基于细菌群体感应的抗生素联合毒性评估

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作   者：

黄颂;  张玉莲;  姚静怡;  戴佳敏;  孙昊宇;  刘树深;  唐量; 

作者机构：

上海大学环境与化学工程学院;  同济大学环境科学与工程学院; 

关键词：

信号分子;  联合毒性;  生物发光;  混合抗生素;  交互效应;  群体感应; 

期刊名称：

中国科学(技术科学)

i s s n：

1674-7259

年卷期：

2024 年 54 卷 010 期

页   码：

1949-1965

摘   要：

抗生素作为一类新污染物能够对环境中以细菌为代表的微生物圈产生胁迫,影响生态系统的稳定性.环境中的抗生素往往以混合物形式存在,因此抗生素联合毒性的精准解析对于其生态风险评估具有重要意义.然而,目前缺乏从细菌群体行为入手对抗生素联合毒性进行深入分析的有关报道.本研究以磺胺甲氧嗪(sulfamethoxypyridazine, SMP)和四环素(tetracylinehydrochloride, TH)作为抗生素代表,选择风险评估中常用的费氏弧菌(Aliivibrio fischeri, A. fischeri)生物发光作为测试终点,利用微孔板法测定受试抗生素对生物发光在24 h内的毒性效应,基于独立作用模型评估SMP和TH的联合毒性作用,并考虑细菌在真实环境中可能遇到的群体感应(quorum sensing, QS)信号分子,利用交互效应评估信号分子与抗生素之间的联合作用.结果表明, SMP, TH及SMP&TH混合物均对A. fischeri生物发光产生了低浓度促进、高浓度抑制的毒物兴奋效应(hormesis),且该双相剂量-效应具有随时间变化特征.同时, SMP&TH的联合作用及其强度也表现出浓度和时间依赖特性.利用实时荧光定量多聚核苷酸链式反应技术、体外生物发光反应模拟实验和分子对接技术进行机制探究发现, SMP和TH分别作用于细菌QS系统中的信号通路蛋白和萤光素酶进而产生hormesis和联合作用的异质性模式,而暴露时间依赖特征则是由细菌QS活性在24 h内由无到弱再到强的变化规律所导致的.外源N-3-氧代己酰-DL-高丝氨酸内酯(N-(β-Ketocaproyl)-DL-homoserine lactone,通常以C6表示)信号分子的加入不仅改变了SMP, TH及SMP&TH混合物的毒性效应,还影响了SMP与TH之间的联合毒性作用.此外, SMP, TH与外源C6的交互效应以协同为主,而SMP&TH与外源C6的交互效应随暴露时间变化.本研究证明了细菌群体行为在调控抗生素单一及联合毒性中的关键作用,并阐释了环境系统中外界信号分子对抗生素诱导细菌毒性的影响,为以抗生素为代表的新污染物生态风险评估提供了重要参考与数据支撑.