So sánh tác động độc hại của Cd, Cu và Zn đối với bốn loài phiêu sinh thực vật biển bằng phương pháp huỳnh quang điều chế xung biên độ

Environmental Toxicology and Chemistry - Tập 24 Số 10 - Trang 2603-2611 - 2005
Ai‐Jun Miao1, Wen‐Xiong Wang1, Philippe Juneau2
1Dept. of Biology, The Hong Kong University of Science and Technology, Clear Water Bay, Kowloon, Hong Kong
2Université du Québec à Montréal, Department of Biological Sciences, Montreal H3C 3P8, Canada

Tóm tắt

Tóm tắt Những tác động độc hại của Cd, Cu và Zn đối với bốn loài phiêu sinh thực vật biển khác nhau, bao gồm Dunaliella tertiolecta, Prorocentrum minimum, Synechococcus sp., và Thalassiosira weissflogii, đã được khảo sát thông qua việc so sánh tỷ lệ tăng trưởng đặc hiệu của tế bào, các tham số huỳnh quang điều chế xung biên độ (PAM) (hiệu suất lượng tử tối đa của hệ thống quang hợp II ϕM và hiệu suất lượng tử hoạt động ϕ'M), hàm lượng chlorophyll a, và nồng độ kim loại trong tế bào, trong một khoảng thời gian 96 giờ. Nồng độ không quan sát thấy tác động (NOEC) được tính toán dựa trên cả tỷ lệ tăng trưởng đặc hiệu của tế bào và hai tham số PAM (ϕM và ϕ'M) chủ yếu giống nhau. Do đó, các tham số PAM này và tỷ lệ tăng trưởng đặc hiệu của tế bào có độ nhạy tương đương nhau như là các chỉ thị sinh học cho độc tính của kim loại vết đối với phiêu sinh thực vật biển. Cyanobacteria Synechococcus sp. là loài nhạy cảm nhất trong bốn loài tảo được thử nghiệm vì tỷ lệ bề mặt trên thể tích tế bào cao hơn. Độc tính của ba kim loại thử nghiệm theo thứ tự Cd > Cu > Zn dựa trên nồng độ kim loại trong tế bào của bốn loài tảo tại NOEC. Sự sinh trưởng sinh học của kim loại trong tế bào theo cùng một isotherm Freundlich đối với mỗi kim loại, bất kể loài tảo, cho thấy rằng sự tích lũy kim loại là một quá trình không chuyển hóa dưới các nồng độ kim loại môi trường cao và rằng sự gắn kết kim loại trên bề mặt tế bào có thể so sánh giữa các loài khác nhau. Đối với tất cả các loài tảo được khảo sát trong nghiên cứu của chúng tôi, khả năng sinh học tích lũy của Cu và Zn rất giống nhau, trong khi khả năng sinh học tích lũy của Cd thấp hơn nhiều dưới nồng độ kim loại thực tế trong môi trường.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Schreiber, 1986, Detection of rapid induction kinetics with a new type of high-frequency modulated chlorophyll fluorometer, Photosynth Res, 9, 261, 10.1007/BF00029749

Schreiber, 1987, Plant Response to Stress, 27, 10.1007/978-3-642-70868-8_2

Lippemeier, 1999, Direct impact of silicate on the photosynthetic performance of the diatom Thalassiosira weissflogii assessed by on- and off-line PAM fluorescence measurements, J Plankton Res, 21, 269, 10.1093/plankt/21.2.269

Sauer, 2001, Nitrogen starvation-induced chlorosis in Synechococcus PCC 7942: Low-level photosynthesis as a mechanism of long-term survival, Plant Physiol, 126, 233, 10.1104/pp.126.1.233

Barranguet, 2002, Development of photosynthetic biofilms affected by dissolved and sorbed copper in a eutrophic river, Environ Toxicol Chem, 21, 1955, 10.1002/etc.5620210925

Juneau, 2003, Effects of viral infection on photosynthetic processes in the bloom-forming alga Heterosigma akashiwo, Aquat Microb Ecol, 31, 9, 10.3354/ame031009

Popovic, 2003, Practical Applications of Chlorophyll Fluorescence in Plant Biology, 151, 10.1007/978-1-4615-0415-3_5

Genty, 1989, The relationship between the quantum yield of photosynthetic electron transport and quenching of chlorophyll fluorescence, Biochim Biophys Acta, 990, 87, 10.1016/S0304-4165(89)80016-9

EL Jay, 1997, A high-sensitivity chlorophyll fluorescence assay for monitoring herbicide inhibition of photosystem II in the chlorophyte Selenastrum capricornutum: Comparison with effect on cell growth, Arch Hydrobiol, 140, 273, 10.1127/archiv-hydrobiol/140/1997/273

Juneau, 2002, PAM fluorometry in the determination of the sensitivity of Chlorella vulgaris, Selenastrum capricornutum, and Chlamydomonas reinhardtii to copper, Arch Environ Contam Toxicol, 42, 155, 10.1007/s00244-001-0027-0

Shioi, 1978, Effects of copper on photosynthetic electron transport in spinach chloroplast, Plant Cell Physiol, 19, 203

Bohner, 1980, Reciprocal formation of plastocyanin and cytochrome c-553 and the influence of cupric ions on photosynthetic electron transport, Biochim Biophys Acta, 592, 103, 10.1016/0005-2728(80)90117-6

Samson, 1988, Copper quenching of the variable fluorescence in Dunaliella tertiolecta. New evidence for a copper inhibition effect on PS II photochemistry, Photochem Photobiol, 48, 329, 10.1111/j.1751-1097.1988.tb02829.x

Schroder, 1994, Flash-induced absorption spectroscopy studies of copper interaction with photosystem II in higher plants, J Biol Chem, 369, 32865, 10.1016/S0021-9258(20)30071-5

Cid, 1995, Copper toxicity on the marine microalga Phaeodactylum tricornutum: Effects on photosynthesis and related parameters, Aquat Toxicol, 31, 165, 10.1016/0166-445X(94)00071-W

Singh, 1987, Action of heavy metals on Hill activity and O2 evolution in Anacystis nidukans, Plant Physiol, 83, 12, 10.1104/pp.83.1.12

Monhanty, 1989, Copper toxicity affects photosystem II electron transport at the secondary quinone acceptor (QB), Plant Physiol, 90, 175, 10.1104/pp.90.1.175

Yruela, 1991, Identification of the pheophytin-QA-Fe domain of the reducing side of the photosystem II electron as the Cu-inhibitory binding site, J Biol Chem, 266, 22847, 10.1016/S0021-9258(18)54431-8

Jegerschold, 1995, Copper (II) inhibition of electron transfer through photosystem II studied by EPR spectroscopy, Biochemistry, 34, 12747, 10.1021/bi00039a034

Rashid, 1994, Molecular mechanism of action of Pb2+ and Zn2+ on water oxidizing complex of photosystem II, FEBS Lett, 350, 296, 10.1016/0014-5793(94)00789-6

Krupa, 1993, The effects of cadmium on photosynthesis of Phaseolus vulgaris—A fluorescence analysis, Physiol Plantarum, 88, 626, 10.1111/j.1399-3054.1993.tb01381.x

Geiken, 1998, Incorporation of 35S methionin in higher plants reveals that stimulation of the D1 reaction center II protein turnover accompanies tolerance to heavy metal stress, Plant Cell Environ, 21, 1265, 10.1046/j.1365-3040.1998.00361.x

Sunda, 1976, The relationship between cupric ion activity and the toxicity of copper to phytoplankton, J Mar Res, 34, 511

Morel, 1983, Principles of Aquatic Chemistry

Campbell, 1995, Metal Speciation and Bioavailability in Aquatic Systems, 45

Brand, 1986, Reduction of marine phytoplankton reproduction rates by copper and cadmium, J Exp Mar Biol Ecol, 96, 225, 10.1016/0022-0981(86)90205-4

Knauer, 1997, Effects of free Cu2+ and Zn2+ ions on growth and metal accumulation in freshwater algae, Environ Toxicol Chem, 16, 220, 10.1897/1551-5028(1997)016<0220:EOFCAZ>2.3.CO;2

Payne, 1999, Effects of Cadmium toxicity on growth and elemental composition of marine phytoplankton, J Phycol, 35, 293, 10.1046/j.1529-8817.1999.3520293.x

Sunda, 2000, Effect of Zn, Mn and Fe on Cd accumulation in phytoplankton: Implications for oceanic Cd cycling, Limnol Oceanogr, 45, 1501, 10.4319/lo.2000.45.7.1501

Fisher, 1984, Accumulation and toxicity of Cd, Zn, Ag, and Hg in four marine phytoplankters, Mar Ecol Prog Ser, 18, 201, 10.3354/meps018201

Guillard, 1962, Studies on marine planktonic diatoms. I. Cyclotella nana hustedt and Detonula confervacea (cleve) gran, Can J Microbiol, 8, 229, 10.1139/m62-029

Wang, 2001, Influences of phosphate and silicate on Cr(VI) and Se(IV) accumulation in marine phytoplankton, Aquat Toxicol, 52, 39, 10.1016/S0166-445X(00)00132-6

Wang, 2001, Effects of major nutrient additions on metal uptake in phytoplankton, Environ Pollut, 111, 233, 10.1016/S0269-7491(00)00071-3

Parsons, 1992, A Manual of Chemical and Biological Methods for Seawater Analysis

Davis, 2003, A review of the biochemistry of heavy metal biosorption by brown algae, Water Res, 37, 4311, 10.1016/S0043-1354(03)00293-8

Christensen, 1984, Ecotoxicological assays with algae: Weibull dose-response curves, Environ Sci Technol, 18, 713, 10.1021/es00127a014

Van der Heever, 1996, The use of Selenastrum capricornutum growth potential as a measure of toxicity of a few selected compounds, Water SA, 22, 183

Monnet, 2001, Relationship between PS II activity, CO2 fixation, and Zn, Mn and Mg contents of Lolium perenne under zinc stress, J Plant Physiol, 158, 1137, 10.1078/S0176-1617(04)70140-6

Juneau, 1999, Evidence for the rapid phytotoxicity and environmental stress evaluation using the PAM fluorometric method: Importance and future application, Ecotoxicology, 8, 449, 10.1023/A:1008955819527

Juneau, 2001, Evaluation of different algal species sensitivity to mercury and metolachlor by PAM-fluorometry, Chemosphere, 45, 589, 10.1016/S0045-6535(01)00034-0

Silver, 1988, Plasmid-mediated heavy metal resistance, Annu Rev Microbiol, 42, 717, 10.1146/annurev.mi.42.100188.003441

Coale, 1990, Spatial and temporal variability in copper complexation in the North Pacific, Deep-Sea Res, 37, 317, 10.1016/0198-0149(90)90130-N

Moffett, 1990, Distribution and potential sources and sinks of copper chelators in the Sargasso Sea, Deep-Sea Res, 37, 27, 10.1016/0198-0149(90)90027-S

Franklin, 2002, Toxicity of metal mixtures to a tropical freshwater alga (Chlorella sp.): The effect of interactions between copper, cadmium, and zinc on metal cell binding and uptake, Environ Toxicol Chem, 21, 2412, 10.1897/1551-5028(2002)021<2412:TOMMTA>2.0.CO;2

Crist, 1990, Interaction of metals and protons with algae. 2. Ion-exchange in adsorption and metal displacement by protons, Environ Sci Technol, 24, 337, 10.1021/es00073a008

Crist, 1994, Interaction of metals and protons with algae. 4. Ion-exchange vs adsorption models and a reassessment of Scatchard plots; ion-exchange rates and equilibria compared with calcium alginate, Environ Sci Technol, 28, 1859, 10.1021/es00060a016

Martin, 1986, Metal Ions in Biological Systems, Vol 20—concepts on Metal Ion Toxicity, 21

De Filippis, 1994, Phycological Perspectives of Water Pollution, 31

De Filippis, 1976, The effects of sub-lethal concentrations of mercury and zinc on Chlorella. II. Photosynthesis and pigment composition, Z Pflanzenphysiol, 78, 314, 10.1016/S0044-328X(76)80101-8