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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)的頻率呈上升加劇的趨勢。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(dāng)細胞裂解時會釋放大量的微囊藻毒素(microcystin,MCs)。然而，目前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(xué)院水生生物研究所湖泊修復(fù)生態(tài)學(xué)學(xué)科組研究人員以蒼白搖蚊 (Chironomus pallidivittatus)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。主要研究結(jié)果如下：
（1）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，同時幼蟲運動能力（即運動距離和速度）和成蟲干重也顯著下降。同時發(fā)現(xiàn)，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，提高了幼蟲的死亡率，這可能是兩種微囊藻協(xié)同作用的結(jié)果（圖1）。該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。
（2）在上述研究基礎(chǔ)上，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的作用機制（圖2-4）。首先，在MC-LR較低濃度的暴露下，通過對C. pallidivittatus生活史性狀、腸道菌群和轉(zhuǎn)錄組進行了分析，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(yīng)激增強，脂質(zhì)代謝紊亂，谷胱甘肽s轉(zhuǎn)移酶和超氧化物歧化酶分別升高了32.44%和17.41%。另外，也發(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）。最后，通過轉(zhuǎn)錄組分析，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(dǎo)致脂質(zhì)代謝失調(diào)。此外，低濃度MC暴露誘導(dǎo)的解毒作用和抗氧化反應(yīng)表明搖蚊幼蟲具有潛在的MC-LR解毒能力（圖4）。
這些研究結(jié)果將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，并有助于加深底棲動物優(yōu)勢種的生態(tài)學(xué)意義的認識，為富營養(yǎng)化湖泊的生態(tài)風(fēng)險評價提供理論指導(dǎo)。
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. pallidivittatus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
上述研究成果分別發(fā)表于Science of The Total Environment和Environmental Pollution。水生所湖泊修復(fù)生態(tài)學(xué)學(xué)科組蔡圣何博士為該研究第一作者，吳幸強青年研究員為通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金面上、中德國際合作項目（No.31870450, 42061134013）、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會項目（No. 2018373）等共同資助。
論文信息如下：
1. Cai, Shenghe, Yilin Shu, Cuicui Tian, Chunbo Wang, Tao Fang, Bangding Xiao, and Xingqiang Wu. "Effects of Chronic Exposure to Microcystin-Lr on Life-History Traits, Intestinal Microbiota and Transcriptomic Responses in Chironomus Pallidivittatus." Science of The Total Environment 823 (2022/06/01/ 2022): 153624. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.153624.
2. Cai, Shenghe, Yunlu Jia, Oscar Omondi Donde, Zhi Wang, Junqian Zhang, Tao Fang, Bangding Xiao, and Xingqiang Wu. "Effects of Microcystin-Producing and Non-Microcystin-Producing Microcystis on the Behavior and Life History Traits of Chironomus Pallidivittatus." Environmental Pollution 287 (2021/10/15/ 2021): 117613. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2021.117613.