發(fā)布時間：2020-03-28 06:16

【摘要】：淡水水體的富營養(yǎng)化和氣候變暖引起的有害藍(lán)藻水華已經(jīng)成為了全球嚴(yán)重的環(huán)境問題之一。藍(lán)藻水華可導(dǎo)致一系列水環(huán)境問題的發(fā)生,如降低水體溶解氧,影響水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、飲用水供應(yīng)及休閑娛樂用水。最嚴(yán)重的是,有害藍(lán)藻水華產(chǎn)生的次生代謝物(藻毒素和藻源異味物質(zhì)等)對水生生物、牲畜及人類有極大的危害。山西省水資源嚴(yán)重匱乏,省內(nèi)河流屈指可數(shù),其中最大且最長的河流是汾河。在維持山西生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和居民生活中起著不可估量的作用。汾河太原河段處于汾河流域的中段。隨著工業(yè)發(fā)展和城市人口的迅速膨脹,水體富營養(yǎng)化日益嚴(yán)重,導(dǎo)致水質(zhì)開始惡化。2011年8月,汾河太原段暴發(fā)了大規(guī)模的藍(lán)藻水華,被污染的水域長達(dá)數(shù)公里,其后每年都會發(fā)生不等面積的水華。因此,控制藻類的大量生長和繁殖,消除頻繁出現(xiàn)的有害藍(lán)藻水華,成為了一個亟待解決的環(huán)境問題。2012 2016年,本課題組對汾河太原段水體中的浮游植物及水華優(yōu)勢種進(jìn)行了鑒定,首次發(fā)現(xiàn)產(chǎn)藻毒素和藻源異味物質(zhì)種類。為了控制水華,研究了環(huán)境友好型的控藻方法及抑藻機(jī)理,主要的研究結(jié)果如下:(1)2012 2016年,通過對采集樣品的觀察,共鑒定出浮游植物202種,隸屬于7門72屬,區(qū)系組成主要以綠藻、硅藻和藍(lán)藻為主。隨著季節(jié)和年份的變化,浮游植物物種總數(shù)呈現(xiàn)上升的趨勢,尤其是藍(lán)藻、綠藻和硅藻。每年采集的樣品中都會發(fā)現(xiàn)新出現(xiàn)的物種,并且數(shù)量也在不斷上升。汾河太原河段浮游植物細(xì)胞密度呈現(xiàn)高度的時空異質(zhì)性,并且在年內(nèi)各個季度分配不均,5月份汾河太原河段10個采樣點(diǎn)的浮游植物平均細(xì)胞密度為68.85×106 74.00×106 cells L-1,7月份浮游植物平均細(xì)胞密度為194.57×106 226.70×106 cells L-1和10月份浮游植物平均細(xì)胞密度為45.63×106 63.00×106 cells L-1。隨著年份的變化,藻類的細(xì)胞密度呈現(xiàn)上升的趨勢,并且藍(lán)藻以絕對優(yōu)勢呈現(xiàn)上升的趨勢。這5年中,10個采樣點(diǎn)共發(fā)現(xiàn)浮游植物優(yōu)勢種6門19種。其中藍(lán)藻門種類占42.11%,其次為綠藻門種類,占21.05%,其它門優(yōu)勢種類相對較少。但是每年的5月份,躋汾橋和南中環(huán)橋段都會出現(xiàn)裸藻水華,而每年的7 9月份,各采樣點(diǎn)都會出現(xiàn)面積不等的微囊藻水華,并且是不同種的微囊藻形成優(yōu)勢種。各采樣點(diǎn)的優(yōu)勢種呈現(xiàn)高度的時空異質(zhì)性,并且在年內(nèi)各個季度變化較大。通過形態(tài)和分子生物學(xué)結(jié)合的手段,對發(fā)生水華的優(yōu)勢種進(jìn)行了鑒定,結(jié)果表明,5月份發(fā)生的裸藻水華,優(yōu)勢種為血紅裸藻(Euglena sanguinea)。而7 9月份發(fā)生的微囊藻水華,優(yōu)勢種為銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa)、挪氏微囊藻(Microcystis novacekii)和惠氏微囊藻(Microcystis wesenbergii)。(2)本研究首次發(fā)現(xiàn)汾河太原河段水體中的微囊藻產(chǎn)毒素和異味物質(zhì)。分離純化得到的8株微囊藻中有5株含有微囊藻毒素合成相關(guān)基因mcyA、mcyD和mcyE,且均為產(chǎn)毒微囊藻,但是其產(chǎn)毒素濃度較低。TY001、FH0003、FH0004、FH0006和FH0007產(chǎn)毒素濃度分別為59.76±5.32、36.54±3.06、39.19±2.09、32.09±2.08和36.46±3.02 pg/108cells。分離純化的微囊藻揮發(fā)性異味物質(zhì)的檢測結(jié)果表明,8株微囊藻中有6株(TY001、FH0002、FH0003、FH0004、FH0005和FH0006)可產(chǎn)生明顯的異味。經(jīng)過嗅味判斷及與常見異味種類標(biāo)準(zhǔn)品的比對,確定這6株微囊藻產(chǎn)生的異味物質(zhì)主要為β-環(huán)檸檬醛(β-cyclocitral),其他三類淡水水體常見的藻源異味物質(zhì)(Geosmin,2-MIB和β-紫羅蘭酮)均未檢出。(3)連苯三酚同其它化感物質(zhì)一樣,對銅綠微囊藻生長有一定的抑制作用。首先,藻膽體降解相關(guān)基因nblA表達(dá)量的上升可能引起PBS降解蛋白的增加,導(dǎo)致光合效率下降。其次,Fv/Fm、PIABS和PICS等葉綠素?zé)晒鈪��?shù)均顯著降低,綜合說明銅綠微囊藻完整的光合作用性能受到了破壞。同時,也表明連苯三酚對銅綠微囊藻的光合抑制是極其重要的機(jī)理。連苯三酚可以明顯抑制細(xì)胞生長甚至使細(xì)胞致死,是能有效控制和消除銅綠微囊藻水華的化感物質(zhì)。更進(jìn)一步的研究中,可探索更多的化感抑制機(jī)理,尋求更高效的化感抑藻物質(zhì)來控制有害藍(lán)藻水華。(4)連苯三酚可明顯上調(diào)銅綠微囊藻TY001的氧化脅迫應(yīng)答相關(guān)基因prx、ftsH、grpE和fabZ,DNA修復(fù)相關(guān)基因recA和gyrB的相對表達(dá)量。同時,氧化脅迫明顯提高了細(xì)胞內(nèi)3種關(guān)鍵的抗氧化酶(SOD、POD和CAT)含量,活性氧(ROS)的大量增加引起脂質(zhì)過氧化反應(yīng)發(fā)生,從而導(dǎo)致丙二醛(MDA)含量上升。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,連苯三酚對銅綠微囊藻TY001有明顯的抑制作用,氧化損傷和DNA損傷是重要的致毒機(jī)理。更重要提出的是,微囊藻毒素合成基因(mcyB和mcyD)和氮吸收相關(guān)基因(ntcA)的表達(dá)量及微囊藻含量明顯提高。進(jìn)一步的研究中需要發(fā)現(xiàn)更多的化感物質(zhì)和更加深入的抑藻機(jī)理,控制和消除有害藍(lán)藻水華。(5)5,4'-二羥基黃酮(5,4'-dihydroxyflavone,5,4'-DHF)對銅綠微囊藻TY001有明顯的抑制作用。5,4'-DHF脅迫可明顯提高細(xì)胞內(nèi)的ROS水平,同時,prx基因和抗氧化酶(SOD、POD和CAT)的含量也明顯上升。但是隨著處理時間的增長,prx基因的表達(dá)量明顯下降,抗氧化酶系統(tǒng)受到損傷,而ROS水平持續(xù)增高,抗氧化酶不能清除過量的ROS,導(dǎo)致細(xì)胞生理平衡受到破壞。從而,引起了脂質(zhì)過氧化反應(yīng)和MDA含量的增加,fabZ基因的表達(dá)量也明顯下降,細(xì)胞膜也受到了極大的損傷。5,4'-DHF脅迫下,recA基因的表達(dá)量明顯下降,可能銅綠微囊藻TY001的DNA受到了損傷。5,4'-DHF降低了psbA基因的表達(dá)量,光合作用中的電子傳遞和能量轉(zhuǎn)移受到破壞,光合效率大大降低。5,4'-DHF沒有提高微囊藻毒素合成基因mcyB基因的表達(dá)量,可能微囊藻毒素的合成量也會顯著降低。以上結(jié)果表明,光合抑制、氧化損傷和DNA損傷是5,4'-DHF對銅綠微囊藻抑制的主要機(jī)理。5,4'-DHF是一種環(huán)境友好且抑藻效率高的化感物質(zhì),可應(yīng)用于控制銅綠微囊藻水華。
【圖文】：

圖 1.1 汾河流域 原河段 意圖Fig. 1.1 The schematic diagram of Taiyuan region of the Fenhe River汾河太原河段（圖 1.1）處于汾河流域的中段，全長大約 30 公里，貫穿太原

汾河原河段水華現(xiàn)象Fig.1.2WaterbloomsoftheTaiyuanregionofFenheRiver
【學(xué)位授予單位】：山西大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：X52;X173

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本文編號：2604054