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水生植物不仅能吸收水体中大量的营养物质,而且一些水生植物能分泌抑制蓝藻生长的化学物质,即化感物质。因此水生植物的恢复被认为是富营养化水体生态修复的重要举措。沉水植物对去除水体污染物、增加水体中氧的含量和减少底泥的再悬浮,从而增加水体透明度具有十分重要的意义。研究发现沉水植物对藻类的生长具有抑制作用。而铜绿微囊藻是蓝藻水华的优势藻种,控制微囊藻水华也是目前治理水体污染的首要任务。因此研究沉水植物对铜绿微囊藻的抑制作用对富营养化水体中沉水植物的恢复具有重要的理论和实践意义。
本文选择长江中下游淡水水体中常见的沉水植物金鱼藻、苦草、微齿眼子菜、轮叶黑藻、菹草和伊乐藻为研究对象,以铜绿微囊藻为藻种,在实验室进行培养。自行设计一系列实验研究了沉水植物的挥发油、种植水、水萃取物和乙醇提取物对铜绿微囊藻的生长抑制作用,并讨论了影响沉水植物化感作用的因素。水生植物释放的化感物质浓度非常低,直接分析难度很大,采用先富集后分离再用GC-MS分析的方法,鉴定了几种介质中的化学物质和可能的化感物质。主要结论概括如下:
ⅰ、比较五种沉水植物(金鱼藻、苦草、微齿眼子菜、菹草和伊乐藻)种植水的抑藻活性,金鱼藻最强,苦草次之,伊乐藻不具抑藻活性。沉水植物化感物质的释放是连续的;化感物质中含有对热敏感和易挥发的物质;浓度对化感作用呈现“低促高抑”的效应;金鱼藻与铜绿微囊藻共生时,金鱼藻的化感作用明显增强;微齿眼子菜的化感作用主要来自于茎叶释放的化感物质而不是根部。
ⅱ、五种新鲜植物中挥发油的量差别明显,分别为金鱼藻0.0127%、苦草0.0095%、伊乐藻0.0048%、菹草0.0056%和微齿眼子菜0.0108%,植物中挥发油的含量与其对铜绿微囊藻的抑制活性成正相关。GC-MS分析显示五种植物中挥发性物质的成分和相对含量差别明显,抑藻活性最强的金鱼藻中,新鲜植物挥发油的主要成分为邻苯二酚、脂肪醛酮、β-紫罗兰酮、含氮化合物,邻苯二甲酸酯和几个未知的化合物。新鲜植物挥发油中的成分明显少于植物干粉挥发油,但是新鲜植物的挥发油的抑藻活性却明显强于植物干粉挥发油,金鱼藻干粉挥发油的化感活性大于苦草干粉挥发油,挥发油的浓度与抑藻活性成正比。
ⅲ、C18固相萃取柱连续72h富集金鱼藻与铜绿微囊藻共同培养下的种植水,
经甲醇洗脱,HPLC分析,发现在铜绿微囊藻生长的胁迫下,金鱼藻释放的化学物质组成和含量发生变化,强极性物质含量下降,弱极性物质含量增加。二氯甲烷洗脱物中检测出15个不同于铜绿微囊藻释放的化合物,其中N-苯基-2-萘胺,脱氢枞酸甲酯和乙酯已被文献证明对藻类具有显著的化感作用。 iv、串联大孔树脂XAD-4和XAD-8柱连续富集金鱼藻的种植水,XAD-4洗脱物的化感活性强于XAD-8洗脱物,弱极性的组分化感活性强于强极性的组分。弱极性组分中苯并噻唑、2-甲硫基苯并噻唑和枯酚的相对含量较高,抑藻活性的顺序为枯酚>2-甲硫基苯并噻唑>苯并噻唑,它们的半抑制浓度(E<,r>C<,50>)依次为14.7mg/L、20mg/L和141mg/L。苯并噻唑和2-甲硫基苯并噻唑间存在加和效应,而枯酚与苯并噻唑以及2-甲硫基苯并噻唑间存在协同增效作用。v、金鱼藻、苦草和黑藻水萃取物对铜绿微囊藻的生长都有抑制作用,金鱼藻和黑藻的水萃取物的抑藻作用比较明显。其中酸性组分的化感活性比碱中性组分的化感活性强,酸性组分中又以金鱼藻的抑藻活性最强,酸性组分主要由多元酸、酚酸和羟基酸组成。三种植物水萃取物中有机酸的组成和含量差别明显,特别是酚酸物质的含量,金鱼藻中酚酸的含量(8.85%)高于苦草(1.23%)和黑藻(0.63%)。研究发现酚酸的化感活性要大大高于多元酸和羟基酸,阿魏酸的半抑制浓度只有4.2mg/L,多元酸和羟基羧酸的半抑制浓度都大于100mg/L,乳酸的半抑制浓度达到200mg/L。因此酚酸物质的含量高低可能是导致它们水萃取物酸性组分化感活性差别的主要原因。
vi、苦草乙醇提取物中氯仿萃取物的抑藻活性大于石油醚、醋酸乙酯和正丁醇的萃取物。氯仿萃取物的进一步分离得到两个具有较强抑藻活性的组分,高分辨气一质联用(HRGC-MS)分析第一个组分含有三个活性物质,2-乙基-3-甲基马来酰胺,二氢猕猴桃(醇酸)内酯,4-氧代-β-紫罗兰酮。第二个组分含有四个活性物质,3-羟基-5,6-环氧-B-紫罗兰酮,6-羟基二氢猕猴桃(醇酸)内酯,6-羟基-3-氧代-α-紫罗兰酮和一个未知物,未知物的分子式为C<,16>H<,19>NO<,4>,分子结构有待进一步确定。分离鉴定的六个化合物均具有一定的挥发性,其中五个是β-胡萝卜素的代谢产物。β-胡萝卜素的代谢产物对铜绿微囊藻生长具有显著的抑制作用,可用来作为合成高效杀藻剂的模型化合物。