广州大学闫兵团队发现氢氧化铜纳米农药诱导斑马鱼发生蛋白质分解和脂肪累积代谢转移等能量应激响应

编辑 | 熊 凤

近年来，纳米技术的发展极大地推动了纳米农药在农业领域中的应用。然而，纳米农药的生物安全性目前处于未知状态。商品化纳米杀菌剂Kocide 3000是当前市场上流行的纳米农药制剂，其活性成分为纳米氢氧化铜。Kocide3000需悬浮于水中并喷洒到植物叶片上，这导致该纳米杀菌剂具有滞留在水体和土壤中的风险。此外，该纳米杀菌剂可通过地表径流和土壤淋溶进入水环境中。因此，氢氧化铜纳米农药对水生生物具有潜在风险。为了科学评估Kocide3000对水生环境的生态风险，亟需研究该纳米农药制剂对水生生物的毒性效应。鉴于氢氧化铜纳米农药释放的铜离子具有能量代谢干扰效应，因此，需着重关注水生生物对Cu(OH)2纳米农药的代谢和能量响应机制。

近日，广州大学大湾区环境研究院闫兵教授团队在环境科学领域的权威期刊Environmental Science & Technology发表题为“Comprehensive Interrogation of Metabolic and Bioenergetic Responses of Early-Staged Zebrafish (Danio rerio) to a Commercial Copper Hydroxide Nanopesticide”的研究论文。该论文以斑马鱼为模式生物，研究了商品化氢氧化铜纳米农药对斑马鱼胚胎的能量代谢干扰机制。

在这项研究中，作者将斑马鱼胚胎暴露于环境相关剂量的Kocide 3000（氢氧化铜纳米农药，1，50，100 μg/L）中，继而采用了代谢组学和生物能学方法，评价了氢氧化铜纳米农药对斑马鱼胚胎的能量代谢干扰效应，为了说明铜离子在纳米农药中的毒性贡献，作者以相同浓度的铜离子进行了对比研究。

作者研究了生物体内的两大产能过程，即为糖酵解路径和氧化磷酸化反应，以及调节能量代谢的三羧酸循环过程和营养物质的代谢过程。结果显示，氢氧化铜纳米农药显著降低了斑马鱼体内糖酵解相关代谢物的浓度，致使鱼体内发生了能量胁迫，尽管铜离子对糖酵解过程也具有一定抑制作用，但远不及氢氧化铜纳米农药。与此同时，我们发现铜离子能够通过上调氧化磷酸化反应来缓解鱼体内的能量胁迫，但氢氧化铜纳米农药未引发该补偿效应。然而，氢氧化铜纳米农药导致了鱼体内三羧酸（TCA）循环中多种小分子有机酸的浓度增加，并促进了异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶的活性，鱼体内TCA循环活性的增强导致谷氨酸和谷氨酰胺的大量消耗，结合谷氨酰胺酶、谷氨酸脱氢酶、脂肪酸合成酶和乙酰辅酶A羧化酶基因表达水平的变化，我们推断鱼体内发生了蛋白质分解和脂肪积累的代谢转移过程，然而铜离子并未引起这些营养物质的代谢改变。

图1 氢氧化铜纳米农药诱发斑马鱼体内能量代谢变化的系统路径示意图

图2 氢氧化铜纳米农药诱发斑马鱼体内营养物质代谢变化的示意图

综合斑马鱼胚胎的发育毒性数据和上述代谢数据表明，相比于铜离子，氢氧化铜纳米农药由于增加了蛋白质的分解代谢而对斑马鱼胚胎产生了更高的发育毒性。以上数据也说明了氢氧化铜纳米农药对斑马鱼胚胎的能量代谢干扰作用并非完全源于铜离子，同时，纳米农药的生物安全性和推广使用有待于进一步的推敲。该研究工作为综合了解氢氧化铜纳米农药暴露在代谢活性和线粒体功能方面的生态风险提供了科学依据。

广州大学大湾区环境研究院闫兵教授为该论文的通讯作者，广州大学大湾区环境研究院王晓红老师为该论文的第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金和广东省“珠江人才计划”引进创新创业团队等项目的支持。据悉，该研究所使用的野生型斑马鱼品系，来源于国家水生生物种质资源库国家斑马鱼资源中心。