研究报告：环境中神经毒素β-N-甲基氨基-L-丙氨酸（BMAA）的传递和累积研究

研究作者及发表情况

本研究由Zakaria A. Mohamed、Rehab O. Elnour、Saad Alamri、Mohamed Hashem、Alexandre Campos、Vitor Vasconcelos 和 Hanan Badawye 等学者共同完成，来自Sohag University、King Khalid University 和 CIIMAR 等多所机构。研究成果发表在期刊《Environmental Science and Pollution Research》（2024年第31卷，第31479–31491页），于2024年4月18日在线发布。

研究背景

这项研究属于环境科学与污染研究领域，围绕淡水中的神经毒素β-N-甲基氨基-L-丙氨酸（BMAA）及其潜在对人类健康的风险展开。BMAA是一种由蓝藻（cyanobacteria）产生的非蛋白质氨基酸，被广泛认为与神经退行性疾病（如肌萎缩侧索硬化症和帕金森痴呆复合症）相关。现有研究显示，BMAA可能通过灌溉水传递到农作物及其可食用部分，形成对人类和动物健康的潜在威胁。然而，关于BMAA通过自然农业环境传递的研究较少，尤其是在尼罗河流域。因此，本研究的目标是检测埃及尼罗河及其灌溉渠道中的BMAA存在及其產毒蓝藻，同时探讨BMAA在主要粮食作物（玉米、高粱和小麦）中的累积情况，并评估相关风险。

研究流程

本研究主要包括以下步骤：

1. 采样：

   • 在埃及南部Sohag地区的六个灌溉渠道（从尼罗河分流并汇入尼罗河水）采集了水样和粮食作物样本。
   • 灌溉水样品分为夏季 (2021年) 和冬季 (2022年) 采集，采集深度约为30厘米。
   • 对于植物，主要收集了玉米 (Zea mays)、高粱 (Sorghum bicolor) 和小麦 (Triticum aestivum) 的谷粒样本。

2. 环境与浮游植物分析：

   • 测量灌溉水的物理化学属性（温度、pH值、电导率及总溶解盐）、养分浓度（硝酸盐、氨、磷酸盐和溶解有机物）及浮游植物密度。
   • 使用光学显微镜计数浮游植物并基于相关分类标准鉴定蓝藻物种（如Aphanocapsa planctonica、Chroococcus minutus 等）。
   • 分离优势蓝藻物种并在BG-11培养基中进行培养，用于毒素分析。

3. 样品处理与毒素萃取：

   • 从浮游植物样本中分离提取自由形态和蛋白结合形态的BMAA，使用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）法进行分析。
   • 对粮食作物谷粒进行清洗、研磨后，萃取其中的BMAA，用同样方法测定其自由和蛋白结合形态的浓度。

4. 风险评估：

   • 基于Wu等人的方法，通过公式计算出BMAA的指导值（Guideline Value, GV），评估人类摄入受污粮食的潜在健康风险。

研究结果

1. 环境因子及蓝藻的分布：

   • 灌溉水在夏季和冬季的营养浓度与环境因子显著不同。夏季硝酸盐浓度为1.7~1.9 mg/L，冬季仅为0.9~1.3 mg/L。
   • 蓝藻在夏季占浮游植物总量的77%至99%，冬季则完全消失。
   • 五种主要BMAA产毒蓝藻（A. planctonica、C. minutus、D. lemmermanni、N. commune 和 O. tenuis）在夏季主导了蓝藻群落，冬季未检测到这些物种。

2. 灌溉水中BMAA浓度：

   • 在浮游植物样本中检测到的BMAA浓度：自由形态为0.84~11.4 μg/L，蛋白结合形态为0.16~1.6 μg/L。
   • 自由形态的BMAA浓度与主要产毒蓝藻的细胞密度呈强正相关（r=0.9）。
   • 冬季无蓝藻时，灌溉水中未检测到BMAA。

3. 纯培养蓝藻的BMAA产生能力：

   • 各物种产生的自由BMAA浓度从4.8~71.1 μg/g（干重）不等，其中N. commune 的BMAA产量最高，O. tenuis 最低。

4. 粮食作物中的BMAA累积：

   • 在玉米和高粱谷粒中检测到BMAA（蛋白结合形态），浓度分别为3.87~7.1 μg/g，新鲜重量计。
   • 小麦谷粒未检测到BMAA，这与灌溉用水中蓝藻和BMAA在冬季的缺失一致。

5. 风险评估：

   • 基于目前研究中的BMAA浓度，玉米谷粒中的BMAA超出了为埃及成年人建议的BMAA指导值（3.1 μg/g）。这表明长期食用污染的粮食可能对人类健康构成威胁。

研究结论与价值

本研究首次提供了在农业灌溉环境中，BMAA从产毒蓝藻通过灌溉用水传递至粮食作物谷粒的直接证据，说明其可能的暴露风险。研究揭示：

1. 科学意义：

   • 证明蓝藻是BMAA的主要来源，并且BMAA的传递可能影响高价值农作物的安全性。
   • 强化了对尼罗河及类似水源的生态健康的认识，并阐明了水体富营养化对BMAA积累的影响。

2. 应用价值：

   • 对公共健康保护具有直接应用潜力：可作为制定灌溉用水安全标准的科学依据。
   • 强调应加强灌溉用水源系统的监测，并限制含养分废水的排放来减少蓝藻繁殖。

研究亮点

1. 原创性：

   • 本研究不同于以往的大多实验室研究，直接在自然农田环境下研究了BMAA的传递与累积。

2. 发现的创新性：

   • 揭示了BMAA主要积累在谷粒中以蛋白结合形态存在，并首次证实了一些蓝藻物种（如A. planctonica）是BMAA的产毒者。

3. 风险量化：

   • 提供了应用于非洲和中东国家粮食安全风险评估的具体参考数据，尤其是对玉米和高粱的安全性评估。

结语

本研究为更广泛施行的水体管理和粮食安全政策提供了关键信息，并提醒人们关注环境中毒素的隐蔽风险，特别是人们饮食习惯与神经退行性疾病可能的关联性。未来，研究还应进一步探讨BMAA积累对农作物生长的潜在影响，以及其在复杂食物链中的迁移和扩散机制。