猪场废水中四环素类抗生素对斑马鱼抗氧化效应毒理研究

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四环素类抗生素(TCs)作为一种广谱抗菌药,被广泛应用于兽药和饲料添加剂中。随着畜禽养殖业的规模化和集约化发展,兽用抗生素滥用现象越来越严重。进入动物体内的抗生素约8090%以原药或其代谢产物的形式排出体外,然而,我国尚无较完善的针对抗生素的处理技术体系及相关排放要求,残留在各种养殖废水中的抗生素最终进入水环境中?目前,关于TCs对水生生物氧化损伤的研究已有很多,但对其影响水生生物抗氧化能力的潜在分子机制知之甚少。本研究采用超高效液相色谱-质谱联用仪(UPLC-MS/MS)对赣江流域周边3个规模化生猪养殖场废水处理工艺中部分构筑物出水及排放口下游水体中代表性TCs(包括金霉素、土霉素和四环素)的残留特征进行分析。进一步地,以斑马鱼为水生模式生物,研究它们在斑马鱼幼鱼体内的富集与代谢特征。最后,考察这三种抗生素对斑马鱼幼鱼抗氧化系统的影响并采用分子计算毒理学技术研究TCs和磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)间的相互作用,以初步探索TCs造成鱼体氧化损伤的作用机理。主要研究成果如下:(1)在3个规模化养猪场的水样中均检出了金霉素、土霉素和四环素。各猪场所配备的常规厌氧-好氧组合工艺对畜禽养殖废水中TCs的处理效率均高于89%,但工艺出水中TCs的残留浓度仍处于μg/L水平,且在排放口附近水体中的浓度较为稳定。证实畜禽养殖场附近存在较大抗生素污染负荷。(2)经2 mg/L金霉素、5 mg/L土霉素和2 mg/L四环素暴露48 h后,斑马鱼幼鱼体内的抗生素含量分别为0.53 mg/kg、0.29 mg/kg和0.19 mg/kg(湿重),相应的BCF48h值分别为0.3206、0.0621和0.1152,说明这三种抗生素生物富集能力很弱。在清水暴露阶段,它们的消除速率常数分别为0.022 h-1、0.012 h-1、0.014 h-1,相应的半衰期分别为31.51 h、57.76 h、49.51 h,说明金霉素、土霉素和四环素在生物体内的代谢较快。(3)金霉素、土霉素和四环素均能导致斑马鱼幼鱼产生氧化应激,且大小关系表现为:金霉素>四环素>土霉素。在金霉素暴露条件下,SOD、CuZn-SOD、CAT、GPX活性均降低,GSH和MDA含量升高,SOD、CAT、Nrf2基因表达量下降,SOD、CAT、Nrf2蛋白质表达水平下调;在土霉素暴露条件下,CAT、GST活性均被抑制,GPX活性升高,MDA含量显著降低,SOD、CAT、Nrf2基因表达量整体下降,SOD、CAT、Nrf2蛋白质表达水平呈浓度依赖性下调;在四环素暴露条件下,SOD、CuZn-SOD、CAT、GPX、GST活性均被诱导,GSH含量升高,SOD、CAT、Nrf2基因表达量提高。随着暴露浓度的升高,SOD、CAT蛋白表达由诱导状态转为被抑制状态,Nrf2蛋白质表达水平则呈浓度依赖性下调。分子对接与动力学模拟结果显示三种抗生素均能通过氢键与zfPI3K紧密结合,并且zfPI3K蛋白激酶中的GLN636是对结合自由能起着最主要贡献的氨基酸残基。由此推测金霉素、土霉素和四环素可能是潜在的PI3K抑制剂,能够抑制Nrf2介导的抗氧化应激调控,从而降低斑马鱼幼鱼的抗氧化能力。
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