藻类对重金属胁迫的生理响应与解毒机制

2 研究现状
2.1 海藻对重金属的富集机理
• 藻类对重金属的吸收包括胞外的快速吸附与胞内的缓慢富集两个 阶段[17]。 • 第一阶段是重金属被吸附到藻细胞表面。在多数情况下，约80％ —90％的重金属被吸附到藻细胞表面[18-20]，藻类细胞壁含有一 些功能基团如羟基、羧基、氨基、巯基和磷酸根等[21-22]，因而 细胞壁带负电荷，通过离子交换或其它机制可以与水中的重金属 离子结合。
集[38]也与多磷酸体有关。
2.6 脯氨酸在藻类抗重金属胁迫中的作用
• 在逆境条件下，生物体会积累脯氨酸，重金属胁迫能引起藻类积 累脯氨酸。
• Wu等[39]用Cu和Cd处理2种绿藻、1种硅藻和1种蓝藻，结果显示：
耐性种类比敏感种类积累更多脯氨酸，补充外源脯氨酸能明显降 低Cu对蓝藻Anacystis nidulans的损伤。 • 脯氨酸可减少胞内钾离子泄漏，胞内脯氨酸积累可能与防御渗透 改变的保护机制有关。
应用，提高修复效率。
3.2 加强分子生物学与环境科学领域的交叉研究
• 利用转基因工程培育、开发修复效率高、运行费用低的新型藻类。 • 如：Surasak等（2002）发现，转基因衣藻对Cd的耐受力和吸附核辐射 能力多大大增强。 • 如：针对Hg的污染及其毒性，可运用分了生物学技术将细菌体内对汞 的抗性基因(汞还原酶基因)转到藻类中，进行汞污染的藻类富集与提 取。 • 也可通过诱变育种等技术来改良遗传特性，以提高藻类对污染物的耐 性、富集能力或提高超富集藻类的生长速度或生物量。 • 分离对重金属敏感的突变株，鉴定、克隆相关基因，或通过转基因技 术获得重金属耐性株，将有助于揭示藻类重金属耐性和解毒机制。
细胞减少胁迫造成的损伤。CAT对Cd2+离子敏感，其活性与胁迫
浓度呈负相关。 罗通等(2005)的研究结果表明，随重金属胁迫剂量的加大 ，轮藻叶绿素含量、CAT、POD及SOD活性、可溶性蛋白含量呈倒 “Ⅳ”形规律变化，即降一升一降的变化。
• 杨艳华等（2002）研究了不同浓度Cd2+对黑藻(Hydrilla verticilla)叶光化学及硝酸还原酶特性的影响，结果表明：随 着Cd2+浓度的增加，黑藻叶片的叶绿素含量、叶绿素a和b比 值、PSI、PSⅡ及全电子链的活性皆呈现下降的曲势； 而其叶绿体ATP的含量、硝酸还原酶的活性、类囊体膜的
多肽，结构式为(γ -Glu-Cys)n-Gly，其中n=2-11(
通常为2-5)。PCs有许多结构变体。PCs广泛分布于 单子叶植物、双子叶植物、藻类及真菌中[23]。
2.4.2 藻类植物络合素的功能
• 到目前为止，未有报道表明重金属能诱导原核藻类合成PCs； • 而Cd、Cu、Zn、Pb、Hg、Ni和Ag等能诱导真核藻类产生PCs。 • 离体实验结果表明，PCs可作为过氧化氢和超氧阴离子自由基的 清除剂，能减轻氧化胁迫[26]。
• Morelli等用排斥色谱(SEC)、原子吸收光谱(AAS)及高效液相色
谱(HPLC)研究海洋硅藻Phaeodactylum tricomutum的Cd-PCs复 合物，发现该藻中存在两类Cd-PCn复合物。
2.4.2 金属硫蛋白
• 金属硫蛋白(metallothioneins；MTs)是一类基因编码的低分 子量富含半胱氨酸的金属结合蛋白[29]，已在动物、植物和蓝 藻Synechococcus中发现[30]。 • MT能通过巯基与重金属离子结合，从而降低重金属的毒性。
• 多磷酸体(polyphosphate bodies；PPB)是正磷酸盐的聚合物， 含有大量K+ 、Na+ 、Ca2+、Mg2+等金属阳离子，它不仅具有储存
磷的功能，而且对重金属具有解毒作用。
• 在重金属胁迫条件下，多磷酸体的数量会增加[35]，提高磷浓度 可减轻重金属对藻类的毒害[36]。 • 应用x射线能谱分析表明，Pb在Diatoma tenue中的富集[37]以及 Cd、Cu、Co、Hg 、Ni、Pb和Zn在Plectonema boryanum中的富
• 第二阶段是重金属跨膜进入胞内富集的过程。
2.2
重金属对海藻的损伤
• 施国新等（2001）电镜观察发现，黑藻叶细胞遭受Cr6+毒害初 期，高尔基体消失，内质网膨胀后解体，叶绿体中的类囊体 和线粒体中的脊突膨胀，核中染色质凝集，随着叶细胞毒害 程度的加重，核仁消失、核膜破裂，叶绿体和线粒体解体，
质壁分离使胞间连丝拉断，最后细胞死亡。
• 最近的研究表明，颤藻Oscillatoria brevis利用重金属转运
体将过多的金属离子快速输出细胞作为第一道防线，利用金属 硫蛋白螯合重金属作为第二道防线，以缓冲并贮存过多的重金 属，从而提高对重金属的耐性[31]。
2.4.3 谷胱甘肽
• 谷胱甘肽(GSH)含有巯基，能与重金属直接结合，同时GSH又是 合成PCs的底物，亦是机体内重要的抗氧化物质。 • Noctor(1998)，重金属处理2h后，硅藻Phaeodactylum
两种离子处理后，POD 活性都表现出先明显上升后
下降的相同情况，但幅度不同；CAT 活性受两种离子的 影响存在明显不同。
• 李建宏等（2004）研究了一株高重金属抗性的椭圆小球藻在Cd2+ 胁迫下的生理变化。结果显示，在10-240umol/L浓度的Cd2+胁迫 下，随着金属离子浓度提高，叶绿素的总量减少，光合放氧受 到抑制。 Cd2+离子浓度的提高，导致了氧自由基的大大增加， 同时脯氨酸、SOD以及POD水平均大大提高。 提示，这些与消除自由基有关的代谢产物的积累，有利于
• 脯氨酸猝灭单线态氧或直接与羟自由基反应，将减少自由基对细
胞造成的损伤，维持细胞内的还原环境，使得GSH含量升高，进 而又促进PCs合成及其与重金属的螯合，从而提高细胞对重金属 的耐性或解毒能力。
2.7 热激蛋白与藻类重金属耐性
• 每种植物体一般含有几类热激蛋白(Heat shock protein，Hsps) ，但在胁迫条件下可能只有一种Hsps起主导作用[40]。 • 高温、低温、重金属离子等胁迫因子都可以诱导Hsps合成。 Bierkens等[41]用ZnCl2 等处理绿藻Raphidocelis subcapitata，
• 结果表明：Cr6+对细胞的膜结构与非膜结构都产生毒害作用。
2.3
海藻对重金属的生理生化响应
• 重金属对藻类生理生化功能影响的研究侧重于藻类的光 合作用、碳代谢和藻类DNA、RNA、蛋白质合成及酶活性 等方面。
• 张小兰等(2002)的研究结果表明，轮藻( Chara) 藻体
受Hg2+、Cd2+ 胁迫后,随着Hg2+、Cd2+浓度的增加，叶绿 素含量、叶绿素a/ b 比值、可溶性蛋白含量持续下降 ；Hg2+单一处理系列SOD 活性呈下降趋势，而Cd2+单一 处理系列则表现出先降后升再降的趋势；
图2 海洋沉积物中镉平均含量
图3 海洋沉积物中砷平均含量
1.2 海产品质量安全现状
• 紫菜和牡蛎、文蛤等近海海产品中的铬、铅、镉超标，其中铅
的超标程度较高；
• 个别贝类体内残存的镉、砷含量超过第I类海洋生物质量标准。 • 例如，华秀红等[2]对启东海域鱼、贝、虾蟹样品的调查结果表 明，重金属Pb的含量高于I类污染值的超标率达7l％、重金属Cd 的I类污染值超标率达78.6％，特别是塘芦港的枇杷虾中Cd含量
富集系数在各营养级中可达到非常惊人的程度。
研究藻类对重金属胁迫的生理响应与解毒机制
• 了解藻类对重金属的吸收和积累及其生理机制。 • 了解藻类对重金属毒性的抗性和耐受机理。 • 研究其生理、生化反应及积累毒物的特点，可以准确 地判断水体的污染性质和污染程度。实现水体污染的 高灵敏度连续监测和早期预报。 • 通过研究藻类对重金属的耐性机制，将藻类用于水体 重金属污染的生物修复器。 • 利用藻类构建水产养殖生态系，实现清洁生产。 • 了解重金属污染物在水域生态系统食物链中的迁移转 化规律，寻找水产品质量安全的解决方案。 • 生产金属硫蛋白等功能性物质。
甚至高达l5.3 mg／kg，超过了Ⅲ类污染值的3倍。
个别贝类体内残存的镉、砷含量超过第一类 海洋生物质量标准。
图4 部分近岸海域贝类体内镉残留量比较
图5 部分近岸海域贝类体内砷残留量比较
1.3 环境重金属对海洋生物的影响
• 环境重金属污染对海洋生物造成毒害，使某些海洋水产资源衰
落，渔获量减少，少数珍贵海产品受损，一些海洋水产资源质
发现可显著诱导Hsp70合成。
• 在重金属胁迫下，热激蛋白的协同作用可能在清除或修复重金属 变性蛋白质、保护其它蛋白质免受损伤、维持细胞的正常代谢和 提高细胞的重金属抗性方面有重要作用。
2.8 液泡区室化作用
• 液泡区室化作用(vacuolar compartmentalization)在高等
植物对重金属的耐性和解毒中起着重要作用[42]。
tricornutum 细胞中约50％的GSH用于合成PCs[32]。
• Pawlik等(2000)发现，杆裂丝藻在吸收Pb的过程中促进了富含SH基多肽的合成，如PCs 、GSH；但把藻转到无Pb培养基后大约 90％的多肽消失了，说明PCs和GSH是藻类在受到铅胁迫时的主 要防御措施。
2.5 细胞内多磷酸体对重金属的络合作用
3 今后研究展望
3.1 大型海藻修复重金属污染水体的研究
• 藻类对水体重金属的吸附具有高效、经济、简便、选 择性好等特点，被认为是一种处理水体重金属污染的 新型生物材料，有广阔的应用前景。但是单细胞藻由 于个体小，处理后不易收集应用受到限制。 • 一些大型海藻。尤其是对重金属有较高吸附性能的马
尾藻等褐藻门生物，后处理相对方便，更适合于规模
• 利用分子生物学手段，结合扫描电镜(SEM)和X-射线 衍射分析技术，对金属在藻细胞内的沉淀位置和状 态、金属与藻类细胞特定官能团结合的能量变化以 及官能团结构和特性、藻类吸附重金属反应的动力 学和热力学持性、藻类体内重金属结合蛋白的诱导 机理等进行探讨，可深入了解藻类对金属超积累作 用的生理和分子机制。