基于离子通道传感器技术的沿海大气藻毒素特征及影响因素研究

Toxic marine toxins could be aerosolized from the sea and then transported with onshore flow of marine air to the coastal atmosphere, which may cause adverse health effects to human beings through inhalation. Meanwhile, these onshore fluxes of aerosolized marine toxins may have served as wind-borne organic carriers of other toxic marine chemicals, which could further influence the coastal atmosphere. Until now, the global fundamental research about marine toxins mainly focuses on the detection and identification of toxins in seawater and marine fish and shellfish. Due to limited sampling and detection methods, important knowledge gaps remain concerning the main types, size distributions, concentrations and biological activity of the airborne marine toxins in different seasons, as well as the environmental factors which can influence these marine toxins. Here, we developed a real-time monitoring system for airborne marine toxins using the voltage-gated ion channels (VGICs) sensor platform. Using this detection platform, we can reveal the main types, size distributions, concentrations and biological activity of the airborne marine toxins in different seasons, investigate the effects of the chemical components of the coastal aerosols on the biological activity of the airborne marine toxins, as well as the effects of marine environment on the components of airborne particles in coastal atmosphere. Our research results will provide better understanding of the composition and toxicity of airborne particles in coastal atmosphere, reveal the impact of the marine environment (especially the harmful algal blooms) on the coastal atmosphere from a new angle, and provide a more comprehensive theoretical basis and more reliable detection method for atmospheric environment standards development and public health protection in coastal areas.

海洋藻毒素雾化后可随风进入沿海大气，通过呼吸暴露对人体产生负面健康效应。而且，藻毒素在雾化和传输过程中还可携带其他有毒物质进入沿海大气，影响沿海大气环境。以往相关研究主要集中海水和鱼贝体内藻毒素的检测，并未系统性开展不同季节沿海大气藻毒素的暴露水平研究，如关键藻毒素清单、浓度、粒径分布、毒性以及影响这些特征的环境因素，这主要是由于目前有限的采样和检测手段限制了这些研究的开展。本项目通过自主设计的电压门控离子通道生物传感器检测平台，可在线原位检测沿海大气藻毒素，揭示不同季节沿海大气藻毒素的种类、浓度和毒性等信息，研究大气颗粒物中化学组分对藻毒素毒性的作用机制，并探索海洋环境对我国沿海大气颗粒物组成的影响。研究成果将更全面地揭示沿海大气颗粒物的组成和毒性，并从新的角度揭示海洋环境尤其有害藻华对沿海大气环境的影响，为我国沿海大气相关规定的制定、公共卫生防护等提供更全面的理论依据和可靠的检测方法。

本研究利用搭建的电压门控离子通道生物传感器检测平台，系统研究了我国沿海大气颗粒物上携带的藻毒素种类、浓度、粒径分布和健康风险等信息，为藻毒素气溶胶的监测、防护提供了新的技术手段与理论基础。研究结果显示，大气中短裸甲藻毒素BTX和大田软海绵毒素OA的浓度最低，分为在0.15-1.29 pg/m3, 和0.48-4.03pg/m3，而其他六种藻毒素的浓度水平较高，如ω-芋螺毒素的浓度可达205.24ng/m3。藻毒素OA、DA、TTX、STX、PTX-2、ω-Conotoxin春夏季节的浓度显著高于秋冬季，而其他两种毒素BTX和Ciguatoxin分布在夏季和冬季浓度最高。白天和晚上藻毒素的粒径分布和峰值也较为相似，其中DA, TTX, PTX-2, 和ω-Conotoxin 的粒径分布均符合正态分布，峰值在2.1-4.7 μm。BTX 具有双峰，分别在2.1-3.3 μm，和4.7-7.0 μm两个粒径段，而对OA 和CTX 来说，粒径越大，浓度越高。我们利用颗粒肺沉积模型发现大气中的海洋生物毒素大部分沉积在头部气道, 少部分沉积在肺泡，而沉积在气管支气管区域中的毒素最少，且ω-Conotoxin在人体呼吸系统内总沉积量较大。通过对比不同年度和不同季节数据，本研究发现夏季海洋发生有害藻华现象，对沿海大气中的藻毒素有较为明显的贡献，大气颗粒物上的藻毒素浓度明显高于其他时期。大气藻毒素颗粒物上的主要化学组分（如硫酸根离子）和金属元素（如锌等）对大气颗粒物上的藻毒素浓度、粒径和活性影响不大，但环境因素如温度、湿度、SO2、CO、O3等对藻毒素影响较大，如大气温度和BTX、OA、TTX、PTX-2和ω-Conotoxin浓度成正显著相关。本研究设计与搭建的体系有望成为一种新的快速沿海大气藻毒素颗粒物检测方法。该项目成果未来在公共卫生监测、沿海区域大气环境标准的制定等领域有望发挥重要指导作用。项目总体上很好地完成计划研究内容，在《科学通报》等期刊上发表论文2篇，申请发明专利3项，培养学生5名，出版论著1本，参加10多次国际国内学术会议，举办1次国内会议，并在本项目的支持下获得2项山东省重点研发计划资助，同时项目负责人被授予中国环境科学学会室内环境与健康分会青委会副主任委员等学术荣誉。