《Toxins》：A New Frontier in Food Safety: Cold Plasma Strategies for Effective Control of Fungi and Mycotoxins
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蓝藻毒素（cyanotoxins）威胁水生生态系统及人类健康，然而影响其在淡水中产生与分布的因素尚不明确。在美国田纳西州中北部，农业与城市区域富含营养的径流，加上喀斯特地貌对饮用水及休闲用水的影响，加剧了对蓝藻毒素行为进行研究的必要性。为探究蓝藻毒素的分布模式
蓝藻毒素（cyanotoxins）威胁水生生态系统及人类健康，然而影响其在淡水中产生与分布的因素尚不明确。在美国田纳西州中北部，农业与城市区域富含营养的径流，加上喀斯特地貌对饮用水及休闲用水的影响，加剧了对蓝藻毒素行为进行研究的必要性。为探究蓝藻毒素的分布模式，美国地质调查局（U.S. Geological Survey）与田纳西州环境与保护部（Tennessee Department of Environment and Conservation）对18个监测点进行了监测，包括两口受地表水影响的井，监测时间从2022年9月至2024年11月，每两周一次。所有点位均检测到至少一种蓝藻毒素，其中深水水库浓度最高，浅水系统浓度较低。多数检出发生在夏季和秋季，与高温及突发性干旱（rapid-onset drought）相吻合。统计分析表明，比电导率（specific conductivity）和pH值的升高增加了总微囊藻毒素（microcystin）检出的可能性，这可能由干旱条件及营养物负载径流所致。此外，溶解态微囊藻毒素与坎伯兰河（Cumberland River）水位呈负相关，主成分分析（PCA）显示塞奇深度（Secchi depth）、叶绿素a（chlorophyll a）、pH、温度及电导率解释了大部分水质变异性。这些结果增进了对蓝藻毒素分布及相关水质条件的理解，为未来淡水蓝藻毒素监测研究提供指导。
研究背景方面，蓝藻有害藻华（Cyanobacterial Harmful Algal Blooms, CyanoHABs）对全球饮用水供应、休闲娱乐活动及水生生态系统健康构成重大威胁。除可能导致水体缺氧、改变食物网动态及产生感官影响等非毒性效应外，多种蓝藻属可产生毒性次级代谢产物即蓝藻毒素，包括部分自然界毒性最强的化合物。尽管温度升高、滞留时间延长、pH值升高及富营养化等因素被认为有利于潜在CyanoHAB形成及后续毒素释放，但这些事件仍具不可预测性和偶发性。有限监测研究表明，驱动因素随时间和空间因区域条件而异，包括天气及水体间差异。由于CyanoHABs的发生规模、频率和持续时间呈增加趋势，对内陆淡水系统威胁日益加剧，亟需增进对淡水系统中毒素产生、发生和分布驱动因素的认识。在田纳西州中北部，CyanoHABs历史上研究不足，但仍是紧迫问题，该区域拥有河流、池塘、湿地和湖泊等多样化水体，对生态和经济健康至关重要。坎伯兰河流域是该区域主要饮用水源，纳什维尔为流域内人口最密集区域，预计到2040年公共供水需求将增加60%至130%。此外，该区域栖息着多种联邦濒危物种。该地区喀斯特地貌特征为溶蚀孔洞、洞穴和泉，引发对地下水中蓝藻毒素的额外担忧，因为这些特征可能导致地表水与地下水混合。为改善理解，美国地质调查局与田纳西州环境与保护部及田纳西州立大学合作，于2022至2024年开展了为期两年的监测研究，覆盖18个点位，旨在表征田纳西州中北部多种水体类型中蓝藻毒素的分布和发生情况。
研究人员开展了以下工作：评估蓝藻毒素在不同水体类型中的时空分布特征，识别可能影响蓝藻毒素存在的理化因素；采用离散 grab 水样和时间积分型固相吸附毒素追踪（Solid Phase Adsorption Toxin Tracking, SPATT）采样器进行毒素采样；分析水质感知参数包括温度、溶解氧、比电导率、叶绿素a、藻蓝蛋白、pH和塞奇深度；检测蓝藻毒素合成酶基因（mcyE、anaC、cyrA、sxtA）的丰度；应用主成分分析（PCA）和逻辑回归等统计方法探究环境参数与蓝藻毒素检出的关联。研究得出结论：蓝藻毒素在田纳西州中北部广泛分布，其发生受水体类型、环境条件和水文连通性共同塑造；溶解态微囊藻毒素与水位呈负相关，比电导率和pH是总微囊藻毒素检出的显著预测因子；浅水系统水质变异性更高，深水系统 toxin 模式更稳定。该研究发表在《Toxins》期刊，为理解 humid-subtropical 气候和类似淡水生态系统中CyanoHAB影响更可能发展和持续的条件提供了初步见解。
研究采用的主要关键技术方法包括：SPATT采样器被动部署进行时间积分型溶解态蓝藻毒素监测；多参数水质仪和塞奇盘进行现场水质参数测定；酶联免疫吸附测定（ELISA）定量检测微囊藻毒素、节球藻毒素、柱孢藻毒素和石房蛤毒素；定量聚合酶链式反应（qPCR）分析蓝藻16S rRNA基因及四种毒素合成酶基因（mcyE、anaC、cyrA、sxtA）的丰度；应用Kendall秩相关、主成分分析（PCA）、逻辑回归和广义方差检验等统计方法分析数据；结合USGS连续水文站水位数据指示降水变化。
研究结果部分如下：
空间分布特征——微囊藻毒素方面，18个监测点中所有17个SPATT部署点位在研究期间均检测到溶解态微囊藻毒素，但检出一致性存在差异。最高浓度出现在L-JPP湖库点位、R-SB河流点位和P-TR池塘点位；最低浓度出现在G-GW井点位和多个湿地点位（W-HP、W-TDI、W-EWL）。grab水样中，P-SL、R-JS和P-TR点位的总微囊藻毒素检出频率最高。不同水体类型间存在差异：深水点位溶解态微囊藻毒素浓度较高且模式更稳定，浅水点位总微囊藻毒素浓度偶有高值但变异性大。
其他蓝藻毒素空间分布方面， subset SPATT采样器分析显示，鱼腥藻毒素（anatoxin）在100%测试点位检出，柱孢藻毒素（cylindrospermopsin）在90%点位检出，石房蛤毒素（saxitoxin）在约71%点位检出。石房蛤毒素最高检出频率出现在湿地，其次为池塘、井、河流和湖泊。鱼腥藻毒素最大值在多个点位超出报告限，柱孢藻毒素最大值在三个湿地点位超过2.0 μg/g。非神经性毒素柱孢藻毒素在除G-GW外的所有SPATT中均被检出，显示其在田纳西州中北部地表水中广泛存在。
时间分布特征——微囊藻毒素方面，总微囊藻毒素在1月、2月、4月和5月未检出。溶解态微囊藻毒素最高浓度出现在9月、8月和11月，7月至12月检出阳性率超过90%。可溶性微囊藻毒素与夏季至秋末的较高温度相关。总微囊藻毒素最高检出阳性率出现在11月、6月和9月。水位数据显示5月、3月和2月最高，11月、10月和8月最低，支持水位与微囊藻毒素浓度间存在负相关关系。
水质数据分析方面，点位按深度分为可涉水（浅水-池塘、湿地）和不可涉水（深水-湖泊、河流）及井三类。浅水点位通常具有更高的比电导率值和标准误，最深点位水温最高。叶绿素a与藻蓝蛋白在多数点位呈正相关，但Kendall秩相关检验显示叶绿素a与微囊藻毒素检出的关联性（tau=0.12, p=0.001）强于藻蓝蛋白（tau=0.09, p=0.02）。浅水井和池塘点位叶绿素a和藻蓝蛋白中位值最高，且水质参数标准误更高，表明浅水点位水质变异性更大。广义方差检验证实浅水位点方差显著大于深水位点。
蓝藻毒素合成酶基因分析方面，12个点位采集样品进行qPCR分析。蓝藻16S基因在所有点位存在，丰度范围为1.8×10?至2.2×10?拷贝/100mL。mcyE基因在75%点位存在，anaC在83.3%点位，cyrA在33.3%点位，sxtA在75%点位。所有12个点位至少含四种毒素合成酶基因之一。R-SB点位mcyE和cyrA基因丰度最高，W-UWL点位anaC最高，R-JS点位sxtA最高且较其他点位高100倍。
微囊藻毒素产生的理化驱动因素方面，识别出五个显著低于平均水位的时期：2022年11月、2023年9月、2023年11-12月、2024年8-9月和2024年12月，这些时期所有样品均检出微囊藻毒素。高水位期间微囊藻毒素未检出频率最高。Kendall秩相关系数证实微囊藻毒素存在与水位间存在显著中等程度负相关（tau=-0.16, p=0.04）。主成分分析第一主成分（PC1）解释31.6%变异，主要受塞奇深度影响；第二主成分（PC2）解释22.5%变异，突出叶绿素a的重要性；PC1和PC2累计解释54.1%变异。第三主成分（PC3）含pH，贡献18.8%；第四主成分（PC4）含温度和电导率，贡献15.8%。逻辑回归显示比电导率（比值比=1.003, p=0.004）和pH（比值比=2.26, p=0.025）是总微囊藻毒素存在的显著预测因子。
讨论部分，研究人员指出该研究为田纳西州中北部多样化水体中蓝藻毒素发生和分布的初步评估。空间分布上，所有18个点位均检出微囊藻毒素，证实其在该区域广泛存在。SPATT采样器与离散grab水样在时间模式上总体相似，但SPATT中浓度通常更高，因该方法为时间积分型。七个点位（L-JPP、L-OH、P-SL、R-GG、R-JS、R-WH、G-GU）在整个研究期间持续检出溶解态微囊藻毒素，涵盖湖泊、池塘、河流和井等多样水体类型，表明蓝藻毒素在不同水生环境中持续存在。值得注意的是，R-WH和G-GU两个点位grab水样中从未检出总微囊藻毒素，但SPATT中反复检出溶解态微囊藻毒素，这种差异暗示不同水体类型支持不同频率的CyanoHABs和毒素浓度水平，离散采样难以可靠捕获。深水水体（L-JPP湖库和R-SB河流）溶解态微囊藻毒素浓度最高，与深水系统更稳定的季节性模式和更高的滞留时间一致。多个湿地点位溶解态微囊藻毒素中位值较低，归因于这些浅水水体固有的较短滞留时间；浅水水体中藻华更易被冲刷，或在暴雨径流事件中与悬浮颗粒物共沉降。尽管溶解态微囊藻毒素较低，多个湿地点位（W-BP、W-MWL、W-UWL）偶有高总微囊藻毒素，浓度超过1 μg/L，突显浅水系统的动态特性。
驱动因素方面，微囊藻毒素浓度与河流水位间的显著负相关可能由高降水事件期间的暴雨径流过程导致。大雨可混合稀释蓝藻毒素、冲刷周丛藻类、增加湍流并冲刷蓝藻类，因水柱分层扰动而阻碍生长。低水位与低于平均降雨相关，通常为突发性干旱期间，导致滞留时间增加和低水文连通性点位的扰动减少。季节性降雨减少和流量降低促进热分层和表层温度升高，有利于蓝藻类生长和毒素产生。主成分分析和逻辑回归识别出与蓝藻毒素存在相关的环境参数，比电导率和pH与可检出微囊藻毒素发生呈显著正相关，与既往研究发现一致。比电导率和pH在浅水环境中对变化更敏感，强调需聚焦特定生态系统类型以识别蓝藻物种行为、生长生产力和毒素产出的特异性。
研究结论指出，该研究证实了田纳西州中北部蓝藻毒素的广泛分布和浓度变异，强调了持续监测、多变量分析及点位特异性背景对解读淡水系统蓝藻毒素风险的重要性。复杂环境关系涉及水位和水质现场数据，需 robust 的长期采样方法覆盖广泛空间尺度以充分捕捉和理解模式。基于研究发现，研究人员建议田纳西州中北部蓝藻毒素发生受水体类型、环境条件和水文连通性共同塑造。未来研究方向包括纳入营养物监测组分以更好理解CyanoHAB触发因素，考虑更高时空分辨率以进一步解析重要关系和点位类型间差异，以及进行蓝藻物种分析以更好理解毒素产生期间特定蓝藻产毒物种所偏好条件。
