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A.1&2 路氏巴夫藻 Pavlova lutheri;B.1&2 小定鞭金藻 Prymnesium parvum;C. Coccolithophore sp.; D.1 等鞭金藻 Isochrysis、2 叉鞭金藻 Dicrateria;E.1 Phaeocystis sp. Cells、2 Phaeocystis globosa
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图 3 定鞭金藻的代表性物种
Fig.3 The typical species of Haptophytes
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2.2 定鞭金藻有害藻华的毒理学机制及其他环境效应(Toxicological Mechanisms on Harmful Algae Blooms for Haptophytes and Other Environmental Effects) 2.2.1 有害藻华
有害藻华(Harmful Algae Blooms,HABs)事件通常发生于低海拔的上升流 区域(upwelling regions)[15],是由近海藻类种群密度过高而致,且常伴随着毒 素的释放。这会造成当地生态破坏,经济受损,同时会对旅游业﹑养殖业及水域 管理造成不可估量的损失[16]。自 Chrysochromulina polylepis 藻华首次(1988 年) 在欧洲爆发以来,人们开始了对 HABs 的关注[17]。
有害藻华的发生,主要是绿藻门(Chlorophyta)﹑蓝藻门(Cyanophyta)﹑ 硅藻门(Bacillariophyta)、金藻门(Chyosophyta)、定鞭金藻门(Haptophyta)和 甲藻门(Pyrrophyta)的代表性物种单独或混合作用的结果。其中,铜绿微囊藻 ( Microcystis aeruginosa )、 鱼 腥 藻 ( Anabaena sp. )、 汉 氏 菱 形 藻 ( Nitzschia hantzschiana )、 小 等 刺 硅 鞭 藻 ( Dictyocha fibula )、 小 定 鞭 金 藻 ( Prymnesium parvum)和薄甲藻(Glenodinium pulvisculus)是六大门类的代表性物种[18]。对各 代表性藻类进行研究,是实现有害藻华防治的理论依据,也是海洋微型生物生态 学在海洋环境研究及全球气候变化监测等领域的重要内容之一。
2.2.2 有害藻华的爆发及毒理学机制 藻华发生时的有害性主要有两种情况:释放
毒性物质或因藻群繁殖而大量消 耗 水 体 的 溶 解 氧 [19] 。 据 报 道 显 示 , 颗 石 藻 ( Emiliania huxleyi 和 Calcidiscus leptoporus)和棕囊藻(Phaeocystis sp.:P. pouchetii-北极洲,P. globosa-热带和亚 热带海域和 P. Antarctica-南极洲)是有害藻华爆发的主要定鞭金藻类群[15, 20]。通 常认为,有害藻华的发生与光照和温度[21-23]、盐度[22, 24]、N/P 浓度与比例[23, 25-29] 有关,甚至还会受水体中病毒数量、活性等的影响[30]。
目前,对棕囊藻有害藻华的爆发研究比较深入。该藻自身具有毒性,危害较 大。首先,该藻球形群体外围具有一层柔软的胶质被且藻体含多糖,当大量繁殖 形成赤潮时,含胶质和糖的藻体便紧紧贴在鱼鳃上。影响鱼的呼吸和摄食,致使 鱼类窒息,缺氧而死亡。其次,该藻巨大的生物量(尤其是黎明和傍晚时)可造 成水体缺氧导致灾害。再加上藻体和藻细胞死亡腐烂后会产生溶血毒素等有毒物 质,对水体环境的破坏将持续一定时间,严重时会导致鱼类大面积死亡,尤其对 网箱养殖和对虾育苗危害更大。2012 年,南极海域出现大面积海藻爆发,美国 宇航局“大地”卫星上搭载的 Modis 设备拍摄到数张图像。科学家分析造成这次
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事故的主要是棕囊藻[31] 。研究较多的另一有害藻华爆发种是小定鞭金藻(P. parvum)。研究表明,其生长和爆发与生态环境有重要关系。其中,水体盐度与 温度是两个主要因素。当盐度在 0.3-3.0%,温度在 5-30℃时,P. parvum 易对其 他水生动植物产生危害[22, 24]。有研究认为,盐度在 4.0-8.0 ppt 时 P. parvum 易达 到生长峰值[32],而温度为 15-24℃时会发生藻华[33]。
有 害 藻 华 的 爆 发 与 其 对 其 他 生 物 的 毒 害 作 用 往 往 是 一 个 同 步 过 程 。 以 Prymnesium parvum 为例,当环境发生改变时(主要是受食物源的影响),P. parvum 会根据不同的环境条件作出不同的响应。环境中是否存在可供光合生长利用的无 机 N/P 是决定 P. parvum 是否会大量繁殖并产生毒素的关键因素。而藻类的过度 繁殖及对其他生物的危害又会反过来破坏整个生态系统,产生负反馈调节。P. parvum 的生长繁殖及危害机理如图 4 所示。
图 4 P. parvum 生长繁殖及危害机理示意图(综合自文献[34-37])
Fig.4 Schematic diagram about growth-reproduction and toxicological mechanisms of P. parvum
(Summarized from the references [34-37])
2.2.3 定鞭金藻的其他环境效应 定鞭金藻大量繁殖,消耗水体中的溶解氧并释放
有毒物质是其环境效应的一 方面。此外,定鞭金藻会分泌大量的二甲基丙酸噻啶(dimethylsulfoniopropionate, DMSP),该物质具有渗透调节作用(osmoregulation),以抵抗捕食者及抗氧化。 同时,定鞭金藻藻华发生时二甲基硫化物 DMS 是大气中硫的主要贡献者,DMS 具有吸潮作用,使大气中云的密度增加,易形成酸雨。此外,硫化物会以小颗粒
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形式存在,导致太阳光大量返回宇宙中,因此地球气温下降[15, 19, 38, 39]。然而,此 结论有待进一步研究。
定鞭金藻藻华的另一个作用是海洋的钙质沉淀(calcareous sediments)。其中, 钙质石藻(calcareous coccolithophores)是主要贡献者,其优势种是赫氏颗石藻
[15, 40, 41]
(Emiliania huxleyi),但贡献最大的是钙板金藻(Calcidiscus leptoporus)。 2.3 显微技术、流式细胞技术及分子生物学技术等在定鞭金藻研究中的应用
( Application of Microtechnique, Flow Cytometry and Molecular Biotech- nologies Etc. for Haptophytes Research)
微型生物个体极小,成为研究发展的首要障碍。微型生物的研究进展很大程 度上取决于技术的进步。从技术手段来说,微型生物的研究经历了三大“变革”: 以显微技术为基础的观察分析,以流式细胞技术(FCM)为基础的快速测定和 以分子生物学技术为基础的多样性分析与功能基因分析[1]。定鞭金藻作为微型生 物的一支,也经历了以上三个方法学的发展过程。
2.3.1 种群分类及生物多样性分析 按照国际惯用的生物粒级尺度标准,海洋单
细胞浮游生物大致可划分为三 类:网采浮游生物(Netplankton),20~200 μm;纳微型浮游生物(Nanoplankton), 2~20 μm;皮微型浮游生物(Picoplankton),0.2~2 μm[1]。据此,定鞭金藻基本都 属于纳微型浮游生物,如 P. parvum 是一种单细胞微藻,细胞大小为 8-15 μm×4-10 μm(长×宽)[42];棕囊藻细胞呈球形或近球形,直径为 2.5~7.0 μm,但群体胶质 囊大小可达 110~2600 μm[10]。随着更多超微型海洋生物的发现,基于粒级尺度的 划分标准已不适用,但显微技术仍然是微型生物研究必不可少的手段。常用的显 微技术有透射电子显微技术(Transmission Electronic Microscopy,TEM)和表面 (落式)荧光显微技术(Epifluorescence Microscopy,EFM)[43-46]。而流式细胞 技术可以实现对定鞭金藻的快速分类与定量[1, 47]。
虽然分子生物学技术起步较早,但真正被大规模应用于海洋微型生物方面的 研究还是在 90 年代以后,其代表性研究是 Giovannoni 等利用 PCR 扩增 16S rRNA 片段的技术研究了大西洋马尾藻海的浮游细菌群落结构[48]。与传统分类方法不同 的是,分子生物学技术是基于物种遗传物质的异同而进行归类的,正是因为分子 生物学的参与(与形态观察相结合),才使得对定鞭金藻的传统分类有了新突破, 其结果如图 2 所示。根据现有报道显示,被广泛用于定鞭金藻种群分类及生物多 样性分析的分子生物学技术(手段)主要有:PCR 扩增技术[49-51]、DNA 测序技
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攻读博士学位研究计划(范文)
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