湖泊微囊藻毒素主要异构体的产生和释放机制研究

The occurrence of toxic cyanobacterial blooms has been identified as an increasingly serious problem worldwide. The significant differences among the toxicity of MC analogues might have important ecological implications. Understanding the main environmental factors associated with cyanobacterial bloom formation and toxin production are critical to effective lake management and minimization of health risks associated with the MCs. In the present study, a systematic investigation will be performed to survey toxic Microcystis genotypes, MC analogues and environmental factors of Lake Taihu. Through the field investigation, situ and field experiments, establish the quantitative relation of MC-RR, MC-LR and MC-YR with environmental factors and identify the main factors. Through control experiments in the lab to elucidate the characteristics and differences of MC-LR, MC-RR and MC-YR responses to environmental factors during the grow and decay period of Microcystis bloom and to explore the evolution mechanism. This study will reveal the production and release mechanism of MC analogues in the lake ecosystem and provide the basic data and academic support for the MCs removal technique.

蓝藻水华暴发所产生的微囊藻毒素（MCs）对环境的危害是全球关注的重大科学问题之一。MCs异构体之间毒性的差别对于水生生物的发育和发展具有重要意义，了解环境因子如何影响MCs异构体的变化对于有效管理和保护湖泊生态系统，降低与MCs相关的健康风险至关重要。本项目拟通过对不同产毒藻类在不同生境下的三种异构体MC-LR、MC-RR和MC-YR的动态变化的同步监测和资料收集，识别影响产毒微囊藻基因型组成和异构体动态变化的主控环境因子。通过室内模拟实验，建立产毒微囊藻细胞、异构体和环境因子的定量关系，阐明产毒微囊藻的个体及群体进化和衰亡过程中MC-LR、MC-RR和MC-YR与之响应的特点与差异并探索其演化机理，揭示重要环境情景下微囊藻毒素三种异构体的产生和释放规律，为治理富营养化湖泊水体中MCs污染提供科学依据。

微囊藻毒素（microcystins，MCs）异构体的组成和浓度决定了自然水体中MCs的最终毒性，因此其分布特征和影响机制也成为了本领域的研究热点。本研究调查分析了太湖水体中三种主要 MCs 异构体（MC-LR、MC-R和MC-YR）、产毒基因mcyA的基因丰度和占比，沉积物中 MCs、产毒基因mcyA的基因丰度和占比的时空分布特征，并评估了它们与环境因子之间的关系。室内实验采用批次培养、单因素控制的方法分别开展了温度、光照、营养盐三个环境因子对两种太湖优势藻种铜绿微囊藻菌株生长及产毒的影响，阐明了铜绿微囊藻应对特定环境下MCs异构体合成和释放的基本规律。主要的研究结果如下:.（1）调查期间，太湖IMCs平均浓度为31.92 μg·L-1，细胞内MC-LR、MC-RR 和MC-YR所占比例平均值分别为 35%、18%和47%，MC-YR为太湖的主要IMCs异构体。太湖蓝藻水华高发期时，水体与沉积物中产毒微囊藻与无毒微囊藻共存，其分布具有空间异质性。大部分湖区以无毒微囊藻占优势，西部和北部湖区部分点位以有毒亚种群占主导地位。.（2）温度梯度：不同铜绿微囊藻菌株不同生长阶段细胞密度、产毒和释毒对相同温度的响应具有差异。不同温度下，藻细胞可能通过mcyB和mcyH的上下调控制MCs的合成和释放以响应环境变化。同时，温度变化能够改变MCs异构体合成和释放的组成。.（3）营养盐实验：氮胁迫导致的低酯酶活性细胞数量增加和细胞膜受损影响了铜绿微囊藻的生长。低氮作为刺激性应激因子促进了MCs的产生和释放；铜绿微囊藻FACHB 1203菌株则在氮限制-恢复中mcyB表达量均显著高于持续处于富营养环境的藻细胞产毒基因的表达量。氮浓度的突变能够调控细胞产毒基因的表达。.（4）光照梯度实验：光强变化显著影响mcyB和mcyH的表达（p<0.001）。铜绿微囊藻通过改变异构体的组成来响应光照变化。过低或过高光强均增加MC-LR的合成占比，在胁迫环境下铜绿微囊藻合成的MCs向毒性更强的异构体转变。