基于光合作用的观赏水生植物抑制水华蓝藻的化感作用机理研究

Eutrophication of the urban landscape water body is serious in our country leading to frequent cyanobacteria blooms. It seriously affectes the efficiency of ornamental value and ecological functions of the landscape water body. Plant allelopathic algal inhibiting phenomena found to solve this problem provides a new way. To uncover the allelopathic mechanism of control cyanobacteria bloom has important significance. Preliminary studies showed that the large ornamental aquatic plants such as Pontederia cordata, Louisiana iris and Iris pseudacorus had strong allelopathic inhibition effect on Microcystis aeruginosa which is the most common bloom algae in cyanobacteria bloom. Photosynthesis is the basis of algae life existence. We will extract, separate and identificate algal inhibiting allelochemicals from the three kinds of aquatic plants firstly and then use chlorophyll fluorescence analysis technique, fluorescence spectrophotometry, O-phenanthroline hydrochloride spectrophotometric method and luciferase to study the allelopathic effect of three plant species on light-harvesting antenna, electron transfer and coupled photophosphorylation, the activity of optical systemⅠand optical systemⅡactivity and their coordination, the activity of optical system and carboxylation system and their coordination of Microcystis aeruginosa. We will discuss the physiological and ecological mechanism and the target spot of inhibiting the growth of algae from the view point of photosynthesis. We wish providing a theoretical basis to control bloom-forming cyanobacteria by aquatic plants in urban landscape water bodys.

我国许多城市景观水体富营养化现象严重，导致蓝藻水华频繁发生，严重影响了景观水体观赏价值和生态功能的有效发挥。水生植物化感抑藻现象的发现为这一问题的解决提供了新途径，化感作用机理的揭示对水华蓝藻的控制有着重要的意义。项目组前期研究表明：大型观赏水生植物梭鱼草、路易斯安那鸢尾、黄菖蒲对水华蓝藻中最为多见的铜绿微囊藻具有较强的化感抑制作用。光合作用是蓝藻生命存在的基础，本项目在提取、分离并鉴定3种水生植物抑藻化感物质的基础上，采用叶绿素荧光分析技术、荧光分光光度法、邻菲罗林盐酸盐显色法、荧光素酶法等技术，研究抑藻化感物质对铜绿微囊藻捕光天线、光合电子传递及其偶联的光合磷酸化、光系统Ⅰ和光系统Ⅱ活性及两者协调性、光系统与羧化系统活性及两者协调性的化感作用，从光合作用的角度探讨水生植物抑制蓝藻生长的生理生态机理及其作用靶点，以期为城市景观水体中利用水生植物控制水华蓝藻提供理论依据。

淡水水体富营养化引起的蓝藻水华严重损害水生态系统，并威胁人类的健康，已经成为全球性的环境问题。寻找安全、高效、经济的控藻技术、修复受损水体成为当前水环境研究领域的热点和前沿问题。作为水生态系统的重要组成部分的大型水生植物和藻类，均为水生态系统中的原初生产者，两者在光照和营养等资源上存在着互相竞争关系。此外，水生植物释放的化感物质也会对水体中的藻类产生影响。水生植物通过释放化感物质来抑制藻类生长被认为是其获得竞争优势并保持水体清澈的重要机制之一。抑藻化感物质是植物生长过程中所产生的次级代谢产物，作为自然产物它们一般不会在生态系统中长期积累，不会破坏生态系统平衡，具有良好的生态安全性。利用水生植物释放的化感物质抑制蓝藻的生长为蓝藻水华的控制提供了新的方向。.本项目以具有高观赏价值、适应性强的观赏水生植物梭鱼草为试验材料，采用共培养、添加种植水或浸提取液方式研究其对铜绿微囊藻的抑制效果。通过对浸提取液进行分离、鉴定，得到多种化感物质，其中以丁二酸的抑藻效果最好。以化感物质丁二酸为抑藻剂，研究其对铜绿微囊藻光合色素、光合作用、光合电子传递、细胞学形态、基因表达以及代谢组学等方面的影响，旨在探索水生植物化感抑藻的机理，为水生植物应用于蓝藻水华控制、修复受损水体和开发新型抑藻剂提供理论基础。研究结果表明：梭鱼草作为多年生水生花卉，具有良好的抑藻效果，其化感物质可以降低藻细胞光合色素含量，破坏藻细胞的放氧复合体及PSII反应中心，抑制QA与QB的之间电子传递，破坏藻细胞膜引起细胞内蛋白质及核酸外渗，使氨基酸代谢发生紊乱，抑制核苷酸的合成，并干扰藻细胞的三羧酸循环，这是梭鱼草抑藻蓝藻生长的机制。梭鱼草观赏价值高、适应性强，能抑制蓝藻的生长，具有修复受损水体的潜能。此项研究不仅具有重要的学术意义，而且具有广阔的应用价值。