抗生素对水生生物毒性影响的研究进展

2023-11-10沈梦楠卜小丹胡啸威刘青宇

化工设计通讯 2023年9期

胡艺，沈梦楠，杨帆，卜小丹，胡啸威，蔡航，陈涛，张明，刘青宇

（1.吉林建筑大学市政与环境工程学院，吉林长春 130118；2.长春水务集团城市排水有限责任公司，吉林长春 130118）

抗生素也被称为抗菌素，是杀死或抑制细菌生长的一种药物，通常由真菌、细菌及其他微生物产生或化学方法合成。自1929年第一种抗生素——青霉素的发现至今，科学家已经发现并研究合成了数万种抗生素，在人类医疗、畜牧和水产养殖等方面作出了巨大的贡献。但由于缺乏科学的规范性指导，抗生素滥用的现象非常严峻，据统计全世界一年约有20万t 的抗生素被消耗，而生物体消耗后残留的药物会随着自然环境的水土流失和人工污水的排放进入地表水，并长期存在于水体环境中。同时水体中抗生素代谢和降解的产物可能会影响抗药细菌和耐药基因的发展和转移，这已经是危害全球生物体健康的风险之一。研究表明，抗生素能抑制部分细菌酶DNA 的复制和转录，也可阻碍蛋白质、核酸和细胞壁的生长合成等，其作用于大部分细胞而无区分，无法做到主动性地趋利避害，所以在治疗生物体相关疾病的同时其副作用可能会对生物的发育、心血管、代谢系统和光合作用等造成不同程度的损害，因此，抗生素对水生生物的危害不容小觑。水域生态系统作为抗生素的主要归宿之一，容纳了多种抗生素，Liu 等[1]综述了中国河流湖泊中抗生素的分布情况，发现我国地表水中存在37种不同种类的抗生素，主要为磺胺类、大环类脂类、喹诺酮类和四环素类，且污染水平均在纳克每升至微克每升之间。在这些水域系统中的生物体内共计检测出24种抗生素，其中辽河水域中喹诺酮类抗生素恩诺沙星在生物体内的富集水平最高可达1 653.17 ng/L。

1 抗生素对水生生物生长发育的影响

目前，国内外学者针对抗生素对水生生物生长发育的影响做了大量研究，发现水体中的四环素类、磺胺类和喹诺酮类抗生素对生物的生殖和器官的健康均有一定影响。Yan 等[2]将斑马鱼暴露在200 μg/L 的磺胺甲恶唑水体中，发现磺胺甲恶唑改变了斑马鱼的卵母细胞，使其闭锁，且卵巢组织环境也受到影响，进而导致胚胎的产量减少且子代孵化率和存活率显著下降，存活的仔鱼在成长发育过程中畸形数量也增多。另有研究表明，阿莫西林会导致斑马鱼水肿、尾部畸形和胚胎畸形、提前孵化，而四环素会导致斑马鱼胚胎延迟孵化[3]。Zhou 等[4]研究发现四环素可能引起斑马鱼肠道杯状细胞数量显著减少、抗炎因子的表达增加、扰乱肠道菌群从而损害斑马鱼肠道健康。较高浓度的磺胺甲恶唑还可能使澳洲条纹沼虾和蝌蚪触觉反应逐渐丧失，造成鱼类肝脏细胞浆染色增亮和细胞核变大等[5]。

光合作用是植物通过叶绿体将光能转化为生命所需的化学能。叶绿素是植物吸收、传输和转化光能的生产车间，其含量的变化会直接影响水生植物光合作用能否正常进行，从而影响植物体内有机质（如蛋白质）的合成。因此当水生植物遭受抗生素污染时，根、茎的叶绿素合成途径可能受到限制。Yan 等[6]研究发现，不同浓度的环丙沙星对凤眼莲叶片内叶绿素合成产生不同影响，低浓度的环丙沙星（10 μg/L）会促进凤眼莲体内叶绿素a、叶绿素b 和总叶绿素的催化合成，而暴露于高浓度时则会抑制大部分种类的叶绿素合成。Baciak 等[7]将浮萍暴露于四环素的水体中，发现四环素不仅可以抑制浮萍叶绿素的合成还能使其生长速率、叶片数量、叶表面积、鲜重均受到抑制。

2 抗生素对水生生物抗氧化系统的影响

在自然生长条件下，水生生物体内产生和清除的活性氧（ROS）可维持着一种动态平衡，但若长期暴露于有毒污染物的环境中，生物体内将会生成过量的ROS，破坏其平衡状态，致使具有强氧化性的超氧自由基（O2-）、羟自由基（OH-）和过氧化氢（H2O2）分子大量游离。而这些自由基会导致膜脂过氧化反应，进而破坏细胞膜，增加细胞膜通透性，加速与细胞中大分子物质的化合反应，最终影响细胞的正常代谢，阻碍生物体内细胞的正常生长和繁殖。

生物体在受到诸如抗生素、重金属和有机污染物胁迫时，其体内会产生大量的ROS，这些ROS 会引起抗氧化酶如超氧化歧化酶（SOD）、谷胱甘肽转移酶（GST）、过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POD）等活性变化。吴志刚等[8]将鲤鱼暴露于含有环丙沙星的水体环境中，结果发现在暴露初期，高浓度的环丙沙星胁迫使鲤鱼肝脏SOD 酶活性呈现先升高后降低的趋势，而低浓度的胁迫影响与之相反呈先降低后升高趋势，尽管趋势不相同，但暴露初期整体SOD 酶活性均高于对照组，而随暴露时间增加，在暴露后期SOD 酶活性均低于对照组，受到显著抑制作用。研究发现，低浓度的环丙沙星和诺氟沙星（0.05、0.5 mg/L）可以诱导鱼体肝脏内GSH 的产生，而高浓度的（5、50 mg/L）抗生素则是先诱导再抑制GSH 产生。环丙沙星对植物体内的抗氧化酶活性也会产生影响，凤眼莲受到环丙沙星胁迫后，叶片的SOD 酶活性可能会出现先诱导后抑制的变化，CAT 酶活性会随着环丙沙星浓度增高而增高，但是在第7 d 其体内CAT 酶活性开始降低[6]。抗生素对生物体内酶活性“低促高抑”的作用现象，可能是因为生物体暴露于污染物中后，当污染物浓度未达机体承受极限时，生物体能够利用自身调节机制，增强其抗氧化酶的活力并同时产生抗氧化性的化合物以排除机体多余的单线态氧自由基，借此来抵抗或减少氧化破坏。但是，如果污染物的含量超过其生物体承受的阈值时，即机体内部的抗氧化酶系统无法保证自由基相对数量的产生并满足动态平衡，将可能直接造成生物体组织与机能破坏或者凋亡，使得酶活性削弱。

3 抗生素对水生生物在分子水平上的影响

研究表明，土霉素会使虹鳟鱼和罗非鱼体内的鱼红细胞DNA 链断裂，且能与DNA 相互作用抑制参与DNA 修复的酶活性，使鱼红细胞表现出显著的DNA 损伤[9-10]。这种抑制生物体内DNA 复制和转录的作用在羊角月牙藻和绿藻体内也出现。针对红霉素[11]对羊角月牙藻的基因毒性研究结果显示，红霉素不仅可以阻断DNA 的复制还有可能产生DNA 错配修复信号引起基因毒性。低浓度的红霉素（4 μg/L）通过上调与DNA 复制通路相关的基因区间表达促进植物生长，而高浓度抗生素则通过下调DNA 复制和修复的通路抑制植物生长[11]。在大西洋鲑肠道内土霉素上调肠道吸收相关的蛋白表达引起肠道菌群的损伤。抗生素对生物体基因的影响主要表现为，低浓度的暴露会激活解毒系统，而高浓度抗生素在生物体内过量积累可能会抑制解毒相关基因的转录表达。研究发现，抗生素不仅可能会影响生物体内蛋白质的运输、酶基因的复制与转录，以及光合作用基因的编码，还可能会使机体产生抗生素耐药菌，促进耐药基因（ARGs）的产生，且这种耐药基因可能通过垂直传播或水平传播等途径在环境中传播，使多种生物体产生耐药性，这一点尤其值得关注。