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                          城市環境所在產毒藍藻的早期精準檢測研究中取得進展

                          2021-11-19 城市環境研究所
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                            產毒藍藻水華威脅水生態系統健康和飲用水安全,除了在淺水湖泊常見的微囊藻水華之外,新型水華藍藻——拉氏尖頭藻(Raphidiopsis raciborskii)由于其入侵性、高毒性、暴發性等特征日益受到關注。拉氏尖頭藻是具有固氮能力的絲狀水華藍藻,曾被稱為拉氏擬柱胞藻(Cylindrospermopsis raciborskii),具有產毒和無毒株系,其中產擬柱胞藻毒素的藻株主要分布在澳大利亞和東南亞地區的湖庫水體。

                            對中國而言,拉氏尖頭藻可能是一種外來入侵物種。國際上普遍認為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。2000年以來,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產毒和無毒株系;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,水華發生之前較難檢測出毒素;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,研發快速、簡便、靈敏、精準的方法,進行產毒拉氏尖頭藻早期檢測十分必要。

                            2009-2010年廈門石兜、坂頭水庫發生過嚴重的拉氏尖頭藻水華(亦稱為拉氏擬柱胞藻水華),曾經導致水庫供水功能喪失。中國科學院城市環境研究所水生態健康研究組研究員楊軍團隊自2009年起,對石兜、坂頭水庫進行長期連續定位監測,發現受氣候變化、人類活動和水文過程影響,低水位促進拉氏尖頭藻水華發生(Yang et al., 2016. Science of the Total Environment 557/558: 445–452);升溫可降低拉氏尖頭藻水華發生的營養鹽閾值,甚至中營養條件下發生藍藻水華(Yang et al., 2017. Water Research 120: 52–63),水華可顯著改變微型真核浮游生物群落(Liu et al., 2019. The ISME Journal 13: 2196–2208),特別是在廈門枯水年份(2009–2010年、2014–2015年、2017–2018年、2020年),拉氏尖頭藻均為絕對優勢種,在石兜、坂頭水庫形成不同程度的水華。

                            楊軍團隊在2018年成功分離、培養產毒拉氏尖頭藻藻株后,利用純培養的藻株建立了基于數字PCR(dPCR)的檢測方法,可同時檢測拉氏尖頭藻與產擬柱胞藻毒素特異基因。數據顯示,dPCR檢測結果與qPCR方法和顯微鏡計數結果均具有較強的相關性,結果一致性較高。但是,在拉氏尖頭藻低豐度情況下(1-105 cell L-1),dPCR精確度更高。此外,在檢測環境樣品時,dPCR方法檢出率最高,尤其是在低豐度條件下優勢更明顯(圖2)。

                            研究建立的dPCR方法能夠快速、精準地同時評估環境樣品中的拉氏尖頭藻豐度和產毒潛力,具有操作簡便、省時高效、靈敏度高、重現性好等優點。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,因此可以作為風險管理中的早期預警信號;dPCR方法在產毒拉氏尖頭藻鑒別方面也獨具優勢,可以同時評估環境樣品中的拉氏尖頭藻及其產毒潛力;dPCR方法應用于有害藍藻監測,可為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。

                            相關研究成果以Precision early detection of invasive and toxic cyanobacteria: a case study of Raphidiopsis raciborskii為題,發表在學術期刊Harmful Algae上。研究工作得到國家自然科學基金、福建省自然科學基金等的資助。

                            論文鏈接 

                          圖1.(A)中國福建省石兜水庫和坂頭水庫的采樣點(Yang et al., 2017)。(B)拉氏尖頭藻顯微照片(比例尺=10 μm)

                          圖2.dPCR、qPCR、高通量測序(HTS)和顯微鏡方法對222份環境樣品中拉氏尖頭藻和產毒基因的檢測率

                          圖3.不同方法對應的拉氏尖頭藻檢測范圍

                          打印 責任編輯:閻芳

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