英国西南部Portishead Marine Lake娱乐用水者中Microcystis spp.与微囊藻毒素（microcystins）风险：基于LC-MS/MS与公民科学监测的全年评估

《Toxins》：Risks to Recreational Water Users from Microcystis spp. and Microcystins in Portishead Lake (SW England) as Determined by LC-MS/MS and Citizen Science Monitoring

　　

蓝细菌（Cyanobacteria）是可产生天然毒素并对人类、动物和生态系统健康产生显著影响的微生物。Portishead Marine Lake是英格兰西南部一个小型淡水湖，每年有数千人前往进行娱乐活动，但该湖周期性出现大量蓝细菌水华，对游客健康构成潜在风险。2016年1月至12月期间每周对水样进行蓝细菌和蓝细菌毒素检测。公民科学家（citizen scientists）开展营养盐、溶解氧、pH、温度和气象参数检测。5月至9月较温暖月份观察到四次 Microcystis spp. 主要水华，并与高浓度微囊藻毒素（microcystins, MCs）相关。复杂毒素同系物谱以MC-LR和MC-RR为主，MC-WR和MC-YR贡献较低。蓝细菌细胞密度和微囊藻毒素总浓度范围分别为1600至5.6 × 10⁶ cells/mL和0.1至18,069 μg/L，且显著相关。毒素浓度与硝酸盐水平正相关，与pH负相关，尽管平均pH未低于7.0。总体仅有很少统计学证据表明天气条件的影响，但注意到湖内细胞密度和毒素浓度存在显著差异。地方当局采取的干预措施包括使用大麦秸秆、水文调控、清除碎片和超声处理。虽然在没有有效对照样本的情况下无法对干预有效性进行统计学评估，但有一些有限证据表明水文干预后毒素水平暂时降低，而安装超声设备后未见降低。总体而言，该研究利用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）和显微镜分别定量微囊藻毒素和 Microcystis spp.，并证明了湖泊游客面临的风险以及娱乐水体中毒素检测和采用适当风险缓解方法的重要性。需要纳入适当实验对照的进一步工作，以确定危害缓解措施在减少或消除人类健康威胁方面的有效性。

研究背景方面，蓝细菌（Cyanobacteria）是近全球分布的光合细菌，部分种类可产生蓝细菌毒素，对肝脏、神经、细胞、皮肤和遗传等具有毒性，并可能致癌，进而通过饮用水、水产品和水体娱乐接触等途径影响人类、动物和生态系统健康。微囊藻毒素（microcystins, MCs）是研究最广泛的一类蓝细菌毒素，主要由 Microcystis、Planktothrix、Anabaena/Dolichospermum 和 Oscillatoria 等属产生，主要与肝毒性以及心血管、免疫和发育毒性相关。英国已有动物中毒和部分人类病例报道，且蓝细菌水华报告增加与淡水娱乐活动流行并存。Portishead Marine Lake是英格兰北萨默塞特的一个淡水湖，用于划船等活动，儿童可在浅水区戏水；近年定期报告“有毒蓝绿藻”、死鱼和死鸟。2014年和2015年环境署（Environment Agency, EA）用光学显微镜确认存在 Microcystis spp.，并放置大麦秸秆捆，但水华仍周期性发生，有时需关闭湖泊，严重影响使用者。2016年初研究人员设计全年系统研究，评估湖中蓝细菌和蓝细菌毒素，结合公民科学家开展水质和气象监测，以建立数据并确定产毒水华潜在原因及对人类健康影响。

研究开展后，研究人员每周采样，覆盖五个位点，结合显微镜与LC-MS/MS，发现 Microcystis spp. 全年存在，暖季出现多次高峰，胞内微囊藻毒素浓度高，同系物谱复杂，MC-LR和MC-RR占主导，胞外毒素相对较低；毒素浓度与硝酸盐正相关，与pH负相关，湖内位点差异显著。干预措施中，水文调控后短期内毒素水平似有暂时下降，但超声和大麦秸秆效果缺乏明确证据。研究意义在于证明娱乐水体中毒素检测的必要性，并提示需采用适当风险缓解措施保护人类健康。

关键技术方法方面，样本队列来源为英格兰西南部Portishead Marine Lake，2016年每周在5个固定位点（Sites 5、7、11、14和17）采样，由EA取样，公民科学家监测营养盐、溶解氧（dissolved oxygen, DO）、pH、温度和气象参数。研究人员采用Uterm?hl显微镜计数 Microcystis spp. 细胞密度，并后期评估IOLight便携显微镜；采用LC-MS/MS定量胞内和胞外MC同系物；使用线性混合效应模型、ANOVA、Tukey事后分析和随机森林模型分析环境驱动因素。试剂和具体培养、提取操作步骤从略。

研究结果中，2.1. Sampling, Data Collection and Environmental Parameters（采样、数据收集与环境参数）：通过每周采样和公民科学气象监测，得出水温范围为0 °C至22 °C，均值12.1 ± 5.5 °C；DO最高14.4 mg/L、最低3.5 mg/L；pH均值为7.96 ± 0.36，最高9.06、最低出现在5月；硝酸盐在9月达到100 mg/L，磷酸盐多数在10 mg/L至25 mg/L，氨在0.5 mg/L至6 mg/L，亚硝酸盐多未检出。结论是水温、DO、pH和营养盐呈季节性变化，硝酸盐波动明显。

2.2. Cyanobacteria Presence（蓝细菌存在）：通过视觉观察和采样，发现1月冰下已有蓝细菌细胞，2月26日Site 17出现首个显著水华，5月初突然增殖，5月至9月多次形成肉眼可见水华，显微确认均为 Microcystis spp.。结论是湖中蓝细菌全年存在，暖季出现明显水华。

2.2.1. Microscopy（显微镜）：通过光学显微镜计数，细胞密度峰值包括5月12日1.48 × 10⁶ cells/mL、6月8日2.20 × 10⁶ cells/mL、6月22日2.80 × 10⁶ cells/mL、8月25日1.20 × 10⁶ cells/mL和9月15日5.6 × 10⁶ cells/mL；共有26份样品、15个不同周超过20,000 cells/mL指导阈值。结论是细胞密度存在多次高峰和湖内位点差异。

2.2.2. IOLight Portable Microscopy（IOLight便携显微镜）：通过研究后对存档水样评估，发现IOLight显微镜在×10放大下可有效观察 Microcystis 菌落，并足以支持水样细胞密度测量。结论是该便携设备有用于现场或偏远监测的潜力。

2.3. Cyanotoxin Analysis（蓝细菌毒素分析）中，2.3.1. Intracellular MCs（胞内MCs）：通过LC-MS/MS定量，发现 Microcystis spp. 细胞密度与总胞内毒素浓度密切相关；最高总MC浓度为2016年9月15日Site 5的5728 μg/L，其次为5月12日Site 5的4012 μg/L；毒素谱以MC-LR和MC-RR为主，MC-WR和MC-YR较低，且不同位点毒素水平差异明显。结论是产毒水华可造成高浓度胞内微囊藻毒素。

2.3.2. Extracellular MCs（胞外MCs）：通过LC-MS/MS定量溶解态毒素，发现胞外总MC最高为21.5 μg/L，出现在6月22日Site 11；当胞内总MC超过100 μg/L时，多数样品胞外毒素占比小于2%，但在总浓度较低时胞外比例升高。结论是毒素主要存在于细胞内，胞外毒素浓度相对较低。

2.4. Statistical Analysis（统计分析）：通过线性混合效应模型、随机森林模型和ANOVA等分析，发现pH降低对胞内MC浓度影响最大，硝酸盐升高也具有统计显著影响；站点与MC浓度显著相关，Site 5浓度显著较高，Site 7显著较低。结论是pH和硝酸盐是重要环境相关变量，湖内空间差异显著。

2.5. Intervention（干预）：通过记录大麦秸秆添加、开闸放水、碎片清除和超声设备安装，发现仅开闸增加水流后的下一周似有细胞密度下降，超声安装后未见毒素减少证据；由于缺乏有效对照样本，无法进行干预有效性的统计学评估。结论是干预效果证据有限，水文干预可能有暂时作用，但无法确认。

讨论部分中，3.1. Cyanobacteria and Microcystin Presence（蓝细菌与微囊藻毒素存在）指出，最高细胞密度出现在水温高于15 °C的暖季，符合蓝细菌高温生长特征；1月冰下仍检出 Microcystis 和MC，提示低温下也可能存在。DO在首次水华后下降，夏末明显降低，与蓝细菌生物量分解耗氧一致。pH均值7.96 ± 0.36，符合蓝细菌适宜pH范围，但胞内毒素与pH负相关，与多数研究报道的正相关不同，原文认为该关系仍与部分前人研究模式相符。硝酸盐与MC浓度及N:P比正相关，湖体呈高营养、氮限制特征，周边无农业、工业或污水排放口，可能由大量鸟类和迁徙野禽输入营养。湖内位点差异与风向、地形限制和藻类漂浮积累有关。

3.2. Microcystins（微囊藻毒素）指出，本研究中MC浓度高于部分既往研究，但与同年度英格兰多水体研究相近；毒素高峰多在5月、8月和9月，与英格兰其他水体季节性相似。MC-LR、MC-RR、MC-WR和MC-YR为主要同系物，复杂同系物谱需要毒性当量因子才能更准确反映总毒性。胞外毒素在中性pH下较稳定，但本研究中胞外浓度低，最大约21 μg/L，说明人类健康风险主要来自含毒细胞，尤其是儿童戏水时可能摄入细胞物质。

3.3. Monitoring and Control Measures（监测与控制措施）指出，显微镜可用于实验室计数，IOLight便携显微镜和公民科学家监测有现场应用价值；但细胞密度阈值不能完全代表风险，毒素定量对风险评估必要。干预方面，大麦秸秆、超声和水文调控效果均受缺乏对照限制；水文干预后部分位点生物量下降，但水华反复出现，因此管理者需频繁水文干预或寻求长期降低营养盐的措施。

3.4. Human Health Impacts（人类健康影响）指出，该湖2010年代以来反复发生水华，曾导致关闭湖泊并产生社会经济影响；暴露途径包括误吞、吸入和皮肤接触。20,000 cells/mL阈值在15个不同周被超过，100,000 cells/mL阈值在12个不同周、19份样品中被超过；水面和湖缘浮沫可使毒性蓝细菌富集1000倍，使风险由中等升至高等，提示急性中毒和长期疾病可能。胞内总MC约等于世界卫生组织（WHO）娱乐用水指导值24 μg/L的样品有24份，胞外最高超过20 μg/L；尽管不允许公开游泳，但划船和儿童戏水仍可能接触。复杂MC混合物的口服毒性数据不足，通常假定所有MC与MC-LR毒性等效，因此仍有不确定性。总体证据支持地方当局采取水华缓解和限制公众进入娱乐水体的措施。

研究结论翻译如下：本研究报道了对英格兰西南部一个小型富营养化湖泊为期一年的蓝细菌和蓝细菌毒素评估，该湖用于划船和戏水等娱乐活动。Portishead marine lake自2010年以来反复受到大量蓝细菌水华影响，每年长时间对游客关闭并造成负面社会经济影响。2016年期间，研究人员每周采集水样进行蓝细菌和蓝细菌毒素检测，并由公民科学家开展环境监测。结果揭示 Microcystis 物种全年普遍存在，细胞密度出现若干峰值，且生物量在湖内存在差异。对 Microcystis 细胞物质的分析证明湖内存在高浓度微囊藻毒素、复杂毒素同系物谱和相对较低的胞外毒素含量。总MC高于世界卫生组织（WHO）娱乐用水指导限值24 μg/L的样品均与细胞密度高于当前蓝细菌行动限值20,000 cells/mL的样品相关。然而，若干水样细胞密度高于阈值但毒素浓度较低，表明毒素水平定量是监测健康风险最有效的方法。毒素浓度与硝酸盐浓度相关性最强，并与pH呈意外负相关。毒素与环境参数如风或降雨之间统计学关系证据有限，但所有含毒样品均来自较高温度时期采集的水样。高营养盐浓度可能由湖泊周围和湖内高密度海鸟和迁徙野禽造成。由于水华严重，地方当局在一年中某些时间阻止公众进入湖泊。所采取的干预措施包括通过开闸放水、清除碎片、使用大麦秸秆以及在年中安装超声处理。虽然在没有有效对照样本或任何历史蓝细菌和/或蓝细菌毒素浓度数据的情况下无法对干预影响进行统计学评估，但有一些证据表明水文干预后毒素浓度暂时降低，而超声处理或大麦秸秆使用的成功指征很少。然而必须强调，在没有对照的情况下，无法确定任何缓解措施评估的有效性。应进一步开展工作评估这些和其他干预措施的有效性，并对湖水中的蓝细菌和毒素进行持续长期监测。