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随着近海水域富营养化程度的加剧,赤潮在世界沿海范围内频繁暴发,已成为一种严重的海洋灾害。采用切实有效的防治措施是赤潮研究的重要内容之一。近年来利用大型海藻与赤潮生物之间的相互作用在控制赤潮中取得了一些成果,但是由于大型海藻生长具有季节性、悬浮颗粒物覆盖以及污损生物附着等问题,严重影响了治理效果,同时大型海藻过度繁殖也给沿海渔业、旅游业等造成重大损失。因此,寻找并利用具有较高生物量的耐海水盐生植物修复近海水域富营养化成为新的研究方向。
本论文研究了3种滩涂盐生植物北美海蓬子(Salicorniabigelovii)、海马齿(Sesuviumportulacastrum)和盐角草(Salicorniaeuropaea)对富营养化海水的修复作用以及对赤潮生物的克生作用,初步提取、分离和检测了海马齿和盐角草潜在的克生物质,并探讨了脂肪酸和黄酮类物质对赤潮生物的克生作用机理,为利用滩涂盐生植物防治赤潮发生提供科学依据。主要实验结果如下:
(1)藜科植物北美海蓬子和盐角草种子对盐度反应敏感,盐度0-10gL-1比较适宜种子萌发和胚根生长,当盐度>10gL-1时,具有一定的抑制作用。北美海蓬子种子萌发还受到温度的影响,15℃萌发率较高,20℃萌发指数较大。室内实验表明盐度10-30gL-1是北美海莲子幼苗比较适宜的生长条件,现场海区幼苗移栽成活率为85%。另外,番杏科植物海马齿较沙培条件更适宜在海水水培条件下生长,其根系发达,侧根多且长。
(2)在不同富营养化程度下,北美海蓬子能够良好生长。其根系对富营养化程度的敏感性大于地上部分,根系比较适宜在富营养化程度相对较低的条件下生长;在富营养化海水中生长一个月,植株体内氮磷含量可以增加1-2和4-5倍;对水体氮磷的去除能力较强,培养35d,水中氮磷的去除率达到90%左右,特别是氨氮和无机磷。在共培养实验中,北美海蓬子能明显抑制中肋骨条藻(Skeletonemacostatum)赤潮的暴发。5gFWL-1的北美海蓬子能显著降低水中Chla浓度以及中肋骨条藻细胞密度。其根系水提取物对中肋骨条藻具有一定的克生作用,随着提取物浓度升高,克生作用增强,在浓度达到10.37gFWL-1时,对中肋骨条藻生长的抑制率为50%。实验表明,北美海蓬子的克生作用参与了抑制中肋骨条藻生长的过程,但不能排除两者之间的营养盐竞争作用。
(3)在共培养实验中,5gFWL-1的海马齿不仅能预防中肋骨条藻赤潮暴发,还能降低赤潮程度和加速赤潮衰败。这种抑制作用主要是由海马齿的克生作用引起,并且随着海马齿种植密度升高而增强,在种植密度达到1.01gFWL-1时,对中肋骨条藻生长的抑制率为50%。海马齿叶片水提取物对3种硅藻(S.costatum、Phaeodactylumtricornutum和Nitzschiacloslerium)都具有一定的克生作用,对中肋骨条藻的抑制作用最强;根茎叶水提取物对中肋骨条藻也有明显的抑制作用,根<茎<叶,其根茎叶水提取物浓度分别为6.97、1.57和0.09gDWL-1时,对中肋骨条藻生长的抑制率达到50%;同时,根石油醚提取物的抑制效果大于水提取物,说明海马齿根中非极性克生物质的抑制作用较强。海马齿过滤培养液对藻的抑制实验则证明克生物质能够被释放到水体中。实验还发现,在各种提取物作用下,中肋骨条藻的细胞形态发生显著改变,个体异常增大,说明海马齿克生物质很可能影响细胞分裂过程。
(4)在营养盐充足的条件下,10gFWL-1的盐角草能够显著抑制中肋骨条藻生长,降低水体Chla浓度,说明盐角草的克生作用参与了抑制中肋骨条藻赤潮暴发的过程。从盐角草根多种提取物对3种赤潮藻生长的影响实验中可以看出,盐角草的克生物质主要为非极性和弱极性,对于中肋骨条藻,石油醚提取物的抑制作用最强,对于2种甲藻则基本随着提取物极性增大而抑制作用增强。这些克生物质不仅能够改变细胞大小,同时还影响藻的光合作用。过滤培养液的实验肯定了盐角草能够分泌克生物质抑制藻的生长,这为实际应用盐角草防治赤潮暴发提供了可能。
(5)盐角草植株中具有较高含量的黄酮,在根和茎的甲醇提取物中鉴定出2种黄酮类物质——芦丁和槲皮素-3-β-D-葡萄糖甙,其中前者的含量明显高于后者,根高于茎。实验表明芦丁对赤潮藻生长的抑制作用随着浓度升高而增强,而且不同种类的赤潮藻对芦丁的敏感性不同,对中肋骨条藻和微小原甲藻生长的IC50分别为6.69×10-7和3.50×10-7molL-1。芦丁的抑制作用还受到藻细胞初始接种密度的限制,随着初始细胞密度的升高抑制作用下降。
(6)通过GC-MS分析,从海马齿和盐角草根石油醚和甲醇提取物中检测出多种非极性化合物,脂肪酸类物质是其主要组成成分,其中油酸及其衍生物在海马齿和盐角草中均有存在。实验显示,油酸对中肋骨条藻具有明显的抑制作用,且随着油酸浓度升高抑制作用增强。在适当浓度下,油酸能够诱导中肋骨条藻发生细胞凋亡,改变细胞膜完整性和酯酶活性,影响胞内氧化代谢和离子平衡,抑制细胞分裂过程,尤其是阻滞G0/G1期细胞向S期细胞转变。这表明油酸可能是滩涂盐生植物抑制赤潮藻生长的克生物质之一。
本研究结果表明滩涂盐生植物通过对营养盐吸收、富集作用以及对赤潮生物的克生作用可以净化和修复富营养化海水,能有效控制和减轻水体赤潮发生。利用盐生植物防治赤潮发生和修复近海水域富营养化具有一定的经济和生态效益。