用于鲑鱼养殖的氟苯尼考可塑造海洋浮游微生物群落及其功能：基于微宇宙实验的见解

《Aquaculture》：Florfenicol used in salmon farming can shape marine planktonic microbial communities and their functioning: Insights from a microcosm experiment

　　

•环境中相关的氟甲酰氯浓度会改变海水中的微生物代谢。•微生物呼吸作用和胞外酶活性因氟甲酰氯暴露而下降。•氟甲酰氯暴露会改变碳底物利用模式。•来自三文鱼养殖区域的微生物群落对氟甲酰氯表现出更强的敏感性。•氟甲酰氯的输入可能会损害微生物介导的海洋生态系统过程。引言水产养殖产量预计到2030年将快速增长，在全球营养和粮食安全中发挥关键作用（Schar等人，2020年）。然而，鱼类养殖可能造成重大的环境影响，包括排放无机物和有机物（Buschmann等人，2009年；Caruso，2014年；Iriarte，2018年；Qui?ones等人，2019年；Molina和Fernández，2020年），以及释放抗菌药物、农药和消毒剂等化学物质（Buschmann等人，2009年；Burridge等人，2010年；Qui?ones等人，2019年）。三文鱼养殖是全球海洋养殖中发展最为成熟、应用最为广泛的领域之一（FAO，2024年）。自20世纪80年代末以来，智利的三文鱼养殖产业呈指数级增长，使其成为继挪威之后全球最大的鲑科鱼类生产国和出口国（FAO，2020年；FAO，2024年）。尽管在管理、生产力和环境绩效方面取得了巨大进步，但集约化养殖的本质使其高度依赖化学处理来控制疾病。抗菌药物和农药的大量使用尤为令人担忧，因为它们可能对生态系统和人类健康产生潜在影响（Buschmann等人，2009年；Burridge等人，2010年；Qui?ones等人，2019年）。不幸的是，关于这些物质对非靶标物种影响的信息有限（Rohr等人，2006年；Rain-Franco等人，2018年；Urbina等人，2019年；Garcés等人，2020年；González等人，2023年）。这一挑战不仅影响智利水产养殖业，也影响亚洲、挪威和苏格兰等主要产区（Lulijwa等人，2020年）。抗生素是设计用于杀灭或抑制病原微生物生长的物质（Sapkota等人，2008年；Grenni等人，2018年），是这些化学物质中最常用的。然而，在海洋环境中，抗生素可能对非靶标生物产生负面影响，包括天然浮游和底栖微生物群落（Brandt等人，2015年）。海洋微生物通过合成和降解有机物来调节碳和营养物质的通量，在生态系统中发挥着至关重要的作用（Kirchman，2012年）。它们是水生生物地球化学循环中的关键参与者，对生态系统的功能和恢复至关重要（Hui等人，2022年）。微生物存在于海洋栖息地各处，是地球上数量最多的生命形式（Kirchman，2008年），在海水中的浓度可达每毫升10?至10?个细胞（Hobbie等人，1977年；Azam等人，1983年；Whitman等人，1998年；Kirchman，2008年）。尤其是细菌，对抗生素暴露高度敏感（Brandt等人，2015年）。因此，抗生素可能改变天然水生微生物群落的功能和组成，进而可能影响有机物的降解和营养物质的循环（Roose-Amsaleg和Leverman，2016年；Grenni等人，2017年；He等人，2021年），这可能会对海洋生物地球化学循环产生影响（Wang等人，2022年）。尽管抗生素的重要性不言而喻，但抗生素对海洋生物地球化学过程，尤其是氮循环和富营养化的影响仍然知之甚少。虽然大多数关于抗生素生态效应的研究集中在陆地生态系统，尤其是土壤上，但来自水生系统的证据仍然有限（Ding和He，2010年；Hu等人，2025年），而在海洋环境中的研究更是凤毛麟角（Brandt等人，2015年；Qui?ones等人，2019年；Sharma等人，2021年）。尽管如此，现有的证据表明，即使低浓度的抗生素也会对微生物群落施加选择压力，促进抗菌药物耐药性（Brandt等人，2015年；Kunhikannan等人，2021年；Hu等人，2025年），同时改变群落结构、微生物相互作用和代谢能力（Deng等人，2022年），并对生态系统稳定性和恢复力产生潜在影响（Zheng等人，2021年；Hu等人，2025年）。在宿主相关层面，膳食氟甲酰氯暴露也被证明会改变鱼类肠道中微生物群落的结构并降低微生物多样性（Zhang等人，2023年）。专门评估氟甲酰氯的实验研究表明，氟甲酰氯会改变水生微生物群落的结构、微生物代谢潜力以及抗生素耐药基因丰度（Zhang等人，2022a，Zhang等人，2022b，Zhang等人，2022c）。此外，海洋浮游植物物种对氟甲酰氯暴露表现出浓度依赖性反应，包括生长、光合性能和氧化应激的变化（Seoane等人，2014年；Guo等人，2023年）。综合这些发现表明，氟甲酰氯等抗生素可能通过改变参与营养循环和浮游群落动态的微生物过程而影响生态系统功能（Gunathilaka等人，2023年）。在智利，三文鱼养殖中使用抗生素的量很大，2023年总计达到338.9吨（SERNAPESCA，2024年）。这种大量使用与高养殖密度有关，尤其是在海洋育肥阶段，需要严格疾病控制措施（Avenda?o-Herrera等人，2023年）。主要的给药途径是药用饲料。口服给药后，氟甲酰氯被吸收并分布在鱼类组织中，并在其中被生物转化为其主要代谢产物氟甲酰氯胺（Mallik等人，2023年）。然而，饲料中只有25%至75%的抗生素被处理的鱼类吸收；其余的则以原药或代谢产物的形式通过粪便和尿液排出（Wang等人，2022年）。此外，约5%的三文鱼饲料作为未食用的颗粒损失到环境中（Reid等人，2009年；Wang等人，2012年），这会将额外的抗生素引入海洋生态系统。目前，智利三文鱼产业在海洋阶段主要使用三种抗生素：氟甲酰氯、土霉素和泰万菌素。其中氟甲酰氯的使用量远远超过其他两种，2023年约占抗生素总用量的95.46%（SERNAPESCA，2024年）。氟甲酰氯用于治疗细菌性疾病，如鱼尔氏菌病（Piscirickettsia salmonis）、细菌性肾脏病（BKD；Renibacterium salmoninarum）和粘球菌病（Tenacibaculum dicentrarchi）。氟甲酰氯是氯霉素的含氟合成类似物，仅用于兽医领域（Liu等人，2012a，Liu等人，2012b）。它是一种广谱、抑菌性抗生素，通过抑制肽基转移酶活性来干扰蛋白质合成。这一机制使氟甲酰氯对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌均有效（Junior等人，2021年）。据报道，氟甲酰氯在水生环境中可存留约一周，而其主要代谢产物氟甲酰氯胺可在沉积物中存留数月（Hektoen等人，1995年）。尽管氟甲酰氯对沉积物和有机物的亲和力低于其他抗生素（如氟甲砜霉素和土霉素），但其持久性和潜在的生态效应仍令人担忧（Jara等人，2022年；González-Gaya等人，2022年，及其中引用的参考文献）。关于氟甲酰氯在海洋环境中浓度的实地信息仍然匮乏，尤其是在智利。Jara等人（2021年）研究了在协同抗生素治疗三文鱼养殖场后普伊胡阿皮峡湾中氟甲酰氯的发生和归宿，仅在治疗约六个月后的悬浮颗粒物中检测到最高浓度23.1 ng L?1，而在溶解相或表层沉积物中未检测到氟甲酰氯。由于采样是在治疗180天后进行的，且距离最近的三文鱼养殖场2至23公里，因此这些数值很可能代表经稀释、输送和降解过程后的残留环境浓度。在全球范围内，据报道海洋养殖环境中氟甲酰氯的浓度为2.27至1600 ng L?1（Wang等人，2022年；Abraham和Bardhan，2026年，及其中引用的参考文献），但在养殖活动进行期间，沿海水域中报告的浓度明显更高（30 μg L?1至11 mg L?1）（Zong等人，2010年）。尽管取得了这些进展，环境相关浓度和局部升高浓度的氟甲酰氯对天然海洋浮游微生物群落代谢和多样性的短期影响仍然知之甚少。本研究的首要目标是推进我们对智利三文鱼产业所用抗生素环境影响的理解，尤其是在巴塔哥尼亚海洋生态系统中。具体而言，我们旨在评估氟甲酰氯对微生物群落介导的关键生态系统过程的影响，如有机物降解和营养循环。为实现这一目标，我们采用实验微宇宙方法评估氟甲酰氯对天然海洋微生物群落代谢的影响。我们的评估重点关注关键的微生物功能，如呼吸作用、胞外酶活性、碳底物利用和活跃微生物群落的多样性。我们还在两种对比的环境情景下评估了氟甲酰氯对水柱中微生物过程的影响：（i）通过三文鱼养殖活动暴露于氟甲酰氯的微生物群落，以及（ii）无已知氟甲酰氯暴露史的微生物群落。本研究的核心假设是：短期暴露于环境相关浓度和局部升高浓度的氟甲酰氯会改变天然海洋浮游微生物群落的代谢和活跃群落多样性，且来自三文鱼养殖暴露水域的群落反应更强或不同。研究片段研究地点与实验用水采集实验的现场采样和用水采集在南智利两个沿海地点进行：（i）时间序列站18号（Stn-18），位于智利中南部（比奥比奥大区；36.51°S 73.13°W；图1），距科利乌莫湾约33公里（18海里），处于无三文鱼养殖活动的区域，以及（ii）阿查奥，位于北巴塔哥尼亚（奇洛埃内海，湖大区；42.52°S 73.20°W；图1），这是一个集约化三文鱼养殖区。采样地点的水文条件Stn-18站的水文条件显示出轻微分层的水柱（图2a）。表层水（0-15米）相对温暖（约12°C），在15-20米深处略有增加至12.4°C，随后逐渐下降至80米深处的11.6°C。表层盐度较低（34 psu），这是由于采样前降水带来的淡水输入所致。盐度在15-20米深度增加至34.2 psu，在80米深处达到最大值34.6 psu。溶解氧浓度为……讨论本研究检验了短期氟甲酰氯暴露可以改变天然海洋浮游微生物群落代谢和多样性的假设。总体而言，我们的结果支持了这一假设，显示出比呼吸和胞外酶活性的降低、碳底物利用的变化以及活跃微生物群落结构的转变。本研究的创新之处在于将氟甲酰氯暴露与天然海洋浮游……联系起来。结论本研究增进了我们对三文鱼养殖所用抗生素如何影响水柱中海洋微生物群落的理解。我们的结果表明，低于治疗水平的氟甲酰氯浓度（如10-20 mg kg?1）可以通过改变比呼吸、比酶活性和（次级地）微生物多样性来干扰海洋微浮游群落的代谢。这些发现意味着氟甲酰氯可以改变有机物的降解并可能影响……作者贡献声明María-Lorena González：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，验证，监督，方法学，调查，形式分析，数据整理，概念化。Doris Soto：撰写—审阅与编辑，验证，监督，资源，方法学，资金获取，概念化。Rubén Avenda?o-Herrera：撰写—审阅与编辑，验证，监督，资源，方法学，概念化。Renato A. Qui?ones：撰写—审阅与编辑，验证，未引用参考文献Dalsgaard等人，2003；Galan等人，2014；Kokou等人，2020；Lange等人，2016；Oliver等人，2023；Rosi-Marshall等人，2013；Wang等人，2022a利益冲突声明作者声明不存在可能影响本论文所述工作的已知竞争性财务利益或个人关系。致谢本研究由跨学科水产养殖研究中心（INCAR-FONDAP和INCAR2-CIA；资助项目FONDAP N°1522A0004、FONDAP N°1523A0007、INCAR2-CIA250009）和蒙特雷湾水族馆资助。感谢Wilfredo Alarcon、Luis Montecinos和Mario Ferrari在现场采样中的支持。感谢Marcelo Fuentes和Karol Espejo在实验开展中的帮助。感谢Angel Rain在分子数据分析中的帮助。M. L. González获得资助于……María-Lorena González|Doris Soto|Rubén Avenda?o-Herrera|Renato A. Qui?ones