一、微囊藻毒素的基本信息

随着人类社会工业化、城市化的程度越来越高，以及农业生产大量使用化肥，大量的营养物质注入水体，湖泊富营养化日益严重。在富营养化水体中，蓝藻可以大量地繁殖。许多蓝藻能产生毒素，包括肝毒素（Hepatotoxins )、神经毒素、脂多糖内毒素、皮肤毒素等，在已发现的藻毒素中，微囊藻毒素（Microcystins, MCs）是一种在蓝藻水华污染中出现频率最高、产生量最大和造成危害最严重的藻毒素。微囊藻毒素对肝、肾、神经系统等多个人体器官有着强烈的毒素作用，可引起肝肾损伤、肝肿瘤、消化系统肿瘤，是目前已得到确认的肝脏肿瘤促进物。微囊藻毒素是一类由蓝藻中微囊藻属（Microcystis )、鱼腥藻属（Anabaena).颤藻属（Oscillatoria）及念珠藻属(Nostoc )等种类或品系产生的次生代谢产物。已发现的60多种微囊藻毒素，主要存在于微囊藻、鱼腥藻、颤藻、念珠藻和眠状软管藻中，而这些藻类在我国已调查的富营养化水体中广泛存在且多为优势物种。因此我国众多富营养化水体中，微囊藻毒素已对人类健康构成了潜在的威胁。

微囊藻毒素是一种细胞内毒素，蓝藻生长前期，藻毒素主要存在于蓝藻细胞内，即为胞内藻毒素（Intracellular microcystins, IMC )，当细胞破裂或衰老时，藻毒素释放到水中，即为胞外藻毒素（Extracellular microcystins, EMC)。由于较小的分子量、环状结构及其氨基酸的特殊结构，一般认为微囊藻毒素不在核糖体合成，而是由一类包含肽类合成酶(Peptide synthetase).聚酮合成酶(Polyketide synthases, PKSs）和其他修饰酶在内的巨酶复合体通过非核糖体（Nonribosome )途径合成的。实验表明，在蓝藻对数生长期内，水中溶解性藻毒素仅占总量的10%～20%。自然界中水华暴发时，若无溶藻剂或其他影响使其迅速溶解，水体中的藻毒素含量多在0.1～10 ug/L，细胞内毒素则会高出几个数量级。虽然在天然水体中蓝藻细胞释放的微囊藻毒素会大大稀释，但如果大面积严重的藻类水华发生后，就会使水体中的微囊藻毒素浓度大幅度上升。微囊藻毒素耐热，在300℃左右仍能维持很长时间不分解。虽然微囊藻毒素为多肽结构，但是一般不易被生物降解，在阳光下也比较稳定。所以一旦蓝藻大面积暴发，微囊藻毒素污染将会对人民健康和社会稳定构成极大的危险。

二、微囊藻毒素的结构和性质

1982年，Botes等在铜绿微囊藻中发现一种具有肝毒素活性的蓝藻毒素，并首次采用快原子轰击质谱（FAB-MS )确定了其分子结构。微囊藻毒素是一类具有生物活性的单环七肽，它的典型结构如图8.1所示（以微囊藻毒素LR为例说明）。这类毒素的结构特征是含有一个环状七肤的结构（D-丙氨酸-L-X-D-赤-甲基-p-D-异天冬氨酸-L-Z-Adda-D-异谷氨酸-N-甲基脱氢丙氨酸），其中3个右旋（D-)氨基酸分别为D-异谷氨酸、D-丙氨酸、D-异天冬氨酸，2个可以改变的左旋（L-)氨基酸（X和Z), 1个N-甲基脱氢丙氨酸为一种特殊的氨基酸，含有α、β不饱和双键；Adda结构为3-氨基-9-甲氧基-2,6,8-三甲基-10-苯基-4(E),6(E）-二烯酸。

（当X和Z可变氨基酸分别为亮氨酸Leu和精氨酸Arg即为微囊藻毒素-LR)

至今已发现的微囊藻毒素，具体通过以下三种方式的氨基酸改变或修饰而得到。

①肽环上2和4位的L-氨基酸（X和Z）可以更替为亮氨酸（Leu,L )、精氨酸（Arg,R).酪氨酸（Tyr,Y )、苯基丙氨酸（Phe,F )、色氨酸（Trp,W )、丙氨酸（alanine, A)。谷氨酸（glutamic acid, E )、高精氨酸（homoarginine, Har)、高酪氨酸（homotyrosine,Hty )、甲硫氨酸（methionine, M）等；表8.1显示了x和z位上不同氨基酸取代后对应的5种常见微囊藻毒素。

②肽环不同位置的甲基去除，比如去甲基微囊藻毒素LR (Demethyl MC-LR )、去甲基微囊藻毒素YR (Demethyl MC-YR)、去甲基微囊藻毒素RR (Demethyl MC-RR)。

③ Adda的结构变化，比如Adda可转变为9-羟基衍生物DM Adda或者9-乙酰氧基衍生物ADM Adda等，其中的共轭双键，在某些条件下可发生改变，而使得MC转变为[4(E),6(Z)-Adda] MC和[4 (Z),6 (E)-Adda] MC，目前[4(Z),6(Z)-Adda] MC还未见报道。

图8.2显示了到2006年为止，发现的67种微囊藻毒素的结构分布。位置2和4上的氨基酸在微囊藻毒素7种氨基酸中最易变化，其中位置2上有14种可能的氨基酸，29/67都是亮氨酸（Leu)，位置4上有10种可能的氨基酸，其中46/67都是精氨酸（Arg )。位置1上的氨基酸非常保守，66/67都是丙氨酸（Ala )。位置3上46/67是甲基天冬氨酸（McAsp),21/67是天冬氨酸（Asp)。位置5上大部分都是Adda, 10/67是Adda结构略微改变。位置6上的氨基酸非常保守，几乎全部都是谷氨酸（Glu )。位置7上有8种可能的氨基酸，其中35/67是Mdha。

微囊藻毒素具有较强的水溶性和耐热性，在水中不易降解。微囊藻毒素极易溶于水，在水中的溶解度大于1 g/L，不易沉淀或被吸附到沉淀物和悬浮颗粒物中。微囊藻毒素耐高温，加热煮沸（水浴100℃, 30 min)后不失活，不挥发，抗pH变化。实验室研究发现，微囊藻毒素在水体中的稳定时间与水体的特征有关，在水库水中低浓度MC-LR (10ug/L)在7天内即发生初级降解，在去离了水中超过27天依旧很稳定，在经过消毒的水库水中可保持稳定12天。微囊藻毒素在阳光照射下依然保持其稳定性，但当暴露在紫外线时即可被水解或发生化学异构和化学键合反应而使毒性丧失，其半衰期是10天，当紫外线波长接近其吸收峰周围（238～254 nm)，微囊藻毒素可在数分钟内迅速降解，环境水体中水溶性细胞色素和腐殖质等光敏剂的存在促进微囊藻毒素的光解速率。
微囊藻毒素是由亲水部分（如精氨酸的羟基和氨基）和疏水部分（如Adda及环状结构）构成的两性分子。由于肽环结构上的氨基酸组成不同，各种微囊藻毒索分子的疏水性具有一定差异。比如亮氨酸（Leu）和精氨酸（Arg）的存在使MC-LR既有较强亲水性，又具有一定的疏水性，而苯丙氨酸（Phe）和色氨酸（TIP）的存在使MC-LF和LW具有比MC-LR更强的疏水性。Maagd等研究了MC-LR在不同pH下的正辛醇／水分配比（Dow),发现当pH从1增大到10时，其Dow从2.18降低到1.76，这说明随着pH的增加，MC-LR的亲水性也有所增大。

微囊藻毒素分子除具备肽类的一般性质外，由于 Adda侧链结构上的共轭双键，因而具有较强的亲核反应能力。当受到亲核基团攻击时，Adda上可发生加成反应，比如遭羟自由基攻击，可形成双羟基化合物。此外，Adda中的共轭双键还容易被氧化剂氧化使双键断裂，形成2-甲基-3-甲氧基-4-苯基丁酸（MMPB ), Kunimitsu Kaya等基于这一反应研究了一种能够测定环境水样和沉积物样品中微囊藻毒素总量的方法。