鄱阳湖流域畜禽养殖抗生素与重金属复合污染的生态毒性及其分子机制

The extensive use of f antibiotics and heavy metals in the large-scale livestock and poultry farms has led to the formation of a typical environment for co-contamination of antibiotics and heavy metals on the farm and its periphery. Although there are a number of ecotoxicological studies on the antibiotics or heavy metals at present, the chronic toxic effects and mechanisms on aquatic organisms by long-term co-exposure to environmentally relevantly concentrations of antibiotics and heavy metal are still unclear. In this study, tetracycline antibiotics (oxytetracycline and chlortetracycline) and heavy metals (zinc) are chosen as test chemicals based on our previous investigation. The interaction of antibiotic and heavy metals was investigated by using fluorescence spectroscopy and UV spectroscopy techniques, which reveals the structure and coordination of the complex. Zebrafish selected as a vertebrate model for long-term co-exposure, the residual levels of both pollutions were analyzed in in different tissues and identify their target organs. The egg production, developmental toxicity, gonadal pathology and gonadal hormone levels were utilized to clarify the toxic effects on fish hypothalamic-pituitary-gonadal axis. Furthermore, using molecular biologyuch as qRT-PCR and Western bolt and theoretical calculation method revealed the molecular mechanism of toxicity. This study provide a scientific basis for the accurate evaluation of ecotoxicity and management strategies of co-contamination of antibiotics and heavy metals.

随着抗生素和重金属在规模化畜禽养殖业中的大量使用，在养殖场及周边形成了一个抗生素与重金属复合污染的典型环境。目前虽然已有大量有关抗生素或重金属的生态毒理研究，但环境背景值下两者复合污染对水生生物的慢性毒性效应及机制还不清楚。本项目拟在前期调研基础上，选择鄱阳湖流域规模化猪场广泛使用的四环素类抗生素（土霉素和金霉素）和重金属锌为研究对象，利用荧光和紫外光谱等技术探讨抗生素-重金属络合物的结构与配位数特征；以斑马鱼作为水生动物模型进行环境浓度的长期复合污染暴露，分析它们在不同组织中的残留特征，确定靶器官，从产卵量、生长发育、性腺病理和性激素含量等方面考察对鱼类下丘脑-垂体-性腺轴的毒性效应，进一步地通过qRT-PCR，Western bolt等分子生物学和理论计算相结合的方法，揭示复合污染的生殖干扰机制。为推动鄱阳湖流域畜禽养殖业抗生素与重金属复合污染的生态风险评估和开展污染防治提供科学依据。

本项目选择猪场广泛使用的四环素类抗生素和重金属锌为研究对象，探明了抗生素在鱼类中的富集、代谢规律以及对斑马鱼早期阶段的毒性效应，进一步利用复合暴露实验揭示了四环素类抗生素与锌单独和复合暴露对斑马鱼早期和成鱼阶段的毒性效应。本项目按照计划执行，已达到预期研究目标。结果如下：首先建立了用于检测水体和生物样品中四环素类抗生素的前处理和仪器分析方法，检测了赣江流域周边三家规模化猪场废水中四环素类抗生素金霉素、土霉素和四环素的浓度，尽管污水处理厂出水浓度相对进水降低很多，但在下游水体中仍能检测到μg/L级别的四环素类抗生素，该浓度下的抗生素可能对生态环境产生潜在危害；其次，采用紫外光谱技术分析了金霉素、土霉素和氯化锌溶液的络合特征，结果显示在高浓度混合下吸收峰波长显著偏移，表明生成新的络合产物；然后，利用超高效液相色谱-质谱联用技术检测经四环素类抗生素暴露及清水培养后斑马鱼仔鱼体内的残留浓度，发现斑马鱼仔鱼对三种四环素类抗生素的吸附和代谢能力强弱关系均为金霉素>四环素>土霉素，表明三种抗生素均能在鱼体内富集并进一步引起毒性效应，后续暴露实验利用基因和蛋白表达量测定、酶活水平测定、分子对接等方法也证明金霉素、土霉素和四环素可作为PI3K抑制剂与之结合进而抑制Nrf2信号介导的抗氧化应激调控，降低斑马鱼仔鱼的抗氧化能力；进一步地，金霉素、土霉素和氯化锌对斑马鱼胚胎的单独和复合暴露能够对斑马鱼早期发育、抗氧化系统、免疫系统和内分泌系统产生显著影响，且抗生素与重金属复合暴露可对生长发育和抗氧化系统产生更严重的毒性效应；最后，土霉素和氯化锌对斑马鱼成鱼的单独和复合暴露能显著影响脑、肝脏和性腺的相对重量以及抗氧化能力，同时能引起免疫毒性和生殖内分泌毒性，表明两类物质复合污染的潜在风险。本项目研究成果可为评价畜禽养殖废水的生态毒性和环境风险提供科学依据，具有重要的科学意义和现实意义。