藻类对重金属胁迫的生理响应与解毒机制

藻类对重金属胁迫的生理响应与解毒机制作者：黄鹤忠学号：D05032导师：梁建生教授报告内容:1、研究背景2、研究现状3、存在的问题及今后研究方向1研究背景1.1目前海洋水质状况•据2005年《中国海洋环境质量公报》，我国海域总体污染状况仍未好转，近岸海域污染形势依然严峻。•2004年和2005年我国全海域未达到清洁海域水质标准的面积约13.9万平方公里。•我国大部分河口、海湾的海水铅含量超过一类水质标准；•部分重点海域汞含量较高；•个别重点海域的镉含量偏高；图1各重点海域铅平均含量图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•海洋沉积物的镉和砷含量普遍超过第一类海洋沉积物质量标准。•其中，排污口邻近海域沉积物污染严重，锌、镉、铅和石油类的含量超过第三类海洋沉积物质量标准。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含量甚至高达l5.3mg／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5部分近岸海域贝类体内砷残留量比较图4部分近岸海域贝类体内镉残留量比较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量受到影响。•污染水体的汞、砷、镉、铅、铬等重金属元素通常对藻类有较高毒性，这些重金属元素可与蛋白质结合引起其活性丧失或结构破坏，取代某些必需微量元素从而导致营养缺乏，以及诱导自由基或活性氧的生成[4]。1.4研究藻类对重金属胁迫的生理响应与解毒机制的必要性•海藻是海洋环境中的初级生产者，重金属主要是通过食物链进入生物体内，不易排泄，并在生物体的一定部位富集。其富集系数在各营养级中可达到非常惊人的程度。•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。研究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。•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。•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；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(Hydrillaverticilla)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、类囊体膜的室温吸收光谱和室温荧光发射光谱则呈现先上升后下降的趋势。实验表明：可根据黑藻叶光化学及硝酸还原酶特性的变化来监测环境中Cd2+污染的程度。2.4金属结合蛋白(或多肽)与藻类重金属耐逆性2.4.1植物络合素•植物络合素(phytochelatins；PCs)是一类由重金属离子诱导的、酶促合成的富含半胱氨酸的小分子多肽，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Phaeodactylumtricomutum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。•最近的研究表明，颤藻Oscillatoriabrevis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Phaeodactylumtricornutum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•多磷酸体(polyphosphatebodies；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Diatomatenue中的富集[37]以及Cd、Cu、Co、Hg、Ni、Pb和Zn在Plectonemaboryanum中的富集[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Anacystisnidulans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。•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(Heatshockprotein，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Raphidocelissubcapitata，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(vacuolarcompartmentalization)在高等植物对重金属的耐性和解毒中起着重要作用[42]。•Nassiri等[44]在处于Cu和Cd胁迫条件下的Skeletonemacostatum的液泡中也检测到了Cd、Cu和S，并发现受重金属胁迫的细胞液泡体积增大。藻类细胞液泡中硫的存在，可能是由于低分子量的重金属-PCs复合物结合硫之后所形成的高分子量重金属-PCs复合物进入液泡所致。•因此，液泡区室化作用在藻类耐受重金属胁迫方面可能也是重要的解毒方式之一。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。•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。•藻类对重金属胁迫的一系列生理响应和耐性机理有些还很不清楚，一些研究结果甚至不一致，因此需要进一步从分子水平、细胞水平及机体水平进行广泛深入研究。•藻类响应重金属胁迫的信号转导途径及其保护机制也是下一步需要深入研究的一个重要领域。•藻类中重金属是否能与氨基酸或有机酸(如组氨酸、柠檬酸、草酸及苹果酸)结合，从而起到解毒作用？尚未见报道。这在高等植物研究中已得到证实。