海水养殖的复合危害:鱼类共同暴露于环境相关微塑料和抗生素时,与肠道屏障破坏相关的质量与安全损害

《Journal of Hazardous Materials》:A combined hazard to mariculture: Quality and safety impairment associated with intestinal barrier disruption in fish co-exposed to environmentally relevant microplastics and antibiotics

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年08月19日 来源:Journal of Hazardous Materials 10.6

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   摘要微塑料 (MPs) 和抗生素在海养水体中经常共存,然而 MPs 作为暴露修饰剂的作用,即增强抗生素生物有效性并将水体污染物转化为鱼类品质劣化的机制,目前仍知之甚少。本研究调查了环境相关的源自海水养殖的 MPs 对频繁检出的抗生素磺胺甲噁唑 (SMZ) 的载体效应及其对许氏

  

摘要

微塑料 (MPs) 和抗生素在海养水体中经常共存,然而 MPs 作为暴露修饰剂的作用,即增强抗生素生物有效性并将水体污染物转化为鱼类品质劣化的机制,目前仍知之甚少。本研究调查了环境相关的源自海水养殖的 MPs 对频繁检出的抗生素磺胺甲噁唑 (SMZ) 的载体效应及其对许氏平鲉 (Sebastes schlegelii) 品质安全的影响。吸附实验表明,环境老化显著增加了 MPs 对 SMZ 的亲和力和吸附容量,导致暴露潜力增加。在 28 天的暴露实验中,共暴露于 MPs 和 SMZ 提高了内部 SMZ 水平,特别是在可食肌肉中,导致膳食暴露估计值增加(尽管 THQ 值仍低于 1),以及许氏平鲉生长性能和营养品质的降低。机制上,共暴露导致显著的肠道屏障功能衰竭,其特征为绒毛萎缩、上皮损伤、黏液保护减少和消化酶活性受损,共同表明营养物质同化受损。这些肠道损伤伴随着加剧的免疫和氧化应激反应以及肠道菌群失调。总体而言,环境特征 MPs 可以加剧 SMZ 暴露并引发威胁海水养殖可持续性和食品安全的毒性级联反应,强调需要在抗生素风险评估和沿海监测框架中纳入 MPs 老化效应。

引言

海洋养殖区 increasingly recognized as hotspots for emerging contaminants where microplastics (MPs, <5 mm) and antibiotics can co-occur under environmentally relevant conditions. 塑料基养殖基础设施(如网箱、绳索、网具、浮球)的广泛使用,通过风化、磨损和生物污损在沿海水域不断产生次生 MPs [1], [2], [3]。与此同时,抗生素在集约化养殖中被广泛用于预防和控制细菌性疾病,通过药饵、排泄和养殖尾水释放导致抗生素在水生环境中的存在 [4], [5], [6]。在水交换有限的半封闭海湾和近岸养殖场,此类污染物可能会积累并持久存在,增加了养殖生物联合暴露的可能性 [7], [8]。由于养殖鱼类将水体污染物整合进入人类膳食的可食组织中,MPs 和抗生素的共存不仅引起了对生物健康的担忧,也引起了对食品质量安全以及海水养殖可持续性的担忧。
MPs 可以吸附各种有机污染物,包括抗生素,从而改变其环境归宿和生物有效性 [9], [10], [11]。MPs 的吸附容量和机制强烈依赖于粒径、表面性质和环境水化学 [12]。至关重要的是,海洋环境中的 MPs 主要是环境老化颗粒,其特征是在风化过程中形成的粗糙形态、表面裂纹和含氧官能团 [13], [14]。老化可以通过氢键和静电相互作用等机制增强吸附 [15], [16], [17]。此外,这种效应可能进一步受海水离子强度、盐度和溶解有机质的调节 [18], [19]。这些发现表明,源自原生 MPs 或简化基质的数据可能低估了现实海水中的 MP-抗生素相互作用,强调在评估海水养殖系统中的复合污染时,需要在海洋相关条件下量化吸附。综上所述,这些考虑支持将环境特征 MPs 构建为沿海水域中的潜在暴露修饰剂,而不是被动颗粒。
除了环境行为外,MP-抗生素耦合可能重塑养殖生物的生物暴露模式和下游结果。一些研究表明,MPs 可能充当污染物的“汇”,减少水中的自由溶解浓度,从而限制生物富集 [20], [21]。相比之下,更多的研究倾向于 MPs 的“载体”作用,即它们被海洋生物摄食,将吸附的污染物转运到体内 [9], [22], [23], [24]。如果环境老化 MPs 提高了抗生素吸附和生物有效暴露,内部抗生素负荷和可食组织中的残留可能会增加,加剧与膳食暴露和食品安全相关的担忧。因此,海洋 MPs 越来越多地被视为海鲜安全的新兴问题,因为具有商业相关性的海产品中的污染可以将环境污染转化为消费者风险 [25]。重要的是,诸如最大残留限量 (MRLs) 等监管框架通常在单一化学物质背景下评估残留,而联合暴露可能会改变膳食风险概况,即使个体阈值未被超过。与此同时,MPs 暴露已与鱼类模型中的生长受损和代谢或营养紊乱相关,表明品质终点(如肌肉蛋白质和脂质含量)是与水产养殖生产和消费者价值相关的敏感结果 [26], [27]。然而,直接链接 MPs 介导的抗生素暴露放大与可食组织残留及营养品质劣化的同时证据仍然稀缺,留下了建立完整的“环境暴露 - 食品质量安全”链条的关键空白。
肠道是整合消化、营养吸收、免疫调节和屏障防御的中枢器官。肠道屏障功能的破坏可以促进污染物转位,同时损害营养物质同化 [28]。据报道,MPs 和抗生素单独都能干扰水生生物的肠道稳态,导致上皮损伤、炎症和氧化应激反应以及菌群改变 [29], [30], [31]。这表明,在老化 MP 增强抗生素有效性的条件下共暴露可能会触发以肠道为中心的级联反应,导致生长抑制和营养下降。然而,在海洋养殖背景下,海水中环境老化 MPs 如何与抗生素暴露相互作用以损害肠道屏障功能并转化为鱼类品质安全结果,目前仍知之甚少。在此,我们以具有商业价值的海洋鱼类许氏平鲉和频繁检出的磺胺类抗生素磺胺甲噁唑 (SMZ) 作为模型系统,检验了以下假设:环境特征 MPs (i) 增强海水中的 SMZ 吸附和暴露潜力,(ii) 提高包括可食肌肉在内的组织内部 SMZ 负荷和残留,以及 (iii) 驱动以肠道为中心的毒性级联反应,将屏障功能障碍与生长性能受损和营养品质劣化联系起来。为了检验这些假设,我们考察了海水中 SMZ 在 MPs 上的吸附行为和机制,评估了许氏平鲉中 SMZ 的生物富集及相关的人类健康风险,并评估了这种经济重要物种的生长性能和营养品质。此外,通过分析肠道屏障功能的机械、化学、免疫和生物成分,本研究阐明了 MPs 和 SMZ 共暴露在海洋鱼类模型中的潜在机制。这些发现为水产养殖生态系统中 MP-抗生素相互作用带来的风险提供了新见解。

章节片段

材料与化学品

本研究中使用的环境特征 MPs 由在养殖区部署超过一年的塑料浮球制备。详细的制备程序在补充材料 (文本 S1) 中提供。获得的 MPs 在无菌过滤的人工海水中重悬 (盐度 30‰) 以制备浓度为 50 mg·L-1 的储备液。MPs 的形态使用扫描电子显微镜 (SEM; Regulus 8100, Hitachi, ) 进行检查,

环境特征 MPs 的表征

本研究中使用的环境特征 MPs 是具有锐利边缘和粗糙表面的不规则颗粒 (图 1a)。其粒径分布范围为 0 至 30 μm,平均直径为 10.58 μm (图 1b)。粒径范围在 <10?μm、10–20?μm 和 20–30?μm 的 MPs 比例分别为 58.3%、32.4% 和 9.3%。FTIR 光谱证实聚乙烯 (PE) 是主要成分,并揭示了含氧官能团的形成

环境特征 MPs 对抗生素的吸附行为与机制

抗生素在 MPs 上的吸附在水生环境中引起了广泛关注。大多数现有研究使用具有规则球形和均匀表面的原生 MPs 进行吸附实验 [37], [38]。然而,海洋环境中的 MPs 主要是具有不规则形状和粗糙表面的次生颗粒,其物理结构和化学性质在老化过程中发生显著变化。例如,聚乳酸 (PLA) MPs 会发育出

结论与环境意义

本研究证明,环境特征 MPs 增强了 SMZ 的吸附,提高了海洋鱼类许氏平鲉 S. schlegelii 内部 SMZ 负荷,特别是在可食肌肉中。这种积累最终损害了许氏平鲉的生长和营养品质。这些发现强调,MP 介导的相互作用引发了对鱼类品质和潜在长期食品安全影响的担忧,将影响延伸至单纯毒性之外。机制上,共暴露于

CRediT 作者贡献声明

崔长龙: 调查,数据整理。朱林: 写作 - 初稿,可视化,资金获取,构思。Nurzafirah Mazlan: 方法论。隋琦: 调查。孙雪梅: 验证。白颖: 方法论。夏斌: 写作 - 审查与编辑,指导。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了山东省自然科学基金 (ZR2022MD003)、山东省重点研发计划 (2022CXPT013)、山东省泰山学者计划 (tsqn202211267) 以及中国水产科学研究院中央公益科研院所基本科研业务费专项 (2023TD13, 2025XT0901) 的支持。
朱林|崔长龙|白颖|孙雪梅|隋琦|Nurzafirah Mazlan|夏斌
中国水产科学研究院黄海水产研究所,海洋生物育种与可持续食品国家重点实验室,中国 青岛 266071
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