阿维菌素、氯虫腈和溴氰菊酯对Procambarus clarkii的毒性比较：组织病理学、细胞凋亡、抗氧化作用、转录组响应及肠道微生物群的影响

《PET Clinics》：Toxicity comparison of avermectins, chlorantraniliprole and deltamethrin on Procambarus clarkii: Histopathology, apoptosis, antioxidation, transcriptome response and intestinal microflora

稻虾共作中三种农药对克氏螯虾的急性毒性效应研究，通过组织病理学、凋亡、抗氧化、转录组及肠道菌群分析，发现低剂量农药均导致肝胰腺和肠道组织损伤，引发氧化应激和凋亡相关基因上调，肠道菌群结构改变，揭示宿主-微生物互作机制。

　　稻-龙虾共生养殖作为一种重要的生态养殖模式，近年来在中国农业可持续发展中发挥了重要作用。该模式不仅实现了稻田与水生动物的协同生产，还在提高农业产出的同时减少了对环境的破坏。然而，随着水稻种植过程中农药的广泛使用，其残留物对共生养殖中的龙虾（*Procambarus clarkii*）健康构成了潜在威胁。为此，本研究旨在评估农药残留对龙虾的毒性作用，重点分析低剂量下三种常见农药——阿维菌素（AVMs，生物农药）、氯虫苯甲酰胺（CAP，低毒化学农药）和氯氟醚菊酯（DM，高毒化学农药）对龙虾的急性暴露影响，从组织病理学、细胞凋亡、抗氧化反应、转录组响应以及肠道微生物群等多方面进行探讨。

水稻作为全球许多国家的重要粮食作物，其产量的提升对于满足日益增长的人口需求至关重要。为实现这一目标，农民普遍采用农药以提高水稻的产量和质量。然而，由于对农药使用知识的缺乏以及培训不足，许多地区的农民存在过度或不当使用农药的现象。这种行为不仅增加了生产成本，还导致了环境污染和生态系统的破坏。例如，在土耳其的水稻种植区，农药使用量普遍高于推荐标准，进而引发了一系列问题。此外，农药对非目标生物的影响也引起了广泛关注，尤其是对水生生物的生态安全构成威胁。

在水稻-鱼类养殖系统中，农药残留已被证实能够诱导鱼类的氧化应激和生物累积现象。例如，相关研究表明，农药暴露可能导致鱼类免疫功能下降，影响其对病原体的防御能力。在水稻种植过程中，常用的农药种类包括杀虫剂（如有机磷类和新烟碱类）、杀菌剂（如三唑类和铜基化合物）、除草剂（如磺酰脲类和酰胺类）以及植物生长调节剂。其中，阿维菌素、氯虫苯甲酰胺和氯氟醚菊酯是目前稻田中使用最为频繁的杀虫剂。阿维菌素是从链霉菌（*Streptomyces avermitilis*）发酵中提取的环状大环内酯类化合物，广泛应用于农业和园艺中。然而，已有研究表明，阿维菌素对龙虾的免疫功能具有显著抑制作用，增加了其感染病原体的风险。

氯虫苯甲酰胺是一种广泛用于农业和园艺的苯甲酰胺类杀虫剂，同时也被应用于水产养殖以控制寄生虫疾病。研究表明，氯虫苯甲酰胺在斑马鱼体内的暴露能够干扰多种代谢通路，并显著上调与细胞凋亡相关的基因表达。氯氟醚菊酯属于II型拟除虫菊酯类化合物，因其对水生生物的高度毒性而受到关注。在龙虾体内，氯氟醚菊酯的暴露已被报道会导致严重的组织病理学改变，包括肌纤维破裂和肌浆网溶解。

尽管目前已有大量关于农药对龙虾毒性的研究，但大多数研究主要集中在急性毒性方面，而对亚致死剂量下的毒性机制研究相对较少。此外，已有研究指出，农药暴露会影响龙虾的核心生理功能，包括诱导氧化应激、引发组织病变、干扰能量代谢、抑制免疫反应、破坏肠道微生态平衡以及诱发神经毒性。然而，这些研究大多停留在表型观察层面，缺乏对分子机制的深入探索。更重要的是，目前很少有研究采用结合转录组和微生物组的分析方法，来揭示低剂量农药对龙虾的毒性机制。

农药的降解过程通常通过多种机制进行，包括光降解、水降解和土壤降解。研究表明，阿维菌素在土壤中的降解速度相对较快，其半衰期在不同地区的土壤中为1.2至3.8天。氯虫苯甲酰胺在pH值为6.86的缓冲溶液中的光降解半衰期为7.12天，而在稻田水中的高压力汞灯照射条件下，其半衰期为4.07天。氯氟醚菊酯在自然淡水中的半衰期为5.28天。基于这些降解特性，本研究中，龙虾被暴露在每种农药的1%的96小时半数致死浓度（LC50）下，并持续96小时。通过比较分析这三种农药对龙虾的毒性影响，从组织病理学、细胞凋亡、抗氧化反应、转录组响应以及肠道微生物群等多方面进行研究，以期更全面地了解常见农药对龙虾的亚致死毒性效应，并为进一步研究水生动物在农药诱导压力下的防御机制提供理论基础。

在本研究中，用于实验的龙虾（*P. clarkii*）是从广东省湛江市的本地养殖场购得，体重为12.5±0.23克。在实验开始前，龙虾被在实验室条件下驯养一周，并每日两次投喂商业饲料。在实验开始前24小时停止投喂。实验所使用的三种农药——阿维菌素、氯虫苯甲酰胺和氯氟醚菊酯——均是目前稻田中广泛使用的农药类型。选择这些农药进行研究，是因为它们在农业生产中具有代表性，同时在不同剂量和暴露时间下可能产生不同的毒性效应。

研究结果显示，暴露于这三种农药的龙虾，其肝胰腺和肠道组织结构均发生了显著的病理变化。在对照组（CON组）中，肝胰腺组织结构完整，具有清晰的星形腔室。而在农药处理组中，肝胰腺腔室扩大，并伴随明显的空泡化现象。阿维菌素和氯氟醚菊酯处理组中，肝胰腺细胞基底膜受损，同时R细胞数量明显减少，结构异常。这些变化表明，农药暴露对龙虾的消化系统和代谢系统产生了显著影响，可能影响其正常的生理功能。

此外，细胞凋亡相关指标在农药处理组中显著升高，而BI-1基因表达则明显降低。BI-1是一种具有抗凋亡作用的蛋白，其表达水平的下降可能意味着农药暴露加剧了细胞凋亡过程，进而影响龙虾的生存能力。同时，氧化应激在所有农药处理组中均有所体现，表现为活性氧（ROS）和丙二醛（MDA）水平的升高，以及超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）和总抗氧化能力（T-AOC）活性的下降。这些变化进一步表明，农药暴露对龙虾的抗氧化系统造成了破坏，使其更容易受到氧化损伤。

转录组分析结果显示，不同农药处理组中，差异表达基因（DEGs）在免疫和代谢通路中富集，特别是吞噬体相关通路。这些基因的表达变化可能与农药暴露引发的免疫反应和代谢紊乱有关。结合肠道微生物群分析，研究发现农药处理组中，优势菌群发生了显著变化，表现为变形菌门（Proteobacteria）数量减少，而厚壁菌门（Firmicutes）以及某些特定菌种如克雷伯氏菌（*Klebsiella*）和气单胞菌（*Aeromonas*）的数量增加。这种微生物群的变化可能与农药暴露对龙虾肠道微生态的干扰有关。

进一步的关联分析表明，肠道微生物群的变化与吞噬体相关基因的表达变化密切相关。例如，TUBA、TUBB、F-actin和组织蛋白酶L（cathepsin L）等基因的表达水平在农药处理组中发生了显著变化。这些基因的表达变化可能反映了农药暴露对龙虾免疫系统的干扰，以及其对肠道微生物群的调控作用。因此，农药暴露不仅影响了龙虾的生理功能，还可能通过改变其肠道微生物群，进而影响其整体健康状况。

本研究的发现揭示了农药暴露对龙虾肝胰腺和肠道微生态平衡的破坏，为理解农药对水生生物的毒性机制提供了新的视角。此外，研究还表明，农药暴露可能通过干扰肠道微生物群的组成和功能，影响龙虾的免疫系统和代谢过程。因此，未来的农业研究应更加关注农药使用的生态影响，以及如何通过科学管理减少其对水生生物的危害。同时，开发更加环保的农药替代品和创新的农业技术，对于实现农业的可持续发展具有重要意义。

为了进一步提高农业生产的生态安全，需要加强对农药使用的研究，特别是在低剂量条件下的毒性机制。当前，许多研究集中在农药的急性毒性方面，而对亚致死剂量下的影响缺乏系统分析。此外，大多数研究仅停留在表型层面，未能深入探讨其分子机制。因此，未来的研究应更加注重对农药亚致死毒性的系统评估，结合多组学技术，如转录组和微生物组分析，以全面揭示农药对水生生物的潜在影响。这不仅有助于提高对农药毒性的科学认识，还能够为制定更合理的农药使用政策提供依据。

此外，农药的残留和降解特性对于评估其生态风险具有重要意义。例如，阿维菌素在土壤中的降解速度较快，其半衰期较短，表明其在环境中的残留时间相对较短。然而，其在灌溉水中的残留浓度仍可达34μg/L，这表明其在水体中的残留可能对水生生物构成威胁。氯虫苯甲酰胺在地下水中的残留浓度较高，达到3.8至15μg/kg，表明其在土壤中的残留时间较长，可能对环境造成持续影响。氯氟醚菊酯在自然淡水中的半衰期为5.28天，表明其在水体中的残留时间适中，但其对水生生物的高毒性仍需引起重视。

综上所述，本研究通过多方面的分析，揭示了农药暴露对龙虾的毒性作用，特别是在低剂量条件下的影响。研究结果表明，农药残留对龙虾的生理功能和免疫系统产生了显著影响，同时改变了其肠道微生物群的组成和功能。这些发现不仅为理解农药对水生生物的毒性机制提供了新的视角，还为未来研究水生动物在农药诱导压力下的防御机制奠定了基础。因此，未来的研究应更加关注农药使用的生态影响，并探索更环保的替代方案，以实现农业的可持续发展。