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浮游植物叶绿素a测定方法比较

来源: 本站  类别:技术文章  更新时间:2013-11-14 13:44:25  阅读

在地表水环境的富营养化的研究中,叶绿素a(chlorophyll-a,以下简称Chl-a)是表征浮游植物生物量的最常用的指标之一。Chl-a的实验室测量方法有分光光度法、荧光法、色谱法,其中以传统的分光光度法应用最为广泛。因我国普遍采用的Chl-a测量的标准方法存在耗时长、提取不完全、步骤繁琐等缺点,已有一些文献报道提出了对标准方法的优化改进。这些方法的优化改进主要包括以下四个方面:(1)改变细胞破碎方式,如超声波法、反复冻融法是用超声或者反复冻融细胞的方法来破碎细胞,提取叶绿素a;(2)延长提取时间,如延时提取法,利用溶剂长时间的溶出作用提高提取效率;(3)加热提取法,如热丙酮法、丙酮加热法,是利用热地溶剂提高叶绿素a的溶出量;(4)改变溶剂,如热乙醇法[8]、混合溶剂法等是利用其他的溶剂代替或部分代替丙酮来提高提取效率并减轻丙酮对操作者的伤害。目前虽然有一些关于这些方法和标准方法比较的文章,但是至今尚缺乏对这些方法的系统性比较评价,并很少提及后续测定的三色法和单色法两种情况。
本文选取报道过的包括标准方法在内的8种Chl-a的提取及测定方法,以实验室培养的微囊藻水华水样为实验对象,进行Chl-a的测定研究。从Chl-a提取的完全性、数据的稳定性、操作的简便性等方面对各种测定方法进行评价,并比较单色法和三色法适应性。为地表水环境的富营养化浮游植物的生物量的快速、稳定且准确的表征推荐监测方法。
1  实验材料与方法
1.1  材料
微囊藻(Microcystis aeruginosa),购自中国科学院水生生物所淡水藻种库。在实验室培养微囊藻水华样品,其生长处于对数生长期。
化学试剂:90%丙酮、90%乙醇、丙酮乙醇混合液(体积比1∶1)、1 mol·L-1盐酸、碳酸镁悬浊液。
其他材料:醋酸纤维滤膜(0.45 µm)、研钵、布氏漏斗、抽滤瓶、具塞刻度离心管(10 mL)、移液枪、遮光用锡箔纸
1.2  主要仪器与设备
真空泵、离心机、超声波仪、恒温水浴锅、冰箱、UV-分光光度计等、手持叶绿素计SPAD502叶绿素仪
1.3  实验方法
1.3.1  Chl-a的提取
将悬浊培养的微囊藻水华溶液混匀,每种Chl-a的提取方法分别平行吸取15 mL微囊藻液样品6份,将吸取15 mL藻液,用0.45 µm醋酸纤维滤膜真空泵抽滤,并滴加2滴碳酸镁悬浊液。再分别参照相应的参考文献进行Chl-a的提取。
我国规范方法参考文献;超声波法参考文献;反复冻融法参考文献;延时提取法参考文献;热丙酮法参考文献;丙酮加热法参考文献;热乙醇法参考文献、混合溶剂法参考文献。
1.3.2  吸光度测量方法与数据处理
Chl-a的吸光度测量方法主要有单色法和三色法两种。采用上述各种方法所获得的提取液,分别采用三色法和单色法测定。单色法、三色法测定及Chl-a计算参考文献。
使用SPSS 12软件进行数据分析。
2  实验结果与讨论
2.1  实验结果
采用8种不同的方法提取微囊藻样品,并且对提取液分别采用三色法、单色法测定吸光度,求算Chl-a值。采用SPSS 12软件进行数据分析,获得了每种提取法采用单色法、三色法测定对应的Chl-a的含量均值、标准方差、变异系数等。不同提取、测定方法的Chl-a含量均值、标准方差的实验结果如图1所示。变异系数分析、实验耗时等列于表1。
实验结果表明,从对Chl-a提取的效率即Chl-a提取含量的均值看,丙酮加热法、超声波破壁法、反复冻融法、混合溶剂法提取的效率较高;从提取的稳定性或精密度看,丙酮加热法、反复冻融法和热乙醇法测量结果较好;从各种方法的实验全过程耗时来看,丙酮加热法耗时最短;从单色法与三色法的测定结果比较,一般三色法测定的Chl-a的数值要高于单色法,但混合溶剂法和热乙醇法例外。
2.2  提取效率评价
从提取效率看,丙酮加热法的提取效率最高,其次提取效率比较高的方法依次为反复冻融法、超声波法、混合溶剂法。
丙酮加热法提取的Chl-a均值达到了1.635 μg·L-1。随着水浴加热过程温度的升高,丙酮的萃取能力得到增强,而且提取过程耗时短、操作简单,样品基本没有损失。但在实验过程中,加热的时间与温度控制很重要,且需要采取避光措施。温度过高、有光照条件以及加热时间过长,均可能破坏Chl-a的稳定性。
反复冻融法对藻类叶绿素的提取通过两方面来完成,一是滤膜在-20 ℃下冰冻,再在室温条件下融解,利用细胞内冰粒的形成和细胞液浓度的增高引起溶涨[3],使胞壁结构破碎引起叶绿素溶出;另一方面考虑到反复冻融对藻类细胞的破壁率受到不同细胞种类、同种藻类不同生长状况的影响,因此通过延长浸提时间来提高提取效率。实验中经历7次反复冻融、20多个小时的提取,Chl-a的提取较为完全。
超声波提取法是利用外场介入强化,用溶媒进行Chl-a的提取。以往的研究已证实了超声波法确实能有效地破碎藻类细胞[2]。另在不加热的情况下,混合溶剂的提取效率高于单一溶剂,这个与以往的文献报道基本一致[9]
2.3  提取方法稳定性与可靠性评价
从方法的可靠性和稳定性评价,从图1所示的数据分析可以发现丙酮加热法、反复冻融法和热乙醇法测量结果的标准方差明显比其它方法的小,表明这三种提取方法的精密度较好。结合提取效率分析,与国内常用的标准方法相比,丙酮加热法和反复冻融法对Chl-a的提取结果显著偏高,说明这两种方法提取更完全或损失更小。林少君等人测量微囊藻Chl-a的研究表明反复冻融法误差小、稳定性好、结果准确度高,这一点在本实验中得到了印证。
与国内常用的标准方法相比,丙酮加热法、反复冻融法和热乙醇法的操作简单,受人为因素影响小,提取的Chl-a的数据的标准方差小,表明这几种提取方法较为稳定可靠。而标准方法、超声波法、延时提取法、混合溶剂法的标准方差、变异系数较大。国内标准方法Chl-a的提取过程,研磨过程的不完全破壁以及溶剂洗涤转移过程有可能是造成叶绿素提取不完全或损失的主要因素,受人为因素影响比较大。超声波破壁法虽然能有效地破碎藻类细胞,但是其提取效率与超声功率有很大关系,也存在Chl-a提取不完全的现象。延时提取法虽然延长了溶剂的提取时间,但因是溶剂对藻细胞的直接浸提过程,故存在不完全提取的现象。
2.4  方法耗时和操作过程复杂程度评价
从实验耗时来看,反复冻融法和超声波法耗时较长,都超过了20 h。丙酮加热法耗时最短,才2 h左右,而其他的方法耗时都在8 h左右。从操作过程的复杂程度来看,标准方法的研磨、洗涤转移,操作复杂,其他方法操作基本上都还比较简便。
延时提取法、反复冻融法、混合溶剂法没有加热过程,操作较为简单,操作者不用长时间接触溶剂,对操作者的健康有利。热乙醇法的提出也是基于保障操作者的健康。
2.5  三色法与单色法比较分析
从单色法与三色法的测定结果比较得出,一般三色法测定的Chl-a的数值要高于单色法,但混合溶剂法例外。浮游藻类中不仅存在具有光合活性的Chl-a,而且存在没有光合活性的脱镁Chl-a。脱镁Chl-a在接近Chl-a的波长上亦有吸收。三色法主要考虑了叶绿素b和叶绿素c对测定的干扰,测定的是表观Chl-a的含量(Chl-a与脱镁Chl-a之和),故三色法测试结果普遍偏高。
单色法考虑脱镁Chl-a的干扰。脱镁Chl-a是Chl-a的降解产物,单色法把Chl-a与脱镁Chl-a的混合物用1 mol·L-1盐酸酸化,其中的Chl-a引起镁原子损失,降解为脱镁Chl-a,而纯脱镁Chl-a则不发生变化,根据酸化前的纯Chl-a与酸化后的脱镁Chl-a(包括原有的脱镁Chl-a和Chl-a降解的脱镁Chl-a)吸收峰之比,对表观Chl-a的含量作脱镁Chl-a的校正,从而得出纯Chl-a的含量。采用单色法测定时,加酸量、酸化稳定的时间非常关键,加酸后测定液会出现混浊,必须稳定15 min后再进行测定。
实验结果发现当提取溶剂不是或不全是丙酮时,单色法的测量结果大于三色法,且加盐酸酸化后溶液并没有完全褪色,即用非丙酮溶剂萃取时建议用三色法测量。
由于这两种方法考虑影响因子的不同,结果的客观性就会有差异。从实验结果来看,单色法的变异系数普遍稍大于三色法,即从方法的稳定性来说,三色法稍优于单色法;从方法的适用范围来讲,三色法基本上适用于各种溶剂,而单色法仅适用于丙酮提取液。另外,从方法的简便性来说,三色法操作简单,产生误差几率小,耗时比单色法短。因此,Chl-a的测定可以根据实际情况的要求选取。
3  结论
(1)从提取效率看,丙酮加热法的提取效率最高,后面依次为反复冻融法、超声波破壁法、混合溶剂法,而标准方法、延时提取法和热乙醇法提取效率较低。
(2)从方法的可靠性和稳定性来说,丙酮加热法、反复冻融法和热乙醇法的标准方差、变异系数小,方法稳定可靠。
(3)从实验耗时和操作过程复杂程度来看,反复冻融法和超声波法耗时比较长,标准方法操作复杂,而其他的改进方法各有优势,其中延时提取法、反复冻融法、混合溶剂法、热乙醇法能有效保护操作者。
(4)比较三色法和单色法,测定时可以根据实际情况的要求选取。
综合上述研究分析,在选定的8种测定方法中,丙酮加热法提取效率高、稳定性好、耗时短、操作简单,可推荐作为一种常用的Chl-a的测量方法,尤其是应急监测或大批量水环境样品测定时更显现优势。

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