水环境中蓝藻毒素研究进展

金明兰

(吉林建筑工程学院水污染控制与资源化利用重点实验室，长春 130118)

0 引言

水是人类赖以生存和工业生产不可缺少的有限资源．随着社会的发展、工业化进程的加速和生活水平的提高，人们对水的质量有了更高的要求．然而，随着经济的发展，含有大量的氮、磷营养物质的污水进入水源，造成严重的水体的富营养化，其发生的频率与危害程度呈现迅猛的增长趋势，并遍布世界各地，已成为全球性的环境问题，越来越引起各界学者的关注［1－2］．近年来，水体富营养状态日益严重．在藻体大量死亡分解的过程中，不但散发恶臭，景观遭受破坏，同时，其释放藻毒素严重地威胁人类的健康和生命．因此，世界卫生组织出台《饮用水水质标准》(198901)，我国颁布的《生活饮用水水质卫生规范》(GB5749－2006)、《地表水环境质量标准》(GB3838－20020601)和《城市供水水质标准》(CJ/T206－2005－20060601)，均规定饮用水水源地和城市供水中蓝藻毒素的最高限值为1．0 μg/L．但是，国内一些饮用水源中的微囊藻毒素含量已远远超过了该限值．各界学者们加大藻类代谢合成毒素的分析检测，以及其在环境中的归宿等方面的研究．本文重点论述蓝藻毒素起源、性质、危害、防治措施和分析检测技术等方面的研究进展．

1 蓝藻起源

蓝藻是地球上最古老的植物类群之一，是原核生物，又名蓝绿藻、蓝细菌．大多数蓝藻的细胞壁外面有胶质衣，在所有藻类生物中，蓝藻是最简单、最原始的一种．蓝藻是单细胞生物，没有细胞核，但细胞中央含有核物质，通常呈颗粒状或网状，染色质和色素均匀的分布在细胞质中．该核物质没有核膜和核仁，但具有核的功能．在蓝藻中有一种环状DNA—质粒担当载体的作用，广泛应用于基因工程中．在地球上，蓝藻大约出现在距今35～33亿年前，已知蓝藻约2 000种，中国已有记录的约900种，分布十分广泛，遍及世界各地．有些蓝藻可生活在60℃ ～85℃的温泉中;有些种类和菌、苔藓、蕨类和裸子植物共生;有些还可穿入钙质岩石或介壳中或土壤深层中．蓝藻的繁殖方式有两种，一种为营养繁殖，包括细胞直接分裂、群体破裂和丝状体产生藻殖段等几种方法;另一种为某些蓝藻可产生内生孢子或外生孢子等，以进行无性生殖，孢子无鞭毛．目前尚未发现蓝藻有真正的有性生殖．

2 蓝藻性质

藻毒素主要有环肽、生物碱和脂多糖等3种化学结构．环肽毒素包括七肽的微囊藻毒素(MC)和五肽的球藻毒素;生物碱有神经毒性类毒素和石房蛤毒素．藻毒素污染产生呈明显的季节性，主要与水温、酸碱度有关［3］．当水温上升到28℃以上时，蓝藻易形成优势种群而大量爆发;当水温低于17℃以下时，蓝藻则不会大量发生;当pH在8～9．5范围内时，也会促进蓝藻的发生．有学者研究表明，每年7～9月份蓝藻大量繁殖，达到总藻量的80%以上，蓝藻中占优势的铜绿微囊藻在水华中占90%以上［4］．藻毒素在水中是中性或带负电荷的分子集团，极性较强，有较好的亲水性，其分子质量接近活性炭吸附的分子质量范围，在水中的溶解性＞1g/L［5－6］．藻毒素自然降解过程十分缓慢，当含量为5 μg/L时，3 d后仅10%被水体中微粒吸收，7%随沙沉淀［7］．从MCs的分子结构可看出，由于环状结构和间隔双键，此类毒素具有稳定的化学结构，属于难降解的生物毒素，一般蛋白水解酶无法分解，能够耐受很宽泛的酸碱环境与温度条件，在自然条件下能够长时间存在而不被光解或生物降解，在极端温度300℃高温下还能维持很长时间不分解，但可被活性碳吸收，所以可以用活性碳净水器对被污染水源进行净化．最常见的3种变体即MC－LR，MC－RR和MC－YR，其中L，R，Y分别代表亮氨酸、精氨酸、酪氨酸．其中，MC－LR的生理毒性最为显著，是目前研究最多的一种MCs．MC－LR分子量为1 000，在水中的溶解度为1 000 mg/L～2 000 mg/L．目前，各国饮水中的藻毒素含量标准一般都为微囊藻毒素MC LR含量．人类与含有蓝藻水体接触的建议阈值以15 000cells/mL为宜．世界卫生组织(WHO)推荐的饮水中藻毒素标准为MC－LR低于1．0μg/L［8］．德国健康组织规定饮水中可接受的藻毒素标准为0．5 μg/L［9］．由于受测定方法的限制，即时监测水体中MC没有得到普及．在实际工作中，根据水体藻细胞数作为MC危害的监测报警指标是一种可行的办法．当MC在500 cells/mL～2 000 cells/mL为警告量，水体需要加强监测;当MC 2 000 cells/mL～15 000 cells/mL的水样需要毒性测定，警告水质污染;如果超过15 000 cells/mL的水源，如不进行有效处理将会影响人类的健康和生命的安全，必须更换水源［10］．

3 蓝藻危害及作用

蓝藻毒素具有致染色体断裂、基因诱变及较高的急性毒性．蓝藻老化死亡时会产生大型蓝藻，造成养殖对象大批死亡，并且死亡的藻类不断沉到水底，加快了底部溶解氧的消耗，使表面以下的水体处于厌氧状态，会造成鱼类长期不摄食或泛池等情况的发生．在一些营养丰富的水体中，蓝藻大量繁殖，在水面形成一层蓝绿色蓝藻水华，腥臭，严重地污染环境．如果人们摄入含有蓝藻的水、鱼或其他水产品，就可能会产生头痛、发烧、腹泻、腹痛、反胃或呕吐症状，也是肝癌的重要诱因．在受污染的水中游泳，也有可能会产生皮肤发痒或眼睛、皮肤受到刺激，口眼分泌物增多等症状，甚至死亡．家畜及野生动物饮用了含藻毒素的水后，会出现腹泻、乏力、厌食、呕吐、嗜睡，病理病变有肝脏肿大、充血或坏死，肠炎出血、肺水肿等．其中，MC－LR的半致死剂量(LD50)约为50 ug/kg～100 ug/kg．人们在洗澡、游泳及其他水上休闲和运动时，皮肤接触含藻毒素水体可引起皮肤过敏;少量喝入可引起急性肠胃炎;长期饮用则可能引发肝癌．医学部门已发现饮水中微量微囊藻毒素与人群中原发性肝癌的发病率有很大相关性．世界各地发生蓝藻毒素中毒事件，已成为全球性的环境问题． 1996 年在巴西造成100 多名急性肝功能故障，7 个月内至少50 人死于藻毒素产生的急性效应，引起举世瞩目的关注．近年来，我国个别地区也爆发过．2007年5月，无锡太湖区域蓝藻大面积爆发，引发自来水严重污染，市区纯净水被哄抢，对人民的生活产生很大的影响;2010年11月，云南昆明滇池蓝藻大量繁殖，湖水如绿油漆一般，带来一阵阵腥臭气味，造成严重污染;2011年8月，受持续高温影响，安徽巢湖局部湖面出现较大面积蓝藻集聚，经过迅速拦截、打捞蓝藻和深度处理，才未造成严重影响．

虽然蓝藻危害极大，但也有很多益处．蓝藻是最早的光合放氧生物，对地球表面从无氧的大气环境变为有氧环境起了巨大的作用．有不少蓝藻可以直接固定大气中的氮，以提高土壤肥力，使作物增产．蓝藻多糖具有可调节人体生理功能，促进细胞新陈代谢、增强机体免疫力的功能［11］．一些蓝藻的种类如发菜和普通念珠藻、螺旋藻等，不仅具有较高的食、药用价值和很强抗病毒活性［12］，而且对维持荒漠草原生态系统具有重要意义［13－14］．

4 蓝藻检测技术

目前，蓝藻的检测技术主要有化学检测技术、酶联免疫吸附法(ELISA)、动物实验法、蛋白磷酸酶抑制测定法(PPIA)和细胞毒性监测技术等，现在应用较为广泛的检测技术是化学法和ELISA法．化学检测技术主要包括气相色谱、气相色谱/质谱、薄层色谱、高效液相色谱、液相色谱/质谱及毛细管电泳等，其中，高效液相色谱应用最广，可进行藻类毒素种类和成分进行分离、鉴定和定量分析，检测限度一般为ng级．但存在繁琐的分离提纯过程和制备、获取标准品的局限，限制了HPLC的进一步应用［15］．免疫检测技术是利用毒素诱发免疫反应产生抗体，利用抗体对抗原的特异性识别来对各种毒素进行检测，具有快速、经济、重现性好、灵敏、操作简便的特点，适用于初筛检测［16］．2006年，Pyo等［17］用胶体金免疫层析条快速检测微囊藻毒素－LR，灵敏度1 ng/ml，15 min即可出结果．肉眼可区分不同梯度的毒素浓度，但精度不高，不能进行定量分析．而且，目前只建立起来少数种类蓝藻毒素的抗体，不能检测所有的藻毒素．动物实验方法是应用小鼠、大鼠等作为动物模型，采用腹腔注射途径给毒，通过显现样品的毒性作用，区分不同靶器官作用终点，即肝脏毒素还是神经毒素，这是化学分析方法无法替代．缺点是动物实验检测灵敏度不够，且不能特异识别毒素的种类．Bhattacharya等动物实验表明，肝细胞肿胀，胞浆出现颗粒，有嗜伊红细胞碎片淤积和充血迹象，快速筛选各种蓝细菌产生的毒素［18］．综合比较各种方法，认为较理想的检测程序是先用ELISA或PPIA对水样进行“扫描”，若含有藻毒素，再应用化学检测技术对其进行鉴定合含量测定［19－20］．

5 蓝藻防治措施

当水环境出现蓝藻时，局部泼洒硫酸铜、硫酸亚铁合剂或络合铜等除藻剂，使用光合细菌EM菌等有益菌进行解毒和生物肥水，降低池塘中的氨氮、亚硝酸盐等有害物质，提高有益藻种类、数量、比例，及时打捞和换水，加强预氧化工艺和活性炭吸附作用，延长活性炭吸附藻毒素的工作周期，恢复健康的生态系统．再则，研制准确、快速、可靠、适用的藻毒素检测分析方法，快速定性和定量检测水环境中藻毒素含量．在全国建立藻毒素的监测网，及时提供水质恶化、藻类水华的预警信号，为藻毒素风险评价和监测水处理脱毒效能提供技术支持．

6 结语

随着水体富营养化程度的日益加重，蓝藻毒素污染水环境，危害人类健康，造成养殖和鱼类的大批死亡，已引起各界学者的高度关注．1998年，世界卫生组织对饮用水微囊藻毒素作出了严格限定:微囊藻毒素－LR当量＜1 μg/L．因此，在了解蓝藻的起源、特性和危害后，应建立灵敏、特异的水中蓝细菌毒素检测方法，消除蓝藻毒素带来的危害．采取各种措施防治藻类污染发生的同时，还要重视对富养化水环境进行综合治理，减少三废的排放，合理开发利用资源，改善富养化水域的整体环境，加快防治的速度和巩固防治的成果，降低蓝藻对水环境的影响，保证水环境安全，确保人类的健康和生命安全．

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