螺旋藻与褐藻提取物协同缓解小白菜镉胁迫效应的水培机制研究

本文针对农田镉（Cd）污染导致的作物生长抑制及食品安全风险，研究了螺旋藻（Spirulina platensis）和褐藻（Sargassum polycystum）提取物对镉胁迫下小白菜（Pak Choi）的生理与代谢调控作用。研究发现，100 mg L?1 Cd胁迫导致小白菜生物量下降63–88%，光合效率（Fv/Fm）降至0.74，而100 mL L?1混合藻提取物（T10）使光合色素提升55–157%，氧化应激标志物（MDA、H2O2）降低48–52%，并通过GC-MS代谢组学揭示其通过调节α-亚麻酸、苹果酸等52种代谢物减轻毒性。该研究为重金属污染农业的绿色修复提供了新策略。

　　

镉污染：农田中的隐形杀手
镉（Cd）作为高毒性重金属，通过工业排放、化肥滥用等途径广泛污染农田，其在作物中的积累不仅导致减产（如小白菜生物量下降88%），更通过食物链威胁人类健康。尤其在水培系统中，镉的流动性更强，小白菜等叶菜类对镉的高富集性使其成为污染暴露的重要载体。传统修复方法成本高且易造成二次污染，而藻类提取物因富含植物激素、多糖及螯合物质，被视为绿色替代方案。然而，不同藻种的协同效应及其对植物代谢通路的调控机制尚不明确。

藻类提取物的协同增效机制
马来西亚理科大学的研究团队通过水培实验，系统评估了螺旋藻（Spirulina platensis）和褐藻（Sargassum polycystum）单一及混合提取物对镉胁迫小白菜的修复效果。研究设计11组处理（表1），包括100 mg L^?1 Cd胁迫下0–100 mL L^?1藻提取物添加，从形态生理、光合作用、氧化损伤及代谢组学多维度解析机制：

1. 形态与生理指标检测：测量根/茎长度、鲜重/干重、叶面积，并分析叶绿素（Chl a/b）、类胡萝卜素含量及叶绿素荧光参数（F_v/F_m）；
2. 气体交换分析：采用CIRAS系统测定净光合速率（Pn）、气孔导度（C）、蒸腾速率（E）及胞间CO₂（Ci）；
3. 氧化应激标志物：硫代巴比妥酸法测丙二醛（MDA），三氯乙酸法测过氧化氢（H₂O₂）；
4. 镉定位与代谢组学：二苯硫腙染色观察根细胞镉沉积，GC-MS非靶向代谢组学分析52种代谢物，结合多元统计（PCA、HCA、PLS-DA）解析代谢重编程。

关键发现：从形态改善到代谢调控

1. 形态学参数：100 mg L^?1 Cd使小白菜茎长、根长、叶面积分别降低61.45%、66.03%、59.24%。而100 mL L^?1混合藻提取物（T10）显著逆转损伤，茎鲜重恢复至对照的86%，根干重提升75%（表2）。
   

   

2. 光合色素与效率：Cd胁迫下叶绿素a/b下降39.6–62.6%，F_v/F_m降至0.74（表4）。T10处理使叶绿素b激增157.3%，F_v/F_m恢复至0.80，接近健康阈值（0.79–0.84）。

3. 气体交换参数：Cd导致Pn、C、E下降50–55.9%（图3）。100 mL L^?1褐藻提取物（T7）提升Pn 50%，而混合提取物（T10）使气孔导度改善最优。

4. 氧化应激缓解：Cd使MDA和H₂O₂积累127–142%（图4）。T10处理显著降低二者水平48.45%和51.64%，表明藻提取物有效抑制膜脂过氧化。

5. 镉积累与代谢调控：

   • 根细胞镉定位：二苯硫腙染色显示Cd在根皮层和维管束大量沉积（图5b），而T10处理显著减少沉积（图5h），证实藻提取物抑制镉吸收。
   • GC-MS代谢谱：Cd胁迫导致α-亚麻酸（植物抗逆关键脂肪酸）等代谢物降低，T10使其恢复至对照水平（表7）。PLS-DA模型（图9）筛选出11个VIP>1的核心代谢物（如苹果酸、柠檬酸），揭示藻提取物通过激活有机酸和糖代谢通路缓解胁迫。
     
     

结论与意义：绿色修复的新范式
该研究首次阐明螺旋藻与褐藻提取物（尤其100 mL L^?1混合液）通过三重机制协同缓解镉毒性：（1）生理防护：提升光合色素合成50%以上，优化F_v/F_m及气孔功能；（2）氧化平衡：降低MDA/H₂O₂积累约50%，增强抗氧化能力；（3）代谢重编程：通过调节α-亚麻酸（植物激素前体）、苹果酸（气孔调节子）等代谢物，重建初级代谢稳态。研究发表于《Journal of Applied Phycology》，为水培蔬菜的镉污染治理提供了低成本、可持续的解决方案，同时拓展了藻类生物刺激剂在重金属修复农业中的应用前景。