磺胺類抗生素對斜生柵藻的協(xié)同和拮抗作用研究

梁延鵬，王婧，錢麗，覃禮堂,3,*，曾鴻鵠,#，莫凌云,3，宋曉紅

1. 桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，桂林 541004 2. 桂林理工大學(xué)巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心，桂林 541004 3. 廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科教結(jié)合科技創(chuàng)新基地，桂林 541004

抗生素是一類能在低濃度下抑制或影響生物機(jī)能的化學(xué)物質(zhì)，在醫(yī)療及動、植物病蟲害防治方面發(fā)揮了巨大的作用[1]?；前奉惪股?sulfonamide antibiotics, SAs)是一類人工合成的抗菌劑，自20世紀(jì)40年代被成功合成以來，超過150種SAs及其衍生物被應(yīng)用于人體疾病的治療或動物飼養(yǎng)[2]。SAs在國內(nèi)外的生產(chǎn)和使用量均較高，且用量逐年上升，而抗生素的濫用易引起更嚴(yán)重的環(huán)境殘留問題[3]。由于代謝不完全，這些化合物中的大部分以糞便和尿液的形式的排出。其也被應(yīng)用于人體疾病的治療，且在各國的醫(yī)療廢水中被高濃度檢出[4]。SAs藥物已進(jìn)入大氣、水體以及土壤等環(huán)境中[5]。SAs有其特定的代謝途徑，它們通過抑制氨基苯甲酸的合成來抑制葉酸的生物合成，故而當(dāng)其母體或其代謝產(chǎn)物在土壤、表層水體等環(huán)境中的殘留量達(dá)到一定濃度后，既可影響特定微生物，也可影響非特定生物體，例如一些單細(xì)胞藻類、無脊椎動物、魚類和植物等[6]，甚至促進(jìn)耐藥菌株的進(jìn)化[7]，并可通過食物鏈威脅人體健康。

研究表明，世界各地的地表水、地下水和沉積物甚至飲用水中都經(jīng)常檢測到各種抗生素，其中一些化合物濃度水平甚至高達(dá)數(shù)百μg·L-1[8]。環(huán)境中的抗生素常以各種形式和濃度共存，形成復(fù)雜的混合污染物，對環(huán)境生物產(chǎn)生了聯(lián)合毒性效應(yīng)[9-10]?；前奉惪股卦谒芯哂辛己玫娜芙庑院突瘜W(xué)穩(wěn)定性，在中國的大型水系中被檢測到?；前芳讗哼蛟谥袊乇硭械臐舛茸罡呖蛇_(dá)4 870 ng·L-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于世界上許多國家河流的檢出濃度。在中國桂林會仙濕地中，檢測到6種SAs，包括磺胺吡啶(sulfapyridine, SPY)、磺胺甲基嘧啶(sulfamerazine, SMR)、磺胺二甲嘧啶(sulfamethazine, SM2)、磺胺甲氧噠嗪(sulfamethoxypyridazine, SMP)、磺胺喹噁啉(sulfaquinoxaline, SQ)和磺胺甲惡唑(sulfamethoxazole, SMZ)，其復(fù)合污染對水生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生中高風(fēng)險(xiǎn)[4]。SAs混合物對青?；【鶴67的拮抗作用存在濃度依賴性[11]。

陳瓊[12]考察磺胺甲惡唑等5種SAs對蛋白核小球藻的聯(lián)合效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)混合與單個物質(zhì)的毒性效應(yīng)沒有明顯差別?；前粪瓏f啉等6種SAs組成的混合物對大型溞表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)[13]?；前愤拎さ?種SAs組成的混合物對青?；【鶴67呈現(xiàn)加和效應(yīng)和拮抗作用[11]。宋雪薇等[14]研究發(fā)現(xiàn)，在單一暴露下，SAs會促進(jìn)大腸桿菌的突變效應(yīng)；聯(lián)合暴露下，SAs對大腸桿菌突變效應(yīng)的影響為相加效應(yīng)。不同類型抗生素的二元混合物對明亮發(fā)光桿菌的等比急性聯(lián)合毒性表現(xiàn)為加和效應(yīng)[15]。雖然SAs混合物毒性已開展一些研究，但SAs對綠藻的聯(lián)合毒性缺乏系統(tǒng)研究，對綠藻的毒性相互作用也未知。

綠藻是水生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)者，其生存狀況與水質(zhì)有密切關(guān)系，可以利用綠藻的生長狀況反映水體的毒性。藻類構(gòu)成了食物鏈的基礎(chǔ)，其種群數(shù)量的減少將直接影響整個水生生態(tài)系統(tǒng)的平衡。研究表明，幾乎所有磺胺類藥物均能對藻類產(chǎn)生毒性作用[16]，對SAs毒性作用反應(yīng)較為敏感的斜生柵藻是淡水中常見的浮游藻類，極喜在營養(yǎng)豐富的靜水中繁殖，且繁殖迅速、適應(yīng)性強(qiáng)[17-18]，適合作為SAs受試生物。

本文以日常生活和生產(chǎn)中使用量較大的6種SAs：磺胺吡啶(sulfapyridine, SPY)、磺胺甲基嘧啶(sulfamerazine, SMR)、磺胺二甲嘧啶(sulfamethazine, SM2)、磺胺甲氧噠嗪(sulfamethoxypyridazine, SMP)、磺胺甲惡唑(sulfamethoxazole, SMZ)、磺胺喹噁啉(sulfaquinoxaline, SQ)，以及其二元混合物體系(共75條混合物射線)為研究對象，以斜生柵藻(Scenedesmusobliquus, So)為受試生物，利用96孔微板測定單一SAs和其二元混合物對So的毒性效應(yīng)，基于濃度加和(concentration addition, CA)和獨(dú)立作用(independent action, IA)模型分析混合物的聯(lián)合毒性及毒性相互作用，研究結(jié)果將為科學(xué)、客觀地評價(jià)SAs的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)藻種斜生柵藻購自中國科學(xué)院淡水藻種庫。該藻采用BG11培養(yǎng)基，放入恒溫光照培養(yǎng)箱中，于22 ℃、照度3 000 lx和光暗比12 h∶12 h條件下培養(yǎng)。經(jīng)過藻種復(fù)蘇和藻液的傳代后用于實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)采用處于對數(shù)生長期的藻。

6種SAs包括SPY、SMR、SM2、SMP、SMZ和SQ均購自美國Cato Research Chemicals Inc，純度均>98%，其基本信息如表1所示。

1.2 毒性測試、曲線擬合及混合物設(shè)計(jì)

So的毒性測定參照文獻(xiàn)方法[19]。生長抑制毒性表達(dá)為毒物對So的生長抑制率(I)：

I=1-(ODt,i-ODt,0)/(OD0,i-OD0,0)

(1)

式中：ODt,0和ODt,i分別是實(shí)驗(yàn)組暴露0 h和96 h后藻液的光密度(OD)值；OD0,0和OD0,i分別是空白對照組暴露0 h和96 h后藻液的OD值。

對于濃度-效應(yīng)關(guān)系采用Weibull函數(shù)(式2)或Logit函數(shù)(式3)進(jìn)行非線性擬合，公式分別為：

y=1-exp(-exp(α+β*log10(c)))

(2)

y=1/(1+exp(-α-β*log10(c)))

(3)

式中：α和β是函數(shù)的位置參數(shù)和斜率參數(shù)；y為效應(yīng)，即毒物對指示生物的抑制率；c為毒物的濃度。

以6種SAs為混合物組分，構(gòu)建15個二元混合物體系。每個混合物體系采用直接均分射線法[21]設(shè)計(jì)5條二元混合物射線(R1、R2、R3、R4和R5)，在每條射線上設(shè)計(jì)12個濃度梯度。

表1 6種磺胺類抗生素(SAs)理化性質(zhì)及濃度-效應(yīng)擬合曲線參數(shù)Table 1 Physicochemical properties of six sulfonamide antibiotics (SAs) and their concentration-effect fitting curve parameters

1.3 毒性相互作用評估

采用CA和IA模型預(yù)測混合物毒性[22-25]，CA模型數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(4)

式中：ECx,i表示混合物中第i個化合物單獨(dú)存在時(shí)產(chǎn)生的效應(yīng)與混合物總效應(yīng)x%相同時(shí)的濃度，ci是混合物中第i個化合物濃度，m是混合物組分?jǐn)?shù)。

IA模型數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(5)

式中：ci是混合物中第i個組分的濃度，cmix是混合物的總濃度，E(ci)是第i個組分獨(dú)立存在時(shí)產(chǎn)生的效應(yīng)，E(cmix)是混合物的效應(yīng)。

如果由CA和IA模型預(yù)測的混合物濃度-響應(yīng)曲線(CRCs)位于混合物實(shí)際觀測毒性的95% OCI 內(nèi)、95% OCI上限的上方或95% OCI下限的下方，則稱該混合物組分間分別是加和作用(即沒有毒性相互作用)、拮抗作用或協(xié)同作用[26]。

為提高混合物相互作用評估的準(zhǔn)確性，采用基于效應(yīng)的模型偏移率(effect-based model deviation ratio, MDRE)[27]定量評估混合物的相互作用，其表達(dá)式為：

(6)

式中：EPred為某指定效應(yīng)下參考模型CA或IA預(yù)測的效應(yīng)，可通過CA或IA模型計(jì)算；EObs為混合物的實(shí)驗(yàn)效應(yīng)。

在指定效應(yīng)下，MDRE判斷混合物毒性相互作用為：當(dāng)MDRE<1、MDRE>1時(shí)分別表示協(xié)同作用、拮抗作用。

2 結(jié)果與討論(Results and discussion)

2.1 6種SAs對So的單一毒性

6種SAs對So的濃度-效應(yīng)數(shù)據(jù)均可通過Weibull函數(shù)或者Logit函數(shù)擬合，其擬合模型參數(shù)(回歸參數(shù)α和β值，統(tǒng)計(jì)參數(shù)R2和RMSE)如表1所示，6種SAs的濃度-效應(yīng)擬合曲線(CRCs)如圖1所示。由表1可知，6種SAs的R2值均>0.94，且所有RMSE值均<0.03，表明擬合結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。以半數(shù)效應(yīng)濃度的負(fù)對數(shù)值(pEC50)作為毒性指標(biāo)，pEC50的數(shù)值越大，毒性越大[28]，6種受試SAs對So的毒性順序?yàn)椋篠Q(pEC50=5.311)>SPY(pEC50=3.757)≈SMZ(pEC50=3.749)>SMP(pEC50=3.680)>SM2(pEC50=3.090)>SMR(pEC50=2.595)，可見，毒性最大的是SQ，最小的是SMR。對比6種受試SAs的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)SQ相較于其他5種SAs在結(jié)構(gòu)上多出一個環(huán)狀結(jié)構(gòu)，這可能是其毒性最大的原因。因此，不同種SAs的單一毒性不同，可能與其自身結(jié)構(gòu)有關(guān)。

丁婷婷等[11]研究了SPY等多種SAs對青?；【鶴67的16 h毒性效應(yīng)，毒性大小順序?yàn)镾PY(pEC50=3.41)>SM2(pEC50=3.21)。可見，對于斜生柵藻和青海弧菌Q67，SPY的毒性均大于SM2。此外，陳瓊[12]以蛋白核小球藻為受試生物，考察SPY等多種SAs的毒性效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)SAs對蛋白核小球藻的毒性作用不是很明顯，其毒性強(qiáng)度沒有達(dá)到50%，故不能比較毒性物質(zhì)之間的毒性大小。因此，從毒性效果來看，斜生柵藻對SAs的毒性敏感度明顯優(yōu)于蛋白核小球藻，可作為一種快速有效的毒性測試生物。

圖1 6種SAs對斜生柵藻的濃度-效應(yīng)曲線(CRCs)注：圖中散點(diǎn)表示實(shí)測數(shù)據(jù)，實(shí)線表示擬合線。Fig. 1 The concentration-response curves (CRCs) of six SAs to Scenedesmus obliquusNote: Dispersed point and black solid lines in the diagram refer to the observed data and fitted lines, respectively.

2.2 SAs二元混合物對So的聯(lián)合毒性

15個SAs二元混合體系共75條射線的濃度-效應(yīng)數(shù)據(jù)可用Weibull函數(shù)或者Logit函數(shù)有效擬合，其擬合模型參數(shù)R2均>0.90，RMSE均<0.06，擬合效果顯著，擬合CRCs繪于圖2。6種受試SAs組成的15個二元混合體系的pEC50介于2.336～4.566間，其中，SPY-SMP、SPY-SMZ、SMR-SM2和SMR-SMZ等4個混合體系所有射線的pEC50均大于相應(yīng)SAs單獨(dú)存在時(shí)的pEC50，而其余11個混合體系的pEC50有大于、介于或小于相應(yīng)SAs單獨(dú)存在時(shí)的pEC50等多種情況，表明在二元混合體系中發(fā)生了毒性相互作用，使其毒性增大或降低。各個混合體系5條射線的pEC50的標(biāo)準(zhǔn)偏差介于0.09～0.66間，其中SPY-SMZ混合體系pEC50的標(biāo)準(zhǔn)偏差最小，而SMR-SMP混合體系pEC50的標(biāo)準(zhǔn)偏差最大，因此SMR-SMP混合物的毒性差異最大，SPY-SMZ混合物的毒性差異最小。

由圖2可知，在6種受試SAs的15個二元混合物體系中，大部分混合體系的5條射線的抑制率隨組分的濃度比均有較明顯的變化，呈現(xiàn)為低濃度區(qū)毒性差異不明顯、中高濃度區(qū)毒性差異明顯；但SPY-SMZ混合體系的5條射線、SMR-SMZ混合體系的射線R1和R2、SMR-SM2混合體系的射線R1和R4以及SM2-SQ混合體系的射線R2和R3沒有完全分開甚至重疊，這可能與這些混合物組分的毒性大小或濃度比差異大小有關(guān)，如SPY、SMZ的毒性無差異，SMR-SMZ體系R1和R2射線的濃度比變化不大。這表明大部分SAs混合物對So的聯(lián)合毒性存在組分濃度依賴性，而小部分SAs混合物毒性則不存在組分濃度依賴性，因此混合物毒性不僅受組分濃度比影響，還與混合物的濃度、組分毒性大小和組分的相互作用等有關(guān)。大量污染物聯(lián)合毒性研究表明，混合物毒性具有混合組分濃度比依賴性是常見現(xiàn)象[29]。趙鋒[30]研究發(fā)現(xiàn)氯吡嘧磺隆、丁草胺、硝磺草酮和莠去津4種除草劑二元和三元(等毒比)混合對月牙藻的毒性隨著毒物濃度的升高而增大。有研究認(rèn)為SPY、SM2等5種SAs的二元混合物體系的毒性沒有明顯差異，可能與這5種SAs對青?；【鶴67的毒性差異并非十分明顯有關(guān)[11]。由于混合物毒性的復(fù)雜性，具體混合物中何種SAs存在可能使混合物毒性具有組分濃度依賴性需要進(jìn)一步研究。

2.3 SAs二元混合物毒性作用

基于CA和IA模型對SAs的15個二元混合物體系進(jìn)行評估，結(jié)果顯示15個混合物體系以拮抗作用(CA預(yù)測線位于95% OCI上限的上方)和協(xié)同作用(CA預(yù)測線位于95% OCI下限的下方)為主。以含有SPY和SMR組分的混合體系為例進(jìn)行分析，因?qū)嶋H環(huán)境中污染物以低濃度暴露為主，故用其EC10效應(yīng)下的等效線圖進(jìn)行評估。等效線圖[24-25]是混合物毒理學(xué)中考察二元混合物毒性相互作用最常用的圖形方法之一?；贑A和IA模型來分析評價(jià)混合物的毒性相互作用，當(dāng)混合物射線(R1～R5)位于CA和IA之間表示加和作用，位于CA或IA的下方區(qū)域表示協(xié)同作用，而位于CA或IA的上方區(qū)域表示拮抗作用。

SAs的15個二元混合物體系在10%效應(yīng)下基于CA和IA模型的等效線圖如圖3所示。環(huán)境中多種化學(xué)物的聯(lián)合暴露將會產(chǎn)生獨(dú)立、相加、協(xié)同或拮抗等的聯(lián)合毒性作用，這種聯(lián)合毒性會發(fā)生在毒性作用過程中的不同靶點(diǎn)及不同途徑，包括發(fā)生在暴露相中，從而導(dǎo)致毒性改變[31]。在本研究中，含有組分SPY的混合體系大多呈現(xiàn)協(xié)同作用，且隨組分SPY濃度比的增大(R5～R1)，毒性相互作用增強(qiáng)。在SPY-SMR混合體系中，均呈現(xiàn)拮抗作用，且隨組分SPY濃度比的增大(R5～R1)，拮抗作用的強(qiáng)度增加；在SPY-SM2和SPY-SQ混合體系中，隨組分SPY濃度比的增大(R5～R1)，毒性相互作用增強(qiáng)，由拮抗作用→加和作用→協(xié)同作用；在SPY-SMP和SPY-SMZ混合體系中，均呈現(xiàn)協(xié)同作用，且隨組分SPY濃度比的增大(R5～R1)，協(xié)同作用增強(qiáng)。含有組分SMR的混合體系均呈現(xiàn)拮抗作用，且隨著組分SMR濃度比的增大(R5～R1)，拮抗作用增強(qiáng)。這說明混合體系的組分濃度比可能是影響混合物體系相互作用發(fā)生變化的重要因素。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)丙沙星、土霉素與銅的絡(luò)合作用會形成不同比例的絡(luò)合物，其聯(lián)合毒性隨抗生素與重金屬混合比例的改變而呈現(xiàn)不同的作用類型[32]。莫凌云等[33]研究發(fā)現(xiàn)混合物的毒性相互作用大小隨著組分濃度比變化而發(fā)生變化。綜上所述，混合體系組分的濃度比不同會產(chǎn)生不同的相互作用類型。

此外，混合物的毒性相互作用還與混合物組分構(gòu)成關(guān)系密切。在本研究中，含有組分SPY的混合體系，即SPY-SMR、SPY-SM2、SPY-SMP、SPY-SMZ和SPY-SQ這5個混合體系，大多呈現(xiàn)協(xié)同作用，且隨著SPY濃度比的增大，毒性相互作用增強(qiáng)。而含有組分SMR的混合體系均呈現(xiàn)拮抗作用，且隨著組分SMR濃度比的增大，拮抗作用增強(qiáng)。蔡夢婷等[34]采用相加指數(shù)法求得土霉素-銅、諾氟沙星-銅復(fù)合暴露對小球藻的聯(lián)合作用類型分別為拮抗和協(xié)同作用。另有研究發(fā)現(xiàn)毒死蜱、氯氰菊酯和多菌靈的二元及三元混合體系對小球藻的聯(lián)合作用類型均為協(xié)同作用[35]。因此，混合體系組分的構(gòu)成不同會產(chǎn)生不同的相互作用類型。

圖2 SAs的15個二元混合物體系各混合物射線對斜生柵藻的擬合濃度-效應(yīng)曲線Fig. 2 The fitted concentration-effect curves of various rays in 15 groups of SAs binary mixtures to Scenedesmus obliquus

圖3 基于濃度加和(CA)和獨(dú)立作用(IA)模型的SAs二元混合體系等效線圖注：“●”表示EC10值，“——”表示置信區(qū)間，“——”表示CA預(yù)測，“——”表示IA預(yù)測。Fig. 3 Equivalent line diagram of binary SAs mixed system based on concentration addition (CA) and independent action (IA) modelsNote: “●” indicates the EC10 value, “——” indicates the confidence interval, “——” indicates the CA prediction, and “——” indicates the IA prediction.

基于效應(yīng)的MDR方法定量表征SAs的15個二元混合物體系在0.8%～90%實(shí)驗(yàn)效應(yīng)范圍內(nèi)的相互作用，結(jié)果如圖4所示。在實(shí)驗(yàn)效應(yīng)范圍內(nèi)，混合物MDRCA和MDRIA值分別介于0.14～10.59和0.16～13.02，MDRCA和MDRIA值<1的比例分別為63.89%和54.44%，即在混合物所有實(shí)驗(yàn)濃度下，6種受試SAs組成的二元混合物發(fā)生協(xié)同作用的概率超過50%。實(shí)驗(yàn)效應(yīng)在20%以內(nèi)時(shí)，隨著效應(yīng)和混合物濃度降低，拮抗作用發(fā)生概率明顯增大；當(dāng)實(shí)驗(yàn)效應(yīng)≥20%后，隨著效應(yīng)和混合物濃度增大，協(xié)同作用發(fā)生概率顯著增大。SPY-SMP、SPY-SMZ和SPY-SQ這3個二元混合體系所有射線的MDRCA和MDRIA值均<1且隨著效應(yīng)和混合物濃度的降低而逐漸降低，說明這3個混合體系在所有實(shí)驗(yàn)效應(yīng)范圍均發(fā)生了協(xié)同作用，且在低效應(yīng)和低濃度區(qū)域的協(xié)同作用最強(qiáng)。SMR-SM2混合體系所有射線的MDRCA和MDRIA值均>1，反映出該混合物在所有實(shí)驗(yàn)效應(yīng)范圍均發(fā)生了拮抗作用。SMP-SMZ混合體系R1、R2、R3射線的MDRCA和MDRIA值均<1而R4、R5射線的值均>1，說明該混合體系R1、R2、R3射線發(fā)生協(xié)同作用而R4、R5射線卻發(fā)生拮抗作用。SPY-SMR混合體系R1、R2、R3射線的MDRCA和MDRIA值均>1，R4、R5射線在實(shí)驗(yàn)效應(yīng)<25%時(shí)MDRCA和MDRIA值>1，而當(dāng)實(shí)驗(yàn)效應(yīng)>25%時(shí)則<1，反映出該混合體系R1、R2、R3射線發(fā)生拮抗作用而R4、R5射線在低效應(yīng)區(qū)發(fā)生拮抗作用，但高效應(yīng)區(qū)則發(fā)生協(xié)同作用。綜上所述，基于效應(yīng)的MDR方法可以準(zhǔn)確判斷混合物間及濃度區(qū)間發(fā)生的相互作用，識別混合物產(chǎn)生拮抗、加和或協(xié)同作用與混合物組分、濃度比和混合物濃度等的關(guān)系，可為實(shí)際環(huán)境混合物風(fēng)險(xiǎn)的精準(zhǔn)管控提供科學(xué)依據(jù)。

圖4 基于CA和IA模型的SAs二元混合物模型偏移率(MDR)Fig. 4 The model deviation ratio (MDR) value of SAs binary mixture based on CA and IA models

通訊作者簡介：覃禮堂(1982—)，男，博士，教授，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境毒理學(xué)。

共同通訊作者簡介：曾鴻鵠(1970—)，女，博士，教授，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估。