研究背景

受水体富营养化和全球气候变暖影响，蓝藻水华在全球范围内的湖泊、水库等水体中频繁暴发。蓝藻暴发带来一系列蓝藻毒素和异味物质等衍生物污染问题，对鱼类生存和相关渔业资源发展带来巨大影响。近年来，蓝藻水华引起的微囊藻毒素污染已经得到了广泛关注，国内外学者从多方面评估了微囊藻毒素对鱼类的毒性效应。然而，实际水环境中有害蓝藻的种类多样，其产生的代谢物更是数不胜数，它们对鱼类产生的联合作用可能更加复杂，现阶段关于不同有害蓝藻及其代谢物对鱼类的生理生态影响有待进一步研究。除了常见的浮游蓝藻—微囊藻，颤藻是一种普遍存在且具有潜在毒性的底栖着生蓝藻。截至目前，关于产毒颤藻对鱼类早期发育的生态毒性效应及机制尚不明确。明析不同有害蓝藻对鱼类生长发育的影响，能够为蓝藻水华的生态风险评估提供更加可靠的数据支撑。本研究以模式鱼类斑马鱼为研究对象，探讨不同产毒蓝藻（微囊藻和颤藻）对斑马鱼早期发育阶段的生理生态影响，并从蛋白质和转录水平上探讨不同有害蓝藻对斑马鱼胚胎发育、生长性能和抗氧化防御系统的潜在毒性作用机制。研究结果

（1）胞外蓝藻毒素和异味物质含量

本研究设置的微囊藻（FACHB-905）和颤藻（FACHB-528）暴露液的细胞密度梯度为5、10和20×105 cells/mL。微囊藻暴露液中检出了微囊藻毒素（Microcystins，MCs）和异味物质（β-紫罗兰酮和β-环柠檬醛），其中MCs浓度范围为6.7 ~ 24.6 μg/L，β-紫罗兰酮和β-环柠檬醛的检测浓度分别为n.d. ~ 10.32和312.0 ~ 6287.5 ng/L。颤藻暴露液中检出柱孢藻毒素（Cylindrospermopsins，CYNs）和异味物质（土臭素），其中CYNs的浓度范围为8.5 ~ 35.1 μg/L，土臭素浓度范围为10.0 ~ 17.4 µg/L（表1）。

表1　微囊藻和颤藻的胞外藻毒素和异味物质含量

 （2）有害蓝藻对斑马鱼胚胎的生长发育毒性

基于显微观察和测量统计，发现当斑马鱼胚胎分别暴露于微囊藻和颤藻溶液时，部分微囊藻细胞和颤藻藻丝附着在胚胎绒毛膜上（图1）。此外，较高浓度微囊藻（2×10⁶ cells/mL）暴露96 hpf使斑马鱼胚胎的孵化率、心率降低，死亡率、致畸率升高和体长显著减小，相同浓度的颤藻暴露仅引起斑马鱼胚胎卵黄囊水肿（图2）。结合之前的研究报道，仅用纯藻毒素浓度并不能完全解释本研究中所观察到的毒性效应。斑马鱼胚胎的绒毛膜是一种围绕在胚胎外层的生物结构，具有阻止外源性污染物进入胚胎的屏障功能。绒毛膜虽然可以阻挡微囊藻和颤藻进入胚胎，但蓝藻细胞在绒毛膜上的附着可能会对绒毛膜结构造成物理损伤。因此，蓝藻产生的其他代谢物以及蓝藻细胞在胚胎绒毛膜上的黏附行为也可能加重其毒性作用。

图1　暴露于斑马鱼胚胎培养液（A1、A2）、高浓度微囊藻溶液（B1、B2）和高浓度颤藻溶液（C1、C2）后胚胎绒毛膜的特征图

图2　微囊藻和颤藻对斑马鱼胚胎（96 hpf）体长（A）、卵黄囊面积（B）、心率（C）和致畸率（D）的影响（不同的字母代表暴露组和对照组之间存在显著差异P < 0.05）

（3）有害蓝藻对斑马鱼早期发育的毒性作用机制

通过构建毒性作用通路，发现微囊藻和颤藻对鱼类早期胚胎生长发育的致毒机制存在差异。暴露于较高浓度微囊藻（2×106 cells/mL）使斑马鱼胚胎的抗氧化酶活性下降，造成氧化损伤，并通过下调生长（GH/IGF）轴相关基因（GH，GHR1，IGF1，IGF1rb）的表达导致生长抑制（图3）；相比之下，颤藻暴露没有影响斑马鱼胚胎生长轴相关基因的表达，但明显增强了斑马鱼胚胎的超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）等抗氧化酶的活性和相关基因（SOD1，CAT，GPX1a 和HSP70）的表达（图3和图4）。两者差异的原因可能包括：微囊藻和颤藻产生的次生代谢产物不同；其次，颤藻藻丝的体积明显大于单细胞微囊藻，较小的单细胞球形微囊藻细胞更容易阻塞绒毛膜孔道，从而降低气体交换率；孵化后，斑马鱼仔鱼在摄食的同时可能会意外摄取微囊藻细胞而对肌体产生不良影响，而颤藻藻丝太大而无法顺利进入其消化系统。因此，不同有害蓝藻对鱼类的生态毒性作用途径不同，仅依据单一蓝藻毒素的浓度不能全面地反应蓝藻水华的危害，应综合考虑水体中蓝藻的种类组成及其可能造成的生态风险。

图3　微囊藻和颤藻暴露对斑马鱼胚胎（96 hpf）氧化应激和GH/IGF轴相关基因表达的影响.（微囊藻（A）和颤藻（B）对斑马鱼氧化应激相关基因表达的影响；微囊藻（C）和颤藻（D）对斑马鱼生长发育相关表达的影响），星号表示暴露组与对照组之间有显著差异（*P < 0.05，**P < 0.01）

图4　产毒微囊藻和颤藻对斑马鱼胚胎发育的毒性效应比较及其潜在机制

总结与展望

本研究发现微囊藻和颤藻均可对斑马鱼胚胎的生长发育造成不利影响，但二者的致毒机制存在一定差异。微囊藻短期暴露使斑马鱼胚胎的孵化率、心率和体长下降，死亡率和致畸率升高，对斑马鱼胚胎造成了氧化损伤并下调了GH/IGF轴相关基因（GH, GHR1, IGF1, IGF1rb）的表达；颤藻短期暴露没有对斑马鱼胚胎的生长指标造成显著影响，但引起斑马鱼胚胎卵黄囊水肿，使斑马鱼胚胎体内抗氧化酶活性显著升高并增强了SOD1,CAT, GPX1a 和HSP70等相关基因的表达。本研究首次揭示了底栖有害蓝藻（颤藻）对斑马鱼生长发育的影响及机制，并比较了其与常见有害蓝藻—微囊藻对斑马鱼胚胎致毒作用途径的异同，有助于提高人们对底栖蓝藻生态毒性的认识，未来仍需进一步完善有害蓝藻（特别是底栖蓝藻）的生态风险评估和科学管理体系。

研究团队及项目资助

本研究由中国科学院南京地理与湖泊研究所完成，李红敏博士为论文第一作者，谷孝鸿研究员为论文的通讯作者。相关研究结果以 “Comparative toxicological effects of planktonic Microcystisand benthic Oscillatoria on zebrafish embryonic development: Implications for cyanobacteria risk assessment”为题发表在国际知名期刊Environmental Pollution, https://doi.org/10.1016/j.envpol.2020.115852.

该研究得到国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07204005)、国家自然科学基金 (32071575，31870449和41907222)等项目的资助。

本文转载自国家水生生物种质库淡水藻种库微信公众号