磺胺甲噁唑和甲氧苄啶对三角褐指藻和中肋骨条藻的影响：生长、氧化应激、生化、衰减、转录组和代谢组

《Aquatic Toxicology》：Effects of sulfamethoxazole and trimethoprim on Phaeodactylum tricornutum and Skeletonema costatum: growth, oxidative stress, biochemistry, attenuation, transcriptome and metabolome

　　

摘要
甲氧苄啶（TMP）和磺胺甲噁唑（SMX）是海洋环境中常被检测到的抗生素，然而它们在共存条件下对海洋微藻的潜在危害仍知之甚少。本研究调查了环境相关浓度的 TMP（200 ng/L）和 SMX（50–500 ng/L）混合毒效对两种海洋微藻物种，即角毛藻（Skeletonema costatum）和三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）的影响。结果揭示，抗生素混合物刺激了三角褐指藻的生长。在 100 ng/L SMX 加 200 ng/L TMP 处理组中，藻细胞密度与对照组相比显著增加（P < 0.05），增长率比对照组高 14.2%。相比之下，联合抗生素对角毛藻的生长没有显著影响。混合物还改变了三角褐指藻的叶绿素含量、细胞膜疏水性和抗氧化防御系统。在暴露于 250 ng/L SMX 和 200 ng/L TMP 144 小时后，三角褐指藻中的丙二醛（MDA）含量显著上升（P < 0.05），MDA 含量达到对照水平的 175.46%。在分子水平上，ABC 转运蛋白通路的激活是微藻在单一 TMP 胁迫下的适应性解毒策略。缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸生物合成通路中的转录和代谢变化组合是 TMP 放大 SMX 毒性的关键因素。该通路、卟啉代谢和脂质代谢的联合破坏共同影响了藻类生长。这些发现为评估混合抗生素对海洋初级生产力的潜在风险提供了参考。

引言
近年来，由于其多功能的药理作用，抗生素在医疗、水产养殖、畜牧养殖等领域得到了广泛应用（Xiang et al., 2026）。作为典型的新兴污染物，抗生素具有隐蔽的污染特性和多样复杂潜在危害，这使其成为当前环境科学中的关键修复挑战和前沿研究热点（Sun et al., 2026）。统计表明，2000 年至 2018 年的 18 年间，全球抗生素消耗率增加了 46%（Browne et al., 2021）。磺胺类抗生素是首批能够系统治疗人类和动物传染病的化学合成抗菌剂，频繁在水生环境中被检测到（Xu et al., 2024）。其中，磺胺甲噁唑（SMX）是一种广泛使用的代表性磺胺类抗生素，在全球水生系统中检测浓度和频率较高（Yan et al., 2013）。SMX 已被确定为中国渤海和黄海的 predominant 抗生素，检测率为 92%，最大检测浓度范围为 0 至 250.66 ng/L（Yang et al., 2020）。在中国莱州湾也检测到了甲氧苄啶（TMP），检测率高达 100%，最大检测浓度达到 398.94 ng/L（Han et al., 2021）。作为杀菌剂，SMX 可与其增效剂甲氧苄啶产生联合效应，以进一步增强杀菌效力。这两种化合物通常以联合制剂用于抗菌目的。具体而言，SMX 通过阻断细菌的叶酸合成途径来抑制细菌增殖，而 TMP 则靶向并抑制二氢叶酸还原酶的活性。这种双重抑制阻断了细菌核酸和蛋白质的合成，从而实现高效的抗菌和杀菌效果（Li et al., 2022）。因此，SMX 和 TMP 的联合应用日益普遍。Duan 等（2022）报告称，TMP 对水生生物的 50% 半致死浓度（LC50）和 50% 半有效浓度（EC50）值范围为 0.874 至 253 mg/L。在测试物种中，三角褐指藻和角毛藻对 TMP 表现出相对较高的敏感性，其 96 小时 EC50 值分别为 2.748 mg/L 和 0.874 mg/L。然而，这些暴露浓度远高于海洋环境中检测到的 SMX 的环境相关浓度，无法准确评估 SMX 造成的实际环境风险。

此外，SMX 具有很强的环境持久性且难以降解，使其能够长期存在于自然环境中（Xu et al., 2009）。结合其高亲脂性，SMX 倾向于在生物体内积累，进而诱导不良生物影响（Boxall et al., 2003）。目前关于磺胺类抗生素的研究主要集中在短期高浓度暴露引起的生物反应上，这不可避免地干扰了生物体的生长和生理生化指标。Feng 等（2024a）证实，高浓度的 SMX 显著抑制了角毛藻和三角褐指藻的生长，并触发了藻细胞的氧化损伤。其他研究也验证了浓度≥100 mg/L 的 SMX 会对三角褐指藻造成严重的细胞损伤（Xia et al., 2024）。

此外，作为水生生态系统中的初级生产者，微藻为水生食物链和食物网提供物质和能量，因此是水生生态系统不可或缺的组成部分。它们通过光合碳固定建立水生食物网的能量基础，其群落动态直接主导着水生生态系统的功能稳定性（Li et al., 2022）。微藻的生长表型和生理生化指标能有效指示污染胁迫的严重程度（Nie et al., 2008）。硅藻是海洋环境中物种丰富度和生物量最高的浮游植物群体，在全球氧气和碳循环等关键生物地球化学循环中占据重要地位。其中，三角褐指藻和角毛藻是广泛养殖的经济型海洋硅藻，具有生长快、易培养的特点，也是水产养殖生物的高质量饵料（Williams et al., 2010）。因此，探索环境相关浓度下联合抗生素对微藻的毒效至关重要。

进入水生环境的抗生素可通过水解、光降解和生物降解进行转化和消除，这些都是关键的去除途径（Ji et al., 2025）。随着水中抗生素浓度的降低，其毒效相应减弱（Zhu et al., 2024）。目前关于水生抗生素迁移、转化和降解的研究尚不充分，特别是针对多种转化途径下混合抗生素环境归趋的研究。

转录组学、代谢组学和蛋白质组学已逐渐成为环境科学中的核心研究工具。然而，单一组学分析不足以系统阐明复杂生理过程背后的调控机制（Li et al., 2024）。先前的转录组学研究已确认，环境相关浓度的 SMX 可显著改变三角褐指藻的基因表达。具体而言，低剂量 SMX 仅干扰能量代谢而不诱导不良细胞损伤，而 250 ng/L 的 SMX 可破坏细胞结构并造成藻细胞损伤（Feng et al., 2024b）。

整合转录组学和代谢组学分析能有效弥补单组学研究的局限性，便于探索抗生素胁迫下不同水生生物体内的调控机制。联合转录组学和代谢组学分析已被应用于揭示日本大叶藻（Zostera japonica）中特异性的信号转导和耐盐响应（Liang et al., 2024）。同样，Du 等（2016）采用这种整合方法系统调查了三苯磷酸诱导的斑马鱼（Danio rerio）肝毒性，并验证了低水平三苯磷酸干扰正常的代谢过程和细胞周期进程。因此，急需进行整合转录组学和代谢组学分析，以进一步阐明在环境相关 TMP 存在下 SMX 对三角褐指藻的生物效应。

目前，国内外大多数现有研究侧重于单一抗生素对海洋生物的毒害危害，学者们广泛调查了微藻在单一抗生素胁迫下的生理和生态反应。然而，实际海洋环境中的水生生物通常暴露于多种共存污染物的联合胁迫下，由此产生的毒效不能简单地视为个体毒性的线性总和。因此，本研究比较了微藻在单一和混合抗生素处理下的胁迫响应，以进一步阐明复合抗生素诱导的毒理机制。

在本研究中，选择了三角褐指藻和角毛藻作为研究对象。我们旨在调查 SMX 结合环境相关 TMP 对这两种海洋微藻物种的生长状态、叶绿素含量、生化成分和抗氧化防御系统的影响。还探索了混合抗生素在微藻培养系统中的环境归趋和转化行为，并结合了转录组学和代谢组学分析。本研究旨在阐明 TMP 共暴露下 SMX 对海洋微藻的毒理机制，并为评估联合抗生素污染对海洋生态系统构成的生态风险提供科学参考。

章节片段
实验材料 微藻
三角褐指藻和角毛藻均由中国海洋大学微藻种质库提供，并使用富营养海水人工培养基（ESAW）进行培养。实验开始前，微藻在 20°C、光照强度 60 μmol/（m2·s）和光暗周期 14 h/10 h 的条件下预培养 2 周。

TMP（纯度>98%）和 SMX（纯度>98%）购自上海东京化学（TCI）发展有限公司。所有化学

混合抗生素对微藻生长的影响
在联合抗生素暴露 168 小时后，所有处理组中三角褐指藻的细胞密度出现了显著差异，且所有组的细胞密度均高于对照组。值得注意的是，100 ng/L SMX 加 200 ng/L TMP 处理组表现出藻细胞密度的显著增加，其增长率比对照组高 14.2%（图 1）。这些结果表明，SMX 可对三角褐指藻产生一定的生长促进作用

结论
环境浓度下的混合抗生素促进了三角褐指藻的生长，但对象毛藻的生长没有显著影响。
光合色素分析表明，角毛藻比三角褐指藻更容易受到混合抗生素的影响。此外，环境浓度下的混合抗生素可引起微藻细胞膜渗透性的显著变化。此外，环境浓度下的混合抗生素

作者贡献声明
陈旺：数据整理，方法论，初稿撰写，审阅与编辑。唐景阳：数据整理，方法论，初稿撰写，审阅与编辑。刘素洁：数据整理，方法论，初稿撰写。段英波：形式分析，初稿撰写，审阅与编辑。李汉森：方法论。李思颖：方法论。段伟燕：概念化，形式分析，资金获取，初稿撰写，审阅与编辑。

未引用参考文献
Chen et al., 2020a, Chen et al., 2020b, Chen et al., 2025, Du et al., 2017, Fernie and Martinoia, 2009, Kümmerer, 2003, Li et al., 2022, Liu et al., 2021, Obata and Fernie, 2012, Reed and Hackert, 1990, Singh and Shaner, 1995, Berges et al., 2004, Wang and Sun, 2021, Williams and Laurens, 2010, Zhang et al., 2018, Li et al., 2022

CRediT 作者贡献声明
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