环境光生物化学与生态效应

161第六章环境光生物化学与生态效应第一节藻类的水生光化学光是地球上所有生物赖以生存和繁衍的昀基本的能量源泉，地球上生物生存必需的全部能量，都直接或间接地源于太阳光。生态系统内部的平衡状态是建立在能量基础上的，绿色植物的光合系统是太阳能以化学能的形式进入生态系统的唯一通道，也是食物链的起点。几乎所有水体中都有种类繁多的生物存在。在全世界现有的33个植物纲中，水中有18个纲的代表种类，而在63个动物纲中，60个纲在水体中出现。这些水生生物在水体中占有各自的栖息生境，并具有一定的生态习性。藻类（例如小球藻属）一直主要用于光合作用机制方面的研究。光是藻生存的必要条件。没有日光，藻的光合作用便不能进行。光照的时间、光的强度都能影响植物的代谢率，从而影响它的生存率和繁殖率。一般而言，在适宜的范围内，光照愈强，光照时间愈长，代谢愈快。但是，光照太强，藻类便会死亡。不同颜色的光中，以红光对浮游藻类的生长、繁殖昀重要[1]。藻类细胞结构简单，形态、生理具有多样性，因此，常作为光形态建成研究的模式材料。高等植物光形态建成研究的飞速进展，以及分子生物学的融入，大大地促进了这方面对藻类的研究[2,3]。藻类在环境中的光化学过程中的变化与作用，已受到越来越多的重视，并成为一个新的研究领域。一、藻类藻类是低等植物，不开花，不结实，孢子进行繁殖。藻体含有叶绿素，有许多除含有叶绿素外，还含有其他辅助色素。作为富营养化污染的主体的藻类可分为四种类别，它们是：蓝绿藻类、绿藻类、硅藻类、有色鞭毛虫类。蓝绿藻类呈蓝绿颜色，故得其名。一般在早秋季节，容易大量萌生。蓝绿藻能飘浮在水面，并在水和大气界面间形成“毯子”状隔绝体。这种藻类体上不附有鞭毛，所以游动能力较差。当水体处于富营养化状态时，水面上原先占优势的硅藻逐渐消失而转为以蓝绿藻为主体的情势。蓝绿藻类含胶质外膜，不适于作鱼类食料，甚至还可能含有一定毒性。绿藻类一般在盛夏季节容易大量萌生，这些藻类细胞中含有叶绿素，所以外观呈现绿色。由于同样原因，它们同蓝绿藻一样，常飘浮在水面上；这种藻类体上附有鞭毛，所以有一定的游动能力。硅藻类是单细胞藻类，体上不长有鞭毛。一般在较冷季节容易繁生，也能在水下越冬生长。它们一般生长在水面处，但在水体的任何深度，甚至在水底都能发现它们的存在。硅藻还能依附在水生植物的茎叶表面，使这些植物外观呈现浅棕色。在另外一些情况下，还能与别的藻类混杂一起。在水底岩石或岩屑表面常有一层又粘又滑的附着层，这也是附生在其上的硅藻。有色鞭毛虫类是因其有发达的鞭毛而得名，它除了具有通过光合作用合成原生质的藻162类的固有本领外，还具有原生动物的游动本领。这种藻类的繁生季节一般在春天(可因水域而异)，可在任何深度的水体内活动，但多数生长在水面之下。藻类的细胞壁是主要由多糖、蛋白质和脂肪组成的网状结构，带一定的负电荷，且有较大的表面积与粘性，与高等植物一样，许多藻类的细胞壁也以纤维素(一种完全由葡萄糖单位按β－1,4糖苷键连接的高聚物)为主要成分。藻类细胞中亦含有较丰富的多糖，如螺旋藻中碳化水合物约占细胞干重的15%～20%，主要为葡聚糖与多聚鼠李糖[4]。藻类细胞膜是具有高度选择性的半透膜，膜结构特点决定了藻类可富集金属离子。细胞壁组成及金属种类的不同，决定了富集的效率与选择性，这与静电引力及离子或水合离子的半径有关。水中的藻类受到光的影响。在水中，光辐射和光谱组成取决于：（1）阳光入射（角度的情况）；（2）水体本身的光学特性（吸收和散射过程）；（3）水体的深度；（4）溶解的有机物（DOM），黄色物质，颗粒物（非生物性悬浮物）和浮游生物的存在情况等[5,6]。光的辐射和光分布易发生瞬间、每日、季节和全球性的变化，由此导致藻类产生各种光化学变化和现象。绿藻的叶绿体含有类囊体膜，光合体系就位于其中。藻类的生长也受光周期影响。但藻类光周期现象研究进展缓慢，部分原因是大型藻在实验室里培养不方便，微藻虽易培养，但形态简单，光周期反应控制的范围小[7]。过去认为，光周期对海洋植物很少有生态意义，海洋温度的变化足以指示季节更替。然而，对大型海藻的研究表明，光周期并非不重要。藻在很多水环境中是很重要的阳光吸收器。早在1970年已有一些研究表明[8]，藻的光合器官吸收可见光导致极性、离子态有机物的光新陈代谢，这些物质如：羧酸,碳水化合物和氨基酸。藻类在环境中的光降解化学过程中的作用，也已受到越来越多的重视，并成为一个新的研究热点。二、藻类引发产生过氧化氢与单重态氧1．藻类与过氧化氢1951年，Mehler[9]通过研究，首次证明了离体的叶绿体在光的作用下可产生过氧化氢，此后，一些学者在这方面进行了研究[10,11,12]。1985年Zika等[13]曾指出“过氧化氢的生物生成也可能是天然水体中其来源一个途径，但是目前关于这方面的知识了解不多”。1986年，Zepp等[14]研究了天然水体中绿藻、蓝绿藻对过氧化氢的清除与生成的动力学。结果表明，这些藻对天然水体中过氧化氢的浓度有重要的影响，当无光照时，这些藻类能分解过氧化氢，此反应为二级反应：22OHabioCCkdtdc−=6-1式中：dtdc－H2O2分解速率；kbio－反应速率常数；Ca－叶绿素a含量；22OHC－H2O2浓度。163研究结果得出9种藻的二级速率常数kbio中位值为0.0044m3(mg/chla)-1h-1。含藻水在阳光照射下，水中过氧化氢的浓度随藻的浓度与光照时间的增加而增加，如图6.1所示。光照下几种藻产生H2O2速率见表6.1[14]。图6.1阳光下衣藻Chlamydomonassp.引发产生H2O2表6.1阳光下几种藻引发产生H2O2的速率值藻类×10-3Ca,mgchla/m3H2O2产生的平均速率(Mh-1×106)衣藻Chlamydomonassp.衣藻Chlamydomonassp.绿梭藻Chlorogoniumsp.鱼腥藻Anabaenavariabilis念珠藻Nostocmuscorum0.90.0971.00.91.00.80.150.61.70.04表6.1中念珠藻Nostocmuscorum引发产生产生H2O2的速率值很低，Zepp等认为其部分原因是藻细胞个体大(表面积小)，直径约50μm；而其它所应用的藻的却10μm。下面通过对光合作用过程的分析来探讨H2O2的产生机制。植物里的光合作用发生在囊体膜中，此膜是由类脂物、色素和蛋白质配合物组成的，其光合作用中的初始量子转换机制在某种意义上其行为与光导型半导体十分相似。在这种机制中，照射光将正电荷和负164电荷分为空穴和电子，造成电子（－）和正空穴或氧化剂的物理分离，对其逆向复合起了阻止作用。叶绿素在光作用下引发以下反应[15]：Chl+hν→Chl－＋(激子生成)6-2H2O－Chl－＋→e－aq+Chl+6-3A－Chl－+→A－－Chl+→A－+Chl+6-4e－aq+A→A－+H2O6-5H2O－Chl－＋→h+aq+Chl－6-6D－Chl－＋→D+－Chl－→D++Chl－6-7或Chl++21H2O→Chl+H++41O26-8Chl－+Chl+→2Chl+hν6-9上面式中，Chl是光合成的色素，受激电子和所留下的空穴的组合称作激子，（-+）是电子-空穴对或激子，−aqe是水合电子，h+aq是水合空穴，A－－Chl+和D+－Chl－分别是带有电子受体A和电子给体D的电荷转移配合物。藻类的光合成色素在光作用下，可产生水合电子等，由此引发H2O2的产生。−aqe+O2→O2－6-102O2－+2H+→H2O2+O26-112．藻类与单重态氧植物体内有多种途径产生单重态氧1O2，昀主要的途径可能是Chl光敏化作用[16,17,18,19]Chl+hν→1Chl→3Chl6-121Chl+O2→1O2+Chl6-13正常情况下，激发态的1Chl所携带的能量大部分以共振方式迅速传递到P580和P700，少部分能量通过荧光发射散失。李冠武等[20]研究指出，藻红蛋白(phycoerythrin，PE)是海藻中的重要捕光色素蛋白，具有强荧光性，易溶于水，具有光敏作用，是一种新型的高效、无毒副作用的光敏剂。一般光敏剂经适宜波长的光激发后可以产生单重态氧及其他的氧自由基。在藻体内能将捕获的光能传递给光合反应中心；在体外则能将光能传递给周围环境中的氧分子，产生如单重态氧等活性氧组分。系统间交换165三、藻类引发有机物光降解早在1983年，Zepp等[21]研究了藻类对22种非离子型有机物（如：芘、菲、艾氏剂等）光降解速率的影响。Zepp等[21]的研究结果表明，藻类对有机物的光解有重要影响。在阳光下，暴露时间为3－4hr，绿藻和蓝藻在叶绿素a浓度为1—10mg／L时能加快水中多环芳烃、有机磷化合物和胺的光解反应。以下以胺等为例进行说明藻类引发有机物光降解的情况。1．藻液中胺等的光降解实验结果Zepp等研究了几种苯胺在绿藻类的衣藻（Chlamydomonas）藻液中的光降解情况。结果表明，几种苯胺均有不同程度的光氧化(见图6.2)，已表明可以排除代谢氧化。图6.2阳光下衣藻Chlamydomonassp.悬液中苯胺氧化动力学图在胺和衣藻的光降解反应体系中，胺的浓度(c)变化速率r可以用此式表示（A、B为常数）：r=A/（1＋B/c）在降解基质浓度较低时，其反应速率与藻和基质浓度为一级动力学关系。当基质浓度增加到一定的浓度时，藻表面的内部的活性点位的基质饱和了，速率就不再与基质浓度有关。在阳光下，藻引发的胺和甲基对硫磷的光反应速率常数与藻浓度成比例，其关系式为：（kp）p=kd+kalgCa6-14式中，166kp－藻引发光反应速率常数；kd－直接光解的一级速率常数；kalg－藻引发的光反应的二级速率常数；Ca－藻浓度（mg叶绿素/L）。对于胺－衣藻（Chlamydomonas）光反应，kalg为0.75±0.002L/（mg叶绿素）；对于甲基对硫磷－绿梭藻（Chlorogonium）光反应，kalg为0.068±0.007L/（mg叶绿素）。当甲基对硫磷和对硫磷被藻类吸收后，光解反应速度比在蒸馏水的要快390倍。胺和间甲苯胺则加快1200倍。暗反应对比实验结果表明，有机物在所暴露的时间内无降解。实验表明，含衣藻的溶液经过离心后，胺的光降解速率大大降低，但其仍然比在蒸馏水中的降解速率要大；当衣藻细胞经高温杀死后，他们释放一些物质进入溶液本体中，在阳光下引起胺的快速光降解。其它一些研究结果也表明了藻释放的一些物质能光敏化水中的各种反应[22]。另外，对于直接光解速率大的物质，如杀螟硫磷和对氯苯胺，几乎不受藻的影响。由上可知，绿藻能催化苯胺的光氧化。同时研究发现苯胺对衣藻光致产生H2O2具有很强的抑制作用，这意味着过氧化物或前体被转向了，同细胞上基质发生反应。已有证明过氧化物酶催化的氧化反应对苯胺特有效[23]。当将H2O2加入含有苯胺的避光的藻液（衣藻，念珠藻Nostoc，鱼腥藻Anabaena）中时，过氧化物消失了，但苯胺却未见氧化。而在同样条件下加入过氧化酶时，苯胺迅速被氧化。这些结果表明，其它物质，也许是藻所产生的过氧化氢酶导致H2O2的分解[24]。苯胺对H2O2的光致产生具有抑制作用，这应归于H2O2前体的物理的、化学的猝灭以及藻细胞表面上的苯胺与H2O2的光诱导反应。Zepp等研究结果还得出以下结论：（1）多数芳烃在有藻存在下比在蒸馏水中的降解反应快。苯环上烷基取代的情况对降解结果影响较大，苯胺的辛醇－水分配系数与相对反应速率常数具有相关性。这支持了基质物质分配到藻细胞表面这一过程机理。（2）简单结构的烯烃没有反应活性，不发生异构化和其它反应。（3）硝基芳烃（除有机磷农药－甲基硫磷外）对光降解反应不敏感。（4）氯化环戊二烯类杀虫剂－艾氏剂容易被所用的藻光降解。（5）在藻存在下，苯胺是昀有反应活性的物质，尽管不同的藻其反应活性不一。酚和其它富电子苯衍生物反应活性比苯胺小一个数量级以上。（6）同时对比试验表明，在藻存在下藻引起的光强减弱作用很小，不会对光降解反应速率