丁西飞,王彦霏,章群,徐宁
暨南大学生态学系,广州 510632
近年来,有害藻华(harmful algal bloom,HAB)肆虐于世界各地沿岸海域,其中有毒藻华的发生频率明显增加,分布范围不断扩大,不仅严重破坏海洋生态平衡、造成渔业经济损失,甚至危害人类健康[1]。珠江口是我国重要的水产增养殖区和渔场,如万山渔场、珠江口渔场和担杆-大星针渔场,同时还是重要的滨海旅游区,对我国沿海地区经济发展有重要意义[2]。然而,珠江口也是我国有害藻华高发海域之一,其赤潮发生数占南海赤潮发生总数的77%[1]。1999年珠江口海域已知的赤潮种类就已经高达98种,并且多种藻类可能导致鱼类甚至人类中毒[2]。研究表明,近年来珠江口的年度赤潮累积总时间和累积总面积呈波动上升趋势,赤潮原因种由原先的硅藻、原生动物演变成甲藻、定鞭藻等鞭毛藻,且有毒赤潮发生频率呈上升趋势[3]。1998年3月—4月,米氏凯伦藻发生有史以来最大规模的有毒米氏凯伦藻赤潮,造成大批鱼类死亡,直接经济损失达3.5亿元[4];球形棕囊藻于1997年10月—1998年2月在珠江口首次爆发[5]以来,1999年8—9月、2004年1月、2005年1月和3—5月、2006年2月均出现过大规模爆发,赤潮面积高达1 000 km2,持续时间长达3个多月,对海水养殖业造成了严重的影响[6-8];2006年3月、10—11月珠江口珠海海域先后发生3次双胞旋沟藻赤潮,造成该海域部分网箱养殖鱼类死亡[9];2009年珠江口再次爆发双胞旋沟藻赤潮,赤潮面积达300 km2[10]。许多有毒藻类在密度较低的条件下就可能对水生生物以及海洋生态系统造成严重危害,但是目前由于分离、培养的困难,我们对于珠江口海域有毒藻类的种类、分布及其毒性特征仍不明确。
溶血毒素是有毒藻赤潮导致大量水生生物死亡的重要原因之一,其成分和结构非常复杂,现在还不十分清楚,目前只有少量溶血毒素已得知其结构,主要为糖脂类、糖甙类和不饱和多脂肪酸类化合物,也有少数蛋白质和肽类物质[11]。不同藻分泌的溶血毒素有明显差别。溶血毒素被认为是一种洋地黄皂甙类似物,可能改变水生动物细胞膜渗透性,使其成为阳离子选择性渗透,从而导致水生生物中鳃呼吸动物,如鱼、软体动物等的腮失去细胞选择渗透性而导致死亡[12]。有研究认为,溶血毒素作用于鱼类的鳃组织,导致鳃组织损伤引起氧气交换不顺畅可能是引起鱼类死亡的主要原因[11, 13]。溶血毒素的检测主要是血红细胞溶解测定法(Erythrocyte Lysis Assay,ELA),其原理是基于溶血毒素作用于血红细胞使之溶解破裂,从而通过吸光度的变化来判断溶血毒素是否存在,并与已知浓度的溶血性物质(如洋地黄皂甙)进行比对以确定其溶血能力[14-15]。
本文以小普林藻为实验材料,对溶血毒素的测定方法进行优化,旨在为海洋微藻溶血毒素测定建立一套灵敏的标准化分析方法。同时,利用兔红细胞法分析珠江口海域分离和鉴定出的小普林藻(Prymnesiumparvum)、剧毒卡尔藻(Karlodiniumveneficum)和红色赤潮藻(Akashiwosanguinea)的溶血毒性特征及变化规律,为珠江口海域有害藻华的防灾减灾提供科学依据。
小普林藻JX12、剧毒卡尔藻JX24、红色赤潮藻JX14、红色赤潮藻AS2均由暨南大学水生生物研究所藻类生态学实验室提供。其中,小普林藻2009年11月采自珠海野狸岛,由秦俊莲分离纯化。剧毒卡尔藻2011年9月采自珠海野狸岛,由刘静雅分离纯化。红色赤潮藻JX14于2011年4月采自大亚湾澳头,由王萌分离纯化。另外,红色赤潮藻AS2由唐赢中博士分离自美国切萨皮克湾。采用f/2培养基[16],基础介质为人工海水(盐度为30.5),置于22 ℃,光照强度为100 μmol·m-2·s-1,光暗比为12 L:12 D[17]的人工气候培养箱扩大培养。
柠檬酸等渗缓冲液:称取NaCl 3.412 g,柠檬酸钠8.672 g,葡萄糖18.072 g,溶于400 mL蒸馏水中,用柠檬酸调节pH至7.0后定容至1 000 mL备用。
0.5%兔血红细胞溶液:白兔来自暨南大学动物实验中心,取兔血10 mL于离心管当中,350×g离心5 min,弃去血清和上层白细胞,红细胞用pH 7的柠檬酸等渗缓冲液反复冲洗3次,再用柠檬酸等渗缓冲液把兔血稀释成浓度为0.5%(体积比)的血红细胞溶液,当天使用。
全溶血溶液:0.5%的兔血红细胞溶液,加1% (VN) Trition X-100,混匀,使血细胞完全破碎,作为全溶血溶液。
实验用NaCl为分析纯,购自广州化学试剂厂,柠檬酸钠和葡萄糖为优级纯,购自美国Sigma-Aldrich GmbH,1% (VN) Trition X-100 购自广州誉腾生物公司。
1.2.2 标准曲线绘制
参照彭颖慧等[18]采用的洋地黄皂苷溶血活性测定方法。配制10.4 μg·mL-1洋地黄皂甙(digitonin)(购自美国Sigma-Aldrich GmbH)溶液1 L,向6个试管中分别加入4.8 mL的经处理的新鲜兔血红细胞,加入洋地黄皂甙水溶液,使6个反应管中的洋地黄皂甙的浓度梯度分别为0.52、0.78、1.04、1.30、1.56、1.86 μg·mL-1,将各反应体系用等(渗盐溶液(pH = 7)补足至6 mL。另在3个试管中加入4.8 mL经处理的兔血红细胞,并用柠檬酸等渗缓冲液补足至6 mL,作为负对照。
于37 ℃水浴避光反应30 min后,800×g离心10 min,将上清液用紫外可见分光光度计(Gold spectrumlab 53)测定其溶血吸光度,每个浓度3个平行。
根据公式H% = (As-A0)/(A100-A0) (公式1)计算溶血百分数。其中,As为样品吸光度值,A0为零溶血吸光度值,A100为全溶血吸光度值。
以未加毒素的试管为负对照,以全溶血溶液为正对照。以洋地黄皂甙水溶液的终浓度为横坐标,以其溶血百分数为纵坐标作图。
采用超声波破碎方式提取藻细胞溶血毒素,超声波破碎均在冰浴条件下处理,藻细胞溶液维持4 ℃以下[18]。
藻细胞以10 000×g分批离心10 min,置于50 mL氯仿:甲醇:水 = 13:7:5(体积比)的混合溶液中,在4 ℃、60 W下进行细胞破碎30 min后并镜检(超声波细胞粉碎仪 JYD-900L,上海之信仪器有限公司),破碎完毕后于分液漏斗中静置,待完全分层后取下层溶液,于旋转蒸发仪中(温度设置为60 ℃)真空干燥,真空干燥后溶解于适量甲醇(提取小普林藻毒素时甲醇的体积为培养液的4/100、剧毒卡尔藻为2/100、红色赤潮藻为2/100)中,即得到溶血毒素。置于-18 ℃下贮存备用。
实验用氯仿和甲醇均为色谱纯,购自德国CNW Technologies GmbH。
取对数期小普林藻藻液1 L,密度为73.606×107cell·L-1,按照1.3所述方法提取溶血毒素,备用。
1.4.1 不同反应温度下的溶血活性
向试管中加入900 μL pH 7的柠檬酸等渗缓冲液和0.5%的红细胞溶液4 800 μL,再加入备用藻毒素溶液300 μL (300 μL甲醇作为对照),于4 ℃、20 ℃、37 ℃、50 ℃下避光反应,反应时间共60 min,每个温度设3个平行。每隔10 min取反应液于800×g离心10 min,将上清液用紫外可见分光光度计(Gold spectrumlab 53)测定溶血吸光度。根据公式1计算溶血百分数。以未加毒素的试管为负对照,以全溶血溶液为正对照。以洋地黄皂甙水溶液的终浓度为横坐标,以其溶血百分数为纵坐标作图。
1.4.2 不同pH条件下的溶血活性
向试管中加入pH分别为5、6、7、8的柠檬酸等渗缓冲液900 μL和 0.5%的红细胞溶液4 800 μL,再加入备用藻毒素溶液300 μL (300 μL甲醇作为对照),于37 ℃避光反应,反应时间共60 min,每个pH设3个平行。每隔10 min检测反应液吸光度值,检测方法与溶血百分数计算方法同1.4.1。
分别取小普林藻对数生长期(第8天)、稳定期(第16天)和衰亡期(第28天)的藻液各1 L,细胞密度分别为73.606、142.839、168.849(×107cells·L-1)时进行溶血毒素的提取,并于37 ℃、pH=8、反应60 min条件下测定溶血毒性。每隔10 min检测反应液吸光度值,检测方法同1.4.1。
分别取对数期的小普林藻、剧毒卡尔藻、红色赤潮藻JX14和AS2株各1 L,细胞密度依次为73.606、38.857、0.427、0.759(×107cells·L-1),按照1.3所述方法提取藻毒素,并于37 ℃、pH=8、反应60 min条件下测定溶血毒性。每隔10 min检测反应液吸光度值,检测方法同1.4.1。
使用Origin 7.5和SPSS 13.0软件进行数据统计分析。
图1是以洋地黄皂甙为标准物所绘制的标准曲线,可得到线性回归方程为:
y= 0.519x- 0.154 (R2= 0.953,P< 0.05)
(2)
1个溶血单位(Hemolytic Unit,HU)的定义为:在6 mL的上述反应体系下,37 ℃反应30 min使兔血红细胞溶液溶解50%所需毒素的量。根据公式2计算出在溶血百分数为50%时,洋地黄皂甙浓度约为1.26 μg·mL-1。
参考文献[18]给出公式计算溶血活性,并对其进行优化规范:
(3)
其中,HU为溶血活性(HU·L-1);Aw为样品溶血后所测得的吸光值;A0为空白对照的吸光值;Ac为全溶血的吸光值;EC50为公式2中y= 50时的x值,即当溶血百分比为50%时的洋地黄皂甙浓度(μg·mL-1);a为公式2中拟合直线的斜率;b为公式2中拟合直线的截距;m为提取毒素蒸发步骤后,溶解毒素的甲醇与培养基的体积比;v为试验时加入反应体系的毒素体积(L);n为实际反应体系的体积与1 mL的比值。
根据公式3计算出,小普林藻的溶血活性约为304.01 HU·L-1,单个细胞的溶血活性约为2.07×10-7HU·cell-1。
不同pH条件下小普林藻溶血活性有很大差异(图2A),pH=8条件下的溶血百分数高达20%,显著高于pH= 5和pH= 7条件下的溶血百分数(P< 0.01),与pH= 6条件处理组无显著差异(P> 0.05),且每个实验组的溶血百分数都随时间延长而增强,并在50 min开始保持稳定。小普林藻溶血活性随温度升高逐渐增强(图2B),50 ℃下测得的溶血百分数可达到约50%,显著高于4 ℃、20 ℃、37 ℃下的溶血百分数(P< 0.01),且所有实验组的溶血活性呈现随时间延长而上升的趋势,均在40 min~50 min时达到稳定状态。
图1 溶血活性标准曲线Fig. 1 Standard curve of hemolysis by digitonin as an equivalent
在37 ℃、pH= 8、反应50 min条件下,小普林藻单位体积溶血活性约为417.38 HU·L-1, 单个细胞的溶血活性约为5.67×10-7HU·cell-1。
小普林藻不同生长期的溶血毒性有很大差异,在整个反应过程中,单位藻细胞溶血活性关系为对数期>衰亡期>稳定期,单位体积溶血活性的关系为衰亡期>对数期>稳定期。37 ℃、pH=8、反应50 min条件下,小普林藻对数期、稳定期、衰亡期的单位细胞溶血活性分别为5.67×10-7、2.32×10-7和3.40×10-7HU·cell-1;单位体积溶血活性分别为417.38、332.70和574.27 HU·L-1。
红色赤潮藻JX14、小普林藻及剧毒卡尔藻的溶血毒性特征曲线表明,不同藻种溶血毒性有显著差异(P< 0.05),单位细胞溶血活性及单位体积溶血活性都有较大差异(图4)。小普林藻和红色赤潮藻JX14溶血活性随反应时间延长明显增大,但剧毒卡尔藻溶血活性随反应时间延长无明显变化(图4)。整个实验过程中,红色赤潮藻JX14单位体积溶血活性大于或等于小普林藻,二者无显著性差异(P> 0.05,图4A),而单位细胞溶血活性显著高于小普林藻和剧毒卡尔藻(P< 0.05,图4B)。图5是红色赤潮藻中国株JX14和美国株AS2溶血毒性特征曲线,可以看出,无论是单位细胞或是单位体积溶血活性,JX14均明显高于美国株AS2,且JX14株单位细胞溶血活性高达1 050 HU·cell-1,显著高于AS2株(P< 0.05,图5B)。
图2 小普林藻在不同反应温度和pH条件下的溶血活性Fig. 2 Effects of temperature and pH on hemolysis caused by Prymnesium parvum
图3 小普林藻不同生长期溶血毒性的变化特征Fig. 3 Hemolytic activity change tendency of Prymnesium parvum during different growth phase
37 ℃、pH=8、反应50 min条件下,小普林藻、剧毒卡尔藻、红色赤潮藻JX14和AS2株的单位细胞溶血活性分别为5.67×10-7、2.58×10-7、976.20×10-7和429.52×10-7HU·cell-1;单位体积溶血活性分别为417.38、100.08、417.01和326.08 HU·L-1。
产生溶血毒素的微藻有很多种,不同藻类的溶血毒素成分不尽相同,其溶血活性反应特征也差异很大[19]。小普林藻是一种重要的有毒赤潮藻,其产生的溶血毒素被认为是导致大量水生物死亡的原因[20]。本研究利用容易获取的兔血细胞为材料进行溶血活性测试。方法简便易行且灵敏度高,可用于有毒赤潮藻的溶血活性检测。从本研究所测得的标准曲线可以得出,在溶血百分数为50%时,洋地黄皂甙浓度约为1.26 μg·mL-1,这与彭喜春等[13]、崔伟民等[14]采用兔血红细胞、何家菀等[21]采用牛血红细胞所做结果(1.3 μg·mL-1)相似,大于江涛等[22]及Kuroda等[23]的结果。
本研究显示,在4~50 ℃范围内,小普林藻溶血活性随温度升高及实验时间延长而增大,并在反应50 min时趋于稳定。温度是维持哺乳动物红细胞体积稳定的重要条件,维持细胞体积稳定是细胞正常发挥其功能的基础[24-25],温度为37 ℃时红细胞的形状和结构最稳定;37 ℃之后,随温度升高,红细胞的形状和结构越不稳定[26],越容易受外界条件影响而破裂。因此,本研究结果不能确定是由于50 ℃对小普林藻溶血毒性起促进作用而导致红细胞破裂,还是因为50 ℃远高于哺乳动物正常体温而使红细胞变形本身较易破裂。因此,可以认为37 ℃为测试小普林藻溶血活性的最佳实验温度。Ulitzer和Shilo[27]研究表明,小普林藻的溶血活性在10~37 ℃下随温度升高、时间延长而增强;崔伟民等[14]报道的米氏凯伦藻在4 ℃、20 ℃和37 ℃时,溶血活性随温度升高、时间的延长而逐渐增加,这均与本研究结果相一致。另外,宋秀凯等[28]报道的多变鱼腥藻(AnabaenavariabilisOLS1)和Emura等[29]报道的泰勒亚历山大藻(Alexandriumtaylori)所产生的毒素的溶血活性都在4 ℃、18 ℃、37 ℃下随温度的升高而升高,且18 ℃、37 ℃时,藻溶血活性随时间延长而增大,也与本实验结果一致。但在4 ℃时,多变鱼腥藻及泰勒亚历山大藻的溶血活性基本完全被抑制,这与本实验4 ℃条件下结果有所不同,说明不同藻种的溶血活性对温度的反应趋势相近,溶血活性都随实验温度的升高及实验时间的延长而增大,但对低温的反应却不尽相同。
图4 小普林藻、剧毒卡尔藻及红色赤潮藻的溶血毒性特征Fig. 4 Hemolytic activity of Prymnesium parvum, Karlodinium veneficum and Akashiwo sanguinea
图5 2株红色赤潮藻的溶血毒性比较Fig. 5 Hemolytic activity of two strains of Akashiwo sanguinea
Ulitzer和Shilo[27]认为pH对于溶血毒性的影响可能是由于pH的改变可以改变毒素的电离状态,增加或者减少它的疏水性及其穿过细胞膜的能力。本研究表明,小普林藻毒素在pH 5~8条件下,pH 8时溶血活性有最大值,在整个实验过程中,溶血活性随实验时间的延长而增大,且在50 min趋于稳定。类似的,Valenti等[30]对小普林藻卡特株(P.parvum)的研究表明,pH是决定小普林藻对鱼类毒性的重要因素,并且小普林藻暴露于pH= 8.5的环境中时对于呆鲦鱼(Pimephalespromelas)的毒性明显高于pH=7.5及pH=6.5时的毒性;Bertin等[31]的研究也表明,小普林藻的溶血毒性在pH=8.5时最高。这都与本实验结果相一致,说明相同藻种不同藻株毒素的结构、性质可能较为相似,且小普林藻溶血毒性可能在弱碱性的条件下最高。而葛蔚等[32]认为赤潮异弯藻(Heterosigmaakashiwo)的溶血活性在pH=6和pH=7时最高,超过75%,远大于在pH=5和pH=8时的溶血活性,赤潮异弯藻表现出在中性偏酸的环境中溶血活性最高。Malovrh等[33]报道的小定鞭藻在pH < 5时表现出溶血活性;何家菀等[21]认为,小定鞭藻的溶血活性在pH为7~9时随pH的增大而减小;彭喜春[34]的研究表明,球形棕囊藻在pH 7时溶血活性最强。导致这一现象的主要原因可能是藻毒素种类、亲水端结构及理化性质因藻种藻株的不同而存在较大的差异。
藻类毒素的合成与其生长周期有着密切的关系,其合成机制十分复杂。本研究结果显示,小普林藻对数期单位藻细胞溶血活性最强、衰亡期次之。需要特别指出的是,本研究采用悬浮藻细胞测定溶血活性,并不包含培养液部分。而藻细胞死亡、裂解后毒素会释放至培养液中,因此培养液中(尤其是衰亡期)会逐渐积累藻毒素。换言之,包含培养液测定得出的溶血毒素含量会显著高于悬浮藻细胞测定的结果。类似的,海洋卡盾藻CMHK、COHK、米氏凯伦藻KMEC和赤潮异湾藻HAEC均是在对数期溶血活性最高[35]。江天久等[36]也证实亚历山大藻在对数期内单个藻细胞的石房蛤毒素(STX)含量最高,在稳定期显著下降。另有研究发现,小定鞭藻PPEC的藻细胞滤液产生的溶血毒素峰值出现在稳定期[35],强壮前沟藻和卵圆卡盾藻的溶血活性在衰亡期达到最高值,对数期藻细胞的溶血活性其次[37-38]。Emura等[29]研究发现泰勒亚历山大藻(A.taylori)自指数期开始分泌毒素,在衰亡期仍保持较高的溶血活性。这些研究表明不同藻种的溶血活性在不同生长期的变化趋势是不尽相同的。Yasumoto等[39]研究认为,藻类毒素的产生可能与某些藻类的自我保护机制有关,随着水体中营养元素不断被消耗,藻类在稳定期或衰亡期合成一些能抑制其他竞争生物生长繁殖的次生代谢产物,从而使产毒藻在竞争中处于优势地位。
剧毒卡尔藻曾在美国切萨皮克湾、马里兰州海湾和澳大利亚天鹅坎宁河口等多处爆发过大规模赤潮,造成了严重的死鱼事件,其原因则是该藻释放溶血毒素损伤鱼鳃导致鱼类窒息而死[40]。周成旭等[41]也研究发现分离自我国东海海区的剧毒卡尔藻具有显著的溶血活性;小普林藻为全球广布种,在欧洲、澳大利亚、摩洛哥和以色列、美国等国家和地区的沿海和内陆水体频繁形成有毒藻华,引发大量鱼类死亡[42],带来严重的经济损失。1986年,陈椒芬和曾呈奎[43]首次报道小普林藻在我国的出现;何家菀等[21]确认小定鞭藻含有引起鱼类死亡的鱼毒素以及引起哺乳动物等红血球细胞溶解的溶血毒素。红色赤潮藻赤潮在烟台[44]和厦门[45]均有发生,藻类的大量繁殖影响了鱼、虾、贝类的生长,特别是导致了鲍鱼幼虫的死亡率升高对当地的海产养殖业有巨大的影响,同时给人们的生活带来不便。但目前对于红色赤潮藻是否是由于产生毒素而导致水生生物死亡还存在争议。本研究通过对分离自珠江口的红色赤潮藻、小普林藻和剧毒卡尔藻进行溶血特征研究,发现3种藻均检测出较强的溶血毒性。红色赤潮藻单位藻细胞的溶血活性为976.19×10-7HU·cell-1,显著高于小普林藻和剧毒卡尔藻,这可能是由于红色赤潮藻的细胞体积远远大于小普林藻和剧毒卡尔藻。红色赤潮藻单位体积溶血活性为417.01 HU·L-1,也远高于米氏凯伦藻64.69 HU·L-1[14]和球形棕囊藻21 HU·L-1[13]。这是首次在实验室内确认红色赤潮藻具有较高的溶血活性。此外,来源不同的2株红色赤潮藻溶血活性具有显著差异,中国株JX14无论是单位体积或是单位细胞的溶血活性都高于美国株AS2。类似的,周成旭等[46]研究发现赤潮异弯藻的2个品系H1和H2对鲫鱼红细胞的溶血活性有明显差异,H2品系的去藻上清液溶血活性可达100%,H1品系溶血活性仅为60%。这表明同一藻种的不同株系可能因环境的不同,其溶血毒性也会存在较大差异。珠江口地处热带、亚热带,气候温和,物种丰富,浮游生物种类繁多,浮游植物会受到更多的摄食和竞争威胁。因此,藻类在较大的环境压力下可能会通过增加自身毒性的方式来抵御外界的捕食,或者通过释放溶血毒素从而获取更多营养并形成竞争优势。
有害藻华往往伴随着大量的水生生物死亡现象,其溶血毒素往往是重要原因之一。珠江口是我国有害藻华高发海域之一,1998年珠江口海域曾爆发严重的米氏凯伦藻赤潮和红色赤潮藻赤潮,对当地海水养殖业造成了严重经济损失[14, 47]。王朝晖等[48]发现,米氏凯伦藻可能会分泌一种溶血毒性或细胞毒性脂类,损伤鱼鳃组织造成坏死从而引发鱼类死亡。Xu等[49]研究表明,红色赤潮藻对多种水生生物(对虾、鲻鱼)都有毒害作用。近年来珠江口地区多次爆发红色赤潮藻赤潮,并伴随大量死鱼现象,虽然目前珠江口海域尚未报道过小普林藻和剧毒卡尔藻赤潮的发生,但是这2种赤潮在美洲、澳洲、欧洲等其他地区常有发生[42, 50]。本研究对从珠江口海域分离的小普林藻、剧毒卡尔藻、红色赤潮藻进行溶血毒性分析,发现它们均具有显著的溶血毒性,并且分离自珠江口的红色赤潮藻藻株溶血毒性显著高于美国株。因此,鉴于其强烈的致害作用,应当加强对这几种重要赤潮藻溶血毒性的关注及深入研究,这对于了解和监测珠江口赤潮灾害有十分重要的意义。
通讯作者简介:徐宁(1971-),女,研究员,硕士生导师,主要从事藻类生理生态方面的研究,发表各类论文40余篇。
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