淡水環境中微囊藻毒素毒性研究概述

馬　威　王寶寶

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淡水環境中微囊藻毒素毒性研究概述

馬威王寶寶

一、前言

藍藻分布廣泛，但絕大多數種類是存在于水環境中，是海洋及淡水環境中附著生物和浮游植物群落結構中的重要部分。微囊藻毒素是由藍藻以及生活于水環境中的一些光合微生物產生的初級代謝產物。微囊藻（Microcystis sp.）、魚腥藻（Anabaena sp.）、項圈藻（Anabaenopsis sp.）、顫藻（Oscillatoria sp.）及念珠藻（Nostoc sp.）等都是產生微囊藻毒素的主要藻類。目前，關于微囊藻毒素毒性最主要的認識是其能在生物體內積累并沿食物鏈傳遞。微囊藻毒素能在水生植物體內積累，使水生植物生物量急劇減少；還能導致哺乳動物中毒產生呼吸困難、嘔吐及腹瀉等，嚴重時產生肝出血及肝壞死，甚至死亡。由于微囊藻毒素在世界范圍內廣泛存在且對人類、動物及水生生物的毒性危害普遍。因此，微囊藻毒素是研究最多的藻毒素。

微囊藻毒素是由一組環狀七肽結構構成（圖1），由于環狀七肽中第2位（X位）及第4位（Z位）上氨基酸的不同及天冬氨酸（Asp）和脫氫丙氨酸（Dha）的甲基化和去甲基化作用，可產生90多種不同的微囊藻毒素。微囊藻毒素主要受藻類染色體DNA上的片段——mcy基因控制合成。已有學者從銅綠微囊藻染色體中分離出了該基因，并證實能產生藻毒素的藻種都含有該基因。但是，某些含有mcy基因的藻種卻不產生藻毒素，說明該基因的表達與調控可能還受到諸如物理化學條件等其他因素的作用。

二、微囊藻毒性

1.微囊藻毒素致毒機理

“水華”危害最大的是其產生的微囊藻毒素，不僅在水生生物中富集并通過食物鏈傳遞，還能直接污染飲用水水源，直接威脅人類健康。研究表明LR、RR及YR型（L、R、Y分別代表亮氨酸、精氨酸及色氨酸）是存在廣泛且毒性較大的微囊藻毒素。但對于微囊藻毒素的毒性研究僅有20年左右的歷史，其致毒機理并不完全透徹。

普遍接受的觀點認為，微囊藻毒素能與絲氨酸/蘇氨酸蛋白磷酸酶1（PP1）及磷酸酶2A（PP2A）的相應位點結合，抑制蛋白磷酸酶的活性。其結果一是相應地增強了蛋白激酶的活力，使磷酸化與脫磷酸化的平衡破壞，從而促進了器官病變的發生；二是誘發細胞角蛋白高度磷酸化，使哺乳動物肝細胞產生應激性反應，導致動物肝充血，甚至是因失血而休克死亡。PP1與PP2A也存在于植物中，微囊藻毒素也會使植物體遭受到不利的影響。通常在水生植物吸收藻毒素后，因藻毒素在植物組織中形成生物積累，會觀察到水生植物生物量減少。在陸生植物不同生長階段，微囊藻毒素會產生抑制效應。

2.對水中微生物影響

微囊藻毒素對水中細菌和真菌的毒性影響目前尚不明確，僅有少量的研究報道。已有研究表明微囊藻提取液對其膠質鞘上伴生的細菌假單胞菌的生長有促進作用，該提取液可取代酵母膏提供假單胞菌所需的生長因子。微囊藻毒素不僅對某些細菌不產生毒性作用，反而會被其降解。總之，微囊藻毒素對細菌和真菌的影響，因其種類的不同而有所不同，具體的作用機制還有待研究。

3.對水生植物的毒性效應

最早報道的是微囊藻提取物對硅藻生長的抑制作用，并推測該提取物可能是微囊藻的毒素。后來的研究表明微囊藻毒素還可以調控藻類的增殖。通過調查后推測，微囊藻毒素很可能是通過抑制藻類的光合作用，導致ATP和還原劑的減少而影響到固氮作用，最終使藻類增殖受到抑制。實際上，微囊藻毒素對浮游植物并非表現出簡單的抑制或促進作用，還與毒素濃度、藻的種類及種群密度等都有密切關系。

4.對水生動物的毒性效應

正如在植物組織中生物積累效應一樣，微囊藻毒素對動物細胞還具有氧化損傷作用，以及誘導腫瘤發生的可能，甚至還能引起動植物的細胞凋亡。

水中浮游動物與底棲動物往往直接攝食產微囊藻毒素的藻類而引起中毒。微囊藻毒素對浮游動物生活史的影響研究表明，微囊藻毒素對個體生長繁殖年齡、出生量、死亡率及種群增長率均有明顯影響。實驗證實，微囊藻毒素的LR型可導致溞個體變小、初次繁殖年齡變大、死亡量增加以及繁殖力下降，最終影響種群增長。微囊藻毒素對臂尾輪蟲的毒性效應也表現出降低輪蟲的生長周期、繁殖及種群增長率。

5.對魚類的毒性效應

微囊藻毒素對魚體的影響涉及多個方面，主要作用于魚類肝臟。其損傷機制是破壞魚細胞內蛋白磷酸化與去磷酸化平衡，造成肝細胞損傷。鰱、鳙及羅非魚等都能消化吸收微囊藻。大量實驗證實，微囊藻毒素對魚類具有強致毒性，不僅影響發育成熟的魚類，還具有較強的胚胎毒性。微囊藻毒素還能阻滯魚體細胞中鈉鉀泵的正常運轉，破壞細胞膜兩側Na+與K+平衡，導致魚類大量死亡。

經微囊藻毒素處理過的魚行為上會發生變化，包括集群活動減少，游動遲緩等。此外，對魚體肝小葉結構及腎臟器官都有病理學改變，包括肝臟大面積出血、壞死及腫脹等。魚類鰓是吸收有毒化合物的主要場所，微囊藻毒素還能造成鰓結構的物理性病變及細胞壞死。水中一定濃度的微囊藻毒素還可以導致魚卵變形，系列濃度梯度的微囊藻毒素對泥鰍胚胎發育的實驗發現，微囊藻毒素對泥鰍胚胎有強烈的致畸作用，對仔魚和幼魚有明顯的致死作用。

6.對人類健康的毒性

已有證據表明微囊藻毒素可在水生食物鏈中積累，能快速地從浮游動物傳遞到魚類，并進一步威脅到人類健康。人群流行病學調查發現，當水中微囊藻毒素（LR型）平均濃度低于0.3 μg/L時，長期飲用會對人體肝臟有損害作用。在染色體水平上造成遺傳損傷，影響細胞的分裂增殖；還可直接作用于DNA分子，引起移碼型突變；對部分細胞造成典型的細胞凋亡形態學和生物化學改變，進而形成凋亡小體。我國肝癌高發區原發性肝癌病因學研究表明，飲用水水源水中藻毒素（尤其是微囊藻毒素）與原發性肝癌有一定相關性，水中藻毒素含量與肝癌發病率呈正相關。泰興肝癌高發區調查發現，長期飲用微囊藻毒素污染的水是引起肝癌最主要的危險因素之一。

圖1　微囊藻毒素化學結構圖

三、研究展望

世界上25%～70%的藍藻水華污染可以產生藻毒素。在已發現的各種藻毒素中，微囊藻毒素是一種在藍藻水華污染中出現頻率最高、產生量最大和危害最嚴重的藻毒素種類。當前，對藍藻水華及其藻毒素產生的控制仍然是環境科學領域的一個難題，微囊藻毒素的分子機理及微生物的降解機制是一個值得探索的領域；為了更好保護人類健康與生態安全，需要加強微囊藻毒素對人體作用機制的研究，努力探究微囊藻毒素的應用價值；制定快速準確的微囊藻毒素標準檢測方法，也是環境檢測和管理部門面臨的亟待解決的問題。研究微囊藻毒素的毒性及控制方法，對保護水源與保障居民飲水安全有重要意義。容易被忽視的是，在使用微囊藻毒素污染的水體灌溉農作物時，也可能會由于食物遭受微囊藻毒素污染而成為公眾健康問題。因此，這一污染途徑也值得相關部門重視■

（作者單位：淮河流域水環境監測中心233001）