二硝基苯胺类除草剂戊二甲基林对斑马鱼早期生命阶段的发育和神经毒性影响

《Emerging Contaminants》：Developmental and neural toxicity of the dinitroaniline herbicide pendimethalin in zebrafish early-life stages

本研究探讨了PND对斑马鱼胚胎早期发育的亚致死影响，发现不同浓度下出现形态学变化（体长、眼球和 swim bladder缩小）、行为障碍（活动能力下降）及脑电活动异常（癫痫样放电），证实其神经毒性和环境持久性风险。

　　本研究围绕一种广泛使用的除草剂—— Pendimethalin（PND）对斑马鱼胚胎和幼鱼的亚致死性影响展开，旨在揭示其潜在的发育毒性及神经毒性效应。PND属于二硝基苯胺类除草剂，因其对广谱杂草的控制效果而被广泛应用于农业领域。然而，随着其在环境中的持久性和可能的毒性效应逐渐受到关注，有必要深入探讨其对非目标生物，尤其是水生生物的影响。斑马鱼因其生物学特性和快速发育周期，成为评估农药毒性的重要模式生物，广泛用于毒理学和药理学研究。本研究通过半静态暴露系统，对斑马鱼胚胎和幼鱼在孵化后120小时内暴露于不同浓度的PND（0.2、1和2 μM），并利用高分辨率质谱技术（UHPLC-HRMS）测量其内部浓度，结合形态学分析、行为测试及局部场电位（LFP）记录，全面评估其毒性作用。

PND的持久性是其生态风险的重要因素。该除草剂在水体中的半衰期约为76至98天，而在土壤中约为61天。这种长期存在于环境中的特性，使其可能通过食物链富集，对生态系统和人类健康构成潜在威胁。尽管已有研究表明PND对水生生物的毒性，但其在非目标生物体内的积累机制及对发育和神经系统的具体影响仍缺乏系统研究。本研究发现，斑马鱼幼鱼在暴露于0.2 μM PND后，其内部浓度可达91.7 μM，而在1 μM和2 μM的暴露条件下，内部浓度分别达到1.17 mM和1.10 mM，表明PND具有显著的生物富集能力。这种高浓度的积累可能对斑马鱼的生理功能产生深远影响，尤其是在神经系统发育过程中。

形态学分析显示，PND暴露显著影响斑马鱼幼鱼的发育。在1 μM和2 μM的浓度下，幼鱼的体长、眼区和 Swim Bladder（鱼鳔）面积均出现明显减少。值得注意的是，尽管所有暴露组的生存率均未显著下降，但这些结构上的变化可能对幼鱼的生存能力及后续发育产生间接影响。例如，鱼鳔的缩小可能影响其浮力调节能力，从而影响游泳行为。此外，眼区的缩小可能与神经系统的发育受损有关，这可能进一步导致行为异常。这些结果表明，即使在较低的环境相关浓度下，PND也可能对斑马鱼的发育产生不利影响。

行为测试进一步揭示了PND对斑马鱼幼鱼的神经毒性。在视觉运动反应（VMR）测试中，暴露于1 μM和2 μM的幼鱼表现出显著的运动能力下降，包括游泳距离、持续时间和速度的减少。特别是2 μM的高浓度暴露，几乎完全抑制了幼鱼的运动能力。这些行为变化可能与PND对神经系统功能的干扰有关，例如影响神经信号传导或运动协调能力。此外，LFP记录显示，暴露于PND的幼鱼在前脑区域出现了类似癫痫的活动，表现为事件持续时间的增加和事件强度的提升。这种现象表明，PND可能通过干扰神经元的电活动，导致神经系统的异常。尽管DMSO作为溶剂也对脑电活动产生一定影响，但PND的毒性效应更为显著，尤其是在高浓度暴露条件下。

PND的毒性机制可能涉及多种途径。一方面，其对细胞微管的干扰可能导致细胞分裂受阻，进而影响胚胎和幼鱼的正常发育。微管是细胞内重要的结构，负责细胞分裂、物质运输和细胞形态维持。PND通过抑制微管的聚合，可能干扰细胞分裂过程，影响胚胎器官的形成。另一方面，PND可能通过引发氧化应激，导致细胞损伤。研究显示，PND暴露会增加斑马鱼体内抗氧化酶（如过氧化氢酶、谷胱甘肽还原酶和谷胱甘肽过氧化物酶）的活性，这可能表明细胞在应对PND毒性时激活了抗氧化防御机制。然而，这种反应可能不足以完全抵消PND的毒性，从而导致细胞损伤和发育异常。

此外，PND可能干扰神经系统的正常发育，影响神经元的结构和功能。研究发现，PND暴露后，斑马鱼幼鱼的神经元出现萎缩、细胞质退化和小胶质细胞活化等病理变化。这些变化可能反映PND对神经系统造成的直接损伤，或者影响神经元的正常发育过程。进一步的机制研究表明，PND可能干扰线粒体功能，影响细胞的能量代谢，从而导致发育缺陷和神经功能障碍。这种线粒体功能的破坏可能与PND对细胞代谢通路的干扰有关，影响细胞的正常生长和功能。

值得注意的是，PND的神经毒性效应不仅限于斑马鱼，还可能与其他水生生物存在相似性。已有研究表明，其他常见的除草剂如阿特拉津和草甘膦对水生生物的神经系统产生影响，导致行为异常和神经功能障碍。PND作为二硝基苯胺类除草剂，其结构和作用机制可能与这些除草剂存在一定的相似性，因此可能具有类似的毒性效应。此外，PND的神经毒性可能与某些人类神经疾病存在潜在联系。例如，一项流行病学研究发现，长期接触某些农药（如有机磷类除草剂和二硝基苯胺类除草剂）可能增加患帕金森病的风险。尽管该研究并未直接涉及PND，但其对神经系统的影响可能与这些农药具有一定的共性，因此值得进一步关注。

本研究的发现具有重要的生态和健康意义。首先，PND在水体中的持久性及其生物富集能力可能使其成为环境污染物的重要组成部分。由于其在水生生物体内的积累，PND可能通过食物链传递，对更高营养级的生物造成影响。这种生物富集现象可能放大其毒性效应，进而影响整个生态系统的稳定性。其次，PND对斑马鱼幼鱼的发育和神经系统的干扰可能对其他水生生物产生类似影响，尤其是那些具有类似发育模式和神经结构的物种。因此，PND的环境释放可能对水生生态系统的健康构成威胁。

此外，PND的神经毒性效应可能对人类健康产生潜在影响。尽管目前尚无直接证据表明PND对人体有明确的毒性，但其对水生生物的潜在影响可能暗示其对人类神经系统的潜在风险。特别是在人类儿童的早期发育阶段，神经系统对环境污染物的敏感性较高，因此PND的神经毒性可能对儿童健康产生不利影响。因此，有必要加强对PND在环境中的监测，并评估其对人类健康的潜在风险。

本研究还强调了在毒理学研究中，应更加关注内部化学浓度的测量，而非仅依赖于外部暴露浓度。由于PND具有较高的生物富集能力，其在生物体内的浓度可能远高于水体中的浓度，因此，仅评估外部暴露水平可能低估其实际毒性。通过测量生物体内的PND浓度，可以更准确地评估其对生物的潜在影响，并为制定更严格的环境监管政策提供科学依据。

在方法学方面，本研究采用了多种先进的技术手段，以全面评估PND的毒性效应。例如，利用UHPLC-HRMS技术测量PND的内部浓度，确保了数据的准确性和可靠性。此外，通过形态学分析、行为测试和LFP记录，研究者能够从多个角度评估PND对斑马鱼的影响。这些方法的结合为理解PND的多效性毒性提供了有力支持，同时也为未来研究提供了方法学上的参考。

综上所述，本研究揭示了PND对斑马鱼幼鱼的亚致死性影响，特别是在发育和神经系统方面的潜在毒性。尽管PND的暴露并未导致显著的死亡率，但其对形态学和行为的干扰可能对生物的长期健康和生态平衡产生不利影响。这些发现不仅为理解PND的生态风险提供了重要依据，也提醒我们应更加关注除草剂对非目标生物的潜在影响，尤其是在环境中的持久性和生物富集能力方面。未来的研究应进一步探讨PND的毒性机制，并评估其对其他水生生物及人类健康的潜在影响，以期为环境保护和公共健康提供更全面的科学支持。