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如何应对藻华:产毒藻及藻毒素的在线监测

更新日期:2011-03-09   |  点击率:2631
可长期、自动工作的“水下分子生物学实验室
*套可在水下原位对产毒藻(和藻毒素)进行定性定量监测的系统
 
近30年来,水体富营养化日趋严重,各地水体频繁爆发有害藻华(Harmful Algal Blooms, HABs)。在海洋中,主要由甲藻和硅藻引起的赤潮对海洋生态造成了严重破坏,每次赤潮往往都对水产养殖业造成巨大损失,人们由于误食富集了赤潮毒素(如麻痹性贝毒PSP、腹泻性贝毒DSP、神经性贝毒NSP、遗忘性贝毒ASP等)的水产品后导致中毒的现象也频见报道。在淡水中,经济发达地区的湖泊、水库等水体经常爆发蓝藻水华,由于这些水体多是城市供水水源地,蓝藻水华伴生的蓝藻毒素(如微囊藻毒素、鱼腥藻毒素等)严重威胁着人们的饮用水安全!有害藻华的爆发对生态系统有严重的破坏,而如果藻华能产毒的话,就直接威胁到人们的生命安全!
 
目前,我国各级监测部门已将藻毒素的监测纳入日常监测项目中,但这还远远不够!我们知道,能形成藻华的藻中有一部分是能产毒的,而这些能产毒的藻并不是在整个生活史中都时时刻刻在产毒。对于预警而言,当藻毒素已经产生了再进行预警,时间上往往已经较晚。那么,是否有一种方法可以在产毒藻尚未产毒之前就可以预警呢
 
常规的采样监测方法往往需要每隔2周-2个月去采样然后回来测量,看是否有藻毒素存在。两次测量都没有藻毒素的存在是否就一定能说明两次测量之间(2周-2个月)没有藻毒素的产生呢? 对于供水水源而言,如果两次测量之间产生了蓝藻毒素而我们却不知道,就会严重威胁到人们的饮用水安全!是否有一种方法可以在水下原位、在线、连续监测水体中是否有产毒藻和藻毒素的存在呢
 
为此,美国蒙特雷海洋研究所(Monterey Bay Aquarium Research Institute, MBARI)所长Chris Scholin博士带领的由生物学家、机械工程师和电子工程师组成的研究团队,花费近二十年时间研发出一款产毒藻及藻毒素在线监测系统ESP。ESP是一台全自动的水下分子生物学实验平台,可以在水下原位自动采样、过滤浓缩、破碎细胞、抽提核酸、进行三明治杂交(或竞争性酶联免疫吸附试验)、显影并拍摄、远程传输数据到岸上的监测中心。利用这种方法,在产毒藻还未爆发或还未产毒之前,就可以对其进行监测,结合藻毒素的测量,就能很好的对水质进行早期预警。
 
Image Source: MBARI, Moss Landing, CA
 
产毒藻在线监测系统ESP于2009年开始由美国Spyglass公司进行商业化操作,于2010年正式投产,并于当年销售出10台。其中上zui*的海洋研究所Woods Hole海洋研究所(WHOI6台、美国海洋与大气管理局(NOAA1台、美国海岸带观察与预测中心(CMOP1台、加拿大不列颠哥伦比亚大学1台和新加坡DHI公司1。其中,WHOI的6台ESP的用户是上赤潮研究领域大名鼎鼎的Don Anderson教授,第1台ESP是由美国环境保护局(EPA出资购买给Anderson教授使用的,后面的5台由美国自然基金委、美国海洋与大气管理局(NOAA)、美国环境健康科学研究所等联合资助。
 
2011年1月20日,ESP获得由美国联邦实验室联盟颁发的2011年度“联邦实验室联盟技术转化杰出奖(Federal Laboratory Consortium award for Excellence in Technology Transfer”。

 

 

 

 主要功能

► 长期、自动、连续监测产毒藻和藻毒素的变化

长期、自动、连续监测特定藻、细菌、浮游动物等的变化
► 提供定制化分子探针组合套装,完善解决客户的特殊需求

监测结果可无线传输到岸上基站

可水下原位工作(耐受50 m水压),也可在监测平台或水站房中工作
可在水下采集并保存样品,等回收后在实验室进行分析

 

应用领域
有害藻华的监测预警
赤潮藻特别是产毒藻和藻毒素的监测
水华蓝藻特别是产毒藻和藻毒素的监测
环境监测、浮游植物生态学研究
海洋学与湖沼学研究
饮用水水源地安全监测
水厂供水安全监测

 

 

ESP 布放

 Image Source: MBARI, Moss Landing, CA

 

 

 检测的样品种类

ESP是一个*自动化的水下分子学实验室,目前主要采用三明治杂交(Sandwich Hybridization Assay, SHA)和竞争性酶联免疫吸附试验(competitive Enzyme-Linked Immunosorbent Assay, cELISA)两种方法来进行分子检测。但ESP并不局限于这两种方法,仪器厂家会不断更新采用新的适用于ESP的分子方法,用户也可以开发编程新的分子方法应用于ESP。

 
目前用于检测的探针主要针对部分产毒藻、细菌和浮游动物,但能检测的类型不限于下面列出的种类。在不对ESP硬件系统做任何改动的情况下,只需要设计合适的探针和试剂盒,就可以对新的种类进行检测
 
 
有害藻华相关藻类
     
链状亚历山大藻(Alexandrium catenella该种分布广,北美、欧洲、南非、智利阿根廷和亚洲海域均有分布,青岛胶州湾、浙江、天津等海域可见。产生PSP毒素,毒害人类、鸟类和鱼类等。
 
塔玛亚历山大藻(A. tamarense
典型有毒赤潮藻,分布广,在较暖的海域里发生赤潮的频率较高,日本海、菲律宾、马来西亚、埃及、西班牙、阿根廷、意大利、美国、澳大利亚、香港等地均有赤潮记录。我国海域在南海大鹏湾、厦门海域和胶州湾均有发现,需警惕该种引发赤潮。产生PSP毒素,毒害人类、鸟类和鱼类等。
 
赤潮异弯藻(Heterosigma akashiwo
世界近岸海域广布种,在温带近海底层水温>15~20℃的夏季大量繁殖。该种在大连湾、胶州湾等曾多次形成赤潮。
 
澳洲拟菱形藻(Pseudo-nitzschia australis广泛分布于上升流(upwelling)海域中,能产生软骨藻酸(Domoic Acid, DA)。软骨藻酸DA是遗忘性贝毒ASP的活性成分。澳洲拟菱形藻经常导致DA中毒,在北美西海岸、新西兰和欧洲的贝类养殖场曾经因为澳洲拟菱形藻爆发而关闭。
 
多列拟菱形藻/伪优美拟菱形藻(P. multiseries / Pseudodelicatisima在中国东南沿海有分布。该种能产生软骨藻酸DA,导致中毒。
 
尖刺拟菱形藻(P. pungens
中国东南沿海常见种。该种能产生软骨藻酸DA,导致中毒。
 
短凯伦藻(Karenia brevis)[曾用名短裸甲藻(Gymnodinium breve)]
典型有毒赤潮藻,世界范围内广泛分布,能产生神经性贝毒NSP,其活性成分是短裸甲藻毒素brevetoxins。
 
米氏凯伦藻(K. mikimotoi典型有毒赤潮藻,世界范围内广泛分布,我国东海曾多次爆发米氏凯伦藻赤潮。
 
K. papilionacea 主要分布于澳大利亚和新西兰海域。
 
K. selliformis 主要分布于澳大利亚和新西兰海域。
 
铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)和其它微囊藻探针即将上市!)
世界范围内主要产毒蓝藻水华种源之一,我国广泛分布并频繁爆发蓝藻水华。其产生的微囊藻毒素严重危害供水安全。
 
其它产毒的淡水和海水藻探针将陆续上市!)
 
 
 
藻毒素
 
软骨藻酸(Domoic Acid, DA)
软骨藻酸DA是遗忘性贝毒ASP的活性成分,主要由拟菱形藻产生。
麻痹性贝毒(PSP)(探针即将上市!)
神经性贝毒(NSP)(探针即将上市!)
腹泻性贝毒(DSP)(探针即将上市!)
微囊藻毒素-LR探针即将上市!)
微囊藻毒素-RR探针即将上市!)
其它藻毒素探针将陆续上市!) 
 
 
细菌
► ARCTIC96BD-19
► EB750-1B7
► KTCC1119
► Marine Alpha Proteobacteria
► Marine Cyanobacteria
► Marine Group 1 Crenarchaea
► Marine Group 2 Euryarchaea
► OM60
► SAR11
► SAR86 clade III
► SAR86 clades I-II
 
 
动物幼虫
下面列的这些动物的幼虫多营浮游生活,可以通过ESP系统利用三明治杂交技术进行野外自动分析。

蔓足亚纲(Cirripedia)
属于节肢动物门甲壳纲。全部海生,成体固着生活,背甲变成含石灰质的外壳,包被体或全身。头部不明显,一般为雌雄同体。如藤壶(Balanus)、石砌(Pollicipes)等。

哲水蚤目(Calanoida),但不包括纺锤水蚤属(Acartia)、北镖水蚤属(Arctodiaptomus)、Candacia、真镖水蚤属(Eudiaptomus)、Pseudocalanus、Skistodiaptomus、歪水蚤属(Tortanus)和Neocopepoda的其它目。(Clade Calanoida, subset exclusive of Acartia, Arctodiaptomus,Candacia,Eudiaptomus,Pseudocalanus, Skistodiaptomus,Tortanus and other orders in the Neocopepoda.)

哲水蚤目(Calanoida)是节肢动物门(Arthropoda)、有颚亚门(Mandibulata)、甲壳纲(Crustacea)、桡足亚纲(Copepoda)的一目。该目种类很多,海洋种类即已超过1700种。哲水蚤目下分同哲水蚤族、等哲水蚤族和异哲水蚤族,前二者全是海生种,在异哲水蚤族中有一些淡水种和半盐水种。该目动物大多营浮游生活,少数营底栖生活。[1]食性为滤食型。滤食水中硅藻、细菌、有机碎屑等的悬浮颗粒。该目动物(如中华哲水蚤)是许多经济鱼类和幼鱼的基本饵料。有些种类(如飞马哲水蚤)因数量大,分布广,又具有较高营养价值,可作为家畜和人类的食物。此外,有些种既可作为海流或水团的指示种,又可作为实验生态、生理、生化的研究对象。

Calyptogena属
蛤类,尚无中文名。

短尾下目(Brachyura)
螃蟹,学术上称短尾下目(学名:Brachyura),是十足目中的一个类,由于节肢动物门中的分类还有争议,因此有时它也被看做一个亚目。这个类中的大多数动物生活在海中,但也有不少生活在淡水中或陆地上。

甲壳纲(Crustacea)
无脊椎动物,节肢动物门中的第3个大纲。种数仅次于昆虫纲和蛛形纲。绝大多数水生,以海洋种类较多。

真核生物(Eukaryota)

青蟹(Carcinus maenas)
入侵生物。是欧洲和北非的原生物种,被引入至美国、澳洲及南非。牠们食量大且为广盐性兼广食性物种。在一些引入此种大食量捕食者的地区,已经造成其它螃蟹及双壳贝物种的减少。在适宜的环境中,雌性个体一次可产卵达到18万5千颗,这些卵在孵化为浮游性幼体前,会黏附在雌性的泳足上数个月。

西伯加虫科(Siboglinidae)
属于须腕动物门(Pogonophora)。该门动物是一类海生、非常长的蠕虫形的后生动物,zui长可达36cm;是*没有口和消化管的非寄生三胚层无脊椎动物。

贻贝属(Mytilus)
贻贝是属于双壳类的一种贝类,卵很小,直径大约70微米左右。每个母体产卵可达1200万粒。在实验室里培养的个体,产卵时可使整个培养缸中的水变浑。卵在海水中遇到精子即受精发育。经过担轮幼虫和面盘幼虫时期,大约3—4个星期便沉至海底用足爬行,以后分泌足丝附着在外物上,变态成小贻贝,过固着的生活。在沿海各地的工厂里,常常汲引海水作为冷却用水,在引海水的同时,常常也把海水中所含的贻贝幼虫引了进来。这些幼虫进到海水管道里以后,可以很快地固着在水管壁上生长起来。由于工厂每天都在大量用水,引水管里的水流经雷保持很快的速度,所以就给这些小贻贝带来了大量的食料和氧气,使它能在管道里很好的生长。这样贻贝便很快的一个粘一个的聚生在管道的内壁上,无形中就等于加厚了管璧,缩小了水管的直径,这样就会大大地减少引进海水的数量,有时甚至于把管道*堵塞,以至不得不暂时停工检修。现在已经采取措施防止贻贝在管道里生长。

食骨蠕虫属(Osedax)
2009年科学家在蒙特雷峡谷新发现的蠕虫,主要有两种Osedax rubiplumus和Osedax frankpressi。它们以死鲸骨头为生,没有眼睛、腿、嘴和胃,但是长着色彩鲜艳的柔软的纤毛,还有绿色的“根”。这种“根”可以渗入死鲸的骨头,在共生细菌的帮助下,吸收其中的营养。它们zui引人注目的地方是柔软的红色纤毛,它们伸入水中,起着鳃的作用。在受到刺激时,蠕虫身体可以缩成一个透明的管子。身体另一端伸到了死鲸的骨头中,膨大形成一个囊。绿色的根就从囊中伸出,根上有许多与其共生的细菌,这些细菌可以分解鲸骨中的油。

多毛纲(Polychaeta)
多毛纲是环节动物门下的一个纲,是环节动物中zui多的及比较原始的一类,有6000多种,除极少数为淡水生活外,其他均为海洋生活。常见的种类如沙蚕(Nereis),沙蠋(Arenicola)、巢沙蚕(Diopatra)等。从生态习性上,多毛类可分为两种生活类型。一种是自由生活的,包括在海底泥沙表面爬行的种类、钻穴的种类、自由游泳的以及远洋生活的种类,通称为游走类(Errantia)。另一种是不能自由活动的,包括一些管居的或固定穴居的种类,通称为隐居类(Sedentaria)。多毛类动物绝大多数种类体长10cm左右,直径2-10mm,但zui小的种类体长不足1mm,zui长的可达2—3m。多毛纲中一些种是在大洋中营浮游生活,例如浮蚕科(Alciopidae)、玻璃虫科(Tomopteridae)等,它们像其他浮游动物一样,身体往往是透明的,其运动的方式也像沙蚕的爬行运动一样,例如玻璃虫(Tomopterls),其疣足特化成膜状羽枝,刚毛已消失,触手极长,适合于浮游生活。

Podoplea,除了Gymnoplea(包括Calanoida)外的所有5个目
甲壳类动物。

Provannidae Provannidae is a family of deep water sea snails, marine gastropod mollusks in the clade Caenogastropoda (according to the taxonomy of the Gastropoda by Bouchet & Rocroi, 2005).