徐杜敏，余 麗,*，張 民，楊厚云，李衛(wèi)華，王 嶸，苑惠麗，強(qiáng)俊杰

(1.安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽合肥 230601；2.環(huán)境污染控制與廢棄物資源化利用安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230601；3.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210008；4.金陵科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇南京 211169)

隨著人類生產(chǎn)生活的不斷加快，水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象日益嚴(yán)重，導(dǎo)致越來(lái)越多的湖泊、水庫(kù)發(fā)生藍(lán)藻水華[1]。藍(lán)藻水華不僅導(dǎo)致水生態(tài)系統(tǒng)和水體功能受到影響和破壞，而且產(chǎn)生的藻毒素直接危害著人類健康和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展[2]。常見(jiàn)的藍(lán)藻水華類型主要有微囊藻(Microcystis)、長(zhǎng)孢藻(Dolichospermum)、束絲藻(Aphanizomenon)、擬柱胞藻(Cylindrospermopsis)等[3]。其中，微囊藻水華的研究關(guān)注度最高，全球暴發(fā)的藍(lán)藻水華85%以上都是以微囊藻為優(yōu)勢(shì)種[4]。然而，隨著研究不斷深入，再加上其他藍(lán)藻的不斷擴(kuò)張，長(zhǎng)孢藻優(yōu)勢(shì)逐漸增加，成為繼微囊藻之后暴發(fā)最為廣泛的藍(lán)藻水華，因其毒性、暴發(fā)性而日益受到關(guān)注[3-5]。長(zhǎng)孢藻的絲體形狀和細(xì)胞形態(tài)具有多樣性，能夠形成水華的種類繁多，還能產(chǎn)生多種類型的藻毒素。此外長(zhǎng)孢藻對(duì)氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的利用效率高，對(duì)水溫和光照強(qiáng)度的適應(yīng)性強(qiáng)，在富營(yíng)養(yǎng)化的湖泊和水庫(kù)中可快速繁殖生長(zhǎng)，頻繁形成水華[5-6]。

長(zhǎng)孢藻可以產(chǎn)生多種藻毒素，特別是魚(yú)腥藻毒素-a(anatoxin-a，ATX-a)和魚(yú)腥藻毒素-a(s)[anatoxin-a(s)，ATX-a(s)]，已有多起報(bào)道證實(shí)其會(huì)對(duì)水生動(dòng)植物產(chǎn)生不利影響[7-9]，是多起家畜和野生動(dòng)物中毒事件的元兇[10-11]，若不慎接觸或通過(guò)飲用污染水等途徑攝入均可能導(dǎo)致中毒。隨著全球氣候變暖和水體富營(yíng)養(yǎng)化的加劇，長(zhǎng)孢藻已經(jīng)基本遍布全球，從最北部的芬蘭到南部的新西蘭，包括了北溫帶以及亞熱帶、熱帶和南溫帶區(qū)域，全球諸多地區(qū)的淡水飲用水水源地都檢測(cè)到長(zhǎng)孢藻的存在[7,12]。

長(zhǎng)孢藻在淡水水體中的不斷擴(kuò)張，將給人類的用水安全帶來(lái)更大挑戰(zhàn)。雖然目前對(duì)長(zhǎng)孢藻的生理特性有了一定的研究，但仍較為淺顯，而且關(guān)于長(zhǎng)孢藻的產(chǎn)毒特性、危害及其影響因素等研究也相對(duì)匱乏。鑒于長(zhǎng)孢藻的危害性，加強(qiáng)產(chǎn)毒長(zhǎng)孢藻的監(jiān)測(cè)，對(duì)保障水生態(tài)安全具有十分重要的意義。本文通過(guò)對(duì)長(zhǎng)孢藻的全球分布、長(zhǎng)孢藻的生理生態(tài)特征、監(jiān)測(cè)等方面進(jìn)行概述，并對(duì)相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了展望，為長(zhǎng)孢藻水華暴發(fā)機(jī)理和有效控制的研究提供理論參考。

1 長(zhǎng)孢藻的分類

長(zhǎng)孢藻屬是在2009年Wacklin等[13]依據(jù)分子手段將浮游性的魚(yú)腥藻屬種類從原來(lái)的魚(yú)腥藻屬分離出來(lái)成立的一個(gè)新屬，具有氣囊，可調(diào)節(jié)細(xì)胞浮力，營(yíng)浮游生活，被認(rèn)為是除微囊藻外最易發(fā)生藍(lán)藻水華的類群。Wacklin等[13]命名長(zhǎng)孢藻屬時(shí)，指出長(zhǎng)孢藻屬和魚(yú)腥藻屬區(qū)別的主要形態(tài)學(xué)依據(jù)就是藻絲細(xì)胞是否含有氣囊，而藻絲長(zhǎng)度、異形胞和厚壁孢子的形態(tài)是鑒定長(zhǎng)孢藻屬下不同種類的主要形態(tài)學(xué)特征[14]。長(zhǎng)孢藻屬中的一些常見(jiàn)的藻種有螺旋長(zhǎng)孢藻、水華長(zhǎng)孢藻和卷曲長(zhǎng)孢藻等，在富營(yíng)養(yǎng)化的湖泊、水庫(kù)中往往可以形成水華(圖1)。

圖1 常見(jiàn)長(zhǎng)孢藻Fig.1 Common Dolichospermum

2 長(zhǎng)孢藻的全球分布

長(zhǎng)孢藻水華在全球范圍內(nèi)普有發(fā)生，歐洲、美洲、南非、亞洲、澳洲都有相關(guān)報(bào)道[5]。20世紀(jì)初開(kāi)始，美國(guó)伊利湖的富營(yíng)養(yǎng)化程度日趨加重，浮游藻類的數(shù)量也不斷增加，長(zhǎng)孢藻的生物量?jī)H次于微囊藻[15]；同樣在20世紀(jì)80年代，日本的琵琶湖也出現(xiàn)了長(zhǎng)孢藻水華[16]；在芬蘭、加拿大、澳大利亞等淡水湖中都發(fā)現(xiàn)了長(zhǎng)孢藻的存在。國(guó)內(nèi)云南、安徽、江蘇、等地淡水湖泊中共計(jì)發(fā)現(xiàn)50多種長(zhǎng)孢藻[17]。長(zhǎng)孢藻在云南滇池的初春季節(jié)、洱海的夏季[18]、安徽巢湖的春秋兩季[19]、江蘇太湖的初春季節(jié)[20]成為優(yōu)勢(shì)種群并形成水華。諸多報(bào)道證明長(zhǎng)孢藻除南極洲以外的幾大洲均有分布(表1)。

表1 長(zhǎng)孢藻出現(xiàn)地區(qū)及產(chǎn)毒類型Tab.1 Occurrence Area of Dolichospermum and Type of Toxin Production

早期研究者認(rèn)為產(chǎn)毒長(zhǎng)孢藻只分布在加拿大和歐洲北緯地區(qū)[10]，但隨著時(shí)間的推移發(fā)現(xiàn)產(chǎn)毒長(zhǎng)孢藻也基本遍布全球，如表1所示，截至2020年,產(chǎn)毒的長(zhǎng)孢藻還出現(xiàn)在美國(guó)、俄羅斯、澳大利亞、巴西、中國(guó)等地。研究者認(rèn)為水體富營(yíng)養(yǎng)化和全球氣候變暖是造成長(zhǎng)孢藻水華頻繁暴發(fā)的重要原因[7]，當(dāng)然這與長(zhǎng)孢藻本身對(duì)氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽高效的利用率、人類的活動(dòng)以及鳥(niǎo)類等動(dòng)物的傳播也有關(guān)系。

3 長(zhǎng)孢藻的生理生態(tài)特征

3.1 形態(tài)特征

長(zhǎng)孢藻呈細(xì)絲狀，多數(shù)是直的，也有呈卷曲狀，其藻絲及細(xì)胞形態(tài)具有較高的多樣性。藻絲單一，或群集成群體；自由漂浮，或黏附基質(zhì)上。整條藻絲粗細(xì)一致，或兩端稍變細(xì)，有的藻絲外面有透明、無(wú)色的水樣膠鞘。長(zhǎng)孢藻藻絲長(zhǎng)度一般在15～2 400 μm，主要由2種形狀不同的細(xì)胞組成，一連串形狀較小的細(xì)胞稱之為營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞，而形態(tài)較大的細(xì)胞稱為異形細(xì)胞[7,38]。營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞能進(jìn)行類似于高等植物的光合作用，其原生質(zhì)體均勻或有顆粒，有的充滿許多偽空胞，而異形細(xì)胞常位于藻絲的中間和末端，呈球形、橢圓形、圓柱形，能進(jìn)行固氮作用，在水體中缺乏無(wú)機(jī)氮源時(shí)，藻絲中的一些營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞會(huì)轉(zhuǎn)化為異形胞，固定大氣中的氮?dú)猓瑸槠渖L(zhǎng)繁殖提供了保證[39-41]；厚壁孢子或僅生在異形胞的一側(cè)或兩側(cè)，或僅在遠(yuǎn)離異形胞處發(fā)生，單一或數(shù)個(gè)相接成串，常大于營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞，一般為圓球形或兩端變圓的圓柱形，每條藻絲亦呈念珠狀。Guan等[42]發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)孢藻可以改變細(xì)胞的形態(tài)和群體大小來(lái)適應(yīng)環(huán)境，在巢湖的秋末冬初時(shí)期，長(zhǎng)孢藻是以最大的細(xì)胞直徑，來(lái)獲得生存優(yōu)勢(shì)，其群體的大小和藻細(xì)胞的直徑呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。長(zhǎng)孢藻在自然水體中常聚集形成群體，以便獲得更大的生存優(yōu)勢(shì)，室內(nèi)培養(yǎng)的長(zhǎng)孢藻都是呈單體的狀態(tài)，無(wú)法聚集成群體。

3.2 繁殖特征

長(zhǎng)孢藻適應(yīng)性強(qiáng)，是淡水藍(lán)藻水華中除微囊藻之外的又一類常見(jiàn)優(yōu)勢(shì)種群，其廣泛分布在我國(guó)湖泊、河流、水庫(kù)等淡水水體[17-18,38]。隨著全球氣候變暖，長(zhǎng)孢藻的生長(zhǎng)范圍逐漸擴(kuò)大，可在溫帶和亞熱帶水體中成為優(yōu)勢(shì)種[7]。長(zhǎng)孢藻屬喜溫生物，經(jīng)常出現(xiàn)在夏季，但因其溫度適應(yīng)性廣，故在其他季節(jié)長(zhǎng)孢藻也可大量生長(zhǎng)繁殖形成水華。長(zhǎng)孢藻的異形胞可以固氮，當(dāng)?shù)床蛔銜r(shí)可固定氮來(lái)滿足自身生長(zhǎng)的需求，同時(shí)偽空胞還可以提供自主沉浮的條件，所以長(zhǎng)孢藻在營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)和光合同化作用中處于優(yōu)勢(shì)地位[13,37]，如果此時(shí)磷源充足，長(zhǎng)孢藻就極可能暴發(fā)水華。長(zhǎng)孢藻水華暴發(fā)會(huì)產(chǎn)生一系列的水質(zhì)問(wèn)題，如水體散發(fā)異味、藻毒素含量增高、水體溶解氧下降等，對(duì)水生生物以及人類健康構(gòu)成威脅。

3.3 產(chǎn)毒和產(chǎn)嗅特征

長(zhǎng)孢藻能夠產(chǎn)ATX-a、ATX-a(s)、微囊藻毒素(microcystin，MC)和麻痹性貝類毒素(paralytic shellfish poisons，PSPs)等多種毒素。其中，最主要的是ATX-a，20世紀(jì)60年代初，最先從水華魚(yú)腥藻NRC-44中分離出ATX-a，分子式是C10H15NO，相對(duì)分子質(zhì)量為165[43]。ATX-a是一類具有神經(jīng)毒性的小分子二環(huán)結(jié)構(gòu)的二級(jí)胺生物堿，其作為神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿的結(jié)構(gòu)類似物，可作用于神經(jīng)細(xì)胞突觸后膜與乙酰膽堿受體結(jié)合，從而持續(xù)地傳導(dǎo)神經(jīng)沖動(dòng)，造成肌肉神經(jīng)細(xì)胞過(guò)度興奮而死亡，它不僅會(huì)引起動(dòng)物中毒死亡，還能引起植物細(xì)胞的氧化脅迫反應(yīng)[43]。ATX-a(s)是一種神經(jīng)毒素，結(jié)構(gòu)和ATX-a不同，是環(huán)狀氮羥基鳥(niǎo)嘌呤的磷酸酯，分子質(zhì)量約為252；PSPs包括石房蛤毒素(saxitoxin，STX)、新石房蛤毒素(neosaxitoxin，neoSTX)、漆溝藻毒素(gonyauotoxin，GTX)，它們是一類氨基甲酸生物堿類神經(jīng)毒素，也是四氫嘌呤衍生物。其中，STX是三環(huán)嘌呤衍生物，分子質(zhì)量約為299，是毒性最強(qiáng)的藻毒素；MC是一種肝毒素，由非核糖體多肽合成酶及其相關(guān)的修剪酶組成的環(huán)七肽，現(xiàn)共計(jì)報(bào)道了100多種同系物[7]。不同的長(zhǎng)孢藻株產(chǎn)藻毒素類型有明顯差異，有的僅產(chǎn)生ATX-a，有的可同時(shí)產(chǎn)生多種毒素，另外不同藻株產(chǎn)毒能力也有所不同，主要是依賴長(zhǎng)孢藻是否有相關(guān)的產(chǎn)毒基因，以及該基因能否充分表達(dá)。目前，長(zhǎng)孢藻具體的產(chǎn)毒生物學(xué)機(jī)制尚未完全闡明，長(zhǎng)孢藻之所以產(chǎn)生藻毒素，有以下幾種可能：(1)抵御其他生物的捕食；(2)誘導(dǎo)種群結(jié)構(gòu)的變化獲得生態(tài)優(yōu)勢(shì)；(3)為化感作用提供信號(hào)傳遞的物質(zhì)[44-47]。長(zhǎng)孢藻產(chǎn)生毒素的種類似乎和地區(qū)有一定的關(guān)系[48]，由表1中全球長(zhǎng)孢藻的分布和產(chǎn)毒類型可知，長(zhǎng)孢藻的“產(chǎn)毒型”存在地理分布的特點(diǎn)，這種“產(chǎn)毒型”地理分布可能是環(huán)境適應(yīng)的結(jié)果，但這種推斷還需要大量的研究。

長(zhǎng)孢藻能夠產(chǎn)生多種異味物質(zhì)，主要有土臭素(geosmin)、2-甲基異莰醇(2-MIB)等[7]，土臭素和2-MIB不易被分解處理，少量的土臭素和2-MIB就可導(dǎo)致水體發(fā)臭，處理含有土臭素和2-MIB的飲用水給社會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[49]。Wang等[50]認(rèn)為土臭素和2-MIB的濃度與溫度、光強(qiáng)均不相關(guān)，葉綠素a的前體合成物焦磷酸香葉酯(geranyl pyrophosphate)和焦磷酸法呢酯(farnesyl pyrophosphate)也是土臭素和2-MIB的合成物，在不適合長(zhǎng)孢藻生長(zhǎng)的溫度和光照強(qiáng)度環(huán)境下，藻內(nèi)的葉綠素a濃度降低，土臭素和2-MIB有所升高。在營(yíng)養(yǎng)鹽方面，低氮磷比促進(jìn)了長(zhǎng)孢藻的生長(zhǎng)和土臭素的產(chǎn)生，然而高氮磷比會(huì)促進(jìn)長(zhǎng)孢藻的生長(zhǎng)，抑制土臭素的產(chǎn)生[51]。此外，土臭素和2-MIB也具有毒性，可以提高長(zhǎng)孢藻生存的競(jìng)爭(zhēng)力。

3.4 生長(zhǎng)和產(chǎn)毒影響因素

3.4.1 溫度

不同水體中長(zhǎng)孢藻有較寬的溫度波動(dòng)，有著不盡相同的水華暴發(fā)溫度[7]。長(zhǎng)孢藻在14～23 ℃萌發(fā)復(fù)蘇率最高[52]，室內(nèi)試驗(yàn)中長(zhǎng)孢藻最適的生長(zhǎng)溫度在25 ℃左右，在10 ℃下依然能保持增長(zhǎng)，在35 ℃高溫的水中仍能保持活性，在高溫和低溫培養(yǎng)下比較，長(zhǎng)孢藻更適合低溫環(huán)境中生長(zhǎng)[53]。管樂(lè)等[6]發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)孢藻在低溫或者高溫的條件下細(xì)胞直徑相對(duì)較大，藻絲長(zhǎng)度較短，這可能是長(zhǎng)孢藻應(yīng)對(duì)極端溫度自我保護(hù)的方式。長(zhǎng)孢藻較強(qiáng)的溫度適應(yīng)性，是其在各個(gè)季節(jié)生存繁殖的基礎(chǔ)，也是廣泛分布于溫帶和亞熱帶地區(qū)的保障。此外溫度對(duì)長(zhǎng)孢藻產(chǎn)生ATX-a也存在影響，在20世紀(jì)末期Rapala等[54-55]做了長(zhǎng)孢藻產(chǎn)ATX-a的試驗(yàn)，產(chǎn)毒長(zhǎng)孢藻在略低于最適生長(zhǎng)溫度下更有利于ATX-a的合成，同時(shí)它們比不產(chǎn)毒長(zhǎng)孢藻更能耐受高溫。

3.4.2 光照強(qiáng)度

長(zhǎng)孢藻不但在黑暗環(huán)境下不能萌發(fā)，而且在低光強(qiáng)情況下還會(huì)抑制其生長(zhǎng)[52]，但其可以通過(guò)偽空胞調(diào)節(jié)在水中垂直方向的位置，以獲得適合自己生長(zhǎng)繁殖的光照強(qiáng)度，提升生存競(jìng)爭(zhēng)力成為優(yōu)勢(shì)種群[7]。同樣長(zhǎng)孢藻由于種類的不同，最適光照強(qiáng)度也不同，Zapomělov等[56]研究8種長(zhǎng)孢藻的最適生長(zhǎng)光照強(qiáng)度，結(jié)果顯示長(zhǎng)孢藻最適光照強(qiáng)度在990～4 400 lx。另有研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)孢藻在不同的光照強(qiáng)度下藻絲長(zhǎng)度和細(xì)胞比重不同，在100 lx下長(zhǎng)孢藻細(xì)胞的生物量增長(zhǎng)緩慢，但有利于藻絲長(zhǎng)度的增長(zhǎng)；在3 000 lx和5 000 lx情況下抑制了長(zhǎng)孢藻生物量和藻絲的增長(zhǎng)速度[57]。此外，產(chǎn)毒長(zhǎng)孢藻比不產(chǎn)毒長(zhǎng)孢藻需要更高的光照強(qiáng)度才能達(dá)到生長(zhǎng)飽和；在弱光的條件下，產(chǎn)毒長(zhǎng)孢藻的生長(zhǎng)速率又高于不產(chǎn)毒長(zhǎng)孢藻[58]；Rapala等[54-55]發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)孢藻最適產(chǎn)毒光強(qiáng)略低于最適生長(zhǎng)光強(qiáng)。

3.4.3 營(yíng)養(yǎng)鹽

長(zhǎng)孢藻在磷濃度較高時(shí)，將磷以多聚磷酸鹽的形勢(shì)儲(chǔ)存在細(xì)胞內(nèi)[59]，在藻細(xì)胞含磷最高期，將長(zhǎng)孢藻放置無(wú)磷的培養(yǎng)基中仍可生長(zhǎng)12～13 d，但其在缺磷的環(huán)境中只能使用自己儲(chǔ)備的磷元素，無(wú)法從外界獲得磷元素[61]。研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)孢藻生長(zhǎng)受磷源的限制，在巢湖微囊藻和長(zhǎng)孢藻相互演替過(guò)程中，當(dāng)磷濃度較低情況下長(zhǎng)孢藻無(wú)法正常生長(zhǎng)，從而促進(jìn)微囊藻生長(zhǎng)繼而成為優(yōu)勢(shì)種群[62]。但Rapala等[54]在不同磷濃度的條件下培養(yǎng)產(chǎn)毒長(zhǎng)孢藻，發(fā)現(xiàn)磷濃度的高低并沒(méi)有影響長(zhǎng)孢藻的產(chǎn)毒能力。長(zhǎng)孢藻的儲(chǔ)磷能力可以緩解磷源危機(jī)，當(dāng)磷源再次回到合適的水平時(shí)，長(zhǎng)孢藻可快速生長(zhǎng)繁殖。

近年來(lái)，氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)長(zhǎng)孢藻生長(zhǎng)影響的研究表明，氮、磷對(duì)長(zhǎng)孢藻生長(zhǎng)不但是同時(shí)影響的，而且它們的代謝是相互依賴的，比如磷可通過(guò)異形胞形成過(guò)程中的能量供應(yīng)，以影響長(zhǎng)孢藻的固氮速率，而氮的有效性可以通過(guò)合成磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和胞外磷酸酶，以幫助長(zhǎng)孢藻克服磷限制[59,61]，這種代謝關(guān)系可以充分利用營(yíng)養(yǎng)鹽，極大提高了對(duì)氮、磷的利用率。但目前氮、磷濃度對(duì)長(zhǎng)孢藻產(chǎn)毒影響機(jī)理的研究仍十分不足，還需進(jìn)一步的探究。

3.4.4 鹽度

長(zhǎng)孢藻適合在低鹽度的水體中生長(zhǎng)，特別是適合在淡水中生長(zhǎng)，但在一些海灣中也發(fā)現(xiàn)了長(zhǎng)孢藻。水體鹽濃度較高會(huì)被抑制長(zhǎng)孢藻的生長(zhǎng)，隨著鹽度的增加藻內(nèi)光合色素的含量減少，高鹽度會(huì)導(dǎo)致藻細(xì)胞缺磷直至死亡[63]。Engstroem-Oest等[64]在波羅的海發(fā)現(xiàn)低鹽度的海灣長(zhǎng)孢藻的生物量和產(chǎn)毒量都比高鹽度的海灣高。

3.4.5 pH

長(zhǎng)孢藻適合生長(zhǎng)在偏堿性(pH值為7～9)的水體中[65]，陳家長(zhǎng)等[66]把長(zhǎng)孢藻分別培養(yǎng)在pH值為6、7、8、9的培養(yǎng)液中，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)孢藻的生物量與pH成正比，在弱堿性條件下長(zhǎng)孢藻固氮速率更快，細(xì)胞光合效率更高[67]。將長(zhǎng)孢藻置于pH值為5.5、6.0、6.5的培養(yǎng)液中培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)藻細(xì)胞的沉降速率明顯加快，酸性環(huán)境會(huì)抑制長(zhǎng)孢藻的生長(zhǎng)[68]。

表2為長(zhǎng)孢藻在不同環(huán)境中生長(zhǎng)和產(chǎn)毒產(chǎn)嗅的情況。

表2 長(zhǎng)孢藻在不同環(huán)境中生長(zhǎng)和產(chǎn)毒產(chǎn)嗅的情況Tab.2 Dolichospermum Growth and Production of Toxins and Odors under Different Environment

4 長(zhǎng)孢藻的監(jiān)測(cè)

鑒于長(zhǎng)孢藻的高頻發(fā)生和危害性，加強(qiáng)對(duì)湖泊、水庫(kù)中長(zhǎng)孢藻及藻毒素的監(jiān)測(cè)工作已迫在眉睫。藻類監(jiān)測(cè)最直接的方法是通過(guò)顯微鏡觀察是否有長(zhǎng)孢藻，但無(wú)法判斷該藻是否產(chǎn)毒，最原始的鑒定方式是通過(guò)動(dòng)物生物模型來(lái)區(qū)分，但這種方法速度慢、準(zhǔn)確度低，且存在倫理問(wèn)題。目前，藻類的監(jiān)測(cè)方法有顯微鏡觀察法、生物化學(xué)法、化學(xué)分析法和分子生物學(xué)法(表3)。

表3 監(jiān)測(cè)方法的特點(diǎn)Tab.3 Characteristics of Monitoring Methods

4.1 顯微鏡觀察法

顯微鏡觀察藻類是科研工作者常用的方法，在10×40倍不僅可以觀察藻細(xì)胞的形態(tài)來(lái)鑒定藻種，還可以對(duì)藻細(xì)胞計(jì)數(shù)，計(jì)算藍(lán)藻的豐度。使用細(xì)胞計(jì)數(shù)法計(jì)數(shù)藻細(xì)胞豐度，將藻液搖勻，取0.1 mL的藻液置于計(jì)數(shù)框內(nèi)，蓋住蓋玻片，觀測(cè)10個(gè)及以上視野，計(jì)算藻細(xì)胞的平均值；也可采用血球計(jì)數(shù)板法，將藻液滴入血球計(jì)數(shù)板的凹槽內(nèi)，待藻液浸入計(jì)數(shù)區(qū)，方可進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)完成后再用血球計(jì)數(shù)板的計(jì)算公式計(jì)算藻細(xì)胞的數(shù)量[69]。長(zhǎng)孢藻是由若干個(gè)球形細(xì)胞組成的絲狀藻體，對(duì)長(zhǎng)孢藻等絲狀藻體的計(jì)數(shù)，一般可通過(guò)準(zhǔn)確地識(shí)別細(xì)胞間隔來(lái)確定視野中的藻體的數(shù)量，這對(duì)計(jì)數(shù)人員的要求較高，難度較大；另一種方法可通過(guò)藻體的長(zhǎng)度計(jì)數(shù)，一般常用20 μm計(jì)為一個(gè)藻體，但長(zhǎng)孢藻大多呈卷曲狀，通過(guò)藻體長(zhǎng)度確定數(shù)量，操作難度也較高[70]。受人力的限制，此方法不適用于日常大面積水域的長(zhǎng)孢藻監(jiān)測(cè)工作。

4.2 物化學(xué)法

顯微鏡觀察法只能判斷水體中是否存在長(zhǎng)孢藻，但無(wú)法檢測(cè)潛在產(chǎn)毒藻的水體中是否有藻毒素，生物化學(xué)法即可快速地檢測(cè)出水體中是否有某種藻毒素，目前主要有酶聯(lián)分子法(ELISA)、蛋白磷酸酶抑制分析法(PPIA)，其中，ELISA是將待測(cè)的藻毒素作為抗原，制作特異性的抗體對(duì)該藻毒素進(jìn)行檢測(cè)，現(xiàn)已有商用的ELISA試劑盒，一種試劑盒只能檢測(cè)特定的藻毒素，監(jiān)測(cè)人員可在現(xiàn)場(chǎng)用ELISA試劑盒檢測(cè)相應(yīng)的藻毒素的濃度[71]。PPIA是通過(guò)藻毒素對(duì)蛋白磷酸酶的抑制程度來(lái)測(cè)定藻毒素的含量，此法對(duì)藻毒素濃度的測(cè)定需要結(jié)合比色法、熒光法和同位素法，耗時(shí)短，操作簡(jiǎn)單，但特異性蛋白磷酸酶需要自制[72]。生物化學(xué)方法操作簡(jiǎn)單，無(wú)需對(duì)水樣進(jìn)行特殊處理，分析速度快，靈敏度較高，可以對(duì)水體是否含有某種藻毒素進(jìn)行初步篩選，但不能準(zhǔn)確鑒定水體藻毒素的種類，因而，沒(méi)有廣泛應(yīng)用于藻毒素的監(jiān)測(cè)。

4.3 化學(xué)分析法

隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，可以準(zhǔn)確檢測(cè)出水體中藻毒素的種類和結(jié)構(gòu)，化學(xué)分析法就成為了主要的檢測(cè)手段，目前，檢測(cè)藻毒素的化學(xué)分析法主要有液相色譜/質(zhì)譜分析法(LC/MS)和高效液相色譜法(HPLC)[72]，其中，HPLC常和其他檢測(cè)方法結(jié)合使用。王素欽等[73]使用高效液相色譜-二極管陣列檢測(cè)法(HPLC-PDA)和超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法(UPLC-MS/MS)對(duì)ATX-a的檢測(cè)結(jié)果顯示，UPLC-MS/MS更加靈敏、高效，但HPLC-PDA操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)費(fèi)用低，更加適合實(shí)際工作中對(duì)湖泊、水庫(kù)中長(zhǎng)孢藻產(chǎn)生的毒素的監(jiān)測(cè)。色譜分析法雖然可以分析出毒素的結(jié)構(gòu)，分離和制備毒素，但檢測(cè)時(shí)需要標(biāo)準(zhǔn)毒素樣品，設(shè)備要求高，前處理操作比較耗時(shí)。

4.4 分子生物學(xué)法

自然水體中產(chǎn)毒藻和非產(chǎn)毒藻是同時(shí)存在的，以上方法都無(wú)法鑒別出水體中產(chǎn)毒藻株的豐度情況，隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，利用分子生物學(xué)方法監(jiān)測(cè)水體藍(lán)藻、產(chǎn)毒藻的種類和豐度成為可能，主要有聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(polymerase chain reaction，PCR)、實(shí)時(shí)熒光定量PCR(quantitative real-time PCR，qPCR)和基因芯片技術(shù)。PCR技術(shù)可以對(duì)長(zhǎng)孢藻的某種特異性的基因進(jìn)行檢測(cè)，是一種簡(jiǎn)單快速的分子監(jiān)測(cè)技術(shù)，但此方法對(duì)特異性基因只能定性地分析，會(huì)出現(xiàn)假陰性和假陽(yáng)性的結(jié)果[72]，隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，qPCR逐漸運(yùn)用到野外水體產(chǎn)毒藻的檢測(cè)中。qPCR是通過(guò)熒光信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有靈敏度高、特異性強(qiáng)的特點(diǎn)，可對(duì)特異性基因進(jìn)行定性定量的分析。該技術(shù)可根據(jù)長(zhǎng)孢藻產(chǎn)ATX-a的特異性基因anaC、anaC-gen和anaC-anab等進(jìn)行qPCR實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)產(chǎn)毒株的豐度變化[74]，也可通過(guò)對(duì)長(zhǎng)孢藻產(chǎn)土臭素的特異性基因進(jìn)行qPCR實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)產(chǎn)土臭素長(zhǎng)孢藻的豐度[75]。PCR技術(shù)不能同時(shí)監(jiān)測(cè)水體中多個(gè)可能存在的基因片段，但基因芯片技術(shù)是將若干個(gè)待測(cè)的基因片段進(jìn)行標(biāo)記后作為靶分子，與基因芯片上的探針列陣雜交，可固定大量的探測(cè)分子，同時(shí)監(jiān)測(cè)多種藻類基因[76]。分子生物法的特異性、敏感性、高通量的特點(diǎn)，可以作為監(jiān)測(cè)藍(lán)藻水華和藻毒素重要手段。隨著5G技術(shù)的發(fā)展，人工智能和分子生物監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合，是長(zhǎng)孢藻監(jiān)測(cè)發(fā)展的新方向。

5 總結(jié)與展望

長(zhǎng)孢藻在全球淡水水體中分布范圍不斷擴(kuò)大，廣泛分布于溫帶和亞熱帶地區(qū)的湖泊、河流和水庫(kù)中。長(zhǎng)孢藻對(duì)溫度和光照的適應(yīng)范圍廣，并有固氮作用，對(duì)磷有較強(qiáng)的吸收和很強(qiáng)的存儲(chǔ)能力，加之藻細(xì)胞具有調(diào)節(jié)形態(tài)的能力，使其在諸多淡水系統(tǒng)中成為有力的競(jìng)爭(zhēng)者繼而成為優(yōu)勢(shì)種群，且在條件適宜的情況下形成水華。在全球變暖的背景下，長(zhǎng)孢藻良好的環(huán)境適應(yīng)性更有利于其繁殖生長(zhǎng)。

長(zhǎng)孢藻能產(chǎn)生多種對(duì)水環(huán)境和人類健康有害的藻毒素，特別是神經(jīng)毒素ATX-a，除室內(nèi)試驗(yàn)探究環(huán)境因子對(duì)長(zhǎng)孢藻產(chǎn)毒能力的影響外，還需要調(diào)查自然水體中長(zhǎng)孢藻的產(chǎn)毒分布情況和毒素的代謝機(jī)理，以進(jìn)一步探究其毒性機(jī)制。鑒于長(zhǎng)孢藻的危害性，有必要對(duì)淡水水體特別是飲用水源地進(jìn)行定性定量的跟蹤監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)的顯微鏡觀察必不可少，生物化學(xué)法操作簡(jiǎn)單，色譜技術(shù)有利于更清楚地認(rèn)識(shí)和了解藻毒素的結(jié)構(gòu)，而qPCR技術(shù)和基因芯片技術(shù)給湖泊監(jiān)測(cè)提供了高通量的方法，在長(zhǎng)孢藻及其毒素的監(jiān)測(cè)方向有廣闊的前景。

鑒于現(xiàn)有的研究狀況，可繼續(xù)開(kāi)展以下研究。(1)在全世界范圍內(nèi)都分布有長(zhǎng)孢藻，且隨著全球溫度升高，還會(huì)在更多的水域出現(xiàn)長(zhǎng)孢藻，所以有必要對(duì)不同地區(qū)或水域的長(zhǎng)孢藻進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)，特別是新出現(xiàn)長(zhǎng)孢藻的水域，要對(duì)其進(jìn)行基因水平的分析，推斷長(zhǎng)孢藻的親緣性，確定其來(lái)源，從而為研究長(zhǎng)孢藻的擴(kuò)張?zhí)峁┲匾膮⒖紨?shù)據(jù)。(2)長(zhǎng)孢藻的藻絲形態(tài)差異很大，環(huán)境因子和營(yíng)養(yǎng)鹽的差異不僅對(duì)長(zhǎng)孢藻的形態(tài)有影響，而且對(duì)其產(chǎn)毒也有很大的影響。長(zhǎng)孢藻作為重要的優(yōu)勢(shì)種群，需進(jìn)一步地研究關(guān)鍵因子變化對(duì)其生長(zhǎng)和產(chǎn)毒的影響。(3)在長(zhǎng)孢藻產(chǎn)毒的機(jī)制方面，還需要進(jìn)一步地探究ATX-a的產(chǎn)生和相關(guān)基因的表達(dá)以及產(chǎn)毒途徑。(4)自然水體中監(jiān)測(cè)ATX-a時(shí)需要實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，因此，研究開(kāi)發(fā)精準(zhǔn)簡(jiǎn)便的監(jiān)測(cè)長(zhǎng)孢藻及其毒素的方法具有重要意義。目前，我國(guó)對(duì)長(zhǎng)孢藻的發(fā)生、產(chǎn)毒等研究還比較薄弱，加強(qiáng)對(duì)長(zhǎng)孢藻的研究和監(jiān)測(cè)將對(duì)防控湖泊藍(lán)藻水華災(zāi)害、保障水質(zhì)安全提供重要的科學(xué)依據(jù)。