微囊藻产毒种群生长和毒素合成的生态生理学研究

【摘要】：随着工业化和城市化进程的加快,人类活动造成天然水体中氮、磷营养盐负荷激增,导致全球水体富营养化不断加剧,蓝藻水华频繁爆发。蓝藻毒素的产生和释放是蓝藻水华污染造成的最主要危害之一。其中,微囊藻毒素(Microcystins,MCs)是所有蓝藻毒素中检出率最高、分布最普遍、危害最严重的一类环状七肽肝毒素,严重威胁水生态系统健康及水环境功能发挥。本研究以太湖和洋河水库为研究对象,采集了 2015年水华暴发期间两个研究区域内的水体及浮游植物样品,利用高效液相色谱测定了 MCs(MC-LR、MC-RR、MC-YR)浓度,并采用基于cpcBA和mcyB基因的荧光定量PCR技术检测微囊藻与产毒微囊藻种群。分析了富营养化湖库中MCs浓度以及微囊藻毒素合成基因与环境因子之间的相关关系,甄别优势产毒物种和关键环境因子。在此基础上,通过室内培养实验,分析了不同形态及浓度的氮源或磷源供给条件下铜绿微囊藻细胞生长状况、光合活性和MCs浓度等一系列生理指标变化,及关键调控基因转录情况,系统研究了氮、磷对铜绿微囊藻生长和MCs合成的生理调节机制。研究取得的主要结果如下:(1)太湖和洋河水库产毒微囊藻在总微囊藻种群中所占比例分别为8.94%～75.68%和 7.87%～58.69%;总 MCs 浓度分别为 0.78～14.69 μg/L 和 0.24～10.05μg/L,MC-RR是两个研究区域内MCs的主要异构体形式。产毒微囊藻丰度及其比例,以及总MCs浓度在太湖与氨态氮浓度显著正相关,而在洋河水库则与磷营养盐浓度显著正相关。同时,太湖与洋河水库MC-LR当量浓度(将MC-RR和MC-YR转化为MC-LR后的总MCs浓度)均与叶绿素a浓度线性正相关,两个研究区域内叶绿素a浓度的安全阈值分别为25.38和31.06 μg/L。(2)硝酸盐氮浓度的升高显著促进铜绿微囊藻的生长,而高浓度的氨态氮(7和15mg-N/L)以及尿素(15mg-N/L)则抑制藻细胞的生长。氨态氮比硝酸盐氮和尿素更有利于MCs的合成,当细胞生长于高浓度(7和15 mg-N/L)氨态氮环境中时,细胞内合成MCs的前体氨基酸含量,特别是亮氨酸含量显著高于其他处理组,促进了 MC-LR的合成。尿素浓度的升高对铜绿微囊藻细胞生长有促进作用,但并不影响细胞内毒素的合成过程。同时,氮源并不直接影响细胞内MCs的释放,而是通过调节细胞密度来间接影响这一过程。(3)无机磷(磷酸氢二钾)浓度的升高显著促进铜绿微囊藻的生长;而高浓度的有机磷(β-甘油磷酸钠)不利于铜绿微囊藻的生长;以有机磷为唯一磷源时,细胞内碱性磷酸酶活性显著升高,促进其水解以应对磷饥饿胁迫。当外源磷浓度不足时,铜绿微囊藻会上调磷吸收相关基因和碱性磷酸酶编码基因的表达,通过提高磷吸收速率和水解利用有机磷两种途径适应低磷环境。无论提供何种磷源,不同浓度处理组间IMCs浓度及mcyA和mcyD基因表达量均无显著差异,磷浓度的变化不会影响MCs的合成;但无机磷通过调节细胞密度来影响MCs的释放。研究成果从表观上阐明了氮、磷对铜绿微囊藻生长的影响规律,并从生态生理学层面揭示了氮、磷对MCs产生与释放的调控机制。