ESN | 北京大学孙卫玲团队揭示石墨烯和抗生素对蓝藻复合毒性机理及联合毒性效应预测模型建立

景杰生物 | 报道

随着社会和工业生产的发展，环境中有机污染物、纳米材料、重金属等多种污染物无处不在，这引起了相当大的毒理学问题，尤其是在世界范围内带来的不可预测的长期影响。不同类型污染物的相互作用如何影响它们的联合毒性仍处于初级阶段。因此，探索水环境中各种污染物的联合毒性就显得尤为重要。北京大学孙卫玲教授课题组在先前的研究中发现碳纳米管(CNTs)，氯霉素(CAP)或四环素 (TC)联合作用时，CNTs与CAP呈累加作用，而与TC呈拮抗作用[1]。

近日，孙卫玲教授课题组在Environmental Science: Nano（IF=8.13）上发表了题为Adsorption of antibiotics onto graphene oxide imparts their antagonistic effects on Synechocystis sp.: Model development and proteomic analysis的研究论文，研究基于氧化石墨烯（GO）和四种典型抗生素对蓝藻(Synechocystis sp. ) PCC 6803的联合毒性结果，结合吸附等温线和等效线图解法建立了预测GO和抗生素联合毒性效应(γ)的模型，并提出该模型可应用于其他碳材料和有机污染物的联合毒性效应预测。蛋白质组学从分子水平上解析了污染物的毒性机制，并进一步印证了联合暴露组中的累加和拮抗效应。景杰生物为该研究提供了蛋白组学分析支持。

研究者首先对GO和抗生素进行了单独及复合毒性测定，结果显示GO增强了氟苯尼考 (FLO)的毒性，且随着GO浓度升高毒性越强；然而GO减弱了红霉素 (ETM)、氧氟沙星(OFL)、金霉素 (CTC)的毒性，GO浓度越高减弱作用越明显。随后结合吸附等温曲线和等效线图解法，建立了预测GO和抗生素联合毒性效应(γ)的模型。模型可以通过单一污染体系中GO和抗生素毒性结果(A，B)、GO浓度(a)和吸附参数(kF, 1/n, kD)，来预测GO和抗生素的复合毒性效应(γ)。

图1  模型建立和适用性验证

研究者进一步通过蛋白组学分析，发现GO和FLO联合暴露组的差异蛋白数量高于GO或FLO单独暴露组，印证了GO和FLO之间存在累加效应。GO和其他三种抗生素(ETM、OFL和CTC）的共同暴露组中差异蛋白的数量与GO的单一暴露组相似甚至更低，表明GO和ETM、OFL或CTC之间存在拮抗作用。FLO、ETM和CTC的毒性机制为抑制核糖体蛋白质合成，OFL毒性机制为影响藻DNA复制。GO或GO与抗生素联合暴露组的大多数差异性蛋白与能量产生和转换、氨基酸和核苷酸的运输和代谢以及翻译、核糖体结构和生物发生有关，表明蓝藻的能量代谢、DNA复制和蛋白质合成受到严重干扰。

图2  蛋白组学揭示毒性机制

氧化磷酸化是蓝藻能量代谢的一个重要过程，4种抗生素均显著下调氧化磷酸化途径，表明抗生素抑制了能量的产生，而在所有联合暴露组中，氧化磷酸化通路的失调变得不明显，表明GO缓解了抗生素对能量产生的影响。ETM、OFL、CTC和GO_OFL同时也显著干扰了ABC转运通路。ABC转运系统紊乱是环境压力下的典型反应。此外，ABC转运通路的改变会影响渗透压，并进一步导致细胞膜损伤，改变细胞膜的通透性。本研究共鉴定出24种与感知和传递高渗应激信号有关的蛋白质，其中一些在单一抗生素暴露组中上调，表明由于膜通透性改变引起了高渗应激的反馈。然而，GO可以通过下调相关蛋白干扰这种反馈机制。GO会降低联合暴露组中感知和传递高渗应激信号的相关蛋白，这解释了联合暴露组中膜通透性增加的原因。

图3  不同暴露组中核糖体、氧化磷酸化和ABC转运途径相关蛋白的变化

本研究系统探讨了GO和4种抗生素对蓝藻的单一和联合毒性效应。结果表明，GO和FLO对蓝藻的联合毒性表现为累加效应；而GO与ETM、OFL、CTC的联合毒性表现为拮抗效应，这是因为GO可以吸附ETM、OFL和CTC，而对FLO的吸附量非常小。本文建立了预测GO与抗生素拮抗效应（γ）模型，该模型理论预测值（γ）与实验值吻合较好。此外，蛋白质组学分析揭示了GO和/或抗生素的毒性机制。这项研究强调了GO吸附污染物在评估其联合毒性方面的重要性，为碳纳米材料和有机污染物的复合毒性研究提供了新的思路。