滨海湿地植物对赤潮藻的化感效应研究进展

李元跃，熊章静，谭凤仪，李宏发，徐景亮，李凤兰，胡柳柳，郎 涛

（1.集美大学水产学院/福建省海洋渔业资源与生态环境重点实验室，福建厦门 361021；2.广东内伶仃福田国家级自然保护区管理局大湾区红树林湿地研发中心，广东深圳 518040；3.香港都会大学 科技学院，香港 999077；4.广东内伶仃福田国家级自然保护区管理局，广东深圳 518040；5.深圳大学生命与海洋科学学院，广东深圳 518071）

赤潮是全球频发的海洋自然灾害，国内对赤潮最早的文献记录来自原浙江水产实验场费鸿年教授于1952年在《学艺》上发表记述的黄河口夜光藻赤潮，随后赤潮便逐渐引起了国家政府与科研学者的广泛关注[1-2]。随着现代化工农业生产的迅猛发展，沿海地区人口的骤增，大量工农业废水与生活污水肆意过量排放，导致沿海地区营养物质的输入量增加，进而为某些赤潮藻的爆发创造了更为有利的营养环境[3-4]。此外，航海运输业的快速发展会引起压舱水中携带外来有害赤潮藻种的概率增加，最终导致赤潮的爆发频率剧增[5]。目前常用的治理赤潮措施主要包括物理[6-7]、化学[8]与生物方法[9]3种。物理与化学方法治理赤潮能耗较高，且会造成二次污染；生物方法对非目标生物体的影响程度低甚至没有影响，且产物在环境中易被降解，故生物方法目前已成为控制赤潮潜在的最佳解决方案[10]。

滨海湿地是海陆交错区最敏感的区域，栖息繁衍于其中的滨海湿地植物是滨海湿地生态系统的重要组成部分，包括红树林、盐沼群落与海草床等。滨海湿地植物在滨海地区物质循环、能量流动、维持滨海湿地生态功能等方面有着极其重要的作用[11]。因此，本研究通过对现有滨海湿地植物与赤潮藻化感作用相关文献的综合阅读分析，旨在总结出湿地植物对赤潮藻的化感作用规律，以期为未来探索开发一套具有生态友好、成本低廉与方便高效等特点的预防与治理赤潮的手段提供重要的理论依据。

1 赤潮与赤潮藻

赤潮是指特定环境条件下海洋水体中微型浮游生物大量增殖引发水体变色的现象[3,12]。赤潮的爆发与赤潮藻本身以及海水富营养化、温度、盐度、水文气象等环境因子密切相关[13]。

赤潮藻是引起海水赤潮爆发的原因藻，形成赤潮的原因藻有很多种[14]。海洋中有3 365～4 024 种浮游藻类，赤潮原因藻约占6%，有184～267种，其中有毒藻种约占2%，有60～78种[15]。甲藻(Dinoflagellates)是最主要的赤潮原因种，也是有毒赤潮藻中记录较多的藻种[16]。

2 现有的赤潮预防与治理方法

预防是治理赤潮频发第一要素。海水富营养化是导致赤潮爆发的物质基础，所以预防赤潮爆发的最根本方法是减少污染物(即藻类营养源)向海域排放。然而当前的实际情况却不容乐观，世界各地因经济发展向沿海水域排放大量工农业污水、过度使用农业化肥，并不可持续地使用化石燃料，导致海域输入营养成分(尤其是含氮磷化合物)大量增加[13,17]。控制污水排放可有效防止某些赤潮爆发。鉴于此，许多国家目前也正在实施减少排污的战略规划来预防赤潮的爆发[18]。另一方面，治理是指在爆发过程中人为抑制或消灭赤潮而采取的措施。常用的治理赤潮方法分为物理、化学与生物方法。物理方法包括紫外线照射[19]、黏土絮凝法[20]、超声处理[21]与膜过滤[22]等。化学方法一般指用化学试剂杀死赤潮藻，包括使用有机杀生剂[23]、除草剂[8]与金属[24]等化学试剂。然而，由于海水范围大稀释扩散较快，化学试剂难以达到杀藻有效浓度，而且试剂的残留容易在自然环境中积累而对非目标生物造成毒性[25]。因此寻找更安全有效的生物治理方法显得尤为重要。

3 化感作用

生物防治赤潮主要是通过植物间化感作用来实现，目前其已成为生态学的研究热点之一。自然界中，生态系统的调控离不开相互促进与相互抑制的协调过程，而生态系统的化学调控是指生物体通过产生生物活性物质在生物体间传递信息并导致生物体间的相互作用[9]。化感作用的发现，可能暗示了植物产生的化感活性物质可被用作潜在的藻生长抑制剂[26-27]。在淡水系统中，利用水生大型植物的化感活性物质来控制水华已有了深入的研究[28]。当前，相关研究人员已从多种水生植物中提取并鉴定出对淡水藻种起抑制作用的化感物质，包括多酚、脂肪酸、黄酮类、萜类与酯类等[29]。

4 滨海湿地植物对赤潮藻的化感作用的研究进展

4.1 潮间带有林湿地植物-红树林

红树林是生长在热带、亚热带海岸潮间带或河流入海口独特的湿地耐盐木本植物群落。红树林作为滨海湿地生态系统中最重要的木本植物，是全球生产力最高的生态系统之一[30-31]。红树植物常见种有红树科(Rhizophoraceae)的秋茄(Kandelia obovata)与木榄(Bruguiera gymnorrhiza)、紫金牛科(Myrsinaceae)的桐花树(Aegiceras corniculatum)、马鞭草科(Verbenaceae)的白骨壤(Avicennia marina)、海桑科(Sonneratiaceae)的海桑(Sonneratia caseolaris)与大戟科(Euphorbiaceae)的海漆(Excoecaria agallocha)等[32]。全世界红树植物有83种，我国有37种(其中真红树植物26种，半红树植物11种)[33]。红树林作为海湾河口生态系统中特有的以木本植物为主的植物群落，具有典型的“三高”特点：高生产力、高归还力与高分解率[32]。假设在原生境的红树林未被干扰的情况下，其碳储量远高于同纬度的森林，甚至高于热带雨林[34-35]。同时，红树林还具有防浪护堤减少风浪灾害[36]、促淤保滩与造陆[37]、净化大气与海洋环境[38]、提供生物栖息地与保护物种多样性[39]、天然养殖基地[40-41]、科普教育、提供科学研究生物资源与材料以及生态旅游等功能[42]。因此，红树林具有尤为重要的生态保护意义。

在滨海红树林湿地中有关赤潮爆发的事件极为罕见。近年来，红树林与赤潮藻的生长之间的关系也逐渐成为研究热点，然而到目前为止，红树林区极少发生赤潮的原因研究仍处于初步探索阶段。红树林区无赤潮爆发的原因可能是：（1）红树林自身具有强大的净化水质的生态功能[43]；（2）红树植物可能可以产生某种活性物质，进而可有效抑制赤潮藻的生长，最终达到消退赤潮的目的。

目前，红树植物对赤潮藻抑制作用方面已有部分探索性的研究，其活性物质对藻类化感作用的相关研究主要集中于叶片、根系分泌物以及凋落物的水浸提液与有机溶剂提取液等。2007年，李春强[44]首次发现红树植物正红树(Rhizophora apiculata)、海莲(Bruguiera sexangular)、角果木(Ceriops tagal)、老鼠簕(Acanthus ilicifolius)、卤蕨(Acrostichum aureurm)与海杧果(Cerbera manghas)制备的红树叶片干粉水浸提液、红树根系分泌物对中肋骨条藻(Skeletonema costatum)的生长均有明显的抑制作用，且红树叶片干粉的剂量越大，抑制作用越明显，抑制强弱顺序为：角果木＞正红树＞海莲＞海杧果＞卤蕨＞老鼠簕。此外，孙志伟[45]比较了5 种红树植物叶片水浸提液与新鲜组织水浸提液对球形棕囊藻(Phaeocystis globose)与赤潮异弯藻(Heterosigma akashiwo)生长的抑制作用，得出抑制强弱的顺序为海漆＞秋茄＞小花老鼠簕(Acanthus ebracteatus)＞木榄＞海杧果，且后续通过对水提取物的高温处理研究了抑藻活性物质的耐热性。随后，研究人员进一步探究了红树植物中抑藻活性物质的结构，如利用水与有机溶剂对秋茄、白骨壤与海桑等红树植物根系分泌物中不同的化感活性物质进行提取与鉴定，探讨它们对微小小环藻(Cyclotella caspia)(一种红树林湿地中占主导地位的硅藻类物种)生长的潜在抑制作用[46]。也有其他研究人员发现红树植物的叶龄会影响其化感作用，如ZHAO 等[47]发现木榄与秋茄的叶片干粉水浸提液对球形棕囊藻的生长抑制作用随着叶龄的增加而增强，即衰老叶＞成熟叶＞幼叶，试验组中藻细胞的超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性，谷胱甘肽(glutathione,GSH)与丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量也按照上述规律增加，同时，该研究还确定次生代谢产物(半萜化合物4，8，9，10与酚类糖苷化合物7)为抑藻的有效活性物质。红树植物桐花树中分离的有机酚酸之一没食子酸(gallic acid)对微小小环藻生长的半抑制浓度为15.46 mg·L-1，藻细胞中SOD 活性，MDA、可溶性碳水化合物与叶绿素a 的含量总体上呈现出低浓度促进与高浓度抑制的趋势[48]。学者们不断探究不同种的红树植物对新藻种的化感作用，以来揭示红树植物作为抑藻原材料的潜力。赵旻[49]采集秋茄与木榄的不同年龄的叶片制备水浸提液与乙醇浸提液探究对球形棕囊藻与米氏凯伦藻(Karenia mikimotoi)生长的抑制作用，亦得出与ZHAO 等[47]相似的结论，即抑制强弱与抗氧化能力影响效果为衰老叶＞成熟叶＞幼叶，并从秋茄与木榄叶片水浸提液中分离鉴定出抑藻活性物质主要为半萜苷类与酚苷类化合物。除了红树植物叶片浸提液与根系分泌物具有抑制赤潮藻生长的能力，其果实同样也被证明可抑制藻类的生长。海杧果的果实去皮干燥后除去果仁，磨碎成粉末制备的水浸提物对甲藻塔玛亚历山大藻(Alexandrium tamarense)、锥状斯氏藻(Scrippsiella trochoidea)与米氏凯伦藻的半抑制浓度分别为0.986，1.567，1.827 g·L-1，其原儿茶酸被证明是水提取液中最有可能起到抑制藻类生长作用的物质，且对藻细胞的光合作用产生负面影响[50](表1)。

表1 红树植物对赤潮藻抑制效应研究进展Table 1 Research progress on inhibition of mangrove plants to harmful algal bloom species

4.2 其他滨海盐沼湿地草本植物

滨海盐沼湿地是指海岸沿线受潮水周期性或间歇性浸淹，有盐生植物覆盖的咸水或淡咸水淤泥质滩涂。滨海盐沼湿地中主要生长的植物群落为米草群落、碱蓬群落与芦苇(矮生型)群落等。滨海盐沼湿地中的植物群落是地球上高生产力植被类型之一，有营养循环、净化水体、食物生产等众多的生态服务功能，具有极其重要的生态及经济价值[52-53]。

滨海盐沼湿地连接着陆地与海洋生态系统，滨海盐沼湿地草本植物是最重要的初级生产者之一。目前，国内外相关报道发现，米草类、大型绿藻石莼类与海草等滨海盐沼湿地草本植物可产生明显的化感抑藻作用。研究表明由日本长崎县海岸采集的裂片石莼(Ulva fasciata)与孔石莼(U.pertusa)的新鲜组织、干粉与甲醇提取物对赤潮异弯藻与塔玛亚历山大藻生长有较强的抑制作用，并通过从裂片石莼的甲醇提取物中鉴定分离出3 种杀藻化合物：十六碳四烯酸(HDTA)、八碳六烯酸(ODTA)与亚麻酸[54]。此外，另有试验还发现石莼类植物的甲醇提取物对藻类生长的抑制效果不同，如对海洋卡盾藻(Chattonella marina)与赤潮异弯藻的生长抑制效果最明显，对针胞藻(Fibrocapsa japonica)与米氏凯伦藻仅适度有效；然而，甲醇提取物对塔玛亚历山大藻的抑制效果最低[55]。通过石莼类植物对微藻抑制效果的明显差异更能有力证明石莼类植物可以被用于选择性地控制赤潮爆发。大米草(Spartina anglica)对赤潮异弯藻的化感效应的强弱表现为高浓度抑制其生长，低浓度则对其有一定的生长促进作用；然而，大米草对海洋原甲藻(Prorocentrum micans)的生长则表现出明显的抑制作用。研究人员进一步对大米草叶片提取物进行抑藻活性物质的分离纯化后分离鉴定出2个具有明显抑藻活性的黄酮糖苷类化合物：异鼠李素-3-O-槐二糖-7-O-鼠李糖苷与丁香亭-3-O-半乳糖苷[56]。另有研究人员从龙须菜(Gracilaria lemaneiformis)粉末中分离出两种对中肋骨条藻具有抑藻活性的化合物，并通过初步研究发现物种特异性等效抗藻活性的相关理论机制[57]。在排除细菌、营养物质与pH 的干扰下，TANG 等[58]通过石莼对7种常见赤潮藻的抑制作用试验发现石莼中含有热稳定的等效化学物质在抑制等效作用中起主要作用。龙须菜新鲜组织对锥状斯氏藻、海洋原甲藻、中肋骨条藻与杜氏盐藻(Dunaliella salina)有明显的抑制作用，且于有害藻类球形棕囊藻的大量繁殖期间发现原位瓶(1.0 L)与中观生态池(50 L与1 000 L)中也能观察到明显的抑制作用，一项大规模的实地调查发现在龙须菜栽培的地区，浮游植物丰度明显低于没有龙须菜的地区[59]。张崎[60]证实了互花米草(Spartina alterniflora)对中肋骨条藻存在化感作用，这主要是因为凋落物水浸提液改变了中肋骨条藻细胞活性，使得其叶绿素含量与SOD活性降低，而MDA含量升高，藻细胞的抗氧化系统遭到严重破坏。此外，张崎[60]还鉴定出互花米草水浸液中的化感物质主要为长链脂肪酸，主要有棕榈酸、油酸与邻苯二甲酸，且发现互花米草凋落物浸提液对中肋骨条藻生长的抑制作用随着浸提液质量浓度的增大而增强[61]。海菖蒲(Enhalus acodoides)的水浸提液对锥状斯氏藻、塔玛亚历山大藻、米氏凯伦藻与球形棕囊藻的抑制率分别达到95.34%、99.18%、94.4%与72.46%；而其乙醇浸提液对锥状斯氏藻、米氏凯伦藻与球形棕囊藻的抑制率则分别为78.55%、95.82%与77.72%；海菖蒲的正己烷浸提液只对锥状斯氏藻具有显著抑制作用，抑制率为58.28%[62]。XU 等[63]发现在高浓度的互花米草叶片提取物中球形棕囊藻与东海原甲藻(Prorocentrum donghaiens)的生长被明显抑制，并通过鉴定得出互花米草叶片提取物中的化学物质主要为类黄酮。此外，XU等[64]还得出互花米草对海洋卡盾藻的抑制作用比对锥状斯氏藻与塔玛亚历山大藻的抑制作用更强，其在抑制藻类生长的过程中，造成藻类细胞生物量的合成代谢与分解代谢被破坏、细胞代谢物在压力下也会发生变化的相关结论[64]。并且在抑制生长的过程中藻细胞的光合作用也会遭到破坏[65]。异枝江蓠(Gracilaria bailiniae)新鲜组织与干粉水提物对小新月菱形藻(Nitzschia closterium)第4 天的半抑制浓度分别为0.667×10-3g·mL-1与3.889×10-3g·mL-1并造成其细胞形态发生严重萎缩与内细胞结构解体；异枝江蓠植物细胞中羟乙基磺酸物质的抑制作用最强，这主要是由于羟乙基磺酸物质在对小新月菱形藻生长的抑制过程中破坏了其光合作用中电子的传输[66]。室内控制条件下将干燥处理后的细基江蓠(Gracilaria tenuistipitata)与海洋原甲藻共同培养，结果发现细基江蓠同样也具有潜在的杀藻作用，理论上可用于防治海洋原甲藻引起的赤潮[67](表2)。

表2 其他滨海盐沼湿地草本植物对赤潮藻抑制效应研究进展Table 2 Research progress on inhibition of other coastal salt marsh wetland herbs to harmful algal bloom species

4.3 滨海湿地植物对赤潮藻的化感抑制机制

在有关植物化学物质对赤潮藻化感抑制作用机理研究中，探讨不同的酶活系统的响应机制是重要的研究方向之一。相关研究发现，化感物质主要通过改变藻细胞的抗氧化能力、破坏细胞膜结构与光合作用进而抑制其生长，即主要的化感作用抑制机理[68]。

由于酶不同的化学特性，酶功能在生物体生理生化反应中作用突出，化感物质在提高某些酶活性的同时又可抑制其他酶的活性[69]。在平息状态下，藻的胞内活性氧(ROS)的消除处于动态平衡状态，然而，化感物质出现后，其感受并产生应激响应，即胞内ROS 大量产生；藻细胞一旦超过抗氧化能力阈值，其生物活性就会受到严重影响，最终生长受到明显抑制[70]。有研究表明，在红树植物秋茄与木榄叶片粉末制备的水浸提液的作用下，藻类细胞中SOD、MDA、可溶性碳水化合物与叶绿素a 的含量总体上呈现低促进高抑制的趋势[48-49]。此外，化感物质使得赤潮藻的细胞膜通透性发生改变，MDA 含量升高造成抗氧化酶系统的氧化损伤，进而导致细胞死亡[47]。细胞膜是细胞内外部环境进行物质与能量交换的重要通道。细胞膜受损后不仅会引起细胞内各个细胞器受到损害，且因其通透性变化后引发细胞内外物质可任意进出细胞，进一步加速了细胞的死亡。没食子酸属于酚酸类，对细胞形态的影响主要表现为诱导细胞伸长，淀粉粒、油滴与叶绿体等细胞内含物缺失[48]。另有研究表明，互花米草与异枝江蓠的提取物能破坏赤潮藻细胞的完整性与其光合作用过程[64,66]。海杧果中含有的原儿茶酸可能通过阻碍电子的还原与破坏PSII中的电子转移进而对锥状斯氏藻的光合作用产生负面影响[50]。

5 总结与展望

目前，研究人员已发现多种滨海湿地植物对特定的赤潮藻有显著抑制作用，同时，也已分离并鉴定出多种对赤潮藻有抑制作用的潜在活性物质。但对于化感抑制机理的深入研究还需多学科交叉进行进一步的理论支撑。总之，滨海湿地植物作为赤潮生物治理方法的生物原材料，其待开发的潜力巨大。未来，希望相关研究人员能具体分离并鉴定出最有效的抑制赤潮爆发的植物活性物质，进一步深入挖掘植物抑藻作用的机制，为预防与控制赤潮藻的爆发提供重要的信息，试图寻找可有效抑制赤潮藻爆发的生物治理手段。