微囊藻毒素在水食物網中生物轉歸趨勢的Meta分析

索朗巴珍

摘 要 藍藻水華在世界范圍內頻頻發生，大多數藍藻會產生次級代謝產物——微囊藻毒素（MCs），一種肝毒素和腫瘤促進劑。雖然MCs在不同生態系統的眾多水生消費者中已有定量測定，但是否在水生食物網中普遍發生MCs生物放大或生物稀釋的作用仍然存在爭議。鑒于MCs對水生食物網、牲畜和人類健康的威脅，以及為了確定其中占主導地位的生物轉歸過程，本研究應用Meta分析方法，通過綜合44個關于MCs在消費者體內濃度的獨立研究課題，計算了各個消費者的生物放大系數（BMF），即消費者體內MCs濃度和飲食中的濃度之比?？傮w上，在水食物網中MCs是以生物稀釋作用為主，但不同消費者對MCs的生物稀釋程度各不相同。

關鍵詞 微囊藻毒素；水食物網；生物放大；生物稀釋；Meta分析

中圖分類號 Q17 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）14-0005-03

1 材料和方法

在水生食物網中，為了確定生物放大和生物稀釋哪個占主導地位，我們綜合了現有文獻中MCs在水生消費者中濃度的數據。通過前期的資料收集和篩選，最終在99個研究中可用于本次Meta分析的共有44個研究。我們通過計算放大系數BMF（即MC在消費者體內的濃度和它在消費者飲食中的濃度之間的比例）來比較所收集的全部研究結果。只有同時提供MCs在消費者體內和在消費者飲食中濃度時，我們才可以利用這些數據直接算出BMF，并用來分析。但是，收集的文獻中，有些使用溶解的毒素或藍藻水提取物來研究，其結果不包含在我們的分析中。對于MCs蓄積和解毒過程的實驗研究，只有蓄積的相關數據才用來分析。而一些研究是用多種分析方法測量同一個組織中的毒物濃度。在這些情況下，我們是用BMF的平均值來分析。

通過參考相關文獻，我們分別計算了以下幾種水生生物的BMF：浮游動物、雙殼類、腹足類、植食物性浮游生物、食浮游生物者、雜食性魚類、食肉性魚類、海龜和鳥類。我們也用各個研究中所提供的額外信息，將數據分為以下幾個方面進行分類。

研究類型：野外、實驗室。

食用的浮游植物類型：混懸物、浮游植物凈樣品、實驗室培養的樣品。

組織類型：肝臟組織（含肝胰腺）、非肝臟組織、整個生物有機體。

其中，混懸物是指在湖水中用玻璃纖維過濾器過濾得到的未濃縮樣品。在一些情況下，MCs的混懸物用獲得的生物量來表示。在藍藻占主導地位的這些系統中，我們希望整個懸浮物中無機物的干擾較低。否則，高的無機微粒的量會導致MC微粒量的估算值偏低，從而導致BMF值偏高。凈浮游植物樣品是通過浮游生物網收集且經濃縮的樣品，也可以是從累積的藍藻浮渣中提取的樣品。

估算每組的BMF（95%的置信區間）來確定是否發生生物放大或生物稀釋。當BMF均數（95%的置信區間）>1時，是生物放大；當BMF均數（95%的置信區間）<1時，是生物稀釋。

本文用來分析的44個研究中總共包含795個研究結果。總體上數據集包含所有現有數據，其中，很少有研究提供MCs在消費者體內和飲食中濃度的誤差估計。因此，我們不能進行加權Meta分析。

2 研究結果

表1和圖1顯示的結果是本研究對795項獨立研究結果的匯總，歸納了水食物網中的浮游動物、十足目動物、軟體動物、魚類、龜類和鳥類對MCs的BMF。從總體上看，在水食物網中，MCs的生物稀釋作用是普遍的和一致的（BMF在95%的置信區間）。

通過考察MCs的生物稀釋作用在不同消費者的類屬特異性效應時，除了浮游動物，其他所有的消費者顯示出明顯的生物稀釋作用。而且，不同水生消費者群體之間對MCs的生物稀釋作用具有顯著差異（p<0.0001）。另外，鳥類對MCs的生物稀釋作用最為明顯，而浮游動物顯示對MCs潛在的生物放大作用。

圖2顯示的結果是幾種主要的水生消費者的BMF，如浮游生物、軟體動物和魚類。浮游生物整體上顯示生物放大作用，其中，水母的生物放大效應更顯著。軟體動物則是明顯的生物稀釋效應，但是，有一個研究提供的數據顯示河蚌有潛在的生物放大作用。

圖2顯示，除草食性魚類對MCs具有一定的生物放大效應以外，其他3種（浮游魚類、雜食魚類和肉食魚類）都是生物稀釋作用，不同亞類之間對MCs的生物稀釋作用程度具有顯著差異。另外，雜食性魚類體內幾乎不會蓄積MCs。

表2和圖3顯示的結果是利用文獻中給出的額外信息，將所有數據從3個方面進行分類，即研究類別、檢測類別和組織類別，以比較不同類別之間MCs的BMF。

圖3顯示了野外研究MCs數據的BMF值較高（p<0.000 1），而野外和實驗室研究得到的BMF均值卻比較接近。在檢測物類別和組織類別中，除了測量混懸物和整個有機體的兩組之外，其他類別的MCs生物稀釋作用均較明顯。然而，所有類別的平均BMF<1。由此可見，研究設計的相關因子也會影響生物稀釋的程度。一般來說，相比于混懸物，實驗室培養的藍藻和用浮游生物網提取的凈浮游植物樣品，這兩種組成的飲食類型的生物稀釋作用更明顯。同時，整個生物體的BMF大于特定的組織，而且MCs在肝臟中的濃度比非肝組織更高，這可以解釋MCs的肝毒性。

3 研究結果的討論

3.1 水生消費者對MCs總體上是生物稀釋作用

本次研究進一步證明了MCs的生物稀釋作用是在水生食物網中占主導地位的過程，并通過定性評估，證實了藍藻毒素會在幾組水生消費者體內蓄積。研究表明不同的消費者的生物稀釋程度不同，浮游生物和食草性魚類顯示出一些潛在的生物放大作用。另外，研究設計和取樣技術等相關因素也可能會影響生物體對MCs的生物稀釋程度。

盡管跟本次研究相關的研究或現有文獻很多（n=99個研究），但是我們的研究只分析了其中的44項研究，因為只有他們提供了毒素在每一個生物質基礎的濃度，而這濃度數據能給我們提供消費者和其飲食的比較依據。然而，由于不同水生生物群的含水量不同，建議研究中毒素濃度用每單位的干質量。因此，將毒素濃度以每個干質量為單位進行標準化，這樣不僅便于用不同藍藻生物量進行的研究之間的直接比較，也便于不同營養級水平之間的直接比較。

我們的研究結果是基于BMF的評估，但在水生消費者攝入有毒的食物后，消費者體內MCs存留量的研究記錄中，也可以發現有生物稀釋作用。例如，蝸牛和椎實螺屬體內MC-LR的蓄積量是攝入量的61%，但也有比這更低MCs蓄積量的數據報道。例如，腹足類動物在經過5周的絲藻屬暴露后，只有1.3%的MCs積累量；斑馬貽貝在2周的有毒微胞藻屬接觸之后，其體內只有0.55%的MC-LR蓄積量。

盡管生物稀釋是生物體內的一般模式，但一些水生消費者對MCs的BMF>1。食浮游動物的魚類在所有魚類中BMF最高，在所有浮游動物中，食肉性軟體動物MCs的蓄積量要比其他主要浮游動物消費者更高。然而，只有一個現有文獻中有水母的相關處測量數據和浮游動物各個營養級之間的差異略顯著。然而，研究結果表明，MCs生物放大過程可能在浮游動物中發生，這可能也與食浮游生物的魚類的BMF值更高有關系。MCs在借助載體（如浮游動物）的情況下，能夠更好地被腸胃吸收，而不是直接以藍藻毒素的形式被吸收，并且在魚體消化過程中釋放的游離和結合態MCs，這都可以反應出MCs在其體內的利用率。MCs與蛋白磷酸酶共價結合形成的這些復合物可能在總MCs中占超過99%的比例。然而，我們仍不清楚MC-蛋白磷酸酯酶復合物是否會被消化酶所分解，但是在體外測定時，消化產生的MCs多肽仍保留了母體MC-LR一半的毒性，并且在食物網中仍可能具有潛在的轉移性。

3.2 消費者對MCs顯示出一致的生物稀釋趨勢的可能原因

消費者自身的解毒作用，水生消費者對MCs的解毒作用，又解釋了水生食物網中的生物體對MCs的生物稀釋作用。排毒是一個由激活和接合兩個階段組成的生理機制，通過這個機制生物體實現了對有毒或外來化合物的生物轉化。而這種生物轉化通常會使母體化合物的毒性降低，然后將化合物從機體排出。例如通過谷胱甘肽轉移酶（GST）催化形成的MC-LR-谷胱甘肽（GSH）共軛物可以在一些水生生物體內檢測到，而這一過程似乎是藍藻毒素在機體內解毒過程的第一步。此外，在給食浮游植物的魚類和羅非魚腹腔注射MC-LR之后，在它們體內發現可溶性GST的mRNA的有效表達。然而，各個消費者的解毒效率都不同，因為在暴露于藍藻之后，機體產生感應再到體內GST活性的受到抑制的反應都不同。因此，由于不同消費者自身的生理條件和解毒能力都會影響其對MCs的生物稀釋程度。這也恰恰解釋了我們的分析結果中不同種類的水生消費者對MCs的BMF存在顯著差異。

MCs的低疏水性，自然環境中的MCs有很多異構體，目前已發現的MCs異構體有80多種，而且在MCs的所有異構體中，MC-LR是研究最多且存在范圍最廣的異構體。而MC-LR的疏水性低，使其分子相比于其他異構體更易于排泄，這可以解釋MCs在水生食物網中的生物稀釋現象。由于不同異構體之間的疏水性不同，生物體對它們的解毒效率也不同。此外，事實上不同的異構體在不同消費者體內以及它們的食物中的比例也可能不同，這些因素會導致不同物種和不同系統對MCs的毒物動力學和生物蓄積模式存在差異。例如，MC-RR可能會在雙殼類和魚類體內有選擇地積累，而在暴露于藍藻的雜食性魚類體內可能不會檢測到MC-LR。

其他因素，一般情況下，食草性動物在食物來源較廣時，它們會避免或少量攝取，實驗室培養的或強毒性或體積太大而難于攝取的藻類，這可能會導致它們對MCs的BMF較低（即對MCs生物稀釋較強的結果），因此，在替代性食物的可獲得性也會影響生物體對MCs的BMF。

然而，研究發現飲食中MCs濃度越高，消費者體內的MCs濃度越高，這表明增大消費者對有毒食物的暴露量，可能會導致消費者體內毒物負荷的增大，因此，MCs在飲食中的濃度和其在消費者體內的濃度呈正相關性。甚至在野外，消費者雖然可以自由選擇捕食對象，但還是會消耗有毒食物。其他替代性食物是否容易獲得也會影響消費者對MCs的生物稀釋作用程度，回歸分析結果顯示，得到的斜率分別是0.53和0.19，這可以解釋野外環境中有毒食物的低利用率，尤其是更高MCs含量的有毒食物。因此，飲食中MCs的濃度以及環境中可替代性食物來源的多少，這些都會影響水生消費者對MCs的生物稀釋程度的評估（即BMF大小）。

我們的研究證實了，生物體對MCs主要是生物稀釋作用，但是，也有個別生物顯示出潛在的生物放大作用，因此，我們應該加強定期的水質監測和生物監測，對不同的水生生物采取不同的防范措施。另外，對于藻類污染嚴重的湖泊和水域，可以通過增大水中生物多樣性，來消除水中藻類毒素的濃度。而且通過增大對MCs具有潛在生物放大作用的浮游生物、水母、河蚌和食草性魚類等的生物量并加以充分利用，也可能會有效緩解MCs的污染和危害。

在未來研究中，除了應該著重研究人類普遍消費的主要水生生物，如河蚌和食草性魚類等以外，還應該進一步加強對水鳥和海龜等水生消費者的關注程度，因為這些高營養級生物對MCs的生物轉歸作用，將可能對人類水環境的質量產生更加廣泛的影響。

參考文獻

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