典型藻种胶被特性及其对物质传递的影响

发布时间：2020-11-06 05:28

　　 胶被是一种广泛存在于微生物以及一些植物和动物细胞周围的结构。藻类胶被不仅是藻细胞与周围环境之间的物理屏障,对不利环境因素如紫外辐射、有毒化合物、干燥、浮游动物的捕食等具有防御作用,也为藻细胞周围提供必要营养素和微量元素的微环境。此外,胶被参与细胞间相互作用、粘附和聚集等一系列过程,使得藻类形成了极强的生态竞争优势,从而形成水华。目前大量的研究专注于外在影响因子对胶被产量的影响,以及胶被对藻类群体形成的贡献,而对于胶被作为藻类细胞与外界环境沟通的“桥梁”作用,尤其是在物质传递方面,其作用机理尚未完全明晰。基于此背景,本论文选取16株具有不同胶被形态的蓝藻和绿藻,归纳近10年藻类胶被提取方法,总结影响胶被提取效果的主要因素,优化胶被提取方法,获得有胶被/无胶被藻种并分析其特性;探讨了胶被在藻类物质传递中的影响,并施加不同的温度脉冲条件,以深入了解胶被在温度胁迫下的物质传递响应机理。主要研究结果归纳如下:(1)不同形态胶被提取方法优化。对不同类型胶被(粘液、荚膜、鞘)藻种分别采用离心法、超声法、阳离子交换树脂法、热水提取法、硫酸水浴法法、氢氧化钠水浴法进行双因素实验和正交实验。结果表明:温和处理条件(离心法、阳离子交换树脂法)对大部分藻种提取效果不明显。胶被分泌可溶性多糖(RPS)到周围环境,RPS可采用过滤法收集;粘液采用氢氧化钠水浴法(0.01 mol/L NaOH,50-70℃,10-30 min)完全提取;荚膜采用硫酸水浴法(1 mol/L H_2SO_4,50-70℃,20-40 min)完全提取;鞘主要采用氢氧化钠水浴法(0.01 mol/L NaOH,80℃,40 min)+超声法(冰浴,20 KHz,≥30 W,工作3 s/间隙3 s,≥2 min)结合处理。(2)不同形态胶被的特性分析。藻类分泌产生的多糖和蛋白质主要结合于藻细胞周围胶被,少部分(50%)分泌到外界环境,单糖和氨基酸种类在不同层之间显著差异,显示出藻细胞胶被是非均匀的物质。主成分分析结果显示,脱氧糖自身的疏水性和所处多糖的位置差异会增加粘液的疏水特性。RPS酸性氨基酸(门冬氨酸、谷氨酸)比例大于粘液。粘液疏水性氨基酸(缬氨酸)比例大于RPS或相差不大,因此粘液比RPS疏水性强的差异来源是岩藻糖、鼠李糖、门冬氨酸、谷氨酸和缬氨酸。同一藻种,RPS或粘液的葡萄糖醛酸比例高于荚膜。粘液的亲水性氨基酸(甘氨酸、苏氨酸)比例高于荚膜,因此粘液比荚膜更易水化、亲水性更强的差异来源为葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸、甘氨酸和苏氨酸。鞘的糖醛酸(葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸)比例低于荚膜,鞘的疏水性氨基酸比例较为稳定,而荚膜藻种的疏水性氨基酸比例波动较大,因而荚膜比鞘更具粘附性,鞘具疏水性的原因在于葡萄糖醛酸及疏水性氨基酸。(3)胶被对藻细胞物质吸收的作用。结果表明:胶被对营养物质有一定程度的富集作用,荚膜和鞘与藻细胞结合,荚膜具有粘性,使得荚膜比鞘对营养物质的富集效率更高,而粘液与藻细胞结合松散,且易水化到,导致对营养物质的富集作用弱,导致不同胶被形态藻种对NH_4~+的吸收速率主要表现为荚膜鞘粘液。胶被的存在增加了藻细胞对NH_4~+的吸收和O_2的释放,且不同形态的胶被对物质通量的影响程度有一定差异。藻类胶被对NH_4~+通量的影响程度为鞘荚膜粘液;胶被对藻细胞O_2通量的影响程度荚膜鞘粘液。不同形态的胶被表面特性不同,影响物质的扩散速率,并在一定程度上调节细胞内外营养元素的传输条件,加快了物质的相互传递。(4)胶被受到温度脉冲后对藻细胞物质传递的作用。热刺激下,藻细胞均由放氧变成耗氧,冷刺激下藻细胞放氧速率明显增加,同一藻群体对温度刺激的响应时间相似,总体而言,响应刺激时间荚膜藻种450 s粘液藻种300 s鞘层藻种200-300 s,去除胶被后的藻细胞对外界刺激的响应时间大都缩短。表明胶被对外界温度刺激产生了一定的缓冲作用且不同形态胶被所起缓冲作用不同。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院重庆绿色智能技术研究院)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：Q945
【部分图文】：

典型藻种胶被特性及其对物质传递的影响21.2胶被概述1.2.1胶被的定义胶被（surfacecoat）是一种广泛存在于微生物以及一些植物和动物细胞周围的结构，其主要成分为多糖和蛋白质。在过去的几十年里，微生物和植物的胶被得到了越来越多的关注，但其术语经常混淆，特别是藻类的胶被（图1.1）（Bertocchietal.,1990），在许多文献中其名称并没有严格区分。在已有的研究报道中，藻类的胶被称为荚膜多糖capsularpolysaccharides（CPS）、结合型胞外聚合物boundextracellularpolymers（BEPS）、紧密型胞外聚合物tightextracellularpolymers（TEPS）、透明胞外聚合颗粒物transparentexopolymerparticles（TEP）、多糖polysaccharide（PS）等（Bennett,1963），其中，结合型胞外聚合物（BEPS）还可进一步分为松散结合型胞外聚合物looselyboundextracellularpolymers（LB-EPS）和紧密结合型胞外聚合物tightlyboundextracellularpolymers（TB-EPS）（Houetal.,2017）。除此之外，大部分藻类胶被可以分泌溶解性多糖物质到外界水环境中，一般称之为水解多糖releasedpolysaccharides（RPS）或可溶型胞外聚合物solubleextracellularpolymers（SEPS），因此有学者用胞外多糖或胞外聚合物（exopolysaccharide、extracellularpolymericsubstance、EPS）代表胶被及其分泌物。藻类形成群体有两种机制：一是细胞黏附，单个细胞通过胶被聚集在一起形成群体；二是细胞分裂；细胞分裂过后保持黏附状态，包裹在母细胞壁中（董静和李根保,2016）。图1.1藻类胶被示意图Figure1.1Schematicdiagramofalgalsurfacecoat

第1章绪论31.2.2胶被的分类藻类胶被根据形态可分为鞘（sheath）、荚膜（capsule）、粘液（slime）（DePhilippisandVincenzini,1998）（图1.2）。鞘层薄而均匀，在光学显微镜下观察可见；荚膜是厚而有粘性的多糖层，用印度墨水染色后，通过光学显微镜观察可见；最外一层为粘液，分散在细胞周围，不能反应细胞的形状。可溶型胞外聚合物是指在细胞培养过程中，荚膜或粘液层以水溶型物质的形式释放到周围培养基中的物质，能引起培养基粘度的增加。许多学者仅在物质层面上对胶被及其分泌物进行分析（Ahmedetal.,2014），但这忽略了藻类胶被自身的生物学功能，且胶被可能比RPS具有更多的生物活性（Geetal.,2014a）。图1.2藻类胶被形态图Figure1.2Morphologyofalgalsurfacecoat1.2.3主要成分不同藻种胶被的含量和成分不同。胶被主要由多糖、蛋白质、腐殖质组成（Shengetal.,2010），其中，多糖没有荧光特性，蛋白质主要为类色氨酸和类酪氨酸，腐殖质可能来源于死细胞和大分子有机物（Liuetal.,2017）。胶被及其分泌物均含有蛋白质，但腐殖质主要分布在可溶型胞外聚合物中（Xuetal.,2013）。结构上，多糖由醇、醛、酮、醚、羧酸功能团组成，而蛋白质，与胺、酰胺、羧酸功能团有关系（HarimawanandTing,2016）。多糖的存在加强了胶被的粘附强度，而蛋白质的粘附效应相对较差（HarimawanandTing,2016）。多糖含量一般高于蛋白质，指数生长阶段，有机质主要分布在胶被中，在衰亡期急剧释放到胶被外层和周围环境中。Xu等（2013）发现胶被中类色氨酸物质与微囊藻生长呈正相关关系，然而在水溶型胶被中，类色氨酸和类腐殖质物质与铜绿微囊藻生长有关，而Liu等（2017）发现在低N供给下刺激细胞分泌大量类酪氨酸物质，且

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本文编号：2872712