Toxicity of the disinfectant benzalkonium chloride (C14) towards cyanobacterium Microcystis results from its impact on the photosynthetic apparatus and cell metabolism
Yunlu Jia∗, Yi Huang, Jin Ma, Shangwei Zhang, Jin Liu, Tianli Li, Lirong Song∗
https://doi.org/10.1016/j.jes.2022.11.007
成果简介
本研究了常见苯扎类消毒剂对水华蓝藻不同株的生长抑制效应，比较了产毒微囊藻与非产毒微囊藻对十四碳苯扎氯铵的敏感性差异，结果表明产毒株更加耐受。亚致死剂量的十四碳苯扎氯铵处理后，产毒微囊藻的胞外毒素含量增加，表明消毒剂大量使用可能会增加湖库产物微囊藻的生态风险。
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季铵盐化合物（QAC）已广泛应用于日常消费品中，然而，QACs 对水生生物的生态毒理学影响尚未得到充分研究。在本研究中，我们评估了一种广泛使用苯扎类QAC对常见淡水蓝藻的影响，从生长、光合作用、细胞代谢水平对其应答十四碳苯扎氯铵（BAC-14）的过程进行了全面分析。研究发现，产毒微囊藻的耐受性高于非产毒株，产毒铜绿微囊藻FACHB-905、产毒铜绿微囊藻FACHB-469 和非产毒惠氏微囊藻FACHB-908 的96 hr-EC50值分别为 0.70、0.76和0.38 mg/L。在0.4 mg/L BAC-14条件下，微囊藻的光合作用活性（Fv/Fm 值）明显受到抑制。此外，研究还发现，BAC-14对细胞代谢产生了广泛的影响。值得注意的是，BAC-14能显著提高产毒微囊藻胞外微囊藻毒素的产量，但细胞生长并未受到明显影响。综上所述，BAC-14 能明显干扰微囊藻细胞的生理代谢状态，诱发微囊藻毒素的产生和释放，从而扩大有害蓝藻对水生系统的不利影响。
引言
季铵盐化合物（QAC）常用于各种消费品和商业产品，尤其是消毒产品。在 COVID-19大流行期间，QAC已成为很多消毒商品的主要制剂之一。并且，QAC的阳离子性质及蒸汽压非常低，在现有污水处理厂工艺很难降解去除，从而直接排入地表水。然而，QAC的水生态毒性，研究尚不足。本研究选择浮游植物水华蓝藻为研究对象，分析苯扎类QAC对其生长、生理及细胞代谢的影响，比较产毒与非产毒水华蓝藻的敏感性差异，为QAC的水生态毒性评估提供基础数据支持。
图文导读
1. BAC-14对三株微囊藻的生长抑制效应
图1展示了经不同BAC-14处理后，三株微囊藻的生长抑制效应。以第4天为例，浓度高于0.75 mg/L的BAC-14显著抑制了两种产毒铜绿微囊藻的生长；而浓度高于0.4 mg/L的BAC-14显著抑制了非产毒惠氏微囊藻的生长。计算得96小时半效应浓度(96 hr-EC50)亦表明，产毒铜绿微囊藻比非产毒惠氏微囊藻更加耐受BAC-14。
图1 三株微囊藻暴露于十四碳苯扎氯铵的叶绿素a含量变化过程。
2. BAC-14对微囊藻光合生理的影响
当暴露于BAC-14时，三株微囊藻的叶绿素a荧光显示出与细胞生长相似的趋势。在0.2和0.4 mg/L浓度的BAC-14暴露2小时后，三株微囊藻的Fo（最小荧光）的急剧增强（图2）。相比之下，暴露于0.1 mg/L BAC-14时，三株微囊藻Fo变化规律不同：2小时后，两株产毒铜绿微囊藻的Fo显著下降，而非产毒惠氏微囊藻的Fo显著上升。暴露于0.1 mg/L的BAC-14时，三株微囊藻的Fv/Fm（初级光化学的最大量子产率）没有显著变化。相比之下，暴露于0.2 mg/L BAC-14的三种微囊藻的Fv/Fm在2小时时最低，然后随着暴露时间的延长而略有增加。暴露于0.4 mg/L BAC-14时，三株微囊藻的Fv/Fm值都保持在较低水平。
图2 三株微囊藻叶绿素荧光对BAC-14的响应差异。Fo（最小荧光强度）和F v/F m（最大量子产率）。所有值均为通过相对于对照样品的倍数变化计算。C1: 0.1 mg/L；C2: 0.2 mg/L；C3: 0.4 mg/L。*表示 BAC-14处理组和对照组之间存在显著差异（p<0.05）。数据表示为平均值（n=4）。
3. BAC-14对微囊藻细胞代谢的影响
通过比较三株微囊藻的细胞代谢物在BAC-14暴露后的振荡特征及通路富集。对于铜绿微囊藻FACHB-905，三个水平BAC-14处理后，苯丙氨酸代谢、核黄素代谢、淀粉和蔗糖代谢受到显著干扰，在两个较高水平的BAC-14暴露（0.2和0.4 mg/L）中，嘌呤代谢、嘧啶代谢、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸代谢、β-丙氨酸代谢和半胱氨酸和蛋氨酸代谢亦受到显著干扰。对于铜绿微囊藻FACHB-469，三个水平BAC-14处理样本的嘧啶代谢、嘌呤代谢、核黄素代谢、β-丙氨酸代谢、戊糖磷酸代谢、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢皆受到显著干扰。对于惠氏微囊藻FACHB-908，在两个较高水平的BAC-14暴露后样品中戊糖磷酸盐代谢发生了变化，而暴露于0.4 mg/L BAC-14时，嘌呤代谢、β-丙氨酸代谢、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸代谢、半胱氨酸和蛋氨酸代谢、类胡萝卜素代谢和精氨酸和脯氨酸代谢皆受到显著干扰。
4. BAC-14影响产毒微囊藻的胞外毒素释放量
我们测试了两株产毒微囊藻培养物的溶解态微囊藻毒素含量变化，如图3所示。与对照组相比，在0.1、0.2和0.4 mg/L BAC-14暴露下，铜绿微囊藻FACHB-469的胞外微囊藻毒素含量分别显著升高了18.3%、182.8%和227.6%，而铜绿微囊藻FACHB-905的细胞外藻毒素含量显著升高了13.4%、19.4%和26.4%。
图3 BAC-14暴露下两株产毒铜绿微囊藻的胞外微囊藻毒素变化百分比。
小结
本研究结果表明了产毒铜绿微囊藻比非产毒惠氏微囊藻更加耐受BAC-14，推测该类消毒剂进入地表水后会作为化学压力，有助于产毒微囊藻形成优势。从毒性机制来看，暴露于BAC-14后，三株微囊藻的叶绿素和藻蓝蛋白荧光皆快速升高，表明细胞膜受损。在代谢水平亦发现了甘油磷脂生物合成受到干扰。此外，在暴露于亚致死剂量BAC-14时，两株产毒微囊藻的胞外微囊藻毒素显著升高，这意味着BAC-14在环境相关浓度下增加了有毒微囊藻水华的生态风险。
作者简介
第一作者
贾云璐，男，安徽六安人，中国科学院水生生物研究所副研究员，德国亚琛工业大学博士及博士后。2020年入选湖北省百人计划海外高层次人才，2022年入选中国科学院特聘骨干岗位。主要从事藻类逆境生物学及有害藻华防控新技术研究。已在ES&T, Annual Review of Environment and Resources, eLife, Environmental Pollution, Science of The Total Environment, Aquatic Toxicology等期刊发表论文40余篇，申报发明专利20余项，其中第一发明人15项，授权专利5项。
通讯作者
宋立荣，男，江苏盐城市建湖县人，中国科学院水生生物研究所研究员。1982年毕业于南京大学，获学士学位；1988年毕业于中国科学院水生生物研究所，获博士学位。国家水生生物种质资源库副主任，淡水藻种库主任。研究领域为藻类生物学与藻种资源保护利用。聚焦蓝藻水华、蓝藻毒素等科学和技术问题，在宏观和微观层面上系统地加以研究，在本领域国际主流刊物上发表了百余篇论文，获得授权专利十余项。1996年以来，从事淡水藻种库的管理和研究，为藻种资源服务科研和产业发展做出了贡献，提升了我国藻种资源保藏和利用的能力。担任中国科学院藻类生物学重点实验室副主任、中国科学院生物遗传资源库工委会委员、农业部“淡水微藻种质资源收集与育种岗位科学家”（2017-2020）。作为主要骨干，获省部级科技奖一等奖三项。培养博士和硕士研究生五十余名。数次应邀在国内外学术会议上作特邀或主旨报告，2016年10月在武汉成功主持了第十届国际产毒蓝藻大会。
原文链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1001074222005599
引用格式
Yunlu Jia, Yi Huang, Jin Ma, Shangwei Zhang, Jin Liu, Tianli Li, Lirong Song, 2024. Toxicity of the disinfectant benzalkonium chloride (C14) towards cyanobacterium Microcystis results from its impact on the photosynthetic apparatus and cell metabolism. J. Environ. Sci. 135, 198-209.
