抗生素在特定物种体内的生物积累和生物转化过程，决定了其在多层次水生生态系统中的不同毒理效应

《Journal of Hazardous Materials》：Species-specific bioaccumulation and biotransformation of antibiotics shape differential toxicological effects in a multi-level aquatic community

【字体：大中小】 时间：2026年06月07日 来源：Journal of Hazardous Materials 11.3

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　　王斌|周海玲|李梦婷|沈冰玉|张丽丹|杨佳怡|方玉石|邹子|陈金梅|何宇杰|季荣中国南京大学环境学院，水污染控制与绿色资源回收国家重点实验室，南京210023摘要抗生素在水生生态系统中的广泛存在对生态构成了严重威胁，然而不同物种对抗生素的敏感性差异背后的机制仍不明确，这限制了风险

王斌|周海玲|李梦婷|沈冰玉|张丽丹|杨佳怡|方玉石|邹子|陈金梅|何宇杰|季荣

中国南京大学环境学院，水污染控制与绿色资源回收国家重点实验室，南京210023

摘要

抗生素在水生生态系统中的广泛存在对生态构成了严重威胁，然而不同物种对抗生素的敏感性差异背后的机制仍不明确，这限制了风险评估的准确性。在本研究中，我们调查了四种典型抗生素（磺胺甲噁唑（SMX）、环丙沙星（CIP）、氧四环素（OTC）和阿奇霉素（AZM）在含有浮萍、蜗牛和斑马鱼的流动式淡水微宇宙中的生物积累、生物转化和毒理学效应，实验浓度分别为1、10、100 μg/L，持续时间为45天。研究结果表明，这些抗生素的生物积累模式存在差异：浮萍由于其离子化形式而积累了最高水平的抗生素，而动物体内的积累则受疏水性和酸解离特性的影响。通过采用综合的靶向和非靶向筛选方法，我们共鉴定出33种转化产物（TPs），其中18种为首次报道。浮萍产生的转化产物种类最多，包括独特的I相（如羟基化）和II相（如糖基化和硫酸化）转化产物，尤其是CIP和OTC的一些高毒性转化产物。动物体内的大多数转化产物也是浮萍中观察到的转化产物的子集。这些差异化的生物积累和生物转化模式与毒理学结果相关。在浮萍中，氧化应激与积累的母体抗生素和有毒转化产物有关。蜗牛表现出最小的生理效应，而鱼类则因母体抗生素的积累和肠道微生物群失调而出现氧化应激，并伴随生物量增加。我们的发现表明，抗生素的物种特异性生物积累和生物转化是影响其毒理学效应的关键因素，为完善生态风险评估提供了重要的机制见解。

引言

抗生素消费量的增加以及耐药微生物的出现已成为全球性的健康挑战。据估计，2016年至2023年间抗生素消费量增长了16.3%，达到343亿个定义日剂量[1]。由于废水处理过程中未能完全去除抗生素，这些物质被排放到环境中，在全球范围内普遍存在于地表水中，浓度范围从ng/L到μg/L不等[2][3]，在某些污染热点地区甚至达到mg/L[4]。抗生素的持续输入和环境持久性使其能够在水生系统中长期存在，导致水生生物长期暴露于其中[5]。这种情况引发了对抗生素对多种水生物种长期生态毒理学效应的严重担忧。因此，建立科学依据的水质标准（WQC）对于确定保护阈值[6]和支持有效的抗生素生态风险管理至关重要。在水质标准开发中广泛使用的物种敏感性分布（SSD）方法基于不同生物对相同污染物的不同敏感性[6][7]。根据水生生物中抗生素的SSD，观察到不同生物体之间的毒性阈值存在差异[8][9]。这些差异可能与物种特异性的生物积累和生物转化过程有关。尽管SSD曲线可以统计不同生物的敏感性，但这些差异背后的机制（如生物积累和生物转化）仍不明确，限制了当前抗生素风险评估的准确性。

关于水生生物中抗生素生物积累的研究通常依赖于简化的单次脉冲暴露实验，这些实验无法模拟持续的环境污染。例如，浮萍（Azolla filiculoides）在单次暴露于3.05 mg/L的环丙沙星（CIP）后七天内积累了约180 μg/g的抗生素[10]，而鱼（Oreochromis niloticus）在50 μg/L的暴露下其肠道中积累了505 μg/kg的SMX[11]。此外，生物体内的抗生素积累可能受到其物理化学性质的影响。然而，目前尚无关于这些物理化学因素相对重要性的明确共识，且不同研究中的实验条件差异使得这一问题的识别变得复杂。例如，据报道，苜蓿（Medicago sativa L.）中氧四环素（OTC）的积累依赖于能量[12]，而在水稻（Oryza sativa L.）中则由n-辛醇-水分配系数（K_ow）决定[13]，某些鱼类中的酸解离常数（pKa）也影响积累[14]。这些不一致性突显了抗生素生物积累的复杂性和物种特异性，强调了进一步系统研究的必要性。

此外，不同物种间抗生素的生物转化模式仍不明确。尽管高分辨率质谱技术的发展以及结合文献预测或计算机模拟的靶向筛选方法和利用片段分解关系及诊断片段的非靶向筛选方法[15][16][17]提高了检测效率，并有助于在地表水和废水中识别抗生素转化产物[15][16]，但在水生生物中识别这些产物仍落后于在环境基质中的识别。全面了解多级生物体内的生物转化途径至关重要，因为特定的转化产物可能导致不同物种间毒理学效应的差异。因此，评估抗生素积累、转化及其产生的毒理学效应的物种间变异性对于更好地阐明抗生素的生态风险至关重要。

在本研究中，我们建立了一个淡水微宇宙，其中包括三种水生生物：浮萍（Salvinia natans）、淡水蜗牛（Cipangopaludina cathayensis）和斑马鱼（Danio rerio），分别代表浮游植物、底栖无脊椎动物和脊椎动物，以维持统一的培养环境。这些生物连续45天暴露于四种常见抗生素的混合物中[4][18]，即SMX、CIP、OTC和阿奇霉素（AZM），分别代表磺胺类、喹诺酮类、四环素类和大环内酯类抗生素。本研究旨在：1）探讨多级水生生物间抗生素生物积累模式的差异；2）识别并比较不同物种间的转化产物及其转化途径；3）评估生物积累和生物转化对毒理学效应的贡献。我们的发现揭示了不同水生生物间生物积累和生物转化模式的物种特异性，为完善抗生素的生态风险评估提供了机制上的见解。

章节片段

化学物质和材料

SMX和CIP（纯度>99%）购自Sigma-Aldrich（中国上海）。OTC和AZM（纯度>99%）购自Aladdin Biochemical Technology（中国上海）。所有其他色谱级或分析级试剂均购自南京化学试剂公司、Macklin Biochemical公司和Aladdin Reagent公司。三种生物的培养方法见支持信息（SI）文本S1。

水生微宇宙的持续抗生素暴露

经过三个月的单独培养后，健康的性成熟个体

水生微宇宙中抗生素的分布和生物积累

在整个培养过程中，各抗生素处理组的水质指标相当，未观察到常规污染物（COD、TN和TP）的去除（SI图S4）。然而，与进水相比，出水中的抗生素浓度有所下降，尤其是在100 μg/L处理组（SI图S5）。所有三种生物都以剂量依赖的方式积累了抗生素，尽管不同物种的生物积累模式存在差异（图1a）。浮萍积累了显著的抗生素

结论

本研究通过比较多种水生生物中抗生素的生物积累、生物转化和毒理学效应，全面阐明了影响其生态风险的物种特异性机制。我们发现，浮萍在实验pH条件下对CIP和OTC的BCF值最高，这与其两性离子或中性形式有关；而动物体内的积累则受抗生素的疏水性和pKa的调控。

环境意义

了解物种间对抗生素的敏感性对于生态保护至关重要。尽管水生生物对抗生素的敏感性存在差异，但其背后的机制仍不清楚。本研究通过揭示多级水生生物的物种特异性生物积累和生物转化过程，填补了这一空白。具体而言，母体抗生素的积累和转化产物的形成共同导致了浮萍独特的氧化应激

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

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