水体富营养化诱导蓝藻释放VOCs在蓝藻水华形成中的作用研究

In eutrophic waters, the mass propagation of cyanobacteria, which is one of the important environment problems with massive attention in the world, markedly reduces the biodiversity and results in the formation of water bloom. However, the formation mechanism of the phenomenon is still not very clear. It is well known that cyanobacteria can release abundant volatile organic compounds (VOCs), whether those VOCs play an important role in the case that cyanobacteria become dominant population with the reduction in diversity and amount of aquatic plants and other algae. In our previous studies, abiotic stresses can induce VOCs release from Chlamydomonas reinhardtii, and those VOCs can inhibit the growth of normal C. reinhardtii cells (Zuo et al., 2012) and induce the cells formatting aggregation. Therefore, the study of VOCs released by cyanobacteria and their roles in the process of cyanobacteria mass propagation, biological diversity loss and formatting aggregation will help to reveal the formation mechanism of water bloom theoretically.In this study, Microcystis, the typical species of cyanobacteria for water bloom, will be used as the materials to investigate the effects of different nutrient condition on the release of VOCs, to reveal the allelopathic effects of VOCs, and to elucidate the relationship between VOCs and water bloom. Therefore, the results of the study are very meaningful and valuable for prevention and management of water bloom.

蓝藻在富营养化水体中大量繁殖已成为全世界广为关注的环境问题之一。蓝藻大量繁殖使水体生物多样性明显降低，同时也导致了水华爆发，但是该现象形成机制尚不十分清楚。蓝藻能释放大量挥发性有机化合物（VOCs），这些VOCs是否在蓝藻成为优势种群中发挥抑制水生植物和其它藻类生长的作用？我们研究发现非生物胁迫诱导的莱茵衣藻VOCs能明显抑制正常衣藻生长（Zuo et al., 2012），并诱发藻细胞形成聚集体。因此，对蓝藻释放VOCs及其在蓝藻大量繁殖、水体生物多样性降低和聚集体形成过程中的作用进行研究，将有助于从理论上揭示水华形成机制。本研究拟以形成蓝藻水华的主要种类微囊藻为材料，研究不同营养条件对其VOCs合成与释放的影响、VOCs的化感作用以及VOCs与水华形成的关系，以期从VOCs角度揭示蓝藻在富营养化水体中成功繁衍并形成水华的机制，这将对我们认识水华形成和治理水华具有重要的价值与意义。

本研究以蓝藻水华的主要藻种水华微囊藻和铜绿微囊藻为材料，研究了不同氮磷营养条件对其VOCs产生、VOCs的化感作用及其功能成分、以及VOCs主要成分对微囊藻聚集体的诱导作用，同时还探索了利用葡萄修剪废弃物进行抑藻。首次发现不同氮、磷源营养均会影响微囊藻VOCs产生与释放。在不同氮、磷浓度下，微囊藻VOCs释放量随营养减少而增加，在营养缺乏时VOCs释放量最大，其原因为营养缺乏诱导了与VOCs形成相关基因的表达，从而促进VOCs的产生与释放。在VOCs形成相关基因中，首次发现缺氮条件下磷酸戊糖途径中转醛醇酶的基因表达量明显上调，从而催化3-磷酸甘油醛大量形成，进而增加MEP途径底物浓度以促进单萜VOCs形成。首次证明缺乏氮或磷营养诱导的水华微囊藻和铜绿微囊藻VOCs均具有抑制小球藻和莱茵衣藻生长的化感作用，桉树脑和柠檬烯是其主要化感成分，其抑制机理可能是通过引起光合色素降解、抑制光合电子产生与传递，从而抑制藻细胞生长。光合色素在酸、碱条件下极易发生降解，桉树脑和柠檬烯引起光合色素降解可能与其改变藻细胞内pH值有关。桉树脑和柠檬烯除具有化感作用外，本研究还首次证明其可诱导微囊藻细胞形成聚集体。由此可见，在富营养化水体中，多样且复杂的氮磷营养会影响蓝藻VOCs产生与释放，当蓝藻大量繁殖后，营养物质大量消耗甚至匮乏时会导致营养竞争并诱导与VOCs形成相关基因表达，从而促进VOCs产生与释放；这些VOCs通过抑制其他藻细胞生长，从而有利于蓝藻扩大繁衍与生长，同时这些VOCs还会诱导蓝藻细胞聚集并形成水华。此外，本研究还探索了利用葡萄修剪下的枝叶提取液抑制藻细胞生长，首次发现修剪废弃物具有抑藻作用，这为通过植物次生代谢物防治水华奠定了基础。