水環(huán)境中藍藻毒素研究進展

金明蘭

(吉林建筑工程學(xué)院水污染控制與資源化利用重點實驗室，長春 130118)

0 引言

水是人類賴以生存和工業(yè)生產(chǎn)不可缺少的有限資源．隨著社會的發(fā)展、工業(yè)化進程的加速和生活水平的提高，人們對水的質(zhì)量有了更高的要求．然而，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，含有大量的氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)的污水進入水源，造成嚴重的水體的富營養(yǎng)化，其發(fā)生的頻率與危害程度呈現(xiàn)迅猛的增長趨勢，并遍布世界各地，已成為全球性的環(huán)境問題，越來越引起各界學(xué)者的關(guān)注［1－2］．近年來，水體富營養(yǎng)狀態(tài)日益嚴重．在藻體大量死亡分解的過程中，不但散發(fā)惡臭，景觀遭受破壞，同時，其釋放藻毒素嚴重地威脅人類的健康和生命．因此，世界衛(wèi)生組織出臺《飲用水水質(zhì)標準》(198901)，我國頒布的《生活飲用水水質(zhì)衛(wèi)生規(guī)范》(GB5749－2006)、《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838－20020601)和《城市供水水質(zhì)標準》(CJ/T206－2005－20060601)，均規(guī)定飲用水水源地和城市供水中藍藻毒素的最高限值為1．0 μg/L．但是，國內(nèi)一些飲用水源中的微囊藻毒素含量已遠遠超過了該限值．各界學(xué)者們加大藻類代謝合成毒素的分析檢測，以及其在環(huán)境中的歸宿等方面的研究．本文重點論述藍藻毒素起源、性質(zhì)、危害、防治措施和分析檢測技術(shù)等方面的研究進展．

1 藍藻起源

藍藻是地球上最古老的植物類群之一，是原核生物，又名藍綠藻、藍細菌．大多數(shù)藍藻的細胞壁外面有膠質(zhì)衣，在所有藻類生物中，藍藻是最簡單、最原始的一種．藍藻是單細胞生物，沒有細胞核，但細胞中央含有核物質(zhì)，通常呈顆粒狀或網(wǎng)狀，染色質(zhì)和色素均勻的分布在細胞質(zhì)中．該核物質(zhì)沒有核膜和核仁，但具有核的功能．在藍藻中有一種環(huán)狀DNA—質(zhì)粒擔(dān)當載體的作用，廣泛應(yīng)用于基因工程中．在地球上，藍藻大約出現(xiàn)在距今35～33億年前，已知藍藻約2 000種，中國已有記錄的約900種，分布十分廣泛，遍及世界各地．有些藍藻可生活在60℃ ～85℃的溫泉中;有些種類和菌、苔蘚、蕨類和裸子植物共生;有些還可穿入鈣質(zhì)巖石或介殼中或土壤深層中．藍藻的繁殖方式有兩種，一種為營養(yǎng)繁殖，包括細胞直接分裂、群體破裂和絲狀體產(chǎn)生藻殖段等幾種方法;另一種為某些藍藻可產(chǎn)生內(nèi)生孢子或外生孢子等，以進行無性生殖，孢子無鞭毛．目前尚未發(fā)現(xiàn)藍藻有真正的有性生殖．

2 藍藻性質(zhì)

藻毒素主要有環(huán)肽、生物堿和脂多糖等3種化學(xué)結(jié)構(gòu)．環(huán)肽毒素包括七肽的微囊藻毒素(MC)和五肽的球藻毒素;生物堿有神經(jīng)毒性類毒素和石房蛤毒素．藻毒素污染產(chǎn)生呈明顯的季節(jié)性，主要與水溫、酸堿度有關(guān)［3］．當水溫上升到28℃以上時，藍藻易形成優(yōu)勢種群而大量爆發(fā);當水溫低于17℃以下時，藍藻則不會大量發(fā)生;當pH在8～9．5范圍內(nèi)時，也會促進藍藻的發(fā)生．有學(xué)者研究表明，每年7～9月份藍藻大量繁殖，達到總藻量的80%以上，藍藻中占優(yōu)勢的銅綠微囊藻在水華中占90%以上［4］．藻毒素在水中是中性或帶負電荷的分子集團，極性較強，有較好的親水性，其分子質(zhì)量接近活性炭吸附的分子質(zhì)量范圍，在水中的溶解性＞1g/L［5－6］．藻毒素自然降解過程十分緩慢，當含量為5 μg/L時，3 d后僅10%被水體中微粒吸收，7%隨沙沉淀［7］．從MCs的分子結(jié)構(gòu)可看出，由于環(huán)狀結(jié)構(gòu)和間隔雙鍵，此類毒素具有穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)，屬于難降解的生物毒素，一般蛋白水解酶無法分解，能夠耐受很寬泛的酸堿環(huán)境與溫度條件，在自然條件下能夠長時間存在而不被光解或生物降解，在極端溫度300℃高溫下還能維持很長時間不分解，但可被活性碳吸收，所以可以用活性碳凈水器對被污染水源進行凈化．最常見的3種變體即MC－LR，MC－RR和MC－YR，其中L，R，Y分別代表亮氨酸、精氨酸、酪氨酸．其中，MC－LR的生理毒性最為顯著，是目前研究最多的一種MCs．MC－LR分子量為1 000，在水中的溶解度為1 000 mg/L～2 000 mg/L．目前，各國飲水中的藻毒素含量標準一般都為微囊藻毒素MC LR含量．人類與含有藍藻水體接觸的建議閾值以15 000cells/mL為宜．世界衛(wèi)生組織(WHO)推薦的飲水中藻毒素標準為MC－LR低于1．0μg/L［8］．德國健康組織規(guī)定飲水中可接受的藻毒素標準為0．5 μg/L［9］．由于受測定方法的限制，即時監(jiān)測水體中MC沒有得到普及．在實際工作中，根據(jù)水體藻細胞數(shù)作為MC危害的監(jiān)測報警指標是一種可行的辦法．當MC在500 cells/mL～2 000 cells/mL為警告量，水體需要加強監(jiān)測;當MC 2 000 cells/mL～15 000 cells/mL的水樣需要毒性測定，警告水質(zhì)污染;如果超過15 000 cells/mL的水源，如不進行有效處理將會影響人類的健康和生命的安全，必須更換水源［10］．

3 藍藻危害及作用

藍藻毒素具有致染色體斷裂、基因誘變及較高的急性毒性．藍藻老化死亡時會產(chǎn)生大型藍藻，造成養(yǎng)殖對象大批死亡，并且死亡的藻類不斷沉到水底，加快了底部溶解氧的消耗，使表面以下的水體處于厭氧狀態(tài)，會造成魚類長期不攝食或泛池等情況的發(fā)生．在一些營養(yǎng)豐富的水體中，藍藻大量繁殖，在水面形成一層藍綠色藍藻水華，腥臭，嚴重地污染環(huán)境．如果人們攝入含有藍藻的水、魚或其他水產(chǎn)品，就可能會產(chǎn)生頭痛、發(fā)燒、腹瀉、腹痛、反胃或嘔吐癥狀，也是肝癌的重要誘因．在受污染的水中游泳，也有可能會產(chǎn)生皮膚發(fā)癢或眼睛、皮膚受到刺激，口眼分泌物增多等癥狀，甚至死亡．家畜及野生動物飲用了含藻毒素的水后，會出現(xiàn)腹瀉、乏力、厭食、嘔吐、嗜睡，病理病變有肝臟腫大、充血或壞死，腸炎出血、肺水腫等．其中，MC－LR的半致死劑量(LD50)約為50 ug/kg～100 ug/kg．人們在洗澡、游泳及其他水上休閑和運動時，皮膚接觸含藻毒素水體可引起皮膚過敏;少量喝入可引起急性腸胃炎;長期飲用則可能引發(fā)肝癌．醫(yī)學(xué)部門已發(fā)現(xiàn)飲水中微量微囊藻毒素與人群中原發(fā)性肝癌的發(fā)病率有很大相關(guān)性．世界各地發(fā)生藍藻毒素中毒事件，已成為全球性的環(huán)境問題． 1996 年在巴西造成100 多名急性肝功能故障，7 個月內(nèi)至少50 人死于藻毒素產(chǎn)生的急性效應(yīng)，引起舉世矚目的關(guān)注．近年來，我國個別地區(qū)也爆發(fā)過．2007年5月，無錫太湖區(qū)域藍藻大面積爆發(fā)，引發(fā)自來水嚴重污染，市區(qū)純凈水被哄搶，對人民的生活產(chǎn)生很大的影響;2010年11月，云南昆明滇池藍藻大量繁殖，湖水如綠油漆一般，帶來一陣陣腥臭氣味，造成嚴重污染;2011年8月，受持續(xù)高溫影響，安徽巢湖局部湖面出現(xiàn)較大面積藍藻集聚，經(jīng)過迅速攔截、打撈藍藻和深度處理，才未造成嚴重影響．

雖然藍藻危害極大，但也有很多益處．藍藻是最早的光合放氧生物，對地球表面從無氧的大氣環(huán)境變?yōu)橛醒醐h(huán)境起了巨大的作用．有不少藍藻可以直接固定大氣中的氮，以提高土壤肥力，使作物增產(chǎn)．藍藻多糖具有可調(diào)節(jié)人體生理功能，促進細胞新陳代謝、增強機體免疫力的功能［11］．一些藍藻的種類如發(fā)菜和普通念珠藻、螺旋藻等，不僅具有較高的食、藥用價值和很強抗病毒活性［12］，而且對維持荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義［13－14］．

4 藍藻檢測技術(shù)

目前，藍藻的檢測技術(shù)主要有化學(xué)檢測技術(shù)、酶聯(lián)免疫吸附法(ELISA)、動物實驗法、蛋白磷酸酶抑制測定法(PPIA)和細胞毒性監(jiān)測技術(shù)等，現(xiàn)在應(yīng)用較為廣泛的檢測技術(shù)是化學(xué)法和ELISA法．化學(xué)檢測技術(shù)主要包括氣相色譜、氣相色譜/質(zhì)譜、薄層色譜、高效液相色譜、液相色譜/質(zhì)譜及毛細管電泳等，其中，高效液相色譜應(yīng)用最廣，可進行藻類毒素種類和成分進行分離、鑒定和定量分析，檢測限度一般為ng級．但存在繁瑣的分離提純過程和制備、獲取標準品的局限，限制了HPLC的進一步應(yīng)用［15］．免疫檢測技術(shù)是利用毒素誘發(fā)免疫反應(yīng)產(chǎn)生抗體，利用抗體對抗原的特異性識別來對各種毒素進行檢測，具有快速、經(jīng)濟、重現(xiàn)性好、靈敏、操作簡便的特點，適用于初篩檢測［16］．2006年，Pyo等［17］用膠體金免疫層析條快速檢測微囊藻毒素－LR，靈敏度1 ng/ml，15 min即可出結(jié)果．肉眼可區(qū)分不同梯度的毒素濃度，但精度不高，不能進行定量分析．而且，目前只建立起來少數(shù)種類藍藻毒素的抗體，不能檢測所有的藻毒素．動物實驗方法是應(yīng)用小鼠、大鼠等作為動物模型，采用腹腔注射途徑給毒，通過顯現(xiàn)樣品的毒性作用，區(qū)分不同靶器官作用終點，即肝臟毒素還是神經(jīng)毒素，這是化學(xué)分析方法無法替代．缺點是動物實驗檢測靈敏度不夠，且不能特異識別毒素的種類．Bhattacharya等動物實驗表明，肝細胞腫脹，胞漿出現(xiàn)顆粒，有嗜伊紅細胞碎片淤積和充血跡象，快速篩選各種藍細菌產(chǎn)生的毒素［18］．綜合比較各種方法，認為較理想的檢測程序是先用ELISA或PPIA對水樣進行“掃描”，若含有藻毒素，再應(yīng)用化學(xué)檢測技術(shù)對其進行鑒定合含量測定［19－20］．

5 藍藻防治措施

當水環(huán)境出現(xiàn)藍藻時，局部潑灑硫酸銅、硫酸亞鐵合劑或絡(luò)合銅等除藻劑，使用光合細菌EM菌等有益菌進行解毒和生物肥水，降低池塘中的氨氮、亞硝酸鹽等有害物質(zhì)，提高有益藻種類、數(shù)量、比例，及時打撈和換水，加強預(yù)氧化工藝和活性炭吸附作用，延長活性炭吸附藻毒素的工作周期，恢復(fù)健康的生態(tài)系統(tǒng)．再則，研制準確、快速、可靠、適用的藻毒素檢測分析方法，快速定性和定量檢測水環(huán)境中藻毒素含量．在全國建立藻毒素的監(jiān)測網(wǎng)，及時提供水質(zhì)惡化、藻類水華的預(yù)警信號，為藻毒素風(fēng)險評價和監(jiān)測水處理脫毒效能提供技術(shù)支持．

6 結(jié)語

隨著水體富營養(yǎng)化程度的日益加重，藍藻毒素污染水環(huán)境，危害人類健康，造成養(yǎng)殖和魚類的大批死亡，已引起各界學(xué)者的高度關(guān)注．1998年，世界衛(wèi)生組織對飲用水微囊藻毒素作出了嚴格限定:微囊藻毒素－LR當量＜1 μg/L．因此，在了解藍藻的起源、特性和危害后，應(yīng)建立靈敏、特異的水中藍細菌毒素檢測方法，消除藍藻毒素帶來的危害．采取各種措施防治藻類污染發(fā)生的同時，還要重視對富養(yǎng)化水環(huán)境進行綜合治理，減少三廢的排放，合理開發(fā)利用資源，改善富養(yǎng)化水域的整體環(huán)境，加快防治的速度和鞏固防治的成果，降低藍藻對水環(huán)境的影響，保證水環(huán)境安全，確保人類的健康和生命安全．

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