白鹤芋根部水浸液对伪鱼腥藻的化感抑制作用及机制研究

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伪鱼腥藻是水体中普遍存在的丝状蓝藻,易在南方湖库水体水华中成为优势种并释放典型嗅味物质2-甲基异莰醇(2-MIB),但目前针对其生长特性及有效控制方法尚缺乏深入研究。已有研究表明,植物化感抑藻方法效果好且环境友好,在课题组前期工作基础上,研究提出了采用白鹤芋根部水浸液(Spathiphyllum Kcochii Root Water Extract,SKRE)控制伪鱼腥藻的方法,深入探究了伪鱼腥藻的生长特性,SKRE化感作用特性及化感作用机制。
  依托南方梯级水库群,研究了伪鱼腥藻的时空分布规律。结果表明,伪鱼腥藻常年占据优势,4~8月尤为突出,藻细胞密度最高为4.69×107cells/L,远超水华标准,伪鱼腥藻细胞密度沿梯级水库群水流方向逐级上升,水深方向无显著差异(p>0.05)。梯级水库群中伪鱼腥藻生物量与典型嗅味物质2-MIB的浓度显著相关(p<0.01),伪鱼腥藻可能是水库嗅味物质的重要来源,非常有必要进一步研究其生长特性及有效控制手段。
  通过单因素模拟实验,研究了伪鱼腥藻的生长特性。结果表明,与其他藻种相比,伪鱼腥藻适宜生长的环境条件更加宽泛,具有适温范围宽、耐低光照,耐磷匮乏、耐扰动的生长特性。伪鱼腥藻适宜生长的环境条件具体为:水温为15~35℃,光照强度为9~216μmol/m2s,总氮浓度大于2.4mg/L,总磷浓度大于0.04mg/L,pH值为7~11,水体流速为0~0.10m/s。南方调水型水库温度适宜、磷匮乏、光照垂向衰减、水力扰动大的典型环境特征有利于伪鱼腥藻成为主要优势种。
  通过水浸液投加量对比实验,研究了SKRE对伪鱼腥藻的化感作用特性。结果表明,SKRE能够有效控制伪鱼腥藻。达到相同抑制率所需投加量与伪鱼腥藻初始浓度有关,初始浓度越高,所需投加量越大。一次性投加比连续投加抑制效果更好。对于初始浓度分别为8.3×107、2.8×108和6.2×108cells/L的伪鱼腥藻,达到90%以上抑制率的SKRE投加量(以白鹤芋根部干重计)分别为0.68、1.02和1.36g/L。投加SKRE可同时降低伪鱼腥藻细胞内及水体中2-MIB的浓度,伪鱼腥藻初始浓度为2.8×108cells/L,SKRE投加量为0.68g/L时,2-MIB总浓度削减率达到81.5%。因此,采用SKRE能够有效控制伪鱼腥藻暴发风险。
  针对SKRE对伪鱼腥藻的作用机制,通过化感作用模拟实验,研究了SKRE对伪鱼腥藻光合作用和细胞膜脂的影响,采用代谢组学和蛋白组学手段,研究了SKRE对伪鱼腥藻代谢和蛋白的影响。结果表明,SKRE对伪鱼腥藻的主要作用机制为通过抑制光合色素合成和放氧复合体、ATP合成酶、NADP还原酶等关键蛋白活性降低伪鱼腥藻光合作用效率,通过抑制磷酸盐底物结合酶、透性酶及ATP结合酶活性阻碍P代谢;同时,在氮循环中,抑制四种硝酸盐跨膜转运酶、硝酸盐还原酶和亚硝酸还原酶的活性,使得胞内NH3-N产量下降,刺激谷氨酸脱氢酶、谷胱甘肽合成酶活性上升,细胞过氧化产物谷胱甘肽、异形胞产物谷氨酰胺含量显著增加,宏观表征着细胞膜结构的破坏、细胞死亡甚至细胞解体。
  对SKRE的主要成分进行了分析,发现醇类4种,酸类3种,酯类3种,醛类2种,酰胺类、醚类、唑啉各1种,具体包括(S)-哌啶-2-甲酰胺、2,6-二氨基已酸、邻苯二甲酸二乙酯、四氢唑啉、油酰甘油磷酸酯等。
  上述研究成果可为同类南方调水型水库中伪鱼腥藻的生长预测提供依据,同时为伪鱼腥藻SKRE化感控制技术的进一步研究奠定了理论基础。
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