纳米TiO2与卡马西平共暴露诱导厚壳贻贝多维毒性：从生理响应到肠道微生物组失调

《Water Biology and Security》：Co-exposure to nano-TiO 2 and carbamazepine induces multidimensional toxicity in mussels, from physiological responses to gut microbiome dysbiosis

　　

纳米TiO₂和卡马西平共暴露可诱导海洋贻贝产生多维毒性，涵盖从生理响应到肠道微生物组失调。污染物纳米TiO₂和卡马西平暴露会引发氧化应激、鳃组织损伤，并削弱海洋贻贝的关键防御能力。这些污染物的共暴露会扰乱贻贝的摄食和消化性能。宏基因组分析表明，污染物暴露会破坏肠道微生物组稳态。本研究揭示了免疫、代谢和微生物系统的整合性破坏。

**论文解读**

纳米二氧化钛（nano-TiO₂）作为一种广泛应用的工程纳米材料，因具有纳米尺度、高比表面积和优异的光催化活性，大量进入市政和工业废水，并最终汇入海洋。其颗粒容易聚集沉降，导致底栖生物如贻贝更容易暴露。卡马西平（CBZ）是一种常用的抗癫痫和情绪稳定药物，在环境中持久存在，常规污水处理仅能去除约10%，因此成为水体中检出率最高的药物之一。然而，现有研究多聚焦单一污染物毒性，对纳米材料与药物联合暴露的相互作用及毒性机制认识不足。厚壳贻贝（*Mytilus coruscus*）是中国东海水产养殖中生态和经济价值很高的双壳类，分布广、固着生活、对污染物敏感，能通过滤食高效内化纳米颗粒，是理想的指示生物。近年来，肠道微生物组被视为环境健康的重要靶点，但污染物对贻贝肠道微生物的影响及其与宿主生理功能的关联尚不明确。为此，研究人员设计了为期30天的暴露实验，设置纳米TiO₂（100 μg/L）、CBZ（10 μg/L）、两者联合暴露以及海水对照组和DMSO溶剂对照组，综合评估免疫、神经内分泌、消化代谢及肠道微生态的响应，旨在揭示联合污染物的协同毒性机制。

研究人员从浙江舟山嵊泗岛采集健康厚壳贻贝（壳长8.69±0.59 cm，湿重46.00±11.14 g），在实验室水族箱中驯化两周后，随机分组暴露30天。实验采用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）和超高效液相色谱-串联质谱（UHPLC-MS/MS）测定消化腺中污染物的生物积累量；利用生化试剂盒检测抗氧化酶（总超氧化物歧化酶T-SOD、过氧化氢酶CAT、谷胱甘肽过氧化物酶GSH-Px、谷胱甘肽GSH、丙二醛MDA）、消化酶（淀粉酶AMS、脂肪酶LPS、胃蛋白酶PES、胰蛋白酶TRS）、乙酰胆碱酯酶AChE及营养指标（葡萄糖、蛋白质、甘油三酯）；通过H&E染色观察鳃组织病理变化；通过足丝分泌数量和贝壳关闭强度评价防御行为；对肠道内容物进行宏基因组测序，使用Diamond比对NR和KEGG数据库，分析微生物群落组成、多样性、共现网络和功能通路。样本队列来源于上述采集和暴露的贻贝个体，每个处理组设置三个重复水箱，每个水箱20只。

**3.1 微污染物表征**
扫描电镜和透射电镜显示，纳米TiO₂颗粒在海水中形成不规则聚集体，X射线衍射确认其为锐钛矿晶体结构；CBZ的形貌特征亦通过电镜表征。该步骤确认了污染物的理化性质，为后续暴露实验提供依据。

**3.2 污染物在消化腺中的积累**
ICP-MS和UHPLC-MS/MS检测显示，单独纳米TiO₂暴露组消化腺中Ti浓度为2.76±0.24 μg/g湿重，联合暴露组为2.33±0.24 μg/g湿重；单独CBZ暴露组消化腺中CBZ浓度为543.50±106.80 μg/g干重，联合暴露组为372.60±17.25 μg/g干重，且检测到CBZ代谢物3-羟基卡马西平。结果表明两种污染物均能在贻贝体内积累，但联合暴露可能改变了各自的生物积累效率。

**3.3 鳃组织的免疫防御**
生化检测与组织病理学分析表明，单独暴露导致T-SOD活性升高，联合暴露则显著抑制T-SOD；CAT活性在所有暴露组均受抑制；MDA水平均显著升高；CBZ暴露和联合暴露显著降低GSH含量，而GSH-Px活性增强。H&E染色显示鳃丝上皮变薄、鳃腔扩张、纤毛脱落等病理改变，联合暴露组损伤最严重。这些结果说明污染物破坏了鳃组织的氧化-抗氧化平衡，导致脂质过氧化和结构损伤，削弱免疫防御能力。

**3.4 足部的生理与行为响应**
足部抗氧化指标显示，纳米TiO₂和CBZ均激活T-SOD、抑制CAT并升高MDA，联合暴露效应更明显；CBZ和联合暴露使AChE活性发生显著改变，表明神经毒性。行为测试中，CBZ单独和联合暴露显著减少足丝分泌数量、缩短足丝长度，并降低壳关闭强度，而纳米TiO₂单独暴露反而增加了足丝分泌。结果表明污染物暴露干扰神经信号传导，导致贻贝附着能力和捕食逃避能力下降。

**3.5 消化腺的摄食、消化功能和营养状态**
清除率测定显示联合暴露组贻贝滤水率显著增加；消化酶活性中，纳米TiO₂单独暴露激活AMS，联合暴露激活LPS，而PES和TRS活性在所有暴露组均受抑制，尤其TRS明显下降。营养指标方面，纳米TiO₂单独暴露升高葡萄糖含量，联合暴露降低蛋白质和甘油三酯含量。该结果揭示了“高摄入-低消化”的能量分配失衡现象，说明污染物干扰了贻贝的摄食消化效率和营养储备。

**3.6 外套膜的生理防御**
外套膜营养指标显示，CBZ单独暴露升高葡萄糖，联合暴露降低葡萄糖和甘油三酯，蛋白质含量在纳米TiO₂和联合暴露下升高。抗氧化酶活性呈现组织特异性变化：CBZ单独激活T-SOD，纳米TiO₂和联合暴露抑制其活性；CAT活性在三种处理下均升高；MDA均升高；GSH在单独暴露下升高但在联合暴露下降低；GSH-Px均降低。结果表明联合暴露导致外套膜抗氧化防御系统代偿崩溃，加剧脂质过氧化损伤，并加速能量底物消耗。

**3.7 肠道微生物组的宏基因组分析**
宏基因组测序显示，与对照组相比，所有污染物暴露组属水平Shannon多样性指数下降；PCoA分析显示暴露组与对照组明显分离（ANOSIM R=0.858, p=0.001），且联合暴露组与两个单独暴露组也分离；群落组成中*Flavobacterium*相对丰度上升。共现网络分析表明，对照组具有高度连接的网络和多个关键属（如*Aquimarina*、*Ruegeria*），而暴露组网络简化、中心性明显下降，联合暴露组各属中心性普遍偏低，说明微生物间相互作用减弱、群落稳定性降低。KEGG功能注释显示，污染物暴露上调了能量代谢、环境适应、神经系统、内分泌系统及病毒性感染疾病等通路，其中氧化磷酸化通路相对增强。这些结果表明污染物暴露不仅改变了肠道微生物组成和多样性，还破坏了种间生态互作网络，并影响微生物代谢功能，可能对宿主健康产生不利影响。

讨论部分综合认为，污染物暴露通过诱导氧化应激、组织损伤、神经行为障碍和消化代谢紊乱，对贻贝造成多维度毒性，而肠道微生物失调可能是重要的内在机制。研究还提出组织间抗氧化响应差异可能反映资源分配策略，即足部和外套膜优先获得防御资源以维持关键功能，而鳃和消化腺因直接接触污染物且代谢需求高，易发生氧化损伤。尽管观察到微生物变化与生理响应相关，但因果性尚需通过抗生素耗竭或粪菌移植等实验验证。暴露浓度处于环境相关范围的高端，代表污水排放口附近的点源暴露情景，外推至一般环境水平需谨慎。

研究结论原文为：“Overall, our findings underscore the critical role of the immune system, digestive and metabolic functions, and gut microbiota in marine mussels for responding to environmental stress and maintaining homeostasis. These results highlight the importance of considering multiple environmental stressors when assessing ecological risks in marine environments. Elucidating these mechanisms is essential for evaluating the cumulative impacts of chronic, low-level pollution. Future research should prioritize the exploration of interaction mechanisms among diverse pollutants and their long-term consequences on the physiological performance of aquatic organisms, thereby providing new insights into the ecological effects of waterborne contaminants.” 翻译如下：总体而言，研究结果强调了免疫系统、消化代谢功能和肠道微生物群在海洋贻贝应对环境应激和维持稳态中的关键作用。这些结果凸显了在评估海洋环境生态风险时考虑多种环境应激源的重要性。阐明这些机制对于评估慢性、低水平污染的累积影响至关重要。未来研究应优先探讨多种污染物之间的相互作用机制及其对水生生物生理表现的长期影响，从而为水传污染物的生态效应提供新的见解。