海洋偶然性和持续性石油烃污染对初级生产力和微量元素汇的干扰 - 海洋地球化学循环研究

Sci. Total Environ. | Research Article

近日，闽南师范大学李顺兴教授和刘凤娇副教授团队在海洋石油烃污染的生态风险评价方面取得重要进展。相关成果在权威期刊Science of the Total Environment (IF=10.753)上以“The interference of marine accidental and persistent petroleum hydrocarbons pollution on primary biomass and trace elements sink”为题发表。

该研究通过中短期暴露对小球藻生理指标和微量元素吸收量的影响差异性和相关性，进一步探究引发的藻生理适应性和微量元素生物可利用性的代间传递情况，建立近海石油烃污染的生态风险评估机制。

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引言

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由于工业排放、意外泄漏、航运活动、大气沉降和海洋油气勘探，石油烃是《中国海洋环境状况公报》公布的海洋主要污染物之一，同时因其难降解性和生物累积性，亦被列为优先污染物。

浮游植物是近海生态环境中主要初级生产力，在生态系统中占据重要位置，直接和生态系统中能量流动、物质循环和信息传递息息相关。

浮游植物对海洋初级生产力的贡献率超过80%，是污染物进入海洋食物链的起点，石油烃可通过浮游植物等生物富集，从而影响浮游植物生理适应性和微量元素生物可利用性及其在代间和食物链中传递。

微量金属生物地球化学循环是GEOTRACES(微量元素和同位素海洋生物地球化学循环)全球性研究计划的核心内容，浮游植物对金属摄取是微量金属生物地球化学循环的重要环节。微量金属的摄取或在生物体中积累能力或对生物的毒性与该金属生物可利用性密切相关。

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然而，现有研究侧重于石油烃污染的短期毒性，将偶然性和持续性污染与浮游生物的生理生态指标和微量元素摄取量的相互作用和代间传递结合起来评价其生态风险尚不清楚。

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本研究以小球藻为模式藻，探究0#柴油中短期暴露对对数期和稳定期小球藻抗氧化相关生理生态指标(胞内：胡萝卜素、叶绿素 a、超氧化物歧化酶(SOD)、丙二醛(MDA))；胞外：羟自由基(•OH)光化学活性)和微量元素(铜、锰、锌和硒)摄取量的影响，考察浮游植物对石油烃的适应性如何？该适应性是否会代间传递及其与微量元素摄取之间的相关性？

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以生物量、抗氧化能力和脂质过氧化、光致产生金属离子表征可摄取金属藻细胞数、藻摄取时间、可摄取金属浓度，首次评价石油烃中短期暴露、多代繁殖对藻摄取微量元素的毒性效应、藻的生理适应性及其代间传递。

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该研究可建立石油烃污染生态风险评估新方法，揭示石油烃对浮游植物摄取微量元素的影响机制。

主要结果

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小球藻对不同程度石油烃污染的耐受性不同，在高浓度石油烃污染条件下依然保持较高的细胞活性（图1）。

当0#柴油水溶液(WSF)在高浓度(5.0 mg·L-1)污染条件下持续培养，小球藻的光化学活性逐渐增强，低浓度时基本保持平衡，说明其对WSF污染具很强的适应能力，经30代不断繁殖后光合活性逐渐恢复；在终止WSF胁迫环境下，低浓度和高浓度的藻细胞光合活性变动不大，但其光合活性明显低于未受污染的藻细胞。

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因此石油烃污染易引发藻的种群演替和丰度变化，且小球藻对WSF污染具一定的适应和耐受能力。

▲图1 | 不同浓度0#柴油水溶液对小球藻光合活性的影响。

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小球藻细胞中β胡萝卜素、羟基自由基、MDA含量和SOD活性均随着WSF浓度从1.0 mg·L-1增加到5.0 mg·L-1显示先增大后减小趋势，且对数期数值均大于稳定期。当WSF浓度为2.0 mg·L-1时达到峰值，分别为2.92 pg·cell-1，2.64 pg·cell-1，68.7 fg·cell-1和4.16×10-5U (FW·cell·h)-1。

经WSF浓度为2.0和5.0 mg·L-1驯化的小球藻中在不含WSF培养基条件下，其对数期和稳定期β胡萝卜素和羟基自由基含量均小于继续培养在WSF环境中，结果与上述现象相吻合。

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▲图2 | 不同浓度0#柴油水溶液对小球藻生理生态指标的影响。

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▲图3 | 不同浓度0#柴油水溶液对小球藻微量元素吸收量的影响。

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小球藻对铜、锰、硒在两种培养基中的吸收量在稳定期均大于对数期，而锌的吸收量刚好相反。铜和锰吸附量与硒吸附量影响趋势相似，且持续WSF 胁迫中的对数期和稳定期均大于终止 WSF胁迫。WSF 对锌吸附量的影响不明显。高浓度 WSF (5.0 mg L-1)污染后，几乎所有元素的吸收和吸附都受到明显的抑制。

▲图4 | 不同浓度0#柴油水溶液对小球藻微量元素吸附量的影响。

研究结果发现藻体各生理指标和微量元素吸附吸收量间存在一定的相关关系，如表1中显示：1)两种培养环境下，对数期和稳定期的小球藻细胞中β胡萝卜素与·OH 间均呈显著正相关，相关系数r值几乎都达到1.00，但Mn的吸收量却与β胡萝卜素等呈明显负相关；

2)在WSF持续污染环境下，处于对数期的小球藻细胞各生理指标之间有显著正相关关系，如Chl a 与·OH 间相关系数甚至达到1.00；稳定期时生理指标间仅有β胡萝卜素与·OH 间呈显著正相关(r = 0.959, p < 0.05)，Se吸附量与β胡萝卜素和·OH间也存在正相关关系，但Chl a 与MDA间甚至呈负相关(r = -0.985, p < 0.05)；

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3) 在WSF终止胁迫条件下，稳定期时SOD、MDA、Mn吸附量均与β胡萝卜素、铜、锌的吸附量呈显著相关(r = 1.00)。但Chl a与其他所有指标和锰吸收均呈负相关。

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▲表1 | 小球藻生理生态指标和微量元素摄取量相关性分析。

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小结

①小球藻对石油烃具很强的适应和耐受能力，且在持续胁迫环境下具更强的生存竞争力。

②小球藻暴露于石油烃污染环境时，受污染物浓度和暴露时间刺激会产生大量的活性氧类物质，激活其抗氧化防御系统(超氧化物歧化酶(SOD)活性、 β-胡萝卜素合成、抗氧化微量元素摄取)和过氧化物(羟基自由基(·OH)和丙二醛(MDA))的合成。

③海洋石油烃偶然性或持续性污染下，β胡萝卜素、·OH、MDA、SOD、锰和硒两两间均呈正相关关系，但与叶绿素a呈负相关。

④处于生长期的小球藻的SOD 酶活性、对铜和锰吸收量的影响均达显著水平(p < 0.05，F > Fα)，锰和硒的吸附量与 SOD、MDA、叶绿素 a 呈正相关(p < 0.01)。

论文信息

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标题：The interference of marine accidental and persistent petroleum hydrocarbons pollution on primary biomass and trace elements sink

期刊：Science of The Total Environment

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类型：Research Article

作者：刘凤娇, ...... , & 李顺兴*【闽南师范大学】等

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时间：2023-04-30

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DOI：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.163812

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第一作者简介

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刘凤娇副教授，厦门大学海洋与地球科学流动站博士后，漳州市高层次引进人才，闽南师范大学硕士生导师。目前主持福建省高校产学合作项目、中国博士后科学基金面上项目、漳州市高层次引进人才项目、闽南师范大学校长基金项目和科技开发项目各1项。主要从事海洋环境生态风险评价和微量元素生物地球化学循环研究，申请发明专利5项(已授权2项)，发表国内外学术论文25篇，被SCI收录21篇，其中TOP期刊19篇，JCR I区12篇，II区8篇。

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通讯邮箱：lfj1915@mnnu.edu.cn

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通讯作者简介

李顺兴教授，厦门大学近海环境科学国家重点实验室博士后，武汉大学环境科学博士，闽南师范大学污染监测与控制福建省高校重点实验室主任，厦门大学、北京科技大学和福州大学博士生导师。入选“教育部新世纪优秀人才支持计划”、福建省教学名师、国务院政府特殊津贴获得者。主持国家自然科学基金项目7项；发明专利授权8项；以第一作者或通讯作者发表论文被SCI、EI收录97篇，其中JCR I区35篇，II区28篇，TOP期刊48篇，其中影响因子超过5.0的42篇，超过10的13篇。

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通讯邮箱：lishunxing@mnnu.edu.cn

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