城市環境研究所所産毒藍藻的早期精准檢測取得進展

文章來源:城市環境研究所  |  發布時間:2021-11-19  |  【打印】 【關閉

  

  产毒蓝藻水华严重威胁水生态系统健康和饮用水安全,除了在浅水湖泊常见的微囊藻水华之外,新型水华蓝藻——拉氏尖头藻(Raphidiopsis raciborskii)由于其入侵性、高毒性、暴发性等特征日益受到关注。拉氏尖头藻是一种具有固氮能力的丝状水华蓝藻,曾被称为拉氏拟柱胞藻(Cylindrospermopsis raciborskii),具有产毒和无毒株系,其中产拟柱胞藻毒素的藻株主要分布在澳大利亚和东南亚地区的湖库水体。

  對于中國而言,拉氏尖頭藻可能是一種外來入侵物種。國際上普遍認爲拉氏尖頭藻是熱帶物種,起源于非洲,目前已傳播擴散到全球亞熱帶和溫帶地區。事實上,2000年以來在中國東南地區許多水庫型飲用水水源地陸續發生拉氏尖頭藻水華,水華形成之前的早期檢測、早期診斷、早期預警對藍藻水華防控十分關鍵。然而,經典的顯微鏡法、流式細胞儀方法不能區分産毒和無毒株系;直接測定擬柱胞藻毒素的高效液相色譜法需要富集大量水樣,水華發生之前很難檢測出毒素;普通的熒光定量PCR方法難于對低豐度藍藻進行有效監測。因此,亟需研發快速、簡便、靈敏、精准的方法,進行産毒拉氏尖頭藻早期檢測。

图1 (A) 中国福建省石兜水库和坂头水库的采样点(Yang et al., 2017)。(B) 拉氏尖头藻显微照片(比例尺=10 μm)

  2009-2010年厦门石兜、坂头水库发生过严重的拉氏尖头藻水华(亦称为拉氏拟柱胞藻水华),曾经导致水库供水功能丧失。中國科學院城市环境研究所水生态健康研究组(杨军团队)自2009年起,对石兜、坂头水库进行长期连续定位监测,发现受气候变化、人类活动和水文过程影响,低水位促进拉氏尖头藻水华发生(Yang et al., 2016. Science of the Total Environment 557/558: 445–452);升温可降低拉氏尖头藻水华发生的营养盐阈值,甚至中营养条件下发生蓝藻水华(Yang et al., 2017. Water Research 120: 52–63),水华可显著改变微型真核浮游生物群落(Liu et al., 2019. The ISME Journal 13: 2196–2208)。特别是在厦门枯水年份(2009–2010年、2014–2015年、2017–2018年、2020年),拉氏尖头藻均为绝对优势种,在石兜、坂头水库形成不同程度的水华。

  杨军团队在2018年成功分离、培养产毒拉氏尖头藻藻株后,利用纯培养的藻株建立了一种基于数字PCR(dPCR)的检测方法,可同时检测拉氏尖头藻与产拟柱胞藻毒素特异基因。数据显示,dPCR检测结果与qPCR方法和显微镜计数结果均具有较强的相关性,结果一致性较高。但是,在拉氏尖头藻低丰度情况下(1-105 cell L-1),dPCR精确度更高。此外,在检测环境样品时,dPCR方法检出率最高,尤其是在低丰度条件下优势更明显(图2)。

图2 dPCR、qPCR、高通量测序(HTS)和显微镜方法对222份环境样品中拉氏尖头藻和产毒基因的检测率

  建立的dPCR方法能夠快速、精准地同時評估環境樣品中的拉氏尖頭藻豐度和産毒潛力。dPCR方法具有操作簡便、省時高效、靈敏度高、重現性好等優點。首先,在實際應用中dPCR方法的最大優勢是檢測限低(圖3),能夠在水華發生之前檢測到低豐度拉氏尖頭藻,因此可以作爲風險管理中的早期預警信號。其次,dPCR方法在産毒拉氏尖頭藻鑒別方面獨具優勢,可以同時評估環境樣品中的拉氏尖頭藻及其産毒潛力。最後,dPCR方法應用于有害藍藻監測,可爲水庫型水源地管理部門和相關機構提供充足的預警時間,以實施管理優化措施,避免或減少有害藍藻造成的經濟損失和健康風險。

图3 不同方法对应的拉氏尖头藻检测范围

  研究结果以Precision early detection of invasive and toxic cyanobacteria: a case study of Raphidiopsis raciborskii为题发表在学术期刊Harmful Algae, 2021, 110: 102125。博士生谭凤娇为第一作者,杨军研究员为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、福建省自然科学基金等项目的资助。

  論文鏈接