微囊藻毒素生物学功能研究进展

我国淡水水体蓝藻水华的频繁发生已成为我国目前和今后长时期内面临的重大水环境问题.微囊藻(Microcystis)因其产生对人类健康具有危害的微囊藻毒素而尤其受到重视.研究者对构成蓝藻水华的主要种类、微囊藻毒素的毒性、毒理等方面的认识逐渐明晰,但对微囊藻毒素生物学功能的了解还相对较少.本文对微囊藻毒素的产生,尤其是近年来随着技术的发展在微囊藻毒素生物学功能方面的研究开展讨论:总结了微囊藻毒素可能作为化感物质、参与光合作用、在微囊藻的越冬或复苏中可能发挥的作用以及可能参与微囊藻群体形成及维持等4个方面的生物学功能;分析了微囊藻毒素作为信号分子的研究现状;探讨了全球气候变化及实验室模拟条件下微囊藻毒素产毒与无毒株的竞争,并对微囊藻毒素未来的研究热点及组学技术可能在其研究中的应用进行了展望.     

铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)次生代谢物对普通小球藻(Chlorella vulgaris)生长及有效量子产率的影响

浮游植物间的交互化感作用被认为是自然水体中浮游生物群落演替及优势种转换的主要因素之一.铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)是富营养化湖泊中的常见蓝藻,其产毒品系相较非产毒品系具有较高的竞争优势,其产生的主要次生代谢产物微囊藻毒素-LR(MC-LR)通常被认为是重要的化感物质.但是到目前为止其在水生生态系中的生物学功能尚不明确.为探究并区分MC-LR及其他次生代谢产物对浮游植物的化感效应,本文研究了MC-LR与高浓度普通小球藻(Chlorella vulgaris)生长及有效量子产率的剂量—效应关系;比较了能够产生显著抑制效应的MC-LR、能够产生同等浓度MC-LR的产毒品系铜绿微囊藻滤液以及细胞粗提液对小球藻生长及有效量子产率的抑制效应.结果显示,MC-LR能够对小球藻生长及有效量子产率产生抑制作用,并且抑制率随着MC-LR浓度的增加而增大.在用200μg/L及以上浓度的MC-LR感染24 h后,叶绿素a浓度为1500μg/L的小球藻的生长与有效量子产率均比对照组显著降低.能够产生相同浓度MC-LR的产毒品系铜绿微囊藻细胞滤液对其没有产生显著影响,而其细胞粗提液却能够产生更强的抑制效应.与MCLR处理组相比,粗提液处理组小球藻的生长及有效量子产率分别降低了14%和3%.以上结果表明,MC-LR对普通小球藻的化感作用具有剂量依赖性;MC-LR之外的其他次生代谢物也能够产生抑制效应.     

水华蓝藻产毒的生物学机制及毒素的环境归趋研究进展

本文介绍并评述了蓝藻水华中最常见的毒素——微囊藻毒素的产生途径和环境归趋的国内外研究进展.主要内容包括:微囊藻毒素的来源、结构和一般特性;微囊藻毒素的分子合成机制、分布、产生规律及其功能;以及微囊藻毒素的环境归趋.重点介绍了在毒素环境归趋研究方面的重要突破,指出了该领域研究中存在的问题和今后研究的重点方向.     

铜绿微囊藻生长对培养液pH值和氮转化的影响

在不同初始pH值条件下培养蓝藻水华优势种铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa),研究其生长过程对培养液的pH值和氮转化的影响,结果表明,处于延迟期和对数生长期的铜绿微囊藻使培养液的pH值上升,pH从初始的7.2、8.0和8.8分别上升到最大值10.02、10.34和10.94;稳定期和衰亡期的微囊藻使培养液pH值降低,初始pH值为8.8时,最终pH降至8.66,在微囊藻生长过程中,培养液中NO3-含量逐渐降低,NO3-含量先升高再降低,分别在60d和67d后降至零.试验结束时,不同pH值培养液中总氮含量比起始时分别下降了25.97%、27.52%和28.16%,说明化合态无机氮可以经过反硝化作用生成氮气而溢出培养液,因此,较大密度水华水体中存在反硝化的脱氮过程.     

有毒铜绿微囊藻对鱼和溞的毒性

用有毒铜绿微囊藻细胞及其从毒细胞中提取的毒素喂养和腹腔注射鱼类,结果表明:(1)微囊藻毒素MCYST-LR对所有实验过的鱼有毒害作用(LD₅₀为110-500μg/kg).注射毒素24h后,鱼肝电镜超微结构观察均表现出肝损伤.(2)在受控条件下,当用有毒铜绿微囊藻作为食物喂养日鲢和罗非鱼时,鱼类能在以毒藻为唯一食物的环境中生活20d以上.白鲢和罗非鱼粪便的毒性比喂食藻类的毒性分别降低约2-4.5倍,其肝的超微结构现察仍有轻度损伤.(3)在培养液中加入15μg/mLMCYST-LR和用实验室纯培养的铜绿微囊藻作为食物培养枝角类时,均可使它们在48h死亡.以无毒微囊藻培养时则生长不良亦不怀卵,表明它不是枝角类合适的食物.     

有毒铜绿微囊藻对鱼和溞的毒性

用有毒铜绿微囊藻细胞及其从毒细胞中提取的毒素喂养和腹腔注射鱼类，结果表明：（1）微囊藻毒素MCYST－LR对所有实验过的鱼有毒害作用（LD_(50)为110－500μg／kg）．注射毒素24h后，鱼肝电镜超微结构观察均表现出肝损伤．（2）在受控条件下，当用有毒铜绿微囊藻作为食物喂养日鲢和罗非鱼时，鱼类能在以毒藻为唯一食物的环境中生活20d以上．白鲢和罗非鱼粪便的毒性比喂食藻类的毒性分别降低约2—4．5倍，其肝的超微结构现察仍有轻度损伤．（3）在培养液中加入15μg／mLMCYST－LR和用实验室纯培养的铜绿微囊藻作为食物培养枝角类时，均可使它们在48h死亡．以无毒微囊藻培养时则生长不良亦不怀卵，表明它不是枝角类合适的食物．     

五株微囊藻毒素降解菌的分离与鉴定

有毒蓝藻产生的蓝藻毒素导致地表水的污染已是全球普遍的现象,最常见的毒素是能导致肝癌的肝毒素微囊藻毒素(MC),迄今为止尚无适用的MC驱除技术,微生物降解MC可能是一条有效的途径．本研究以铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa PCC 7806)所产生的MC为底物,从多个形成微囊藻水华的水体中分离获得能显著降解MC的细菌18株,相对降解能力从18．4％到48．2％．对其中5株MC相对降解能力较强的菌,通过形态特征和生理生化特征分析,鉴定出5株菌分别为:不动细菌属(Acinetobacter)、肠杆菌属(Enterobacter)、微杆菌属(Microbacterium)、芽孢杆菌属(Bacillus)和弗拉特氏菌属(Frateuria),均不同于已报道的属种．     

水华微囊藻(Microcystis flos-aquae)生长周期中腐殖酸的释放特性

由于严重的水体富营养化,太湖长期暴发蓝藻水华,这些蓝藻在代谢及消亡过程中大量释放包括腐植酸在内的有机物,不仅影响供水水质,并且进一步加重了水华程度.以太湖水华优势藻种——水华微囊藻(Microcystis flos-aquae T34)为研究对象,对藻株生长周期中的藻细胞、浮游细菌进行计数,并使用TOC仪与三维荧光光谱对培养液中提取的腐殖酸进行定量与定性分析,探究水华微囊藻在生长过程中藻细胞密度、浮游细菌密度与腐殖酸浓度的变化规律.结果表明,培养液中腐殖酸浓度的变化趋势与细菌数量变化趋势一致,但与细菌数量曲线拐点相比,腐殖酸浓度曲线拐点出现两周的延迟.腐殖酸产量在藻细胞对数期较低,当水华微囊藻进入稳定期与衰亡期后,腐殖酸大量产生,其浓度迅速增加,最高可达到28.6 mg/L.根据三维荧光光谱分析,水华微囊藻所产生的腐殖酸特征峰出现在(235~245 nm)/(380~425 nm),属于类富里酸荧光峰.本研究初步探究蓝藻与水体腐殖酸之间的关系,为水体腐殖酸来源的研究提供了新的思路.     

2013年洱海水华期间微囊藻毒素和浮游植物动态变化

2013年秋季,洱海再次出现大规模水华,周边几十万居民的饮用水安全引起当地政府的极大关注.为了解水华发生期间洱海水体微囊藻毒素的含量和浮游植物的种类及丰度,分别在2013年9月和10月两次在洱海采集水样,测定其中两种主要微囊藻毒素MC-LR和MC-RR含量,探讨微囊藻毒素含量对洱海周边水源地的安全影响.同时也对水华期间的浮游植物特别是蓝藻进行研究,从而分析微囊藻毒素与浮游植物种类和丰度的关系.结果表明,洱海水体中微囊藻毒素含量偏低,暂不会对人类健康产生威胁,但在洱海的水鸟体内仍然检测到微囊藻毒素的富集,显示洱海蓝藻水华对水生生物的潜在危害不容忽视.浮游植物的研究发现,洱海水华的优势种属为微囊藻(Microcystis)和暗丝藻(Psephonema aenigmaticus).9月份暗丝藻更占优势,10月份则是微囊藻更占优势.研究结果显示处于富营养化初期的洱海水体中湖湾微囊藻毒素的含量与浮游植物中产毒蓝藻的种类和丰度密切相关.     

滇池水体中微囊藻毒素含量变化与环境因子的相关性研究

本文对2003年4-12月滇池马村湾、海东湾微囊藻毒素和总磷、总氮、溶解氧、透明度、光照强度、叶绿素a、pH值、水温及微囊藻种群优势度进行了分析,讨论了以上指标在滇池马村湾和海东湾的分布和月变化情况以及与微囊藻毒素含量之间的关系．相关性分析表明马村湾、海东湾微囊藻毒素在水体中分布与总氮和氮磷比之间呈现非常显著的负相关性(P<0．01);与透明度、光照强度和微囊藻种群优势度存在显著的正相关性(P<0．05)．在影响微囊藻毒素的各因素中,运用多因素逐步回归分析得知马村湾、海东湾微囊藻毒素浓度主要南水体的总氮、总磷、叶绿素a和溶解氧以及透明度决定(R2=0．560,P<0．017)．     

Contamination of some reservoirs and lakes in Republic of Bulgaria by microcystins

This paper presents the results from analyses of water samples from 15 Bulgarian reservoirs and lakes for detection of microcystins presence by high‐performance liquid chromatography (HPLC) coupled to a ultraviolet (UV) and photo diode array (PDA) detector. In 3 of the studied drinking water reservoirs cyanobacterial blooms were not detected. Cyanobacterial blooms were observed in 6 of 12 investigated water bodies used for fishing and water sports. Microcystis was the dominant cyanobacterial genus. The concentration of total microcystins in the biomasses ranged from 8 to 1070 μg g^–1 (d.w.). Microcystin‐LR and microcystin‐RR were the predominant microcystins, followed by microcystin‐YR. Presence of dissolved microcystins was obtained in one water sample with concentration of total microcystins 1.64 μg L^–1. Presence of microcystin‐LF and ‐LW or unknown peaks possessing characteristic microcystin‐like UV‐spectra were not detected. Those first results for occurrence of microcystins in some Bulgarian reservoirs and lakes are a contribution to the knowledge on their distribution.     

Inactivation of the gene katA or sodA affects the transient entry into the viable but non-culturable response of Staphylococcus aureus in natural seawater at low temperature

We have investigated the fate of Staphylococcus aureus by starving the cells and maintaining them in natural seawater at 22 and 4 °C. At 22 °C, cells developed a long-term survival state where about 0.037% of the initial population remained culturable over more than 7 months, whereas at 4 °C, bacteria lost culturability and transiently entered into the viable but non-culturable state (VBNC). However, after 22 days of entry into the VBNC state, the number of viable cells detected via the direct viable count method decreased significantly. We show here that mutational inactivation of catalase (KatA) or superoxide dismutase (SodA) rendered strains hypersensitive to seawater stress at 4 °C and consequently, part of the seawater lethality on S. aureus at low temperature is mediated by reactive oxygen species (ROS) during microcosm-survival process. Shifting the temperature from 4 to 22 °C of totally non-culturable wild-type cells induced a partial recovery of the population. However, deficiencies in catalase or superoxide dismutase prevent resuscitation ability.     

一株来源于水库的浮游蓝丝藻SK3株的生长及产毒特性

浮游蓝丝藻是水华蓝藻的常见种属,但对其生长和产毒特性认识不多本文首次对我国水体中的浮游蓝丝藻进行了研究.从广东省一重要供水水库中分离到一株丝状蓝藻,经形态特征鉴定为阿氏浮游蓝丝藻,并在不同的光照和温度下对该藻株进行了培养.结果表明,适合于该藻生长的光强和温度分别为20μmol/(m~2·s)和30℃;该藻株具有mcyE基因,能产生微囊藻毒素MCRR,产量为0.06μg/mg(DW).     

基于GOCI数据的太湖蓝藻垂向迁移特征及关键影响因素

蓝藻水华频繁暴发是太湖面临的主要环境问题之一,蓝藻聚集上浮是表层水华形成的前提。为探究蓝藻垂向迁移与水华日变化之间的关系,阐明蓝藻垂向迁移的关键影响因素,基于2015-2020年地球静止海洋彩色成像仪(GOCI)数据,分析了太湖不同湖区蓝藻水华日变化过程,发现太湖蓝藻水华垂向迁移的日变化主要呈现上升、下降、先上升后下降三种类型,且不同湖区存在差异。统计分析和偏最小二乘法结构方程模型(PLS-SEM)结果表明,水环境因子对蓝藻垂向迁移过程影响较小,累积光辐射是驱动蓝藻垂向迁移的主要气象因子。气温升高有利于蓝藻持续维持上浮能力,前一天风速较大且当天风速较小会加速蓝藻上浮。相较于沿岸湖区,湖心区受累积光辐射、风速的影响更大,蓝藻水华日变化过程更剧烈。本研究水环境因子数据为逐月数据,为深入探究水环境因子对蓝藻垂向迁移的影响后续还需进行高频监测研究。本文结果有助于探明浅水湖泊蓝藻水华形成机制,为富营养化湖泊蓝藻水华预测预警及治理提供理论支撑。     

鄱阳湖不同湖区营养盐状态及藻类种群对比

在平水期、丰水期和枯水期对鄱阳湖典型天然碟形湖、人控湖汊和主湖区进行了水质、藻类和蓝藻毒素等对比调查,结果表明鄱阳湖各个湖区的水质与藻类种群等差异较大,蓝藻毒素浓度和底泥中铁含量的分布具有一定关联性.在各水文季节蓝藻均为人控湖汊藻类的主要优势种之一.平水期鄱阳湖藻类生物量(叶绿素a浓度)与水体的pH呈正相关关系,与采样点的水深呈负相关关系,碟形湖区水体营养盐浓度和藻类细胞密度均较其他湖区水体低.丰水期各湖区的水质差异相对较小,碟形湖藻类细胞密度仍低于其他湖区,但蓝藻已成为各湖区的优势种,该时期藻类生物量与水体总磷浓度及浊度呈正相关关系.枯水季鄱阳湖各水体藻类生物量与水体总氮浓度、铵态氮浓度及电导率呈正相关关系,碟形湖与主湖区发生了完全分离,水体流动性差,暴发蓝藻水华的风险较高.高温丰枯季节鄱阳湖水体蓝藻毒素浓度与底泥铁含量呈现一定的相关分布关系,底泥铁含量高的地方,其水体蓝藻毒素浓度通常比较高,应警惕鄱阳湖流域富铁红壤流失带来的湖区蓝藻水华风险加剧后果.上述研究结果将为鄱阳湖水环境的预警和污染控制提供科学指导.     

黄色的蓝藻水华

随着全球气候变化和水体富营养化,在过去几十年中蓝藻水华改变了全球的淡水生态系统.蓝藻因独有的藻蓝蛋白而大多呈现蓝绿色,因此其水华也常称为蓝绿藻水华.然而随着蓝藻水华关注度的不断提升,尤其是监测和研究的不断深入,经常在水体中发现蓝藻水华出现黄化的现象.例如,太湖出现的黄色蓝藻水华,冬春季以长孢藻属(Dolichospermum)水华为主,夏秋季以微囊藻属(Microcystis)水华为主.即使外观看起来是蓝绿色的蓝藻水华,但仔细观察形成蓝藻水华的群体颗粒,也有部分呈现黄色,反之亦然.实际上,鉴于色素组成的差异性,也许水体中就没有两个颜色完全一致的蓝藻群体颗粒.目前对于黄色的蓝藻水华及其形成机理,国内外鲜有报道和研究.光照和氮限制被认为是最有可能的原因.在关注蓝藻水华黄化的同时,更应该关注和研究这些颜色变化给蓝藻水华及水环境所带来的风险和挑战,尤其是对水生态管理工作的启发和意义.     

一株产碳酸酐酶附生菌对铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)生长的影响

为研究生长环境中微生物对铜绿微囊藻碳代谢的影响,本文分析太湖典型微囊藻水华样品附生菌中产碳酸酐酶(CA)细菌的比例,结果显示CA菌占11.6%;从微囊藻群体中分离获得了一株高胞外CA附生菌P201,通过ITS基因鉴定,该菌为一株荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescence).并研究了该菌在不同浓度HCO3-条件下对铜绿微囊藻生长的影响,结果表明无论是高HCO3-浓度还是低HCO3-浓度环境中,加入该菌对铜绿微囊藻的生长均有促进作用,说明产CA酶附生菌对铜绿微囊藻的生长有一定的促进作用.     

细菌群落组成对微囊藻水华分解过程的响应

为探究细菌群落组成对微囊藻水华腐败分解过程的响应,在太湖梅梁湾沿岸进行为期11 d的原位围隔实验,模拟蓝藻水华聚集分解过程,并监测了此过程中水体环境因子和细菌群落组成.结果表明,水体理化因子和细菌群落组成在微囊藻水华分解的过程中发生了显著变化.冗余分析显示细菌的群落组成与水体氧化还原环境(溶解氧或氧化还原电位)、pH值、浮游植物生物量和营养盐浓度(总磷、硝态氮浓度)密切相关.研究还发现了某些与微囊藻水华分解密切相关的特殊细菌类群,其中隶属于黄杆菌科(拟杆菌门)的一个类群在微囊藻厌氧分解的阶段占据显著优势,其功能有待于进一步研究.     

Effects of biological soil crusts on water infiltration and evaporation Yanchi Ningxia,Maowusu Desert,China

Biological soil crusts serve as a vanguard for improving the ecological environment in arid, semi-arid desertification areas. It is a good indicator of the level of improvement which the local ecological environment is undertaking. In desert areas, water condition is a key factor of improving the ecological environment. As a first layer protection, biological crusts play an important role in local vegetation succession due to their abilities to conserve and maintain moisture. Using Maowusu desert in Yanchi of Ningxia province as an example, after three years of research, this paper chooses three kinds of biological crusts including lichen, moss and cyanobacterial which are under the cover of Artemisia ordosica as research objects. The results of this study indicate that, the closer biological crusts are to Artemisia ordosica vegetation, the thicker they become. In the same position of Artemisia ordosica vegetation, the thickness of moss crusts is the highest, followed by lichen crusts, and the thickness of cyanobacterial crusts is the lowest. Biological soil crusts coverage protects the natural water content of soil layers from 0 to 5 cm. Also, it effects falling water to infiltrate deeper, and cannot prevent the surface water content from evaporating effectively. The effect of biological crusts blocking water infiltration decreases with the increase of rainfall. At the same rainfall level, moss crusts provide the strongest water infiltration blockage, followed by lichen crusts and cyanobacterial crusts. With the increase of rainfall, the depth of water infiltration increases. At the same rainfall level, the relationship of water infiltration depth is as follows: cyanobacterial crusts 4 lichen crusts 4 moss crusts. With the increase of biological crusts thickness, they blocking water infiltration capacity is stronger, and the depth of water infiltration is smaller. Analysis on the characteristic of simulated rainfall process on biological crusts shows that sandy land can be fixed by applying appropriate artificial biological crusts to build a sustainable forest pro-tection system and to create a stable ecosystem in desertification area.