2021年第9期 广 东 化 工 第48卷总第443期 · 29·
高CO 2和Cd 2+
刘春香*，李文胜，管宇航，许云飞，王计超
(淮北师范大学生命科学学院，安徽淮北235000)
[摘 要]为探讨气候变化和重金属污染对巢湖蓝藻水华爆发的影响，本文开展高CO 2和Cd 2+与铜绿微囊藻叶绿素a 含量(Chl a )及荧光特性关系的研究，培养周期为15天。研究结果表明：高CO 2和Cd 2+相互作用明显降低铜绿微囊藻Chl a 含量；培养至15天时，高浓度Cd 2+(≥0.4 mg·L -1)显著抑制该藻的原初光能转化效率(F v /F m )和PSII 潜在活性(F v /F 0)，因而其电子传递受阻。 [关键词]CO 2；Cd 2+离子；铜绿微囊藻；叶绿素含量；荧光特性 [中图分类号]TQ [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2021)09-0029-03
Effects of elevated CO 2and Cd 2+on Chlorophyll contents and Fluorescence Characteristics of Microcystis Aeruginosa
Liu Chunxiang *, Li Wensheng, Guan Yuhang, Xu Yunfei, Wang Jichao (Huaibei Normal University College of Life Sciences, Huaibei 235000, China)
Abstract:Algal blooms of the lake always were influenced by climate changes and heavy metal pollution in water. The study was implemented to investigate effects of elevated CO 2and Cd 2+on chlorophyll a content (Chl a ) and fluorescence characteristics of Microcystis aeruginosa collected from Chaohu lake. The microalgae were cultured for 15 days at experimental-controlled conditions. The results showed that Chl a content of M. aeruginosa were significantly reduced by the interaction of higher CO 2and Cd 2+. When cultured for 15 days, higher Cd 2+concentration (≥0.4 mg·L -1) significantly inhibited the primary photochemical efficiency (F v /F m ) and potential activity of PS II (F v
/F 0). As a result, the electron transport chains were blocked.
Keywords:CO 2；Cd 2+；Microcystis aeruginosa ；Chlorophyll a content ；Fluorescence characteristics
巢湖位于安徽省东部，流域内人类活动日益频繁和工业生活污水过度排放，使得湖水营养盐和有机质快速增加，水体富营养进程加快[1]。截至2018年巢湖全湖平均总磷、总氮浓度和水华蓝藻总量显著升高，湖区以微囊藻为优势水华蓝藻种类[2]。水华爆发是多种环境因素(如光照、温度、NP 营养盐、CO 2浓度等)相互作用的结果。其中，CO 2作为藻类光合作用的底物，对藻类生长和水华爆发均产生重要影响。随着森林面积锐减和过量化石燃料燃烧，大气中CO 2浓度迅速上升，预计到2100年大气中CO 2浓度将达到1000 μL·L -1[3]。高CO 2引起铜绿微囊藻生物量和叶绿素a 含量(Chl a )呈先升高后降低的变化趋势[4]。然而，高CO 2如何影响微藻光合能量流动进而调控其利用机制机制，这一CO 2(CCM )点还鲜有人报道。
重金属对水体环境的污染已经成为全球性环境问题。镉作为最典型的一种重金属污染物，对藻类光合作用这一基础代谢功能产生直接影响。这一影响可以通过测定微藻叶绿素荧光变化(JIP-测定法)，精准判断重金属对藻体的毒害作用。JIP-测定法是以生物膜能量流动为基础，真实反映PSII 、电子受体和供体侧的生理状态，准确记录光合电子传递链中质体醌库电子受体连续下降的过程和JIP 参数所包含的光合作用信息。然而，针对CO 2和Cd 2+浓度升高对铜绿微囊藻PSII 荧光动力学方面的报道还比较少。本实验以巢湖水华优势种类铜绿微囊藻为材料，设置不同的CO 2和Cd 2+浓度梯度，通过测定该藻的叶绿素含量及快速叶绿素荧光诱导曲线(OJIP 曲线)变化，分析其PSII 光合电子传递情况，从而揭示铜绿微囊藻在不同CO 2浓度下对重金属Cd 2+的光合响应机制，为进一步研究全球气候变化下藻类的重金属生物修复提供理论支持。
1 实验材料和方法一次性封条
1.1 藻种培养
图1 铜绿微囊藻细胞数量与其相应OD 值的线性关系Fig.1 The linear relationship between cell numbers and the
corresponding OD values of Microcystis aeruginosa 1.2 实验处理方法
将配置好的BG-11培养基和实验所需的三角烧瓶(250 mL)放入高压锅内120 ℃灭菌30 min 后，取出待培养基和三角烧瓶冷却。向每个三角瓶中倒入200 mL BG-11培养基，并接种1 mL OD 680值为0.11~0.12的藻液。然后分别向每个瓶中加入CdCl 2溶液，使得各培养体系中Cd 2+离子的最终浓度为0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 mg·L -1，以不加Cd 2+离子的空白组作为对照，每个处理设置3个重复。实验开展过程中使用两个光照培养箱(HP400GS-D ，内含CO 2浓度控制器)培养，其中一个通入空气(CO 2浓度控制约为400 μL·L -1)，另一个通入高浓度CO 2(浓度约为1000 μL·L -1)。铜绿微囊藻采自巢湖东湖，使用BG-11培养基在智能光照培养箱中静置培养，培养温度为25 ℃，光照条件为50 μmol photons m -2s -1，光照与黑暗时间比为12 h ︰12 h 。在培养过程中，分别测定铜绿微囊藻细胞数量(Cell numbers)与其对应的OD 值，连续测定6天，得出其细胞数量与OD 值之间的线性关系(y=307.63x-6.75，R 2=96 %，如图1所示)。选取OD 值为0.11~0.12之间(通常此时处于对数生长期)的
藻种进行接种培养。其中实验所用BG-11培养基购自青岛海博生物有限公司。
待通气稳定后，向两个培养箱中分别放入对照组和处理组藻液进行培养，培养周期为15天。实验开始后第0、5、10和15天分别取藻液测定其叶绿素a 含量(Chl a )、原初光能转化效率(F v /F m )、快速光响应曲线(RLCs)和OJIP 曲线。1.3 Chl a 含量、F v /F m 和RLCs 曲线测定
采用浮游植物荧光仪(Photo-PAM)测定藻液第0、5、10和15天的Chl a 含量、F v /F m 值和RLCs 曲线变化，并对最大电子传递速率(ETR m )和光化学效率(α)及半饱和光强(I k )进行拟合。
[收稿日期] 2021-03-08
[基金项目] 安徽省自然科学基金(1808085MC81)，国家自然科学基金(41706136)，安徽省高校自然科学基金(KJ2017A384)[作者简介] 刘春香(1982-)，女，山东济宁人，博士，从事藻类生理生态研究。*为通讯作者。
广东化工2021年第9期· 30· 第48卷总第443期1.4 OJIP曲线测定
使用AquaPen手持式藻类荧光测量仪测定藻液第0、5、10
和15天的叶绿素荧光参数。最大饱和脉冲设为3000 μmol photos
m-2s-1，测定前将藻液暗适应10 min，测定的叶绿素荧光参数包括
初始荧光(F0)、还原态反应中心所占比率(V J)、PSII潜在活性
(F v/F0)、光能转化效率(ψP0)、电子传递到QA-下游电子受体的概率
(ψ0)和反应中心吸收的光能用于电子传递的量子产额(ψE0)。
1.5 数据分析方法
实验所得数据使用SPSS 23.0计算统计，采用one-way
ANOVA进行方差分析。
2 实验结果
2.1 CO2浓度和Cd2+离子升高对铜绿微囊藻Chl a含量影响
不同CO2浓度和Cd2+离子对铜绿微囊藻的影响如图2所示。
当Cd2+＜0.5 mg·g-1时，随着培养时间增加，铜绿微囊藻的Chl a
含量大致呈现逐渐增长的趋势(p＜0.05)；当Cd2+=0.5 mg·g-1时，该藻Chl a含量在各处理间变化不显著。在CO2浓度升高条件下，当培养至5~15天时，铜绿微囊藻的Chl a含量随Cd2+离子浓度升高而明显降低(p＜0.05)。
图2 不同CO2浓度和Cd2+离子对铜绿微囊藻Chl a含量影响Fig.2 Effects of different CO2levels and Cd2+on Chl a content of磁卡读卡器
Microcystis aeruginosa
2.2 CO2浓度和Cd2+离子升高对铜绿微囊藻RLCs曲线参数和
F v/F m值的影响
表1 铜绿微囊藻快速光曲线参数(ERT m、α、I k)和F v/F m关于CO2浓度(C)、培养时间(D)和Cd2+浓度(Cd)方差分析的结果Tab.1 ANOVA results for experiment with Microcystis aeruginosa being exposed to combined conditions of CO2levels (C), culture time (D) and Cd2+(Cd) on parameters of RLCs curves (ERT m, α, I k) and F v/F m values
df
ETR m a I k F v/F m
MS F P MS F P MS F P MS F P
C11406.88 1.210.270.01170.910.006156.760.530.479.900E-50.030.87 D379182.1268.030.000.007.330.00667152.2057.260.000.42109.910.00 Cd511458.459.840.000.02196.310.0045336.63 3.890.000.0512.780.00 C×D325603.7122.000.000.0041.490.0041848.90 3.590.020.01 3.250.03 C×Cd58445.637.260.000.0187.460.008577.410.740.600.02 4.240.00 D×Cd157158.98 6.150.000.0050.470.0044737.85 3.840.000.02 4.110.00 C×D×Cd155264.83 4.520.000.0027.470.0010340.290.890.580.00 3.900.00
CO2浓度和Cd2+离子升高对铜绿微囊藻RLCs曲线参数和
F v/F m值的影响如图3所示。该藻的RLCs曲线通过方程拟合得出
ETR m、α和I k值。由方差分析结果可知，CO2浓度(C)、Cd2+离子
(Cd)和/或培养天数(D)的耦合作用对铜绿微囊藻ETR m、α、F v/F m
和I k值都有显著影响(表1)。当Cd2+≤0.3 mg g-1且培养至5~10天
时，铜绿微囊藻的ETR m(图3a)、α(图3b)和I k值(图3d)均高于对
照组；当Cd2+＞0.3 mg g-1时，该藻的ETR m值未表现出规律性变
化，其α值因CO2浓度升高和培养天数延长而降低。与前者不同，
相较于对照组，各处理组铜绿微囊藻的值随培养时间延长
F v/F m
而显著降低(图3c，p＜0.05)。
2.3 CO2浓度和Cd2+离子升高对铜绿微囊藻OJIP曲线参数的影响
CO2浓度和Cd2+离子升高对铜绿微囊藻OJIP曲线参数(F0、
V J、F v/F0、ψP0、ψ0、ψE0)的影响如图4所示。由方差分析结果可
得，CO2浓度(C)、Cd2+离子(Cd)和/或培养天数(D)的耦合作用对铜
绿微囊藻F0、V J、F v/F0、ψP0、ψ0和ψE0表现出显著效应(表2)。
木材烘干炉当Cd2+离子浓度不超过0.3 mg·g-1时，与对照组相比，铜绿微囊
藻F0值随培养时间增加而增大(图4a)；当Cd2+≥0.4 mg·g-1且CO2
浓度升高时，该藻F0和V J值(图4b)略低于正常CO2浓度下培养的微藻测量值。与低CO2浓度培养的铜绿微囊藻相比，当培养至15天时，CO2浓度升高能够明显降低该藻的F v/F0(图4c)和ψP0值(图4d)。与前者不同，高CO2浓度、Cd2+离子以及培养天数对铜绿微囊藻ψ0(图4e)和ψE0(图4f)值未表现出明显作用。
图3 不同CO2浓度和Cd2+离子
对铜绿微囊藻RLCs曲线参数和F v/F m值影响
Fig.3 Effects of different CO2levels and Cd2+on parameters of RLCs curves and F v/F m in Microcystis aeruginosa
表2 铜绿微囊藻叶绿素荧光参数(F0、V J、F v/F0、ψP0、ψ0、ψE0)关于CO2浓度(C)、培养时间(D)和Cd2+浓度(Cd)方差分析的结果Tab.2 ANOVA results for experiment with Microcystis aeruginosa being exposed to combined conditions of CO2levels (C), culture time (D) and Cd2+(Cd) on chlorophyll fluorescence parameters (F0, V J, F v/F0, ψP0, ψ0, ψE0).
df
模胚F0V J F v/F0ψP0ψ0ψE0
M S F P M S F P M S F P M S F P M S F P M S F P
C12844.44 1.740.190.038.910.000.07 6.830.010.0211.050.000.03 2.460.120.000.220.64 D3*******.76709.040.000.0924.640.000.3029.740.000.0428.670.000.2119.680.000.01 4.820.00 Cd5762646.55466.380.000.037.720.000.1413.470.000.017.490.000.03 2.690.030.01 3.060.01 C×D311929.137.300.000.01 1.670.180.06 6.290.000.01 4.700.000.010.860.460.00 1.630.19 C×Cd513041.917.980.000.01 3.750.000.03 3.110.010.01 4.240.000.010.920.480.00 1.910.10 D×Cd15313305.05191.600.000.01 2.540.000.04 3.450.000.01 3.080.000.010.660.820.00 1.790.05 C×D×Cd156192.93 3.790.000.00 1.390.170.02 2.410.000.00 2.290.010.000.360.990.00 1.130.34
2021年第9期广东化工
第48卷总第443期 · 31· 3 讨论可能由于培养初期铜绿微囊藻的Chl a含量较高，才可以维持较高
四甲基环丁烷
的电子传递速率。F v/F m、F v/F0和V J分别表示植物PSII的原初光
能转化效率、潜在活性和有活性的反应中心的关闭程度。在Cd2+
浓度为0.4和0.5 mg·L-1时，培养至15天的铜绿微囊藻其F v/F m
和F v/F0均表现出明显降低，虽然此时电子传递过程中还原态QA-
所占比例较低(与低浓度Cd2+所占QA-比例相较，Cd2+=0-0.3 mg
L-1)。这一结果表明铜绿微囊藻较长时间生长于高浓度含Cd2+水体
中，其PSII反应中心可能受到损坏而抑制原初电子受体和次生受
图4 不同CO2和Cd2+浓度对铜绿微囊藻叶绿素荧光参数影响Fig.4 Effects of different CO2levels and Cd2+on chlorophyll fluorescence parameters of Microcystis aeruginosa 本文通过研究CO2浓度升高与重金属Cd2+离子的耦合效应对铜绿微囊藻的光合生理影响，对前人报道有关单一重金属离子对体之间电荷传递[6]。
4 结论
睡眠袜(1)高浓度CO2和Cd2+离子能够阻碍铜绿微囊藻Chl a的合成。
(2)当培养至15天，高浓度Cd2+(≥0.4 mg·L-1)能够抑制铜绿微囊藻的原初光能转化效率，降低其潜在活性。
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微藻的效应进行补充。本研究结果表明，CO2和Cd2+离子浓度升高相互作用对铜绿微囊藻的Chl a合成有明显抑制作用，可能的原因为高CO2浓度胁迫引起微藻某些细胞结构损坏，进而引起该藻的相关光合酶活性失调。加之高浓度Cd2+离子很可能取代微藻叶绿体蛋白上Fe、Mg等离子的位置，与其上
的巯基结合进而影响了叶绿素酶活性，最终导致微藻的叶绿素合成受阻[5]。
叶绿素荧光能够精确地反映植物光合作用电子传递情况。F0代表植物光合作用初始荧光，当Cd2+浓度位于0~0.3 mg·L-1范围内，铜绿微囊藻的F0值随着培养天数增加逐渐增大，这一结果表明铜绿微囊藻从捕光素到反应中心素的能量传递逐渐减少，性的影响．广东化工，2020，47(10)：9-10，36．
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