重庆大学何玉洁、南京大学季荣课题组EEH:淡水系统多级生物对抗生素暴露响应的一致性与特异性机制
- 2026-05-19 07:41:52
抗生素是一类典型新污染物，其水生态风险评估主要依赖于传统毒理学测试，如以半数效应浓度为代表的致死或表观生长抑制终点。这类指标虽是制定水质基准的基础，但难以指示抗生素在环境相关浓度下对生物体产生的亚致死分子效应，进而可能低估抗生素的生态风险。尽管大量生态毒理学研究揭示了抗生素对水生生物的直接损害和间接影响（例如，亚致死浓度的抗生素可直接诱导水生生物组织损伤和氧化应激，还可通过干扰宿主肠道菌群稳态、损害其在脂肪代谢与免疫调节等关键生理功能，间接增加宿主对疾病的易感性），但这些效应的潜在分子机制尚不清晰。而且，多种生物在应对环境胁迫时均可激活抗氧化防御等保护机制，但其响应模式与耐受能力因物种而异，难以基于不同实验条件下的结果对抗生素毒性效应进行跨物种比较。因此，有必要在同一暴露条件下系统比较多级水生生物的分子调控机制，以阐明抗生素跨物种效应的共性规律与种间差异。
图1. 图文摘要
重庆大学何玉洁教授、南京大学季荣教授课题组在Eco-Environment & Health期刊上发表了题为“Metabolomic and microbial responses of multilevel aquatic organisms to antibiotics in freshwater microcosm: The uniformity and specificity”的研究论文（图1）。该研究通过构建包含漂浮植物（浮萍）、无脊椎动物（田螺）和小型鱼类（斑马鱼）的淡水微宇宙系统，探究了典型抗生素磺胺甲噁唑（SMX）、环丙沙星（CIP）、土霉素（OTC）和阿奇霉素（AZM）在环境相关浓度下（1、10和100 μg/L）对多级水生生物的直接与间接效应，揭示了不同物种在代谢重编程与肠道菌群响应中的一致性与特异性，为抗生素水生态风险评价提供了新的分子水平终点，并为未来水质基准的完善提供了科学依据。
在45天的动态持续暴露后，抗生素导致浮萍叶绿素含量下降、可溶性糖含量升高；田螺肌肉中甘油三酯水平升高；斑马鱼肠道总胆汁酸含量增加，表明不同物种在表型层面呈现特异性应激响应。
通过代谢组学分析，研究进一步揭示了浮萍与斑马鱼在能量代谢调控上的一致性与特异性响应机制。二者均倾向于通过能量储存应对抗生素胁迫，但路径不同（图2）：浮萍大量积累糖类代谢物（如葡萄糖、肌醇等）并下调抗氧化物质，体现为储能优先、抗氧化受损的响应模式；而斑马鱼则分解初级糖类，将其转化为脂质代谢物（如单酰基甘油、25-羟基胆固醇等），导致肝脏脂质积累，同时伴随次级胆汁酸（如熊去氧胆酸）的显著上调，说明糖脂转化与胆汁酸调控在斑马鱼应激响应中具有关键作用。因此，尽管不同生物表现出一致的“储能应激”策略，但其代谢网络的重编程路径具有明显的物种特异性。
图2. 暴露于100 μg/L抗生素45天后，斑马鱼肝脏与浮萍代谢谱响应的一致性与特异性。
在肠道微生物层面，本研究同样观察到不同动物间的共性与差异响应（图3）。低浓度（1和10 μg/L）抗生素暴露下，田螺和斑马鱼的肠道益生菌均增加，说明二者存在“自我协调”机制。然而，在100 μg/L高浓度暴露下，田螺肠道菌群发生显著失调，与脂质代谢相关的益生菌（如Cetobacterium）减少、而与肠道炎症相关的有害菌（如Clostridium）丰度上升，这与田螺肌肉中甘油三酯的积累相一致。相反，斑马鱼肠道中与脂质代谢调控相关的益生菌（如Cetobacterium、Lactobacillus）显著富集，这解释了斑马鱼体内维持稳定的甘油三酯水平。通过q-PCR定量肠道中抗生素抗性基因（ARGs）发现，田螺肠道中富集的有害菌和斑马鱼肠道中的有益菌与多种ARGs呈正相关，表明以上菌群的选择性富集可能与抗生素耐药性相关。
由于肠道菌群可通过肠-肝轴参与肝脏脂质代谢，本研究以斑马鱼为代表，构建了肝脏代谢物与优势肠道细菌的互作网络以探究二者的互作机制（图4）。斑马鱼肠道中丰度最高的益生菌Cetobacterium可参与次级胆汁酸的合成，并调节肝脏脂质积累，其丰度与肝脏中可调节肝脏脂质积累的次级胆汁酸（如熊去氧胆酸）含量显著相关。因此，斑马鱼在应对抗生素胁迫时表现出动态平衡：肝脏中储存脂质以防御应激，而肠道细菌可通过肠-肝轴将肝脏初级胆汁酸转化为次级胆汁酸，从而调控肝脏脂质积累以保护宿主健康。
图4. 斑马鱼暴露于100 μg/L抗生素45 d后，其肝脏代谢组响应与肠道微生物丰度变化的关联。（a）肝脏代谢物（蓝色圆圈）与肠道优势微生物（红色圆圈，数字为OTU编号）的相关性网络。（b）肠道菌群介导的胆汁酸代谢和脂质代谢通过肠-肝轴相互作用的潜在机制示意图。
综上所述，本研究通过整合代谢组学与微生物组学技术，揭示了多级水生生物在代谢重编程与肠道菌群调控层面应对抗生素暴露中的一致性与特异性效应机制：浮萍和斑马鱼可通过上调糖类代谢或积累脂质以储存能量应对抗生素的胁迫；田螺肠道微生物在高浓度抗生素暴露下失调，而斑马鱼肠道微生物可通过肝-肠轴互作以应对胁迫，反映了多级水生生物在抗生素胁迫下的失调和适应性防御机制，对于完善水生态风险评价体系、制定科学的水质基准具有重要意义。相比于传统依赖表型终点的评价方法，本研究提出的代谢与微生物分子终点为抗生素污染控制提供了更为敏感和全面的评估工具，为发展基于分子机制的环境风险评价框架、制定针对性污染控制策略提供理论指导。
Bin Wang, Hailing Zhou, Jiayi Yang, Yushi Fang, You Zi, Lidan Zhang, Jiacheng Wang, Lianhong Wang, Yujie He, Rong Ji, Tao Lyu, Metabolomic and microbial responses of multilevel aquatic organisms to antibiotics in freshwater microcosm: The uniformity and specificity, Eco-Environment & Health (Eco-Environ. Health), 2026, 5(2),100231
https://doi.org/10.1016/j.eehl.2026.100231
汪斌，南京大学环境学院博士研究生，研究方向为抗生素的水生态效应与风险防控。主持国家自然科学基金青年学生基础研究项目（博士生专项）1项、江苏省研究生科研创新计划项目2项。以第一作者在Environ. Sci. Technol.、Water Res.、Eco-Environ. Health等期刊发表学术论文6篇。
何玉洁，重庆大学环境与生态学院教授，研究方向为新污染物生态自净机制与风险阻控，以第一/通讯作者于Environ. Sci. Technol.、Water Res.等环境领域权威期刊发表论文28篇，授权/申请专利15项；主持国家自然科学基金面上项目及青年基金、中国博士后科学基金面上项目、江苏省博士后科研资助计划项目、江苏省及重庆市留学人员回国创新创业计划项目等13项；入选全国博士后“国际交流计划”、江苏省“双创博士”、南京大学毓秀青年学者、重庆大学弘深青年学者等人才计划。担任Bull. Environ. Contam. Toxicol.、《生态与农村环境学报》《生物工程学报》《湿地科学与管理》期刊青年编委等职务。
季荣，南京大学环境学院教授，博士生导师，国家有机毒物污染控制与资源化工程技术研究中心副主任。研究方向为基于同位素示踪技术研究新污染物在环境中降解和残留、在生物体内富集、转化和效应，以及污染环境修复原理与技术。在Nat. Nanotechnol.、Nat. Commun.、Environ. Sci. Technol、Water Res.等期刊上发表学术论文200余篇。
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