抗生素胁迫下浮游植物与细菌通过互利合作诱导的群落级毒物兴奋效应

《SCIENCE ADVANCES》：Antibiotic stress–induced hormesis in phytoplankton and bacteria through their mutual cooperation

　　本研究针对传统生态毒性评估中忽视种间相互作用的问题，通过构建莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）与河流细菌的共培养体系，探究了10种不同抗生素胁迫下的响应机制。研究发现，在环境相关浓度（0.1 μg/L）下，共培养体系中的双方均表现出毒物兴奋效应（Hormesis），而单一培养则受到抑制，尤其是阿奇霉素（AZM）。这种生长促进源于双方增强的互利合作：藻类通过提供有机碳和高效去除抗生素缓解细菌压力，而改变的藻际细菌组则供给氨、磷酸盐、维生素B12（VB12）和吲哚-3-乙酸（IAA）以促进藻类生长。该研究挑战了基于单一物种测试的生态毒性评估可靠性，强调了跨王国相互作用在污染物效应评估中的重要性。

　　

在水生生态系统中，浮游植物作为主要的初级生产者，扮演着至关重要的角色。然而，它们并非孤立存在，而是与周围环境中的细菌形成了紧密的共生关系。这种相互作用深刻影响着生态系统的生产力和生物地球化学循环。随着全球环境持续恶化，水生生物正面临着日益增多的化学污染物压力，其中抗生素因其生物活性和广泛分布而备受关注。传统的生态毒性评估通常依赖于单一物种的测试结果，但这种方法可能严重低估或误判污染物在真实复杂生态系统中的实际影响，因为它忽略了物种之间复杂的相互作用，以及低剂量污染物可能引发的毒物兴奋效应（Hormesis）——即低剂量刺激、高剂量抑制的现象。那么，当浮游植物和细菌这对天然的伙伴共同面对抗生素威胁时，会发生什么？它们的合作关系是会瓦解，还是会变得更加紧密？这项发表在《科学·进展》（SCIENCE ADVANCES）上的研究为我们揭示了答案。

为了深入探究这一问题，研究人员设计了一套精巧的实验体系。他们以常见的淡水绿藻莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）和从北京清河采集的天然河流细菌为研究对象，构建了单一培养和共培养系统。研究选取了四大类共10种在水环境中常见且具有较高生态风险的抗生素（包括大环内酯类AZM、ETM、CTM，磺胺类SMX、SD、SPY，喹诺酮类CIP、MOX，以及林可胺类CLI、LCN）进行暴露实验，设置了环境相关低浓度（0.1 μg/L）和较高浓度（10 μg/L）两个剂量组。通过整合生理学指标检测（如细胞丰度、叶绿素荧光）、显微镜观察、化学趋化实验、以及多组学分析（包括宏基因组学、宏转录组学和胞外代谢组学），系统揭示了共培养体系对抗生素胁迫的响应机制。研究还利用分隔共培养装置探讨了物理接触的重要性，并在自然浮游植物-细菌群落中进行了验证。

Hormesis in cocultures versus toxicity in monocultures under antibiotic stress（共培养中的毒物兴奋效应 vs. 单一培养中的毒性）

研究人员发现，10种抗生素在单一培养中普遍抑制了莱茵衣藻和细菌的生长，且高剂量（10 μg/L）的抑制效应更强。然而，在共培养中，抗生素对双方的生长抑制均显著减轻。尤为引人注目的是，在低剂量（0.1 μg/L）抗生素胁迫下，共培养的细菌和莱茵衣藻均表现出毒物兴奋效应，即生长反而被促进。其中，阿奇霉素（AZM）处理组的表现最为显著：低剂量AZM使单一培养的细菌丰度下降14.08%，却使共培养中的细菌丰度增加12.60%；同样，低剂量AZM抑制了单一培养藻类的生长（降低14.51%），却显著促进了共培养中藻类的生长（增加34.48%）。叶绿素荧光成像结果也证实，AZM处理降低了单一培养藻类的光合效率（Fv/Fm），但提高了共培养藻类的光合效率。这表明抗生素胁迫可能促进了莱茵衣藻和细菌之间的互利相互作用。

Antibiotic concentrations and nutrient utilization in cultures（培养物中的抗生素浓度和营养利用）

对抗生素残留量的分析显示，莱茵衣藻单一培养和共培养体系中的抗生素去除效率高于细菌单一培养，表明藻类在抗生素去除中发挥关键作用。特别是大环内酯类抗生素（如AZM）的去除率最高。在共培养体系中，AZM的浓度最低，而其转化产物（TPs）的浓度最高，证实了共培养增强了AZM的生物转化。营养盐分析表明，莱茵衣藻的生长消耗硝酸盐和磷酸盐，并产生总有机碳（TOC）。在AZM胁迫下，共培养体系中的磷酸盐和氨浓度反而高于未处理的共培养体系，这与共培养藻类在AZM胁迫下更高的增殖率相矛盾，暗示存在潜在的磷酸盐和氮的供应者。

Physical proximity required for AZM-induced growth promotion（AZM诱导的生长促进需要物理邻近）

显微镜观察发现，在无AZM胁迫的共培养中，藻类与细菌的细胞间粘附很少。而在AZM胁迫下，藻类周围出现了明显的细菌粘附。化学趋化实验表明，AZM处理的共培养体系上清液对河流细菌的吸引力显著增强。分隔共培养实验进一步证明，当藻类和细菌被物理分隔开（仅能通过培养基交换代谢物）时，AZM仍然抑制双方的增长。虽然分隔培养中的细菌抑制有所缓解（可能得益于藻类创造的富碳环境），但藻类的生长促进完全依赖于与细菌的直接物理接触。这表明藻际细菌（直接与藻类接触的细菌）对于莱茵衣藻在AZM胁迫下的生存至关重要。

Reassembly of bacterial communities under AZM stress（AZM胁迫下细菌群落的重组）

通过16S rRNA测序分析细菌群落组成，发现藻际细菌（与藻类直接相关的细菌）的群落结构与单一培养或共培养中自由生活的细菌显著不同。AZM暴露诱导了细菌群落的富集，这种效应在藻际细菌中尤为明显，其操作分类单元（OTU）数量从390个增加到656个，物种丰富度和多样性也普遍增加。AZM胁迫下，藻际细菌中富集了许多与根际/藻际或藻华相关的细菌类群，如根瘤菌目（Rhizobiales）、固氮螺菌目（Azospirillales）、浮霉菌目（Planctomycetales）以及鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）等，表明AZM胁迫导致了藻际细菌组的重组。

Bacterial genes involved in nutrient metabolism and interaction with phytoplankton（参与营养代谢和与浮游植物相互作用的细菌基因）

宏基因组分析揭示了AZM胁迫对细菌代谢基因的影响。在碳代谢方面，AZM胁迫导致碳固定（I）基因相对丰度下降，而碳分解（V）基因上升，藻际细菌中与甲烷氧化（III）、CO氧化（IV）和有氧呼吸（VI）相关的基因增加，这可能有助于提高藻际的CO₂浓度，有益于藻类光合作用。在氮代谢方面，固氮基因（nifKHD）在藻际细菌中显著富集，AZM胁迫进一步促进了这种富集。在磷代谢方面，藻际细菌中磷酸盐（Pi）转运蛋白基因（pstABCS）下降，而磷酸酯矿化基因（C-P裂解酶，phnGHIJKLMNP）在所有培养体系中均被富集。此外，与植物激素（如IAA）、微量营养素（如VB₁₂、铁载体）合成相关的细菌基因，以及群体感应信号（AHLs）和生物膜形成相关基因在藻际细菌中更为丰富，且在AZM胁迫下进一步增加。相反，与致病性相关的III型分泌系统（T3SS）基因在共培养中显著减少。大环内酯类抗性基因（MLs-ARGs）在所有AZM暴露的培养体系中丰度均增加。

Enhanced mutualistic interactions under AZM stress（AZM胁迫下增强的互利相互作用）

（宏）转录组分析提供了基因表达层面的证据。在氮利用方面，AZM胁迫抑制了共培养藻类中硝酸盐转运和还原相关基因的表达，但促进了氨同化相关基因的表达。与之对应，藻际细菌中固氮、硝酸盐摄取和异化硝酸盐还原为铵（DNRA）相关的转录本更为丰富，这解释了共培养体系中氨浓度升高的现象。细菌固氮酶在好氧条件下会失活，而AZM胁迫促进了藻际细菌组的好氧呼吸和生物膜形成，有助于创造缺氧微区，利于固氮细菌定殖。在磷利用方面，共培养藻类的磷酸盐转运蛋白和聚磷酸盐（polyP）生物合成基因与细菌的磷酸酯降解基因协同上调。在微量营养素方面，共培养藻类上调了VB₁₂依赖的甲硫氨酸合成酶（metH）表达，下调了VB₁₂非依赖的同工酶（metE），同时藻际细菌中VB₁₂生物合成转录本增加，表明细菌向藻类供应了VB₁₂。类似地，藻类铁摄取和储存基因的上调与细菌铁载体合成基因的上调相呼应。在信息物质方面，共培养藻类中受IAA调控的细胞周期相关基因（如RB-E2F信号通路基因）上调，而藻际细菌中IAA合成基因转录本也增加，表明细菌可能通过产生IAA促进藻类增殖。藻际细菌的运动、趋化和细胞粘附相关基因在AZM胁迫下也上调。胞外代谢组学分析发现，共培养体系中藻类衍生物（如氨基酸、有机酸、嘌呤）被细菌利用，而抑制藻类生长的茉莉酸（jasmonic acid）水平在AZM处理的共培养中显著下降。

Beneficial bacteria for C. reinhardtii under AZM stress（AZM胁迫下对莱茵衣藻有益的细菌）

研究人员从宏基因组数据中重构了159个高质量宏基因组组装基因组（MAGs）。AZM胁迫减少了只能利用少数藻类衍生物的“专性”细菌，而增加了能利用多种藻类衍生物并产生有益物质（如氨、磷酸盐、VB₁₂、IAA、铁载体）的“广适性”细菌。这些广适性细菌主要属于根瘤菌目、红杆菌目、伯克霍尔德菌目等。对几个近乎完整的MAGs（如Prosthecomicrobium hirschii MAG100, Methylibium petroleiphilum MAG134）的基因表达分析显示，它们在AZM胁迫下上调了氨、IAA或VB₁₂的产生，以及藻类衍生物分子的摄取和降解相关基因。

讨论与结论

本研究通过精细的实验设计和多组学技术整合，有力地证明了在环境相关浓度的抗生素胁迫下，浮游植物与细菌通过紧密的互利合作，能够将抗生素的抑制效应逆转为生长促进效应，即表现出群落水平的毒物兴奋效应。这种合作包括增强的代谢物交换（藻类提供有机碳，细菌提供氨、磷、VB₁₂、IAA等）、功能补偿（细菌补偿藻类受抑制的氮同化功能）以及协同去除抗生素。AZM胁迫诱导了藻际细菌群落的重组，富集了具有多种代谢能力的“广适性”细菌，它们能高效利用藻类衍生物并回馈有益物质。

这项研究对生态毒理学评估具有重要启示，挑战了传统依赖单一物种测试的评估方法的可靠性，强调必须考虑种间相互作用才能更准确地预测污染物在真实环境中的生态效应。研究发现抗生素胁迫能促进藻类与细菌的互惠关系，这为理解水生生态系统中微生物群落应对环境压力的适应机制提供了新视角。更值得注意的是，这种由低剂量抗生素诱导的群落水平生长促进，可能会加剧水体富营养化和藻华的发生风险，因为研究中富集的许多细菌类群（如黄杆菌目、红杆菌科）正是藻华中的常见菌群，它们能提供氮、磷等关键营养。因此，人为排放的抗生素等污染物可能通过改变微生物间的相互作用，间接影响水生生态系统的结构和功能。

该研究将毒物兴奋效应的研究从个体水平拓展到了群落水平，揭示了种间互作是群落水平毒物兴奋效应产生的重要机制。未来研究需要系统评估不同类别污染物下这种合作行为的普适性，探究多压力因子（如抗生素与气候变化因子）耦合下的群落动态，并发展包含这些微生物相互作用的生态模型，以更精准地预测和管理污染物对水生态系统的风险。