淡水环境中微囊藻毒素毒性研究概述

马　威　王宝宝



淡水环境中微囊藻毒素毒性研究概述

马威王宝宝

一、前言

蓝藻分布广泛，但绝大多数种类是存在于水环境中，是海洋及淡水环境中附着生物和浮游植物群落结构中的重要部分。微囊藻毒素是由蓝藻以及生活于水环境中的一些光合微生物产生的初级代谢产物。微囊藻（Microcystis sp.）、鱼腥藻（Anabaena sp.）、项圈藻（Anabaenopsis sp.）、颤藻（Oscillatoria sp.）及念珠藻（Nostoc sp.）等都是产生微囊藻毒素的主要藻类。目前，关于微囊藻毒素毒性最主要的认识是其能在生物体内积累并沿食物链传递。微囊藻毒素能在水生植物体内积累，使水生植物生物量急剧减少；还能导致哺乳动物中毒产生呼吸困难、呕吐及腹泻等，严重时产生肝出血及肝坏死，甚至死亡。由于微囊藻毒素在世界范围内广泛存在且对人类、动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。

微囊藻毒素是由一组环状七肽结构构成（图1），由于环状七肽中第2位（X位）及第4位（Z位）上氨基酸的不同及天冬氨酸（Asp）和脱氢丙氨酸（Dha）的甲基化和去甲基化作用，可产生90多种不同的微囊藻毒素。微囊藻毒素主要受藻类染色体DNA上的片段——mcy基因控制合成。已有学者从铜绿微囊藻染色体中分离出了该基因，并证实能产生藻毒素的藻种都含有该基因。但是，某些含有mcy基因的藻种却不产生藻毒素，说明该基因的表达与调控可能还受到诸如物理化学条件等其他因素的作用。

二、微囊藻毒性

1.微囊藻毒素致毒机理

“水华”危害最大的是其产生的微囊藻毒素，不仅在水生生物中富集并通过食物链传递，还能直接污染饮用水水源，直接威胁人类健康。研究表明LR、RR及YR型（L、R、Y分别代表亮氨酸、精氨酸及色氨酸）是存在广泛且毒性较大的微囊藻毒素。但对于微囊藻毒素的毒性研究仅有20年左右的历史，其致毒机理并不完全透彻。

普遍接受的观点认为，微囊藻毒素能与丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶1（PP1）及磷酸酶2A（PP2A）的相应位点结合，抑制蛋白磷酸酶的活性。其结果一是相应地增强了蛋白激酶的活力，使磷酸化与脱磷酸化的平衡破坏，从而促进了器官病变的发生；二是诱发细胞角蛋白高度磷酸化，使哺乳动物肝细胞产生应激性反应，导致动物肝充血，甚至是因失血而休克死亡。PP1与PP2A也存在于植物中，微囊藻毒素也会使植物体遭受到不利的影响。通常在水生植物吸收藻毒素后，因藻毒素在植物组织中形成生物积累，会观察到水生植物生物量减少。在陆生植物不同生长阶段，微囊藻毒素会产生抑制效应。

2.对水中微生物影响

微囊藻毒素对水中细菌和真菌的毒性影响目前尚不明确，仅有少量的研究报道。已有研究表明微囊藻提取液对其胶质鞘上伴生的细菌假单胞菌的生长有促进作用，该提取液可取代酵母膏提供假单胞菌所需的生长因子。微囊藻毒素不仅对某些细菌不产生毒性作用，反而会被其降解。总之，微囊藻毒素对细菌和真菌的影响，因其种类的不同而有所不同，具体的作用机制还有待研究。

3.对水生植物的毒性效应

最早报道的是微囊藻提取物对硅藻生长的抑制作用，并推测该提取物可能是微囊藻的毒素。后来的研究表明微囊藻毒素还可以调控藻类的增殖。通过调查后推测，微囊藻毒素很可能是通过抑制藻类的光合作用，导致ATP和还原剂的减少而影响到固氮作用，最终使藻类增殖受到抑制。实际上，微囊藻毒素对浮游植物并非表现出简单的抑制或促进作用，还与毒素浓度、藻的种类及种群密度等都有密切关系。

4.对水生动物的毒性效应

正如在植物组织中生物积累效应一样，微囊藻毒素对动物细胞还具有氧化损伤作用，以及诱导肿瘤发生的可能，甚至还能引起动植物的细胞凋亡。

水中浮游动物与底栖动物往往直接摄食产微囊藻毒素的藻类而引起中毒。微囊藻毒素对浮游动物生活史的影响研究表明，微囊藻毒素对个体生长繁殖年龄、出生量、死亡率及种群增长率均有明显影响。实验证实，微囊藻毒素的LR型可导致溞个体变小、初次繁殖年龄变大、死亡量增加以及繁殖力下降，最终影响种群增长。微囊藻毒素对臂尾轮虫的毒性效应也表现出降低轮虫的生长周期、繁殖及种群增长率。

5.对鱼类的毒性效应

微囊藻毒素对鱼体的影响涉及多个方面，主要作用于鱼类肝脏。其损伤机制是破坏鱼细胞内蛋白磷酸化与去磷酸化平衡，造成肝细胞损伤。鲢、鳙及罗非鱼等都能消化吸收微囊藻。大量实验证实，微囊藻毒素对鱼类具有强致毒性，不仅影响发育成熟的鱼类，还具有较强的胚胎毒性。微囊藻毒素还能阻滞鱼体细胞中钠钾泵的正常运转，破坏细胞膜两侧Na+与K+平衡，导致鱼类大量死亡。

经微囊藻毒素处理过的鱼行为上会发生变化，包括集群活动减少，游动迟缓等。此外，对鱼体肝小叶结构及肾脏器官都有病理学改变，包括肝脏大面积出血、坏死及肿胀等。鱼类鳃是吸收有毒化合物的主要场所，微囊藻毒素还能造成鳃结构的物理性病变及细胞坏死。水中一定浓度的微囊藻毒素还可以导致鱼卵变形，系列浓度梯度的微囊藻毒素对泥鳅胚胎发育的实验发现，微囊藻毒素对泥鳅胚胎有强烈的致畸作用，对仔鱼和幼鱼有明显的致死作用。

6.对人类健康的毒性

已有证据表明微囊藻毒素可在水生食物链中积累，能快速地从浮游动物传递到鱼类，并进一步威胁到人类健康。人群流行病学调查发现，当水中微囊藻毒素（LR型）平均浓度低于0.3 μg/L时，长期饮用会对人体肝脏有损害作用。在染色体水平上造成遗传损伤，影响细胞的分裂增殖；还可直接作用于DNA分子，引起移码型突变；对部分细胞造成典型的细胞凋亡形态学和生物化学改变，进而形成凋亡小体。我国肝癌高发区原发性肝癌病因学研究表明，饮用水水源水中藻毒素（尤其是微囊藻毒素）与原发性肝癌有一定相关性，水中藻毒素含量与肝癌发病率呈正相关。泰兴肝癌高发区调查发现，长期饮用微囊藻毒素污染的水是引起肝癌最主要的危险因素之一。

图1　微囊藻毒素化学结构图

三、研究展望

世界上25%～70%的蓝藻水华污染可以产生藻毒素。在已发现的各种藻毒素中，微囊藻毒素是一种在蓝藻水华污染中出现频率最高、产生量最大和危害最严重的藻毒素种类。当前，对蓝藻水华及其藻毒素产生的控制仍然是环境科学领域的一个难题，微囊藻毒素的分子机理及微生物的降解机制是一个值得探索的领域；为了更好保护人类健康与生态安全，需要加强微囊藻毒素对人体作用机制的研究，努力探究微囊藻毒素的应用价值；制定快速准确的微囊藻毒素标准检测方法，也是环境检测和管理部门面临的亟待解决的问题。研究微囊藻毒素的毒性及控制方法，对保护水源与保障居民饮水安全有重要意义。容易被忽视的是，在使用微囊藻毒素污染的水体灌溉农作物时，也可能会由于食物遭受微囊藻毒素污染而成为公众健康问题。因此，这一污染途径也值得相关部门重视■

（作者单位：淮河流域水环境监测中心233001）