大麦秸秆对蓝藻化感抑制作用与机理的研究

摘要

由富营养化导致的藻类暴发，尤其是蓝藻暴发，已成为一个世界性的问题。寻求生态安全性好、廉价高效的应急蓝藻水华控制方法是环境科学与工程领域亟待解决的关键问题之一。植物对藻类的化感抑制作用在富营养化水体治理和藻类控制领域具有巨大的应用潜力，其中大麦秸杆控藻方法是目前为止最为成功的利用植物化感作用控制藻类的应用实例。
　　 本文在评述植物化感作用抑藻的应用及机理的基础上，探讨了维管植物大麦在藻类抑制上的应用和国内外相关研究;介绍了植物天然化感物质分离、鉴定研究进展，为大麦秸秆中有效抑藻化学物质的分离、鉴定提供了比较和参考;同时简要阐述了植物化感物质的抑藻共性机理。在国际广泛报道的西方型大麦秸秆抑藻有效性基础上，重点比较考察了以西藏裸大麦为起源的东方型大麦秸秆的抑藻效果及其作用模式;系统地比较研究了不同制备工艺得到的大麦秸秆腐解液抑藻效果之差异，并利用非线性数学模型得出了大麦秸秆抑藻化感作用的一般规律;在建模的基础上，进一步用数值模拟的方法推估了中国典型富营养化湖库中大麦秸秆的抑藻效果。采用植物天然产物化学分析手段，系统全面地筛选得到了大麦秸秆中的抑藻关键化感物质，明确了其分子结构，并在单细胞水平上研究了其抑藻机理，试图为大麦秸秆在富营养化和藻类防治中的应用提供理论依据和技术指导，同时实现农业秸秆废弃物的循环再利用。论文取得了一些创新性的研究成果。
　　 (1)系统研究了以西藏裸大麦为起源的东方型大麦秸秆腐解液的抑藻效应，发现添加剂量超过2.0g(干重)/L时，西藏大麦秸秆腐解液能有效抑制藻类的生长。利用流式细胞仪从单细胞水平进行研究，发现其抑藻作用是一种减缓生长速率的模式(Algistaticmode)，而非直接杀死藻细胞的模式(Algicidalmode)。针对东方型大麦秸秆，以提高抑藻效果为目的优化了其腐解液制备工艺，即将大麦秸秆剪成约2cm长的碎段，高压湿热灭菌后，在光照条件下好氧降解进行制备。
　　 (2)首次在植物化感抑藻研究领域引入数学模型的研究手段，发现大麦秸秆腐解液化感抑藻效应可用考虑生态限制因子的An-Johnson-Lovett模型进行描述。利用Labview自编程序基于非线性回归方法较好地拟合了八组不同制备方法得到的大麦秸秆腐解液化感抑藻作用的“剂量-效应”关系。发现大麦秸秆腐解液化感抑藻作用效应曲线呈U型，即高剂量下能有效抑制藻类的生长，而低剂量下则对藻类生长有促进效应。基于此模型对现场围隔投加麦秆后藻密度变化情况进行了模拟，发现在营养盐水平接近太湖的现场围隔中，使用大麦秸秆将能有效抑制藻类暴发。
　　 (3)利用植物天然产物化学分析手段，分离得到了大麦秸秆中的抑藻关键化感物质，并对其进行了结构鉴定。发现大麦秸秆主要的抑藻成分为一对旋光异构体:SalcolinA和SalcolinB，其分子式C27H26O11。并在单细胞水平上，对SalcolinA和SalcolinB的抑藻机理进行了初步研究。发现SalcolinA与SalcolinB抑藻的机理有所不同:SalcolinA主要通过抑制藻细胞胞内酯酶的活性和导致细胞膜去极化来抑制藻类的生长;而SalcolinB的主要作用机理则是直接作用于藻细胞的细胞膜，使其破裂而丧失功能。然而与其他化感物质抑藻机理不同的是，SalcolinA与SalcolinB均未对藻细胞光合作用的光反应中心产生直接作用，也未引起藻细胞胞内氧化活性的改变。

目录

声明

论文说明

致谢

摘要

第一章 大麦秸秆对蓝藻化感抑制作用及机理研究进展

1．1 植物化感作用抑藻的研究概况

1．1．1 具有化感活性的沉水植物种类

1．1．2 浅水湖泊中化感活性沉水植物的频度

1．1．3 浅水湖泊中化感活性沉水植物的盖度

1．1．4 沉水植物释放化感物质的影响因子

1．1．5 化感抑制作用的研究方法

1．2 大麦秸秆在藻类水华抑制中的应用

1．2．1 大麦秸秆抑藻的有效性

1．2．2 大麦秸秆控藻技术的研究现状

1．2．3 大麦秸秆控藻技术的工程应用

1．3 植物来源抑藻化感物质的分离及鉴定

1．3．1 植物次级代谢与化感物质

1．3．2 具有抑藻作用的植物化感物质

1．3．3 植物化感物质的抑藻效果

1．4 植物化感物质的抑藻机理

1．4．1 化感物质抑藻作用的微观机理

1．4．2 化感物质抑藻作用的选择性和专一性

1．5 论文研究目标及基本思路

第二章 大麦秸秆腐解产物对蓝藻抑制作用的研究

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 植物材料及试剂

2．2．2 秸秆腐解液制备方法

2．2．3 腐解液抑藻能力测试

2．2．4 基于流武细胞术的指标测试方法

2．2．5 数据统计分析方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 西藏大麦秸秆腐解液的抑藻效果

2．3．2 西藏麦秸腐解液对微藻细胞膜完整性的影响

2．3．3 西藏麦秸腐解液对微藻细胞活体叶绿素荧光的影响

2．3．4 西藏麦秸腐解液对微藻细胞胞内酯酶活性的影响

2．3．5 微藻细胞形态和生理层面的细胞亚群分化

2．3．6 大麦秸秆抑藻实验不同终点指标敏感性的比较

2．4 小结

第三章 大麦秸杆化感抑藻作用模型的研究

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 植物材料基本指标测试

3．2．2 秸秆腐解液制备方法

3．2．4 化感抑藻模型的构建

3．2．5 基于模型的现场围隔实验模拟

3．3 结果与讨论

3．3．1 大麦秸秆及秸秆腐解液物化指标

3．3．2 大麦秸秆腐解液的抑藻效果

3．3．3 大麦秸秆腐解液化感抑藻模型

3．3．4 基于模型的现场围隔模拟实验结果

3．4 小结

第四章 大麦秸秆中关键抑藻化感物质的分离与鉴定

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 植物材料及仪器

4．2．2 抑藻活性导向的逐级分离设计

4．2．3 预处理及基于极性的萃取分离

4．2．4 化感组分的粗分离(硅肢柱分离、ODS柱分离)

4．2．5 有效化感粗分组分的细分离(制备液相分离)

4．2．6 有效化感细分组分的进一步分离(制备液相分离)

4．2．7 有效化感物质的结构鉴定

4．3 结果与讨论

4．3．1 不同产地大麦秸秆醇提液的HPLC分析

4．3．2 萃取分离后各相的抑藻活性及化学分析

4．3．3 粗分组分的抑藻活性及化学分析

4．3．4 细分组分的押藻活性及化学分析

4．3．5 有效化感物质结构鉴定结果

4．4 小结

第五章 大麦秸秆化感物质对蓝藻抑制机理的研究

5．1 前言

5．2 材料与方法

5．2．1 材料及试剂

5．2．2 化感物质抑藻能力测试

5．2．3 基于流式细胞术的指标测试方法

5．2．4 数据统计分析方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 大麦秸秆化感物质对藻细胞自发叶绿素荧光的影响

5．3．2 大麦秸秆化感物质对藻细胞胞内酯酶活性的影响

5．3．3 大麦秸秆化感物质对藻细胞细胞膜完整性的影响

5．3．4 大麦秸秆化感物质对藻细胞膜电位的影响

5．3．5 大麦秸秆化感物质对藻细胞胞内氧化活性的影响

5．4 小结

第六章 研究结论、创新点及展望

6．1 研究结论

6．2 创新点

6．3 研究展望

参考文献

附录

图索引

表索引

作者简历

攻读博士期间撰写的文章、专利及奖励