葉綠素熒光技術在生態(tài)毒理學中的應用（二）
在生態(tài)毒理學研究領域，準確評估污染物對生物的毒性作用及生態(tài)系統(tǒng)的影響至關重要。葉綠素熒光技術作為一種高效、靈敏的研究手段，正發(fā)揮著日益重要的作用。它能夠快速、無損地監(jiān)測植物光合生理狀態(tài)，為探究污染物的毒性機制提供關鍵信息。通過分析葉綠素熒光參數的變化，可精準了解污染物對植物光合作用的影響，如確定不同重金屬的毒性順序、評估土壤生態(tài)毒性、揭示塑料衍生化學物質對生物光合系統(tǒng)的動態(tài)影響；此外，在污染后的環(huán)境修復研究方面，可用于評估工程藻的生物修復能力，對污染物的去除效果等。北京易科泰生態(tài)技術有限公司基于自身強大的葉綠素熒光技術研發(fā)能力，致力于為客戶提供全方位的藻類培養(yǎng)、植物生長生理監(jiān)測、環(huán)境及生態(tài)毒理學領域的科研設備和技術服務。
污染動態(tài)的生物監(jiān)測研究：
1） 小球藻快速檢測水體重金屬毒性
中國科學院合肥物質科學研究院的科研人員發(fā)表的文章《A Sensitive Response Index Selection for Rapid Assessment of Heavy Metals Toxicity to the Photosynthesis of Chlorella pyrenoidosa Based on Rapid Chlorophyll Fluorescence Induction Kinetics》中，利用易科泰AquaPen葉綠素熒光測量儀，通過研究 4 種典型重金屬對小球藻葉綠素熒光參數的影響，篩選出敏感響應指標并比較重金屬毒性，為快速檢測重金屬毒性提供依據。
圖1、圖2分別展示了Cr (VI)、Cd、Hg、Cu 等水體重金屬污染對小球藻的葉綠素熒光動力學（OJIP）曲線產生的顯著影響，以及各葉綠素熒光參數對不同污染物的響應靈敏度分析。其中重金屬暴露使小球藻 OJIP 曲線熒光產量降低，J-step 和 I-step 變平緩，F(xiàn)v/Fo減小，且不同重金屬濃度下變化趨勢一致。PIABS對低濃度重金屬響應靈敏度高，受相同濃度重金屬影響程度大，其計算的EC10和EC50值顯著低于其他參數，是更合適的響應指標。4 小時內短期脅迫下，四種重金屬對小球藻光合作用的毒性順序為Hg > Cu > Cd > Cr(VI)，該研究為快速檢測水體重金屬毒性提供了敏感響應指標和重要依據。
2） 眼蟲屬生物作為土壤生態(tài)毒性生物指標的潛力研究
韓國的科研團隊在文章《Nam S H, Lee J, An Y J. The potential of Euglena species as a bioindicator for soil ecotoxicity assessment[J]. Comparative Biochemistry and Physiology Part C: Toxicology & Pharmacology, 2023, 267: 109586.》中利用葉綠素成像技術研究了三種眼蟲屬生物：纖細裸藻（Euglena gracilis）、綠色裸藻（Euglena viridis ）和膝曲裸藻（Euglena geniculata）作為新型土壤測試物種評估土壤毒性的潛力。
文章通過測量葉綠素熒光參數，繪制眼蟲生長曲線，確定了 E. viridis 和 E. geniculata 的最佳暴露時長為 5 天。同時，以此衡量鎳污染對眼蟲生長的抑制作用，計算出不同眼蟲生長的 5d - EC50值。其中E. gracilis對鎳污染最敏感（淡水和土壤中 EC₅₀分別為 4.8 mg/L 和 95.6 mg/kg），而E. viridis和E. geniculata可作為補充物種以增加測試多樣性。通過紙盤土壤法驗證了眼蟲在土壤毒性評估中的適用性，其光合作用參數（如 qP 和 Rfd）與生長抑制顯著相關，為土壤生態(tài)風險評價提供了新方法。
3） 塑料污染對有害藻華物種的影響
塑料污染是水生生態(tài)系統(tǒng)的一個重要問題，尤其是 BPA 和 DEHP 作為增塑劑被廣泛使用，它們的釋放對海洋生物造成危害。突尼斯和法國的科研機構在論文《Impact of two plastic-derived chemicals, the Bisphenol A and the di-2ethylhexyl phthalate, exposure on the marine toxic dinoflagellate Alexandrium pacificum》中利用易科泰AquaPen手持式葉綠素熒光儀評估了塑料衍生化學物質對有害藻華的潛在影響，并呼吁加強對海洋生態(tài)系統(tǒng)中微塑料及添加劑的監(jiān)測與風險評估。
論文中葉綠素熒光技術主要用于揭示雙酚A（BPA）和鄰苯二甲酸二（2-乙基己基）酯（DEHP）對Alexandrium pacificum光合系統(tǒng)II（PSII）功能的動態(tài)影響。通過監(jiān)測最大光化學量子產量（FV/FM）和光響應曲線（rETR-E），發(fā)現(xiàn)污染物暴露初期會顯著抑制PSII的光化學效率（FV/FM下降至對照組的60%以下），表明PSII反應中心受損或電子傳遞受阻。然而，隨著時間推移，F(xiàn)V/FM逐漸恢復至接近或略高于對照水平，暗示細胞可能通過調整光合機構（如增加捕光色素或修復PSII損傷）或污染物降解適應脅迫。光響應曲線進一步顯示，高濃度DEHP和混合處理導致光飽和點降低和光抑制增強，而BPA單獨處理對光適應能力影響較小。熒光數據表明污染物通過干擾PSII功能抑制光合活性，但細胞通過生理調節(jié)實現(xiàn)部分恢復。綜合而言A. pacificum對 BPA 和 DEHP 的敏感性高于其他浮游植物物種（如硅藻和綠藻），即使在低濃度下也表現(xiàn)出生長抑制，因此可以用A. pacificum作為塑料污染的前期預警和檢測手段之一。
污染環(huán)境的生物修復研究：
4） 工程藍藻對重金屬的耐受性和生物修復能力評估
天津大學的科研人員在文章《Engineered Cyanobacteria-Based Living Materials for Bioremediation of Heavy Metals Both In Vitro and In Vivo》中利用葉綠素熒光測量儀AquaPen評估人工處理的工程藍藻對重金屬的耐受性和生物修復能力。在不同濃度Cd 2+（0、10、15、25 μM ）處理下，PM/6803 在干重、Fv/Fm、葉綠素 a 和類胡蘿卜素含量、吸收光譜等方面表現(xiàn)出比 Ctr/6803 更好的穩(wěn)定性。通過比較不同濃度Cd 2+ 處理下野生型 Ctr/6803 和工程菌株 PM/6803 的Fv/Fm 比值（光系統(tǒng) II 最大量子產量），發(fā)現(xiàn) PM/6803 在較高濃度Cd 2+ 下，F(xiàn)v/Fm 仍能維持一定水平，而 Ctr/6803 的Fv/Fm 則急劇下降至接近零，表明 PM/6803 對Cd 2+ 的耐受性更強，其光合系統(tǒng)受Cd 2+ 影響較小。同時利用葉綠素熒光設備觀察 PM/6803 在被海藻酸鈉水凝膠包封形成 PM/6803@SA 活體材料后的生長和活力情況：隨著培養(yǎng)時間延長，PM/6803@SA 中藍藻的葉綠素自發(fā)熒光增強，這表明包封后的藍藻能夠存活且生長狀況良好，為評估該活體材料在實際應用中的可行性提供了依據。
5） 藻-菌共生體對富營養(yǎng)化和重金屬污染的去除效果研究
杭州師范大學在文章《Supplementation of strigolactone analog for enhancing the removal of nutrient and heavy metal by microalgae-fungi symbionts》中，研究通過向小球藻 - 綠粘帚霉共生系統(tǒng)中外源添加不同濃度 GR24，探究其對共生體生長、光合作用及去除污水中營養(yǎng)物質和重金屬效果的影響，為微藻 - 真菌共生體在污水處理中的應用提供依據。如上圖所示，通過使用Aquapen（AP-C 100）測量微藻—真菌共生體的光合性能參數，對比不同 GR24 濃度處理下的光合性能參數，發(fā)現(xiàn)隨著 GR24 濃度增加，這些參數呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。這說明 GR24 能促進微藻對光的吸收，提高電子傳遞效率和最大電子傳遞產量，進而提升光合作用效率。外源添加 GR24 可以顯著提高小球藻 - 綠粘帚霉共生體的光合作用和生物量，增強對污水中營養(yǎng)物質和重金屬的去除效果。
易科泰技術與產品
易科泰光養(yǎng)生物反應器技術：
藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測，包括 OD、葉綠素熒光、溶解氧、pH、營養(yǎng)鹽等，及藻類呼吸與
光合作用、碳通量等在線監(jiān)測；
葉綠素熒光在線監(jiān)測技術，高靈敏度監(jiān)測藻類培養(yǎng)生理狀態(tài)、光合效率；
實驗室多通道管式培養(yǎng)、立柱式培養(yǎng)、平板式培養(yǎng)等不同培養(yǎng)模式、不同容積大小；
智能調制多通道 LED 光源培養(yǎng)，不同顏色不同波段、0-100%調制、晝夜節(jié)律自動調制、
不同光配方，可客戶定制多通道智能 LED 藻類培養(yǎng)臺架；
環(huán)境調控，溫度、pH、CO2 等調控，恒濁培養(yǎng)、恒化培養(yǎng)；
易科泰葉綠素熒光（成像）技術：
葉綠素熒光被稱為植物光合作用的靈敏探針，易科泰葉綠素熒光成像技術產品為智慧農業(yè)、植物工廠、光合作用研究、表型組學研究、遺傳育種等農業(yè)研究測量檢測提供了高靈敏度、高通量、非接觸、非損傷、可視化、數字化解決方案：
易科泰多光譜熒光成像技術：
多光譜熒光成像為葉綠素熒光成像的升級產品，既可對葉綠素熒光成像分析，還可同時對脅迫誘導次級代謝產物熒光（藍綠熒光）成像，并與葉綠素熒光（紅色和遠紅熒光）成像綜合分析，從而高靈敏度、全面利用植物熒光現(xiàn)象檢測植物生理狀態(tài)、受脅迫狀況或健康狀況，早期如苗期出現(xiàn)癥狀前即可通過成像“看到”植物病蟲害，如作物或中藥材根系是否受蟲害或病害侵襲等，從而及時采取補苗等措施，還可以檢測農藥效果、使用閾值，從而少用農藥，達到環(huán)保和綠色健康食品生產的雙重目的。
易科泰Thermo-RGB成像技術：
Thermo-RGB成像采用易科泰自主研發(fā)的紅外熱成像與RGB成像融合分析技術，有效融合了紅外熱成像的熱輻射信息/溫度信息和RGB成像的顏色信息和高分辨率優(yōu)勢，克服了紅外熱成像分辨率低、不清晰、難以進行目標提取/圖像分割等缺點，可以方便地進行圖像分割處理、提取清晰的圖像信息，并進一步精準運行ROI選區(qū)分析，能夠同時檢測形態(tài)、顏色及溫度分布等，可用于植物表型分析、生物（病蟲害）或非生物（如干旱、鹽堿等）脅迫或敏感性檢測；還可用于動物體型非接觸遙測、體表溫度成圖分析等表型檢測。
易科泰多功能高光譜技術：
北京易科泰多功能高光譜技術同時具備（反射光）高光譜成像分析、葉綠素熒光高光譜成像分析、UV激發(fā)生物熒光（UV-MCF）高光譜成像分析功能，還可選配不同激發(fā)光生物活體熒光（如GFP、YFP等熒光蛋白成像等）成像功能；獨具特色的高光譜分辨率熒光成像分析功能，可靈敏區(qū)分不同波段生物熒光現(xiàn)象。目前已經應用于包括植物表型成像分析、遺傳育種、種子資源檢測鑒定、高通量種苗健康檢測、采后生物學實驗研究、中草藥研究檢測等方向，還可用于活體檢測分析植物黃酮指數、花青素指數及葉綠素指數等。
污染動態(tài)的生物監(jiān)測研究：
1） 小球藻快速檢測水體重金屬毒性
中國科學院合肥物質科學研究院的科研人員發(fā)表的文章《A Sensitive Response Index Selection for Rapid Assessment of Heavy Metals Toxicity to the Photosynthesis of Chlorella pyrenoidosa Based on Rapid Chlorophyll Fluorescence Induction Kinetics》中，利用易科泰AquaPen葉綠素熒光測量儀，通過研究 4 種典型重金屬對小球藻葉綠素熒光參數的影響，篩選出敏感響應指標并比較重金屬毒性，為快速檢測重金屬毒性提供依據。
2） 眼蟲屬生物作為土壤生態(tài)毒性生物指標的潛力研究
韓國的科研團隊在文章《Nam S H, Lee J, An Y J. The potential of Euglena species as a bioindicator for soil ecotoxicity assessment[J]. Comparative Biochemistry and Physiology Part C: Toxicology & Pharmacology, 2023, 267: 109586.》中利用葉綠素成像技術研究了三種眼蟲屬生物：纖細裸藻（Euglena gracilis）、綠色裸藻（Euglena viridis ）和膝曲裸藻（Euglena geniculata）作為新型土壤測試物種評估土壤毒性的潛力。
3） 塑料污染對有害藻華物種的影響
塑料污染是水生生態(tài)系統(tǒng)的一個重要問題，尤其是 BPA 和 DEHP 作為增塑劑被廣泛使用，它們的釋放對海洋生物造成危害。突尼斯和法國的科研機構在論文《Impact of two plastic-derived chemicals, the Bisphenol A and the di-2ethylhexyl phthalate, exposure on the marine toxic dinoflagellate Alexandrium pacificum》中利用易科泰AquaPen手持式葉綠素熒光儀評估了塑料衍生化學物質對有害藻華的潛在影響，并呼吁加強對海洋生態(tài)系統(tǒng)中微塑料及添加劑的監(jiān)測與風險評估。
污染環(huán)境的生物修復研究：
4） 工程藍藻對重金屬的耐受性和生物修復能力評估
5） 藻-菌共生體對富營養(yǎng)化和重金屬污染的去除效果研究
易科泰技術與產品
易科泰光養(yǎng)生物反應器技術：
光合作用、碳通量等在線監(jiān)測；
葉綠素熒光在線監(jiān)測技術，高靈敏度監(jiān)測藻類培養(yǎng)生理狀態(tài)、光合效率；
實驗室多通道管式培養(yǎng)、立柱式培養(yǎng)、平板式培養(yǎng)等不同培養(yǎng)模式、不同容積大小；
智能調制多通道 LED 光源培養(yǎng)，不同顏色不同波段、0-100%調制、晝夜節(jié)律自動調制、
不同光配方，可客戶定制多通道智能 LED 藻類培養(yǎng)臺架；
環(huán)境調控，溫度、pH、CO2 等調控，恒濁培養(yǎng)、恒化培養(yǎng)；
易科泰葉綠素熒光（成像）技術：
易科泰多光譜熒光成像技術：
易科泰Thermo-RGB成像技術：
Thermo-RGB成像采用易科泰自主研發(fā)的紅外熱成像與RGB成像融合分析技術，有效融合了紅外熱成像的熱輻射信息/溫度信息和RGB成像的顏色信息和高分辨率優(yōu)勢，克服了紅外熱成像分辨率低、不清晰、難以進行目標提取/圖像分割等缺點，可以方便地進行圖像分割處理、提取清晰的圖像信息，并進一步精準運行ROI選區(qū)分析，能夠同時檢測形態(tài)、顏色及溫度分布等，可用于植物表型分析、生物（病蟲害）或非生物（如干旱、鹽堿等）脅迫或敏感性檢測；還可用于動物體型非接觸遙測、體表溫度成圖分析等表型檢測。
易科泰多功能高光譜技術：
- Gan T, Yin G, Zhao N, et al. A sensitive response index selection for rapid assessment of heavy metals toxicity to the photosynthesis of Chlorella pyrenoidosa based on rapid chlorophyll fluorescence induction kinetics[J]. Toxics, 2023, 11(5): 468.
- Nam S H, Lee J, An Y J. The potential of Euglena species as a bioindicator for soil ecotoxicity assessment[J]. Comparative Biochemistry and Physiology Part C: Toxicology & Pharmacology, 2023, 267: 109586.
- M'Rabet C, Pringault O, Zmerli-Triki H, et al. Impact of two plastic-derived chemicals, the Bisphenol A and the di-2-ethylhexyl phthalate, exposure on the marine toxic dinoflagellate Alexandrium pacificum[J]. Marine Pollution Bulletin, 2018, 126: 241-249.
- Sun T, Huo H, Zhang Y, et al. Engineered cyanobacteria-based living materials for bioremediation of heavy metals both in vitro and in vivo[J]. ACS nano, 2024, 18(27): 17694-17706.
- Zhao C, Wang Z, Yang H, et al. Supplementation of strigolactone analog for enhancing the removal of nutrient and heavy metal by microalgae-fungi symbionts[J]. Journal of Water Process Engineering, 2023, 56: 104456.
