镍、铜对海带生长及生理指标的影响

2023.10.09

李熙晨　吴垠　李晓东　汪涛

摘要：为了研究金属离子铜、镍对海带生长及相关生理指标变化的影响，对不同浓度金属离子进行7 d的海带室内养殖实验。对其生长情况、金属离子吸附、可溶性糖、蛋白含量、总抗氧化能力、超氧化物歧化酶活性进行测定。结果表明，海带对Cu2+的敏感度高于Ni2+，在Cu2+的作用下，海带的生长受到明显的抑制作用，出现厚度变薄、甚至腐烂等症状。低浓度的Ni2+能促进海带可溶性糖的合成，当达到一定浓度时则抑制，Ni2+对实验藻海带蛋白含量无明显影响。而在对两种金属离子的吸附方面，海带对Cu2+的吸附量远大于对Ni2+的吸附量。

关键词：海带；铜离子；镍离子；吸附；蛋白、可溶性糖

海带（Laminaria japonica）是我国海水养殖的主要大型藻类之一，是北方地区传统的养殖对象。海带作为人们餐桌上的美食，具有补充活性碘、降低血胆固醇、软化血管、缓解高血压、抗肿瘤、抗辐射、提高免疫力等独特的医疗保健作用。同时海带还是制碘、生产甘露醇和褐藻胶的重要工业原料。但是随着工业的发展，大量重金属以各种途径排入土壤和天然水环境中，使水体产生严重污染。研究显示，当水环境中的Hg、Cd、Ni、Pb等重金属离子浓度过高时，对藻类的生长代谢有抑制作用，畸变藻类的细胞形态，阻止细胞分裂，破坏细胞内含物，降低酶的活性，进而导致藻类的死亡。近年来一些海区养殖的海带发生大规模腐烂死亡现象，究其原因包括生态因子变化、病害等，许多研究工作者对海带溃烂死亡问题的研究主要集中在以微生物病原菌感染后海带的变化方面。而对重金属污染导致海带生理变化方面的研究尚缺乏系统研究。本文在实验生态条件下，选取两种重金属铜和镍离子，分析其对海带生长、富集及相关生理指标的影响，为重金属的生态毒理学研究提供基础数据。

1材料与方法

1.1实验藻体

实验用海带采自大连市金州登沙河湾海域，将生长正常、结构完整海带30株低温条件下运回实验室暂养。

1.2实验方法

取容积为180 L的水槽10个，加入已经过滤好的海水，按顺序编号，将从实验海域采集的海带依次放入水槽中，放入前测定海带长度和湿重。在充气情况下暂养两天。

重金属Cu2+和Ni2+采用硫酸铜和氯化镍的盐溶液，由低到高依次加入到暂养海带的水槽中，使两种金属离子形成5个浓度梯度，分别是0、0.25、0.5、1、5 mg/L。培养24 h后，观察海带性状并记录，同时更换新的海水并加入同等药品，重复培养，实验周期为7 d。养殖过程中水温为4.5～5.0℃，光照2 000～5 000 1x，氨氮≤0.2 mg/L，24 h充气。实验结束后测量海带的长度和湿重，并取样品测定各项生理指标。

1.3生长及生理指标测定

测定之前，先用纯水将样品冲洗干净，然后用吸水纸擦干表面水分，之后裁剪并称重。

1.3.1海带中重金属含量的检测参照国标GB/T5009.13—2003、GB/T5009.17—2003的测定方法，采用石墨炉原子吸收光度计，微波消解仪，原子荧光光度计等。

1.3.2海带可溶性糖、蛋白含量的测定采用蒽酮比色法测定可溶性糖，采用考马斯亮兰法测定可溶性蛋白。

1.3.3总抗氧化能力和超氧化物岐化酶（SOD）活性测定

采用南京建成生物工程研究所生产的试剂盒测定。

1.4统计与分析

测定的数据以平均值±标准差来表示，用SPSS19.0软件进行单因素方差分析，用Duncan多重比较法比较各组间平均值的差异显著性，以P<0.05为显著性差异。

2结果

2.1生长和形态变化

表1为不同浓度的镍离子和铜离子对海带生长的影响。由表1可以看出，与对照组相比，在实验的镍离子浓度范围内，各组海带的增长率无明显差异（P>0.05），增重率差异显著（P<0.05），0.50 mg/L实验组海带的增重率和增长率均高于对照组；而铜离子对海带生长有明显的抑制作用，空白组海带与4个实验组海带增长率均差异显著（P<0.05），1.0和5.0 mg/L实验组海带增重率与前三组变化差异显著（P<0.05）。

海带形态变化显示，添加不同浓度铜离子的海带表面，陆续出现厚度变薄、局部腐烂的现象，浓度越高现象越明显。添加镍离子的海带表观形态方面未见明显变化。

2.2海带对两种金属离子的吸附

如图1、2所示随着Cu2+、Ni2+浓度的升高，海带对于两种离子的吸附均为递增趋势，在1.00mg/L到5.00 mg/L时变化最为显著（P<0.05），且在5.00 mg/L时为最高。两者比较海带对CC+的吸附性更强。

2.3可溶性糖含量的变化

从图3可以看出，铜离子对海带的影响随浓度的升高呈现递减的状态。Cu2+在0.25 mg/L时下降最显著。而Ni2+对海带糖含量的影响与铜离子不同，呈现先上升再下降的趋势，在0.50mg/L和1.00 mg/L时显著上升（P<0.05）。

2.4可溶性蛋白的含量变化

从图4可以看出Cu2+对海带蛋白影响的趋势是随浓度的升高总体先上升后下降，并在浓度为0.25 mg/L时显著上升（P<0.05），以后随着浓度的上升显著下降（P<0.05）。Ni2+对海带的影响呈总体上升的趋势，但上升均不显著（P>0.05）。

2.5总抗氧化力能力的变化

如图5所示铜离子和镍离子对海带总抗氧化力的影响趋势不同，在铜离子作用下海带的总抗氧化力表现为先下降再升高，且变化均不显著（P>0.05）；而在镍离子的作用下海带总抗氧化力表现为先升高再降低，0.25和0.50 mg/L时上升最显著（P<0.05），当浓度高于0.50 mg/L，总抗氧化力与对照组差异不显著（P>0.05）。

2.6 SOD含量的变化

从图6可以看出不同浓度Cu2+对海带SOD的影响随浓度的升高呈先下降后上升的趋势，在0.25、0.50 mg/L时下降最为显著（P<0.05）。而Ni2+在浓度0.25、1.00、5.00 mg/L时对海带SOD的影响为上升，但不显著（P>0.05），但在0.5 mg/L时显著下降（P<0.05）。

3讨论

在已研究过的金属中，Cu起着双重作用，少量的Cu是藻类代谢过程中的必需品，但高浓度的Cu对藻类具有毒害作用，Cu是一种细胞代谢抑制剂。Ni同样能被藻类积累，有研究表明Ni对纤维藻细胞生长有抑制作用，Ni能与氨基酸、蛋白质、DNA和RNA相结合，阻碍细胞的分裂，破坏DNA的结构。姜彬慧、林碧琴的研究表明，当Ni浓度≥0.4 mg/L时，藻类生长受到明显抑制，当浓度为3.2 mg/L时，其蛋白质和氨基酸的含量明显下降。孔繁翔对不同浓度的Ni2+对羊角月芽藻的生长速度、蛋白质含量、ATP水平、葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PDH）、酸性磷酸酶及硝酸还原酶活性的影响试验，研究表明，在所试浓度范围内Ni对羊角月芽藻的生长速度有抑制作用，但单位藻培养物中蛋白质随着Ni2+浓度的增加而增加，同时高浓度的Ni2+对酶的活性有明显抑制作用，藻细胞中ATP水平随着浓度的增加而下降，说明重金属离子的存在会改变藻细胞内能量的代谢。

糖类和蛋白是生物体的基础代谢物，对植物的生长、生理活动有重要影响。根据研究，植物的病害与体内可溶性糖含量有一定关系。吴海燕等报道水稻感染小球菌核病菌后植株体内可溶性糖含量呈下降趋势，同时在海带病烂过程中，随褐藻酸降解菌数量的增多，海带的呼吸作用增强，糖的利用速率加快，导致糖含量降低。在本实验中Cu2+感染过的海带发生腐烂，随着病烂的严重可溶性糖含量逐渐降低，而没有发生病烂的Ni2+组海带没有这种现象。

本实验中，Cu2+组可溶性蛋白的含量在低浓度下先有小幅升高，然后逐渐下降，这与王海河等对病毒侵染烟草后可溶性蛋白含量变化的研究结果相似，可溶性蛋白含量的升高可能是由于海带对重金属的侵染作出了积极反应，体内产生一些抗性蛋白，这也导致了蛋白含量有所升高。而随着离子浓度和病烂情况的加重，海带的防御能力遭到破坏，抑制蛋白质合成，加速蛋白质的分解，改变蛋白质的结构和构象，破坏蛋白质分子，从而使可溶性蛋白含量降低。

在逆境胁迫下，植物体活性氧的产生能力会强于清除能力。重金属离子胁迫与其他形式的氧化胁迫是相似的，某些活性氧可以充当信号分子，在重金属感染后传递信号，从而使植物组织产生一系列的防御反应。SOD是植物抗氧化系统的第一道屏障，具有维持活性氧代谢平衡，保护膜结构的功能。在本实验中，发生病烂的高浓度Cu2+感染下可见，在海带抗病反应中SOD起重要的作用。在本实验中，海带在高浓度Cu2+的胁迫下发生病烂，SOD逐渐升高。在Ni2+胁迫下未发生病烂，SOD变化不显著。本实验表明高浓度Cu2+对海带的毒性作用大于Ni2+。