对巴西公共供水系统中存在的农药进行计算机模拟毒理基因组学分析

《Gene Reports》：In silico toxicogenomic analysis of pesticides present in the Brazilian public water supply

　　道格拉斯·费尔南多·齐默 | 卡米拉·卢伊扎·科梅利 | 布鲁诺·安东尼奥利·德·安哈伊亚 | 内迪亚·德·卡斯蒂略斯·吉西
巴西巴拉纳联邦技术大学（UTFPR）生物技术研究生项目（PPGBIOTEC），多伊斯维济诺斯校区，Boa Esperan?a路04公里处，邮编85660-000，巴拉纳州，巴西

**摘要**
自20世纪50年代以来，巴西一直推广农药的使用以提高农业生产水平；如今，该国已成为全球最大的农药消费国。由于监管不力和政治因素的推动，巴拉纳州成为全国农药消费量最大的地区之一。这种扩张引发了广泛的环境和公共卫生问题。为了解决这一问题，本研究采用毒理基因组学方法，发现了在2014至2019年间巴拉纳州饮用水中检测到的、因接触农药而表达发生改变的基因。巴拉纳州政府数据显示，共有38种农药被发现：14种除草剂、17种杀虫剂和7种杀菌剂。通过比较毒理基因组学数据库（CTD）以及GO和KEGG分析、基因相互作用图谱和转运因子/miRNA网络预测，研究了基因与农药之间的相互作用及其与潜在疾病的关系。结果表明，阿特拉津（Atrazine）、氯吡硫磷（Chlorpyrifos）和吡枯啉酯（Picoxystrobin）在各自的类别中显示出最强的毒理基因组学关联。途径分析显示，这些农药与癌症发生、激素调节和外源性物质代谢相关。关键基因包括CISD2、SOD3和NEDD8，而转录因子HNF4A和NR1I2在调控中起重要作用。农药与疾病的关系表明，接触这些农药与结肠癌、乳腺癌及肝细胞损伤有关。TNF基因在所有农药亚类中的检出频率最高，显示出该基因在炎症和毒理学反应中的重要性。总体而言，研究结果强调基于毒理基因组学证据的加强监管和监测对于保护巴拉纳州等农业地区的健康和环境的重要性。

**引言**
自1950年以来，农药就被用于农业生产。其应用始于美国的“绿色革命”，主要目的是实现农业现代化并提高生产力（Siqueira等人，2014年）。巴西开始使用农药是在1960年，1970年实施了国家农业防御计划（PNDA）（Lopes和De Albuquerque，2018年）。农药作为化学或生物制剂被广泛用于害虫控制，但其无限制的释放对全球生态系统的稳定性构成重大威胁（Zhou等人，2025年）。如今，巴西已成为全球最大的农药消费国，年使用量超过80万吨（Human Rights Watch，2024年），而巴拉纳州西南部地区的农药贸易尤为活跃（Panis等人，2023年）。这种高强度使用情况是由农业扩张推动的，给国家生物群落带来了前所未有的化学压力（Perobelli等人，2025年）。由于农村派系在国会的巨大影响力，巴西政府推出了鼓励农药使用的政策，导致农药销售量显著增加，尤其是在2016至2022年间达到了高峰（652种农药获得官方注册）。目前，巴西市场上可用于食品生产的化学制剂共有5882种（Brazil，2025年）。过度使用农药的后果多种多样，从土壤生物多样性到地表水和地下水质量都受到影响（Brovini等人，2021年）。巴西河流域中化学残留物的普遍存在经常超过生态安全阈值，危及重要水生物种的生存（Cezarette等人，2024年）。某些活性物质在环境中具有持久性，会在食物链中累积，最终污染供人类食用的动物性食品（Barroso等人，2025年）。这种普遍的污染状况迫切需要重新审视该国的管理和执法措施（Machado等人，2017年）。农药中毒事件的数量随之激增，2010至2019年间报告的病例增加了97%（Tygel等人，2023年）。美国和中国的农药使用量分别为每公顷10.9公斤和2.85公斤（FAO，2023年），而巴西为每公顷10.9公斤。人类可能通过摄入受污染的食物或水间接接触农药。农药中毒事件很常见，每年巴西约有11,000例非故意中毒事件，其中2020年达到800万例，导致229人死亡；但实际发生的情况可能远超报告数量。在分子层面，这些物质会干扰核心代谢途径（Hernández等人，2013年）。农药引起的氧化应激可能严重到导致DNA损伤和基因表达改变，进而破坏细胞稳态（Pei和Liu，2025年）。化学混合物中的毒性相互作用可能通过协同机制加剧这些效应，使混合物的毒性超过各成分的总和（Cedergreen，2014年）。这些分子机制与暴露人群中的慢性病和内分泌疾病直接相关（Rizzati等人，2016年）。鉴于这些影响的严重性，治理巴西的农药污染已成为保障环境和公共安全的紧迫任务（Perobelli等人，2025年）。监测结果的报告不足以及国内立法相对于国际标准的宽松性进一步增加了人群的暴露风险（Cezarette等人，2024年）。评估和分析农药混合物的复杂性使得难以确定这些污染物对人类和水生生态系统的影响。计算机模拟方法（in silico approaches）是评估农药单独和相互作用效应的重要工具，能帮助分析大量数据并建立精确的因果关系（Barradas等人，2026年；Bonfá等人，2019年；De Oliveira等人，2019年）。因此，本研究旨在识别那些在巴西公共供水中反复出现的、对人类健康具有影响的常见基因。为此，我们采用综合毒理基因组学方法来预测可能导致特定毒性的基因和分子相互作用。

**文章内容片段**
**文章中使用的农药数据**
本研究分析了巴拉纳州水中检测到的农药数据（补充表1），数据来源于两份关键报告：一是2014至2017年的饮用水水质监测信息系统（SISAGUA），二是2017至2019年的巴拉纳州卫生部（SESA-PR）报告。

**常见基因的识别**
将公共供水系统中检测到的38种农药分类后，发现其中14种为除草剂、17种为杀虫剂、7种为杀菌剂。各类中最常见的基因见表1。图1展示了这些农药及其相关基因的数量（括号内为基因数量）。根据Jaccard指数，颜色越暖表示两种农药之间的基因交叉越多。

**结论**
生物信息学和计算机模拟分析在准确识别污染物毒性方面具有巨大优势，可预测和指导毒性评估实验，节省科学研究时间并提高资源利用效率。多项独立研究的结果增强了毒性效应预测的可靠性。

**作者贡献声明**
道格拉斯·费尔南多·齐默：撰写初稿、软件开发、项目管理、方法设计、数据分析、数据整理
卡米拉·卢伊扎·科梅利：撰写修订稿、方法设计
布鲁诺·安东尼奥利·德·安哈伊亚：撰写修订稿、方法设计、数据整理
内迪亚·德·卡斯蒂略斯·吉西：撰写修订稿、资源协调、项目管理、资金申请

**资助**
本研究由高等教育人员协调委员会（CAPES）和国家科学技术发展委员会（CNPq，项目编号142021/2024–5）资助。

**未引用的参考文献**
巴西卫生部：人类饮用水水质监测信息系统（SISAGUA），2019年
印度标准局（BIS），2012年
Engel等人，2005年
欧洲委员会，1998年
加拿大卫生部，2017年
中华人民共和国卫生部，2006年
巴拉纳州卫生部，2022年
Rohr等人，2024年
俄罗斯联邦，2001年
SILVA，2021年
美国环境保护署（EPA），2009年
Wang等人，2018年

**利益冲突声明**
所有作者声明不存在任何可能影响研究结果或数据解释的利益冲突。