《Journal of Hazardous Materials》：Multi-Omics Insights into Alizarin Red S-Induced Alterations in Redox Balance, Immune Function and Metabolism in Juvenile Silver Carp (
Hypophthalmichthys molitrix)
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银鲤鱼幼鱼96小时ARS暴露显示剂量依赖性毒性，存活率下降，鳃、鳃盖及耳石病理损伤。多组学分析揭示高剂量ARS（150 mg/L）导致氧化应激失衡、脂质过氧化及代谢通路失调，转录组显示外源代谢、免疫相关基因表达异常，代谢组鉴定478种差异代谢物，涉及谷胱甘肽、精氨酸代谢及细胞色素P450系统。研究确立ARS生态毒性阈值，强调其环境风险及监管必要性。
万桥路|钱度|于恒上|英海路|张泽鹏|金宏宇|张文峰|李雷
中国水产科学院黑龙江渔业研究所，哈尔滨150070
摘要
茜素红S（ARS）是一种在工业过程中广泛使用的蒽醌染料，已被认为是潜在的环境污染物，其对水生生物的生态毒性影响尚未得到充分了解。在本研究中，幼年银鲤（Hypophthalmichthys molitrix）被暴露在不同浓度的ARS（0、100、125和150毫克/升）下96小时，结果显示其具有明显的剂量依赖性毒性，表现为存活率下降以及腹鳍、鳃盖和耳石的组织病理损伤逐渐加重。通过对鳃组织的综合多组学分析发现，高剂量ARS暴露会严重扰乱生理稳态。转录组分析显示，与外源物质代谢、氧化应激、免疫反应和代谢途径相关的基因表达发生了浓度依赖性的失调。值得注意的是，150毫克/升浓度的ARS显著干扰了与免疫失调和细胞应激反应相关的信号通路。代谢组分析鉴定出478种差异丰富的代谢物，其中脂质和氨基酸代谢（尤其是谷胱甘肽和精氨酸代谢）途径受到明显影响。转录组-代谢组联合分析进一步表明，在高剂量暴露下，从抗氧化防御机制转向了全身性的免疫和代谢功能障碍。从功能上看，过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）和谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）的活性以及谷胱甘肽（GSH）含量在100毫克/升的ARS浓度下达到峰值。此外，随着ARS浓度的增加，丙二醛（MDA）含量显著下降，在150毫克/升时降至最低。这些发现定义了一个毒理转变的关键阈值，为蒽醌染料的生态危害提供了重要见解，并强调了严格控制ARS排放到水生生态系统中的必要性。
引言
随着全球对化学物质安全性和生态系统完整性的关注日益增加，合成染料，特别是基于蒽醌的化合物，由于其在工业中的广泛应用及其难以降解的特性，已成为重要的环境污染物[1]。茜素红S（ARS；C14H7NaO7S·H2O）是一种通过茜素磺化反应制备的合成蒽醌衍生物[2]。它具有独特的颜色强度、高水溶性和出色的化学稳定性，这些特性使其在纺织、造纸和皮革工业中得到广泛应用，并被用作生物医学研究中的选择性钙螯合探针，用于组织和细胞染色[3]、[4]、[5]。此外，它还被用于水生生态学中，作为鱼类耳石的荧光标记物，以追踪种群动态和迁徙模式[6]、[7]。然而，大约10%至15%的ARS在纺织品加工过程中被释放到水体中[8]。其复杂的芳香结构使其对传统的物理、化学和生物处理方法具有抗性，导致排放物持久、颜色浓重且具有高有机负荷。环境研究表明，ARS在水生环境中具有相当的持久性，尤其是在黑暗或缺氧条件下，并且与致突变性和潜在的致癌作用有关[9]。更重要的是，ARS可以插入DNA碱基对中，从而加剧氧化损伤，对水生生物造成严重的遗传毒性和生理风险[8]。
随着ARS应用范围的扩大，对其潜在毒性和环境影响的研究也日益受到重视。ARS主要与人类健康风险相关，包括皮肤刺激和致癌性[10]。对于依赖高质量水质的鱼类而言，ARS在水生环境中的存在不仅可能扰乱正常的生理功能，还可能通过食物链传递影响整个生态系统的平衡和稳定性。一旦进入自然水体，ARS可能沿着食物链传播，对水生生物（尤其是鱼类）产生不可逆的毒性影响[11]。先前的研究一致表明，高浓度的ARS会显著增加Salmo trutta幼鱼的死亡率[12]，并在Salmo trutta L.中引发类似的毒性效应[13]。ARS通过干扰关键的生理过程（如氧化应激反应、内分泌调节和生殖腺发育），对鱼类种群的生存和繁殖成功率构成严重威胁[14]。即使在低浓度下，ARS也被证明会损害斑马鱼（Danio rerio）幼鱼的运动能力，诱导肝脏损伤并降低其繁殖性能[15]。长期暴露可能会加剧这些不利影响，可能导致种群层面的生态后果。综上所述，迫切需要进一步研究ARS的环境归趋和监管管理，以有效减轻其潜在的生态风险。
近年来，分子生物学技术的进步使转录组学和代谢组学成为评估环境压力生物效应不可或缺的工具[16]。通过综合分析基因表达谱和生物体内的代谢变化，可以全面阐明外源物质如何干扰内部生理状态[17]、[18]。鉴于这些发展，使用多组学方法系统研究ARS的标记效果和潜在毒性变得越来越重要。这对于银鲤（Hypophthalmichthys molitrix）尤为重要，它是中国重要的淡水养殖物种，在维持生态系统生物多样性和维持水生食物网结构方面发挥着关键作用[19]。银鲤的健康状况直接影响水生生态系统的稳定性和渔业的长期可持续性。尽管ARS作为鱼类标记剂被广泛使用，但其对银鲤的标记效果和安全性尚未得到充分验证。此外，在不同的浸泡时间和暴露浓度下，ARS对银鲤存活率和代谢稳态的影响及其背后的分子机制仍不甚清楚，需要进一步研究。
为了解决与ARS相关的生态毒性风险，选择银鲤作为综合毒理学评估的代表性淡水物种。我们假设，在标记过程中，暴露于一定浓度的ARS会通过干扰调控氧化应激反应、能量代谢和内分泌信号的基因网络来破坏代谢稳态。为此，幼年银鲤被暴露在不同浓度的ARS（0、100、125和150毫克/升）下96小时，随后采用结合组织病理学评估、转录组学和代谢组学分析的综合分析方法。主要目标是识别受ARS暴露显著影响的关键基因和代谢途径，并阐明ARS诱导的代谢稳态紊乱的机制基础。这些发现有望为优化基于ARS的鱼类标记方案提供科学依据，并建立一个可转移的多组学框架，用于评估新兴环境污染物对水生生物的亚致死效应，从而为环境风险评估、污染缓解和可持续水产养殖管理提供基于证据的策略。
部分摘要
化学物质和试剂
ARS（≥80%）购自Macklin（中国上海），然后用超纯水配制成1,000毫克/升的储备溶液以供后续使用。甲醛（PFA）溶液（4%，商品编号C2269）购自Alphabio（中国上海）。甲醇（HPLC级，商品编号A452-4）来自Thermo Fisher Scientific（美国马萨诸塞州沃尔瑟姆），而2-氯-L-苯丙氨酸（内标，≥98%，商品编号01003318-11825A）购自Adamas-beta（中国上海）。所有溶液ARS对银鲤的毒理效应和标记效果
幼年银鲤被暴露在0、100和125毫克/升的ARS溶液中96小时（图1a）。相应的处理组分别标记为ARS0、ARS100、ARS125和ARS150。图1b显示了96小时暴露期间幼年银鲤的存活率。结果表明，ARS对幼年银鲤具有明显的剂量依赖性毒性。随着ARS浓度的增加，存活率下降，尤其是在高浓度下讨论
本研究显示，银鲤暴露于100毫克/升或125毫克/升的ARS 96小时后，与对照组相比死亡率没有显著差异，表明在这一浓度范围内急性毒性较低。这两种浓度都能有效标记富含钙的组织，这从腹鳍和耳石的明显染色中可以得到证实。125毫克/升浓度下的染色强度更高，可能是由于在高浓度下形成了更多的不溶性ARS-钙复合物
结论
总体而言，ARS对银鲤的鳃组织具有剂量依赖性效应。125毫克/升的暴露引发了协调的适应性反应，表现为谷胱甘肽代谢增强和硫代谢途径激活，这是对抗中度氧化应激的典型抗氧化防御机制。相比之下，150毫克/升的ARS暴露导致了氧化还原失衡、脂质过氧化和组织病理损伤。综合转录组学和代谢组学分析进一步揭示了
环境影响
茜素红S是一种广泛使用的蒽醌染料，它在淡水鱼类中表现出剂量依赖性的毒性，引发从适应性抗氧化反应向全身性免疫和代谢紊乱的转变。低水平暴露激活了防御机制，而高水平暴露则使其失效，导致组织损伤和关键过程的失调。识别出防御机制崩溃的关键阈值强调了将ARS排放量控制在生态安全水平以下的必要性。伦理声明
所有涉及银鲤的实验均遵循中国水产科学院黑龙江渔业研究所的动物实验指南进行。动物实验研究已得到该研究所实验室动物福利和伦理委员会的审查和批准。本工作已获得黑龙江渔业研究所的研究伦理批准
CRediT作者贡献声明
英海路：数据可视化、实验研究。张泽鹏：资源提供。金宏宇：资源提供。张文峰：实验研究。万桥路：撰写-初稿撰写、数据可视化、实验研究、概念构思。钱度：实验研究。于恒上：数据验证、实验研究。李雷：撰写-审稿与编辑、项目监督、资金争取。利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。致谢
本工作得到了黑龙江省鱼类增殖和释放效应评估项目、中国农业部和农村事务部关于东北地区重点水域渔业资源和环境定期监测的专项农业财政资金项目、中央公益性科学机构基础研究基金（CAFС编号2025GH04和2023TD07）以及佳木斯市河流和湖泊健康评估项目的支持
