微囊藻毒素在水食物网中生物转归趋势的Meta分析

索朗巴珍

摘 要 蓝藻水华在世界范围内频频发生，大多数蓝藻会产生次级代谢产物——微囊藻毒素（MCs），一种肝毒素和肿瘤促进剂。虽然MCs在不同生态系统的众多水生消费者中已有定量测定，但是否在水生食物网中普遍发生MCs生物放大或生物稀释的作用仍然存在争议。鉴于MCs对水生食物网、牲畜和人类健康的威胁，以及为了确定其中占主导地位的生物转归过程，本研究应用Meta分析方法，通过综合44个关于MCs在消费者体内浓度的独立研究课题，计算了各个消费者的生物放大系数（BMF），即消费者体内MCs浓度和饮食中的浓度之比。总体上，在水食物网中MCs是以生物稀释作用为主，但不同消费者对MCs的生物稀释程度各不相同。

关键词 微囊藻毒素；水食物网；生物放大；生物稀释；Meta分析

中图分类号 Q17 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）14-0005-03

1 材料和方法

在水生食物网中，为了确定生物放大和生物稀释哪个占主导地位，我们综合了现有文献中MCs在水生消费者中浓度的数据。通过前期的资料收集和筛选，最终在99个研究中可用于本次Meta分析的共有44个研究。我们通过计算放大系数BMF（即MC在消费者体内的浓度和它在消费者饮食中的浓度之间的比例）来比较所收集的全部研究结果。只有同时提供MCs在消费者体内和在消费者饮食中浓度时，我们才可以利用这些数据直接算出BMF，并用来分析。但是，收集的文献中，有些使用溶解的毒素或蓝藻水提取物来研究，其结果不包含在我们的分析中。对于MCs蓄积和解毒过程的实验研究，只有蓄积的相关数据才用来分析。而一些研究是用多种分析方法测量同一个组织中的毒物浓度。在这些情况下，我们是用BMF的平均值来分析。

通过参考相关文献，我们分别计算了以下几种水生生物的BMF：浮游动物、双壳类、腹足类、植食物性浮游生物、食浮游生物者、杂食性鱼类、食肉性鱼类、海龟和鸟类。我们也用各个研究中所提供的额外信息，将数据分为以下几个方面进行分类。

研究类型：野外、实验室。

食用的浮游植物类型：混悬物、浮游植物净样品、实验室培养的样品。

组织类型：肝脏组织（含肝胰腺）、非肝脏组织、整个生物有机体。

其中，混悬物是指在湖水中用玻璃纤维过滤器过滤得到的未浓缩样品。在一些情况下，MCs的混悬物用获得的生物量来表示。在蓝藻占主导地位的这些系统中，我们希望整个悬浮物中无机物的干扰较低。否则，高的无机微粒的量会导致MC微粒量的估算值偏低，从而导致BMF值偏高。净浮游植物样品是通过浮游生物网收集且经浓缩的样品，也可以是从累积的蓝藻浮渣中提取的样品。

估算每组的BMF（95%的置信区间）来确定是否发生生物放大或生物稀释。当BMF均数（95%的置信区间）>1时，是生物放大；当BMF均数（95%的置信区间）<1时，是生物稀释。

本文用来分析的44个研究中总共包含795个研究结果。总体上数据集包含所有现有数据，其中，很少有研究提供MCs在消费者体内和饮食中浓度的误差估计。因此，我们不能进行加权Meta分析。

2 研究结果

表1和图1显示的结果是本研究对795项独立研究结果的汇总，归纳了水食物网中的浮游动物、十足目动物、软体动物、鱼类、龟类和鸟类对MCs的BMF。从总体上看，在水食物网中，MCs的生物稀释作用是普遍的和一致的（BMF在95%的置信区间）。

通过考察MCs的生物稀释作用在不同消费者的类属特异性效应时，除了浮游动物，其他所有的消费者显示出明显的生物稀释作用。而且，不同水生消费者群体之间对MCs的生物稀释作用具有显著差异（p<0.0001）。另外，鸟类对MCs的生物稀释作用最为明显，而浮游动物显示对MCs潜在的生物放大作用。

图2显示的结果是几种主要的水生消费者的BMF，如浮游生物、软体动物和鱼类。浮游生物整体上显示生物放大作用，其中，水母的生物放大效应更显著。软体动物则是明显的生物稀释效应，但是，有一个研究提供的数据显示河蚌有潜在的生物放大作用。

图2显示，除草食性鱼类对MCs具有一定的生物放大效应以外，其他3种（浮游鱼类、杂食鱼类和肉食鱼类）都是生物稀释作用，不同亚类之间对MCs的生物稀释作用程度具有显著差异。另外，杂食性鱼类体内几乎不会蓄积MCs。

表2和图3显示的结果是利用文献中给出的额外信息，将所有数据从3个方面进行分类，即研究类别、检测类别和组织类别，以比较不同类别之间MCs的BMF。

图3显示了野外研究MCs数据的BMF值较高（p<0.000 1），而野外和实验室研究得到的BMF均值却比较接近。在检测物类别和组织类别中，除了测量混悬物和整个有机体的两组之外，其他类别的MCs生物稀释作用均较明显。然而，所有类别的平均BMF<1。由此可见，研究设计的相关因子也会影响生物稀释的程度。一般来说，相比于混悬物，实验室培养的蓝藻和用浮游生物网提取的凈浮游植物样品，这两种组成的饮食类型的生物稀释作用更明显。同时，整个生物体的BMF大于特定的组织，而且MCs在肝脏中的浓度比非肝组织更高，这可以解释MCs的肝毒性。

3 研究结果的讨论

3.1 水生消费者对MCs总体上是生物稀释作用

本次研究进一步证明了MCs的生物稀释作用是在水生食物网中占主导地位的过程，并通过定性评估，证实了蓝藻毒素会在几组水生消费者体内蓄积。研究表明不同的消费者的生物稀释程度不同，浮游生物和食草性鱼类显示出一些潜在的生物放大作用。另外，研究设计和取样技术等相关因素也可能会影响生物体对MCs的生物稀释程度。

尽管跟本次研究相关的研究或现有文献很多（n=99个研究），但是我们的研究只分析了其中的44项研究，因为只有他们提供了毒素在每一个生物质基础的浓度，而这浓度数据能给我们提供消费者和其饮食的比较依据。然而，由于不同水生生物群的含水量不同，建议研究中毒素浓度用每单位的干质量。因此，将毒素浓度以每个干质量为单位进行标准化，这样不仅便于用不同蓝藻生物量进行的研究之间的直接比较，也便于不同营养级水平之间的直接比较。

我们的研究结果是基于BMF的评估，但在水生消费者摄入有毒的食物后，消费者体内MCs存留量的研究记录中，也可以发现有生物稀释作用。例如，蜗牛和椎实螺属体内MC-LR的蓄积量是摄入量的61%，但也有比这更低MCs蓄积量的数据报道。例如，腹足类动物在经过5周的丝藻属暴露后，只有1.3%的MCs积累量；斑马贻贝在2周的有毒微胞藻属接触之后，其体内只有0.55%的MC-LR蓄积量。

尽管生物稀释是生物体内的一般模式，但一些水生消费者对MCs的BMF>1。食浮游动物的鱼类在所有鱼类中BMF最高，在所有浮游动物中，食肉性软体动物MCs的蓄积量要比其他主要浮游动物消费者更高。然而，只有一个现有文献中有水母的相关处测量数据和浮游动物各个营养级之间的差异略显著。然而，研究结果表明，MCs生物放大过程可能在浮游动物中发生，这可能也与食浮游生物的鱼类的BMF值更高有关系。MCs在借助载体（如浮游动物）的情况下，能够更好地被肠胃吸收，而不是直接以蓝藻毒素的形式被吸收，并且在鱼体消化过程中释放的游离和结合态MCs，这都可以反应出MCs在其体内的利用率。MCs与蛋白磷酸酶共价结合形成的这些复合物可能在总MCs中占超过99%的比例。然而，我们仍不清楚MC-蛋白磷酸酯酶复合物是否会被消化酶所分解，但是在体外测定时，消化产生的MCs多肽仍保留了母体MC-LR一半的毒性，并且在食物网中仍可能具有潜在的转移性。

3.2 消费者对MCs显示出一致的生物稀释趋势的可能原因

消费者自身的解毒作用，水生消费者对MCs的解毒作用，又解释了水生食物网中的生物体对MCs的生物稀释作用。排毒是一个由激活和接合两个阶段组成的生理机制，通过这个机制生物体实现了对有毒或外来化合物的生物转化。而这种生物转化通常会使母体化合物的毒性降低，然后将化合物从机体排出。例如通过谷胱甘肽转移酶（GST）催化形成的MC-LR-谷胱甘肽（GSH）共轭物可以在一些水生生物体内检测到，而这一过程似乎是蓝藻毒素在机体内解毒过程的第一步。此外，在给食浮游植物的鱼类和罗非鱼腹腔注射MC-LR之后，在它们体内发现可溶性GST的mRNA的有效表达。然而，各个消费者的解毒效率都不同，因为在暴露于蓝藻之后，机体产生感应再到体内GST活性的受到抑制的反应都不同。因此，由于不同消费者自身的生理条件和解毒能力都会影响其对MCs的生物稀释程度。这也恰恰解释了我们的分析结果中不同种类的水生消费者对MCs的BMF存在显著差异。

MCs的低疏水性，自然環境中的MCs有很多异构体，目前已发现的MCs异构体有80多种，而且在MCs的所有异构体中，MC-LR是研究最多且存在范围最广的异构体。而MC-LR的疏水性低，使其分子相比于其他异构体更易于排泄，这可以解释MCs在水生食物网中的生物稀释现象。由于不同异构体之间的疏水性不同，生物体对它们的解毒效率也不同。此外，事实上不同的异构体在不同消费者体内以及它们的食物中的比例也可能不同，这些因素会导致不同物种和不同系统对MCs的毒物动力学和生物蓄积模式存在差异。例如，MC-RR可能会在双壳类和鱼类体内有选择地积累，而在暴露于蓝藻的杂食性鱼类体内可能不会检测到MC-LR。

其他因素，一般情况下，食草性动物在食物来源较广时，它们会避免或少量摄取，实验室培养的或强毒性或体积太大而难于摄取的藻类，这可能会导致它们对MCs的BMF较低（即对MCs生物稀释较强的结果），因此，在替代性食物的可获得性也会影响生物体对MCs的BMF。

然而，研究发现饮食中MCs浓度越高，消费者体内的MCs浓度越高，这表明增大消费者对有毒食物的暴露量，可能会导致消费者体内毒物负荷的增大，因此，MCs在饮食中的浓度和其在消费者体内的浓度呈正相关性。甚至在野外，消费者虽然可以自由选择捕食对象，但还是会消耗有毒食物。其他替代性食物是否容易获得也会影响消费者对MCs的生物稀释作用程度，回归分析结果显示，得到的斜率分别是0.53和0.19，这可以解释野外环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，饮食中MCs的浓度以及环境中可替代性食物来源的多少，这些都会影响水生消费者对MCs的生物稀释程度的评估（即BMF大小）。

我们的研究证实了，生物体对MCs主要是生物稀释作用，但是，也有个别生物显示出潜在的生物放大作用，因此，我们应该加强定期的水质监测和生物监测，对不同的水生生物采取不同的防范措施。另外，对于藻类污染严重的湖泊和水域，可以通过增大水中生物多样性，来消除水中藻类毒素的浓度。而且通过增大对MCs具有潜在生物放大作用的浮游生物、水母、河蚌和食草性鱼类等的生物量并加以充分利用，也可能会有效缓解MCs的污染和危害。

在未来研究中，除了应该着重研究人类普遍消费的主要水生生物，如河蚌和食草性鱼类等以外，还应该进一步加强对水鸟和海龟等水生消费者的关注程度，因为这些高营养级生物对MCs的生物转归作用，将可能对人类水环境的质量产生更加广泛的影响。

参考文献

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