兰州大学Chemical Reviews｜综述：浮游植物的化学

政务 2024-12-19 19:21 湖北

这篇综述文章全面且系统地探讨了浮游植物相关方面，涵盖其在碳循环中的角色、代谢产物的化学结构与生物活性、对生态环境的影响以及在药物研发等领域的潜在应用。

1 浮游植物与碳循环

(1)二氧化碳的固定与封存：浮游植物具有独特的碳浓缩机制（CCM），其生长速率和光合效率相对较高，约占全球二氧化碳固定量的一半，在海洋食物网中处于基础地位，对调节地球碳循环意义重大。例如，海洋中的浮游植物每年可固定约450-500亿吨碳，尽管其生物量仅占全球碳生物量的1-2%，但每年新生成的浮游植物生物量巨大，约45Gt，高周转率有助于碳在深海和沉积物中的长期封存。

(2)碳酸钙的生产与作用：浮游植物通过沉淀碳酸钙（CaCO₃）对二氧化碳进行氢性封存，此过程被称为 “白垩化事件”，主要发生在西南大西洋，可降低海洋中溶解二氧化碳（pCO₂）浓度，缓解海洋酸化，在全球碳循环中发挥着重要的负碳作用。

2 有害藻华（HABs）相关情况

(1)影响因素：生物地球化学环境的扰动对藻华的发生和强度影响显著，包括营养物质（氮、磷、铁和微量金属）、气候变化（如温度升高、降水变化、海洋酸化等）以及浮游植物自身的生态适应性（如浮力调节、共生关系等）。例如，农业和工业发展导致的富营养化会促使HABs周期性增殖；气候变暖可促进浮游植物生长，即使温度超过25°C，部分HABs生长活动仍能保持较高水平；降水和干旱事件的强度与持续时间变化也会影响HAB生长。

(2)产生的毒素及危害：约200种海洋浮游植物会产生毒素，威胁人类健康、生态系统并造成经济损失。这些毒素涵盖多种化学类别，如聚羟基多烯、生物碱、聚醚、多肽和聚酮等，根据临床症状分为多种中毒类型，地理分布各异，其中麻痹性贝类中毒（PSP）和腹泻性贝类中毒（DSP）报道较多。

3 浮游植物代谢产物的化学结构与生物活性

3.1 聚羟基多烯和聚酮类

(1)多种化合物及其活性：包括 amphidinolides、amphidinols、amdigenols 等众多化合物，具有细胞毒性、抗真菌、抗菌、抗肿瘤、调节心血管系统等多种生物活性。例如，amphidinolide N对L1210和KB细胞表现出极强的抗肿瘤活性，IC50值分别为0.05ng/mL和0.06ng/mL；brevisulcenals对P388细胞具有细胞毒性，KBT-A1和A2的LC₅₀值分别为10.9nM和3.5nM。

(2)结构测定与合成：确定这些化合物的相对和绝对构型极具挑战性，常采用NMR数据分析、化学降解、生物合成和计算化学技术等方法。文中详细阐述了部分化合物如amphidinol 3（AM3）、oscillatoxins（OTX）等的合成过程。

3.2 生物碱类

(1)各类生物碱及其毒性：如saxitoxins、gymnodimines、lyngbyatoxins等，具有神经毒性、鱼毒性、细胞毒性等，对神经系统、心血管系统等产生影响，部分还具有潜在药用价值。例如，saxitoxin（STX）对小鼠的LD50值（静脉注射）为3.4μg/kg，是一种强效神经毒素；gymnodimine（A）对小型淡水鱼具有强鱼毒性，LD50值为96μg/kg，还可能对治疗神经退行性疾病有帮助。

(2)合成与作用机制：部分生物碱的合成途径已被研究，如anatoxin-a由乙酸盐和谷氨酸盐生物合成。这些生物碱通过与特定受体或靶点相互作用发挥生物活性，如saxitoxins抑制钠通道，lyngbyatoxins激活PKC。

3.3 脂肪酸酰胺类

如myristamide、palmitamide等，具有对卤虫的毒性、调节睡眠、影响情绪、抑制酶活性以及与大麻素受体结合等活性，可能在相关疾病治疗或药物研发中有潜在应用。

3.4 浮游植物聚醚类

(1)多种聚醚化合物及其特性：包括brevisulcenals、brevetoxins、ciguatoxins等，具有哺乳动物毒性、细胞毒性、鱼毒性等，对生态系统和人类健康造成危害，同时部分化合物在生物化学研究中有重要意义。例如，brevetoxin A是赤潮中强效毒素，对鱼类毒性极强，LC100值仅为4ng/mL；ciguatoxins是引起雪卡毒素中毒的主要原因，可导致多种中毒症状。

(2)生物合成与结构研究：对其生物合成途径进行了探索，如okadaic acid（OA）的碳源研究，部分聚醚化合物的结构通过X-射线衍射、NMR等技术确定，其结构复杂性推动了相关研究进展。

3.5 多肽类

(1)代表性多肽及其作用：如microcystin、aeruginosins、cryptophycins等，具有细胞毒性、抑制蛋白酶、抗肿瘤等活性，在癌症治疗、药物研发等方面有潜在应用价值。例如，microcystin-LR对小鼠腹腔注射的LD50约为50μg/kg，是强效的肝毒素，还能抑制蛋白磷酸酶；aeruginosins可抑制凝血酶、胰蛋白酶等蛋白酶活性。

(2)生物合成机制：microcystin通过非核糖体肽合成酶（NRPS）合成，其合成受基因簇调控，受温度、光照、营养物质等因素影响；aeruginosins的生物合成也涉及特定基因簇和酶的作用。

(3)氨基酸类：如kainoids、β-N-甲基氨基-L-丙氨酸（BMAA）等，具有神经毒性、可能与疾病相关等特性，部分氨基酸的生物合成途径已被研究，对其在生态系统和健康方面的影响有一定认识。

4 浮游植物代谢产物在治疗方面的应用

(1)抗肿瘤：许多浮游植物毒素对癌细胞具有细胞毒性，可直接或间接抑制癌细胞生长，如amphidinolides、brevisulcatic acids（BSXs）、pectenotoxins（PTXs）等，通过诱导细胞凋亡、影响细胞骨架、抑制酶活性等多种机制发挥作用，有望成为抗癌药物研发的先导化合物。

(2)抗菌和抗真菌：部分毒素如amphidinols（AMs）、carteraol E、karatungiol A等表现出抗菌或抗真菌活性，可抑制真菌或细菌生长，为开发新型抗菌药物提供了潜在资源。

(3)其他治疗应用：包括镇痛（如neosaxitoxin、gonyautoxin等）、治疗阿尔茨海默病（如yessotoxin及其类似物、gymnodimine等）、心血管疾病（如gibbosol A、gibbosol B、symbiopolyol等）、中枢神经系统调节（如oleamide、linoleamide、brevetoxin B等）、抗病毒（如debromoaplysiatoxin、3 - methoxydebromoaplysiatoxin）、抗炎和免疫调节（如okadaic acid、yessotoxin）、杀虫（如isodomoic acids A、B、C）、调节离子通道（如neosaxitoxin、saxitoxin、aplysiatoxins、oscillatoxins等）、作用于胆碱能系统（如prorocentrolide A、gymnodimine、pinnatoxins、anatoxin-a等）、结合大麻素受体（如semiplenamides A、C、G，grenadamide）以及抑制酶活性（如aeruginosins）等。

5 有害藻华的化学生态与控制治理

5.1 化学生态

HABs 的化学生态复杂，其产生的代谢产物可影响捕食者行为、作为化学信号调节种间相互作用、通过化感作用影响邻近物种生长，如某些蓝藻产生的代谢产物可作为摄食威慑物，copepodamides可影响亚历山大藻产生毒素，卡伦藻释放的化合物可抑制其他物种生长。

5.2 控制与治理方法

(1)预防策略：减少营养物质和温室气体排放是预防HABs的重要策略，但实施具有挑战性，目前缺乏直接针对预防藻华的积极举措。

(2)物理方法：使用特定粘土使藻细胞聚集沉降，但部分藻毒素在沉积物中稳定且可能重新悬浮；过氧化氢（H₂O₂）和铜离子（Cu²⁺）可作为除藻剂，H₂O₂能抑制光合活性、改善水质、降解毒素，Cu²⁺浓度需谨慎控制，否则可能产生刺激作用而非抑制藻华。

(3)生物方法：利用寄生虫感染引发HABs的甲藻，但可能存在负面环境影响。

（翻译水平有限，敬请批评指正）

投稿、转载、合作、申请入群可在后台留言（备注：姓名+微信号）或发邮件至sthjkx1@163.com

【点击下方超链接阅读16个栏目推文】

1.【直播】	9.【院士】
2.【视频】	10.【综述】
3.【健康&毒理】	11.【写作】
4.【水】	12.【Nature】
5.【气】	13.【Science】
6.【土】	14.【WR】
7.【固废】	15.【EST】
8.【生态】	16.【JHM】

生态环境科学

最新学术成果与讯息

中科院南京地理湖泊所联合研究Microbiome｜青藏高原湖泊微生物组：气候变化下的功能特性与适应性

中科院地理资源所WR│全球内陆水体温室气体（GHG）排放格局及不同水位下的逃逸机制

中科院地理资源所联合研究EST│全球锂供应链网络的系统性风险

清华大学张少君课题组EST│呼吁重视电池回收法规实施与技术创新

加州大学旧金山分校EST│综述：微塑料暴露对人类健康的影响

曼彻斯特大学BITE│综述：MOF-生物炭复合材料的环境应用

Nature│2023年南极海冰创历史新低，海洋热量损失和风暴加剧

南京大学联合研究npj CAS｜中国跨省空气污染与排放源对健康负担的影响研究：2013-2035年的动态评估

新一代离子交换膜：限域离子膜 | NSR

华南理工大学陈元彩团队WR｜Cr(Ⅵ)胁迫下Acinetobacter haemolyticus RH19同步硝化反硝化的解毒

中南大学陈晓青/刘琦课题组EST｜机器学习辅助“收缩限制”SERS策略用于环境纳米塑料诱导的细胞死亡分类

北京航空航天大学梁大为团队EST｜氧还原电氧化的活性氧和活性氯的动态变化及其有机物降解机制

江桂斌院士：新污染物的基础研究与治理难点

新污染物治理领域未来的研究难点和资助重点是什么？

The Innovation Geoscience | 应对气候危机的关键科学问题：来自第二届气候变化科学大会的启示

华中农业大学刘广龙课题组WR｜使用FT-ICR MS解析颗粒有机物分子组成与湖泊富营养化的关系

厦门大学冯明宝团队WR｜卤代双酚F的卤化机制及光化学归趋

Cell｜揭示了微生物载量对理解健康和疾病中微生物组变异的重要性

兰州大学Chemical Reviews｜综述：浮游植物的化学

南京信息工程大学沈李东团队WR｜中国东部滨海湿地转变为稻田大幅降低了甲烷氧化活性和甲烷氧化菌丰度

中科院生态环境中心EST｜农药暴露下抗生素耐药性在土壤动物食物链间的传递

上海交通大学WR｜陆源输入和海洋过程对东海内陆架传统和新兴全氟和多氟烷基物质赋存和输运的调控

中科院成都生物所联合研究EST｜机器学习驱动的电化学生物传感器选择性定量监测水体有毒污染物

天津工业大学Nature Water｜纳滤膜研究最新成果

生态环境领域24个方向入选《2024全球工程前沿》

2023年度ES&T最佳论文奖

Nature Sustainability｜气候变化下含水层可持续性缓解策略的有效性

浙江大学Nature Sustainability｜废弃生物质一步转化为还原氧化石墨烯

中科院城市环境所联合研究Nature Energy｜着力关注中国城市垃圾焚烧发电厂的发展效益

中国环科院吴丰昌院士团队EST｜基流和硝化-反硝化耦合过程共同主导稀土开采影响流域硝酸盐动态

浙大一院曹林平团队联合浙工大EST｜全氟辛烷磺酸PFOS及其商业替代品6:2 Cl-PFESA诱导胰腺癌多药耐药

清华大学殷振元课题组Applied Energy｜海洋固碳：解析沉积物内液态二氧化碳注入与水合物封存的百年时空演化特性

国土空间生态修复十大关键议题│NSR观点

停止投稿！Chemosphere不是SCI了！

西北农林科技大学贾汉忠团队EST｜老化微塑料诱导形成的一种环境风险物质综述：对环境持久性自由基的见解

东北农业大学侯宁团队CEJ｜碳点诱导光生电子促进菌藻共生系统能量代谢和废水处理的新策略：加速电子传输的决定性作用

EST｜一种综合考虑发生、地球化学、生物利用度和毒性的多学科方法，优先考虑环境研究中的关键矿物元素

清华大学张潇源副教授WR｜臭氧氧化过程中羟基自由基的杀毒潜力

CREST｜迈向砷镉复合污染稻田土壤的安全生产：生物地球化学机制与修复策略

Carbon Research｜全球荟萃分析：森林恢复过程中土壤有机碳恢复的驱动因素

Science｜喜马拉雅树木的景观正在发生变化，其生态系统也在发生变化

Nature Sustainability｜如何结合人工智能和公民科学推动可持续发展目标的实现

国家纳米科学技术中心PNAS｜全氟辛酸（PFOA）可促进肺癌细胞的迁移和侵袭

朱永官院士团队Nature Communications｜在微塑料多样性驱动土壤抗性基因富集研究中取得进展

Science Advances | 大陆尺度上多年冻土矿物反馈的温度敏感性

Science Advances｜探秘海洋中的“混合营养”策略：全球海洋生态新视角

Nature Communications | 微生物传感器，长期检测土壤中TNT炸药

Nature Water｜絮体作为水体中微塑料的载体

环境研究重大突破｜人工智能助力环境科学研究，频繁登顶国际顶刊

分类

时事

民生

政务

教育

文化

科技

财富

体娱

健康

情感

旅行

百科

职场

楼市

企业

乐活

学术

汽车

时尚

创业

美食

幽默

美体

文摘

原创标签

时事社会财经军事教育体育科技汽车科学房产搞笑综艺明星音乐动漫游戏时尚健康旅游美食生活摄影宠物职场育儿情感小说曲艺文化历史三农文学娱乐电影视频图片新闻宗教电视剧纪录片广告创意壁纸头像心灵鸡汤星座命理教育培训艺术文化金融财经健康医疗美妆时尚餐饮美食母婴育儿社会新闻工业农业时事政治星座占卜幽默笑话独立短篇连载作品文化历史科技互联网

发布位置

广东北京山东江苏河南浙江山西福建河北上海四川陕西湖南安徽湖北内蒙古江西云南广西甘肃辽宁黑龙江贵州新疆重庆吉林天津海南青海宁夏西藏香港澳门台湾美国加拿大澳大利亚日本新加坡英国西班牙新西兰韩国泰国法国德国意大利缅甸菲律宾马来西亚越南荷兰柬埔寨俄罗斯巴西智利卢森堡芬兰瑞典比利时瑞士土耳其斐济挪威朝鲜尼日利亚阿根廷匈牙利爱尔兰印度老挝葡萄牙乌克兰印度尼西亚哈萨克斯坦塔吉克斯坦希腊南非蒙古奥地利肯尼亚加纳丹麦津巴布韦埃及坦桑尼亚捷克阿联酋安哥拉