微囊藻毒素LR对产毒/非产毒微囊藻及小球藻钙钾离子稳态调节的差异性生态毒理效应研究

本研究针对蓝藻水华期间微囊藻毒素(MCs)对共存藻类离子稳态的影响机制不明确问题，通过非损伤微测技术(NMT)揭示了MC-LR通过差异调控钙离子(Ca2+)和钾离子(K+)通量，导致产毒微囊藻(M. aeruginosa)自毒效应和非产毒微囊藻(M. wesenbergii)竞争优势的机制，为解析MCs的生态功能提供了重要理论依据。

　　

在全球范围内，蓝藻水华频繁暴发已成为威胁水生生态系统安全和人类健康的重大环境问题。其中，微囊藻毒素（Microcystins, MCs）作为蓝藻产生的具有强肝毒性的次级代谢产物，不仅对水生生物构成威胁，更通过饮用水和食物链传递影响人类健康。尽管世界卫生组织规定饮用水中MCs浓度需低于1μg/L，但在富营养化水体中，MCs浓度往往远超此限值。长期以来，MCs被认为不直接参与蓝藻的正常生长繁殖，但学者们发现MCs在蓝藻对数生长期的产量增加特征使其区别于一般次级代谢产物，这引发了关于MCs潜在生态功能的热烈讨论。

目前关于MCs的生态功能存在多种假说：参与调节产毒蓝藻的光合作用、作为抵御原生动物捕食的化感物质、增强群体形成与维持过程、适应CO₂浓度变化、铁运输以及应对寒冷胁迫或光照强度变化等不利条件。然而，MCs的生物合成并非总是对蓝藻有利，因为其生产过程需要消耗大量能量，且参与多种反应和大分子酶可能造成细胞经济负担。相比之下，非产毒蓝藻因节省了MCs合成所需的能量，在与产毒蓝藻共存时可能表现更好。这种推测得到了自然环境中产毒和非产毒蓝藻菌株时空变化规律的支持。

钙离子(Ca²⁺)和钾离子(K⁺)稳态的维持对蓝藻和藻类生长至关重要，因为它们在信号转导和应对胁迫的生理参数调节中起着关键作用。Ca²⁺被认为是真核细胞中的细胞内第二信使，参与藻类生理过程包括氮饥饿下的中性脂质合成。K⁺是生物细胞中最丰富的阳离子，在酶活化、膜电位维持和渗透平衡中发挥功能。藻类对MCs的离子通量响应可以提供关于MCs作用靶点、影响程度和影响途径的信息，为了解MCs的生态角色提供见解。

产毒铜绿微囊藻（M. aeruginosa）在全球许多淡水环境中都造成严重问题，它们通常与其他非产毒蓝藻如广泛分布的惠氏微囊藻（M. wesenbergii）以及绿藻如小球藻（Chlorella vulgaris）共存。本研究利用原核蓝藻属Microcystis的产毒和非产毒类群以及真核小球藻，探讨了MC-LR对（1）它们生长和生理指标；（2）Ca²⁺和K⁺稳态；（3）离子运输的影响。

本研究采用非损伤微测技术(NMT)、流式细胞术、生理指标检测试剂盒等关键技术方法，实验菌株购自中国科学院水生生物研究所淡水藻种库(FACHB)。研究人员设计了为期44天的单一培养实验和28天的共培养实验，设置了0、1、10和100μg/L四个MC-LR浓度梯度，通过系统监测细胞密度、离子通量、生理指标和氧化应激水平，全面解析了MC-LR对不同藻类的毒性效应和机制。

3.1. Effect of MC-LR on the percent change of density in mono-culture experiment

通过监测44天单一培养实验中细胞密度变化，发现MC-LR在短期内对普通小球藻抑制最强（100μg/L处理组密度下降-14.1%至-31.9%），对产毒铜绿微囊藻的抑制程度(-2.9%至-9.6%)高于非产毒惠氏微囊藻。在后续培养阶段，铜绿微囊藻的密度增加百分比比惠氏微囊藻低10.8-24.3%。

3.2. Effects of MC-LR on Fv/Fm, α-Amylase activity, FDX and ATP content in mono-culture experiment

研究发现MC-LR对两种微囊藻的Fv/Fm（光系统II最大光化学效率）影响较小，但提高了普通小球藻的Fv/Fm。100μg/L MC-LR处理显著降低了铜绿微囊藻的铁氧还蛋白(FDX)含量，而两种微囊藻的α-淀粉酶活性和ATP含量均受到抑制，其中铜绿微囊藻的ATP抑制更显著。

3.3. Effects of MC-LR on ROS fluorescence intensity in mono-culture experiment

活性氧(ROS)荧光强度检测表明，10和100μg/L MC-LR处理显著提高了铜绿微囊藻和普通小球藻的ROS水平，其中普通小球藻的ROS增加百分比(22%-81%)高于铜绿微囊藻(2%-80%)，而惠氏微囊藻的ROS水平未受显著影响。

3.4. Ca²⁺ and K⁺ flux of M. aeruginosa, M. wesenbergii, and C. vulgaris to MC-LR exposure

离子通量测定显示，急性暴露和8天暴露于1-100μg/L MC-LR导致两种微囊藻的K⁺内流增加，其中铜绿微囊藻的K⁺内流更强。普通小球藻则表现为Ca²⁺外流减弱直至转为内流。

3.5. Pharmacology of Ca²⁺ or K⁺ flux of M. aeruginosa, M. wesenbergii and C. vulgaris to MC-LR exposure

药理学实验表明，非选择性阳离子通道抑制剂Gd³⁺预处理抑制了MC-LR诱导的铜绿微囊藻K⁺内流和普通小球藻Ca²⁺内流，而特异性K⁺通道抑制剂TEA⁺和电压依赖性Ca²⁺通道抑制剂verapamil的预处理效果不显著。

3.6. Pharmacology of Fv/Fm, α-Amylase activity, FDX and ATP content, ROS fluorescence intensity in mono-culture experiment

Gd³⁺预处理抑制了MC-LR对铜绿微囊藻FDX含量、α-淀粉酶活性、ATP含量的降低效应以及对两种微囊藻和普通小球藻ROS水平的升高效应，表明离子稳态在MC-LR影响的生理指标中可能起调节作用。

研究结论与讨论部分强调，MCs可能是调节浮游植物群落和促进淡水有害藻华优势的重要因素。本研究发现产毒蓝藻并不能免疫MC-LR暴露，反而比非产毒蓝藻表现出更强的生长抑制，这种自毒效应可能加剧自然系统中产毒微囊藻细胞衰亡和裂解引起的MCs释放。普通小球藻对MC-LR的更强敏感性可能源于其藻鞘主要成分为蛋白质而非多糖，降低了其对有机污染物如MC-LR的结合能力和生物利用率降低作用。

从生态学意义来看，MC-LR作为一种化学合成物质，其主要靶点可能是一系列竞争生物包括真核藻类。研究表明，与产毒微囊藻竞争的生物，包括真核藻普通小球藻，被认为是MC-LR的主要靶点；产毒微囊藻比非产毒微囊藻更强的自毒效应使非产毒微囊藻相对于其他共存藻类具有竞争优势。在自然环境中，死亡后的细胞裂解以及环境刺激或人类活动对mcy基因（MCs生产基因簇）的上调都可能导致MCs浓度增加。增加的MC-LR会通过引起Ca²⁺内流和氧化应激来抑制真核藻类的生长，同时通过引起K²⁺内流、氧化应激以及抑制ATP含量和群体生长来诱导产毒微囊藻的自毒效应。

本研究发表在《Ecotoxicology and Environmental Safety》，为理解MCs对蓝藻和藻类的毒性途径及其生态角色提供了重要见解，对于科学管理蓝藻水华和防控MCs污染具有重要的理论和实践意义。研究成果不仅揭示了MCs通过差异调节离子稳态影响藻类竞争的深层机制，也为开发基于离子通道调控的藻类控制新策略提供了科学依据。