《Aquatic Toxicology》：Metabolomic profiling reveals intestinal toxicity in zebrafish upon single and combined exposure to polystyrene microplastics and azithromycin
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协同毒性机制研究证实斑马鱼肠道在PS-MPs与AZM联合暴露下出现氧化应激加剧和代谢紊乱，肠绒毛高度降低及杯状细胞减少等病理特征显著增强。
高新伟|李俊远|葛鹿坤|沙海超|李琦|李曦|张乐|谭景楠
中国西安市黄河流域环境模拟与生态健康重点实验室，710127
摘要
聚苯乙烯微塑料（PS-MPs）和阿奇霉素（AZM）在水生环境中被广泛检测到，但它们共同毒性的机制尚不清楚。本研究使用斑马鱼作为模式生物，探讨了单次及联合暴露于PS-MPs和AZM对斑马鱼肠道健康的影响。结果表明，PS-MPs在斑马鱼肠道中的积累具有尺寸依赖性——颗粒越小，积累量越高。组织病理学分析显示，单次暴露于PS-MPs或AZM都会导致肠道结构损伤。值得注意的是，中高浓度下的联合暴露比单独暴露于AZM造成的损伤更为严重。具体表现为绒毛高度降低、杯状细胞数量减少、空泡化加剧以及条纹边界消失。氧化应激分析表明，PS-MPs加剧了AZM引起的氧化损伤，从而加重了肠道的氧化应激。此外，肠道脂多糖水平的改变反映了联合暴露下肠道屏障完整性和炎症反应的调节。代谢组学分析显示，联合暴露于PS-MPs和AZM后显著改变的代谢物主要涉及精氨酸生物合成、鞘脂代谢、嘌呤代谢、丙氨酸-天冬氨酸-谷氨酸代谢以及泛酸和辅酶A生物合成等代谢途径。这表明联合暴露显著扰乱了斑马鱼的代谢稳态。本研究为评估PS-MPs和AZM污染的生态风险提供了关键的机制证据，揭示了氧化应激与代谢紊乱之间的相互作用，阐明了它们共同毒性的机制，并为评估微塑料和抗生素协同效应的生态风险提供了代谢组学支持。
引言
自抗生素被发现以来，通过有效抑制或杀死病原微生物，它们显著降低了细菌性传染病的死亡率（Gajdács & Albericio, 2019）。抗生素被广泛应用于人类医学（Demain, 2009）、畜牧业等领域，其全球使用量逐年增加（Kümmerer, 2009）。然而，抗生素在生物体内并未完全代谢——大约30%到90%以原化合物或活性代谢物的形式通过粪便和尿液排出。这些物质通过污水处理系统或有机肥料的直接施用最终进入水生环境，带来日益严重的生态和健康风险（Karthikeyan & Meyer, 2006; Tong et al., 2014）。
阿奇霉素（AZM）是一种广泛使用的第二代大环内酯类抗生素（Li & Wang, 2021）。由于其广谱抗菌活性、长半衰期（68小时）、强组织穿透性和相对较低的副作用，它被广泛应用于人类临床医学和畜牧业/水产养殖业（Yin et al., 2013）。AZM的高消耗量导致其持续释放到自然环境中。传统的城市污水处理工艺无法有效去除AZM，使其在各种水生环境中广泛存在，成为全球性的水污染物（Mirzaie et al., 2022）。在罗马尼亚，Buzau-Ialomita河流域检测到AZM，浓度高达177 ng/L；而在其他监测的河流流域，浓度低于200 ng/L（Ilie et al., 2023）。在马来西亚，Selangor河地表水中的AZM浓度为0.73 ng/L（Praveena et al., 2018）。在中国，AZM是水生环境中检测到的最常见抗生素之一。一项关于抗生素的系统性回顾和荟萃分析报告称，中国河流中AZM的浓度为2.077 ng/L（Li et al., 2024a）。尽管全国河流中的平均浓度相对较低，但在受池塘养殖影响的水生环境中检测到显著更高的浓度。例如，一项针对江苏省典型淡水池塘养殖区的研究发现，地表水中的AZM浓度范围为16.528至57.140 ng/L，检测频率超过50%（Li et al., 2022）。COVID-19大流行显著增加了环境中抗生素和其他药物的残留水平；研究人员在污水处理厂入口处检测到AZM浓度高达0.76～1.49 mg/L（Conceicao et al., 2023）。近年来，关于长期暴露于AZM的水生生物的研究表明，AZM对水生生物（尤其是鱼类）具有多器官毒性。具体而言，它抑制核糖体蛋白合成，诱导肝脏脂质积累、纤维化和斑马鱼细胞凋亡（Chen et al., 2023）；引起心包水肿和心率异常（Qiao et al., 2019）；扰乱神经递质平衡；并降低斑马鱼的运动能力。此外，口服AZM的主要靶标是斑马鱼的肠道——该器官的屏障功能受损会增加肠道通透性，使内毒素和炎症介质在体内扩散（Zhang et al., 2023）。更值得注意的是，除了直接毒性外，AZM还会在鱼类体内引起严重的氧化应激，破坏正常的代谢功能，并导致免疫抑制（Zhang et al., 2020）。
微塑料（MPs）是指直径小于5毫米的塑料颗粒，具有体积小、降解性差和流动性强的特点（Andrady, 2017）。环境监测数据显示，MPs在中国土壤、沉积物和各种水体中广泛分布（Wong et al., 2020）。由于其迁移性，水生环境已成为其主要汇。在MPs中，聚苯乙烯微塑料（PS-MPs）在水生环境中被广泛检测到，是水体中MPs污染的主要成分（Hirt & Body-Malapel, 2020）。环境监测研究揭示了水生系统中MPs的粒径分布存在显著差异。最近对中国五大淡水湖之一太湖的全面调查显示，小尺寸MPs（1～100 μm）和纳米级MPs（<1 μm）占总质量浓度的36.3%，浓度范围为88至305 μg>
最近的研究越来越多地关注水生环境中MPs与抗生素之间的相互作用。MPs可以作为抗菌剂的载体，改变它们的生物利用度和毒性，共同暴露通常会放大水生生物的不利生理和发育效应（Zhang et al., 2024）。荟萃分析表明，MPs显著增强了抗生素在水生生物体内的积累，加剧了它们对生长、发育和免疫功能的不良影响，同时表明MPs对抗生素毒性的影响高度依赖于生物反应途径、MPs浓度、抗生素性质和暴露时间（Yu et al., 2024）。MPs与抗生素之间的吸附机制主要包括疏水分配、静电相互作用和氢键作用，MPs作为“载体”影响抗生素的迁移和生物利用度（Guo et al., 2024）。最近的一项研究提供了PS-MPs与AZM在淡水环境中共存和相互作用的直接证据，证明PS-MPs可以从水柱中吸附AZM，并在接触淡水后释放，从而成为水生系统中抗生素传输的有效载体（González-Pleiter et al., 2021）。具体而言，一项研究调查了AZM在聚乙烯（PE）MPs上的吸附行为，发现老化后的PE对AZM的吸附能力范围为0.23至0.45 mg/g，这取决于UV/过碳酸钠老化的程度，表明即使不可降解的MPs也能携带大量的抗生素（Sha et al., 2025）。此外，研究表明，MPs与抗生素的共同暴露会在水生生物中引起物种特异性的、通常是协同的毒性效应，影响繁殖、免疫、氧化应激、基因表达和微生物群。例如，聚苯乙烯和磺胺甲噁唑的处理导致斑马鱼死亡率和发育异常（Tang, 2025）。这些发现强调了全面研究MPs和抗生素共同毒性的必要性，特别是它们对肠道健康的影响，这是这两种污染物的主要靶标。为了评估PS-MPs和AZM对鱼类的联合毒性效应，使用斑马鱼作为实验对象进行了21天的联合暴露实验。本研究系统地研究了这两种污染物对斑马鱼肠道组织病理结构、氧化应激指标、炎症水平和代谢组反应的影响。全面分析了PS-MPs和AZM对斑马鱼肠道的毒性效应，为科学评估这两种污染物在水生环境中的健康风险提供了理论依据。
章节片段
化学试剂、MPs制备和斑马鱼饲养
AZM（CAS编号83905-01-5，纯度≥98%）购自上海Macklin生化技术有限公司。用超纯水配制了2 g/L的AZM储备溶液，并储存在4°C。聚苯乙烯微塑料（PS-MPs，CAS编号9003-53-6，纯度≥99%），粒径分别为0.1、0.5、1和5 μm，购自河北朗飞生物技术有限公司。配制了1 g/L的PS-MPs储备溶液并储存在4°C。为确保PS-MPs在暴露介质中的均匀分布，对储备溶液进行了超声处理
PS-MPs的表征
为了系统地表征不同粒径PS-MPs的微观形态结构，使用透射电子显微镜（TEM）对四种不同粒径的PS-MPs样品进行了详细的形态观察和分析。结果如图1所示。TEM图像显示，所有PS-MPs颗粒表面光滑、结构紧密、边缘清晰，没有明显的结构缺陷，如表面裂纹或孔洞。从形态上看，PS-MPs颗粒通常是规则的球形或
结论
本研究系统地阐明了PS-MPs和AZM对斑马鱼肠道的联合毒性并非简单的叠加效应，而是涉及显著的相互作用。单次暴露于0.1 μm PS-MPs主要通过物理损伤触发“氧化应激-炎症反应”级联。AZM暴露表现出剂量依赖性的双相效应：低浓度直接损伤肠道组织，而高浓度则触发补偿性修复机制
作者贡献声明
高新伟和李俊远：数据分析、初稿撰写。葛鹿坤：方法学和数据分析。李琦：概念化、审稿、编辑和资金获取。沙海超和李曦：审稿和编辑。张乐和谭景楠：文献搜索和数据分析。
作者贡献声明
高新伟：撰写——初稿，数据管理。李俊远：撰写——初稿，数据管理。葛鹿坤：方法学，数据管理。沙海超：撰写——审稿与编辑。李琦：撰写——审稿与编辑，资金获取，概念化。李曦：撰写——审稿与编辑。张乐：研究，数据管理。谭景楠：研究，数据管理。
