多方法联用作为纽约奥瓦斯科湖蓝藻毒素发生指示指标的研究

《Lake and Reservoir Management》：Integration of multiple methodologies as an indicator of cyanotoxin occurrence in Owasco Lake, New York

　　

摘要专业翻译 蓝藻有害水华（cyanoHABs）在蓝藻与蓝藻毒素分布高度变异的湖泊中构成环境与公共卫生风险。研究人员比较了3个独立监测项目的结果，以表征纽约州手指湖之一——分层、中营养型奥瓦斯科湖（Owasco Lake）的时空格局。研究人员于2019年和2020年每两周在多个深度采集开阔水域样品，分析了浮游植物群落组成、叶绿素a（Chl-a）、蓝藻毒素及蓝藻毒素合成酶基因靶标。这些数据与岸线报告及2个公共供水取水口的微囊藻毒素（microcystin）测量结果一并进行了分析。开阔水域蓝藻生物量总体较低，但在夏末以微囊藻（Microcystis）为优势种的暴发事件期间急剧升高。微囊藻毒素是唯一检出的蓝藻毒素，且出现频率较低；饮用水取水口的检出与开阔水域及岸线水华报告同时发生或滞后于后者。mcyE基因靶标在显微镜检查或蓝藻毒素分析提示蓝藻水华发展之前数周即被检出，并持续存在更长时间。蓝藻生物量、叶绿素a、基因靶标与蓝藻毒素之间的关系总体较弱（这些关系仅解释了响应变量变异的较小比例），表明水华动态具有短暂性且总体生物量较低。跨项目比较揭示了一致的时间序列：mcyE早期检出、岸线水华报告、开阔水域蓝藻增加、稀疏的微囊藻毒素检出，随后是饮用水取水口检出。这些发现证明了遗传学、化学和视觉方法可跨深度和监测主体进行整合。开阔水域的常规遗传学分析可为产毒潜力提供早期指示，支持分层监测框架（tiered monitoring frameworks），并为大型湖泊的娱乐和饮用水风险管理提供信息。

论文解读

一、研究背景与意义

蓝藻有害水华可对水生生态系统造成破坏，导致包括饮用水处理成本增加、旅游业收入下降、渔业关闭和房产价值降低在内的不良生态后果和经济影响。蓝藻可产生多种有害化合物，包括对野生动物、家畜和人类健康产生影响的蓝藻毒素。蓝藻毒素的检测和定量通常通过离散样品采集和实验室分析完成，但常规监测面临挑战，因为蓝藻和蓝藻毒素浓度受湖泊形态、水深、气象条件和营养状态等因素影响而存在显著变异性。在低营养湖泊中，蓝藻在开阔水域通常稀疏，但可在岸线水华聚集区积累，其中蓝藻毒素浓度可能高出数个数量级。深水层效应在时空上有时与表层观测脱节，这使得设计适当的监测计划以量化公共供水系统和娱乐用途的潜在风险变得复杂，尤其是在具有短暂蓝藻水华事件的湖泊中。

浮游植物鉴定和计数以及蓝藻毒素合成酶基因靶标分析等监测方法为离散水样的蓝藻毒素数据提供了重要背景信息。然而，潜在产毒类群的存在并不能保证蓝藻毒素一定存在，蓝藻丰度也不总是蓝藻毒素浓度的可靠代理指标。同样，蓝藻毒素合成酶基因靶标的存在也不保证基因正在被活跃表达。此外，蓝藻毒素和基因片段在环境中的存续时间可能超过致病蓝藻细胞本身。寒冷、黑暗的环境，如湖泊深水层水体，可能导致蓝藻毒素更长时间的存续，即使表层水华已经消散，仍会对深水层的公共供水取水口产生持续影响。

本研究旨在比较3个具有不同目标（公共卫生保护、饮用水处理和科学研究）的独立监测项目所采用的方法，以描述奥瓦斯科湖蓝藻水华的 occurrence 和时空格局。研究目标包括：（1）描述奥瓦斯科湖水质、蓝藻和蓝藻毒素的指示指标；（2）将开阔水域的蓝藻和蓝藻毒素指示指标与同期娱乐岸线和公共供水监测项目的结果进行比较，为未来的监测和管理策略提供信息。研究结果可用于指导在深层、分层、低营养湖泊中设计蓝藻水华监测策略时的方法选择，并为娱乐用途和饮用水供应的保护提供管理选项。

二、研究设计与技术方法

研究人员在2019年和2020年于奥瓦斯科湖北端锚定了一个开阔水域监测平台，从5月中旬至11月中旬（2019年）和5月中旬至10月中旬（2020年）进行连续和离散数据采集。离散水样每两周在3个深度（近表层约0.76米、中层约13.4米、近底层约26.2米）采集。岸线监测由纽约州环境保护部门的志愿者网络于7月至10月进行，卡尤加县卫生部门于7/8月至11月监测2个公共供水取水口的微囊藻毒素浓度。

主要关键技术方法包括：（1）浮游植物样品通过荧光显微镜进行鉴定和计数，采用羟丙基甲基丙烯酸酯固定玻片，计数阈值400个自然单位，检测尺寸范围0.9微米至25毫米；（2）采用定量聚合酶链反应（qPCR）分析4类蓝藻毒素合成酶基因靶标，包括产微囊藻毒素的mcyE、产 anatoxin 的anaC、产 cylindrospermopsin 的cyrA和产 saxitoxin 的sxtA；（3）采用酶联免疫吸附测定（ELISA）方法，按照美国环保署方法546分析4类蓝藻毒素；（4）营养盐、叶绿素a等水质指标采用美国地质调查局国家水质实验室的标准方法分析；（5）使用EXO2多参数水质仪记录温度、电导率、溶解氧、pH、浊度、溶解有机物荧光、叶绿素荧光和藻蓝蛋白荧光等连续数据。

三、研究结果

湖沼学条件： 基于平台测量数据，奥瓦斯科湖在2019年和2020年呈中营养状态。2019年总磷（TP）平均浓度为6.5微克/升，叶绿素a为2.84微克/升，透明度盘深度为4.2米；2020年分别为8.3微克/升、3.61微克/升和4.3米。氮磷比（N:P）表明湖泊呈强烈磷限制状态，两年平均N:P均超过140。湖泊在两年中均于6月中旬前已形成热分层，近表层水温在8月初升至最高，超过25摄氏度。

浮游植物： 两年中浮游植物群落的演替过程大致相似。6月和7月的样品显示浮游植物生物量较低，以硅藻（Bacillariophyta）为主。夏末群落组成转变为以微囊藻（Microcystis）为优势种的短期主导，随后在所有深度恢复为非蓝藻主导，且深层水体中微囊藻的相对比例增加。蓝藻在所有样品中均有检出（n=63，仅2020年6月16日除外）。总蓝藻生物量范围为0.0001至8.36立方毫米/升（中位数0.005立方毫米/升），在夏末增加，达到季节峰值后下降。2019年9月5日近表层样品总生物量最高（8.36立方毫米/升），其中99.1%为微囊藻；2020年8月25日样品生物量为1.64立方毫米/升，其中98.3%为微囊藻。

蓝藻毒素： 微囊藻毒素是ELISA分析中唯一检出超过最低报告限（MRL；0.30微克/升）的蓝藻毒素，2019年和2020年分别有3%和18%的样品检出。最高浓度出现在2019年10月2日（0.5微克/升）和2020年8月25日（2.62微克/升）。2019年7月23日近表层有一个 anatoxin 检出（0.23微克/升），高于检出限但低于最低报告限。两年中近底层样品均未检出任何蓝藻毒素。公共供水取水口样品中，微囊藻毒素在2019年和2020年分别有3%和14%检出超过最低报告限，最高浓度分别为2019年9月26日的0.81微克/升和2020年9月28日的3.07微克/升。两年中处理后的成品饮用水均无超过最低报告限的检出。

蓝藻毒素合成酶基因靶标： 4类基因靶标在分析的样品中均有检出，但检出率和丰度在不同基因、深度和年份间存在差异。mcyE是最常检出的基因，在73%的样品中检出，近表层样品检出率达90%。2020年检出率（80%）高于2019年（67%）。mcyE的最高检出为2020年8月25日近表层样品的23,000,000基因拷贝/100毫升，与当年微囊藻生物量峰值同步。anaC在中层样品中检出率最高（71%），其次为近表层（57%）和近底层（19%）。cyrA和sxtA检出率较低，分别为25%和5%，浓度也远低于其他两类基因靶标。

岸线报告： 岸线监测计划于2019年和2020年7月初开始，持续至10月。2019年报告数量最多的日期为8月2日（5份报告）和9月5日（5份报告）；2020年报告数量最多的日期为9月21日（4份报告）。

方法比较： mcyE与总蓝藻生物量呈显著正相关（R2=0.36，P<0.001），仅考虑近表层样品时相关性增强（R2=0.57，P<0.001）。anaC与蓝藻生物量的关系较弱且不显著（R2=0.03，P=0.347）。提取的叶绿素a与浊度关系最强（R2=0.71，P<0.001），与总蓝藻生物量（R2=0.34，P=0.004）和mcyE基因拷贝数（R2=0.23，P=0.031）的关系虽显著但较弱。时间线比较显示，2019年和2020年蓝藻水华发展的指示序列为：mcyE基因靶标在开阔水域检出、岸线水华报告确认、开阔水域蓝藻生物量达到水华条件、开阔水域微囊藻毒素检出、公共供水取水口微囊藻毒素检出。

四、讨论与结论

讨论部分指出，奥瓦斯科湖作为中营养型湖泊，每年形成分层，易在夏末发生短暂的微囊藻主导水华。与开阔水域营养盐和叶绿素a浓度全年大部分时间相对较低的湖泊特征一致，奥瓦斯科湖未观察到全湖性蓝藻水华，水华倾向于在岸线聚集，与人类健康相关的蓝藻毒素浓度在开阔水域和深层出现频率较低。离散监测可能因昼夜和间隔采样的限制而错过蓝藻和蓝藻毒素的峰值浓度。基于传感器的叶绿素和藻蓝蛋白荧光在低营养湖泊中作为蓝藻水华指示指标的适用性有限，叶绿素荧光、叶绿素a和生物量之间未呈现显著关系，而浊度可解释叶绿素a约70%的变异。

遗传指标方面，mcyE是最常检出且浓度最高的基因靶标，与蓝藻生物量存在一定线性关联，但仅解释了23%至57%的变异。mcyE在显微镜鉴定出潜在产毒类群之前至少1个月即在近表层样品中检出，表明qPCR可作为产毒潜力的早期指示指标。然而，基因靶标的检出并不确认存在完整、功能性的生物合成操纵子，基因拷贝数也不能解释蓝藻群落组成、群体大小等级和蓝藻毒素与基因拷贝数比率的季节性变化等已知变异来源。因此，基因靶标应被解释为蓝藻毒素产生潜力的指示指标，而非浓度的直接代理指标。

对湖泊管理的启示方面，分层监测框架可根据不断变化的条件实现资源的可扩展投入。在大型中营养型湖泊中，开阔水域对特定基因靶标的常规监测可为潜在产毒菌株的存在提供早期指示，可作为分层监测计划的初始层级。将定性方法与定量方法结合使用，可为大型湖泊的蓝藻水华监测提供具有成本效益的替代方案。识别系统特定的哨兵或指示站点，加上公共供水取水口样品的监测，可降低公共卫生风险。

研究结论指出，采样方法的选择以及对研究结果的解释，对于向饮用水供应商等使用者传达潜在风险至关重要。qPCR遗传分析在蓝藻水华前兆的潜在早期检测方面显示出一定效用，但与其他方法结合使用时最为有效。