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植物化感作用抑制控制蓝藻研究的案例

2018-9-7 17:03:53

公司简介

无锡市天一智者生物科技有限公司是一家专业从事湖泊富营养化、蓝藻水华污染水环境治理生态修复的生物工程公司,重点研究湖泊蓝藻水华污染治理的新技术研发,经过二十年的研究和实践,公司在拥自主知识产权的天然植物源活性物质化感作用(相生相克)抑制蓝藻水华技术领域取得了创新性突破,已申请实用型专利十二项和发明专利十五项,并成为国际和中国植物化感作用专业委员会成员。

目前,公司以中国植物保护学会植物化感作用专业委员会、中国农业科学研究院为依托,与中科院水生生物研究所、中科院南京地理与湖泊研究所、江南大学、南开大学元素有机化学研究所、南京大学、河海大学、中国药科大学和西北农林科技大学等国内外知名院所建立了长期合作关系,本着“一流团队、开拓创新、顶端技术、优质服务”的理念,开展湖泊蓝藻水华专项治理、水生态修复综合性治理工作。近十五年来,公司在湖泊水库蓝藻水华专项治理、河道治理、流域水环境综合治理、景观水体生态修复、人工湿地构建等完成了30余项各省市相关业务,取得了良好的生态效益、社会效益和经济效益。公司本着“共有、共治、共建、共享、共存”的生态环境理念,做到水清、水优、水活、水美、水生态,还一个清澈、自然的水世界。

专利证书


研究背景

近三十年来我国太湖、巢湖以及滇池蓝藻水华多次大面积暴发,水体富营养化导致部分蓝藻以及其他水生生物大量繁殖,造成水体透明度下降,产生异味,水体功能遭到破坏。如何采取合理手段控制蓝藻异常繁殖,安全,有效,快速抑制、防治、控制、扼制、灭杀大面积水华暴发,已成为当前我国湖库水环境与水资源保护研究亟待解决的问题之一。


蓝藻水华——微囊藻毒素(MC)

蓝藻又称蓝细菌,是最原始、最古老的光合自养型藻类植物,蓝藻水华暴发是富营养化水体在较高温度(24℃~34℃)时以蓝藻为主的藻类,大量增殖,在较短时间内以群体方式浮于水面或聚集于水体上层形成一层藻密度较高且面积较大的蓝藻层现象,在水文及风力作用下聚集于下风处蓝藻群的藻密度更高,蓝藻水华暴发大量死亡后,会消耗大量溶氧,并释放羟胺、硫化氢等有难闻气味的物质。


除了降低水体透明度,减少溶解氧和扰乱水生态平衡外,蓝藻细胞死亡后会释放多种生物毒素,其中一类毒性最强的生物毒素——微囊藻毒素(microcystin ,简称MC)最为常见,危害最大,并受到广泛关注。



已知的微囊藻毒素有90多种异构体,微囊藻毒素专一性地与细胞(如肝、肾)内的蛋白磷酸酶结合,在致死剂量暴露的情况下,15~60min之内即发生不可逆的器官损伤。微囊藻毒素能有效终止神经和肌肉的功能而不引起组织显微结构的破坏,而其他一些毒素直接破坏和损伤组织,对这些毒素,我国生活饮用水标准限制饮用水MC浓度标准为1μg/L。

植物战争中的化学武器——化感效应植物化感间的作用

绚烂多彩的生物世界是人类赖以生存和发展的重要物质基础。植物产生于迄今20~30亿年前,它们相互依赖,相互促进,种类不断增加,种群不断壮大,到目前为止约有40余万种。但是自然资源是有限的,为了争夺光、土壤、营养等有限资源,植物间种内或种外(含微生物和昆虫)展开了一场激烈的战争,而武器就是经过千百年进化而形成的——“化感物质”。

★公元1世纪罗马博物学家Pliny在《博物学》叙述了胡桃树的“树荫”是“令人忧伤的,甚至会引起人的头疼和损伤种在其附近的各种植物”,四千多年来一直不能做出合理解释,“胡桃树下不长草”也就成了千古之谜。谚语有云:“苹果遇核桃,肥猪遇钢刀”。苹果树如果和核桃树种在一起,苹果树的死亡率是70%。

★春秋战国《吕氏春秋》中有云:“桂枝之下无杂木”,是因为桂枝辛辣刺激的原因,但是桂枝能杀死其他草木,自然是它的本性,而不是因为它的辛辣刺激。

★北魏《齐民要素》中提到“慎勿于大豆地中种芝麻”。

★东汉《神农本草经》日:“树得桂而枯”。《汜胜之书》记载种桑法:“每亩以黍、椹子各三升合种之。黍、桑当俱生”。

★宋《物类相感志》中记载“芝麻骨插竹园,竹不沿出”。《雷公炮炙论》中所说:“以桂为丁,以钉木中,其木即死”,一丁至微,未必能螯大木,自其性相制耳。

★元《农桑辑要》中记载“桑间可种田禾,桑发黍,黍发桑”。

★每年端午时节,我国老百姓将艾叶和菖蒲插于门楣或悬于堂中,“手执艾旗招百福,门悬蒲剑斩千邪”,是古老的端午习俗,有驱虫去病之效。

综上所述,国内外很早以前即发现了植物间相生相克现象,只是不知道真正发挥作用的是植物自身分泌的——“化感物质”,植物生化武器多种多样,大多分布在根、茎、叶、花、果实、种子中。

天然产物化学植物化感作用——植物活性物质

植物化感作用这一概念是由奥地利科学家Molisch在1937年首次提出,主要是指植物之间相互作用的化学关系,直到1974年,美国科学家Rice 出版了植物化感作用的经典著作Allelopathy,并定义植物化感作用为一种植物通过向环境释放化学物质而对另一种植物(包括微生物)做产生的直接或间接的伤害作用,相互作用的化学物质就称为化感物质。

化感物质又称活性物质,属于植物“次生代谢物”,是基本代谢产物(核酸、蛋白质、糖和脂)经由莽草酸或乙酰辅酶A次生代谢途径转化成一系列非生长发育所必需的小分子有机质。按照性质、来源和生物合成途径被分为生物碱、非蛋白氨基酸、萜类、和酚类等基本类型,下图是次生代谢物合成途径。


关于“核桃树下不长草”之谜19世纪后期才有学者推论,树下植物是被雨水从胡桃树叶上淋下的毒汁而致死。确定是高毒物质胡桃醌杀死了树下植物这一谜底直到20世纪30年代才被揭开,即胡桃树的叶和皮能释放出无毒的——“葡萄糖苷萘酚”被雨雾淋溶到地上经土壤微生物作用水解和氧化成毒性的胡桃醌而杀死树下植物。胡桃树化感作用研究已成为一个经典范例。


高活性化感物质“胡桃醌”形成机理

20世纪60年代美国生态学家Muller和Rice加利福尼亚州发现的一种白叶鼠尾草和临近草本植物之间总存在1~2m的土壤裸露带,且呈周期性出现,经过近10年研究发现这种现象主要原因是白叶鼠尾草能释放出蒎烯、桉树脑和樟脑等萜类化合物,直接或经水雾淋溶到附近土壤中,使草本植物种子萌发和生长发育受到致命影响,从而揭示了这一自然现象是植物化感作用所致。

1975年“国际化学生态学会”在美国宣告成立,极大的推动了全球植物化感作用的研究,“中国植物保护学会植物化感作用专业委员会”也于2005年正式成立,并成功举办八届学术研讨会,植物化感作用的研究在世界范围内得到重视,并取得了许多重要的成果。

植物化感作用抑制控制蓝藻研究

1水生植物对蓝藻抑制的研究

近代科学研究发现,在一些水生植物密集生长的区域内,蓝藻水华爆发的频率和面积远小于该水域其他区域。科学家在排除其他可能因素后认为,许多水生植物在生长过程中对蓝藻繁殖产生明显的抑制作用,这种抑制作用属于植物化感作用范畴。常见的具有抑制蓝藻化感作用的水生植物如下表:

水生植物化感作用抑制蓝藻种类和化感作用物质

  ——边归国2012《水生植物对藻类的化感抑制作用及机理》

分类

植物名称

抑制藻类

化感抑藻物质

浮叶

植物

凤眼莲

铜绿微囊藻

亚油酸、亚油酸甘油脂、N-苯基-1-萘胺、N-苯基-2-萘胺、苯并茚酮、非那烯、双非那烯、壬酸、丙酰胺、β-D-脱水吡喃糖

水浮莲

铜绿微囊藻

间苯二酚

挺水

植物

菖蒲

水华鱼腥草

铜绿微囊藻

α-细辛醚、β-细辛醚、γ-细辛醚、反式-异丁子香酚甲酯

石菖蒲

水华鱼腥草

1,2-二甲氧基-4-(E3,-甲基环氧乙烷基)苯、1,2,4-三甲氧基-5-(E3,-甲基环氧乙烷基)苯、α-细辛醚、β-细辛醚、γ-细辛醚

香蒲

铜绿微囊藻

鱼腥藻

棕榈酸、胆固醇油酸脂、2-氯酚、水杨醛、亚油酸、α-亚麻酸、18碳脂肪酸、β固甾醇,20(s)-4α-甲基-24亚甲基胆甾-7-烯3-β-醇、咖啡酸、β-香豆酸、没食子酸、β-紫罗兰酮、棕榈醛

芦苇

铜绿微囊藻

2-乙酰乙酸乙酯、戊酮酸乙酯、香豆酸、阿魏酸、香草酸、芥子酸、咖啡酸、丁香酸、原儿茶酚酸、没食子酸、豆蔻酸、棕榈酸、正壬酸、硬脂酸

沉水

植物

马来眼子菜

铜绿微囊藻

壬酸、油酸、癸酸、月桂酸、α-亚麻酸亚油酸、豆蔻酸、棕榈酸、硬脂酸

蓖齿眼子菜

微囊藻

邻苯二甲酸二异辛酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸丁酯-2-甲基丙脂、半日花烷型二萜类

苦草

纤细席藻

铜绿微囊藻

4氧代-β-紫罗兰酮、二氢猕猴桃内酯、2-乙基-3甲级顺丁烯二酰亚胺、癸酸、月桂酸、棕榈酸、硬脂酸、苯甲酸、对羟基苯甲酸、对羟基苯乙酸、邻苯二甲酸、对羟基苯丙酸、香草酸、原儿茶酸、阿魏酸、咖啡酸

黑藻

铜绿微囊藻

水华鱼腥草

邻苯二甲酸二异辛酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸丁酯-2-甲基丙脂、癸酸、月桂酸、棕榈酸、硬脂酸

伊乐藻

铜绿微囊藻

2-乙基吡嗪、2-乙基-5-甲基吡嗪、吲哚、烟碱、5-甲基噻唑、7-甲基喹啉、2,4二甲氧基嘧啶、9H-吡啶吡[3,4-b]吲哚、1,2,3,4-四氢酚嗪、癸酸、月桂酸、棕榈酸、硬脂酸

穗花狐尾藻

铜绿微囊藻

水华鱼腥草

焦棓酸、没食子酸、(+)-儿茶素、正壬酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、硬脂酸、油酸

粉绿狐尾藻

铜绿微囊藻

壬酸、烯酸、焦蓓酸和五倍子酸

金鱼藻

蓝藻门

鱼腥藻

铜绿微囊藻

N-苯基-2-萘胺、脱氢枞酸甲酯

普生轮藻

微囊藻

亚油酸、软脂酸、豆蔻酸

湿生

植物

水稻

铜绿微囊藻

邻苯二甲酸二丁酯、水杨酸

★孙文浩等(1988)在排除水葫芦和蓝藻对光和矿物质营养竞争的影响条件下,证明水葫芦对蓝藻表现了明显的抑制,这主要是由于水葫芦根系分泌了比商用杀藻剂硫酸铜还要强的化感物质N-苯基-1-萘胺、N-苯基-2-萘胺等,这些化感物质能使蓝藻的的光合作用速率显著降低,叶绿素被破坏,细胞还原TTC的能力下降导致蓝藻的生长受到显著的抑制作用。

2陆生植物对蓝藻抑制的研究

对比水生植物,陆生植物所产生的化感物质具有很高的相似性和同源性,所以从陆生系统中提取化感物质应用于水生生态系统依然有很强的研究价值。

★马樱丹属的落叶所含的活性物质主要是马缨丹甲素和马缨丹乙素,两种化合物即使在较低浓度也能明显抑制凤眼莲和铜绿微囊藻的生长,并且抑制活性都高于水杨酸。

★加拿大韭菜对蓝绿藻有化感作用。韭菜浸提液对铜绿微囊藻生长影响的实验表明,高温处理的鲜韭菜水溶性对铜绿微囊藻存在明显的抑制作用。培养7 d后,高温处理的鲜韭菜水溶性浸提液对铜绿微囊藻的抑制率与浸提液浓度的对数线性相关。

★大麦秆也被用于抑制蓝藻异常繁殖,实验报道显示I%的大麦杆浸出液就能对微囊藻起到显著的化感作用,而浸出液中木质素成分通过氧化分解得到酚类化合物是起化感作用的主要物质成分,且抑藻作用持续时间长。

★李楠等(2009)证明了三种木本植物广玉兰、龙爪槐和黄杨对本地分离的铜绿微囊藻具有明显的抑制作用。通过对其中抑藻作用最为明显的广玉兰叶片提取物的筛选,成功地从中分离得到几种醇类、酮类和酯类化感物质。

★徐芙清等(2010)实验比较了3种常见陆生菊科植物野艾蒿、小白酒草和杭白菊的抑藻能力,结果表明野艾蒿和杭白菊(后期为残体)对铜绿微囊藻抑制能力较强,提取野艾蒿干粉中的抑藻活性物质并进行生物检测,结果显示挥干溶剂后提取物都有较强抑藻能力。

3中草药天然植物对蓝藻抑制的研究

《神农本草》《蜀本草》《本草纲目》《伤寒论》这些传统中医学都认为药草植物是陆生植物中的精华,试验证明中草药也具有化感抑藻作用,这些“次生代谢物”活性物质种类和含量比普通植物更多。

玉竹为百合科多年生草本植物,根状茎含玉竹粘多糖,Kim等(2006)用含有氮杂环丁烷羧酸的玉竹提取液测试对鱼腥藻和微囊藻生物活性的影响,结果显示化感抑制率高达92%。

Zhou等(2007)曾研究五种中草药对藻类的抑制作用,结果表明黄连抑制效果最明显。当黄连浓度为0.30%时,1小时后对藻细胞的抑制率已经接近100%,浓度为0.096%对藻类48 h的抑制率最高为99.3%,后又发现大蒜同样对藻类也具有抑制作用。

化感物质抑藻机理

水生植物化感抑藻研究的专家中国科学院水生生物研究所吴振斌老师在其所著《大型水生植物对藻类的化感作用》一书中总结了化感物质抑制蓝藻机理主要有以下四个:


化感抑藻实验机理分析

★李锋民等(2007)向铜绿微囊藻中加2-甲基乙酰乙酸乙酯(EMA),质壁出现分离现象,细胞壁从细胞上脱落,细胞膜受到破坏,细胞质渗出细胞外,片层结构被破坏色素体杂乱分布在细胞质内,透明体核区被破坏,并被挤到细胞一侧。


EMA对铜绿微囊藻亚显微结构的影响

★靳翠丽等(2011)向铜绿微囊藻中加广玉兰提取物,藻细胞叶绿素显著减少,细胞膜透性显著增强,细胞膜结构也发生了改变,具体表现为:细胞变形,质膜皱缩甚至断裂,中央拟核区不明显直至消失,叶绿素排列松散无序。



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