不同暴露方式下水生植物化感物质抑藻效应的比较研究

2015-12-06 09:43高云霓葛芳杰刘碧云鲁志营何燕张甬元吴振斌
生态环境学报 2015年4期
关键词:化感微囊苯基

高云霓,葛芳杰,刘碧云*,鲁志营,何燕,张甬元,吴振斌

1. 河南师范大学水产学院,河南 新乡 453007;2. 中国科学院水生生物研究所//淡水生态与生物技术国家重点实验室,湖北 武汉 430072

不同暴露方式下水生植物化感物质抑藻效应的比较研究

高云霓1,2,葛芳杰2,刘碧云2*,鲁志营2,何燕2,张甬元2,吴振斌2

1. 河南师范大学水产学院,河南 新乡 453007;2. 中国科学院水生生物研究所//淡水生态与生物技术国家重点实验室,湖北 武汉 430072

为研究水生植物释放的化感物质在生态水平上的有效作用模式,选择水生植物释放的壬酸、N-苯基-1-萘胺和咖啡酸等不同类型化感物质,比较高剂量单次暴露与低剂量多次暴露对铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)生长的影响,探讨化感物质不同投加频次、剂量和光暗条件等对多次暴露抑藻效果的影响。结果显示,3种化感物质以2 h为间隔、分5次、每次添加0.5 mg·L-1的方式暴露时均表现出比以总剂量2.5 mg·L-1单次暴露更强的抑藻效果,在实验的第7天壬酸、N-苯基-1-萘胺和咖啡酸的抑藻率是单次暴露组的1.8、1.1和1.6倍。以1 h间隔、10次暴露的壬酸和N-苯基-1-萘胺,抑制率随着单次添加量的减少而降低,但在单次暴露剂量低至0.1 mg·L-1时两种物质仍能显著抑制铜绿微囊藻的生长,第7天N-苯基-1-萘胺的平均生长抑制率仍可以达到50.25%。壬酸和N-苯基-1-萘胺在铜绿微囊藻生长的黑暗阶段多次暴露比在光照阶段的抑藻效果好,第3天的平均抑制率分别是是光照阶段的2.2和1.3倍。上述结果表明,水生植物释放的化感物质可以通过低剂量多次暴露实现比高剂量单次暴露更强的抑藻效果。因此,加强对化感物质多次暴露方式下抑藻作用的研究将推动自然环境中水生植物化感作用生态机制的进一步揭示,有利于指导水生植物化感作用的理论研究和实践应用。

壬酸;N-苯基-1-萘胺;咖啡酸;多次暴露;铜绿微囊藻

水生植物是健康水生态系统中主要的初级生产者,对维持水生态系统的结构和功能具有重要作用,除了可以吸收水中营养物质,为其他生物提供生境外,还能释放化感物质抑制周围藻类的生长(吴振斌等,2011)。由于化感物质大都为植物的次生代谢产物,在自然水体中易降解,生态安全性好,因此利用化感活性水生植物及其化感物质控制藻类生长,恢复水生植物占优势的清水稳态生态系统被认为是一种行之有效且生态安全的策略(Hilt等,2008;Shao等,2013)。大量野外原位实验和室内控制实验广泛证实芦苇(Phragmites communis)、香蒲(Typha angustata)、水葱(Scirpus validus)等挺水植物,穗花狐尾藻(Myriophyllum spicatum)、伊乐藻(Elodea nuttallii)、眼子菜(Potamogeton spp.)等沉水植物对藻类尤其是有害蓝藻铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)均具有很强的化感抑制活性(Li和Hu,2005;Erhard和Gross,2006;Nakai等,2012;胡陈艳等,2010)。酚酸、脂肪酸、生物碱、类萜等类别的化感物质不断地从水生植物体内及其分泌物中被分离出来,并得到鉴定(Waridel等,2004;Nakai等,2005;Gao等,2011;孙文浩等,1993)。

前期的草藻共培养系统中,1 g·L-1(以FW计)的穗花狐尾藻就能显著抑制铜绿微囊藻的生长,而以100 g·L-1(以FW计)密度培养的穗花狐尾藻种植水对铜绿微囊藻的生长没有显著影响(Nakai等,1999)。我们的早期实验也发现,马来眼子菜(Potamogeton malainus)与斜生栅藻(Scenedesmus obliquus)共培养系统中,2.5 g·L-1(以FW计)的马来眼子菜即可显著抑制起始密度为 7×107cells·L-1斜生栅藻的生长,而3.75 g·L-1(以FW计)的眼子菜种植水仍不会影响斜生栅藻的生长(Wu等,2007)。比较而言,草藻共培养系统能更好地模拟自然水生态系统中水生植物与藻类的共存状态,活体水生植物可以实时释放化感物质抑制藻类生长。而植物种植水中仅含有植物已释放到水中的化感物质,却没有化感物质的补充和累积,其含量可能不足以影响到藻类的生长。我们的前期研究显示沉水植物轮叶黑藻(Hydrilla verticillata)和苦草(Vallisneria natans)种植水中单种酚酸的质量浓度不超过50 μg·L-1(Gao等,2011)。在穗花狐尾藻种植水中检测到的质量浓度最高的化感物质鞣花酸也仅有76.6 μg·L-1(Nakai等,2000)。

常用的化感物质抑藻活性测试方法与大部分种植水抑藻实验方法类似,即在暴露开始时一次性添加一定剂量的化感物质到受试藻液中,然后观察藻体生长和生理参数对化感物质的响应,最常用的指标即化感物质对藻类生长和生理指标的半数抑制浓度EC50(Xiao等,2014;张庭廷等,2009)。根据这种测试评价体系,已发现的抑藻活性最强的水生植物化感物质的EC50大都在0.5 mg·L-1以上(Nakai等,2000,2005;Li和Hu,2005),显著高于目前所检测到的种植水中化感物质的含量。由此我们推测,水生植物释放到水中的化感物质对藻类的抑制作用可能具有持续累积效应,而不是高剂量一次性的作用。

为了验证这个假设,本研究选择了壬酸、N-苯基-1-萘胺和咖啡酸等常见的水生植物化感抑藻物质,比较单次与多次暴露对铜绿微囊藻生长的抑制效果,并从暴露频次、暴露剂量和暴露条件等方面初步探讨水生植物释放化感物质抑制藻类生长的作用模式,以期从生态水平上揭示水生植物的化感抑藻机制,为其科学应用于受损生态系统的修复和有害藻华的生态控制提供更加充分的理论指导。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验藻种铜绿微囊藻(FACHB 905)购自中国科学院水生生物研究所淡水藻种库,纯培养期间为单细胞形态。保种和实验期间均用无菌BGII培养基在2000 lx,12 h∶12 h光暗比,(25±1) ℃的条件下培养。每天早晚各手工振摇1次。抑藻测试采用对数生长期的铜绿微囊藻细胞。

实验所选水生植物的典型化感物质包括壬酸(N5502-25G, φ≥97%, Sigma, Germany)、N-苯基-1-萘胺(104043-500G, 98%, Sigma-Aldrich, Germany)和咖啡酸(C0625-5G, φ≥98%, Sigma, Germany)。母液配制溶剂为分析纯二甲亚砜(Tidea, America)。

1.2 化感物质暴露方式设置

为比较化感物质一次性暴露与多次暴露方式对铜绿微囊藻的抑制效应,实验一以壬酸、N-苯基-1-萘胺和咖啡酸3种化感物质为对象,参照72 h抑藻测试所得化感物质对铜绿微囊藻生长的有效抑制浓度,确定化感物质暴露总量为2.5 mg·L-1。每种物质设置2个处理组,其中单次暴露组在实验开始就一次性添加化感物质,使其在藻液中的终质量浓度为2.5 mg·L-1,多次暴露组则在实验开始后以2 h间隔分5次每次添加0.5 mg·L-1。

为研究化感物质不同暴露频次下的抑藻效应,实验二以壬酸为代表,设置4个处理组。组1为实验时按2.5 mg·L-1质量浓度一次性投加;组2以2 h间隔分 2次投加,每次投加质量浓度为 1.25 mg·L-1;组3以2 h间隔分5次投加,每次投加质量浓度为0.5 mg·L-1;组4以2 h间隔分8次投加,每次投加质量浓度为0.31 mg·L-1。每个处理组投加的壬酸总量均为2.5 mg·L-1。

为探讨多次暴露方式下化感物质添加剂量与抑藻效果间的关系,实验三选择壬酸和N-苯基-1-萘胺 2种化感物质为研究对象,每种物质设置 3个多次暴露组,每次添加量分别为0.25、0.2和0.1 mg·L-1,均以1 h间隔分10次添加,得到暴露总量分别为2.5、2.0和1.0 mg·L-1。

为探讨光暗条件对多次暴露化感物质抑藻效果的影响,实验四选择壬酸和N-苯基-1-萘胺2种化感物质为研究对象,每种物质均设置2个多次暴露组,分别于铜绿微囊藻的光培养阶段和暗培养阶段,以2 h间隔分5次每次添加0.5 mg·L-1投加化感物质,暴露总量均为2.5 mg·L-1。

1.3 抑藻测试

参照ISO8692标准采用250 mL锥形瓶进行抑藻测试,将一定量溶解在二甲亚砜中的壬酸或 N-苯基-1-萘胺或咖啡酸母液按实验设置添加到铜绿微囊藻培养液中。每种物质的每个实验均设置 1个溶剂对照组,助溶剂二甲亚砜的含量与处理组相同,均为0.02%,该浓度的助溶剂不会影响铜绿微囊藻的生长。接种藻液起始密度为 1×106cells·mL-1,每次添加完锥形瓶均用透气封口膜密封,置于光照培养箱在2000 lx,12 h∶12 h光暗比,(25±1) ℃的条件下培养。每个处理和对照均设置3个平行。每天定时取样测定对照和处理中的藻液光密度值(OD650)。

1.4 数据分析

分别用Microsoft Excel 2010和Origin Pro 8.0对实验数据进行基本分析和绘图,不同处理之间的差异采用SPSS 13.0软件中的单因素方差分析和重复测量方差分析,多重比较采用Tukey检验。

2 结果与分析

2.1 单次与多次暴露化感物质抑藻效果比较

2.5 mg·L-1的壬酸、N-苯基-1-萘胺和咖啡酸均显著抑制铜绿微囊藻的生长(图1A, B, C)。在没有添加化感物质的对照组中,铜绿微囊藻从第 3天开始就进入快速分裂阶段,到第7天实验结束,藻液光密度值仍在不断升高。化感物质处理组,无论是单次暴露还是多次暴露,从第3天开始,藻细胞生长曲线与对照组间呈现显著差异(P<0.05),铜绿微囊藻的生长受到明显抑制,显示壬酸、N-苯基-1-萘胺和咖啡酸较强的抑藻活性。壬酸和咖啡酸单次暴露组铜绿微囊藻的生长曲线从第 5天开始上升,而N-苯基-1-萘胺暴露组铜绿微囊藻生长曲线直到第7天仍没有明显上升趋势。说明N-苯基-1-萘胺对铜绿微囊藻生长的作用时效比相同剂量水平的壬酸和咖啡酸长。

图1 壬酸(A)、N-苯基-1-萘胺(B)和咖啡酸(C)单次和多次暴露下铜绿微囊藻的生长曲线(n=3)Fig. 1 Growth curves of M.aeruginosa exposed once and repeatedly to nonanoic acid (A), N-phenyl-1-naphthylamine (B) and caffeic acid (C) (n=3)

与单次暴露相比,壬酸、N-苯基-1-萘胺和咖啡酸 3种化感物质多次暴露对铜绿微囊藻生长的抑制作用更强。从第5天开始,多次暴露组与单次暴露组的铜绿微囊藻生长曲线呈现显著差异。到第7天,壬酸、咖啡酸和 N-苯基-1-萘胺单次暴露组的平均藻细胞生长抑制率分别为 27.76%、38.16%和72.46%,多次暴露组则依次为51.29%、60.39%和 80.92%。由此说明化感物质低剂量多次暴露产生的抑藻效果比一次性高剂量暴露强,相比一次性暴露,低剂量多次暴露抑藻效应更持久。

2.2 不同频次暴露化感物质对铜绿微囊藻生长的抑制效应

图 2显示不同暴露频次下化感物质壬酸对铜绿微囊藻生长的抑制率,第3天到第7天,各个处理组的抑制率由小到大依次为组 1<组 2<组 4<组3<组5。组1为单次暴露组,对铜绿微囊藻生长的最高抑制率出现在第5天,为40.5%。其余3个多次暴露组的抑藻率均高于单次暴露组。组2、组3和组4的暴露间隔时间均为2 h,单次暴露量依次减少,暴露次数依次增多,而抑藻效果最好的是组3,第5天平均抑制率达到52.43%,而组2和组4第5天的平均抑制率分别为45.49%和47.99%,显著低于组3(P<0.05)。

2.3 不同剂量多次暴露化感物质对铜绿微囊藻生长的影响

由图3可见,对照组铜绿微囊藻从第2天开始进入快速生长阶段,光密度值从0.1升高至第7天的0.6。2种物质的3个处理组铜绿微囊藻的生长曲线均显著缓于对照组,其抑制活性均随着添加量的减少而降低。壬酸对铜绿微囊藻生长的抑制程度随添加量减少而明显减弱。单次添加量0.25 mg·L-1的暴露组藻细胞停滞期延长到第4天,第5天和第7天的抑制率分别为78.81%和63.74%;单次添加量0.2 mg·L-1的暴露组铜绿微囊藻生长停滞期延长至第3天,第5天和第7天抑制率分别为72.32%和41.36%;单次添加量0.1 mg·L-1的暴露组铜绿微囊藻的生长也受到了抑制,但明显没有前两个暴露组活性强,第3天抑制率仅为45.35%。随着单次暴露剂量的降低,铜绿微囊藻的生长速率恢复得越来越快,0.2 mg·L-1暴露组在第6天抑制率开始降低,0.1 mg·L-1处理组从第5天抑制率就开始迅速降低。

图2 不同暴露频次下壬酸对铜绿微囊藻生长的抑制率(n=3)Fig. 2 Growth inhibition ratio of M.aeruginosa exposed to nonanoic acid in different frequency (n=3)

图3 壬酸(A)和N-苯基-1-萘胺(B)不同剂量多次暴露下铜绿微囊藻的生长曲线(n=3)Fig. 3 Growth curves of M.aeruginosa repeatedly exposed to nonanoic acid (A) and N-phenyl-1-naphthylamine (B) at different concentrations (n=3)

添加总量2.5 mg·L-1的N-苯基-1-萘胺暴露组对铜绿微囊藻生长的抑制作用最强,到第7天光密度值仅为 0.13。以对照为本底计算该处理组第 3天、第 5天和第 7天的抑制率依次为 29.40%、73.34%和 79.68%。N-苯基-1-萘胺添加总量 2 mg·L-1的暴露组单次添加量为0.2 mg·L-1,对铜绿微囊藻的生长也有显著抑制,停滞期延长到第 4天,第 5天和第 7天抑制率分别为 58.28%和67.64%。总添加量降为1 mg·L-1时,单次添加量为0.1 mg·L-1的N-苯基-1-萘胺暴露组,相比前2个处理组,对铜绿微囊藻生长的抑制程度有所降低,但与对照相比铜绿微囊藻的生长仍受到明显抑制,第5天和第7天抑制率分别达到49.42%和50.25%。

2.4 光照和黑暗阶段多次暴露化感物质对铜绿微囊藻生长的影响

如图4所示,2种化感物质在黑暗阶段多次暴露对铜绿微囊藻生长的抑制率显著高于光照阶段(P<0.05)。其中壬酸光照阶段暴露组平均抑制率随时间呈抛物线形式,从第1天到第4天逐渐上升,然后缓慢下降。而黑暗阶段暴露组壬酸对铜绿微囊藻的平均生长抑制率逐渐升高,到第 7天达到63.64%。光照阶段多次暴露的N-苯基-1-萘胺对铜绿微囊藻生长的抑制活性随时间逐渐增强,第 3天抑制率达到50.68%,第7天达到90.31%;黑暗阶段多次暴露抑藻活性更强,第 3天抑制率达到67.89%,随后一直升高,第7天达到91.13%。尽管N-苯基-1-萘胺表现出比壬酸更强的抑藻活性,但 2种物质在黑暗阶段多次暴露均比光照阶段多次暴露能更好地抑制铜绿微囊藻的生长。

3 讨论

实验室实验和自然水体中的原位实验均证实共存状态下水生植物可以高效抑制藻类的生长,而移走植物后没有更新或补充的种植水对藻类的生长影响却不显著(Nakai等,1999;Wu等,2007),造成这种差异最可能的原因就是后者不存在化感物质的持续补充和累积。本研究中选择了壬酸、N-苯基-1-萘胺和咖啡酸 3种水生植物常见化感物质,发现在显著降低暴露剂量的情况下,分多次暴露的化感物质对铜绿微囊藻生长的抑制效果不比高剂量单次暴露差,反而随着时间的延长,表现出更强的抑制效应。壬酸在沉水植物穗花狐尾藻和伊乐藻种植水中均有检测到,为抑藻活性较高的一种脂肪酸类化感物质(Nakai等,2005;Gao等,2014)。咖啡酸在沉水植物伊乐藻、苦草和轮叶黑藻体内及其种植水中都有检测到,是一种活性较强的酚酸类化感物质(Gao等,2011,2014)。N-苯基-1-萘胺很早就从室内培养和野外种植的凤眼莲分泌液中分离鉴定到(孙文浩等,1993),近期我们又从伊乐藻、轮叶黑藻和苦草种植水中检测到,与其同系物N-苯基-2-萘胺一样,具有较强的抑藻活性,属于含氮化合物。不同来源、不同结构和性质的 3种化感物质均在低剂量多次暴露时表现出比高剂量单次暴露更强的抑藻效果,证实我们关于水生植物对藻类的化感抑制作用具有持续性和累积性的假设。

图4 光照和黑暗阶段多次暴露壬酸(A)和N-苯基-1-萘胺(B)对铜绿微囊藻生长的抑制率(n=3)Fig. 4 Growth inhibition ratio of M.aeruginosa repeatedly exposed to nonanoic acid (A) and N- phenyl-1-naphthylamine (B) under light and dark phase (n=3)

为了进一步验证多次暴露的抑藻作用,我们比较了不同频次暴露壬酸对铜绿微囊藻的抑制作用,结果显示,无论是分2次、5次还是8次的多次暴露组,壬酸对铜绿微囊藻生长的抑制率都显著高于单次暴露组。而在多次暴露组中,抑藻效果的强弱与暴露次数、间隔时间和暴露剂量均有关。在固定间隔时间和暴露总量的情况下,壬酸抑藻效果并不总是随着暴露次数的增加而加强,而是5次暴露强于8次暴露的抑藻效果。造成这种结果的主要原因可能与单次暴露剂量的降低有关,8次暴露间隔2 h每次暴露量仅为0.31 mg·L-1。Lu等(2014)在研究焦性没食子酸对铜绿微囊藻的抑制作用时,发现若按每日1次的添加频率,单次添加量必须在0.5 mg·L-1以上才能有效抑制铜绿微囊藻的生长。当我们将间隔时间缩短到1 h,单次暴露量即使降低到0.1 mg·L-1,壬酸和N-苯基-1-萘胺仍能实现对铜绿微囊藻生长的高效抑制。由此可见,在间隔时间一定时,单次暴露有效剂量也存在一个阈值。

事实上,剂量-效应关系广泛存在于水生植物及其化感物质的抑藻作用中。暴露在 0.5、2.0和8.0 mg·L-1芦竹碱中的铜绿微囊藻细胞密度分别为对照组的44%、4%和1%(Hong等,2009)。芦苇化感抑藻物质 2-甲基乙酰乙酯对三角褐指藻的抑制效果也随着暴露浓度的增加而增强(Yang等,2011)。焦性没食子酸对柱孢藻生长、氧化胁迫和相关基因表达的影响均随着暴露浓度的增加而增强(Wu等,2013)。壬酸和N-苯基-1-萘胺2种物质不同剂量多次暴露的实验结果也显示,添加频次一定,化感物质的抑藻活性随着单次添加剂量的减少而减弱。但是与高剂量单次暴露相比,单次添加剂量低至100 μg·L-1时的壬酸和N-苯基-1-萘胺仍能显著抑制铜绿微囊藻的生长,这个剂量已非常接近水生植物化感物质的释放量(Nakai等,2000;Gao等,2011)。这再次证明水生植物对藻类的有效抑制很有可能通过化感物质在剂量和作用上的持续累积效应实现。

光照是影响包括水生植物和藻类等光合生物生长和代谢的一个重要因素。我们的前期研究显示光照的强弱不仅影响水生植物的生长和初生代谢,也会影响水生植物次生代谢产物的合成和释放(葛芳杰等,2012)。低光照下穗花狐尾藻主要的酚酸特里马素 II在植物组织中的含量比高光照下更高(Gross,2003)。穗花狐尾藻释放的 5种酚酸和3种脂肪酸在低光照下对铜绿微囊藻生长的抑制活性显著高于高光照下的抑制活性(Nakai等,2014)。同时,自然水体中水生植物和藻类的生长均会经历白天的光照阶段和夜晚的黑暗阶段。尽管已有的研究大都在植物光照阶段开展,如对水生植物化感物质释放情况的分析以及抑藻活性测试中化感物质的暴露等(Gao等,2011)。但关于自然水体中水生植物释放化感物质抑藻的阶段目前仍不清楚。考虑到水生植物在白天光照阶段需要更多的能量用于植物的光合作用,而夜晚的黑暗阶段有可能从呼吸作用释放的能量中获取更多用于次生代谢产物的合成(武维华,2012)。另外有些化感物质具有光敏性,如焦酚,光照条件下很容易在水溶液中发生降解(Nakai等,2000)。我们设计了白天光照阶段和夜晚黑暗阶段分别多次暴露壬酸和 N-苯基-1-萘胺的抑藻实验,比较两种条件下化感物质多次暴露下对铜绿微囊藻生长的影响。结果显示,黑暗阶段多次暴露化感物质对铜绿微囊藻生长的抑制作用更强。这可能与藻类等光合生物在光照阶段和黑暗阶段不同的生命活动有关,黑暗阶段化感物质的多次暴露更容易对藻细胞的分裂生殖产生直接的影响。

4 结论

水生植物常见化感物质壬酸、N-苯基-1-萘胺和咖啡酸可以通过多次暴露实现低剂量水平下对铜绿微囊藻生长的高效抑制。在单次添加剂量为0.1 mg·L-1时壬酸和N-苯基-1-萘胺以1 h间隔分10次添加仍能显著抑制铜绿微囊藻的生长。在铜绿微囊藻生长的黑暗阶段比在光照阶段多次暴露壬酸和N-苯基-1-萘胺的抑藻效果更强。研究结果将有助于揭示水生植物化感抑藻作用的生态机制,指导水生植物化感抑藻作用的实践应用。

ERHARD D, GROSS E M. 2006. Allelopathic activity of Elodea Canadensis and Elodea nuttallii against epiphytes and phytoplankton [J]. Aquatic Botany, 85(3): 203-211.

GAO Y N, LIU B Y, XU D, et al. 2011. Phenolic compounds exuded from two submerged freshwater macrophytes and their allelopathic effects on Microcystis aeruginosa [J]. Polish Journal of Environmental Studies, 20(5): 1153-1159.

GAO Y N, ZHANG L P, LIU B Y, et al. 2014. Research on allelochemicals with material properties exuded by submerged freshwater macrophyte Elodea nuttallii [J]. Advanced Materials Research, 1023: 71-74.

GROSS E M. 2003. Different response of tellimagrandin II and total bioactive hydrolysable tannins in an aquatic angiosperm to changes in light and nitrogen [J]. OIKOS, 103: 497-504.

HILT S, GROSS E M. 2008. Can allelopathically active submerged macrophytes stabilize clear-water states in shallow lakes [J]? Basic and Applied Ecology, 9(4): 422-432.

HONG Y, HU H Y, XIE X, et al. 2009. Gramine-induced growth inhibition, oxidative damage and antioxidant responses in freshwater cyanobacterium Microcystis aeruginosa [J]. Aquatic Toxicology, 91(3): 262-269.

LI F M, HU H Y. 2005. Isolation and characterization of a novel antialgal allelochemical from Phragmites communis [J]. Applied and Environmental Microbiology: 71(11): 6545-6553.

LU Z Y, LIU B Y, HE Y, et al. 2014. Effects of daily exposure of cyanobacterium and chlorophyte to low-doses of pyrogallol. Allelopathy Journal [J]. 34(2): 195-205.

NAKAI S, ASAOKA S, OKUDA T, et al. 2014. Growth Inhibition of Microcystis aeruginosa by allelopathic compounds originally isolated from Myriophyllum spicatum: temperature and light effects and evidence of possible major mechanisms [J]. Journal of Chemical Engineering of Japan, 47(6): 488-493.

NAKAI S, INOUE Y, HOSOMI M, et al. 1999. Growth inhibition of blue-green algae by allelopathic effects of macrophytes [J]. Water Science and Technology, 39(8): 47-53.

NAKAI S, INOUE Y, HOSOMI M, et al. 2000. Myriophyllum spicatum-released allelopathic polyphenols inhibiting growth of blue-green algae Microcystis aeruginosa [J]. Water Research, 34(11): 3026-3032.

NAKAI S, YAMADA S, HOSOMI M. 2005. Anti-cyanobacterial fatty acids released from Myriophyllum spicatum [J]. Hydrobiologia, 543: 71-78.

NAKAI S, ZOU G, OKUDA T, et al. 2012. Polyphenols and fatty acids responsible for anti-cyanobacterial allelopathic effects of submerged macrophyte Myriophyllum spicatum [J]. Water Science and Technology, 66(5): 993-999.

SHAO J H, LI R H, LEPO J E, et al. 2013. Potential for control of harmful cyanobacterial blooms using biologically derived substances: problems and prospects [J]. Journal of Environmental Management, 125: 149-155.

WARIDEL P, WOLFENDER J L, LACHAVANNE J B, et al. 2004. Identification of the polar constituents of Potamogeton species by HPLC-UV with post-column derivatization, HPLC-MSn and HPLC-NMR, and isolation of a new ent-labdane diglycoside [J]. Phytochemistry, 65: 2401-2410.

WU Z B, DENG P, WU X H, et al. 2007. Allelopathic effects of the submerged macrophyte Potamogeton malaianus on Scenedesmus obliquus [J]. Hydrobiologia, 592: 465-474.

WU Z X, SHI J Q, YANG S Q. 2013. The effect of pyrogallic acid on growth, oxidative stress, and gene expression in Cylindrospermopsis raciborskii (Cyanobacteria) [J]. Ecotoxicology, 22: 271-278.

XIAO X, HUANG H M, GE Z W, et al. 2014. A pair of chiral flavonolignans as novel anti-cyanobacterial allelochemicals derived from barley straw (Hordeum vulgare): characterization and comparison of their anti-cyanobacterial activities [J]. Environmental Microbiology, 16(5): 1238-1251.

YANG C Y, LIU S J, ZHOU S W, et al. 2011. Allelochemical ethyl 2-methyl acetoacetate (EMA) induces oxidative damage and antioxidant responses in Phaeodactylum tricornutum [J]. Pesticide Biochemistry and Physiology, 100: 93-103.

葛芳杰, 刘碧云, 鲁志营, 等. 2012. 穗花狐尾藻生长及酚类物质含量对光照强度的响应研究[J]. 环境科学与技术, 35(3): 30-34.

胡陈艳, 葛芳杰, 张胜花, 等. 2010. 马来眼子菜体内抑藻物质分离及常见脂肪酸抑藻效应[J]. 湖泊科学, 22(4): 569-576.

孙文浩, 余叔文, 杨善元, 等. 1993. 凤眼莲根系分泌物中的克藻化合物[J]. 植物生理学报, 19(1): 92-96.

吴振斌, 马剑敏, 贺锋, 等. 2011. 水生植物与水体生态修复[M]. 北京:科学出版社.

武维华. 2012. 植物生理学[M]. 2版. 北京: 科学出版社: 77-120.

张庭廷, 郑春艳, 何梅, 等. 2009. 脂肪酸类物质的抑藻效应及其构效关系[J]. 中国环境科学, 29(3): 274-279.

Comparative Study on Antialgal Effects of Allelochemicals from Aquatic Plants under Different Exposure Protocols

GAO Yunni1,2, GE Fangjie2, LIU Biyun2*, LU Zhiying2, HE Yan2, ZHANG Yongyuan2, WU Zhenbin2
1. College of Fisheries Henan Normal University, Xinxiang 453007, China; 2, Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072, China

To explore the effective pathway of how the allelochemicals released by aquatic plants work at ecological levels, three typical allelochemicals including nonanoic acid, N-phenyl-1-naphthylamine and caffeic acid, from different chemical classes, were selected to compare their inhibition effects at high-dose single exposure and low-dose repeated exposure on the growth of Microcystis aeruginosa. The influences of exposure frequency, dose and light conditions on the repeated exposure effect were examined. Stronger inhibition on cyanobacterial growth was observed in the low-dose (0.5 mg·L-1) repeated exposure (five times at 2 h interval) group than that in the high-dose (2.5 mg·L-1) single exposure group. The inhibition ratio of nonanoic acid, N-phenyl-1-naphthylamine and caffeic acid in the former group was 1.8, 1.1 and 1.6 times that of the latter group on the 7thday. When nonanoic acid and N-phenyl-1-naphthylamine were repeatedly exposed 10 times at 1h interval, the cyanobacterial growth inhibition ratio decreased with the reduction of single dose. However, the growth of M.aeruginosa was significantly inhibited by the two allelochemicals when the single dose was as low as 0.1 mg·L-1, with an inhibition ratio up to 50.25% by N-phenyl-1-naphthylamine on the 7thday. The inhibition effects of nonanoic acid and N-phenyl-1-naphthylamine when repeatedly added under dark phase were stronger than that under light phase, the cyanobacterial growth inhibition ratio of the former group was 2.2 and 1.3 times that of the latter group on the 3rdday. All above results indicated that the allelochemicals released by aquatic plants could exert more effective inhibition on the growth of M.aeruginosa by low-dose repeated exposure than high-dose single exposure. Hence, further study on the antialgal effects of plant allelochemicals through repeated exposure would be helpful for revealing allelopathy mechanism of aquatic plants in natural environments, and guiding their theoretical research and practical application.

nonanoic acid; N-phenyl-1-naphthylamine; caffeic acid; repeated exposure; Microcystis aeruginosa

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.04.002

X173

A

1674-5906(2015)04-0554-07

高云霓,葛芳杰,刘碧云,鲁志营,何燕,张甬元,吴振斌. 不同暴露方式下水生植物化感物质抑藻效应的比较研究[J]. 生态环境学报, 2015, 24(4): 554-560.

GAO Yunni, GE Fangjie, LIU Biyun, LU Zhiying, HE Yan, ZHANG Yongyuan, WU Zhenbin. Comparative Study on Antialgal Effects of Allelochemicals from Aquatic Plants under Different Exposure Protocols [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(4): 554-560.

国家“十二五”水专项(2012ZX07101007-005);国家“十二五”科技支撑项目(2012BAJ21B03);淡水生态与生物技术国家重点实验室开放课题(2013FB20);淡水生态与生物技术重点实验室开放课题(2015FB02);河南师范大学博士启动课题(qd14179)

高云霓(1982年生),女(土家族),副教授,博士,主要研究方向为淡水环境的化学生态学。E-mail: gaoyn@htu.cn *通信作者:刘碧云(1971年生),女,副研究员,博士。E-mail: liuby@ihb.ac.cn

2015-02-03

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