《Toxics》：Association of Serum Organophosphorus Pesticide Levels with T2D Risk and Blood Glucose Changes: A Nested Case–Control Study
Yan Yan,
Chengyong Jia,
Xu Cheng,
Jun An,
Peiwen Li,
Jiazhen Zhang,
Weiya Li and
Meian He
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本研究针对全球广泛使用的除草剂草甘膦对沿海生态系统和重要养殖物种仿刺参（Apostichopus japonicus）的潜在非靶标效应展开。研究人员通过水相急性暴露，系统评估了不同浓度草甘膦处理后，海参体内的残留分布、肠道消化酶、体腔液免疫/抗氧化标志物及肠道菌群的结构变化。结果显示，高剂量暴露导致显著死亡率和急性应激表型；草甘膦在呼吸树和体腔液中残留最高，呈现组织特异性分布；急性氧化应激标志物（MDA升高，CAT、GSH-PX活性降低）和肠道蛋白酶活性（胰蛋白酶显著抑制）被激活，同时肠道菌群的α多样性和β多样性发生显著改变。此多水平端点特征揭示了草甘膦可在短时间内扰乱仿刺参的生理稳态，为水产生态毒理学研究和近岸养殖区水环境保护提供了整合生物标志物的预警框架。
草甘膦是一种全球应用最广泛的除草剂，凭借其广谱、内吸的特性，在现代杂草控制中占据核心地位。然而，其大规模使用也带来了严峻的环境挑战。通过喷洒漂移、地表径流、污水排放等多种途径，草甘膦及其主要代谢产物氨甲基膦酸（AMPA）已成为水环境中普遍存在的污染物。近年来，围绕草甘膦的环境争议已从陆地风险扩展至水生生态系统，特别是对非靶标生物的影响评估存在诸多不确定性。在近岸养殖区，来自农业径流的除草剂输入与水产养殖业发展并存，这使得明确草甘膦对重要经济养殖物种的生态毒理学效应变得尤为重要。然而，现有的研究多集中于鱼类等水生脊椎动物，对于底栖、高经济价值的海洋无脊椎动物，如仿刺参（Apostichopus japonicus），其在水体暴露下的生理应激响应模式尚不清晰。为了填补这一知识空白，研究人员开展了一项急性暴露研究，旨在解析草甘膦对仿刺参造成的多水平生理应激“特征”。
为探究水体草甘膦急性暴露对仿刺参的生理影响，研究人员主要采用了以下关键技术方法：从中国山东某商业养殖场获取海参样本，设置对照、低、中、高四个暴露浓度梯度，进行为期24小时的水体暴露实验。研究通过高效液相色谱荧光检测法（HPLC）分析了水体和仿刺参不同组织（体壁、肠、呼吸树、体腔液）中的草甘膦残留。利用商业试剂盒检测了肠道消化酶（如碱性磷酸酶、胰蛋白酶等）活性及体腔液中氧化应激（SOD、CAT、GSH-PX、MDA等）和免疫（溶菌酶）相关生物标志物的水平。同时，通过对肠道内容物进行16S rRNA基因高通量测序，结合QIIME2分析流程，系统评估了肠道菌群的组成与多样性变化。研究采用双向方差分析（ANOVA）等统计学方法对数据进行了处理。
3.1. 急性表型反应与水相暴露确认
经过24小时暴露，对照组、低剂量组和中剂量组未观察到死亡或明显体表损伤。相比之下，高剂量处理组的个体表现出明显的急性应激表型，包括表皮剥落、触手收缩和体壁僵硬，并伴随36.67%的死亡率。水体草甘膦的实测浓度证实了暴露梯度，对照组为背景水平，低、中、高剂量组实测浓度分别为0.09 ± 0.02 mg/L、1.26 ± 0.09 mg/L和4.49 ± 1.12 mg/L。根据结果，高剂量组被进一步划分为高剂量存活组和高剂量死亡组用于后续分析。
3.2. 水相暴露后草甘膦的组织分布
草甘膦浓度在处理组和组织间存在显著差异，组别与组织类型之间存在高度显著的交互作用。在对照组中，所有组织中的草甘膦含量均处于低水平。在低浓度组，草甘膦水平略有升高。在中浓度组，呼吸树显示出比其他组织更高的积累趋势。在高剂量存活组，呼吸树和体腔液中的草甘膦浓度显著高于体壁，体腔液也高于肠道。在高剂量死亡组，草甘膦在所有组织中的残留水平仍较高，其中体腔液积累最高，而体壁相对较低。这些结果表明，在短期水相暴露中，外部上皮和呼吸表面可能是草甘膦的主要吸收途径。
3.3. 肠道消化酶反应
大多数检测的消化酶，包括碱性磷酸酶、酸性磷酸酶、纤维素酶、脂肪酶和淀粉酶，在急性暴露下与对照组相比均无显著差异。相比之下，胰蛋白酶活性在低、中、高剂量存活组和高剂量死亡组中均显著低于对照组。这表明急性水体草甘膦暴露可以迅速扰乱肠道蛋白水解能力，而其他消化功能暂时未见显著变化。
3.4. 体腔液中的先天免疫和氧化应激酶
在免疫/氧化相关指标中，超氧化物歧化酶、溶菌酶、谷胱甘肽还原酶在急性暴露下与对照相比无显著差异。然而，脂质过氧化和抗氧化防御标志物则表现出敏感响应。具体而言，与对照组相比，低剂量和中剂量组的丙二醛水平升高，而过氧化氢酶活性在低剂量、中剂量和高剂量存活组中降低。谷胱甘肽过氧化物酶活性也在高剂量存活组中降低。这些结果表明，急性水体草甘膦胁迫在体腔液中诱发了可测量的氧化应激特征。
3.5. 16S rRNA基因测序揭示的肠道菌群变化
在门水平，肠道菌群主要由变形菌门、弯曲杆菌门、疣微菌门和拟杆菌门主导；在属水平，优势菌属包括盐弧菌属、Persicirhabdus、Lutibacter和弧菌属。α多样性分析显示，与丰富度相关的指标在组间无显著差异，但与多样性/均匀度相关的香农指数和辛普森指数在处理间存在显著差异。基于Bray-Curtis距离的β多样性分析和主坐标分析表明，组间群落组成存在显著差异，PCo1和PCo2分别解释了30.08%和26.30%的变异。LEfSe分析识别出了与暴露/结果相关的判别性分类群，提供了区分对照和暴露组的候选微生物特征。
讨论与结论
本研究通过整合暴露剂量确认、组织残留、多生物标志物及肠道菌群分析，系统描绘了水体草甘膦急性暴露在仿刺参中引发的生理应激“特征”。在环境相关性方面，研究所用浓度虽然高于多数自然水体背景值，但可模拟农业径流输入等情景下的短期高暴露事件，对定义危害阈值和应激特征具有重要意义。高剂量组出现的死亡率表明仿刺参对急性高浓度草甘膦的耐受性有限，这与多水生物种的研究结果一致。组织残留分布模式提示，在短期暴露窗口内，外部上皮和呼吸表面可能是草甘膦的主要吸收途径，随后通过体腔液进行系统再分布，而非主要通过摄食。氧化应激反应呈现通路选择性模式，过氧化氢酶活性降低、谷胱甘肽过氧化物酶减少以及丙二醛升高共同表明，急性暴露主要影响了过氧化物清除能力和脂质过氧化状态，氧化失衡是连接草甘膦暴露与后续功能损伤的核心机制。消化酶中仅有胰蛋白酶活性受到显著抑制，这表明急性水体草甘膦暴露可快速损害蛋白消化能力，提示蛋白水解能力可能是急性化学应激下敏感的早期功能指标。肠道菌群分析显示，暴露快速改变了肠道群落结构，α多样性降低，β多样性发生显著分离，弧菌属在中剂量和高剂量死亡组中富集。菌群失调被认为是一个敏感且具有整合性的终点，能将化学暴露与功能结局联系起来。
综上所述，本研究得出结论：短期水体草甘膦暴露可在仿刺参中导致死亡率上升、草甘膦组织特异性分布、选择性氧化失衡、肠道胰蛋白酶活性降低以及肠道菌群结构改变。这些发现表明，即使在较短时间内，草甘膦也能迅速破坏这一重要水产养殖物种的生理稳态。从生态毒理学角度看，这些多水平终点（生化生物标志物和微生物组响应）补充了传统的基于生存率的评估指标，为危害识别和跨类群的敏感性比较分析提供了更灵敏的早期预警标志。从水产养殖管理角度看，研究结果强调，与除草剂输入相关的水质短期恶化，即使未立即导致死亡，也可能通过氧化/免疫干扰、消化能力下降和菌群稳定性改变的综合作用，降低养殖动物的抗逆性和疾病易感性。这对于与农业流域共存的近岸海水养殖业具有重要的风险管理启示。未来的研究需要关注长期暴露效应、草甘膦与其代谢产物AMPA的联合作用，以及商业配方添加剂可能带来的毒性差异。
