水产养殖中使用的化学品及其生态毒性资源

《Cell Reports Sustainability》：A resource on chemicals used in aquaculture and their ecotoxicity

　　

可持续水产养殖需要全面的化学品监管，因为用于水产养殖的化合物可能在生态系统中持久存在，通过食物链生物累积，并影响水生生物和人类健康。本研究提出了ReCAnt（水产养殖化学品及其生态毒性资源），整理了690种水产养殖化学品的信息，包括从已发表文献中整理的毒性和治疗效果数据。这些化学品中只有一小部分具有相关的监管信息，表明现有法规可能存在空白。通过整合比较毒物基因组学数据库（CTD）的数据，揭示了化学品与7,997个基因、231个表型和89种疾病之间的关联，而ECOTOX数据提供了142种化学品的毒性和生物富集信息。预测的生物转化途径和分配系数表明存在微生物降解潜力，且化学品通常倾向于大气分配。食物网网络分析识别了易受营养级转移影响的物种以及化学品进入水生生态系统的常见入口点。该资源有助于监管决策，并促进可持续的蓝色经济实践。

**论文解读：水产养殖化学品资源的系统整合与生态风险分析**

**研究背景与问题**

水产养殖是全球增长最快的食品生产部门之一，预计到2050年将供应大部分水生膳食蛋白质，在应对不断升级的营养需求和粮食安全挑战中发挥关键作用。然而，该部门的快速扩张加剧了对多种化学品的依赖，包括抗生素、消毒剂、杀虫剂、麻醉剂和免疫刺激剂等，以维持养殖物种健康并优化产量。这种依赖导致化学品过度使用，带来显著的环境问题。尽管存在政策，但一些被禁止的遗留污染物（如孔雀石绿）仍在环境中持续存在，而获准使用的化学品（如溴氰菊酯）可在极低浓度下导致非目标物种死亡。这些例子凸显了关于水产养殖化学品环境影响及其通过食物网级联并最终影响人类健康的重大知识和监管空白。当前，关于水产养殖化学品的应用、环境归趋、毒理学特征及生态系统中潜在途径的知识分散在多个来源，限制了利益相关者在生产效率和可持续性之间做出明智决策的能力。

**研究内容与结论**

为填补这一空白，研究人员通过系统整合已发表文献和现有毒理学数据库中的分散数据，开发了ReCAnt（Resource on Chemicals used in Aquaculture and their Ecotoxicity）资源。该资源包含了690种水产养殖化学品的全面信息，涵盖其毒性效应、治疗潜力、理化性质、预测环境归趋以及通过食物网的营养级转移潜力。研究揭示了这些化学品在监管覆盖上的显著局限性：仅少数化学品有相关监管信息，且多种化学品被归类为持久性、移动性和毒性（PMT）物质。通过整合比较毒物基因组学数据库（CTD）和ECOTOX数据库，研究人员发现了化学品与7,997个基因、231个表型和89种疾病之间的关联，并获得了142种化学品的毒性和生物富集数据。预测的生物转化途径和分配系数表明，这些化学品可能通过微生物降解转化为简单化合物，并倾向于分配到大气介质中。食物网网络分析识别了最易受营养级转移影响的物种以及化学品进入食物网的常见入口点。该研究为监管决策提供了支持，并促进了可持续水产养殖实践。论文发表在《Cell Reports Sustainability》。

**主要技术方法**

研究人员通过以下关键技术方法开展研究：(1) 系统文献检索与手动筛选：从PubMed数据库检索2,351篇文献，经逐步筛选后保留257篇相关文章，从中提取化学品、物种、毒性及治疗效应数据，并标准化为690种化学品。(2) 数据库整合：从比较毒物基因组学数据库（CTD）获取化学品-基因、化学品-表型及化学品-疾病关联，并从美国环保署ECOTOX数据库获取毒性和生物富集因子（BCF）数据。(3) 计算预测：使用BioTransformer 3.0预测生物转化产物（TPs），使用美国环保署EPI Suite预测分配系数（K_ow、K_aw、K_oa）及生物富集和生物累积因子。(4) 网络分析：基于化学相似性（Tanimoto系数）构建化学相似性网络（CSN），利用Bemis-Murcko骨架进行骨架分析，并利用Global Biotic Interactions（GloBI）数据库构建食物网网络，整合ECOTOX数据进行营养级转移评估。数据来源包括已发表文献、PubChem、CTD、ECOTOX、GloBI、FishBase及NORMAN Suspect List Exchange等公开资源。

**研究结果**

**ReCAnt中水产养殖化学品概览**
通过分析690种化学品，发现其中71种被明确归类为“活跃使用”，619种为“测试”状态。这些化学品包括359种化合物、317种混合物和14种其他实体（如纳米材料、生物大分子和矿物质）。混合物多为植物源天然产物或精油，表明水产养殖向天然替代品转变的趋势。对71种水产养殖相关物种的分析显示，63.4%用于商业养殖，物种涵盖19个目，营养级范围2.00至4.42，平均3.34，以肉食性为主，淡水物种占78.6%，且多数能耐受多种盐度。

**来自CTD和ECOTOX的整合化学数据**
CTD提供了54种化学品与7,997个基因的关联，以及49种化学品与231个表型的关联。通过化学-基因-表型-疾病（CGPD）四聚体构建，识别出17种化学品与89种疾病的关联，其中“化学性和药物性肝损伤”最常见。ECOTOX提供了142种化学品在53种水产养殖相关物种中的毒性数据，急性毒性中位浓度2.30 ppm，慢性毒性中位浓度0.48 ppm。生物富集因子（BCF）数据可用于24种化学品，中位值为86.74 L/kg。

**ReCAnt中水产养殖化学品的监管覆盖**
在690种化学品中，仅57种具有某种形式的监管信息。其中，7种化学品被列入印度对虾养殖禁用抗生素清单，5种被美国FDA批准用于水产养殖，27种被列入8个东盟国家的12个化学品监测清单中的10个，其中8种被列为禁用。此外，通过文献手动审查，仅47种化学品有作者报告的监管状态。跨司法管辖区比较显示，孔雀石绿和氯霉素在多个地区被禁。利用PBMT（持久性、生物累积性、移动性和毒性）评估，37种化合物被分类为PMT，其中6种（阿奇霉素、磺胺嘧啶、红霉素、阿特拉津、三氯生和敌草隆）还被报告为vPvM（非常持久且非常移动）。

**水产养殖化学品化学空间探索**
化学相似性网络（CSN）包含339个节点和148条边，整体结构高度碎片化，平均Tanimoto系数在0-0.2之间。Bemis-Murcko骨架分析识别出35种共享骨架，其中醌和苯是最常见的骨架，分别出现26次和24次。骨架-监管、骨架-治疗作用和骨架-毒性效应图谱显示，苯骨架在监管图谱中最常见，醌骨架在治疗作用和毒性效应图谱中占主导。苯骨架是唯一出现在所有三个图谱中的骨架，且与抗菌和抗寄生虫治疗作用及酶和细胞水平的毒性效应相关。

**生物转化与环境归趋**
BioTransformer 3.0成功预测了228种化学品的转化产物（TPs），结合REFTPs数据集，共获得229种化学品的生物转化数据。生物转化反应网络包含1,510个节点和1,380条边，呈层次化无环结构。阿特拉津具有最高的出度（39），表明其转化产物最多。分配系数分析显示，大多数化学品位于logK_aw-logK_ow图的左上区域，表明它们倾向于从水相和辛醇相分配进入大气相。水溶性数据表明，半数化合物的LogS中位数为-2.34，属于微溶类别，且难溶性化学品与高亲脂性和中等生物累积潜力显著相关。

**基于食物网的营养级转移**
通过整合GloBI的食性数据和ECOTOX的毒性及BCF数据，构建了三个食物网网络。基于BCF的网络中，Irgarol与最多捕食者物种（39种）相连，而Micropterus salmoides与最多化学品（23种）相连。基于急性毒性的网络中，敌敌畏与49种捕食者相连，Ictalurus punctatus与127种化学品相连。基于慢性毒性的网络中，西玛津与55种捕食者相连。通过物种敏感性分布（SSD）过滤敏感边缘后，在急性网络和慢性网络中分别移除了28种和16种猎物节点。在过滤后的网络中，Ictalurus punctatus和Gadus morhua在急性网络中与最多化学品（24种）相连，而Oncorhynchus mykiss在急性网络中作为中介出现在最多化学-捕食者最短路径上（97条）。

**ReCAnt网络服务器功能**
所有数据通过在线资源ReCAnt（https://cb.imsc.res.in/recant/）公开提供，为每种化学品提供分子描述符、理化性质、治疗潜力、毒性效应、CTD关联及ECOTOX数据，并整合了生物转化路径和食物网可视化。

**讨论与结论**

讨论部分指出，仅少数化学品受监管，多种被分类为PMT物质，凸显了现有监管框架的关键空白。研究局限性包括：文献检索策略可能未完全覆盖所有相关化学品，数据仅限于PubMed收录的同行评审文章，标准化结构信息仅适用于约一半化学品，计算预测可能无法完全反映自然条件，以及营养级转移分析应视为筛选工具而非预测模型。尽管如此，ReCAnt作为统一且可访问的资源，整合了水产养殖化学品的数据，为研究人员、监管者和其他利益相关者提供了支持。未来将扩展搜索策略，整合半自动化筛选和数据提取工作流，并探索混合物毒性评估和病原体适应评估。

结论部分翻译如下：总之，本研究提出了一个水产养殖化学品资源，支持知情决策，并促进符合“One Health”原则的可持续化学品管理，以保护水生生态系统、粮食安全和人类健康。