典型環(huán)境污染物對腸道菌群的影響及機(jī)制研究進(jìn)展

丁晗，周童，王娟，劉穎，許平，許安,*

1. 中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，環(huán)境毒理與污染控制技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥230031 2. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥 230026 3. 合肥市第一人民醫(yī)院，合肥 230061

腸道，作為生物體宿主免疫和營養(yǎng)物質(zhì)消化吸收的主要器官，定植有復(fù)雜的微生物群落(包括細(xì)菌、真菌、病毒和原生動(dòng)物)，被統(tǒng)稱為腸道菌群[1]。腸道菌群主要分為3類：(1)生理性菌群，主要為專性厭氧菌和兼性厭氧菌，屬優(yōu)勢菌；(2)條件致病菌，以兼性需氧菌為主，屬非優(yōu)勢菌；(3)病原菌，極少長期定植，當(dāng)其數(shù)目升高并超過閾值時(shí)，便可誘導(dǎo)疾病發(fā)生[2-3]。腸道菌群的主要功能如下。(1)營養(yǎng)作用。人體腸道菌群代謝產(chǎn)生的短鏈脂肪酸是結(jié)腸上皮細(xì)胞主要能量來源。此外，腸道菌群還能為人體提供蛋白質(zhì)，合成非必需氨基酸，如天冬氨酸、丙氨酸、纈氨酸和蘇氨酸等；(2)參與宿主重要代謝過程。腸道菌群將難溶性蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為可溶性物質(zhì)、多糖轉(zhuǎn)化為單糖供人體吸收，參與酪蛋白水解、膽汁酸和膽固醇代謝等；(3)保護(hù)機(jī)體微生態(tài)平衡。腸道菌群通過定植拮抗作用抑制有害菌的入侵，維護(hù)機(jī)體與微生物之間的內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定；(4)構(gòu)建腸道免疫系統(tǒng)。由雙歧桿菌、乳桿菌等組成的膜菌群防御致病菌或條件致病菌侵襲腸粘膜而產(chǎn)生非特異性免疫，此外，腸道菌群作為抗原，可激活宿主免疫系統(tǒng)的發(fā)育和細(xì)胞免疫的發(fā)生，發(fā)揮特異性免疫功能；(5)調(diào)控宿主身心健康。腸道菌群通過腸-腦軸對宿主的應(yīng)激反應(yīng)、焦慮、抑郁和認(rèn)知功能產(chǎn)生重要影響[4-8]。腸道菌群受多種因素的影響，包括物種特異性、宿主基因型、生長發(fā)育時(shí)期和生存環(huán)境等[9-12]。因此，揭示腸道菌群的結(jié)構(gòu)、組成、數(shù)量、比例以及代謝等特點(diǎn)，對于全面認(rèn)識(shí)其在提高機(jī)體免疫功能、疾病的發(fā)生發(fā)展以及維持機(jī)體代謝穩(wěn)態(tài)等方面具有重要的生理意義。

自2001年人類基因組序列的發(fā)表，人體健康與微生物共生作用的重要性已引起各國學(xué)者的廣泛關(guān)注。2012年由美國國家衛(wèi)生研究院(National Institutes of Health, NIH)資助的人類微生物組計(jì)劃順利完成[13]；歐盟第七框架計(jì)劃(7th Framework Programme, FP7)通過探索人類腸道中所有的微生物群落，進(jìn)而評估人類腸道中細(xì)菌的種類，為揭示腸道微生物與人的糖尿病、心血管疾病和肥胖等疾病的關(guān)系提供理論依據(jù)[14-16]。伴隨宏基因組學(xué)和高通量測序分析的飛速發(fā)展，越來越多臨床與研究數(shù)據(jù)證實(shí)腸道菌群與人類健康密切相關(guān)。當(dāng)人類宿主因自身免疫力下降、藥物作用或其他內(nèi)外因素導(dǎo)致腸道菌群失調(diào)時(shí)，將不同程度地影響腫瘤、代謝性疾病和免疫性疾病等多種疾病的發(fā)病率[17]。腸道菌群在消化系統(tǒng)腫瘤發(fā)生發(fā)展中具有重要作用，如幽門螺桿菌感染能夠降低食管癌的發(fā)病率，也能夠引起胃癌、慢性胃炎、消化性潰瘍等疾病[18-20]；機(jī)體腸道菌群的多樣性和豐度的改變與代謝性疾病的發(fā)病率升高密切相關(guān)，如擬桿菌門和厚壁菌門數(shù)量的反向變化可能與肥胖的發(fā)生有關(guān)[21]；腸道菌群可通過免疫調(diào)節(jié)及改變腸道通透性參與Ⅱ型糖尿病的發(fā)病[22]。腸道菌群能夠在腸道水平參與病原微生物的防御以及腸道局部免疫系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的建立，而腸道菌群的失調(diào)則可能導(dǎo)致宿主的免疫防御和免疫耐受功能失衡，進(jìn)而影響局部甚至全身免疫系統(tǒng)的功能，最終在系統(tǒng)性炎癥性疾病以及自身免疫性疾病的發(fā)病過程中起重要作用[23]。

環(huán)境污染物不僅影響腸道菌群的豐度和多樣性，而且可以改變其代謝與功能[24]。與此同時(shí)，腸道菌群對環(huán)境污染進(jìn)入人體后遷移轉(zhuǎn)化、累積及毒性效應(yīng)的影響也難以忽視[25]。腸道菌群作為間接影響宿主健康的潛在媒介，其對環(huán)境污染物的敏感性和特異性，已使其成為環(huán)境污染物健康風(fēng)險(xiǎn)及其毒理機(jī)制研究的新熱點(diǎn)[26-27]。本文以重金屬、微納米顆粒污染物、持久性有機(jī)污染物以及抗生素為代表，系統(tǒng)總結(jié)了典型環(huán)境污染物誘導(dǎo)的腸道菌群紊亂及其對毒性效應(yīng)的影響，為深入理解和闡釋環(huán)境污染物毒理學(xué)效應(yīng)及健康風(fēng)險(xiǎn)提供新的研究策略。

1 人體及模式生物中的腸道菌群研究(Research on gut microbiota in humans and model organisms)

1.1 人體

據(jù)統(tǒng)計(jì)，人體內(nèi)菌群數(shù)目高達(dá)1014，約為人類體細(xì)胞總數(shù)的10倍[28]。人類腸道菌群以細(xì)菌為主，其中，擬桿菌門和厚壁菌門約占90%，同時(shí)與少量的古生菌、真菌和病毒等微生物共棲[29-30]。研究發(fā)現(xiàn)，人腸道菌群中約包含1 000～1 150種常見的細(xì)菌，且每個(gè)個(gè)體至少有160種，此類細(xì)菌物種在很大程度上具有共享性[15]。在人類長期的進(jìn)化過程中，腸道菌群與宿主間，以及菌群、宿主與腸道內(nèi)環(huán)境間保持著復(fù)雜的動(dòng)態(tài)平衡，形成互利共生的動(dòng)態(tài)生態(tài)系統(tǒng)。最新的研究結(jié)果顯示，剛出生的嬰兒并未攜帶腸道菌群；新生兒出生后，腸道菌群逐漸建立并隨生長發(fā)育而不斷完善，最終形成穩(wěn)定的腸道微生物系統(tǒng)，由此嬰幼兒與兒童時(shí)期被認(rèn)為是人體腸道微生物形成的關(guān)鍵時(shí)期[31-32]。

1.2 小鼠

小鼠模型具有繁殖速度快、相關(guān)機(jī)制研究透徹、無菌環(huán)境建立容易、菌群移植及灌胃操作簡單等特點(diǎn)，是目前研究“宿主-菌群”互作關(guān)系中最常用的哺乳動(dòng)物模型。目前絕大多數(shù)腸道菌群相關(guān)機(jī)制研究都在該模型上進(jìn)行驗(yàn)證，如“腦腸軸”理論便是在老鼠模型上發(fā)現(xiàn)并得到驗(yàn)證[33]。無菌小鼠模型較容易獲得，大部分檢測腸道菌群與某項(xiàng)疾病是否有關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)也都采用小鼠進(jìn)行。以腸道菌群和恐懼消退實(shí)驗(yàn)為例，Chu等[34]發(fā)現(xiàn)，無菌組的成年小鼠有恐懼消退的學(xué)習(xí)缺陷，經(jīng)單細(xì)胞測序發(fā)現(xiàn)，關(guān)鍵腦區(qū)內(nèi)的興奮性神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞等多種細(xì)胞的基因表達(dá)改變，小膠質(zhì)細(xì)胞不成熟，但在重新定植多樣化菌群后，可恢復(fù)消退學(xué)習(xí)能力，實(shí)驗(yàn)證明了腸道菌群會(huì)影響消退學(xué)習(xí)。除了無菌模型外，小鼠還有很多成熟的疾病模型。在腸道菌群研究領(lǐng)域中，小鼠疾病模型可以讓研究者對腸道菌群和疾病的因果關(guān)系有更深入的了解，如自閉癥小鼠模型中和膽汁酸、色氨酸代謝相關(guān)的腸道菌群會(huì)引起腸道功能紊亂[35]；毛螺旋菌(Lachnospiraceaebacterium)在小鼠腸道中定殖有助于肥胖小鼠糖尿病的發(fā)展[36]。

1.3 斑馬魚

斑馬魚是水生動(dòng)物中常見的模型生物，它具有生長發(fā)育快、世代間隔短、研究機(jī)制較為通透、易于飼養(yǎng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于生長發(fā)育、免疫和生理病理等研究領(lǐng)域[37]。斑馬魚腸道主要的優(yōu)勢菌有：放線菌(Actinobacteria)、擬桿菌(Bacteroidete)和藍(lán)細(xì)菌(Cyanobacteria)等[38]。近年來，斑馬魚在腸道炎癥模型中的應(yīng)用越來越廣泛，如Sun等[39]研究發(fā)現(xiàn)多環(huán)芳香烴類物質(zhì)破壞斑馬魚腸道菌群組成最終誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)；Jin等[40]研究發(fā)現(xiàn)微塑料干擾斑馬魚腸道菌群豐度和多樣性最終誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)。

1.4 蜜蜂

蜜蜂腸道菌群組成簡單，具有高度保守和專門的核心腸道菌群。蜜蜂腸道菌群主要包括：艾維爾菌(Snodgrassellaalvi)、乳桿菌(Lactobacillus)等[41]。蜜蜂具有極強(qiáng)的識(shí)別和記憶能力，因此在神經(jīng)生物學(xué)和社會(huì)生物學(xué)等領(lǐng)域具有很高的研究價(jià)值，研究發(fā)現(xiàn)，蜜蜂具有學(xué)習(xí)記憶中聯(lián)想組合和提取信息的能力，通過舞蹈傳遞信息進(jìn)行社會(huì)交往活動(dòng)[42-43]。近年來蜜蜂常被用于研究環(huán)境污染物與宿主健康的關(guān)系，如Motta等[44]將蜜蜂暴露于草甘膦后，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，草甘膦不僅改變了蜜蜂腸道菌群的組成還導(dǎo)致其死亡率升高。

1.5 果蠅

果蠅作為經(jīng)典模式生物具有生長周期短、易繁殖的特點(diǎn)，在遺傳學(xué)與基因組學(xué)的研究中發(fā)揮著重要的作用[45-46]。果蠅腸道微生物主要包括：醋桿菌(Acetobacter)、乳桿菌、腸球菌(Enterococcus)、腸桿菌(Enterobacteriaceae)[47]。近年來果蠅作為新型模式生物應(yīng)用于免疫防御和腸道菌群關(guān)聯(lián)的研究，如Buchon等[48]研究發(fā)現(xiàn)，果蠅攝入革蘭氏陰性菌后，腸道免疫信號(hào)通路被激活；Nehme等[49]研究發(fā)現(xiàn)，果蠅攝入粘質(zhì)沙雷氏菌后，腸上皮細(xì)胞損壞并誘導(dǎo)全身免疫反應(yīng)。

1.6 秀麗隱桿線蟲

秀麗隱桿線蟲作為毒理學(xué)研究的經(jīng)典模式生物，其具有生活周期短、身體呈半透明狀，表型易于觀察、結(jié)構(gòu)簡單等特征[50-51]。腸道是線蟲重要的免疫器官，其腸道微生物組成主要包括：變形菌門(Proteobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、放線菌門(Actinobacteria)[52-54]。近年來，線蟲作為模式生物廣泛應(yīng)用于疾病感染研究，如Aballay等[55]建立鼠傷寒沙門氏菌在秀麗隱桿線蟲腸道中增殖并持續(xù)感染模型，探究宿主和病原體之間的相互作用；Irazoqui等[56]探究銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌引起線蟲感染的機(jī)制及宿主效應(yīng)。

2 典型環(huán)境污染物對腸道菌群影響(Effects of typical environmental pollutants on gut microbiota)

2.1 重金屬

重金屬污染指由重金屬或其化合物造成的環(huán)境污染。我國原環(huán)境保護(hù)部和國土資源部對全國土壤污染狀況進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)我國土壤環(huán)境狀況總體不容樂觀，無機(jī)污染物超標(biāo)點(diǎn)位數(shù)占全部超標(biāo)點(diǎn)位的82.8%；從污染物超標(biāo)情況看，鎘、汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅和鎳8種無機(jī)污染物點(diǎn)位超標(biāo)率分別為7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%和4.8%；其中，位點(diǎn)超標(biāo)率最嚴(yán)重的3種重金屬分別是鎘、砷和鎳[57]。資料顯示，重金屬污染物通過飲水、食物攝入等多種途徑進(jìn)入機(jī)體并與腸道菌群發(fā)生相互作用，干擾腸道屏障形成以及宿主代謝、免疫功能等[58-59]。

2.1.1 砷

砷(As)是一種類金屬元素，國際癌癥研究機(jī)構(gòu)(International Agency for Research on Cancer, IARC)將其列為IA類環(huán)境致癌物[60]。自然界中As主要以有機(jī)砷化合物和無機(jī)砷化合物形式存在，無機(jī)砷化合物主要存在形式是As(Ⅲ)和As(Ⅴ)，As(Ⅴ)進(jìn)入哺乳動(dòng)物體內(nèi)通過還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化為毒性更強(qiáng)的As(Ⅲ)[61]。Dheer等[62]的研究表明，As暴露后小鼠腸道梭狀芽孢桿菌(Clostridium)、擬桿菌門(Bacteroidete)豐度升高，而厚壁菌門豐度降低，同時(shí)，As還可干擾機(jī)體能量代謝及其他新陳代謝過程。Chi等[63]將小鼠暴露于100 μg·L-1含As飲用水后發(fā)現(xiàn)，小鼠腸道中厚壁菌門豐度降低，疣微菌門(Verrucomicrobia)豐度升高，腸道菌群結(jié)構(gòu)的改變與丙酮酸代謝異常以及代謝紊亂息息相關(guān)。Wang等[64]的研究顯示，As暴露后小鼠腸道內(nèi)糞桿菌(Faecalibaculum)豐度升高，而不動(dòng)桿菌(Acinetobacter)、擬桿菌豐度顯著降低，As和糖代謝相關(guān)酶(己糖激酶、丙酮酸脫氫酶)結(jié)合導(dǎo)致糖代謝出現(xiàn)異常，脂代謝相關(guān)基因(亞油酸、花生四烯酸)表達(dá)顯著下降，癌癥相關(guān)信號(hào)通路(Wnt、Notch、VEGF)異常激活，因此亞慢性As暴露最終引起小鼠糖脂代謝紊亂并增加小鼠罹患癌癥的風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.2 鉛

鉛(Pb)是嚴(yán)重危害人類生活與環(huán)境的有害物質(zhì)之一，進(jìn)入機(jī)體后對神經(jīng)、造血和生殖等多個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生危害[65]。目前，常見的鉛中毒大多屬于輕度、慢性鉛中毒，通過影響體內(nèi)金屬離子濃度和酶活性，引起植物神經(jīng)功能紊亂、貧血、免疫力低下等[66]。Xia等[67]將小鼠暴露于0.1 mg·L-1PbCl2后，發(fā)現(xiàn)小鼠盲腸中厚壁菌和擬桿菌豐度顯著下降，肝臟的肝甘油三酯(TG)和總膽固醇(TCH)水平上升，丙氨酸、異亮氨酸和丙二酸酯在內(nèi)的15種代謝物含量發(fā)生了顯著變化。Gao等[68]將小鼠暴露于10 mg·L-1PbCl2后，腸道菌群的組成發(fā)生了很大變化。與對照組相比，瘤胃球菌(Rumenococcus)、梭狀芽孢桿菌豐度下降，腸道菌群結(jié)構(gòu)的改變影響了膽汁酸代謝和膽固醇代謝，最終導(dǎo)致代謝功能紊亂。

2.1.3 鎘

鎘(Cd)具有致癌性，美國農(nóng)業(yè)委員會(huì)把Cd列為當(dāng)前最危險(xiǎn)的一類農(nóng)業(yè)環(huán)境污染物[69]。由于食物和飲用水是Cd暴露的主要來源，腸道成為Cd暴露的重要靶器官之一，特別是對腸屏障的破壞，進(jìn)一步加劇了Cd的毒性作用[70]。Liu等[71]研究發(fā)現(xiàn)，Cd暴露可引起小鼠腸道內(nèi)擬桿菌、雙歧桿菌和乳桿菌豐度降低，腸屏障功能受損，腫瘤壞死因子(TNF-α)的表達(dá)水平升高。Ba等[72]的研究結(jié)果表明，成年雄鼠在生命早期暴露于低濃度Cd(100 ng·L-1)后，腸道中雙歧桿菌(Bifidobacterium)和普氏桿菌(Prevotella)豐度明顯降低，而鞘氨醇單胞菌(Sphingomonas)豐度增加，同時(shí)，機(jī)體的肝脂質(zhì)代謝出現(xiàn)紊亂，增加了肥胖的風(fēng)險(xiǎn)。Ninkov等[73]將大鼠暴露于Cd后發(fā)現(xiàn)，大鼠腸道內(nèi)乳桿菌相對豐度下降，腸道菌群結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致腸道炎癥易感性有所升高。Lee等[54]將秀麗隱桿線蟲暴露于Cd(1、2、4和6 mg·L-1)連續(xù)10世代，結(jié)果顯示，線蟲腸道內(nèi)厚壁菌豐度顯著升高，Mtl-2基因表達(dá)上調(diào)，揭示厚壁菌可能對Cd具有較強(qiáng)的抗性(表1)。

表1 重金屬對不同模式生物體內(nèi)腸道菌群影響及其毒性效應(yīng)Table 1 Effects of heavy metals on gut microbiota in different model organisms and their toxic effects

2.2 微納米顆粒污染物

2.2.1 大氣顆粒物

大氣顆粒物是大氣中存在的各種固態(tài)和液態(tài)顆粒狀物質(zhì)的總稱，包括粗顆粒物(PM10，2.5～10 μm)、細(xì)顆粒物(PM2.5，0.1～2.5 μm)、超細(xì)顆粒物(UFP，≤0.1 μm)[74]。大量流行病學(xué)調(diào)查表明，大氣顆粒物可顯著增加人體健康風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致心臟病、肺癌等疾病發(fā)病率上升[75]。流行病學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，急性大氣顆粒物暴露與非特異性急性腹痛入院率明顯相關(guān)，長期慢性暴露則與炎癥性腸病(IBD)發(fā)病率增加明顯相關(guān)，表明大氣顆粒物暴露與腸道菌群紊亂有聯(lián)系[76]。

Li等[77]研究發(fā)現(xiàn)，小鼠攝入超細(xì)顆粒物(UFPs)后，腸道內(nèi)疣微菌相對豐度增多，而放線菌、藍(lán)細(xì)菌和厚壁菌相對豐度減少，促炎性脂質(zhì)代謝產(chǎn)物(溶血磷脂酸、溶血磷脂酰膽堿)和膽固醇含量升高，前列腺素水平降低。Salim等[78]將小鼠暴露于PM10后發(fā)現(xiàn)，小鼠結(jié)腸促炎細(xì)胞因子增加，雙歧桿菌豐度降低并向腸系膜淋巴結(jié)發(fā)生轉(zhuǎn)移，腸道菌群結(jié)構(gòu)的改變與小鼠白細(xì)胞介素水平降低、血清脂多糖增加以及能量代謝失調(diào)緊密相關(guān)。Fitch等[79]將小鼠暴露于PM后發(fā)現(xiàn)，小鼠腸道中的乳桿菌豐度顯著降低，而梭狀芽孢桿菌豐度增加，除此之外，小鼠腸道緊密連接蛋白(Occludin、Claudin)表達(dá)降低，TNFα、IL1β的轉(zhuǎn)錄水平顯著升高。Li等[80]將小鼠暴露于UFPs后發(fā)現(xiàn)，小鼠在暴露前期腸道中乳桿菌豐度增加，隨后乳桿菌豐度持續(xù)下降，腸道菌群失調(diào)誘導(dǎo)結(jié)腸上皮中CA9蛋白表達(dá)增強(qiáng)。

2.2.2 納米顆粒物

納米材料是一種由基本顆粒組成的粉狀、團(tuán)塊狀的天然或人工材料，直徑在1～100 nm之間[81]。納米材料由于具有比表面積大和表面缺陷而產(chǎn)生的一系列新的不同于宏觀物質(zhì)的特性，目前已被廣泛應(yīng)用于涂料、電子產(chǎn)品、化妝品、日用品和生物醫(yī)藥等眾多領(lǐng)域[82]。納米材料及相關(guān)產(chǎn)品在其生產(chǎn)—儲(chǔ)存—運(yùn)輸—消費(fèi)—處置或回收再生產(chǎn)的生命周期中通過各種途徑直接或間接地進(jìn)入到環(huán)境介質(zhì)(如大氣、水體、土壤和沉積物等)中，對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康產(chǎn)生不可預(yù)知的影響[83]。

2.2.2.1 納米銀

納米銀(AgNPs)具有抗菌性和抗氧化性，在食品、化妝品和醫(yī)療用品等行業(yè)應(yīng)用廣泛[84]。Williams等[85]將SD大鼠暴露于AgNPs(9、18和36 mg·kg-1)中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大鼠腸道厚壁菌門、乳桿菌屬豐度明顯降低，免疫調(diào)節(jié)基因(muc3、tlr2、tlr4、gpr43和foxp3)表達(dá)水平降低，揭示AgNPs在直接誘導(dǎo)腸道免疫反應(yīng)的同時(shí)，也可以通過影響腸道菌群的結(jié)構(gòu)而誘導(dǎo)免疫反應(yīng)。Ma等[86]研究發(fā)現(xiàn)，將斑馬魚暴露于AgNPs(10、33和100 μg·mL-1)后，斑馬魚對AgNPs具有性別依賴性，AgNPs暴露后雄性斑馬魚腸道菌群豐度和多樣性顯著高于雌性斑馬魚。在雄性斑馬魚暴露組腸道梭桿菌豐度增加，變形菌豐度降低，而雌性斑馬魚暴露組腸道中梭桿菌和變形菌豐度沒有明顯變化。

2.2.2.2 納米二氧化鈦

2.2.3 微塑料

微塑料(microplastics)是一種新污染物，其廣泛分布于海洋和陸地。微塑料分為初生微塑料和次生微塑料兩大類，初生微塑料是指直接生產(chǎn)出來的直徑<5 mm的塑料顆粒，次生微塑料是由廢棄塑料經(jīng)物理、化學(xué)和生物過程分解形成的微型塑料顆粒[92-93]。Lu等[94]研究發(fā)現(xiàn)，雄鼠暴露于1 000 μg·L-1的微塑料后，腸道內(nèi)厚壁菌、α-變形桿菌和擬桿菌的豐度顯著降低，腸道菌群結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致肝甘油三酯(TG)和總膽固醇(TCH)水平降低，與脂肪酸生成和TG合成有關(guān)的關(guān)鍵基因ATP-CitrateLyase(Acl)、Acetyl-CoACarboxylase(Acc)表達(dá)水平下降，揭示微塑料改變雄鼠腸道菌群的組成，進(jìn)而影響雄鼠肝脂質(zhì)代謝。Jin等[40]將斑馬魚暴露于1 000 mg·L-1微塑料后，腸道內(nèi)擬桿菌和變形桿菌豐度降低，厚壁菌豐度升高，同時(shí)，IL1α、IL1β和IFN表達(dá)水平顯著升高(表2)。

表2 微納米顆粒污染物對腸道菌群影響及其毒性效應(yīng)Table 2 Effects of micro-nanoparticle pollutants on gut microbiota and their toxic effects

2.3 持久性有機(jī)污染物

持久性有機(jī)污染物(persistent organic pollutants)是指大自然環(huán)境中很難降解所以持久存在的有機(jī)污染物，具有致癌、致畸、致突變效應(yīng)[95]。有機(jī)氯農(nóng)藥、草甘膦是常見的持久性有機(jī)農(nóng)藥,多氯聯(lián)苯作為合成有機(jī)物用途廣泛，可作為熱載體、潤滑油等應(yīng)用于生產(chǎn)生活[96]。

2.3.1 有機(jī)氯農(nóng)藥

有機(jī)氯農(nóng)藥(organochlorine pesticides)污染是多氯有機(jī)合成的殺蟲劑所造成的環(huán)境污染。由于化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、難于分解，1970年以來對大多數(shù)發(fā)達(dá)國家禁止使用有機(jī)氯農(nóng)藥。滴滴涕(DDT)是典型有機(jī)氯農(nóng)藥之一，在神經(jīng)發(fā)育障礙、神經(jīng)退行性疾病中具有潛在影響[97]。研究者將小鼠暴露于DDE(1 mg·kg-1)中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小鼠腸道中厚壁菌、變形桿菌豐度增加，而擬桿菌、放線菌和疣微菌豐度降低，DDE改變了小鼠膽汁酸組成和其疏水性，膽汁酸代謝發(fā)生改變，膽汁酸代謝的改變可能誘導(dǎo)機(jī)體代謝紊亂[98-99]。

2.3.2 草甘膦

草甘膦(glyphosate)是農(nóng)業(yè)使用最普遍的除草劑之一，其與人類多種疾病的發(fā)病率存在相關(guān)性，如腎臟損壞、癌癥和神經(jīng)系統(tǒng)疾病等[100-101]。Motta等[102]將蜜蜂暴露于草甘膦(5 mg·L-1)后，結(jié)果顯示，腸道菌群的組成發(fā)生了很大改變，如雙歧桿菌、乳桿菌和艾維爾菌豐度明顯降低，蜜蜂長期暴露于草甘膦導(dǎo)致其死亡率增加。在另一項(xiàng)研究中，草甘膦卻對蜜蜂沒有明顯的毒性效應(yīng)。Blot等[103]將蜜蜂暴露于草甘膦(1.5 mmol·L-1和7.5 mmol·L-1)，結(jié)果表明，蜜蜂腸道艾維爾菌豐度明顯降低，而乳桿菌豐度增加，沒有明顯的毒性效應(yīng)。將小鼠暴露于草甘膦(250 mg·kg-1和500 mg·kg-1)中連續(xù)12周，結(jié)果顯示，小鼠腸道中厚壁菌、擬桿菌和乳桿菌豐度顯著降低，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群結(jié)構(gòu)與代謝產(chǎn)物的改變影響了色氨酸合成，而色氨酸是參與調(diào)控心理活動(dòng)的重要神經(jīng)遞質(zhì)，最終導(dǎo)致小鼠焦慮、抑郁的風(fēng)險(xiǎn)提高[104-105]。

2.3.3 多氯聯(lián)苯

4月13日，寧夏回族自治區(qū)食品藥品監(jiān)督管理局印發(fā)《寧夏食品藥品安全“黑名單”信息共享和聯(lián)合懲戒辦法》?！掇k法》規(guī)定，存在提供虛假證明、文件資料、樣品或者采取其他欺騙、賄賂等不正當(dāng)手段取得許可證或批準(zhǔn)證明文件；偽造、涂改、倒賣、出租、出借、轉(zhuǎn)讓許可證或批準(zhǔn)證明文件；受到吊銷許可證行政處罰；一年內(nèi)累計(jì)兩次因違反食品藥品相關(guān)法律法規(guī)規(guī)定受到責(zé)令停產(chǎn)停業(yè)處罰；逾期未主動(dòng)履行行政處罰決定等情形的食品藥品生產(chǎn)經(jīng)營者或責(zé)任人員將被納入黑名單。被納入黑名單者，將在申請政府性資金支持、取得政府供應(yīng)土地、申請辦理行政審批等多個(gè)領(lǐng)域受到限制或懲戒。

多氯聯(lián)苯(PCBs)具有致癌性，2001年《斯德哥爾摩公約》將多氯聯(lián)苯列為公約受控物質(zhì)之一，其主要存在于水體、土壤、大氣中[106]。Cheng等[107]的研究表明，小鼠暴露于PCBs后，腸道菌群組成發(fā)生了很大改變。與對照組相比，腸道內(nèi)阿克曼氏菌(Akkermansia)、梭狀芽胞桿菌、腸球菌豐度顯著增加，多氯聯(lián)苯通過宿主腸肝軸與腸道細(xì)菌之間發(fā)生相互作用，導(dǎo)致膽汁酸代謝紊亂。Petriello等[108]研究發(fā)現(xiàn)，將小鼠暴露于PCB126(1 μmol·kg-1)，腸道厚壁菌豐度顯著增加，擬桿菌豐度降低，Cyp1a1基因上調(diào)，宿主腸道菌群失調(diào)、代謝紊亂而引起腸道和全身性炎癥。Choi等[109]的研究表明，小鼠口服PCBs(150 μmol·kg-1)后，腸道變形桿菌的豐度顯著降低，擬桿菌、放線菌豐度增加。PCBs不僅影響小鼠腸道菌群的結(jié)構(gòu)，而且誘導(dǎo)腸屏障功能損壞以及免疫功能障礙(表3)。

表3 持久性有機(jī)污染物對腸道菌群影響及其毒性效應(yīng)Table 3 Effects of persistent organic pollutants on gut microbiota and their toxic effects

2.4 抗生素

抗生素(antibiotics)是指用于殺滅或抑制存在于人類和動(dòng)物宿主內(nèi)細(xì)菌的天然、半合成或合成的化合物，在過去的幾十年間，大量的抗生素產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于人類以及動(dòng)物的臨床治療[110-111]。研究發(fā)現(xiàn)，抗生素被機(jī)體攝入吸收后，絕大部分通過糞便和尿液排出體外，對土壤和水體等環(huán)境介質(zhì)造成污染，并且環(huán)境中積累的抗生素通過生物鏈對人體和動(dòng)物健康產(chǎn)生威脅[112]。常見的抗生素根據(jù)其化學(xué)分子結(jié)構(gòu)主要分為三大類別：β-內(nèi)酰胺類(β-lactam antibiotics)、氨基糖苷類(aminoglycoside antibiotics)和多肽類(polypeptide antibiotics)。

2.4.1β-內(nèi)酰胺類

Cox等[113]研究發(fā)現(xiàn)，小鼠暴露于低劑量青霉素(penicillin)后，腸道內(nèi)乳桿菌、念珠菌(Candida)豐度顯著降低。青霉素通過影響腸道菌群結(jié)構(gòu)從而改變了宿主能量代謝，最終促進(jìn)脂質(zhì)堆積。Jin等[114]用青霉素(1 μg·g-1)處理小鼠后，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小鼠腸道內(nèi)厚壁菌豐度顯著降低，而擬桿菌和變形菌豐度升高，且腸道內(nèi)促炎細(xì)胞因子IL-17表達(dá)水平以及輔助性T細(xì)胞17(T helper cell 17, Th17)含量顯著下降[114]。在另一項(xiàng)研究中，小鼠攝入青霉素(60 μg·mL-1)后，結(jié)果顯示，小鼠腸道內(nèi)擬桿菌與厚壁菌的比例有所降低[114]。萬群等[116]研究發(fā)現(xiàn)，小鼠暴露于頭孢曲松(ceftriaxone)后，腸道菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生很大改變。與對照組相比，小鼠腸道內(nèi)擬桿菌豐度顯著降低，而腸球菌等腸道潛在病原菌豐度增加，這可能是導(dǎo)致小鼠腸粘膜損傷及腸上皮細(xì)胞功能低下的重要原因之一。Guo等[117]的研究表明，小鼠經(jīng)頭孢曲松(400 mg·mL-1)暴露后，腸道內(nèi)腸球菌、埃希氏桿菌(Escherichia)豐度顯著升高。

2.4.2 氨基糖苷類

Russell等[118]將小鼠暴露于鏈霉素(streptomycin)后，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小鼠腸道內(nèi)紫單胞菌(Porphyromonadaceae)及擬桿菌相對豐度顯著升高。Bazett等[119]的研究顯示，小鼠經(jīng)鏈霉素(200 mg·L-1)治療后，腸道內(nèi)乳桿菌豐度顯著下降，同時(shí)，肺及腸系膜淋巴結(jié)中免疫細(xì)胞水平有所增加。Hammami等[120]研究發(fā)現(xiàn)，小鼠暴露于卡那霉素(kanamycin)后，腸道內(nèi)雙歧桿菌相對豐度顯著下降。

2.4.3 多肽類

Isaac等[121]研究發(fā)現(xiàn)，人體攝入低劑量萬古霉素(vancomycin)后，腸道內(nèi)擬桿菌豐度減少，而變形菌、梭桿菌豐度顯著增加，并且該變化在脫離萬古霉素暴露后仍可持續(xù)很長時(shí)間。萬古霉素不僅影響人體腸道菌群的組成，且增強(qiáng)了病原菌在腸道內(nèi)定殖。Cheng等[122]將小鼠暴露于萬古霉素(50 mg·kg-1)后，腸道菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化。與對照組相比，腸道內(nèi)擬桿菌、變形菌以及厚壁菌豐度顯著下降。Kuno等[123]的研究顯示，將小鼠暴露于萬古霉素和多粘菌素B(polymyxin B)后，腸道內(nèi)革蘭氏陽性菌(主要為厚壁菌)和革蘭氏陰性菌(主要為變形桿菌)相對豐度顯著降低，抗生素暴露改變了腸道菌群的組成，從而導(dǎo)致小鼠能量代謝失調(diào)(表4)。

表4 抗生素對腸道菌群影響及其毒性效應(yīng)Table 4 Effects of antibiotics on gut microbiota and their toxic effects

2.5 復(fù)合污染物

我國環(huán)境問題呈現(xiàn)從局部到整體、從單一污染到復(fù)合污染的特征。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)、工業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生的排放物在生態(tài)環(huán)境中共存，再加上各類降解產(chǎn)物，形成典型的復(fù)合污染現(xiàn)狀，如農(nóng)業(yè)活動(dòng)常造成重金屬和農(nóng)藥各組分發(fā)生相互作用，產(chǎn)生復(fù)合污染；工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的高爐干渣、含重金屬塵泥、生物污泥和各類粉塵，形成重金屬復(fù)合污染、有機(jī)物復(fù)合污染、金屬-有機(jī)物復(fù)合污染[124-125]。復(fù)合污染物的風(fēng)險(xiǎn)評估目前有2種方式：(1)整體評估，復(fù)合物組分及組分之間的相互作用未知；(2)基于混合物成分評估，確定混合物的組分及各個(gè)組分之間相互作用(加和/協(xié)同/拮抗)[126]。

雙酚A(BPA)是世界上應(yīng)用最廣泛的工業(yè)化合物之一。BPA無處不在，食品和飲料瓶內(nèi)側(cè)涂層、醫(yī)療器材和牙齒填充密封膠中都有它的“身影”[127]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，BPA可使動(dòng)物產(chǎn)生早熟、精子數(shù)下降等[128-129]。此外，其他研究表明，BPA具有胚胎毒性和致畸性，可導(dǎo)致動(dòng)物卵巢癌、前列腺癌等疾病的發(fā)生[130]。TiO2NPs獨(dú)特的理化特性可作為BPA載體，增加生物膜透過性并提高BPA生物體利用度，Chen等[131]研究復(fù)合污染物及其組分分別對雄性斑馬魚腸道菌群的影響，與對照組相比，單一TiO2NPs(100 μg·L-1)暴露后，斑馬魚腸道內(nèi)厚壁菌、擬桿菌豐度升高，而變形菌豐度降低，TJP2蛋白表達(dá)水平增加；單一BPA (2 μg·L-1)暴露后，斑馬魚腸道放線菌豐度升高，血清素水平和IL1β蛋白表達(dá)量降低；單一BPA(20 μg·L-1)暴露后，斑馬魚放線菌豐度升高，而變形菌豐度降低，腸道血清素水平降低，IL1β表達(dá)水平升高；共暴露TiO2NPs(100 μg·L-1)和BPA(2 μg·L-1)后，斑馬魚腸道菌群結(jié)構(gòu)沒有顯著變化，表明TiO2NPs和BPA在斑馬魚腸道中起拮抗作用；共暴露TiO2NPs(100 μg·L-1)和BPA(20 μg·L-1)后，斑馬魚腸道內(nèi)厚壁菌顯著升高，變形菌豐度降低，TJP2和IL1β蛋白表達(dá)水平升高，表明TiO2NPs和BPA在腸道中起協(xié)同作用。Chen等[132]研究發(fā)現(xiàn)，大鼠暴露于空氣污染物(PM2.5、SO2、NO2和CO)中連續(xù)90 d后，腸道菌群多樣性顯著降低。與對照組相比，腸道擬桿菌、變形桿菌豐度降低。

3 環(huán)境污染物和腸道菌群的作用機(jī)制(Interaction mechanism between environmental pollutants and gut microbiota)

腸道菌群的結(jié)構(gòu)與功能是衡量腸道微生態(tài)的重要指標(biāo)[133]。腸道菌群結(jié)構(gòu)與菌群的數(shù)量和種類有關(guān)，而腸道菌群的功能則與菌群代謝活動(dòng)以及終產(chǎn)物有關(guān)[134]。環(huán)境污染物影響腸道菌群作用機(jī)制包括：(1)不可分解的環(huán)境污染物進(jìn)入腸道，直接破壞了腸道穩(wěn)態(tài)，擾動(dòng)腸道菌群，改變其多樣性；(2)可被分解的環(huán)境污染物參與了腸道菌群的代謝，改變了腸道菌群代謝活性，從而影響宿主生理功能，并通過新的代謝產(chǎn)物發(fā)揮其毒性效應(yīng)，如圖1(a)所示。環(huán)境污染物影響腸道菌群的結(jié)構(gòu)和功能，從而對機(jī)體產(chǎn)生毒性效應(yīng)。反之，腸道菌群也可以通過還原、裂解、功能性基因轉(zhuǎn)移、水解以及酶促等化學(xué)反應(yīng)來代謝環(huán)境污染物，從而調(diào)控環(huán)境污染物對機(jī)體的毒性效應(yīng)，因此腸道菌群對環(huán)境污染物的影響也是不可忽視的[135]。腸道菌群影響環(huán)境污染物作用機(jī)制包括：(1)環(huán)境污染物進(jìn)入胃腸道后通過腸道蠕動(dòng)到達(dá)小腸遠(yuǎn)端和盲腸，最終被胃腸道微生物群直接代謝[136-137]；(2)環(huán)境污染物進(jìn)入胃腸道容易被吸收，經(jīng)門靜脈血液運(yùn)送至肝臟，再通過肝臟氧化后進(jìn)一步與葡萄糖醛酸、硫酸鹽、谷胱甘肽結(jié)合形成共軛體，共軛體再和膽汁酸一起進(jìn)入腸道并和腸道微生物發(fā)生相互作形成容易被腸道吸收的小分子代謝物或形成新的有毒代謝物[138-139]，如圖1(b)所示。

圖1 環(huán)境污染物與腸道菌群相互作用示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the interaction between environmental pollutants and gut microbiota

宿主在環(huán)境污染物作用下腸道菌群組成和代謝發(fā)生變化，不僅誘導(dǎo)腸道菌群失調(diào)也改變了小分子代謝物的活性和對異常代謝物的清除能力，增加腸道對有害物的易感性，從而導(dǎo)致各種疾病的發(fā)生。

4 研究展望(Research outlook)

腸道菌群是維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的重要因素之一。越來越多的研究表明，進(jìn)入體內(nèi)的環(huán)境污染物可以引發(fā)腸道菌群結(jié)構(gòu)、組成、數(shù)量、比例和代謝的改變，而菌群失調(diào)將會(huì)導(dǎo)致一系列的健康問題，包括腸道疾病(如克羅恩病、腸易激綜合征、便秘、腹瀉、脹氣和消化不良等)、代謝綜合癥(高血脂、高血壓、肥胖和糖尿病)、免疫力低下、心臟病、營養(yǎng)不良、過敏、哮喘、癌癥和精神疾病(如抑郁癥和自閉癥)。盡管目前腸道菌群在環(huán)境污染物健康效應(yīng)中的調(diào)控作用已引起人們的關(guān)注，并希望通過調(diào)控腸道菌群作為慢性代謝性疾病、心血管疾病以及惡性腫瘤的潛在治療新靶點(diǎn)，但是相關(guān)機(jī)制研究正處起步階段?，F(xiàn)有的研究結(jié)果表明，環(huán)境污染物的種類和劑量會(huì)對腸道菌群的結(jié)構(gòu)、功能及代謝產(chǎn)生影響，然而由于環(huán)境污染物的多樣性，腸道微生態(tài)的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性，使得研究結(jié)果多基于現(xiàn)象描述，缺乏系統(tǒng)的機(jī)制研究。究其原因主要有：(1)腸道菌群不同于生物學(xué)表型，它存在可逆的過程，目前受限于技術(shù)，無法對腸道菌群進(jìn)行實(shí)時(shí)的觀測記錄；(2)腸道菌群受環(huán)境、個(gè)體等不確定因素的影響巨大。目前的大部分研究處于起步階段，并沒有一種公認(rèn)的成熟的方法去探究機(jī)制。

因此，在未來的研究中，一方面需要完善實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，減少操作誤差，擴(kuò)大樣本數(shù)量，讓相同實(shí)驗(yàn)條件暴露后的結(jié)果趨于一致，增加結(jié)果的可信度和說服力；另一方面，需要進(jìn)一步探究機(jī)制關(guān)系并建立方法，從深層次的分子機(jī)制、代謝通路、污染物和腸道菌群的理化互作關(guān)系等物理化學(xué)多個(gè)角度去探究腸道菌群發(fā)揮作用的機(jī)制。讓環(huán)境污染物與腸道菌群的研究更加的標(biāo)準(zhǔn)化，更具有科學(xué)依據(jù)。此外，如何通過改變腸道菌群來拮抗或者減弱環(huán)境污染物的影響，也是未來需要重點(diǎn)關(guān)注的方向。通過改變腸道菌群預(yù)防污染物帶來的毒性效應(yīng)，有著重要的生物學(xué)意義和良好的臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景。

◆