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微囊藻毒素(Microcystins,MCs)是水华蓝藻产生的一类环状七肽化合物,是富营养化淡水水体中最常见的一种藻类毒素,已证明对蛋白磷酸酶(proteinphosphatases,PP)1和2A(PP1和PP2A)具有抑制作用,是一种公认的肝毒素和促癌剂。鉴于MCs的急性和长期慢性毒性效应,其在水体中的存在对人类健康具有潜在的威胁。因此,蓝藻水华及其毒素问题一直受到世界各国的重视,在蓝藻毒素相关的研究领域之中,其在水环境中的迁移、转化和归宿途径方面的研究越来越受到国内外的重点关注。为了全面地了解MCs的自然环境归宿及更清楚认识沉积物对MCs的环境化学行为的影响,本文通过建立环境样品中痕量MCs的灵敏快速监测方法,对蓝藻频繁暴发的富营养化湖泊中蓝藻水华、沉积物及生物体中MCs的分布进行了调查；并通过进行MCs在沉积物.水界面的交换及分解代谢机制实验,重点探讨了MCs在沉积物中的吸附和微生物降解过程及机理；通过定量解析MCs在环境样品中的积累水平及其在沉积物.水界面的变动特征,阐述MCs在环境中的最终归宿和消失途径,同时为正确评价MCs通过迁移转化对水生态系统及人类健康的潜在影响提供科学依据。主要研究内容和结果如下:
1微囊藻毒素的分离纯化与制备
通过对MCs的提取和纯化工艺进行了改进和优化,发展了一套利用串联的SPE柱快速高效的分离纯化MCs的方法,并通过该方法获得了大量较高纯度(纯度90％以上)的初纯品及通过制备色谱进一步纯化获得一定量的高纯品(纯度98％以上)。
2环境样品中微囊藻毒素的MMPB检测方法的优化
为将MMPB法(一种间接测定总毒素的分析方法)更好的应用于杂质干扰较大的环境样品(水样、沉积物和生物体等)中总毒素的定量检测。首先对高锰酸钾.高碘酸钠混合氧化剂氧化MCLR的氧化产物MMPB的生成动力学进行了研究,研究结果为氧化环境样品中MCs生成高浓度和稳定的氧化产物MMPB,在选择氧化剂初始浓度,pH及温度等方面提供了新的见解和思路。然后通过对MMPB生成率的比较,深入探讨反应条件对氧化微囊藻胞内毒素生成MMPB的影响,得到最优化的反应体系为:在较高的高锰酸钾浓度(≥50mM)和饱和高碘酸溶液中,弱碱性条件(pH～9)下室温反应1-4 h。该条件下,MMPB的生成率在85％以上。优化后的MMPB方法同样也可以很好的应用于野外沉积物样品中总毒素的定量分析,表现为高灵敏度和高准确度。
3微囊藻毒素在环境样品中检测及其分布特征
1)以蓝藻频繁暴发的富营养化湖泊(太湖)和池塘(武大星湖)为研究对象,对野外蓝藻水华中胞内毒素和水质参数的季节变化进行了分析。结果显示藻细胞中MCs的含量时空变化差异很大,不同地点不同时间采集的蓝藻水华产毒量明显不同,这种差异可能主要与蓝藻的种类相关(不同种类蓝藻的产毒明显不同)。因此,为了准确全面了解野外蓝藻水华胞内毒素的变化特征还需加大监测的频率。
2)通过用优化的MMPB方法对滇池全湖的30个表层沉积物中的MCs进行调查分析,发现在滇池的东岸和北部区域检测到了MCs的存在(最大值为1.95μg g-1),进一步印证了沉积物在MCs的迁移转化中扮演着重要角色。另外,大部分沉积物样品中未检测到MCs,也有可能是由于沉积物本身具有很强的生物降解能力导致毒素被降解,另外一种可能就是该方案的灵敏度不够,沉积物中毒素的含量过低没有达到其检测限从而导致检测不出毒素的存在。因此,该方法的灵敏度还有待进一步提高。
3)为了评价鱼体内毒素污染对食品安全的风险性,分别对MCs在鱼体(草鱼和用于生物控藻所投放的白鲢、花鲢)不同组织中的积累水平及分布特征进行了分析,结果显示MCs在所有鱼样品中均能检测到,且主要分布在鱼体的肝肾脏和消化道等器官,而肌肉和非消化道器官中毒素含量相对较低。不同鱼种不同组织对MCs的富集程度不同,不同季节鱼体中MCs的积累水平也明显不同。同时还检测到鱼肉中MCs含量按照WHO推荐的标准推算出的人体每日摄入的MCs量均没有超过WHO规定的人体每日可允许摄入的MCs量(≤0.04μg kg-1人体重),并初步推断鱼肉中MCs还未危及到人体健康。但仍具有潜在的风险性,应加强对水产品中MCs污染的动态检测,并进行相应食品安全性评价工作。
4微囊藻毒素在沉积物中的吸附和生物降解特性及其机理
1)通过对MCs在10种不同湖泊沉积物和4种不同粘土矿物中的吸附行为进行研究,考察不同沉积物组分、温度及pH等影响条件对MCs在沉积物上吸附的影响探讨MCs在沉积物中的吸附作用及其机理。结果表明在本文所研究的浓度范围内,MCLR和MCRR在不同表层沉积物中的吸附行为呈现明显不同的吸附机制,且有机质含量是关键影响因子。在粘土矿物及有机质含量低的沉积物中,MCs与有机质之间存在竞争吸附现象(呈明显的负相关),随着有机质含量的升高,MCs的吸附量下降；而在有机质含量高的沉积物中,有机质的升高反而促进MCs的吸附(呈明显的正相关),推测这种促进作用为沉积物中粘土矿物的吸附位点被大部分有机质占据后,过量的有机质与MCs的相互作用所致。吸附热力学参数也证明了MCs在有机质明显不同沉积物中存在两种不同吸附机制,对有机质含量高的滇池福保湾沉积物为放热过程,而有机质含量低的太湖梅梁湾沉积物中的吸附为吸热过程。另外,pH对沉积物吸附MCs的影响也很大,随着pH的升高,沉积物的吸附量逐渐减少。通过揭示MCs在沉积物上的吸附行为及其机理,对于全面准确地认识MCs的环境归趋提供了重要的科学依据。
2)采用室内试验的方法模拟了水体沉积物的缺氧状态构建微宇宙系统,研究该条件下微生物降解过程对MCs的转化作用以及MCs降解途径和机理。结果显示MCs在缺氧条件下沉积物中的降解速率很快,经过两天左右滞后期,在第3天左右开始快速降解,1-6天内可降解至检测限以下。微囊藻细胞结合态毒素与水溶态毒素的降解规律基本一致,说明胞内毒素同样可以快速通过微生物降解去除。沉积物中MCs的缺氧生物降解对MCs的最终环境归宿起到关键的作用,相对其它自然归宿途径来说,沉积物中MCs的生物降解是去除MCs的主要自然归宿途径,降低了蓝藻毒素的生态风险性。