阿特拉津对海洋青鳉（Oryzias melastigma）组织损伤、生理与生化变化以及转录组的影响

《Aquatic Toxicology》：Effects of atrazine on tissue damage, physiological and biochemical changes and transcriptome in marine medaka ( Oryzias melastigma)

　　

摘要

阿特拉津是一种广泛使用的三嗪类除草剂，经常在水生环境中被检测到，它会对生态系统构成威胁，但其对河口/海洋生物的毒性机制尚不明确。本研究以幼年青鳉作为模型生物，测得阿特拉津的96小时半数致死浓度为31.65毫克/升。这些幼鱼分别暴露在0、0.09、0.36、1.07和3.28毫克/升的阿特拉津溶液中30天。组织学检查显示鱼的鳃出现严重病变，如增生、顶端肿大、鳃小片破坏以及毛细血管淤积；肝脏则出现窦状隙扩张、细胞质空泡化、嗜酸性物质形成以及细胞核浓缩等现象。生化检测表明，阿特拉津会改变鳃中Na⁺-K⁺-ATP酶和Ca²⁺-ATP酶的活性，降低肝脏中过氧化氢酶的活性。浓度为0.09和0.36毫克/升的阿特拉津会显著降低总超氧化物歧化酶的活性，同时增加鱼肝中的丙二醛含量。此外，阿特拉津还会上调ucp-2基因的表达，下调cox-2、ccl20、il-1β、cat和sod基因的表达。转录组分析显示，鱼肝中有1,078个基因表达发生改变，其中436个基因表达上升，642个基因表达下降。京都基因与基因组百科全书途径分析表明，阿特拉津会干扰与HIF-1和PI3K-Akt信号通路相关的基因表达，这提示阿特拉津可能引发缺氧、氧化损伤和细胞凋亡。这些结果与组织学和酶学研究结果一致，有助于了解阿特拉津长期暴露对河口和海洋鱼类的毒性作用及机制。

引言

近几十年来，农用化学品的广泛使用引发了人们对环境污染和生态危害的日益担忧。作为全球使用最广泛的农药，除草剂占农业农药使用总量的60%以上（Kniss，2017）。三嗪类除草剂属于选择性除草剂，通过抑制杂草的光合作用来发挥除草效果（Semren等人，2018；Solomon等人，2008；Trebst，2008）。它们被广泛用于农业领域，用于控制农田中的阔叶杂草（Moore等人，2017；Solomon等人，2008）。然而，所施用的农药中只有10–30%会被土壤颗粒或目标植物吸收利用，其余部分则通过灌溉、地表径流或降雨污染水源，最终流入海洋（Li和Daler，2004）。

阿特拉津是一种常用的三嗪类除草剂，其半衰期约为四周，但在自然环境中可存在长达两年时间（Tang等人，2021）。尽管欧盟在2003年就禁止了该物质的使用，但由于其效果显著且成本低廉，世界上仍有许多国家继续使用阿特拉津（Jablonowski等人，2011；Peng等人，2018）。其年消耗量高达90,000吨（Singh等人，2018）。由于阿特拉津及其降解产物如脱乙基阿特拉津、脱异丙基阿特拉津和阿特拉津-2-羟基的持久性和移动性较强，它们经常在水生环境中被检测到（Niu等人，2021；Singh等人，2018；Sousa等人，2018），从而对非目标水生生物构成威胁（Montiel-León等人，2019）。在尚未禁止使用阿特拉津的地区，其浓度可达到数十微克/升（Cortez等人，2017；Nuchan等人，2022）。例如，在美国内布拉斯加州和爱荷华州的某些水域，阿特拉津浓度分别高达175微克/升和336微克/升（Belanger等人，2016；Hansen等人，2019）。

作为一种潜在的环境内分泌干扰物（Montiel-León等人，2019），阿特拉津对水生生物具有中等毒性。此前已有研究报道了阿特拉津对水生生物的毒性测试和风险评估，这些生物包括无脊椎动物（Tang等人，2018）、两栖动物（Huang等人，2022）以及鱼类（Blahova等人，2020a；Blahova等人，2020b；Gao等人，2022）。接触阿特拉津会改变两栖动物肠道微生物群的多样性（Huang等人，2022），还会抑制两栖动物的生长，改变其变态发育的时间（Forson和Storfer，2006），并增加个体死亡的风险（Rohr和Palmer，2013）。在鱼类中，接触阿特拉津会导致生长速度下降（Hanson等人，2019）、行为改变（Hanson等人，2019；Zaluski等人，2022）、组织损伤（Khoshnood等人，2015；Opute和Oboh，2021）、氧化应激（Adeyemi等人，2015；Blahová等人，2013）以及免疫毒性（Gao等人，2022）。不过，这些研究主要聚焦于淡水生物，关于阿特拉津对河口和海洋生物毒性的信息仍然相对有限（Brain等人，2021）。

由于鱼类对水环境污染十分敏感，因此常被用作生物监测指标，广泛应用于水生生态系统的健康评估中（Rajkumar等人，2016）。鉴于河口和海洋鱼类面临长期接触阿特拉津的生态风险（Waring和Moore，2004；Wang等人，2025），再加上目前关于阿特拉津对这类鱼类毒性的数据，尤其是分子层面的数据十分有限，因此有必要开展系统研究，以阐明阿特拉津在不同环境中的毒性机制及潜在风险。青鳉因其耐盐范围广、对污染物敏感度高以及繁殖周期短，被广泛用于河口和海洋生态毒性研究（Dong等人，2014；Liu等人，2023b）。因此，本研究选择青鳉作为模型生物，开展阿特拉津的急性和慢性暴露实验。本研究的主要目标是确定阿特拉津对幼年青鳉的96小时半数致死浓度，进而评估亚致死浓度下阿特拉津的毒性作用及机制。这项研究为探讨阿特拉津在海洋鱼类中的慢性毒性机制以及后续针对农药污染物的研究提供了重要的理论支持。

章节节选

化学物质

阿特拉津（ATZ，CAS编号1912-24-9，纯度97%）购自上海麦克林生化科技有限公司。我们用二甲基亚砜（DMSO，CAS编号67-68-5，纯度99.9%）配制了浓度为5克/升的阿特拉津储备溶液，再将其逐级稀释至实验所需浓度。阿特拉津的浓度是通过高效液相色谱串联质谱法进行检测的（HPLC-MS/MS；详见补充方法S1）。

实验动物与急性毒性实验

健康的幼年青鳉（2个月大，体长15.3±0.4毫米）

急性毒性实验

幼年青鳉的存活率和死亡率见图1。在96小时实验结束时，暴露在最高浓度组（90毫克/升）的鱼全部死亡，而最低浓度组（2毫克/升）及对照组则没有鱼类死亡。阿特拉津对青鳉的96小时半数致死浓度为31.65毫克/升（95%置信区间：15.14–54.30毫克/升）。

鳃和肝脏组织的组织学变化

在暴露于阿特拉津30天后，青鳉的鳃和肝脏组织都出现了显著的

阿特拉津对青鳉的毒性

在毒性研究中，96小时半数致死浓度是用于评估环境污染物毒性作用的最重要参数之一。阿特拉津对鱼类的急性毒性通常在3到45毫克/升之间（Elia等人，2002），这一数值会受盐度、物种以及发育阶段等因素的影响。Hall等人（1994）让不同盐度水平（5–25‰）下的斑马鱼幼体接触阿特拉津，发现96小时半数致死浓度与盐度密切相关。Wang等人（2017）

结论

综上所述，我们的急性毒性实验表明，阿特拉津对青鳉具有轻微毒性。长期暴露于阿特拉津会抑制Na⁺-K⁺-ATP酶、T-SOD和CAT的活性，增加MDA含量和Ca²⁺-ATP酶的活性，引发病理损伤，并改变与免疫功能相关的基因表达。此外，阿特拉津还会导致青鳉出现缺氧现象。PI3K/AKT和HIF-1信号通路的紊乱可能是其毒性作用的潜在机制

作者贡献

刘凯凯：实验研究、数据分析、初稿撰写；辛美莉：实验研究；刘倩：实验研究；刘彤：实验研究；余道德：实验研究；王显雷：实验研究；张志鹏：提供实验资源；周健：提供实验资源；迟文丹：实验研究；徐梦雪：实验研究；吴海毅：监督工作、资金筹集；宋静静：概念设计、实验研究、论文审阅与修改、数据可视化。

未引用参考文献

Plhalova等人，2012；Santos-Silva等人，2021；Xing等人，2019

CRediT作者贡献说明

刘凯凯：初稿撰写、实验研究、数据分析。辛美莉：实验研究。刘倩：实验研究。刘彤：实验研究。余道德：实验研究。王显雷：实验研究。张志鹏：提供实验资源。周健：提供实验资源。迟文丹：实验研究。徐梦雪：实验研究。吴海毅：监督工作、资金筹集。宋静静：论文审阅与修改、数据可视化、实验研究、概念设计。

Kaikai Liu|Meili Xin|Qian Liu|Tong Liu|Daode Yu|Xianlei Wang|Zhipeng Zhang|Jian Zhou|Wendan Chi|Mengxue Xu|Haiyi Wu|Jingjing Song

中国山东省青岛市266104，山东省海洋科学研究院（国家海洋中心青岛基地）、山东省海洋智能养殖重点实验室、青岛市海岸生态修复与安全重点实验室