水體富營(yíng)養(yǎng)化及全球氣候變化雙重脅迫下，全球范圍內(nèi)淡水生態(tài)系統(tǒng)中藍(lán)藻水華暴發(fā)的頻率呈上升加劇趨勢(shì)。其中，微囊藻水華尤為嚴(yán)重，易在夏季出現(xiàn)并在水面聚集。微囊藻在失去浮力后會(huì)下沉到沉積物-水界面，當(dāng)細(xì)胞裂解時(shí)會(huì)釋放大量微囊藻毒素（microcystin，MCs）。然而，目前關(guān)于微囊藻及其次生代謝產(chǎn)物對(duì)底棲動(dòng)物優(yōu)勢(shì)種的潛在危害鮮有研究。中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所湖泊修復(fù)生態(tài)學(xué)學(xué)科組研究人員以蒼白搖蚊 (Chironomus pallipittatus）為研究對(duì)象，評(píng)價(jià)了微囊藻及其釋放溶解態(tài)毒素MC-LR對(duì)搖蚊的毒性作用及其機(jī)制。
研究發(fā)現(xiàn)，與不產(chǎn)毒惠氏微囊藻相比，產(chǎn)毒銅綠微囊藻明顯抑制幼蟲(chóng)累積羽化率和筑巢能力，幼蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)能力（即運(yùn)動(dòng)距離和速度）和成蟲(chóng)干重也顯著下降。銅綠微囊藻和惠氏微囊藻的混合喂養(yǎng)顯著抑制了幼蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)能力，提高了幼蟲(chóng)死亡率，這可能是兩種微囊藻協(xié)同作用的結(jié)果（圖1）。研究證實(shí)了有毒的銅綠微囊藻對(duì)搖蚊幼蟲(chóng)的行為和生活史特征產(chǎn)生明顯影響。
在上述研究基礎(chǔ)上，科研人員進(jìn)一步分析了溶解態(tài)微囊藻毒素（MCLR）對(duì)底棲無(wú)脊椎動(dòng)物搖蚊幼蟲(chóng)的急性與慢性毒性作用及其潛在作用機(jī)制（圖2-4）。在MC-LR較低濃度的暴露下，科研人員通過(guò)對(duì)C. pallipittatus生活史性狀、腸道菌群和轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)短期數(shù)十天內(nèi)幼蟲(chóng)的體長(zhǎng)和濕重明顯降低（35.61%和21.92%，圖2），幼蟲(chóng)羽化時(shí)間延長(zhǎng)，腸內(nèi)線粒體受損，氧化應(yīng)激增強(qiáng)，脂質(zhì)代謝紊亂，谷胱甘肽s轉(zhuǎn)移酶和超氧化物歧化酶分別升高了32.44%和17.41%。此外，研究還發(fā)現(xiàn)MC-LR改變了腸道菌群的多樣性和豐度，有利于致病菌和MC降解菌的生長(zhǎng)（圖3）。通過(guò)轉(zhuǎn)錄組分析，研究發(fā)現(xiàn)MC-LR脅迫下對(duì)照組與實(shí)驗(yàn)組有261個(gè)差異表達(dá)基因，MC-LR可通過(guò)刺激PPAR信號(hào)通路上調(diào)脂肪酸的生物合成和延伸引起搖蚊體內(nèi)脂質(zhì)積累，導(dǎo)致脂質(zhì)代謝失調(diào)。此外，低濃度MC暴露誘導(dǎo)的解毒作用和抗氧化反應(yīng)表明搖蚊幼蟲(chóng)具有潛在的MC-LR解毒能力（圖4）。
研究結(jié)果有助于了解有害藍(lán)藻水華及其釋放毒素對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊底棲動(dòng)物優(yōu)勢(shì)種搖蚊幼蟲(chóng)的影響及作用機(jī)理，并加深對(duì)底棲動(dòng)物優(yōu)勢(shì)種的生態(tài)學(xué)意義的認(rèn)知，為富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供理論指導(dǎo)。
上述研究成果分別發(fā)表于Science of The Total Environment和Environmental Pollution上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、中德國(guó)際合作項(xiàng)目以及中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)項(xiàng)目等的資助。
圖1.產(chǎn)毒和不產(chǎn)毒的微囊藻對(duì)搖蚊幼蟲(chóng)的行為和生活史的影響
圖2.MC-LR對(duì)C. pallipittatus發(fā)育和生活史性狀的影響：（a）濕重（mg；平均 SD）；（b）體長(zhǎng)（mm；平均 SD）；（c）累計(jì)羽化率（%）；（d）成蟲(chóng)干重（mg；平均 SD）；（e）性別比例。星號(hào)表示顯著性差異（P <0.05）
圖3.（a）MC-LR影響幼蟲(chóng)腸道菌群科水平上的多樣性。CK1-6和TA1-6分別為對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組；（b）對(duì)照組和處理組的細(xì)菌屬相對(duì)豐度差異顯著(P<0.05)；（c）主坐標(biāo)分析（PCoA）圖
圖4.MC-LR脅迫下蒼白搖蚊脂質(zhì)積累、細(xì)胞凋亡和解毒的潛在機(jī)制的機(jī)理示意圖
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所
