地表水中微囊藻毒素的危害与控制综述

第25卷第1期暨南大学学报(自然科学版)　　Vol.25No.1　　　　　　2004年2月　　　JournalofJinanUniversity　Feb.

2004　　　(NaturalScience)　　

地表水中微囊藻毒素的危害与控制(综述)

王朝晖1,　许忠能1,　胡　韧1,　林秋奇1,

韩博平1,　章诗芳2

(1.暨南大学水生生物研究所,广东广州510632;

2.广州市自来水公司水质部,广东广州510160)

[摘　要]　微囊藻毒素(microcystin,MC)是一类环状多肽类物质,具有很强的肝毒性.微囊藻毒素在我国淡水水体分布广泛,许多大型水体和供水水库都已发生微囊藻水华,一些城市饮用水源受到污染.检测水体微囊藻毒素的方法主要有高效液相色谱(HPLC)和酶联免疫法(ELISA),但目前仍缺乏一种快速、经济的常规检测方法.要控制饮用水源中微囊藻毒素的含量,除了物理、化学、生物等去除手段外,水体富营养化防治是最有效、也是最根本的控制手段.

[关键词]　微囊藻毒素;　地表水;　肝毒素;　监测技术;　控制方法

[中图分类号]　X17115　　[文献标识码]　A　　[文章编号]　1000-9965(2004)01-0110-06　　我国城市饮水的主要来源为河流、湖泊(含水库)等地面水体.随着工农业的发展以及生活水平的提高,大量富含营养物质的工农业废水和生活污水排入水体,使水体富营养化进程加快、程度加剧.其结果导致一些小型的耐污性蓝绿藻大量繁殖生长,水华时常发生.许多蓝藻能产生以微囊藻毒素(microcystin,MC)为代表的毒素,危害人类健康[1].目前我国已有许多饮用水源发生蓝藻水华并监测出微囊藻毒素[2～5].本文介绍了微囊藻毒素的来源、危害、检测、控制方面的研究动态及其在我国地表水中的分布和危害,为水资源特别是饮用水资源的保护和可持续发展提供参考.

1　微囊藻毒素的来源及结构和性质

微囊藻毒素(MC)是由蓝藻中的微囊藻属(Microcystis)、鱼腥藻属(Anabaena)、颤藻属(Oscillatoria)及念珠藻属(Nostoc)的某些种类或品系产生的次生代谢产物[1].

MC是一类单环七肽物质,一般结构为环(D-丙氨酸-L-X-赤-β-甲基-D异天冬氨酸-L-Y-Ad2da-D-异谷氨酸-N-甲基脱氢丙氨酸,其中Adda为一种特殊的氨基酸,结构为3-氨基-9-甲氧基-2,6,8-三甲基-10-苯-4,6-二烯酸,X、Y为两种可变的L氨基酸.由于X、Y两种L氨基酸的不同以及天冬氨酸、脱氢丙氨酸的甲基化(去甲基化),可以构成不同的异构体,目前已从不同的微囊藻藻株中分离鉴定出60多种异构体,其中存在最普遍也是含量较多的是LR、RR、YR,其中L、R、Y代表亮氨酸、精氨酸和酪氨酸.

由于环状结构和间隔双键,微囊藻毒素具有相当的稳定性,加热到300℃很长时间仍未能使之分解,而且尽管它们是多肽类物质,但普通的蛋白质水解酶对它们不起作用[6].微囊藻毒素在阳光下也较稳定,但在蓝藻色素存在的条件下或在微生物的作用下,光降解速度加快[7].[收稿日期]　2003-06-26

[基金项目]　广东省科技攻关项目(2003C32902),广东省水利厅水资源保护重点项目

[作者简介]　王朝晖(1968-),女,副教授,副教授,研究方向:污染生态学和生态毒理学.

© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.

第1期王朝晖等:　地表水中微囊藻毒素的危害与控制(综述)

　　1112　微囊藻毒素的毒性和危害

微囊藻毒素主要作用于肝细胞和肝巨噬细胞,诱导肝巨噬细胞中白细胞介素I的产生,强烈抑制肝细胞中蛋白磷酸酶的活性[8],毒性作用主要表现为肝中毒.

微囊藻毒素与人类健康密切相关,由微囊藻毒素所引起的人类急性、慢性中毒事件时有报道.近30年来,约有10000人由于饮用或直接接触污染微囊藻毒素的水而造成急性中毒,其中100多人死亡[9].特别是在1996年,巴西的一个血液渗透中心,由于使用了被微囊藻毒素污染的水而导致116位血液渗透病人出现急性肝中毒症状,其中53人死亡[10].由于饮用水源中毒素含量一般较低,人们较为普遍关注的是微囊藻毒素所引起的慢性中毒.微囊藻毒素是一种强的肝致癌物质,长期接触可引起肝癌.流行病学调查显示,在我国东南沿海一些地区如江苏海门、启东和广西绥远地区的原发性肝癌与饮用水源中微囊藻毒素高本底含量密切相关[11～14].为了确保饮用水的安全健康,1998年国际卫生组织(WHO)出版的《饮用水卫生基准》制定了微囊藻毒素的饮用水标准,推荐源水中LR的标准为1μg/L,我国卫生部也在2001年颁布的《生活饮用水卫生规范》中推荐饮用水源水中微囊藻毒素含量标准,与WHO相同.

　　微囊藻对动物也具有一定毒性,家畜及野生动物饮用了含微囊藻毒素的水后,会出现腹泻、乏力、厌食、呕吐等症状,甚至死亡.自从1878年Francis首次报道了微囊藻毒素引起动物中毒死亡事件后,世界各地由微囊藻毒素引起鸟类、鱼类、家畜中毒事件频繁发生,我国内蒙古达赉湖由于鱼腥藻、微囊藻水华,每年都造成牛羊等家禽死亡[5].

虽然有报道认为微囊藻水华能引起鱼类和浮游动物的大量死亡[15],实验室研究也证实了微囊藻毒素对鱼类和浮游动物有一定的毒性,但也有研究表明,鲢鱼能被利用控制微囊藻水华,作为富营养化的一种生物防治手段[16].总体来说微囊藻毒素对水生生物如鱼类、浮游动物的急性毒性不大,在动物体内也无较强的生物积累作用,但能影响它们的生长、繁殖和行为等.可能由于微囊藻毒素是一种细胞内毒素,微囊藻群体被水生动物滤食时,细胞未被完全破坏消化,水生动物取食首先从胶囊和附着在胶囊上的细菌获得营养,毒素没有充分释放出来,因此对水生动物的毒害较小.

3　微囊藻毒素在我国地面水的分布

随着水体富营养化程度的加重,我国淡水水体水华发生的频率越来越高,规模也越来越大,而且在我国大多数淡水水体发生的蓝藻水华的优势种类主要是微囊藻,其中80%是产毒种类.自20世纪70年代以来,我国许多大型湖泊都发生了大规模微囊藻水华,90年代以后,水体污染程度加剧,水华几乎每年都有发生.滇池的微囊藻水华常年不消退,水质腐败,毒素含量居高不下,使附近自来水厂被迫关闭[17].值得注意的是,目前我国一些供水水库也常发生有毒的微囊藻水华.

我国城市饮用水源多为河流、湖泊、水库等地面水,湖泊、水库等淡水水体发生的有毒微囊藻水华直接危害到居民的身体健康.调查研究结果还显示,我国一些地区水源水中的微囊藻毒素质量浓度已超过国际卫生组织的标准(1μg/L)[3],个别地区夏季出厂水毒素含量超过使人慢性中毒阈值(011μg/L).在广大的农村地区,饮用水来源于河滨水、池塘水及浅井水,我国东南沿海一些市县如浙江的海宁[12]、江苏的启东和海门[13]、广西的扶绥[14]等是原发性肝癌、大肠癌高发区,这些地区饮用水中微囊藻毒素LR质量浓度最高可超过1μg/L.4　微囊藻毒素的分析监测

水体中微囊藻毒素对人类健康具有较大的潜在危害,要确保饮用水安全和人类健康,就有必要对水体中毒素进行监测和危险评估,而高效、灵敏、经济的监测技术是普及毒性常规监测的关键,现在用于微囊藻分析监测方法主要有生物监测法、化学监测法、生物化学监测法等.

生物监测法是最直观、最经济的监测方法,提取毒素后直接对小鼠进行腹腔注射,根据小鼠的死亡时间来确定毒性大小.此方法灵敏度低,只能监测到具有急性毒性效应的毒素浓度,而且实验结果与小鼠的品系有关,结果之间可比性较差,目前一般较少采用.

© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.

　　112暨南大学学报(自然科学版)2004

年

化学分析法包括气相色谱(GC)、薄层色谱(TLC)、高效液相色谱(HPLC)、液相色谱/质谱分析(LC/MS)等,其中运用最为广泛的为HPLC.目前HPLC一般采用紫外检测器进行检测,监测限一般为ng级.HPLC测定往往需要标准样品,而目前已发现微囊藻毒素60多种,大多数缺少标准样品,这很大程度上限制了微囊藻毒素的定性、定量监测,但对于常见的几种毒素都有标准毒素出售,因此,用HPLC方法监测毒素含量是目前常规监测的主要方法之一.

生物化学分析微囊藻毒素主要有酶联免疫(ELISA)技术和蛋白磷酸酶抑制监测(ProteinPhosphataseInhibi2tionAssay,PPIA)技术.20世纪80年代开始,ELISA技术应用于微囊藻毒素的监测中,此后ELISA方法不断得到完善和发展.Chu等[18]首先提出了用ELISA方法监测微囊藻毒素的完整步骤,监测限度为012μg/L,随后1995年Nagata等[19]建立起一套完整的ELISA监测技术,其监测限为25ng/L.ELISA方法专一性强、灵敏度高、操作简便,而且目前已有毒素LR的商品试剂盒出售,灵敏度可达ng/L级水平,是一种很有发展潜力的方法.但ELISA法只能监测某一特定毒素,对某些毒素的交叉反应低,不能监测所有的毒素,而且试剂盒(Microcystintestkit)目前费用过高,在一定程度上阻碍了其在常规监测中的运用.PPIA技术主要根据微囊藻毒素能抑制蛋白磷酸酶I和2A的活性,从而通过酶活性的受抑制程度来监测毒素含量,该技术监测限度可达pg级[20],而我国一些科研机构也在这方面作了一些研究工作[21,22].这种监测技术灵敏度高,但监测的是毒素总量,而且蓝藻本身具有的内源蛋白磷酸酶活性有可能使监测结果偏低.

由于特殊的多肽合成酶基因mcyB仅存在于产毒的微囊藻藻株中,因此可通过对该基因的PCR扩增、检测来判断产毒株和非产毒株微囊藻[23].微囊藻产毒特征的PCR监测法仅局限于产毒株和非产毒株的判断,不能定性、定量监测毒素含量,此外DNA样品的制备过程复杂,限制了该方法的推广运用.此方法一般可应用于有毒微囊藻分布规律研究及有毒水华的预测预警.

5　微囊藻毒素的控制

要减少微囊藻毒素对人类健康所造成的危害,必需控制饮用水源中微囊藻毒素污染.调查结果显示农村深水井中几乎未检出微囊藻毒素,以深水井为饮用水源的人群肝癌的发病率也明显低于饮用河滨水、池塘水和浅井水人群[13],因此解决了农村饮用水源问题,就能有效地控制地域性肝癌的发病率.此外,饮用水出厂水中微囊藻毒素含量与其在源水含量正相关,要控制城市自来水中微囊藻毒素的含量,应当控制源水中毒素的污染,也就是说防止水体有毒蓝藻水华的发生.

蓝绿藻水华是水体富营养化的必然结果,而水体富营养化的防治则是控制蓝绿藻水华最根本且有效的措施.要控制水体富营养化首先要控制营养盐的输入,降低水体营养水平,从而限制藻类特别是蓝绿藻的生长,达到控制水华和微囊藻毒素含量的目的.由于淡水水体大多为磷限制性水体,但随着含磷洗涤剂的大量使用,富磷的生活污水排入水体,使藻类生长不再受到水体中磷含量的限制.在这种条件下,微囊藻极易占据优势,形成有毒微囊藻水华,并抑制其他浮游植物的生长.因此,应提倡使用含磷量少或不含磷的洗涤剂,控制磷的输入,从而防止有毒蓝藻水华的发生.

蓝藻水华还可以通过物理、化学和生物方法进行控制和治理.机械的物理除藻方法费用比较大,技术成分较高,一般较少采用;化学方法使用杀藻剂除藻,比较快速高效,能较大程度地改善景观,但藻细胞死亡后仍向水体释放毒素,毒素并未清除出水体,此外,杀藻剂是重金属盐等化学物质,易对水体造成二次污染;而利用黏土[24]及经水降解的水稻草、大麦秸[25]等天然无毒物质对微囊藻水华有较好的治理作用.生物手段主要是利用水生高等植物对营养物质的竞争[26]及其对藻类生长的克制作用[27]、食草性鱼类的牧食[16]、光合细菌对微环境的修复[28]等来抑制蓝藻的生长,从而控制蓝藻水华.中科院水生生物研究所通过多年的研究,在武汉东湖放养鲢、鳙等食草性鱼类,并种植水生高等植物,成功地控制了东湖的富营养化,使其14年未再爆发微囊藻水华[29].利用有益微生物群落修复和重建水体微生态平衡是富营养化治理的一个新课题,目前我国已有一些有关技术应用于城市景观湖泊富营养化治理上,证实能有效地增加水体透明度,降低营养盐浓度和叶绿素a含量,并且其恢复过程具有不可逆性[28].因此,微生物技术在大型水体富营养化治理方面的应用具有广

© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.

第1期

阔的前景.王朝晖等:　地表水中微囊藻毒素的危害与控制(综述)

　　113

对于饮用源水中的微囊藻及其毒素也需寻求经济、快速、高效的水处理方法进行去除.由于微囊藻毒素具有较强的热稳定性,普通的加热煮沸不能消除和减轻毒性.混凝沉淀、活性炭吸附及水过滤系统等物理处理手段对毒性具有一定的去除作用,而利用臭氧、氯气、次氯酸钠、高锰酸钾等化学氧化剂能有效去除毒素[30],但真正经济有效的去除手段和水处理工艺还有待进一步研究探讨.

[参考文献]

[1]　LAWTONLA,CODDGA.Cyanobacteria(blue-greenalgae)toxinsandtheirsignificanceinUKandEuropean

waters[J].JInstWaterEnvironManage,1991,5:461-465.

[2]　孟玉珍,张　丁,王兴国等.郑州市水源水藻类和藻类毒素污染调查[J].卫生研究,1999,28(2):100

-101.

[3]　董传辉,俞顺章,陈　刚等.某湖周围水厂源水及出厂水微囊藻毒素调查[J].卫生研究,1998,27(2):

100-102.

[4]　董传辉,俞顺章,陈　刚等.江苏几个地区与某湖周围水厂不同类型水微囊藻毒素调查[J].环境与健

康杂志,1998,15(3):111-113.

[5]　乔明彦,何振荣,沈　智等.达赉湖鱼腥藻水华对羊的毒害作用及毒素分离[J].内蒙古环境保护,

1996,8(1):19-20.

[6]　DUYTN,LAMPKS,SHAWGR,etal.Toxicologyandriskassessmentoffreshwatercyanobacteria(blue-green

algae)toxicinwater[J].RevEnvironContamToxicon,2000,163:113-186.

[7]　TSUJIK,WATANUKITT,KONDOF,etal.Stabilityofmicrocystinsfromcyanobacteria-II.EffectofUVlighton

decompositionandisomerization[J].Toxicon,1995,33:1619-1631.

[8]　李效宇,宋立荣,刘永定.微囊藻毒素的产生、检测和毒理学研究[J].水生生物学报,1999,23(5):517

-523.

[9]　CODDGA.Cyanobacterialtoxins,theperceptionofwaterquality,andtheprioritisationofeutrophicationcontrol

[J].EcologicalEngineering,2000,16:51-60.

[10]　AZEVEDOSMFO,CARMICHAELWW,JOCHIMSENEM,etal.Humanintoxicationbymicrocystinsduring

renaldialysistreatmentinCaruaruBrazil[J].Toxicology,2002,181-182:441-446.

[11]　俞顺章,赵　宁,资小林等.饮水中微囊藻毒素与我国原发性肝癌关系的研究[J].中华肿瘤杂志,

2001,23(2):96-99.

[12]　周　伦,鱼　达,余　海等.饮用水源中的微囊藻毒素与大肠癌发病的关系[J].中华预防医学杂志,

2000,34(4):224-226.

[13]　陈　刚,俞顺章,卫国荣等.肝癌高发区不同饮用水类型中微囊藻毒素含量调查[J].中华预防医学杂

志,1996,30(1):6-9.

[14]　张明东,俞顺章,梁任详等.广西扶绥县原发性肝癌病例对照研究[J].中华流行病学杂志,1993,14

(1):14-17.

[15]　PENALOZAR.ToxicityofasolublepeptidefromMicrocystinsp.tozooplanktonandfish[J].FreshwaterBiol,

1990,24:233-240.

[16]　陈少莲,刘肖芳,胡传林等.论鲢、鳙对微囊藻的消化利用[J].水生生物学报,1990,14(1):49-58.

[17]　刘丽萍.滇池水华特征及成因分析[J].环境科学研究,1999,12(5):36-37.

[18]　CHUFS,HUANGX,WEIRD.Enzyme-linkedimmunosorbentassayformicrocystinsinblue-greenalgal

blooms[J].JAssoAnalChem,1990,73:451-456.

[19]　NAGATAS,SOUTOMEH,YOSHIDAF,etal.Novelmonoclonalantibodiesagainstmicrocystinandtheirprotec2

tiveactivityforhepatotoxicity[J].NatToxins,1995,3(2):78-86.

© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.

　　114暨南大学学报(自然科学版)2004

年

[20]　HONKANENRE,CAPLANFR.Developmentofaproteinphosphatases-basedassayfordetectionofphosphatase

inhibitorsincrudewholecell/animalextracts[J].Toxicon,1996,34(2):307-308.

[21]　徐立红,陈家平,许建明等.微囊藻毒素对蛋白磷酸酶抑制作用的研究[J],环境科学学报,1999,19

(5):536-539.

[22]　XULH,LAMRKS,http://wendang.chazidian.comeofproteinphosphataseinhibitionassaytodetectmicrocystinsinDonghu

LakeandafishpondinChina[J].Chemosphere,2000,41:53-58.

[23]　NEILANBA,DITTMANNE,BORNERT.Nornribosomalpeptidesynthesisandtoxigenicityofcyanobacteria[J].J

Bacteriol,1999,181(13):4089-4097.

[24]　MORRISRJ,WILLIAMSDE,LUUHA,etal.Theadsorptionofmicrocystin-LRbynaturalclayparticles[J].

Toxicon,2000,38:303-308.

[25]　万　宏,张　昀.降解稻草对蓝藻生长的抑制作用[J].北京大学学报(自然科学版),2000,36(4):485

-488.

[26]　王国详,濮培民,张圣照等.人工复合生态系统太湖局部水域水质的净化作用[J].中国环境科学,

1998,18(5):410-414.

[27]　庄源益,赵　凡.高等水生植物对藻类生长的克制作用[J].环境科学进展,1995,3(6):44-49.

[28]　于　明,周云龙.从浮游植物的变化看光合细菌在治理富营养化水体中的作用[J].北京师范大学学

报(自然科学版),2001,37(5):680-684.

[29]　刘健康,谢　平.揭开武汉东湖水华消失之迷[J].长江流域资源与环境,1999,8:312-316.

[30]　穆丽娜,俞顺章.消除水中蓝绿藻肝毒研究进展[J].环境与健康杂志,2000,17(1):55-58.

Adverseeffectsandcontrolofmicrocystins

insurfacewater(Areview)

WANGZhao-hui1,　XUZhong-neng1,　HURen1,　LINQiu-qi1,

HANBo-ping1,　ZHANGShi-fang2

(1.InstitueofHyddrobiology,JinanUniversity,Guangzhou510632,China;

)2.Dept.ofWaterQuality,WaterSupplyCompanyofGuangzhou,Guangzhou510160,China

[Abstract]　Microcystin(MC)isakindofhepatotoxicpeptideproducedbysomespeciesofcyanophyta(bluealgae),whichdistributeinworldwideeutrophicwater.MChascausedpoisoningofanimalsandposedhumanhealthyhazardsaswell.MCoccurswidelyinChina,wheretoxicblue-greenalgalbloomsoccurredfrequentlyandintensivelyinlakesandreservoirs.Moreover,eventhedrinking-waterresourceshavebeencontaminatedbyMCinsomeplaces.ThemaintechniquesforMCassessmentareHPLCandELISA,however,norapidandeconomicmethodshavebeenusedingeneralmonitoringyet.Thecontrolmethodssuchasphysical,chemicalandbiologicalwayshavebeendevelopedtoimprovedrinkingwaterquality.Whereas,preventionfurtherdeteriorationofwaterqualityandrestorationofeutrophicwaterarethemostefficientandbasicwaysandalsourgenttasksforustoeliminateMCindrinkingwaterresources.

[Keywords]　microcystin;　surfacewater;　hepatotoxin;　monitoringtechniques;　controlmethod

[责任编辑:黄建军]

© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.