近年来, 凯伦藻赤潮在世界海域频繁暴发, 并导致严重的海洋生态灾害, 引发各界关注。自1998年凯伦藻在我国南海海域暴发大规模赤潮开始, 我国近海海域连年暴发赤潮, 凯伦藻已成为我国近海海域典型的海洋生态灾害的原因种之一, 给沿岸地区造成了巨大的经济损失。为此, 本文从米氏凯伦藻(Karenia mikimotoi)分类学地位、毒性和毒素、藻华发生概况和危害, 及生态学特性进行梳理, 为我国米氏凯伦藻赤潮暴发预警减灾、海洋渔业健康发展和海洋生态保护等提供科学依据和理论支撑。

米氏凯伦藻隶属于裸甲藻目(Gymnodiniales)凯伦藻科(Kareniaceae), 是甲藻门(Dinophyta)一个较新的科。Bergholtz等(2005)综合形态学特征、核糖体DNA序列(LSU rDNA)和色素组成等信息, 研究发现凯伦藻属(Karenia)、卡尔藻属(Karlodinium)以及塔卡藻属(Takayama)这三个属的rDNA序列高度同源, 认为在进化上应属于同一分支, 因此建议将这三个属组合成一个新的科, 即凯伦藻科(Bergholtz et al, 2005)。凯伦藻科藻类为单细胞, 细胞裸露, 无明显的细胞外壳, 顶沟为直线形或者“S”形, 细胞色素成分为岩藻黄素或/及岩藻黄素衍生物。该科是有毒有害甲藻种类较为聚集的一个类群(Brand et al, 2012)。

凯伦藻属是以美国藻类学家Karen Steidinger的名字命名, 以肯定其在甲藻研究领域的突出贡献, 它是凯伦藻科中一个重要且种类较多的属, 目前该属有12个种, 模式种为短凯伦藻(Karenia brevis)(Guiry et al, 2017)。凯伦藻属成立之后, 越来越多的该属种类被发现, 仅2003—2004年间, 其种类数量就从成立之初的4个种增加至12种(表 1)。凯伦藻属中的很多种类都是有毒有害种, 其中广为人知且危害较大的为短凯伦藻和米氏凯伦藻, 而米氏凯伦藻赤潮是在我国近海造成经济损失最大的赤潮。

1 米氏凯伦藻的形态分类学特征

米氏凯伦藻(Karenia mikimotoi)隶属于裸甲藻目(Gymnodiniales), 凯伦藻科(Kareniaceae), 凯伦藻属(Karenia)。藻细胞为单细胞, 细胞背腹扁平, 呈宽卵圆形。细胞长20—30μm, 宽16—30μm, 侧面宽度10—15μm, 长略大于宽。细胞上壳部为半球形或宽圆锥形。下壳部底部中央有凹陷, 为两浅裂片状。下壳部大于上壳部。横沟位于细胞中央, 略靠上壳部, 始末位移为2倍横沟宽度。纵沟入侵上壳部, 并与顶沟形成一个明显的顶沟-纵沟连接结构(apcial-sulcus juncture)。顶沟直, 始于横沟起点的右侧略上处, 经细胞顶部延伸至上壳部背部。细胞核椭圆形, 位于下壳部左侧, 近细胞边缘。叶绿体多个, 分布于细胞表面(图 1)。

本种曾有多个异名, 包括Gymnodinium mikimotoi、Gyrodinium nagasakiense (Takayama et al, 1984)、Gymnodinium nagasakiense (Takayama, 1985)、Gymnodinium sp.等。国内曾将其译为长崎裸甲藻、米金裸甲藻、米氏裸甲藻和三宅裸甲藻等。该种的种名“mikimotoi”是根据日本一个珍珠养殖场主Mikimoto的名字命名，该养殖场主资助了对其养殖区米氏凯伦藻赤潮的研究。目前较认可的中文译名为“米氏凯伦藻”。

2 米氏凯伦藻的毒素及毒性 2.1 毒素

米氏凯伦藻赤潮是我国近海鱼毒性赤潮的典型代表, 该藻能产生细胞毒素、溶血毒素、糖脂类毒素、脂肪酸类毒素和一系列多不饱和脂肪酸类毒素(Yasumoto et al, 1990; Arzul et al, 1995; Gentien et al, 2007)。其产生的溶血毒素和细胞毒素可造成鱼类大量死亡, 因此, 这类赤潮也统称为鱼毒性赤潮。

溶血毒素(haemolytietoxin, HT)是一种结构和成分较为复杂的多成分混合物, 目前已知的成分有糖脂类(glycolipids)、糖苷类和不饱和多脂肪酸类化合物、肽类和蛋白质类物质(刘桂英, 2015)。研究发现, 米氏凯伦藻溶血毒素最少含三种组分, 包括两种糖脂类物质和一种脂类物质, 一种是含有两个不饱和脂肪酸的糖基二乙酰基甘油、单半乳糖甘油二酯(Monogalactosyl diacylglycerol)和双半乳糖甘油二酯(Digalactosyl diacylglycerol) (Parrish et al, 1998)。Octadecapentaenoic acid (18: 5n-3, OPA)是米氏凯伦藻中溶血活性最强的脂肪酸类物质(Mooney et al, 2007)。王朝晖等(2001)对米氏凯伦藻赤潮对鱼鳃组织影响进行研究, 发现其溶血毒素能够造成鱼鳃小叶上皮细胞增生、邻近鳃叶黏连、上皮细胞脱落、鳃血管破裂、血细胞渗出等病理现象, 从而导致鱼类死亡。

米氏凯伦藻产生的细胞毒素主要包括裸甲藻素A (Gymnocin A)和裸甲藻素B (Gymnocin B) (Satake et al, 2002, 2005)。毒素分子由14个以上环醚接合而成, 分子质量超过1000, 是分子质量较大的梯状聚醚类化合物。Gymnocin A由14个相连的饱和醚环和2-甲基-2-丁烯的侧链构成, 分子式为C₅₅H₈O₁₈。Gylnnocin B是从米氏凯伦藻中提取出迄今分子质量最大的多环醚化合物, 含有15个醚环, 醚环之间是以反式并合, 分子式为C₆₂H₉₂O₂₀。Gymnocin A和Gymnocin B两者在分子结构上差异较大, 但细胞毒性接近。研究发现, Gymnocin A对小鼠淋巴瘤P388细胞有细胞毒性, 推断它的细胞毒性与侧链α, β-不饱和乙醛基以及分子的长度有关(Satake et al, 2005; Tsukano et al, 2006)。

2.2 生物毒性

米氏凯伦藻赤潮在美国、欧洲、中国、日本和韩国等海域造成了大量鱼类和无脊椎动物的死亡(Gentien, 1998; Brand et al, 2012)。由米氏凯伦藻造成的海洋动物死亡原因非常复杂, 不仅因为赤潮暴发时的高生物量能够产生大量的毒素, 而且密集的藻细胞死亡分解时也能够产生大量的黏液, 同时消耗水中的氧气, 造成水体缺氧, 因此导致海洋生物死亡的原因不易判断。

米氏凯伦藻除了产生溶血毒素和细胞毒素对鱼类和哺乳动物造成影响, 还会对浮游动物生长发育、摄食和产卵产生影响, 从而降低捕食者对其的摄食压力。米氏凯伦藻可产生某种代谢物从而降低蒙古裸腹溞、近海伪镖水蚤、大森纺锤水蚤和中华哲水蚤的摄食率, 减少海哥兰哲水蚤等的产卵量(邢小丽等, 2003; 孙军等, 2007; 张勇等, 2011), 并在较低密度(< 80cells/mL)下就能明显减少褶皱臂尾轮虫的数量并使卤虫存活率明显下降, 影响黑褐新糠虾的存活和繁殖(孙科, 2010)。

米氏凯伦藻能影响部分敏感贝类幼体早期发育, 可致其幼体和成体死亡。研究发现米氏凯伦藻可致皱纹盘鲍幼虫、幼鲍和成体死亡, 并能够抑制皱纹盘鲍鳃的SOD酶活性和CAT酶活性、肝胰组织的SOD酶活性和GSH-Px酶活性, 对皱纹盘鲍免疫系统造成损伤(张腾飞等, 2018)。米氏凯伦藻能显著降低眼点幼虫的存活和海湾扇贝D形幼虫的活力, 但对海湾扇贝的稚贝、栉孔扇贝受精卵孵化率和D形幼虫的存活没有明显的影响(孙科, 2010)。

3 米氏凯伦藻赤潮及其危害

米氏凯伦藻能产生的毒素可以引起鱼类及其他海洋哺乳动物死亡或经食物链最终传递到人类, 对海产品安全和人类健康造成威胁, 并破坏海洋生态环境。米氏凯伦藻是全球范围内凯伦藻属赤潮的主要肇事种, 最早于1935年在日本发现, 已在挪威、新西兰、澳大利亚、南美、北非和中国等水域引发过灾害, 导致鱼类和贝类等海洋生物死亡, 造成严重经济损失(Oda, 1935; Arzul et al, 1995; Seki et al, 1995; Sellem et al, 2000; Yang et al, 2004; Mitchell et al, 2007; Ji et al, 2011)。如1976、1979、1992和2005年在爱尔兰海域发生的米氏凯伦藻赤潮引起大量的野生鱼类和底栖无脊椎动物死亡(Raine et al, 2001; Silke et al, 2005); 1981年在韩国Chinhae海湾发生米氏凯伦藻赤潮, 致使大量鱼类死亡, 造成约260万美元渔业损失(Kim, 2010); 1995年发生在法国沿岸的米氏凯伦藻赤潮(4.8×10⁸cells/L), 引起800—900吨的贻贝和大量的鱼类死亡(Gentien, 1998); 1998年在日本暴发的米氏凯伦藻赤藻, 造成约44亿日元的经济损失; 2004年在印度特里凡得琅海岸持续三个月的米氏凯伦藻赤潮, 导致大量的鱼类死亡和引起沿岸居民出现呼吸困难症状(Robin et al, 2013); 自20世纪50年代以来在墨西哥湾佛罗里达海岸几乎每年暴发短凯伦藻混合米氏凯伦藻的赤潮, 并会引起海洋哺乳动物和其他海洋生物群的死亡(Granéli et al, 2008)。

4 我国的米氏凯伦藻赤潮发生概况

我国较大规模的米氏凯伦藻赤潮首次发生于1998年的珠江口海域, 该次赤潮给粤港两地的海水养殖业造成毁灭性打击, 直接经济损失达3.5亿元(崔伟民等, 2009)。据统计, 自1998年以来, 我国沿海共发生米氏凯伦藻赤潮近90余次, 使沿海海产养殖业损失严重(Lu et al, 2014)。如2001—2008年, 福建沿海共发生米氏凯伦藻17次, 经济损失达3140万元(许翠娅等, 2010)。在我国, 米氏凯伦藻赤潮已成为仅次于东海原甲藻(Prorocentrum donghainese)赤潮的第二大灾害性赤潮(林凤翱等, 2010; Lu et al, 2014; 刘桂英等, 2015)。仅2012年在我国浙江和福建海域就连续暴发12起米氏凯伦藻赤潮, 导致大量养殖鲍鱼死亡, 经济损失累计超过20亿元(陈宝红等, 2015; 国家海洋局, 2016), 创造了我国近海赤潮所致经济损失的历史记录。

5 米氏凯伦藻的生态学特性 5.1 生活史

实验室观察, 米氏凯伦藻主要以分裂的方式进行无性繁殖。Ouchi等(1994)发现一株来自日本的米氏凯伦藻可以进行有性繁殖, 观察到了同型配子, 但是出现的几率很低。通过对实验室培养的米氏凯伦藻进行分子和形态学观察, 没有发现任何的暂时性孢囊(temporary cysts) (Hansen et al, 2000)。在实验室培养实验中可以观察到通过营养细胞分裂, 某些株系可以得到小型细胞, 而小型细胞通常在藻华发生后期的现场样品中被发现(Partensky et al, 1989; Gentien, 1998)。迄今为止, 还没有充分的证据证明米氏凯伦藻可以进行有性繁殖, 其主要的繁殖方式还是通过细胞分裂的无性繁殖。

5.2 垂直迁移

米氏凯伦藻是自主运动能力较强的一种甲藻, 其在水层中的垂直运动能力取决于海水水柱的稳定性, 当海水充分混合或层化较弱时, 垂直迁移运动较为顺利, 而当层化现象较强时, 米氏凯伦藻种群通常聚集在密度跃层(Dahl et al, 1989; Gentien, 1998)。Koizumi等(1996)通过现场观察, 发现米氏凯伦藻能够以大约2m/h的速度进行昼夜垂直运动, 其运动速度是短凯伦藻的2倍。由于米氏凯伦藻具有较强的垂直运动能力, 因此在自然海域中具有竞争光照和营养物质的优势, 在群落中拥有了较强的种群竞争力。

5.3 水文和气象因素

米氏凯伦藻属于广温广盐性种类。对于大多数藻株, 其生长温度在4—31℃之间(Gentien, 1998), 但也有研究表明, 某些高纬度海域(如奥斯陆湾)的藻株, 具有较窄的生长温度范围, 如在低于10℃和高于25℃时就不能生长(Nielsen et al, 1991)。米氏凯伦藻的盐度适应范围是9—35 (Gentien, 1998), 但少数株系只在盐度高于12时才能生长繁殖(Nielsen et al, 1991)。米氏凯伦藻对光照的耐受阈很宽, 从海表到密度跃层都能适应(Gentien, 1998)。低光环境条件下, 藻细胞通常通过增加胞内叶绿素a的含量、改善光合效率来适应弱光。当藻细胞从已适应的暗环境重新回到强光环境时, 光合效率也随之改变以适应新的光照环境。米氏凯伦藻的光饱和强度大约为200mmol photon/(m²·s) (Richardson et al, 1987)。

5.4 营养盐

海水中的营养盐是所有自养生物生长的物质基础, 也是藻华发生的主要原因之一。目前, 营养盐对米氏凯伦藻赤潮发生的调控机制尚不明确(Brand et al, 2012; Sourisseau et al, 2016)。已发表的研究大多是米氏凯伦藻的现场调查或是通过室内实验分析氮、磷浓度和成分的改变对米氏凯伦藻种群生理、生长的影响。

在英吉利海峡西部, 米氏凯伦藻常发生在咸淡水交汇的锋面海区, 在此区域营养盐波动较大(Brand et al, 2012), 夏季持续性的降雨以及由此导致的低盐、高营养盐的河水输入是该地区频发的主要驱动因子。河水输入可能直接导致近海水体富营养化, 或者改变营养盐跃层结构进而影响营养盐的扩散能力(Barnes et al, 2015)。然而, 另一些研究结果表明, 陆地径流输入的氮源不足以支持米氏凯伦藻的氮需求(Davidson et al, 2012)。米氏凯伦藻常发生在层化水体中, 支撑其高生长速率的营养盐主要来自水层内部有机物降解的铵盐(Sourisseau et al, 2016)。在亚洲海域, 富营养化被认为是日本和中国近海米氏凯伦藻赤潮发生频率增加的重要原因(Kimura et al, 1999; 姚炜民等, 2007; 刘志国等, 2014)。赤潮发生时, 细胞数量与水体中的无机氮呈负相关关系, 与磷酸盐呈正相关关系(姚炜民等, 2007)。也有学者提出不同观点, Kong等(2016)认为在长江口近海水体中, 米氏凯伦藻常常发生在相对高盐但营养盐水平较低的海区。

米氏凯伦藻主要是依赖光合自养进行生长。孙军等(2004)和斯丹等(2016)认为, 米氏凯伦藻在高氮磷比下生长速率最快; 而马龙等(2013)提出, 较高或较低的氮磷比值均不适宜米氏凯伦藻生长, 氮磷比值为24.4是米氏凯伦藻生长的最适值。

米氏凯伦藻具有较强的渗透营养能力。米氏凯伦藻可以利用多种不同形态的氮源和磷源, 但是不能很好的利用尿素和尿酸(Yamaguchi et al, 1999)。然而, 在东海海区, Li等(2009)发现米氏凯伦藻具有摄取尿素的能力。Zhang等(2017)、Luo等(2017)发现米氏凯伦藻利用葡萄糖-6-磷酸和ATP支持生长的能力与利用DIP相当。Richardson等(2015)认为, 米氏凯伦藻可以利用不同形态的磷源, 这种能力使得他们在磷限制下获取竞争优势; 此外, 黏附在藻上的细菌群落对有机磷源的再矿化作用可能对的发展产生重要影响。转录组数据表明, 米氏凯伦藻在利用有机磷源上, 除了最常见的碱性磷酸酶水解外, 还存在其他多种方式(Luo et al, 2017)。

另外, 研究发现, 米氏凯伦藻具有吞噬营养的能力。一些细菌和海洋微藻的存在能促进米氏凯伦藻的生长(Zhang et al, 2011)。Zhang等(2013)发现相较于东海原甲藻、链状亚历山大藻和海洋原甲藻, 米氏凯伦藻的生长在添加饵料藻后显著上升, 表明吞噬营养行为对米氏凯伦藻营养获取的重要性。

6 结语

米氏凯伦藻是凯伦藻属中分布广泛、诱发藻华较多、具有毒性的种类, 也是我国近海危害最大的藻华生物之一, 造成了巨大的海洋生态和海洋经济损失。其不仅能造成鱼类死亡, 也可导致鲍鱼等其他海洋生物死亡, 米氏凯伦藻能产生溶血性毒素和细胞毒素, 但毒素的成分复杂, 毒性机制及其不同地理株系的毒性差异尚有待深入研究。

米氏凯伦藻具有多种营养盐消化吸收途径, 主要以无机营养盐为主, 但也能够吸收利用有机营养盐, 同时还具备吞噬营养的能力, 这就使得其在藻华发生时种群在营养盐竞争中处于优势, 从而可以解释米氏凯伦藻藻华经常发生在河口、上升流、锋面、层化水体等富营养海区的原因, 但米氏凯伦藻藻华发生的偶然性及其时空分布特征还不清楚, 需要结合水动力等综合研究。