不同模式暴露下抗生素对藻的毒性作用
摘要：抗生素所引起的环境问题已经受到广泛关注，水环境中的藻类作为初级生产者，对污染物具有高敏感性，因此常被作为污染物毒性的受试生物。本文综述了抗生素的毒性作用以及藻的毒理学响应，探究在不同模式暴露下抗生素对藻的毒性作用。
关键词：抗生素；藻；毒性；暴露模式
1、抗生素的污染情况
抗生素污染已经成为全球关注的环境问题[1]，在海洋、湖泊[2,3]、地下水[4]和土壤[5]等环境中均有抗生素检出。在我国贵阳[6]、重庆和上海[7]等多个城市河流中均检测到抗生素残留,虽然浓度大多为“ng/L”级别,但抗生素的化学稳定性和生物毒性决定了低浓度的抗生素也会对水生生物甚至整个水生态环境带来严重影响[8,。抗生素在全球范围内使用广泛，截止到2018年，全球抗生素消费量为40.2亿每日剂量，较2000年增长了46%，同年我国抗生素产量约为19.6万吨。目前主要使用的抗生素包括磺胺类、氟喹诺酮、四环素、氯霉素、大环内酯类、氨基糖苷类和β-内酰胺类等[9]abac式的词语大全。其中以大环内酯类抗生素使用量居多，作为大环内酯类抗生
素原料供应集中地，2020年我国使用量约为4.2万吨[10]。大环内酯类抗生素是一组由两个脱氧糖分子与一个含14~16个碳原子大脂肪族内酯环构成的具有相似抗菌作用的碱性化合物[10]。大环内酯类抗生素在环境具有较高检出率，在城市污水中的年浓度平均值为1734 ng/L[11]，在动物粪便和废水中检出的含量分别为9.6ug/kg和13.8 ng/L，在中国地表水、地下水和沉积物中的含量中值分别为4.5ng/L、0.4 ng/L和1.6ug/kg。抗生素的设计目的是与病原菌中的受体相互作用，而它可能通过类似的受体或途径与非靶标生物相互作用，并对藻类物种的生长产生不利抑制。在环境中，抗生素一直存在很高的检出率。例如，在法国的Arc River河流中检测到克拉霉素的最高浓度为2.33 gL-1[12]。在污水处理厂废水中，克拉霉素的最大暴露水平达到2.31 gL-1。
通常情况下，人类和动物使用的抗生素只有少部分被吸收，其余10%~90%的抗生素会通过排泄物排出体外进入到污水处理系统（Wastewater Treatment Plants，WWTPs)中[17]。现有污水处理厂的处理工艺主要是针对有机物和营养物质设计的，而废水中的抗生素会对污水处理生化过程中微生物活性产生抑制作用，因此部分抗生素并不能完全降解而随污水的排放进入水环境中[18]。此外，由于部分抗生素具有较强吸附性，常吸附于污泥中，而常规污水处理工艺中常含有污泥回流，导致抗生素长期在污水处理厂中循环而难以去除。
污水处理厂日处理量大，对抗生素的处理效果不明显，使得污水处理厂成为环境中抗生素的主要来源之一[19]。
2、抗生素的生态风险
由于抗生素的频繁使用和排放，导致抗生素不断排入环境中，致使其环境浓度始终持续在高水平，对生态系统造成长期持续的环境风险。近年来，对抗生素本身毒性及其带来的环境生态影响相关研究逐渐增多，主要集中于体现各类抗生素的毒性作用揭示以及抗生素和其他污染物的耦合作用对生态环境的影响。水环境中的抗生素累积可能对非靶标生物产生不利影响，甚至造成抗生素抗性基因（Antibiotic Resistant Genes，ARGs）的传播，严重威胁生态安全和人体健康[13]。目前对抗生素生态毒性的研究主要借助水生生物如藻类、鱼类、底栖动物等[14]。抗生素对水生生物的生态毒性一般表现为抑制个体部分功能蛋白或重要代谢物的合成，改变或破坏部分酶活性从而使水生生物生长受到抑制和死亡。水生生物处于生态系统底层，对水生生物的毒性一定程度上能够通过食物链传递到人体并产生影响。已有研究表明，环境中抗生素的持续作用能够造成严重的生态影响，例如长时间接触抗生素的微生物会产生耐药性而抑制微生物活性，畜牧养殖业中动物产生的含抗生素粪
便流入农田会导致农田植物生长发育受到影响[21]。长期暴露于抗生素的动物会被影响性别比例，导致动物胚胎发育畸形或幼子畸形等。此外，进入环境中的抗生素在造成化学污染的同时，还会诱导环境中抗性微生物和抗生素抗性基因的产生，并加速其传播和扩散，通过直接或间接（如食物链）途径进入人体，增加人体的耐药性，给人类公共健康带来威胁[16]。通过食物链的富集作用，畜牧养殖或种植产品中所残留的抗生素会通过食物链进入人体，导致过敏反应、肠道菌失衡甚至食物中毒等现象；部分药物还具有内分泌干扰、致突变、致畸以及致癌等作用，对人类健康造成严重威胁[20]。
3、典型微藻的毒理响应
微藻作为水生生态系统的初级生产者，能够通过自身的光合作用进行化学能的合成，为整个水生生态系统乃至与水环境相关的其他生物系统提供能量来源，藻类作为水质指标的指示性生物，对其相应毒理性的研究有助于了解抗生素在整个水生生态环境中的毒性作用，从而有效评估抗生素在水环境中的污染程度。常见的微藻有羊角月牙藻（Pseudokirchneriella subcapitata）、普通小球藻（Chlorella vulgaris）、蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidesa）、斜生栅藻(Scenedesmus obliquus)铜绿微囊藻（Microcystis a
eruginosa）等。由于铜绿微囊藻具有体积小、生长快、对污染物胁迫反应敏感等特点，因此在毒理学研究中常被作为受试生物，用于评估抗生素、重金属、持久性有机污染物等微量新型污染物对自然水体的影响。
孙茜老公抗生素等污染物对藻的毒性通常是通过抑制藻类生长、干扰光合作用、产生氧化胁迫损伤和阻碍其他代谢过程来评价的。藻对污染物的胁迫反应首先体现在藻细胞密度的变化上。通常情况下，暴露于抗生素等污染物的藻细胞生长会受到明显抑制，例如持续暴露于红霉素的铜绿微囊藻的生长受到显著抑制[25]元华电影全集，暴露于莫西沙星和加替沙星的铜绿微囊藻96h抑制率最大可达到75.48%和88.87%[26]。此外，低剂量抗生素在蓝藻中产生的刺激效应近来也被研究所发现，例如苄西林在低暴露剂量300ng/L时对铜绿微囊藻的生长有促进作用，红霉素在暴露剂量小于100ng/L时增加了水华微囊藻的生长速度和光合作用活性[27]。
大量研究表明抗生素对藻细胞的光合作用具有干扰影响。徐宏洲等研究表明质量浓度高于1.0 mg/L的氟苯尼考能够抑制铜绿微囊藻光合素的合成，并对光合作用相关基因rbcl以及光系统Ⅱ反应中心重要蛋白的编码基因psaB和psbD1等均有影响[28]。通过对叶绿素荧光动力学曲线的测定及其相关参数的分析，阎学凤等研究表明受到不同浓度磺胺二甲基嘧啶（
SMZ）和氧四环素（OTC）暴露胁迫的中肋骨条藻细胞最大光能转化效率（Fv/Fm）显著降低。
藻细胞氧化胁迫的产生是毒性的重要反映。藻细胞在抗生素的胁迫下会诱导产生过量具有较强氧化特性的活性氧自由基ROS[29]。正常水平的ROS在细胞内作为信号分子起调控细胞代谢过程的作用，但过量的ROS却能够导致细胞器、功能蛋白和DNA的氧化损伤[30]刺激战场国际服ios。微藻自身的抗氧化系统如谷胱甘肽GSH、素以及酶等能够在一定程度上消除ROS带来的氧化胁迫。现有研究表明，低浓度的抗生素可能会诱导微藻细胞抗氧化酶活性的提高[31]，但持续暴露于高浓度的抗生素可能会抑制抗氧化酶的活性。抗生素对微藻的氧化损伤程度是通过丙二醛（MDA）含量来评价的。MDA是由过量ROS引起的不饱和脂质的过氧化物，细胞内高水平的ROS会导致MDA的积累，而MDA含量的升高表明抗生素已经引起了微藻的结构和功能损伤[29]徐娇cos。
由抗生素引起的氧化胁迫能够阻碍细胞正常代谢，造成细胞能量物质的积累。现有研究表明，抗生素所诱导的氧化胁迫作用会导致细胞能量代谢过程的紊乱。在阿奇霉素对小球藻的毒性研究中，发现阿奇霉素抑制了小球藻细胞能量物质（蛋白质、碳水化合物和脂质）
的储备，但当持续暴露于低浓度的阿奇霉素时，小球藻的生长表现出兴奋作用。此外，藻的能量物质如蛋白质、植物可溶性糖和脂质等作为细胞膜的主要组成物质，其含量的变化能够反映出细胞膜的损伤情况，为探究藻细胞膜透性在氧化胁迫中发生的变化提供依据[32]。
4、抗生素对微藻的短期急性暴露
近年来，关于抗生素对微藻的急性毒性效应受到了广泛的研究和关注。Manuela D.Machad等在红霉素对非靶标生物羊角月牙藻(Pseudokirchneriella subcapitata)的72h急性毒性实验中发现，暴露于38或200ug/L红霉素的藻细胞在没失活的情况下显现出生长抑制，且抑制了藻细胞光合作用并扰乱线粒体代谢活性。同样的，Changlu Wu等在氧四环素（Oxytetracycline，OTC）和铜对球等鞭金藻的72h暴露实验中发现，藻的生长受到两种污染物的协同抑制作用，并且抑制了叶绿素a的生物合成，影响了藻细胞内叶绿素的分布，但OTC和铜的共同作用能降低细胞脂质过氧化作用[33]。
短期急性暴露的实验聚焦于较高浓度下污染物对藻的毒理性作用，其实验设计目的在于探究急性暴露模式下污染物对藻的生长影响及其毒性作用机理。但就水环境实际而言，环境
检出浓度的污染物尤其是抗生素对微藻一般不会引起急性毒性效应，通常情况下抗生素实验浓度往往比环境检出浓度高出一个数量级[29]。近年来，有关抗生素的长期低浓度暴露影响也引起了人们的关注，这是由于低浓度抗生素暴露可能具有促进微藻生长的荷尔蒙效应，而且抗生素的长期低浓度暴露也会诱导藻细胞氧化胁迫的产生并抑制藻细胞的正常生长[34]，此外，长期暴露下藻对抗生素的吸收消除作用也引起广泛关注。
5、抗生素对藻的长期慢性暴露
Zhiguang Niu等人在小球藻(Chlorella sp.)和利马原甲藻（Prorocentrum lima）长期暴露于磺胺甲恶唑（Sulfamethoxazole，SMX）和诺氟沙星（Norfloxacin，NFX）的研究中发现，两种藻的生长均被不同程度的影响。小球藻在环境相关水平浓度（10和100 ng/L）抗生素作用下的最初10天内受到的影响并不显著，但在随后的实验中开始显示受到显著抑制，藻的抗氧化系统因氧化胁迫而失衡；而在相同的实验条件下，SMX对利马原甲藻生长有较明显的刺激作用，其抗氧化酶等正常的生理活动并未受到严重影响[34]。此外，等发现胶网藻(Dictyosphaerium sp.)暴露于磺胺类抗生素（磺胺嘧啶、磺胺甲基嘧啶、磺胺二甲基嘧啶）16天后其生长并没有受到显著的负面影响，但藻细胞的素含量、总蛋白和多
糖含量等均有上升，这表明长期暴露下藻细胞正在对抗生素产生耐受性，且后续实验结果证明，胶网藻对实验的三种抗生素16天去除率最高可达50%。
7、结论与展望
本文在概述了抗生素的污染情况及生态风险，阐述了典型微藻作为受试生物对抗生素的毒性响应，综述了短期暴露与长期暴露对藻的不同影响，以此反应出水环境中不同情况下抗生素的毒性效果。但水环境中通常存在多种污染物并存，以及单一污染物反复出现的情况。因此，对于反复暴露于抗生素的毒性作用还有待进一步研究，此外，多种污染物耦合作用于藻的毒性效应也不容忽视。