镉对集胞藻光合活性的影响_阮港.pdf

生态毒理学报Asian Journal of Ecotoxicology第 17 卷 第 6 期 2022 年 12 月Vol.17,No.6 Dec.2022 基金项目:国家重点研发计划项目(2020YFA0907400)第一作者:阮港(1997),男,硕士研究生,研究方向为生态毒理学,E-mail: *通信作者(Corresponding author),E-mail:DOI:10.7524/AJE.1673-5897.20211224001阮港,许萍萍,殷旭旺,等.镉对集胞藻光合活性的影响J.生态毒理学报,2022,17(6):325-332Ruan G,Xu P P,Yin X W,et al.Effects of cadmium on photosynthetic activity ofSynechocystisPCC 6803 J.Asian Journal of Ecotoxicology,2022,17(6):325-332(in Chinese)镉对集胞藻光合活性的影响阮港1,2,许萍萍2,殷旭旺1,张春梅2,宋高飞2,米武娟2,毕永红2,*1.大连海洋大学水产与生命学院,大连 1160232.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,武汉 430072收稿日期:2021-12-24 录用日期:2022-03-14摘要:镉是环境中的主要重金属污染物,研究镉胁迫下蓝藻光合活性的变化,有助于深入认识镉的细胞毒性以及蓝藻细胞对镉胁迫的响应特性,可为评价镉的生态环境风险提供科学依据。为探索镉对淡水蓝藻的毒性效应,选择集胞藻 PCC 6803 作为受试生物,以 0、0.05、0.25、0.50 和 1.00 mg L-1Cd2+处理 24 h 后,测定其光合色素含量、光合活性以及活性氧(ROS)、超氧化物歧化酶(SOD)的变化。结果表明,0.05 mg L-1Cd2+处理下细胞的光合活性与对照组无显著差异;高于 0.25 mg L-1的 Cd2+处理,细胞叶绿素a含量下降,PS反应中心受损,活性氧积累并激活抗氧化酶活性。Cd2+浓度高于 0.50 mg L-1,最大光化学效率(Fv/Fm)显著下降,PS线性电子传递链受阻;Q-A动力学曲线的快相和中相时长明显增加,Q-A到 QB电子传递受到抑制,PS受体侧受损,QB空位点对 PQ 的结合速率减慢。结果表明,集胞藻能耐受低于 0.05 mg L-1Cd2+胁迫并表现出毒性兴奋效应;高浓度 Cd2+通过干扰 PS导致生长抑制作用,影响线性电子传递链中 Q-A和 QB,主要毒性作用位点(受体蛋白)尚不清楚。关键词:Cd2+;集胞藻;光合活性;抗氧化酶活性;毒性效应文章编号:1673-5897(2022)6-325-08 中图分类号:X171.5 文献标识码:AEffects of Cadmium on Photosynthetic Activity of Synechocystis PCC 6803Ruan Gang1,2,Xu Pingping2,Yin Xuwang1,Zhang Chunmei2,Song Gaofei2,Mi Wujuan2,Bi Yonghong2,*1.School of Fisheries and Life Science,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China2.State Key Lab of Freshwater Ecology&Biotechnology,Institute of Hydrobiology,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430072,ChinaReceived 24 December 2021 accepted 14 March 2022Abstract:Cadmium is the main heavy metal pollutant in the current environment.Studying the changes of cya-nobacterial photosynthetic activity under cadmium stress is helpful to deeply understand the cytotoxicity of cadmi-um and the response characteristics of cyanobacterial cells to cadmium stress.In order to provide basis for evalua-ting the ecological and environmental risks of cadmium,toxic effects of cadmium to freshwater cyanobacteria wasstudied,selectingSynechocystisPCC 6803 as the test organism.After treatment with 0,0.05,0.25,0.50 and 1.00mg L-1Cd2+for 24 h,the content of photosynthetic pigments,photosynthetic activity,reactive oxygen species(ROS)content and superoxide dismutase(SOD)activities were determined.The results showed that there was no326 生态毒理学报第 17 卷significant difference in photosynthetic activity between the low-dose 0.05 mg L-1Cd2+treatment and the controlgroup.Under treatment with 0.25 mgL-1Cd2+,chlorophyllacontent decreased,the PS reaction center wasdamaged,ROS content was accumulated,the antioxidant enzyme was activated and growth was inhibited.Themaximum photochemical efficiency(Fv/Fm)decreased significantly at Cd2+concentrations above 0.50 mg L-1,andthe linear electron transport chain of PS was blocked.The fast and middle phases of the Q-Areoxidation kineticscurve became significantly longer,inhibiting electron transfer between Q-Aand QB,impairing the receptor side of PS,and slowing down the binding rate between the vacancy site of QBand PQ.The results showed thatSynecho-cystisPCC 6803 could tolerate less than 0.05 mg L-1Cd2+stress and Cd2+exhibited stimulant effects;high concen-trations of Cd2+cause growth inhibition by interfering with PS,affecting Q-Aand QBin the linear electron trans-port chain,and the main toxic sites of action of cadmium(receptor proteins)are not known.Keywords:Cd2+;SynechocystisPCC 6803;photosynthetic activity;antioxidant enzyme activity;toxic effects 镉是一种生物半衰期相对较长的非必需重金属元素,容易在生物体中积累并行使生理功能1,具有高致毒性2;如镉与巯基紧密结合,是一种酶抑制剂3,破坏细胞内部离子平衡并与蛋白质中的金属离子发生置换反应导致其失去活性4;镉激发细胞的氧化应激造成脂质过氧化、引起蛋白质/DNA 损伤5;镉还可通过干扰 DNA 合成与修复,破坏细胞的增殖和分化、细胞周期进程和细胞凋亡等6。即使在较低浓度下,镉也能通过诱导氧化应激和影响生长、代谢、营养吸收、光合作用和呼吸作用对光合生物产生毒害效应7-9。镉对藻类的毒性试验表明,镉胁迫能显著抑制栅藻生长并破坏细胞超微结构2;镉对藻类光合系统具有毒性效应,破坏叶绿素合成10-12,竞争性结合放氧复合体(OEC)上 Ca2+位点和叶绿素a的 Mg2+等13。长期以来,镉被认为是没有任何有益功能的有毒重金属。但最近研究表明,植物需要微量 Cd2+才能达到最佳生长状态14;在硅藻中,金属镉、钴和锌可以在功能上互相替换,以保持最佳的生长速度15。可见,镉的确切生物效应仍不甚明了,需要深入研究。蓝藻作为水生生态系统总初级生产力的重要贡献者,是重金属进入食物链的主要途径之一;暴露在环境中的蓝藻细胞对重金属胁迫敏感,集胞藻作为光合作用研究的模式生物,是研究水体重金属潜在生态风险的重要模型16。尽管 Cd2+对藻细胞光合系统影响的研究已非常深入,但此前的研究主要集中在藻细胞对重金属胁迫的生理响应和生物吸附能力17-21,Cd2+的毒性机制仍不明确,且 Cd2+的急性毒性胁迫影响光合系统中的位点存在一些相互矛盾的结果10,22,例如,PS和 PS对镉的敏感性存在争议;Cd2+的胁迫位点位于电子传递链的确切部位存在分歧。本文选择集胞藻 PCC 6803 为对象,探究不同浓度 Cd2+对细胞抗氧化酶系统和光合活性的毒性效应,以期寻找 Cd2+作用于蓝藻细胞的靶标位点,进一步认识重金属对淡水蓝藻的毒性作用及其急性致毒机理、评估重金属的生态风险提供理论依据。1 材料与方法(Materials and methods)1.1 材料和培养条件集胞藻(Synechocystissp.)PCC 6803 来自中国科学院水生生物研究所淡水藻种库(FACHB-collec-tion)。以改良 BG11 培养基(不含 EDTA)为培养液,在(301)、30 40 molm-2s-1持续光照条件下,以 130 r min-1转速进行摇床培养,采用紫外分光光度计(UV1701,日本岛津)测定培养物在 730 nm的吸光值,通过A730 nm监测其生长。初始接种浓度A730 nm=0.1 接入 250 mL 三角瓶,收集处于对数生长期(A730 nm=0.8 1.0)的藻细胞用于本研究。3 000 r min-1转速离心 5 min 收集对数生长期的藻细胞,无菌水冲洗 3 次后,置于 BG11 培养基中,接种量少于培养基的 1%,接入含有 100 mLBG11 的三角瓶。分析纯的试剂 CdCl2 2.5H2O 购于中国国药有限公司。设置各处理组中 Cd2+浓度分别为 0.05、0.25、0.50 和 1.00 mg L-1,以 0 mg L-1作为对照组。每个浓度设置 3 个重复,试验周期为24 h。1.2 指标测定1.2.1 光合色素含量的测定光合色素含量的测定如前人23描述,取 5 mL培养物 4 000 r min-1离心10 min,弃去上清液,加入5 mL 预冷的 90%的甲醇,混匀后在 4 冰箱避