叶绿素荧光技术在生态毒理学中的应用（二）_abio生物试剂品牌网
在生态毒理学研究领域，准确评估污染物对生物的毒性作用及生态系统的影响至关重要。叶绿素荧光技术作为一种高效、灵敏的研究手段，正发挥着日益重要的作用。它能够快速、无损地监测植物光合生理状态，为探究污染物的毒性机制提供关键信息。通过分析叶绿素荧光参数的变化，可精准了解污染物对植物光合作用的影响，如确定不同重金属的毒性顺序、评估土壤生态毒性、揭示塑料衍生化学物质对生物光合系统的动态影响；此外，在污染后的环境修复研究方面，可用于评估工程藻的生物修复能力，对污染物的去除效果等。北京易科泰生态技术有限公司基于自身强大的叶绿素荧光技术研发能力，致力于为客户提供全方位的藻类培养、植物生长生理监测、环境及生态毒理学领域的科研设备和技术服务。
污染动态的生物监测研究：
1） 小球藻 快速检测水体重金属毒性
中国科学院合肥物质科学研究院的科研人员发表的文章《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叶绿素荧光测量仪，通过研究 4 种典型重金属对小球藻叶绿素荧光参数的影响，筛选出敏感响应指标并比较重金属毒性，为快速检测重金属毒性提供依据。
图1、图2分别展示了Cr (VI)、Cd、Hg、Cu 等水体重金属污染对小球藻的叶绿素荧光动力学（OJIP）曲线产生的显著影响，以及各叶绿素荧光参数对不同污染物的响应灵敏度分析。其中重金属暴露使小球藻 OJIP 曲线荧光产量降低，J-step 和 I-step 变平缓，Fv/Fo减小，且不同重金属浓度下变化趋势一致。PIABS对低浓度重金属响应灵敏度高，受相同浓度重金属影响程度大，其计算的EC10和EC50值显著低于其他参数，是更合适的响应指标。4 小时内短期胁迫下，四种重金属对小球藻光合作用的毒性顺序为Hg > Cu > Cd > Cr(VI)，该研究为快速检测水体重金属毒性提供了敏感响应指标和重要依据。
2） 眼虫属 生物 作为土壤生态毒性生物指标的潜力 研究
韩国的科研团队在文章《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.》中利用叶绿素成像技术研究了三种眼虫属生物：纤细裸藻（Euglena gracilis）、绿色裸藻（Euglena viridis ）和膝曲裸藻（Euglena geniculata）作为新型土壤测试物种评估土壤毒性的潜力。
文章通过测量叶绿素荧光参数，绘制眼虫生长曲线，确定了 E. viridis 和 E. geniculata 的最佳暴露时长为 5 天。同时，以此衡量镍污染对眼虫生长的抑制作用，计算出不同眼虫生长的 5d - EC 50值。其中E. gracilis对镍污染最敏感（淡水和土壤中 EC₅₀分别为 4.8 mg/L 和 95.6 mg/kg），而E. viridis和E. geniculata可作为补充物种以增加测试多样性。通过纸盘土壤法验证了眼虫在土壤毒性评估中的适用性，其光合作用参数（如 qP 和 Rfd）与生长抑制显著相关，为土壤生态风险评价提供了新方法。
3） 塑料污染对有害藻华物种的影响
塑料污染是水生生态系统的一个重要问题，尤其是 BPA 和 DEHP 作为增塑剂被广泛使用，它们的释放对海洋生物造成危害。突尼斯和法国的科研机构在论文《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手持式叶绿素荧光仪评估了塑料衍生化学物质对有害藻华的潜在影响，并呼吁加强对海洋生态系统中微塑料及添加剂的监测与风险评估。
论文中叶绿素荧光技术主要用于揭示双酚A（BPA）和邻苯二甲酸二（2-乙基己基）酯（DEHP）对Alexandrium pacificum光合系统II（PSII）功能的动态影响。通过监测最大光化学量子产量（FV/FM）和光响应曲线（rETR-E），发现污染物暴露初期会显著抑制PSII的光化学效率（FV/FM下降至对照组的60%以下），表明PSII反应中心受损或电子传递受阻。然而，随着时间推移，FV/FM逐渐恢复至接近或略高于对照水平，暗示细胞可能通过调整光合机构（如增加捕光色素或修复PSII损伤）或污染物降解适应胁迫。光响应曲线进一步显示，高浓度DEHP和混合处理导致光饱和点降低和光抑制增强，而BPA单独处理对光适应能力影响较小。荧光数据表明污染物通过干扰PSII功能抑制光合活性，但细胞通过生理调节实现部分恢复。综合而言A. pacificum对 BPA 和 DEHP 的敏感性高于其他浮游植物物种（如硅藻和绿藻），即使在低浓度下也表现出生长抑制，因此可以用A. pacificum作为塑料污染的前期预警和检测手段之一。
污染环境的生物修复研究：
4） 工程蓝藻对重金属的耐受性和生物修复能力 评估
天津大学的科研人员在文章《Engineered Cyanobacteria-Based Living Materials for Bioremediation of Heavy Metals Both In Vitro and In Vivo》中利用叶绿素荧光测量仪AquaPen评估人工处理的工程蓝藻对重金属的耐受性和生物修复能力。在不同浓度Cd 2+（0、10、15、25 μM ）处理下，PM/6803 在干重、Fv/Fm、叶绿素 a 和类胡萝卜素含量、吸收光谱等方面表现出比 Ctr/6803 更好的稳定性。通过比较不同浓度Cd 2+ 处理下野生型 Ctr/6803 和工程菌株 PM/6803 的Fv/Fm 比值（光系统 II 最大量子产量），发现 PM/6803 在较高浓度Cd 2+ 下，Fv/Fm 仍能维持一定水平，而 Ctr/6803 的Fv/Fm 则急剧下降至接近零，表明 PM/6803 对Cd 2+ 的耐受性更强，其光合系统受Cd 2+ 影响较小。同时利用叶绿素荧光设备观察 PM/6803 在被海藻酸钠水凝胶包封形成 PM/6803@SA 活体材料后的生长和活力情况：随着培养时间延长，PM/6803@SA 中蓝藻的叶绿素自发荧光增强，这表明包封后的蓝藻能够存活且生长状况良好，为评估该活体材料在实际应用中的可行性提供了依据。
5） 藻-菌共生体对富营养化 和重金属 污染的去除效果研究
杭州师范大学在文章《Supplementation of strigolactone analog for enhancing the removal of nutrient and heavy metal by microalgae-fungi symbionts》中，研究通过向小球藻 - 绿粘帚霉共生系统中外源添加不同浓度 GR24，探究其对共生体生长、光合作用及去除污水中营养物质和重金属效果的影响，为微藻 - 真菌共生体在污水处理中的应用提供依据。如上图所示，通过使用Aquapen（AP-C 100）测量微藻—真菌共生体的光合性能参数，对比不同 GR24 浓度处理下的光合性能参数，发现随着 GR24 浓度增加，这些参数呈现先升高后降低的趋势。这说明 GR24 能促进微藻对光的吸收，提高电子传递效率和最大电子传递产量，进而提升光合作用效率。外源添加 GR24 可以显著提高小球藻 - 绿粘帚霉共生体的光合作用和生物量，增强对污水中营养物质和重金属的去除效果。
易科泰技术与产品
易科泰光养生物反应器技术：
藻类培养与在线监测，包括 OD、叶绿素荧光、溶解氧、pH、营养盐等，及藻类呼吸与
光合作用、碳通量等在线监测；
叶绿素荧光在线监测技术，高灵敏度监测藻类培养生理状态、光合效率；
实验室多通道管式培养、立柱式培养、平板式培养等不同培养模式、不同容积大小；
智能调制多通道 LED 光源培养，不同颜色不同波段、0-100%调制、昼夜节律自动调制、
不同光配方，可客户定制多通道智能 LED 藻类培养台架；
环境调控，温度、pH、CO2 等调控，恒浊培养、恒化培养；
易科泰叶绿素荧光（成像）技术：
叶绿素荧光被称为植物光合作用的灵敏探针，易科泰叶绿素荧光成像技术产品为智慧农业、植物工厂、光合作用研究、表型组学研究、遗传育种等农业研究测量检测提供了高灵敏度、高通量、非接触、非损伤、可视化、数字化解决方案：
易科泰多光谱荧光成像技术：
多光谱荧光成像为叶绿素荧光成像的升级产品，既可对叶绿素荧光成像分析，还可同时对胁迫诱导次级代谢产物荧光（蓝绿荧光）成像，并与叶绿素荧光（红色和远红荧光）成像综合分析，从而高灵敏度、全面利用植物荧光现象检测植物生理状态、受胁迫状况或健康状况，早期如苗期出现症状前即可通过成像“看到”植物病虫害，如作物或中药材根系是否受虫害或病害侵袭等，从而及时采取补苗等措施，还可以检测农药效果、使用阈值，从而少用农药，达到环保和绿色健康食品生产的双重目的。
易科泰Thermo-RGB成像技术：
Thermo-RGB成像采用易科泰自主研发的红外热成像与RGB成像融合分析技术，有效融合了红外热成像的热辐射信息/温度信息和RGB成像的颜色信息和高分辨率优势，克服了红外热成像分辨率低、不清晰、难以进行目标提取/图像分割等缺点，可以方便地进行图像分割处理、提取清晰的图像信息，并进一步精准运行ROI选区分析，能够同时检测形态、颜色及温度分布等，可用于植物表型分析、生物（病虫害）或非生物（如干旱、盐碱等）胁迫或敏感性检测；还可用于动物体型非接触遥测、体表温度成图分析等表型检测。
易科泰多功能高光谱技术：
北京易科泰多功能高光谱技术同时具备（反射光）高光谱成像分析、叶绿素荧光高光谱成像分析、UV激发生物荧光（UV-MCF）高光谱成像分析功能，还可选配不同激发光生物活体荧光（如GFP、YFP等荧光蛋白成像等）成像功能；独具特色的高光谱分辨率荧光成像分析功能，可灵敏区分不同波段生物荧光现象。目前已经应用于包括植物表型成像分析、遗传育种、种子资源检测鉴定、高通量种苗健康检测、采后生物学实验研究、中草药研究检测等方向，还可用于活体检测分析植物黄酮指数、花青素指数及叶绿素指数等。
污染动态的生物监测研究：
1） 小球藻 快速检测水体重金属毒性
中国科学院合肥物质科学研究院的科研人员发表的文章《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叶绿素荧光测量仪，通过研究 4 种典型重金属对小球藻叶绿素荧光参数的影响，筛选出敏感响应指标并比较重金属毒性，为快速检测重金属毒性提供依据。
图1、图2分别展示了Cr (VI)、Cd、Hg、Cu 等水体重金属污染对小球藻的叶绿素荧光动力学（OJIP）曲线产生的显著影响，以及各叶绿素荧光参数对不同污染物的响应灵敏度分析。其中重金属暴露使小球藻 OJIP 曲线荧光产量降低，J-step 和 I-step 变平缓，Fv/Fo减小，且不同重金属浓度下变化趋势一致。PIABS对低浓度重金属响应灵敏度高，受相同浓度重金属影响程度大，其计算的EC10和EC50值显著低于其他参数，是更合适的响应指标。4 小时内短期胁迫下，四种重金属对小球藻光合作用的毒性顺序为Hg > Cu > Cd > Cr(VI)，该研究为快速检测水体重金属毒性提供了敏感响应指标和重要依据。
2） 眼虫属 生物 作为土壤生态毒性生物指标的潜力 研究
韩国的科研团队在文章《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.》中利用叶绿素成像技术研究了三种眼虫属生物：纤细裸藻（Euglena gracilis）、绿色裸藻（Euglena viridis ）和膝曲裸藻（Euglena geniculata）作为新型土壤测试物种评估土壤毒性的潜力。
文章通过测量叶绿素荧光参数，绘制眼虫生长曲线，确定了 E. viridis 和 E. geniculata 的最佳暴露时长为 5 天。同时，以此衡量镍污染对眼虫生长的抑制作用，计算出不同眼虫生长的 5d - EC 50值。其中E. gracilis对镍污染最敏感（淡水和土壤中 EC₅₀分别为 4.8 mg/L 和 95.6 mg/kg），而E. viridis和E. geniculata可作为补充物种以增加测试多样性。通过纸盘土壤法验证了眼虫在土壤毒性评估中的适用性，其光合作用参数（如 qP 和 Rfd）与生长抑制显著相关，为土壤生态风险评价提供了新方法。
3） 塑料污染对有害藻华物种的影响
塑料污染是水生生态系统的一个重要问题，尤其是 BPA 和 DEHP 作为增塑剂被广泛使用，它们的释放对海洋生物造成危害。突尼斯和法国的科研机构在论文《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手持式叶绿素荧光仪评估了塑料衍生化学物质对有害藻华的潜在影响，并呼吁加强对海洋生态系统中微塑料及添加剂的监测与风险评估。
论文中叶绿素荧光技术主要用于揭示双酚A（BPA）和邻苯二甲酸二（2-乙基己基）酯（DEHP）对Alexandrium pacificum光合系统II（PSII）功能的动态影响。通过监测最大光化学量子产量（FV/FM）和光响应曲线（rETR-E），发现污染物暴露初期会显著抑制PSII的光化学效率（FV/FM下降至对照组的60%以下），表明PSII反应中心受损或电子传递受阻。然而，随着时间推移，FV/FM逐渐恢复至接近或略高于对照水平，暗示细胞可能通过调整光合机构（如增加捕光色素或修复PSII损伤）或污染物降解适应胁迫。光响应曲线进一步显示，高浓度DEHP和混合处理导致光饱和点降低和光抑制增强，而BPA单独处理对光适应能力影响较小。荧光数据表明污染物通过干扰PSII功能抑制光合活性，但细胞通过生理调节实现部分恢复。综合而言A. pacificum对 BPA 和 DEHP 的敏感性高于其他浮游植物物种（如硅藻和绿藻），即使在低浓度下也表现出生长抑制，因此可以用A. pacificum作为塑料污染的前期预警和检测手段之一。
污染环境的生物修复研究：
4） 工程蓝藻对重金属的耐受性和生物修复能力 评估
天津大学的科研人员在文章《Engineered Cyanobacteria-Based Living Materials for Bioremediation of Heavy Metals Both In Vitro and In Vivo》中利用叶绿素荧光测量仪AquaPen评估人工处理的工程蓝藻对重金属的耐受性和生物修复能力。在不同浓度Cd 2+（0、10、15、25 μM ）处理下，PM/6803 在干重、Fv/Fm、叶绿素 a 和类胡萝卜素含量、吸收光谱等方面表现出比 Ctr/6803 更好的稳定性。通过比较不同浓度Cd 2+ 处理下野生型 Ctr/6803 和工程菌株 PM/6803 的Fv/Fm 比值（光系统 II 最大量子产量），发现 PM/6803 在较高浓度Cd 2+ 下，Fv/Fm 仍能维持一定水平，而 Ctr/6803 的Fv/Fm 则急剧下降至接近零，表明 PM/6803 对Cd 2+ 的耐受性更强，其光合系统受Cd 2+ 影响较小。同时利用叶绿素荧光设备观察 PM/6803 在被海藻酸钠水凝胶包封形成 PM/6803@SA 活体材料后的生长和活力情况：随着培养时间延长，PM/6803@SA 中蓝藻的叶绿素自发荧光增强，这表明包封后的蓝藻能够存活且生长状况良好，为评估该活体材料在实际应用中的可行性提供了依据。
5） 藻-菌共生体对富营养化 和重金属 污染的去除效果研究
杭州师范大学在文章《Supplementation of strigolactone analog for enhancing the removal of nutrient and heavy metal by microalgae-fungi symbionts》中，研究通过向小球藻 - 绿粘帚霉共生系统中外源添加不同浓度 GR24，探究其对共生体生长、光合作用及去除污水中营养物质和重金属效果的影响，为微藻 - 真菌共生体在污水处理中的应用提供依据。如上图所示，通过使用Aquapen（AP-C 100）测量微藻—真菌共生体的光合性能参数，对比不同 GR24 浓度处理下的光合性能参数，发现随着 GR24 浓度增加，这些参数呈现先升高后降低的趋势。这说明 GR24 能促进微藻对光的吸收，提高电子传递效率和最大电子传递产量，进而提升光合作用效率。外源添加 GR24 可以显著提高小球藻 - 绿粘帚霉共生体的光合作用和生物量，增强对污水中营养物质和重金属的去除效果。
易科泰技术与产品
易科泰光养生物反应器技术：
藻类培养与在线监测，包括 OD、叶绿素荧光、溶解氧、pH、营养盐等，及藻类呼吸与
光合作用、碳通量等在线监测；
叶绿素荧光在线监测技术，高灵敏度监测藻类培养生理状态、光合效率；
实验室多通道管式培养、立柱式培养、平板式培养等不同培养模式、不同容积大小；
智能调制多通道 LED 光源培养，不同颜色不同波段、0-100%调制、昼夜节律自动调制、
不同光配方，可客户定制多通道智能 LED 藻类培养台架；
环境调控，温度、pH、CO2 等调控，恒浊培养、恒化培养；
易科泰叶绿素荧光（成像）技术：
叶绿素荧光被称为植物光合作用的灵敏探针，易科泰叶绿素荧光成像技术产品为智慧农业、植物工厂、光合作用研究、表型组学研究、遗传育种等农业研究测量检测提供了高灵敏度、高通量、非接触、非损伤、可视化、数字化解决方案：
易科泰多光谱荧光成像技术：
多光谱荧光成像为叶绿素荧光成像的升级产品，既可对叶绿素荧光成像分析，还可同时对胁迫诱导次级代谢产物荧光（蓝绿荧光）成像，并与叶绿素荧光（红色和远红荧光）成像综合分析，从而高灵敏度、全面利用植物荧光现象检测植物生理状态、受胁迫状况或健康状况，早期如苗期出现症状前即可通过成像“看到”植物病虫害，如作物或中药材根系是否受虫害或病害侵袭等，从而及时采取补苗等措施，还可以检测农药效果、使用阈值，从而少用农药，达到环保和绿色健康食品生产的双重目的。
易科泰Thermo-RGB成像技术：
Thermo-RGB成像采用易科泰自主研发的红外热成像与RGB成像融合分析技术，有效融合了红外热成像的热辐射信息/温度信息和RGB成像的颜色信息和高分辨率优势，克服了红外热成像分辨率低、不清晰、难以进行目标提取/图像分割等缺点，可以方便地进行图像分割处理、提取清晰的图像信息，并进一步精准运行ROI选区分析，能够同时检测形态、颜色及温度分布等，可用于植物表型分析、生物（病虫害）或非生物（如干旱、盐碱等）胁迫或敏感性检测；还可用于动物体型非接触遥测、体表温度成图分析等表型检测。
易科泰多功能高光谱技术：
北京易科泰多功能高光谱技术同时具备（反射光）高光谱成像分析、叶绿素荧光高光谱成像分析、UV激发生物荧光（UV-MCF）高光谱成像分析功能，还可选配不同激发光生物活体荧光（如GFP、YFP等荧光蛋白成像等）成像功能；独具特色的高光谱分辨率荧光成像分析功能，可灵敏区分不同波段生物荧光现象。目前已经应用于包括植物表型成像分析、遗传育种、种子资源检测鉴定、高通量种苗健康检测、采后生物学实验研究、中草药研究检测等方向，还可用于活体检测分析植物黄酮指数、花青素指数及叶绿素指数等。
- 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.
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