产毒蓝藻的早期精准检测——以拉氏尖头藻为例
转载：原创 谭凤娇 Aquatic EcoHealth
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。
对于中国而言，拉氏尖头藻可能是一种外来入侵物种。国际上普遍认为拉氏尖头藻是热带物种，起源于非洲，目前已传播扩散到全球亚热带和温带地区。事实上，2000年以来在中国东南地区许多水库型饮用水水源地陆续发生拉氏尖头藻水华，水华形成之前的早期检测、早期诊断、早期预警对蓝藻水华防控十分关键。然而，经典的显微镜法、流式细胞仪方法不能区分产毒和无毒株系；直接测定拟柱胞藻毒素的高效液相色谱法需要富集大量水样，水华发生之前很难检测出毒素；普通的荧光定量PCR方法难于对低丰度蓝藻进行有效监测。因此，亟需研发快速、简便、灵敏、精准的方法，进行产毒拉氏尖头藻早期检测。
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。中国科学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出率。建立的dPCR方法能够快速、精准地同时评估环境样品中的拉氏尖头藻丰度和产毒潜力。dPCR方法具有操作简便、省时高效、灵敏度高、重现性好等优点。首先，在实际应用中dPCR方法的最大优势是检测限低（图3），能够在水华发生之前检测到低丰度拉氏尖头藻，因此可以作为风险管理中的早期预警信号。其次，dPCR方法在产毒拉氏尖头藻鉴别方面独具优势，可以同时评估环境样品中的拉氏尖头藻及其产毒潜力。最后，dPCR方法应用于有害蓝藻监测，可为水库型水源地管理部门和相关机构提供充足的预警时间，以实施管理优化措施，避免或减少有害蓝藻造成的经济损失和健康风险。
图3 不同方法对拉氏尖头藻的检测范围。
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。
