活性进行测试，通过结果可知，培养基氮浓度的不同变化会对α-半乳糖苷酶活性产生较为复杂的影响。随着氨浓度的不断提升，α-半乳糖苷酶的活性会表现出先上升后下降再升高的特点。若未在培养基中添加氮源，则α-半乳糖苷酶活性低于氮浓度是1N时的酶活性，分析原因在于可能氮的缺乏对α-半乳糖苷酶蛋白的合成形成了限制。依据国外学者的研究发现，海水中氮含量对红藻糖苷的影响时认为，氮的加入直接对UDP-D-半乳糖与磷酸甘油形成刺激，使得红藻糖苷的含量在较大程度上提升。在曹特等人的研究中，作者探讨分析不同浓度的碳酸铵与硝酸钾对藻类的超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）的活力进行实验，作者分别采取4种浓度的碳酸铵及5种浓度的硝酸钾对金鱼藻实施急性处理，分别于5h～48h内测定植株SOD、CAT、POD、APx的活力，通过结果可知，使用铵盐处理后，在SOD、CAT、POD、APx酶中，CAT产生最大的活性变化情况，在5h～15h时，CAT活性会随着处理浓度升高而提升；使用硝酸盐处理后，SOD、APX、CAT活性在24h时表现出显著的提升，SOD与CAT活性产生最大的活性变化情况，在硝酸盐的浓度较低时，SOD与CAT的活性会显著提升，然而在硝酸盐的浓度较高时，SOD与CAT的活性会显著下降。使用铵盐与硝酸盐进行处理后，APX活性均最低，CAT变化规律与其一致。

2.3 镉浓度

在杨艳华[13]等人的研究中，作者观察了不同浓度镉对黑藻叶光化学与NR特性的影响情况，通过结果可知，黑藻叶片的叶绿素含量、叶绿素a与b比值的活性会随着Cd2+浓度的增加而下降；而其叶绿体ATP的含量、NR的活性则表现出先上升而后下降特点，对结果进行总结发现，相关监测人员可按照黑藻叶光化学与NR特性的变化对镉的污染程度进行监测判断。

2.4 pH

依据国外相关学者的研究可知[14]，作者对pH关于中肋骨条藻NO3-吸收、积累及其化学组成的影响进行了详细分析研究，通过结果可知，pH对NO-的吸收及胞内NO-33库均会产生影响，当pH值为8.5时，影响度最高，当pH值为9.0时，影响度会在较大程度上降低；而细胞内的Chl-a、蛋白质、RNA、DNA则不会受到影响。在其他国外学者的研究中，作者对高pH值对细基江蓠生长、营养盐吸收的影响进行了深入的研究，通过结果可知，当pH值为9～10，不会对细基江蓠生长、营养盐吸收产生不良影响，并向相比于NO3-，在介质中添加NH4+时会导致pH值产生更大的波动，介质的pH值会随着光合作用的进行而升高，对NH4+的吸收可有效地减慢介质pH值的升高速度，分析原因在于当细胞吸收一个NH4+的同时会排出一个H，以保证膜内外保持平衡状态的离子浓度与电位；然而若吸收一个NO3-，便需要消耗一个H+，则会提升pH值。在栗淑嫒等人的研究中，作者对螺旋藻CAT进行了研究，虽然不同来源的螺旋藻的CAT存在不同的最大活性，然而若pH为10下，则CAT的活性最高。

3.生物因素对海洋藻类酶活性产生的影响

藻类不同部位的NR活性也存在较大的差异。依据国内相关学者的研究可知，作者对海带NR活性进行研究，通过结果可知，NR活性与水深存在密切关联，在垂直苗绳的上下端，通过比较可知，上端酶的活性明显较高，分析原因可能与上端光照充足存在密切关联，NO3-在受到NR的催化后会形成NO2-，在此过程中需将NADPH作为还原剂，然而由于未获得足够的光照，无法获得较多的光合产物，从而使得NADPHso明显较低，导致下端的酶的活性较低。因此，在海带养殖时需要对苗绳的深度进行适当调整，以便能够获得更多的光照，提升光合速率与氮代谢水平，最终能够在较大程度上提升海带的质量。根据不同的试验结果显示，无论是海带还是裙带菜，在幼苗期还是成熟期，其叶片尖端酶均具有较高的活性，原因可能与烂尖存在密切关联。当藻体发生病烂情况后，细胞结构会出现解体情况，NR外溢，使得酶与底物进行充分的接触，加快反应速度。

4.海藻酶活性研究的应用前景

4.1 可作为环境治理的酶

当我们选择使用酶来进行环境治理的时候，主要可以分为几种类型：（1）使用酶来针对于食品当中的工业废水进行集中的处理，例如，我们可以使用糖化酶以及蛋白酶等；（2）使用酶针对于造纸行业所产生的废水进行处理，包括纤维素酶等；（3）针对于芳香族化合物进行处理，主要包括酪氨酸酶以及萘双氧合酶等；（4）使用酶针对于氰化物进行处理，主要包括氰化酶以及氰化物水合酶；（5）使用酶针对于有机磷农药进行集中的处理，主要包括硫磷水解酶等；（6）使用酶针对于重金属进行处理，包含磷酸酶、贡还原酶等。

4.2 应用于分子生物学与医学领域

酶是一种蛋白质，其利用空间明显较大。对于江蓠藻体而言，其具有较高的藻红蛋白含量，是一类寡聚蛋白，会对癌细胞起到良好的光动力杀伤效果，并且能够对病理抗原进行检测，同时还具有类胰岛素活性；藻蓝蛋白也是一种寡聚蛋白，能够发挥良好的抑制癌细胞、提升免疫系统应答能力、提高造血功能的效果，因而具有较高的医用价值。