植物激素在基于微藻的污水营养盐去除与化感抑藻中的作用机理研究

摘要

研究以水体富营养化控制为目标，研发水体富营养化源头和原位控制技术与机理。针对污水微藻处理除磷脱氮效能低、高氨氮胁迫，以及化感抑藻作用机理不明等问题。以微藻为研究对象，从植物激素角度，一方面，探究外源植物激素对污水厂尾水微藻深度除磷脱氮系统效能及对细胞光合和氮代谢系统活性的影响及作用机制；同时，探究外源植物激素对微藻在高氨氮胁迫下的抗逆作用及机理，利用分子生物学方法，考察高氨氮胁迫下，外源植物激素对微藻的光合活性、抗氧化能力、氮代谢活力和基因转录水平的影响；另一方面，探究萜类化合物对蓝藻细胞内源植物激素合成的影响；采用生物化学和分子生物学方法，从光合活性、氧化应激和抗氧化特性等角度，解析植物激素在天然萜类化合物抑藻过程中的响应机制。研究得出的主要结果如下：　　①10-5M吲哚-3-乙酸(IAA)、10-7M玉米素(ZT)和10-9M油菜素内酯(Br)三种外源植物激素能显著促进微藻系统对污水厂尾水NO3--N、NH4+-N、TN和PO43--P的去除效能。IAA作用下，微藻对NH4+-N、NO3--N、TN和PO43--P的去除效率分别为75.9%、41.1%、43.6%和82.1%，较对照组分别增加了0.9、1.0、1.5和0.5倍；ZT作用下，微藻对NH4+-N、NO3--N、TN和PO43--P的去除效率分别为87.5%、39.4%、43.9%和85.7%，较对照组分别增加了1.2、0.9、1.5和0.5倍；Br作用下，微藻对NH4+-N、NO3--N、TN和PO43--P的去除效率分别为87.5%、46.6%、50.4%和84.5%，较对照组分别增加了1.2、1.3、1.8和0.5倍。　　②外源植物激素显著提升微藻光合活性和氮代谢活力。经10-5MIAA、10-7M ZT和10-9M Br作用4d后，微藻叶绿素含量相比对照组，分别提升77.2%、66.6%和85.6%；叶绿素荧光QY和Fv/Fm分别为对照组的1.09、1.13和1.16倍以及1.06、1.08和1.1倍；同时，微藻氮代谢关键酶硝酸还原酶(NR)和谷氨酰胺合酶(GS)的活性较对照组分别提升1.0、0.4、0.9倍和1.4、1.1、0.8倍；10-9MBr作用4d后，微藻光合作用相关基因rbcL和氮代谢相关基因GS的转录丰度分别提升46.1%和30.9%，表明植物激素通过调节基因和蛋白的表达，促进藻细胞的光合作用和氮代谢。　　③植物激素IAA、ZT和Br显著缓解高氨氮胁迫对微藻的抑制效应。IAA、ZT和Br可显著提升高氨氮胁迫(500mgL-1NH4+-N)下，微藻的生物质浓度、叶绿素含量、PSII光化学效率(增加Fv/Fm和Fv/Fo)，并缓解光抑制(显著降低DIo/RC和ABS/RC)。10-5MIAA、10-9MZT和10-9MBr作用1d后，微藻生物量浓度较对照组分别增加了32.44%、33.32%和34.79%。IAA、ZT和Br作用7d，微藻Chl a含量分别提升20%、25.83%和30.83%；叶绿素荧光Fv/Fm分别较对照组提升16%、19.68%、19.75%；Fv/Fo分别较对照组提升19%、26.64%、24.41%。同时，高氨氮胁迫下，Br作用4d，微藻rbcL基因转录丰度较对照组显著提升10.95倍。　　④植物激素IAA、ZT、Br显著降低高氨氮胁迫下，微藻MDA含量，并提升其抗氧化酶CAT的活性。10-5M IAA、10-9M ZT和10-9M Br作用后，与对照组相比，MDA含量分别下降20.4%、22.37%和20.8%；CAT活性分别提升53.69%、56.92%和117.3%，表明外源植物激素可消除过量产生的ROS，减轻藻细胞膜的脂质氧化，激活体内的抗氧化系统。　　⑤植物激素缓解高氨氮胁迫对微藻氮代谢酶活性和基因转录的抑制作用。高氨氮胁迫下，IAA、ZT和Br作用4d，细胞GS活性较对照组分别增加2.6倍、3.62倍和6.72倍；此外，经Br处理后，细胞GS基因转录丰度较对照组提高1.64倍，表明植物激素有效缓解高氨氮胁迫对GS的毒性作用，恢复微藻氮代谢活性。　　⑥植物激素参与调控萜类化合物的抑藻效应。萜类化合物单体萜品油烯(TER)和丁香油酚(EUG)显著抑制铜绿微囊藻的生长，显著改变其光合活性、细胞结构、胞外有机物(EOM)以及膜蛋白基因表达等生理特性。同时，TER和EUG还能显著促进其内源植物激素IAA、Br、ZT、SA和JA水平的升高。当暴露于1.47mM TER4d后，铜绿微囊藻中内源IAA、Br、ZT、SA和JA的含量分别增加0.98倍、0.21倍、0.8倍、2.08倍和1.47倍；当暴露于0.16mM EUG4d后，铜绿微囊藻中内源IAA、Br、ZT、SA和JA的含量分别增加了0.33倍、0.07倍、0.43倍、2.32倍和1.0倍。植物激素(IAA、ZT、Br、SA、JA)抑制剂作用于铜绿微囊藻后，TER和EUG对细胞的抑制作用增强。并且，植物激素抑制剂显著提高MDA含量，并抑制SOD活性。外源IAA、Br、ZT、SA和JA可显著减小TER和EUG对细胞的抑制作用，进一步说明，TER和EUG的抑藻过程触发植物激素引发的铜绿微囊藻信号转导级联反应，诱导非生物胁迫耐受性。　　⑦萜类化合物的抑藻作用与信号分子一氧化氮(NO)具有相关性，TER和EUG可以显著促进铜绿微囊藻NO的合成。TER和EUG分别处理铜绿微囊藻4d后，细胞NO浓度与对照组相比，显著提高9.12倍和3.04倍。研究发现，外源NO作用于铜绿微囊藻4d后，Fv/Fm和Fv/Fo相较TER处理组分别减少57.72%和56.1%、MDA含量相较TER和EUG处理组增加46.88%和26.86%、SOD活性相较TER和EUG处理组降低18.86%和25.85%；NO清除剂作用于铜绿微囊藻后可部分缓解TER和EUG的抑制作用，表明萜类化合物抑藻作用受到NO的调控。

目录

英汉缩略词表

1 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 微藻在水处理中的优势和瓶颈

1.1.2 微藻对水环境的危害及其控制

1.2 植物激素对微藻影响研究进展

1.2.1 植物激素的种类及特性

1.2.2 植物激素对微藻生长影响

1.2.3 植物激素对微藻抗逆性影响

1.3 化感物质抑藻机理的研究进展

1.4 问题的提出、研究目的及内容

1.4.1 问题的提出

1.4.2 研究目的和意义

1.4.3 研究内容和技术路线

2 植物激素对污水厂尾水微藻除磷脱氮效能影响及机理研究

2.1 引言

2.2 材料与方法

2.2.1 试验材料

2.2.2 试验方法

2.2.3 测试方法

2.2.4 测试仪器及试剂

2.2.5 试验数据分析

2.3 结果与讨论

2.3.1 植物激素对污水厂尾水微藻处理系统除磷脱氮效能的影响

2.3.2 植物激素促进微藻氮磷去除的机理研究

2.4 本章小结

3 植物激素对高氨氮胁迫下微藻废水处理系统调控的机理研究

3.1 引言

3.2 材料与方法

3.2.1 试验材料

3.2.2 试验方法

3.2.3 测试方法

3.2.4 测试仪器及试剂

3.2.5 试验数据分析

3.3 结果与讨论

3.3.1 植物激素对高氨氮胁迫下微藻生长的影响

3.3.2 植物激素提升微藻抗胁迫能力的机理研究

3.4 本章小结

4 植物激素在萜类化合物抑藻中的作用与机理研究

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.2.1 试验材料

4.2.2 试验方法

4.2.3 测试方法

4.2.4 测试仪器及试剂

4.2.5 试验数据分析

4.3 结果与讨论

4.3.1 萜类化合物对微藻的抑制效应

4.3.2 植物激素在萜类化合物化感作用中的响应机制及功能

4.3.3 NO 在萜类化合物化感作用中的响应机制及功能

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 创新点

5.3 后续工作展望

参考文献

附录Ⅰ 高氨氮胁迫对微藻生长和细胞结构的影响

附录Ⅱ 萜类化合物对微藻生理特性的影响

B1 萜类化合物对微藻光合系统的影响

B2 萜类化合物对微藻细胞形态结构的影响

B3 萜类化合物对微藻细胞 EOM 的影响

B4 萜类化合物对微藻细胞氧化/抗氧化系统的影响

附录Ⅲ

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

C. 学位论文数据集

致谢