天然黃酮類化合物的抑藻活性-結(jié)構(gòu)關(guān)系、作用機制及抑藻劑開發(fā)研究.pdf

1、近年來利用植物化感物質(zhì)控制藻類生長被認(rèn)為是極具前景的生態(tài)防治水華暴發(fā)方法，其中天然黃酮類化合物作為化感抑藻物質(zhì)不僅具有較強生物活性潛能而且資源豐富，因此有望開發(fā)為新一代生態(tài)安全、廉價高效的應(yīng)急抑藻方法。然而，由于黃酮化合物單體種類繁多而其抑藻活性構(gòu)效關(guān)系及微觀抑藻機制尚未清楚，探究黃酮抑藻活性構(gòu)效關(guān)系及微觀機制能更好地為藻華應(yīng)急治理方案提供理論支持;而在實際應(yīng)用中，直接將合適的黃酮化合物投于水華暴發(fā)的水體中是不合理的，對天然黃酮類化合物

2、進(jìn)行抑藻緩釋試劑開發(fā)研究能為以天然產(chǎn)物為先導(dǎo)的高效新型抑藻劑開發(fā)提供實際應(yīng)用基礎(chǔ)。
　　因此，本文以淡水水華優(yōu)勢藍(lán)藻銅綠微囊藻為研究對象，考察系列天然黃酮類化合物抑制有害藍(lán)藻生長的規(guī)律，借助二維定量構(gòu)效關(guān)系(2D-QSAR)和三維定量構(gòu)效關(guān)系(3D-QSAR)理論工具，系統(tǒng)研究黃酮天然分子抑藻活性與其分子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系;利用流式細(xì)胞儀、浮游植物熒光儀等生物分析儀器，從黃酮脅迫下藻細(xì)胞光合作用和細(xì)胞膜系統(tǒng)的動態(tài)變化情況，探索植物天然

3、產(chǎn)物黃酮類化合物抑藻的微觀作用機制;通過微球化緩釋技術(shù)開發(fā)了黃酮仿生化感抑藻劑，以期為以天然產(chǎn)物為先導(dǎo)的高效新型黃酮類抑藻開發(fā)提供技術(shù)指導(dǎo)。取得的主要研究成果如下:
　　(1)系統(tǒng)研究了22種植物天然黃酮化合物對銅綠微囊藻Microcystisaeruginosa的抑制作用，發(fā)現(xiàn)5，4'-二羥基黃酮、山奈酚和木犀草素具有較強的抑藻活性;通過對黃酮化合物結(jié)構(gòu)-抑藻活性關(guān)系的系統(tǒng)分析，揭示了其羥基數(shù)目對抑藻效果的影響規(guī)律，即羥基個數(shù)越

4、多抑藻效果較好，然而當(dāng)羥基數(shù)量為2個時，黃酮抑藻活性更多受羥基位置的影響。
　　(2)在化感物質(zhì)抑藻活性研究中創(chuàng)新性地引入定量構(gòu)效關(guān)系手段，通過文獻(xiàn)中噻唑烷二酮類化合物抑藻活性進(jìn)行2D-QSAR模型建立，驗證了該研究手段在預(yù)測化感物質(zhì)抑藻活性的可行性并總結(jié)了相應(yīng)的建模策略;進(jìn)而對上述22種植物天然黃酮化合物的抑藻活性進(jìn)行2D-QSAR分析，通過嚴(yán)格的內(nèi)部檢驗和外部檢驗，驗證了所建模型的穩(wěn)定性和預(yù)測力，同時發(fā)現(xiàn)黃酮分子的極性越大、通

5、透性越高以及疏水性越佳，其抑藻活性越高，即具有高極性、高通透性以及高疏水性的天然黃酮化合物有望成為新型化感抑藻劑。
　　(3)進(jìn)一步對天然黃酮化合物的抑藻活性進(jìn)行3D-QSAR模型分析，所建CoMFA模型和CoMSIA模型均具有較佳的擬合程度和較強的預(yù)測能力。通過分析可得，黃酮分子3位親水基團(tuán)、A環(huán)5位帶負(fù)電氫鍵供體基團(tuán)、B環(huán)4'位親水性氫鍵供體基團(tuán)以及3'、4'位帶負(fù)電的基團(tuán)取代有利于其抑藻活性的增加，反之，在A環(huán)6、7位引入帶

6、負(fù)電且為氫鍵供體基團(tuán)或在B環(huán)2'、3'、5'和6'位引入氫鍵供體基團(tuán)不利于黃酮化合物的抑藻活性;在3D-QSAR模型的推測下，采用透射電鏡觀察藻細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化和通過紅外光譜分析磷脂脂質(zhì)體模擬實驗驗證了黃酮化合物對藍(lán)藻抑制作用的其中一個活性位點是通過氫鍵結(jié)合作用于藻細(xì)胞膜上的磷脂分子，影響細(xì)胞膜功能，其中黃酮分子中的5位和4'位羥基是氫鍵結(jié)合的關(guān)鍵位置。
　　(4)研究三種典型黃酮化合物5，4'-二羥基黃酮、芹菜素、木犀草素對銅綠

7、微囊藻的細(xì)胞膜系統(tǒng)和光合作用的影響，初步揭示了黃酮化合物對銅綠微囊藻生長抑制機理。結(jié)果表明木犀草素主要是通過中斷光合系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心的電子傳遞，而5，4'-二羥基黃酮和芹菜素主要是影響藻細(xì)胞的形態(tài)和細(xì)胞膜系統(tǒng)。這結(jié)果與3D-QSAR結(jié)果一致，具有5位和4'位羥基的5，4'-二羥基黃酮和芹菜素的抑藻作用機制主要在于影響藻細(xì)胞膜，而木犀草素B環(huán)上鄰位羥基極有可能加強黃酮對藻細(xì)胞光合作用的影響。
　　(5)利用醫(yī)藥微球化技術(shù)制備得到黃酮仿

8、生抑藻劑，該抑藻劑模擬了植物天然化感抑藻作用能持續(xù)緩慢地向水體中釋放黃酮物質(zhì)，較直接投加黃酮物質(zhì)方式更為合理、可控。通過釋放模型計算得到，黃酮仿生抑藻劑的理論釋放時間可長達(dá)約120天，足以覆蓋整個水華季節(jié)。通過搖瓶抑藻實驗和中試試驗證實了黃酮仿生抑藻劑能長期有效抑制銅綠微囊藻的生長，而單次添加純黃酮物質(zhì)的抑藻效果僅持續(xù)10天。當(dāng)初始藻密度越低時，黃酮抑藻劑的作用效果越佳。因此黃酮仿生抑藻劑作為植物化感物質(zhì)抑藻的新型使用技術(shù)具有巨大的應(yīng)用