長孢藻的生理生態(tài)特征及監(jiān)測研究進(jìn)展

摘要

長孢藻(Dolichospermum)是危害僅次于微囊藻的又一有害水華藍(lán)藻。近年來,由于水體富營養(yǎng)化加劇和全球氣候變暖,長孢藻呈現(xiàn)出明顯的擴(kuò)張趨勢,廣泛分布于溫帶和亞熱帶地區(qū)的水體中,因其能夠產(chǎn)生魚腥藻毒素、微囊藻毒素等多種藻毒素以及土臭素,嚴(yán)重威脅水環(huán)境安全和人類健康,已成為水體中急需控制的藍(lán)藻種類。長孢藻可耐受較寬的溫度、光強(qiáng)波動(dòng),喜低溫、低鹽,耐高溫、弱堿,這些特性是其廣泛分布在溫帶和亞熱帶的重要原因;長孢藻能吸收多種形態(tài)的氮源,以應(yīng)對氮源的限制,在氮源不足的情況下,還可通過異形胞固氮而獲得生存優(yōu)勢;長孢藻有快速吸收和儲存無機(jī)磷鹽的能力,以維持其在缺磷環(huán)境中正常的生長。而且,長孢藻產(chǎn)生的主要毒素魚腥藻毒素是一種快速致死的神經(jīng)毒素,不慎接觸會導(dǎo)致人和動(dòng)物迅速中毒死亡。鑒于長孢藻的危害性,文中從長孢藻的分布特點(diǎn)、生理生態(tài)特征、產(chǎn)毒和監(jiān)測等研究前沿進(jìn)行了綜述,為有害長孢藻的預(yù)測預(yù)警、有效控制提供科學(xué)的依據(jù)。

研究亮點(diǎn)

鑒于長孢藻高致毒性和危害性，對其分布及生理生態(tài)特征進(jìn)行綜述為長孢藻水華暴發(fā)機(jī)理和有效控制研究提供理論參考。

隨著人類生產(chǎn)生活的不斷加快，水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象日益嚴(yán)重，導(dǎo)致越來越多的湖泊、水庫發(fā)生藍(lán)藻水華。藍(lán)藻水華不僅導(dǎo)致水生態(tài)系統(tǒng)和水體功能受到影響和破壞，而且產(chǎn)生的藻毒素直接危害著人類健康和社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。常見的藍(lán)藻水華類型主要有微囊藻(Microcystis)、長孢藻(Dolichospermum)、束絲藻(Aphanizomenon)、擬柱胞藻(Cylindrospermopsis)等。其中，微囊藻水華的研究關(guān)注度最高，全球暴發(fā)的藍(lán)藻水華85%以上都是以微囊藻為優(yōu)勢種。然而，隨著研究不斷深入，再加上其他藍(lán)藻的不斷擴(kuò)張，長孢藻優(yōu)勢逐漸增加，成為繼微囊藻之后暴發(fā)最為廣泛的藍(lán)藻水華，因其毒性、暴發(fā)性而日益受到關(guān)注。長孢藻的絲體形狀和細(xì)胞形態(tài)具有多樣性，能夠形成水華的種類繁多，還能產(chǎn)生多種類型的藻毒素。此外長孢藻對氮、磷營養(yǎng)鹽的利用效率高，對水溫和光照強(qiáng)度的適應(yīng)性強(qiáng)，在富營養(yǎng)化的湖泊和水庫中可快速繁殖生長，頻繁形成水華。

長孢藻可以產(chǎn)生多種藻毒素，特別是魚腥藻毒素-a(anatoxin-a，ATX-a)和魚腥藻毒素-a(s)[anatoxin-a(s)，ATX-a(s)]，已有多起報(bào)道證實(shí)其會對水生動(dòng)植物產(chǎn)生不利影響，是多起家畜和野生動(dòng)物中毒事件的元兇，若不慎接觸或通過飲用污染水等途徑攝入均可能導(dǎo)致中毒。隨著全球氣候變暖和水體富營養(yǎng)化的加劇，長孢藻已經(jīng)基本遍布全球，從最北部的芬蘭到南部的新西蘭，包括了北溫帶以及亞熱帶、熱帶和南溫帶區(qū)域，全球諸多地區(qū)的淡水飲用水水源地都檢測到長孢藻的存在。

長孢藻在淡水水體中的不斷擴(kuò)張，將給人類的用水安全帶來更大挑戰(zhàn)。雖然目前對長孢藻的生理特性有了一定的研究，但仍較為淺顯，而且關(guān)于長孢藻的產(chǎn)毒特性、危害及其影響因素等研究也相對匱乏。鑒于長孢藻的危害性，加強(qiáng)產(chǎn)毒長孢藻的監(jiān)測，對保障水生態(tài)安全具有十分重要的意義。本文通過對長孢藻的全球分布、長孢藻的生理生態(tài)特征、監(jiān)測等方面進(jìn)行概述，并對相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了展望，為長孢藻水華暴發(fā)機(jī)理和有效控制的研究提供理論參考。

1、長孢藻的分類

長孢藻屬是在2009年Wacklin等依據(jù)分子手段將浮游性的魚腥藻屬種類從原來的魚腥藻屬分離出來成立的一個(gè)新屬，具有氣囊，可調(diào)節(jié)細(xì)胞浮力，營浮游生活，被認(rèn)為是除微囊藻外最易發(fā)生藍(lán)藻水華的類群。Wacklin等命名長孢藻屬時(shí)，指出長孢藻屬和魚腥藻屬區(qū)別的主要形態(tài)學(xué)依據(jù)就是藻絲細(xì)胞是否含有氣囊，而藻絲長度、異形胞和厚壁孢子的形態(tài)是鑒定長孢藻屬下不同種類的主要形態(tài)學(xué)特征。長孢藻屬中的一些常見的藻種有螺旋長孢藻、水華長孢藻和卷曲長孢藻等，在富營養(yǎng)化的湖泊、水庫中往往可以形成水華(圖1)。

圖1 常見長孢藻

2、長孢藻的全球分布

長孢藻水華在全球范圍內(nèi)普有發(fā)生，歐洲、美洲、南非、亞洲、澳洲都有相關(guān)報(bào)道。20世紀(jì)初開始，美國伊利湖的富營養(yǎng)化程度日趨加重，浮游藻類的數(shù)量也不斷增加，長孢藻的生物量僅次于微囊藻；同樣在20世紀(jì)80年代，日本的琵琶湖也出現(xiàn)了長孢藻水華；在芬蘭、加拿大、澳大利亞等淡水湖中都發(fā)現(xiàn)了長孢藻的存在。國內(nèi)云南、安徽、江蘇、等地淡水湖泊中共計(jì)發(fā)現(xiàn)50多種長孢藻。長孢藻在云南滇池的初春季節(jié)、洱海的夏季、安徽巢湖的春秋兩季、江蘇太湖的初春季節(jié)成為優(yōu)勢種群并形成水華。諸多報(bào)道證明長孢藻除南極洲以外的幾大洲均有分布(表1)。

表1 長孢藻出現(xiàn)地區(qū)及產(chǎn)毒類型

早期研究者認(rèn)為產(chǎn)毒長孢藻只分布在加拿大和歐洲北緯地區(qū)，但隨著時(shí)間的推移發(fā)現(xiàn)產(chǎn)毒長孢藻也基本遍布全球，如表1所示，截至2020年，產(chǎn)毒的長孢藻還出現(xiàn)在美國、俄羅斯、澳大利亞、巴西、中國等地。研究者認(rèn)為水體富營養(yǎng)化和全球氣候變暖是造成長孢藻水華頻繁暴發(fā)的重要原因，當(dāng)然這與長孢藻本身對氮、磷營養(yǎng)鹽高效的利用率、人類的活動(dòng)以及鳥類等動(dòng)物的傳播也有關(guān)系。

3、長孢藻的生理生態(tài)分布

3.1形態(tài)特征

長孢藻呈細(xì)絲狀，多數(shù)是直的，也有呈卷曲狀，其藻絲及細(xì)胞形態(tài)具有較高的多樣性。藻絲單一，或群集成群體；自由漂浮，或黏附基質(zhì)上。整條藻絲粗細(xì)一致，或兩端稍變細(xì)，有的藻絲外面有透明、無色的水樣膠鞘。長孢藻藻絲長度一般在15～2 400 μm，主要由2種形狀不同的細(xì)胞組成，一連串形狀較小的細(xì)胞稱之為營養(yǎng)細(xì)胞，而形態(tài)較大的細(xì)胞稱為異形細(xì)胞。營養(yǎng)細(xì)胞能進(jìn)行類似于高等植物的光合作用，其原生質(zhì)體均勻或有顆粒，有的充滿許多偽空胞，而異形細(xì)胞常位于藻絲的中間和末端，呈球形、橢圓形、圓柱形，能進(jìn)行固氮作用，在水體中缺乏無機(jī)氮源時(shí)，藻絲中的一些營養(yǎng)細(xì)胞會轉(zhuǎn)化為異形胞，固定大氣中的氮?dú)猓瑸槠渖L繁殖提供了保證；厚壁孢子或僅生在異形胞的一側(cè)或兩側(cè)，或僅在遠(yuǎn)離異形胞處發(fā)生，單一或數(shù)個(gè)相接成串，常大于營養(yǎng)細(xì)胞，一般為圓球形或兩端變圓的圓柱形，每條藻絲亦呈念珠狀。Guan等發(fā)現(xiàn)長孢藻可以改變細(xì)胞的形態(tài)和群體大小來適應(yīng)環(huán)境，在巢湖的秋末冬初時(shí)期，長孢藻是以最大的細(xì)胞直徑，來獲得生存優(yōu)勢，其群體的大小和藻細(xì)胞的直徑呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。長孢藻在自然水體中常聚集形成群體，以便獲得更大的生存優(yōu)勢，室內(nèi)培養(yǎng)的長孢藻都是呈單體的狀態(tài)，無法聚集成群體。

3.2繁殖特征

長孢藻適應(yīng)性強(qiáng)，是淡水藍(lán)藻水華中除微囊藻之外的又一類常見優(yōu)勢種群，其廣泛分布在我國湖泊、河流、水庫等淡水水體。隨著全球氣候變暖，長孢藻的生長范圍逐漸擴(kuò)大，可在溫帶和亞熱帶水體中成為優(yōu)勢種。長孢藻屬喜溫生物，經(jīng)常出現(xiàn)在夏季，但因其溫度適應(yīng)性廣，故在其他季節(jié)長孢藻也可大量生長繁殖形成水華。長孢藻的異形胞可以固氮，當(dāng)?shù)床蛔銜r(shí)可固定氮來滿足自身生長的需求，同時(shí)偽空胞還可以提供自主沉浮的條件，所以長孢藻在營養(yǎng)競爭和光合同化作用中處于優(yōu)勢地位，如果此時(shí)磷源充足，長孢藻就極可能暴發(fā)水華。長孢藻水華暴發(fā)會產(chǎn)生一系列的水質(zhì)問題，如水體散發(fā)異味、藻毒素含量增高、水體溶解氧下降等，對水生生物以及人類健康構(gòu)成威脅。

3.1產(chǎn)毒和產(chǎn)嗅特征

長孢藻能夠產(chǎn)ATX-a、ATX-a(s)、微囊藻毒素(microcystin，MC)和麻痹性貝類毒素(paralytic shellfish poisons，PSPs)等多種毒素。其中，最主要的是ATX-a，20世紀(jì)60年代初，最先從水華魚腥藻NRC-44中分離出ATX-a，分子式是C10H15NO，相對分子質(zhì)量為165。ATX-a是一類具有神經(jīng)毒性的小分子二環(huán)結(jié)構(gòu)的二級胺生物堿，其作為神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿的結(jié)構(gòu)類似物，可作用于神經(jīng)細(xì)胞突觸后膜與乙酰膽堿受體結(jié)合，從而持續(xù)地傳導(dǎo)神經(jīng)沖動(dòng)，造成肌肉神經(jīng)細(xì)胞過度興奮而死亡，它不僅會引起動(dòng)物中毒死亡，還能引起植物細(xì)胞的氧化脅迫反應(yīng)。ATX-a(s)是一種神經(jīng)毒素，結(jié)構(gòu)和ATX-a不同，是環(huán)狀氮羥基鳥嘌呤的磷酸酯，分子質(zhì)量約為252；PSPs包括石房蛤毒素(saxitoxin，STX)、新石房蛤毒素(neosaxitoxin，neoSTX)、漆溝藻毒素(gonyauotoxin，GTX)，它們是一類氨基甲酸生物堿類神經(jīng)毒素，也是四氫嘌呤衍生物。其中，STX是三環(huán)嘌呤衍生物，分子質(zhì)量約為299，是毒性最強(qiáng)的藻毒素；MC是一種肝毒素，由非核糖體多肽合成酶及其相關(guān)的修剪酶組成的環(huán)七肽，現(xiàn)共計(jì)報(bào)道了100多種同系物。不同的長孢藻株產(chǎn)藻毒素類型有明顯差異，有的僅產(chǎn)生ATX-a，有的可同時(shí)產(chǎn)生多種毒素，另外不同藻株產(chǎn)毒能力也有所不同，主要是依賴長孢藻是否有相關(guān)的產(chǎn)毒基因，以及該基因能否充分表達(dá)。目前，長孢藻具體的產(chǎn)毒生物學(xué)機(jī)制尚未完全闡明，長孢藻之所以產(chǎn)生藻毒素，有以下幾種可能：

(1)抵御其他生物的捕食；

(2)誘導(dǎo)種群結(jié)構(gòu)的變化獲得生態(tài)優(yōu)勢；

(3)為化感作用提供信號傳遞的物質(zhì)。

長孢藻產(chǎn)生毒素的種類似乎和地區(qū)有一定的關(guān)系，由表1中全球長孢藻的分布和產(chǎn)毒類型可知，長孢藻的“產(chǎn)毒型”存在地理分布的特點(diǎn)，這種“產(chǎn)毒型”地理分布可能是環(huán)境適應(yīng)的結(jié)果，但這種推斷還需要大量的研究。

長孢藻能夠產(chǎn)生多種異味物質(zhì)，主要有土臭素(geosmin)、2-甲基異莰醇(2-MIB)等，土臭素和2-MIB不易被分解處理，少量的土臭素和2-MIB就可導(dǎo)致水體發(fā)臭，處理含有土臭素和2-MIB的飲用水給社會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。Wang等認(rèn)為土臭素和2-MIB的濃度與溫度、光強(qiáng)均不相關(guān)，葉綠素a的前體合成物焦磷酸香葉酯(geranyl pyrophosphate)和焦磷酸法呢酯(farnesyl pyrophosphate)也是土臭素和2-MIB的合成物，在不適合長孢藻生長的溫度和光照強(qiáng)度環(huán)境下，藻內(nèi)的葉綠素a濃度降低，土臭素和2-MIB有所升高。在營養(yǎng)鹽方面，低氮磷比促進(jìn)了長孢藻的生長和土臭素的產(chǎn)生，然而高氮磷比會促進(jìn)長孢藻的生長，抑制土臭素的產(chǎn)生。此外，土臭素和2-MIB也具有毒性，可以提高長孢藻生存的競爭力。

3.4生長和產(chǎn)毒影響因素

3.4.1 溫度

不同水體中長孢藻有較寬的溫度波動(dòng)，有著不盡相同的水華暴發(fā)溫度。長孢藻在14～23 ℃萌發(fā)復(fù)蘇率最高，室內(nèi)試驗(yàn)中長孢藻最適的生長溫度在25 ℃左右，在10 ℃下依然能保持增長，在35 ℃高溫的水中仍能保持活性，在高溫和低溫培養(yǎng)下比較，長孢藻更適合低溫環(huán)境中生長。管樂等發(fā)現(xiàn)長孢藻在低溫或者高溫的條件下細(xì)胞直徑相對較大，藻絲長度較短，這可能是長孢藻應(yīng)對極端溫度自我保護(hù)的方式。長孢藻較強(qiáng)的溫度適應(yīng)性，是其在各個(gè)季節(jié)生存繁殖的基礎(chǔ)，也是廣泛分布于溫帶和亞熱帶地區(qū)的保障。此外溫度對長孢藻產(chǎn)生ATX-a也存在影響，在20世紀(jì)末期Rapala等做了長孢藻產(chǎn)ATX-a的試驗(yàn)，產(chǎn)毒長孢藻在略低于最適生長溫度下更有利于ATX-a的合成，同時(shí)它們比不產(chǎn)毒長孢藻更能耐受高溫。

3.4.2 光照強(qiáng)度

長孢藻不但在黑暗環(huán)境下不能萌發(fā)，而且在低光強(qiáng)情況下還會抑制其生長，但其可以通過偽空胞調(diào)節(jié)在水中垂直方向的位置，以獲得適合自己生長繁殖的光照強(qiáng)度，提升生存競爭力成為優(yōu)勢種群。同樣長孢藻由于種類的不同，最適光照強(qiáng)度也不同，Zapomělov等研究8種長孢藻的最適生長光照強(qiáng)度，結(jié)果顯示長孢藻最適光照強(qiáng)度在990～4 400 lx。另有研究發(fā)現(xiàn)長孢藻在不同的光照強(qiáng)度下藻絲長度和細(xì)胞比重不同，在100 lx下長孢藻細(xì)胞的生物量增長緩慢，但有利于藻絲長度的增長；在3 000 lx和5 000 lx情況下抑制了長孢藻生物量和藻絲的增長速度。此外，產(chǎn)毒長孢藻比不產(chǎn)毒長孢藻需要更高的光照強(qiáng)度才能達(dá)到生長飽和；在弱光的條件下，產(chǎn)毒長孢藻的生長速率又高于不產(chǎn)毒長孢藻；Rapala等發(fā)現(xiàn)長孢藻最適產(chǎn)毒光強(qiáng)略低于最適生長光強(qiáng)。

3.4.3 營養(yǎng)鹽

長孢藻對氮磷營養(yǎng)鹽的利用率較高，有多種獲氮策略和儲磷能力。長孢藻可以吸收不同的氮源，依次可吸收以及空氣中的氮?dú)?，但濃度過高時(shí)又會抑制長孢藻的生長。長孢藻在水體缺氮18～24 h的情況下，形成成熟的異形胞釋放固氮酶，將空氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為完成藻細(xì)胞的固氮工作，減少氮源的限制，因此，長孢藻能在缺氮的情況下可繼續(xù)生長。在湖泊缺少氮源的條件下，長孢藻較非固氮藻類而言更容易成為優(yōu)勢種群，形成水華。Rapala等在長孢藻產(chǎn)ATX-a的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，濃度較低時(shí)，由于長孢藻有固氮能力，沒有影響毒素的產(chǎn)生，但在高濃度的條件下卻導(dǎo)致毒素產(chǎn)量下降。在水體中缺少氮源的情況下，長孢藻還可以產(chǎn)生藻毒素來獲得更大的生存優(yōu)勢。

長孢藻在磷濃度較高時(shí)，將磷以多聚磷酸鹽的形勢儲存在細(xì)胞內(nèi)，在藻細(xì)胞含磷最高期，將長孢藻放置無磷的培養(yǎng)基中仍可生長12～13 d，但其在缺磷的環(huán)境中只能使用自己儲備的磷元素，無法從外界獲得磷元素。研究發(fā)現(xiàn)長孢藻生長受磷源的限制，在巢湖微囊藻和長孢藻相互演替過程中，當(dāng)磷濃度較低情況下長孢藻無法正常生長，從而促進(jìn)微囊藻生長繼而成為優(yōu)勢種群。但Rapala等在不同磷濃度的條件下培養(yǎng)產(chǎn)毒長孢藻，發(fā)現(xiàn)磷濃度的高低并沒有影響長孢藻的產(chǎn)毒能力。長孢藻的儲磷能力可以緩解磷源危機(jī)，當(dāng)磷源再次回到合適的水平時(shí)，長孢藻可快速生長繁殖。

近年來，氮、磷營養(yǎng)鹽對長孢藻生長影響的研究表明，氮、磷對長孢藻生長不但是同時(shí)影響的，而且它們的代謝是相互依賴的，比如磷可通過異形胞形成過程中的能量供應(yīng)，以影響長孢藻的固氮速率，而氮的有效性可以通過合成磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和胞外磷酸酶，以幫助長孢藻克服磷限制，這種代謝關(guān)系可以充分利用營養(yǎng)鹽，極大提高了對氮、磷的利用率。但目前氮、磷濃度對長孢藻產(chǎn)毒影響機(jī)理的研究仍十分不足，還需進(jìn)一步的探究。

3.4.4 鹽度

長孢藻適合在低鹽度的水體中生長，特別是適合在淡水中生長，但在一些海灣中也發(fā)現(xiàn)了長孢藻。水體鹽濃度較高會被抑制長孢藻的生長，隨著鹽度的增加藻內(nèi)光合色素的含量減少，高鹽度會導(dǎo)致藻細(xì)胞缺磷直至死亡。Engstroem-Oest等在波羅的海發(fā)現(xiàn)低鹽度的海灣長孢藻的生物量和產(chǎn)毒量都比高鹽度的海灣高。

3.4.5 pH

長孢藻適合生長在偏堿性(pH值為7～9)的水體中，陳家長等把長孢藻分別培養(yǎng)在pH值為6、7、8、9的培養(yǎng)液中，發(fā)現(xiàn)長孢藻的生物量與pH成正比，在弱堿性條件下長孢藻固氮速率更快，細(xì)胞光合效率更高。將長孢藻置于pH值為5.5、6.0、6.5的培養(yǎng)液中培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)藻細(xì)胞的沉降速率明顯加快，酸性環(huán)境會抑制長孢藻的生長。

表2為長孢藻在不同環(huán)境中生長和產(chǎn)毒產(chǎn)嗅的情況。

表2 長孢藻在不同環(huán)境中生長和產(chǎn)毒產(chǎn)嗅的情況

4、長孢藻的監(jiān)測

鑒于長孢藻的高頻發(fā)生和危害性，加強(qiáng)對湖泊、水庫中長孢藻及藻毒素的監(jiān)測工作已迫在眉睫。藻類監(jiān)測最直接的方法是通過顯微鏡觀察是否有長孢藻，但無法判斷該藻是否產(chǎn)毒，最原始的鑒定方式是通過動(dòng)物生物模型來區(qū)分，但這種方法速度慢、準(zhǔn)確度低，且存在倫理問題。目前，藻類的監(jiān)測方法有顯微鏡觀察法、生物化學(xué)法、化學(xué)分析法和分子生物學(xué)法(表3)。

表3 監(jiān)測方法的特點(diǎn)

4.1顯微鏡觀察法

顯微鏡觀察藻類是科研工作者常用的方法，在10×40倍不僅可以觀察藻細(xì)胞的形態(tài)來鑒定藻種，還可以對藻細(xì)胞計(jì)數(shù)，計(jì)算藍(lán)藻的豐度。使用細(xì)胞計(jì)數(shù)法計(jì)數(shù)藻細(xì)胞豐度，將藻液搖勻，取0.1 mL的藻液置于計(jì)數(shù)框內(nèi)，蓋住蓋玻片，觀測10個(gè)及以上視野，計(jì)算藻細(xì)胞的平均值；也可采用血球計(jì)數(shù)板法，將藻液滴入血球計(jì)數(shù)板的凹槽內(nèi)，待藻液浸入計(jì)數(shù)區(qū)，方可進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)完成后再用血球計(jì)數(shù)板的計(jì)算公式計(jì)算藻細(xì)胞的數(shù)量。長孢藻是由若干個(gè)球形細(xì)胞組成的絲狀藻體，對長孢藻等絲狀藻體的計(jì)數(shù)，一般可通過準(zhǔn)確地識別細(xì)胞間隔來確定視野中的藻體的數(shù)量，這對計(jì)數(shù)人員的要求較高，難度較大；另一種方法可通過藻體的長度計(jì)數(shù)，一般常用20 μm計(jì)為一個(gè)藻體，但長孢藻大多呈卷曲狀，通過藻體長度確定數(shù)量，操作難度也較高。受人力的限制，此方法不適用于日常大面積水域的長孢藻監(jiān)測工作。

4.2物化學(xué)法

顯微鏡觀察法只能判斷水體中是否存在長孢藻，但無法檢測潛在產(chǎn)毒藻的水體中是否有藻毒素，生物化學(xué)法即可快速地檢測出水體中是否有某種藻毒素，目前主要有酶聯(lián)分子法(ELISA)、蛋白磷酸酶抑制分析法(PPIA)，其中，ELISA是將待測的藻毒素作為抗原，制作特異性的抗體對該藻毒素進(jìn)行檢測，現(xiàn)已有商用的ELISA試劑盒，一種試劑盒只能檢測特定的藻毒素，監(jiān)測人員可在現(xiàn)場用ELISA試劑盒檢測相應(yīng)的藻毒素的濃度。PPIA是通過藻毒素對蛋白磷酸酶的抑制程度來測定藻毒素的含量，此法對藻毒素濃度的測定需要結(jié)合比色法、熒光法和同位素法，耗時(shí)短，操作簡單，但特異性蛋白磷酸酶需要自制。生物化學(xué)方法操作簡單，無需對水樣進(jìn)行特殊處理，分析速度快，靈敏度較高，可以對水體是否含有某種藻毒素進(jìn)行初步篩選，但不能準(zhǔn)確鑒定水體藻毒素的種類，因而，沒有廣泛應(yīng)用于藻毒素的監(jiān)測。

4.3化學(xué)分析法

隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，可以準(zhǔn)確檢測出水體中藻毒素的種類和結(jié)構(gòu)，化學(xué)分析法就成為了主要的檢測手段，目前，檢測藻毒素的化學(xué)分析法主要有液相色譜/質(zhì)譜分析法(LC/MS)和高效液相色譜法(HPLC)，其中，HPLC常和其他檢測方法結(jié)合使用。王素欽等使用高效液相色譜-二極管陣列檢測法(HPLC-PDA)和超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法(UPLC-MS/MS)對ATX-a的檢測結(jié)果顯示，UPLC-MS/MS更加靈敏、高效，但HPLC-PDA操作簡單、檢測費(fèi)用低，更加適合實(shí)際工作中對湖泊、水庫中長孢藻產(chǎn)生的毒素的監(jiān)測。色譜分析法雖然可以分析出毒素的結(jié)構(gòu)，分離和制備毒素，但檢測時(shí)需要標(biāo)準(zhǔn)毒素樣品，設(shè)備要求高，前處理操作比較耗時(shí)。

4.4分子生物學(xué)法

自然水體中產(chǎn)毒藻和非產(chǎn)毒藻是同時(shí)存在的，以上方法都無法鑒別出水體中產(chǎn)毒藻株的豐度情況，隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，利用分子生物學(xué)方法監(jiān)測水體藍(lán)藻、產(chǎn)毒藻的種類和豐度成為可能，主要有聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(polymerase chain reaction，PCR)、實(shí)時(shí)熒光定量PCR(quantitative real-time PCR，qPCR)和基因芯片技術(shù)。PCR技術(shù)可以對長孢藻的某種特異性的基因進(jìn)行檢測，是一種簡單快速的分子監(jiān)測技術(shù)，但此方法對特異性基因只能定性地分析，會出現(xiàn)假陰性和假陽性的結(jié)果，隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，qPCR逐漸運(yùn)用到野外水體產(chǎn)毒藻的檢測中。qPCR是通過熒光信號進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，具有靈敏度高、特異性強(qiáng)的特點(diǎn)，可對特異性基因進(jìn)行定性定量的分析。該技術(shù)可根據(jù)長孢藻產(chǎn)ATX-a的特異性基因anaC、anaC-gen和anaC-anab等進(jìn)行qPCR實(shí)時(shí)監(jiān)測產(chǎn)毒株的豐度變化，也可通過對長孢藻產(chǎn)土臭素的特異性基因進(jìn)行qPCR實(shí)時(shí)監(jiān)測產(chǎn)土臭素長孢藻的豐度。PCR技術(shù)不能同時(shí)監(jiān)測水體中多個(gè)可能存在的基因片段，但基因芯片技術(shù)是將若干個(gè)待測的基因片段進(jìn)行標(biāo)記后作為靶分子，與基因芯片上的探針列陣雜交，可固定大量的探測分子，同時(shí)監(jiān)測多種藻類基因。分子生物法的特異性、敏感性、高通量的特點(diǎn)，可以作為監(jiān)測藍(lán)藻水華和藻毒素重要手段。隨著5G技術(shù)的發(fā)展，人工智能和分子生物監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合，是長孢藻監(jiān)測發(fā)展的新方向。

5、總結(jié)與展望

長孢藻在全球淡水水體中分布范圍不斷擴(kuò)大，廣泛分布于溫帶和亞熱帶地區(qū)的湖泊、河流和水庫中。長孢藻對溫度和光照的適應(yīng)范圍廣，并有固氮作用，對磷有較強(qiáng)的吸收和很強(qiáng)的存儲能力，加之藻細(xì)胞具有調(diào)節(jié)形態(tài)的能力，使其在諸多淡水系統(tǒng)中成為有力的競爭者繼而成為優(yōu)勢種群，且在條件適宜的情況下形成水華。在全球變暖的背景下，長孢藻良好的環(huán)境適應(yīng)性更有利于其繁殖生長。

長孢藻能產(chǎn)生多種對水環(huán)境和人類健康有害的藻毒素，特別是神經(jīng)毒素ATX-a，除室內(nèi)試驗(yàn)探究環(huán)境因子對長孢藻產(chǎn)毒能力的影響外，還需要調(diào)查自然水體中長孢藻的產(chǎn)毒分布情況和毒素的代謝機(jī)理，以進(jìn)一步探究其毒性機(jī)制。鑒于長孢藻的危害性，有必要對淡水水體特別是飲用水源地進(jìn)行定性定量的跟蹤監(jiān)測，傳統(tǒng)的顯微鏡觀察必不可少，生物化學(xué)法操作簡單，色譜技術(shù)有利于更清楚地認(rèn)識和了解藻毒素的結(jié)構(gòu)，而qPCR技術(shù)和基因芯片技術(shù)給湖泊監(jiān)測提供了高通量的方法，在長孢藻及其毒素的監(jiān)測方向有廣闊的前景。

鑒于現(xiàn)有的研究狀況，可繼續(xù)開展以下研究。

(1)在全世界范圍內(nèi)都分布有長孢藻，且隨著全球溫度升高，還會在更多的水域出現(xiàn)長孢藻，所以有必要對不同地區(qū)或水域的長孢藻進(jìn)行長期跟蹤監(jiān)測，特別是新出現(xiàn)長孢藻的水域，要對其進(jìn)行基因水平的分析，推斷長孢藻的親緣性，確定其來源，從而為研究長孢藻的擴(kuò)張?zhí)峁┲匾膮⒖紨?shù)據(jù)。

(2)長孢藻的藻絲形態(tài)差異很大，環(huán)境因子和營養(yǎng)鹽的差異不僅對長孢藻的形態(tài)有影響，而且對其產(chǎn)毒也有很大的影響。長孢藻作為重要的優(yōu)勢種群，需進(jìn)一步地研究關(guān)鍵因子變化對其生長和產(chǎn)毒的影響。

(3)在長孢藻產(chǎn)毒的機(jī)制方面，還需要進(jìn)一步地探究ATX-a的產(chǎn)生和相關(guān)基因的表達(dá)以及產(chǎn)毒途徑。

(4)自然水體中監(jiān)測ATX-a時(shí)需要實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，因此，研究開發(fā)精準(zhǔn)簡便的監(jiān)測長孢藻及其毒素的方法具有重要意義。目前，我國對長孢藻的發(fā)生、產(chǎn)毒等研究還比較薄弱，加強(qiáng)對長孢藻的研究和監(jiān)測將對防控湖泊藍(lán)藻水華災(zāi)害、保障水質(zhì)安全提供重要的科學(xué)依據(jù)。

推薦參考

本文原標(biāo)題為《長孢藻的生理生態(tài)特征及監(jiān)測研究進(jìn)展》，發(fā)表在《凈水技術(shù)》2022年第1期“凈水技術(shù)前沿與熱點(diǎn)綜述”欄目，歡迎水業(yè)學(xué)者、科研與技術(shù)人員參考引用，文獻(xiàn)引用格式如下：

徐杜敏, 余麗, 張民, 等. 長孢藻的生理生態(tài)特征及監(jiān)測研究進(jìn)展[J]. 凈水技術(shù), 2022,41(1):4-13.

XU D M, YU L, ZHANG M, et al. Research progress of ecophysiologicalcharacteristics and monitoring for Dolichospermum[J].Water Purification Technology, 2022, 41(1):4-13.