水體富營養(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)中藍藻水華暴發(fā)的頻率呈上升加劇趨勢。其中，微囊藻水華尤為嚴重，易在夏季出現(xiàn)并在水面聚集。微囊藻在失去浮力后會下沉到沉積物-水界面，當細胞裂解時會釋放大量微囊藻毒素（microcystin，MCs）。然而，目前關于微囊藻及其次生代謝產(chǎn)物對底棲動物優(yōu)勢種的潛在危害鮮有研究。中國科學院水生生物研究所湖泊修復生態(tài)學學科組研究人員以蒼白搖蚊 (Chironomus pallipittatus）為研究對象，評價了微囊藻及其釋放溶解態(tài)毒素MC-LR對搖蚊的毒性作用及其機制。

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累積羽化率和筑巢能力，幼蟲運動能力（即運動距離和速度）和成蟲干重也顯著下降。銅綠微囊藻和惠氏微囊藻的混合喂養(yǎng)顯著抑制了幼蟲的運動能力，提高了幼蟲死亡率，這可能是兩種微囊藻協(xié)同作用的結果（圖1）。研究證實了有毒的銅綠微囊藻對搖蚊幼蟲的行為和生活史特征產(chǎn)生明顯影響。

在上述研究基礎上，科研人員進一步分析了溶解態(tài)微囊藻毒素（MCLR）對底棲無脊椎動物搖蚊幼蟲的急性與慢性毒性作用及其潛在作用機制（圖2-4）。在MC-LR較低濃度的暴露下，科研人員通過對C. pallipittatus生活史性狀、腸道菌群和轉錄組進行分析，發(fā)現(xiàn)短期數(shù)十天內(nèi)幼蟲的體長和濕重明顯降低（35.61%和21.92%，圖2），幼蟲羽化時間延長，腸內(nèi)線粒體受損，氧化應激增強，脂質(zhì)代謝紊亂，谷胱甘肽s轉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（圖3）。通過轉錄組分析，研究發(fā)現(xiàn)MC-LR脅迫下對照組與實驗組有261個差異表達基因，MC-LR可通過刺激PPAR信號通路上調(diào)脂肪酸的生物合成和延伸引起搖蚊體內(nèi)脂質(zhì)積累，導致脂質(zhì)代謝失調(diào)。此外，低濃度MC暴露誘導的解毒作用和抗氧化反應表明搖蚊幼蟲具有潛在的MC-LR解毒能力（圖4）。

研究結果有助于了解有害藍藻水華及其釋放毒素對富營養(yǎng)化湖泊底棲動物優(yōu)勢種搖蚊幼蟲的影響及作用機理，并加深對底棲動物優(yōu)勢種的生態(tài)學意義的認知，為富營養(yǎng)化湖泊的生態(tài)風險評價提供理論指導。

上述研究成果分別發(fā)表于Science of The Total Environment和Environmental Pollution上。研究工作得到國家自然科學基金面上項目、中德國際合作項目以及中科院青年創(chuàng)新促進會項目等的資助。

圖1.產(chǎn)毒和不產(chǎn)毒的微囊藻對搖蚊幼蟲的行為和生活史的影響

圖2.MC-LR對C. pallipittatus發(fā)育和生活史性狀的影響：（a）濕重（mg；平均 SD）；（b）體長（mm；平均 SD）；（c）累計羽化率（%）；（d）成蟲干重（mg；平均 SD）；（e）性別比例。星號表示顯著性差異（P <0.05）

圖3.（a）MC-LR影響幼蟲腸道菌群科水平上的多樣性。CK1-6和TA1-6分別為對照組和實驗組；（b）對照組和處理組的細菌屬相對豐度差異顯著(P<0.05)；（c）主坐標分析（PCoA）圖

圖4.MC-LR脅迫下蒼白搖蚊脂質(zhì)積累、細胞凋亡和解毒的潛在機制的機理示意圖

來源：中國科學院水生生物研究所