近年来,稀土元素(rare earth elements,REEs)的广泛应用导致其在环境中不断增加,所引发的危害日益凸显。以往REEs污染的环境安全研究,更多关注的是REEs对陆生植物及其环境影响,对水生生物与水体环境安全的研究报道较少,由REEs污染引发的水体环境安全问题多被忽视。蓝藻水华的暴发不仅与其较强的适应力和繁殖有关,还与水环境的营养水平有很大的关系。鉴于此,本研究以探讨外源REEs对水环境安全的影响为目的,以太湖地区水华优势种铜绿微囊藻为观测对象,选取水环境中较丰富的镧[La(III)]作为REEs代表,模拟水环境不同营养水平和La(III)污染,运用液相色谱质谱联用、实时荧光定量PCR和激光扫描共聚焦显微镜等技术的优化组合,以外源La(III)对铜绿微囊藻种群增长、胞内微囊藻毒素(MCs)含量及种类、MCs合成关键酶(非核糖体肽合成酶,α-异丙基苹果酸合酶,色氨酸合成酶和预苯酸脱氢酶、精氨酸琥珀酸合成酶)活性和关键酶基因(leuA、tyrA、trpB、argG、mcyA、mcyB和mcyC)、元素含量和胞吞作用的影响为内容,研究外源La(III)对铜绿微囊藻及MCs的影响,旨在发现REEs对铜绿微囊藻生长及MCs的影响规律并揭示其内在机理。主要研究结果如下:(1)La(III)对铜绿微囊藻种群增长的影响。0~8 d时,铜绿微囊藻种群增长较慢,藻密度增长较缓,处于调整期。8~20 d时,铜绿微囊藻生长速度较快,种群增长率达到最大值,进入对数生长期,细胞数量呈指数递增。20~28 d时,铜绿微囊藻藻密度达到了最大值,细胞分裂和死亡达到动态平衡状态,生长周期进入稳定期。28 d后,铜绿微囊藻藻密度开始下降,呈现出负增长趋势,生长进入衰亡期。低、高营养水平下(氮和磷),铜绿微囊藻种群增长规律与正常营养水平一致,呈现S型增长模式。外源La(III)对铜绿微囊藻种群增长的影响取决于La(III)剂量:低剂量La(III)(2.0μM)促进了铜绿微囊种群增长,藻密度比对照处理组增加了4.8%,同时种群内禀增长率和环境容量增加了11.3%和16.5%。高剂量La(III)(40.0μM)抑制了铜绿微囊种群增长,藻密度比对照处理组降低了16.6%,种群内禀增长率下降了12.6%。低剂量La(III)(2.0μM)促进低营养和高营养水平铜绿微囊藻种群最大生物量分别增加了10.7%和17.0%,内禀增长率分别增加了0.463%和0.346%。高剂量La(III)(40.0μM)降低了最大环境容量和内禀增长率。因此,低剂量La(III)(2.0μM)能够促进不同营养水平环境下铜绿微囊种群增长,高剂量La(III)(40.0μM)则抑制。(2)La(III)暴露下,伴随铜绿微囊藻种群增长,MCs含量与组成变化规律。正常营养水平种群增长过程中,藻细胞内微囊藻毒素-LR(MC-LR)、微囊藻毒素-YR(MC-YR)和微囊藻毒素-LW(MC-LW)逐渐增加。种群增长进入稳定期时,细胞内MC-LR,MC-YR和MC-LW含量达到稳定。种群增长衰亡期时,MC-LR,MC-YR和MC-LW含量降低。低、高营养水平条件下,种群增长过程中,藻细胞内MC-LR、MC-YR和MC-LW含量变化趋势与正常营养水平一致。相同培养时期,高营养水平条件下,MC-LR含量高于低营养水平环境,MC-YR含量和MC-LW含量则低于低营养水平。低剂量La(III)(2.0μM)促进了正常营养水平环境铜绿微囊藻中MC-LR,MC-YR和MC-LW含量增加。种群增长进入稳定期时,MC-LR,MC-YR和MC-LW含量分别增加12%,32.1%和57.5%。高剂量La(III)(40.0μM)抑制了正常营养水平环境铜绿微囊藻中MC-LR,MC-YR和MC-LW的生成。种群增长进入稳定期时,MC-LR,MC-YR和MC-LW含量分别降低了20.6%,41.7%和58.8%。低剂量La(III)(2.0μM)同样促进了低、高营养环境下铜绿微囊藻细胞内MC-LR、MC-YR和MC-LW的含量增加,高剂量La(III)(40.0μM)则抑制。(3)从MCs合成关键酶活性及基因表达角度揭示La(III)影响MC-LR、MC-YR和MC-LW合成的内在机制。不同营养水平条件下,MCs合成关键酶活性及基因表达无显著性差异。在不同浓度La(III)影响下,MCs合成关键酶活性及基因表达呈现出显著性差异。低剂量La(III)(0.2和2.0μM)提高了铜绿微囊藻中MCs合成酶(非核糖体肽合成酶、α-异丙基苹果酸合酶、预苯酸脱氢酶、色氨酸合成酶和精氨酸琥珀酸合成酶)活性和MCs合成酶基因(leuA、tyrA、trpB、argG、mcyA、mcyB和mcyC)转录水平。高剂量La(III)(40.0μM)抑制了MCs合成酶活性和基因转录。La(III)对MCs合成酶基因转录水平的低促高抑作用,影响了铜绿微囊藻中合成酶的催化活性,促进了细胞内MC-LR,MC-YR和MC-LW含量发生变化。(4)从生态化学计量学与细胞学角度揭示La(III)影响MCs合成和组成的机理。低剂量La(III)促进了C:P、N:P和C:N摩尔比值的提高,高剂量La(III)则抑制。藻细胞内总MCs含量的变化与C:P和N:P比值呈正相关。藻细胞中C:N比值的增加,MC-LR百分含量下降,同时MC-YR和MC-LW的百分含量增加。La(III)可能通过胞吞作用影响了藻细胞内营养元素和矿物元素的吸收,进而影响了藻细胞的生长和MCs含量及组成的改变。铜绿微囊藻经La(III)处理后,荧光标记物在藻细胞内荧光明显,激活了铜绿微囊藻细胞胞吞作用,且颜色加深程度随La(III)剂量的增加而增加,胞吞作用活化程度被进一步增强。进一步研究发现,La(III)可能是通过通过网格蛋白介导的胞吞途径激活铜绿微囊藻胞吞作用,从而对铜绿微囊藻生长产生影响。本文揭示了外源La(III)对铜绿微囊藻种群增长和藻细胞内MCs含量影响的机理:La(III)通过胞吞作用进入藻细胞内并改变了铜绿微囊藻细胞对元素的吸收,导致MCs合成关键酶基因转录发生变化,影响了铜绿微囊藻中MCs合成酶的催化活性活性,进而影响种群增长和细胞内MC-LR,MC-YR和MC-LW含量。本研究为REEs对蓝藻及MCs的作用机理提供了新的认识,进一步理解REEs对蓝藻细胞的影响,为客观评价水体REEs污染所引发的环境安全风险提供参考,也为客观评价未来环境中REEs污染引发有害藻类的应激响应提供数据支撑。