云南阳宗海浮游植物响应砷和紫外UV-B辐射复合胁迫的机理研究

Increased solar UV-B radiation and heavy metal pollution have become ecological and environmental problems worldwide. However, little is known about the interactive biological effects of arsenic stresses and UV-B radiation. It is urgently need to investigate the response mechanisms of the phytoplankton in a plateau lake, Yangzong Lake in Yunnan Province, where both high arsenic contamination and increasing UV-B radiation exist. We will isolate common cyanobacteria, chlorophyta and bacillariophyta from Yangzong Lake. The impacts of different arsenic species and UV-B radiation stresses, applied individually as well as in combination, will be studied through evaluating growth, ultrastructure, photosynthesis, antioxidative defense systems, uptake and translocation of arsenic, expression of molecular chaperones GroEL/Hsp60, DnaK/Hsp60 and HtpG/Hsp90（Prokaryotes cyanobacteria /eukaryotes chlorophyta and bacillariophyta）genes. The aim of this study is to explore the physiological and the molecular mechanisms of response of phytoplankton from Yangzong Lake to the combined UV-B radiation and arsenic stresses. This study will help to understand the individual and interactive biological effects of arsenic and UV-B radiation stresses, and provide scientific evidences for aquatic biota monitoring and ecological restoration of polluted plateau lakes.

人类活动导致的重金属污染和紫外UV-B辐射增强已经成为全球许多地区重要的环境问题，目前对砷与紫外UV-B辐射复合胁迫的生物学效应缺乏认识。云南高原湖泊阳宗海经历了严重的砷污染并且紫外UV-B 辐射强度背景值较高，浮游植物对砷和紫外UV-B 辐射胁迫的响应机制缺乏系统的研究。本项目拟从阳宗海分离和培养常见的浮游蓝藻、绿藻和硅藻，通过分析藻细胞的生长、超微结构、光合作用、抗氧化系统、对砷的累积和转化以及分子伴侣GroEL/Hsp60、DnaK/Hsp60、HtpG/Hsp90（原核生物蓝藻/真核生物绿藻和硅藻）基因的表达等指标，从生理和分子水平上研究阳宗海浮游植物对不同形态砷（Ⅲ价和Ⅳ价）和紫外UV-B辐射单一胁迫及其复合胁迫的响应机理，为探讨砷胁迫和UV-B辐射的生物学效应提供科学依据，同时也为高原湖泊进行污染水体的生物监测以及开展有效的生态修复提供理论支撑和数据支持。

云南高原湖泊阳宗海经历了大规模的砷污染并且紫外UV-B 辐射强度背景值较高，浮游植物对砷和紫外UV-B 辐射胁迫的响应机制缺乏系统的研究。本项目结合已有的湖泊监测数据和沉积物记录，识别了硅藻对砷污染的长期响应模式，结果显示砷污染导致硅藻群落向着耐砷种类转变，生态系统出现灾难性的结构转变；系统调查了阳宗海砷污染背景下浮游植物群落结构和水质变化的时空模式，甄别了驱动浮游植物群落结构变化的环境因子，结果表明阳宗海蓝藻为浮游植物的绝对优势种，与表层水体相比，中层和底层水体硅藻比例上升。浮游植物群落结构和环境因子在时间尺度上存在显著差异，而在空间尺度上是否存在差异与空间尺度的大小和采样的月份有关。环境因子显著的驱动了浮游植物群落结构的时空变化，砷单独解释的比例较小，主要通过与水温和其他因子的相互作用对浮游植物的时空分布产生影响；从阳宗海分离和培养了常见的浮游蓝藻、绿藻和硅藻，通过分析藻细胞的生长和生理的变化，研究了阳宗海浮游植物对不同形态砷（Ⅲ价和Ⅳ价）和紫外UV-B辐射单一胁迫及其复合胁迫的响应机理。结果显示阳宗海浮游植物As（Ⅲ）和As（Ⅴ）对不同门类浮游植物的作用均表现出低促高抑的作用。As（Ⅲ）对蓝藻、绿藻和硅藻的毒性均大于As（Ⅴ）。蓝藻对As（Ⅲ）和As（Ⅴ）的耐受性最大，绿藻次之，硅藻耐受性最低，这可能是阳宗海蓝藻优势维持的机制之一。除5μmol/m2/s紫外辐射强度促进绿藻小球藻的生长外，其余紫外辐射强度对不同门类浮游植物均产生抑制作用。绿藻对紫外强度的耐受性大于蓝藻和硅藻。紫外辐射和不同形态砷复合胁迫对阳宗海浮游植物的复合作用模式与藻种和砷的形态有关，As（Ⅲ）和紫外复合胁迫对蓝藻伪鱼腥藻为拮抗作用，而对硅藻肘状脆杆藻和绿藻小球藻为协同作用模式；As（Ⅴ）与紫外辐射胁迫对三个门类的藻类均表现为协同抑制作用。研究结果将为高原湖泊进行环境污染的防治和开展有效的生态修复提供科学依据。