双酚A对铜绿微囊藻生长及生理的影响
2022-06-22
来源:乌哈旅游
第2l卷 第5期 20l 4年 工安全与环境 程 Vol_21 NO.5 Sep. Z0l4 9月 Safety and Environmenta I Engineering 双酚A对铜绿微囊藻生长及生理的影响 杨 璨,于晓娟,王欣泽,孔海南,李亚红 (上海交通大学环境科学与工程学院,上海200240) 摘要:为了从生物量、光合系统、膜系统和抗氧化系统等方面研究培养基中不同浓度双酚A(BPA)对铜绿微囊 藻生长及生理的影响,本试验通过设置0.5 mg/I一2 mg/I 、8 mg/I 、16 mg/I 和24 mg/I 5个BPA浓度梯度和1 个对照组,检测了藻细胞生物量、叶绿素a含量、最大光化学量子产量(F /F )、可溶性蛋白浓度、超氧化物歧化酶 (SOD)活性、丙二醛(MDA)含量以及试验过程中BPA浓度的变化。结果表明:BPA胁迫下,铜绿微囊藻的生长总 体呈现“低促高抑”的规律,即低浓度组(0.5 mg/L)BPA促进了藻细胞生物量的增长和蛋白质的合成,但对叶绿 素a的合成没有显著促进作用,而高浓度组(2 mg/L、8 mg/L、16 mg/L、24 mg/L)对藻细胞的抑制与BPA浓度呈正 相关;BPA胁迫使得藻细胞叶绿素a含量下降,光合作用潜能降低,膜系统发生脂质过氧化,细胞受到氧化损伤, SOD活力升高,藻细胞生长及生理受到一系列的影响;此外,藻细胞对BPA还具有一定的生物降解作用。 关键词:双酚A(BPA);铜绿微囊藻;生长;生理 中图分类号:X17 文献标识码:A 文章编号:1671—1556(2014)05 0021—05 Effects of Bisphenol A on the Growth and Physiology of M icrocystis Aeru glnosa YANG Can,YU Xiao—j uan,WANG Xin—ze,K0NG Hai—nan,I I Ya~hong (School of Environmental Science and Engineering,Shanghai J iaotong University, Shanghai 200240,China) Abstract:In this research,a series of concentration gradient of bisphenol A(BPA)are set as 0.5 mg/I , 2 mg/I ,8 mg/I ,16 mg/L and 24 mg/L in addition to one control group,in order to study their influence on the growth and physiology of Microcystis aeruginosa(M.aeruginosa).Biomass of alga。concentration of Chlorophyll a,MDA and soluble protein,Fv/Fm,SOD activity and the change of BPA concentration was detected in the experiments to characterize the BPA’S effects on M.aeruginosa.It iS found that BPA pu— shes a trend of promotion in low concentration and inhibition in high concentration on M.aeruginosa.0.5 ag/L BPA enhances the biromass of alga and the synthesis of protein,but does not demonstrate an obvious effect on synthesis of Chlorophyll a.On the contrary,the BPA’S inhibition on alga is positively correlated with its concentration in high—level group.Because of BPA,the concentration of intracellular Chlorophyll a and photosynthetic capacity reduces,membrane’S peroxidation occures,oxidative damage appeares and SOD activity increases.On the whole,there is a pervasive influence on the growth and physiologyof M.aerugino— sa.Furthermore,the results show that M.aeruginosa plays a degradation role on BPA. Key words:bisphenol A(BPA);Microcystis aeruginosa;growth;physiology 环境雌激素,也称环境内分泌干扰物,可通过影 响机体内源性激素的合成、释放、运输、结合与代谢 等干扰人类和动物内分泌系统的正常生理功能,从 收稿日期:201 3-10—29 作者简介:杨修回日期:2013 11-26 而破坏机体稳定 。环境雌激素日渐引起各国高 度重视,并被列为高度优先研究和控制的污染物 。 双酚A(bisphenol A,BPA)是具有雌激素活性的典 基金项目:国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07105—003) 璨(1989一),女,硕士,主要研究方向为低污染水治理。E~mail:renee0627@sina.corn 22 安全与环境工程 第21卷 型酚类环境化学污染物,是生产环氧树脂、抗氧化剂 等的前体物质,广泛存在于人类的生产和生活 中_5 j。欧洲的北海和易北河支流、El本的河川和 港湾淤泥、韩国蔚山海湾等多国水体中均发现了 BPA_7];我国的珠江广州河段和东江东莞河段也检 测出BPA,调查显示珠江口地区入海口表层水中 BPA浓度为1.17~3。92 t ̄g/L ;我国滇池典型鱼 类肌肉样品中BPA浓度为l0.1~83.5 ng/gE 。毒 理研究表明,BPA对大型溢有抑制甚至致死作用, 对斑马鱼胚胎发育有明显的抑制和致畸作用,属于 高毒物质l1 。因此,BPA通过食物链进一步生物 放大而破坏水生生态系统健康和平衡的潜在危害不 容忽视u 。 藻类是水生生态系统中的初级生产者,对整个 水生生态系统的物质和能量交换起着重要作用,并 且对毒物敏感、容易获得、个体小、繁殖快,可在较短 时间内得到化学物质对多种群水平及世代的影响评 价,是一类很好的测试生物l1 。研究表明,藻类能 与水中污染物相互作用,污染物抑制了藻的生长,同 时藻对污染物亦有降解作用 。 ]。内分泌干扰物 (如雌二醇、壬基酚、邻苯二甲酸甲酯等)普遍会对藻 细胞生长及生理产生影响_】 ],其毒性机理主要包 括对光合作用、呼吸作用以及生物膜的影响等u 。 微囊藻是全球广泛分布的一种蓝藻[2 ,铜绿微 囊藻(Micro ̄’ystisa eruginosa)作为其典型代表,在 我国的富营养化湖泊、池塘水体中分布很广。本文 以铜绿微囊藻为研究对象,综合评价BPA对其生长 及生理的影响,以为BPA的环境风险评估提供第一 手资料。 1材料与方法 1.1藻种来源及培养 铜绿微囊藻购自中科院武汉水生生物研究所淡 水藻种库,藻种编号为FACHB 942。试验前将藻种 转入BG11培养基进行扩大培养,培养基和培养瓶 121℃灭菌55 rain,培养温度(25-I-1)℃,光照强度 1 500 I UX,光暗比14 h:10 h,定时振荡;2~3 d 后,将处于对数生长期的藻转入新培养基,进行试验 (初始藻细胞密度为1.13×10。cells/mI )。 1.2试验方法 本试验周期为7 d,共设置5个试验组和1个对 照组,试验组BPA浓度梯度为0.5 mg/L、2 mg/L、 8 mg/I 、16 mg/I 和24 mg/I ,每组设置3个平行 样。以二甲亚砜(DMSO)为助溶剂,其在藻液中体 积分数为0.5‰。测试指标及测定方法如下: 1.2.1 藻细胞生物量测定 用血球计数板在显微镜下进行藻细胞计数,并 在685 nm波长下测定藻液吸光度,建立藻细胞密 度与藻液吸光度之间的线性关系,以藻液吸光度来 衡量藻细胞生物量。 1.2.2 藻液叶绿素a含量和藻细胞最大光化学量 子产量(F /F )测定 藻液暗处理5 min后,取3 mI 置于样品管中, 采用浮游植物分类荧光仪(PHYTO—PAM,WAI Z— Germarw)测定荧光值。荧光由470 nm、520 nm、 645 nm和665 nm波长的LED灯轮流高频激发产 生。采用分光光度计法作叶绿素a校准曲线,在给 定激发光波长下根据校准曲线和荧光产量得出叶绿 素a含量。 充分暗适应后,打开激发光测得叶绿素a荧光 值F,此时给出一个饱和脉冲,细胞内电子门将用于 光合作用的能量转化为荧光和热,测得叶绿素“荧 光值F ,F /F 一(F 一F)/F 。 1.2.3 BPA含量测定 藻液中BPA含量测定:取l mI 藻液置于1.5 mL eppendorf管中,以5 000 r/rain的转速离心1O arin,取上清液,过孔径0.45 txm的PTFE膜,转入2 mI 棕色样品瓶中,4℃避光保存,g4 h内用高效液 相色谱(HPLC)检测。 藻细胞内BPA含量测定:①取l mI 藻液置于 1.5 mI eppendorf管中,以5 000 r/min的转速离心 10 min,弃上清液;②用超纯水悬浮藻液,离心,弃上 清液;③重复步骤②;④用Western及IP裂解液(上 海生工,PI 035)裂解细胞,12 000 g离心5 rain,取 上清液,过孔径0.45 ITI的PTFE膜,转入2 mI 棕 色样品瓶中,4℃避光保存,24 h内用HPI C检测。 1.2.4 藻细胞中可溶性蛋白浓度、SOD活性及 MDA含量测定 藻细胞中可溶性蛋白浓度、超氧化物歧化酶 (S()D)活性和丙二醛(MDA)含量分别采用改良型 BCA法蛋白质浓度测定试剂盒l2 (上海生工, SK3O51)、总S()D活性检测试剂盒(WST法)l2 (碧 云天生物技术研究所,SOLO2)、脂质氧化检测试剂盒 (TBA法)[2 (碧云天生物技术研究所,S0131)测定。 1.3分析方法 1.3.1 高效液相色谱分析条件 样品分离采用C18 WP柱(250×4.6 mm,5 m),柱温为4O℃;流动相为9O 甲醇和lO 水 (体积分数),流速为0.6 mI /min;紫外检测波长为 一.. II1.s一一第5期 杨 璨等:双酚A对铜绿微囊藻生长及生理的影响 23 276 nm;进样体积为1O L,BPA的保留时间约为 6.1 rain。 1.3.2数据分析处理 本文采用excel 2010、SPSS 20.0和origin 9对 检测数据进行统计分析。 2结果与讨论 2.1 BPA对铜绿微囊藻生物量的影响 图1为不同浓度BPA对铜绿微囊藻生物量的影 响试验结果。由图1可见,试验组和对照组藻细胞生 物量总体都呈上升趋势。第1 d时,各试验组与对照 组相比均无明显差异,从第3 d开始,低浓度组(O.5 mg/L,下同)藻细胞生物量高于对照组,高浓度组(2 mg/I 、8 mg/L、16 mg/L、24 rag/L,下同)藻细胞生物 量低于对照组,且差异显著( <0.05),说明当BPA 浓度高于2 mg/L时对藻细胞生长产生了明显的抑制 作用,且随着BPA浓度的增加,抑制作用越显著,这 与楼春口妇研究酰胺类除草剂对铜绿微囊藻生长的影 响和G.J.Zhou等_2妇研究壬基酚和辛基酚对斜生栅藻 生长的影响结果类似;第7 d时,对照组藻细胞生物 量为923.75×10 cells/mL,24 mg/L BPA处理组藻 细胞生物量为737.02×10 cells/mL,抑制率为 2O.2 。可见,低浓度BPA能促进铜绿微囊藻的生 长,表现出毒物兴奋效应;而高浓度组对铜绿微囊藻 的抑制作用与BPA浓度呈正相关。这种毒物兴奋效 应是由于低浓度物质能够改变细胞膜的通透性,使藻 细胞更易吸收培养基中的营养所致[2 。 图1 不同浓度BPA对藻细胞生物量的影响 Fig.1 Impacts of different BPA concentrations on the biomass of M.aeruginosa 2.2 BPA对铜绿微囊藻光合作用的影响 叶绿素a是光合作用的主要色素,本试验考量 第7 d时单位藻细胞叶绿素a的含量见表1。由表 l可见,与对照组相比,高浓度组藻细胞内叶绿素a 含量明显降低,且单位藻细胞叶绿素a含量与BPA 浓度呈负相关,说明高浓度BPA极显著地抑制了藻 细胞内叶绿素a的合成或促进了其分解,叶绿素a 含量降低,直接影响藻细胞对光的捕获以及光合反 应的进行,从而导致光合效率降低,进而影响细胞的 生长;低浓度组单位藻细胞叶绿素a含量与对照组 无显著差别,这说明低浓度BPA只是促进了藻细胞 数量的增殖,没有直接促进叶绿素a的合成。 表1第7 d时不同浓度BPA试验组单位藻细胞 叶绿素a的含量 Table 1 Chlorophyll a contents per cell with different initial concentrations of BPA in the seventh day BPA浓度/ 单位藻细胞叶绿素a含量 (mg・L一 ) (×10一 “g・cell一 ) 2.327士0.017 2.309±0.085 2.196士0.015 2.190士0.032 2.155±0.O23 2.O23士0.083 注: ”表示试验组与对照组比较差异极显著( <O.O1)。 F√F 值为最大光化学量子产量(optimal/ maximal photochemical efficiency of PS II in the dark),它反映PS 11反应中心内原初光能转换效率 或称最大PS II的光能转换效率,非胁迫条件下该参 数的变化极小,胁迫条件下该参数明显下降,可表征 光合作用潜能 。图2为不同浓度BPA对铜绿微 囊藻细胞F / 值的影响试验结果。由图2可见, 第1 d时,所有试验组F /F 值均高于对照组,说明 24 h内BPA对铜绿微囊藻细胞光合活性具有一定 的表观刺激作用,且BPA浓度越低,刺激作用越强 烈;第3 d时,对照组F /F 值升高至0.74,而各试 验组F /F 值均有所下降,24 mg/I BPA试验组 F /F 值仅为0.41,本试验周期内,两者差距达到 最大;第3~7 d内,试验组F /F, 值均低于对照组, 说明藻细胞受到不同程度的胁迫,光合活性被抑制。 光合作用亦是一个信息传递的过程,BPA的出现可 能对光合作用中信号的级联传递产生了干扰,光合 效率下降 。与铜绿微囊藻不同,在BPA胁迫下 单针藻F /F 值则呈上升趋势 ,推测原因为单针 藻作为真核生物,具有叶绿体,其光和活性对BPA 胁迫的响应阈值和方式与原核细胞有所差异,同时 试验中BPA的浓度对其也有所影响。 2.3 BPA对铜绿微囊藻细胞膜的影响 表2为不同浓度BPA作用7 d后对铜绿微囊 24 安全与环境工程 第2l卷 1 3 5 7 时间/d 图2不同浓度BPA对藻细胞F /F 的影响 Fig.2 Impacts of different BPA concentrations on the F ot、 M.aeruginosa 藻细胞MDA含量、可溶性蛋白浓度和SOD活性的 影响试验结果。 丙二醛(MDA)是衡量膜脂过氧化的重要指 标 。由表2可见,在O.5~16 mg/L BPA浓度范 围内,藻细胞MDA含量逐渐增加,显著高于对照 组;2 mg/L和8 mg/L BPA试验组藻细胞MDA含 量基本一致,这可能由于该浓度范围内由BPA引起 的MDA增加量被藻细胞有效清除,继而减少了对 细胞膜的损伤;16 mg/L BPA试验组藻细胞MDA 含量达到最大,为8 mg/I BPA试验组的1.9倍,为 对照组的2.4倍;24 mg/L BPA试验组藻细胞 MDA含量为所有试验组中最低,与对照组相比无 显著差异。试验中在BPA胁迫下藻细胞内MDA 含量逐渐积累,说明生物膜发生了脂质过氧化,稳定 性降低,膜结构和功能受到影响,细胞受到了氧化损 伤;当BPA浓度超过一定限度(高于16 mg/L),过 度过氧化导致膜结构损伤,MDA外渗,因此MDA 含量有所下降。相关研究显示,从单细胞藻类到高 表2不同浓度BPA试验组作用7 d后对铜绿微囊藻细胞 MDA含量、可溶性蛋白浓度和SOD活性的影响 Table 2 Impacts of different concentrations of BPA on MDA content the concentrations of soluble protein,and SOD activity of M.aeruginosa after 7一day exposure BPA浓度/ MDA含量/ 可溶性蛋白浓度/ SOD活性/ (Trig・I 一 )( m・rag一 蛋白) ( g・mi ) (u・mg 蛋白) 0 6.607±0.058 132.749±1.501 3.423±0.166 0.5 8.067±0.252 146.228±1.970 5.533±0.351 2 8.533±0.503 152.076±2.697 6.333±0.153 8 8.533±0.473 143.727士3.446 7.603±0.107 16 16.012±0.298 136.876±3.379 6.114±0.205 24 6.933±0.252 101.947士5.295 1.063±0.043 注:“ ’表示试验组与对照组比较差异显著( <O.05);“…’表示试 验组与对照组比较差异极显著( <0.01)。 等植物,在受到外界胁迫时,生物体内均发生了不同 程度的脂质过氧化l1 j。MDA的形成和积累量 还可以作为细胞内活性氧自由基增多的衡量指 标口 ,在BPA胁迫下,藻细胞内活性氧(Reactive oxygen species,ROs)合成和清除的动态平衡被打 破,藻细胞受到氧化胁迫。 2.4 BPA对铜绿微囊藻SOD活性及可溶性蛋白浓 度的影响 超氧化物歧化酶(SOD)是需氧生物细胞内抗氧 化防御系统中的第一道防线[3 ,是抗氧化防御系统 中清除ROS的关键酶。由表2可见,与对照组相 比,0.5~16 mg/I 的BPA使铜绿微囊藻s()D活力 增强,因为当细胞遭受氧化胁迫时,抗氧化酶活性增 加,以清除细胞内多余的活性氧自由基;而24 mg/I BPA试验组藻细胞S0D活力显著降低,仅为对照 组的31.1 ,表现为显著的抑制作用。这是因为氧 化胁迫超出了藻细胞的防御能力,过量的ROS导致 酶和蛋白质变性,抗氧化酶活性被抑制,藻细胞持续 受到氧化损伤,最终导致细胞死亡,这与孙颖颖 等l_3叩研究的对羟基苯甲酸对米氏凯伦藻SOD活性 的影响结果类似。此外,藻细胞SOD活性在BPA 浓度为8 mg/I 时达到最大,而MDA含量在BPA 浓度为16 mg/I 时达到最大,说明膜系统较S(1)D 对BPA的耐受性更大;SOD活性降低,继而膜损伤 急剧加大,藻细胞正常生理功能受到严重影响。 藻细胞可溶性蛋白浓度与SOD活性变化规律 类似。由表2可见,在0.5 mg/L、2 rag/I 和8 mg/L的BPA作用下,藻细胞内可溶性蛋白浓度相 比对照组都显著增加,这与毕相东等 研究得出的 TTPC处理组铜绿微囊藻细胞可溶性蛋白浓度均低 于对照组的不同,推测由于药物结构及毒性不同所 致;24 mg/L BPA试验组藻细胞可溶性蛋白浓度显 著低于对照组,代晓康口 在研究壬基酚对微小小环 藻生长的影响、张庭廷等 在研究亚油酸对铜绿微 囊藻抑制机理的试验中亦得到了相似的结果。推测 高浓度BPA使藻细胞可溶性蛋白浓度降低的原因 是:①高浓度BPA对铜绿微囊藻产生了胁迫,抑制 了藻细胞生长,藻细胞密度降低,可溶性蛋白浓度降 低;②高浓度BPA导致藻细胞内产生大量ROS,可 能对蛋白质产生毒害作用,使其失活,或直接抑制了 蛋白质的合成;③衰老细胞容易失水,蛋白质亲水胶 体系统的胶粒逐步失去电荷而相互聚集,使得胶体 失水而分散度降低,导致不溶性蛋白质增多 。 2.5铜绿微囊藻对BPA的生物降解作用 研究显示,BPA对藻细胞生长及生理产生影响 第5期 杨 璨等:双酚A对铜绿微囊藻生长及生理的影响 25 的同时,藻细胞对BPA也有去除作用。为了探究铜 绿微囊藻对BPA的生物降解作用,本试验通过 HPLC检测第7 d时铜绿微囊藻胞内和胞外BPA 含量,用初始BPA浓度减去胞内、外BPA浓度总 和,即为藻细胞降解的BPA量,从而计算铜绿微囊 [23 Folmar,L.C.,N.D.Denslow,V.Rao,et a1.Vitellogenin induc— tion and reduced serum testosterone concentrations in feral male carp(Cyprinusca pio)captured near a major metropolitan sew— age treatment plant[J].Environmental Health Perspectives, 1 996,104(10):1096~1101. [33楼春,黄深琪,徐超.铜绿微囊藻去除环境内分泌干扰物1717一雌 二醇的研究EJ].浙江工业大学学报,2O12,40(1):25—29. 藻对BPA的降解率,并以试验中最高浓度(24 mg/I )BPA试验组加入不含藻细胞的BG11培养 E43李纯茂,张勇,俞宁.环境内分泌干扰物研究进展[J].新乡医学 院学报,2006,23(6):641—643. 基作为对照,其试验结果见图3。由图3可见,铜绿 微囊藻对BPA的降解率随着BPA初始浓度的增大 而降低。第7 d时,不含藻细胞的BPA对照组自然 Is]Staples,C.A.,P.B.Dome,G.M.Kleck,et a1.A review of the environmental fate,effects,and exposures of bisphenol A[J]. Chemosphere,1 998,36(10):2149—2173. 降解率仅为0.7 ,而BPA初始浓度为0.5 mg/L 和2 mg/I 的试验组BPA的降解率分别达到100 和46 ,可见铜绿微囊藻对BPA具有较好的降解 [6]Kim,H.S.,S.Y.Han,S.D.Yoo,et a1.Potential estrogenic effects of bisphenol——A estimated by in vitro and in vivo combina—。 tion assays[J].The Journal of Toxicological Sciences,200I, 26(3):lll 118. 作用。铜绿微囊藻对BPA的降解机理推测为:①将 BPA作为能量和营养来源;②BPA能够被藻细胞逐 步分解利用;③藻细胞可以通过共代谢作用将BPA 分解 。 胞外 1 OO广———T_——广—1 [73张琴,包丽颖,刘伟江,等.我国饮用水水源内分泌干扰物的污染 现状分析【lJ].环境科学与技术,2011,34(2):91 96. [8]刘长.大辽河口典型酚类内分泌干扰物的分布特征和生态风险 评价[D].青岛:中国海洋大学,2012. E93刘晶靓.滇池鱼类典型环境内分泌干扰物生物富集及毒性效应 l胞内 口降解 ——1 ——1 可——]≤ 习——1 研究[D].昆明:昆明理工大学,2012. 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