氮脉冲通过增加产毒微囊藻基因型的比例，驱动了持久的微囊藻毒素事件

《Journal of Hazardous Materials》：Nitrogen pulse drives a prolonged microcystin event by increasing the proportion of toxigenic Microcystis genotypes

　　

摘要

微囊藻毒素（MCs）对饮用水安全构成重大风险，但其产生的驱动因素仍知之甚少。我们在一个大型亚热带水库进行了一项为期一年、高频次的监测计划，以识别微囊藻属水华和毒素产生的环境触发因素及调节机制。微囊藻水华发生在 5 月和 7 月，随后是从 8 月到 1 月的长达六个月的 MC 污染事件。8 月 1 日检测到了极端的氮脉冲，随后 MC 浓度急剧上升，并在 10 月达到峰值，表明氮脉冲是长期污染事件的主要触发因素。然而，MC 浓度与叶绿素a、微囊藻属丰度以及绝对mcyB基因拷贝数呈负相关，揭示了“微囊藻毒素产生悖论”。值得注意的是，MC 浓度也表现出与磷（TP）相反的时间关系，尽管总磷（TP）与携带mcyG的微囊藻属呈正相关。Spearman 相关性分析显示，MC 水平与携带mcyG的微囊藻属比例（mcyG/微囊）和藻蓝蛋白密切相关。多元回归分析（调整后 R2 = 0.693）确定mcyG/微囊和藻蓝蛋白为最强的正向预测因子，而水温影响竞争动态和产毒潜力。空间异质性很明显，强烈的基因型 - 毒素关系发生在营养盐入口附近，但下游不存在。这些发现挑战了基于生物量的风险评估，并突显了机制驱动监测的必要性。我们提出一个实用的监测框架，将mcyG/微囊和藻蓝蛋白作为互补指标，为饮用水水库中氰毒素危害的更准确和及时的早期预警提供监测工具。

引言

饮用水水库中的蓝藻有害藻华（CHABs）对公众健康构成普遍威胁，这主要是由于微囊藻属等优势属产生的微囊藻毒素（MCs）等肝毒素 [1], [2]。具有复杂生物功能的 MCs 的生物合成受基因簇控制 [3]。关键在于，自然的微囊藻属种群是产毒（mcy+）和非产毒（mcy-）基因型的动态混合物 [4]。这种种内异质性是理解毒素危害程度的基础，而定量 PCR (qPCR) 等分子工具现在对于检测这种产毒潜力至关重要 [5]。

尽管取得了这些进展，风险评估仍然主要依赖传统的生物量替代指标（例如叶绿素a浓度），这些指标往往不可靠 [6], [7]。这种差异源于“微囊藻毒素产生悖论”：藻类生物量与实际毒素浓度之间复杂的、且常被观察到的解耦。毒素合成是一个高度动态的过程 [8]，许多研究报告生物量与 MC 水平之间相关性强弱不一甚至呈负相关 [9], [10]。这种悖论通常由产毒菌株比例的时间变化 [11] 或环境驱动因素、生长与毒素合成之间的非线性关系 [12] 所驱动，这使得传统监测成为水资源管理中污染物管理的重大挑战。

这一悖论凸显了一个关键的知识空白：调节 MC 危害强度的关键环境驱动因素和内在生态机制，而不仅仅是总藻类生物量，仍知之甚少 [13]。这导致了几个核心科学问题：1) 哪些环境因素，如营养脉冲，选择产毒基因型主导其非产毒对应物？2) 产毒基因型的相对丰度（即比例）能否比总生物量更准确地预测毒素风险？3) 这些调节机制在大型复杂水库系统内是否表现出空间异质性？

为了回答这些问题并克服可能无法反映现实环境复杂性的实验室模拟的局限性，本研究在中国一个大型亚热带深水水库（东张水库）进行了一项为期一年、高频次的现场监测计划。监测期捕捉到了一个显著的 N 脉冲事件及随后的长期 MC 污染事件，为在自然水库条件下调查连接营养干扰、产毒基因型动态和毒素产生的生态机制提供了宝贵的机会。我们的目标是：1) 识别微囊藻属污染事件的关键环境驱动因素；2) 调查由产毒和非产毒亚群之间竞争驱动的产毒潜力放大；3) 检验核心假设，即水中的 MC 危害水平更直接地受携带产毒基因群落比例调节，而不是受微囊藻属总生物量调节。这项研究的发现提供了证据，表明在容易发生极端营养脉冲的系统中，以生物量为中心的模型可能是不够的，并突出了整合遗传潜力分子指标（mcyG）和生理替代指标（藻蓝蛋白）的毒物事件早期预警框架的潜力。

章节摘要

研究场地

研究在中国福建省福清市东张水库进行，这是一个大型深水库（25°69′14″~25°73′36″N, 119°23′84″~119°29′76″E）。该地区气候温暖湿润，有明显的湿季（3 月至 9 月）和干季（10 月至 2 月）。水库主要用于供水。建立了两个地表水（0.5 米深度）采样点：S1 位于龙江入口，S2 位于水库大坝附近（补充图 S1）。

采样与水质分析

地表水样品（0.5 米

藻类群落和微囊藻毒素的年度动态

监测东张水库的藻类群落揭示了明显的季节性更替模式（图 1）。2019 年 3 月 19 日发生春季绿藻水华，主要在 S1 站点，绿藻密度达到 1.01 × 10? 个/L。随后在夏季发生两次蓝藻水华，均以微囊藻属为主。第一次是 2019 年 5 月 23 日的轻微水华，S1 站点蓝藻密度为 7.84 × 10? 个/L，S2 站点为 7.29 × 10? 个/L。一次更温和的水华

微囊藻毒素产生悖论

最显著的发现之一是 MC 浓度与总藻类生物量（以叶绿素a计）以及优势产毒属微囊藻属的丰度之间存在显著负相关。这种现象直接挑战了“藻类越多毒素越多”的假设，并为水质管理提供了关键警告 [7]。时间上，夏季水华峰值（最大叶绿素a和微囊藻属丰度）对应低至中等的 MC 水平（图 2

结论

在本研究中，通过对大型深水水库的长期监测，我们系统地揭示了驱动 MC 爆发的复杂机制。研究明确指出，大规模的 N 污染事件是长期、高浓度 MC 事件的主要触发因素。然而，本研究最重要的结论是，水体中的实际毒素风险不是由藻类总生物量或优势产毒属的丰度决定的，而是

环境意义

微囊藻毒素是危险的环境污染物，对全球饮用水安全构成严重风险。本研究揭示，在环境相关的水库条件下，氮脉冲可触发长期、高毒性事件，从而逃避传统的基于生物量的监测。我们使用携带mcyG的微囊藻比例和藻蓝蛋白验证了一个稳健的基于机制的预测模型。这项研究为早期预警和风险提供了一个实用的工程解决方案

CRediT 作者贡献声明

李静静: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，验证，方法论，形式分析，数据整理。 李曦: 资源，调查。 余新: 监督，资金获取。 王聪敏: 资源，调查。

竞争利益声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能出现在影响本文报道工作的情况中。

致谢

我们衷心感谢福建省水利水电勘测设计研究院的陈辉在项目管理和提供水质分析数据方面的领导工作。尽管她拒绝了作者身份，但她的支持对本研究至关重要。本工作得到了国家自然科学基金 [编号 U2005206] 和福建省科学技术厅 [编号 2018T3003] 的支持。

李静静 | 王聪敏 | 李曦 | 余新

中国科学院城市环境研究所，先进环境技术国家重点实验室，中国厦门，361021