《Fish & Shellfish Immunology》：Chronic perfluorobutanoic acid (PFBA) exposure induces apoptosis and inflammation of gill in zebrafish (
Danio rerio)
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本研究通过转录组、组织病理学和分子方法，探讨 environmentally relevant PFBA 浓度（1000 ng/L）对斑马鱼鳃的慢性毒性效应，发现PFBA抑制DNA修复蛋白（tyms、fen1、rad51b）表达，激活p53凋亡通路，并引发炎症反应，导致鳃组织结构损伤，揭示PFBA的潜在生态风险。
周大连|陈建明|郑天宇|郝天伟|韩平|薛亚东|袁明哲|王旭波
教育部水产生物技术重点实验室（宁波大学），中国浙江省宁波市
摘要：
全氟丁酸（PFBA）是一种短链全氟烷基物质（PFAS），已被广泛用作受监管的长链PFAS的替代品；然而，其慢性生态毒性效应仍知之甚少。本研究结合转录组学、组织病理学和分子生物学方法，探讨了环境相关浓度（1000 ng/L）的PFBA暴露对斑马鱼（Danio rerio）鳃组织在暴露后63天内的影响。共120条斑马鱼被随机分配到4组（对照组、暴露7天组、暴露35天组和暴露63天组），每组3个重复实验（每池10条鱼）。1000 ng/L的暴露浓度是基于已发布的环境PFBA监测数据和初步剂量-反应试验结果选定的。组织病理学观察显示，随着PFBA暴露时间的延长，鳃组织逐渐受损，表现为上皮增生和组织分解。转录组学分析表明，在整个暴露期间，与核苷酸切除修复途径、p53信号通路和凋亡途径相关的基因持续失调。分子检测显示，PFBA暴露显著抑制了关键DNA修复蛋白（tyms、fen1和rad51b）的表达；计算机模拟分子对接分析预测PFBA可能结合这些蛋白的活性位点。同时，PFBA暴露还上调了atm、p53、bax和casp3基因的表达，同时抑制了bcl-2的表达，从而激活了线粒体凋亡通路。此外，PFBA暴露还诱导了炎症因子的活化，进一步加剧了鳃组织的损伤。TUNEL检测证实凋亡信号随时间增加，这与累积的DNA损伤密切相关。总体而言，我们的发现表明，慢性PFBA暴露与斑马鱼鳃损伤之间存在潜在的机制联系，这一过程通过DNA损伤-p53-凋亡级联反应实现。这些结果强调了短链PFAS在水生生态系统中被低估的生态风险。
引言
全氟丁酸（PFBA）是一种典型的短链全氟烷基物质（PFAS，C4-C6），自20世纪30年代末以来被广泛应用于工业和消费品中（如食品包装、纺织品）[1]、[2]。PFAS分为短链和长链（≥ C7）两类，传统上认为短链PFAS的生态毒性低于长链PFAS（如全氟辛酸[PFOA]、全氟辛烷磺酸[PFOS]）[3]。由于长链PFAS具有环境持久性、生物累积性和长距离传输性，自21世纪初起，PFOA和PFOS被列入《斯德哥尔摩公约》的持久性有机污染物（POPs）名单[4]，这促使人们大规模采用短链PFAS（如PFBA）作为替代品。然而，新的证据对其安全性提出了质疑：尽管PFBA的急性毒性和生物累积性低于长链PFAS，但它仍存在不可忽视的慢性风险，需要系统的毒理学研究[5]、[6]。
跨生物模型的比较毒理学研究揭示了PFBA的特异性毒性机制。在哺乳动物中，PFOA和PFBA通过不同的途径破坏小鼠的胆汁酸稳态——PFOA通过PPARα介导的Cyp7A1抑制降低总胆汁酸水平，而PFBA通过抑制FXR-FGF15途径改变胆汁酸组成[7]。在水生系统中，斑马鱼实验表明PFBA的急性毒性（120 hpf LC50）低于PFOA，但亚致死暴露会导致独特的低活性表型和转录组变化（如FXR/RXR途径富集）[8]。即使在细胞模型中，PFBA也会在人类神经母细胞瘤细胞中诱导氧化应激，并干扰海洋哺乳动物细胞的细胞周期进展，尽管其效应比长链PFAS较轻[9]、[10]。这些发现表明PFBA的毒性不容忽视，需要进一步探讨其环境风险。
PFBA具有显著的环境持久性，能够在水生系统、沉积物和废水中长期积累[11]。据估计，1951年至2030年间全球PFBA的排放量将达到915公吨[12]，并在多个国家（西班牙、中国、美国、印度）被广泛检测到[13]。全球地表水中的PFBA浓度范围通常在数十至数千ng/L之间，西班牙的记录值为749 ng/L[14]，美国明尼苏达州的饮用水中为2.5 μg/L[15]，欧洲受污染地区的浓度超过1000 ng/L[16]。值得注意的是，在中国化工工业园区附近的地表水和地下水中检测到了高污染水平（34.1-4789.8 ng/L，平均1223.2 ng/L）[17]、[18]，这证实了其环境普遍性，并突显了研究环境相关暴露情景的重要性。
目前的PFBA毒理学研究主要集中在高浓度、短期暴露（例如，黑岩鱼在10 μg/L PFBA环境中暴露14天的行为毒性[19]），而在环境相关浓度下的长期效应（尤其是对鱼鳃的影响）方面存在重要空白。作为鱼类与水生环境之间的主要界面，鳃是PFAS进入鱼体的主要途径，也是关键的毒理学靶点。大量证据表明，长链PFAS（PFOA、PFOS）会引发显著的鳃损伤（如氧化应激、结构损伤、Na+/K+-ATP酶抑制导致的渗透调节障碍）[20]、[21]，但关于短链PFAS（尤其是PFBA）引起的鳃损伤及其分子机制的研究仍然不足，阻碍了对其生态风险的全面评估。
为填补这一空白，本研究结合了转录组学和组织病理学分析，阐明了PFBA诱导的斑马鱼鳃DNA损伤和凋亡的分子机制。进一步利用蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络和分子对接模拟来探索PFBA与关键蛋白质之间的潜在相互作用。这种综合实验-计算方法为理解短链PFBA的水生毒理学效应提供了新的见解，对于完善PFBA的生态风险评估和优化短链PFAS替代品的监管框架至关重要。
化学物质
PFBA（纯度>98.0%，CAS：335-67-1）购自J&K Scientific（北京，中国），并溶解在二甲基亚砜（DMSO；Solarbio，北京，中国）中，配制成10 mg/L的储备溶液。
伦理声明及鱼类饲养和采样
十个月大的斑马鱼（AB品系）在循环水系统中饲养，每天喂食两次商业颗粒饲料（B2；Marubeni nisshin，东京，日本）。经过两周的适应期后，选择健康的斑马鱼进行实验（n = 120；平均值±标准误差）
PFBA慢性暴露下鳃的组织病理学效应
对随机选取的样本进行组织病理学观察，发现不同时间点的鳃形态发生了明显的病理变化。H&E染色显示，NE组的鳃片薄而呈板状，平行排列在鳃丝两侧，形成密集的栅栏状结构。相比之下，7天和35天暴露组的鳃丝末端出现增生，鳃损伤面积逐渐增加
讨论
先前的研究已经证明了PFBA对斑马鱼发育的有害影响[33]、[34]，但对其在环境相关浓度下的慢性鳃毒性的系统研究仍不足。为了填补这一空白，本研究全面分析了PFBA对斑马鱼鳃的干扰作用，阐明了潜在的病理和分子机制，并提供了关于慢性低剂量PFBA暴露在水生环境中生态风险的新见解
结论
总之，我们的研究表明，PFBA这种典型的短链PFAS化合物不仅下调了关键DNA修复蛋白（tyms、fen1和rad51b）的表达水平，还特异性地结合了它们的活性位点，从而支持了一种多层面的毒理学机制，其特征为“表达抑制-直接干扰-修复功能障碍-基因组不稳定”。此外，我们的发现首次表明，即使在环境相关浓度下，PFBA也会
CRediT作者贡献声明
周大连：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、实验研究、数据分析。陈建明：数据分析。郑天宇：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿。郝天伟：数据可视化、验证、监督。韩平：软件操作。薛亚东：方法学研究。袁明哲：资源协调、项目管理。王旭波：资金筹集、数据分析、概念构思。数据可用性
支持本研究所有发现的数据均包含在论文及其补充信息中。利益冲突
作者声明没有其他个人或组织的利益冲突。利益冲突声明
我们声明与任何个人或组织没有财务或个人关系。致谢
本研究得到了浙江淡水渔业研究所重点实验室开放项目（ZJK202409）、浙江省自然科学基金（QN26B070021）、宁波市自然科学基金（青年基金，2024J449）、宁波大学研究启动资金项目（ZX2022000602、ZX2024000043）的支持。
