馮宇希，馮乃憲，陳昕，王一澤，郭靜婕，莫測輝

暨南大學生命科學與技術學院，廣州 510632

在哺乳動物的胃腸道中，微生物的數(shù)量高達1012～1014個，是體內細胞的10倍以上[1-2]。人體腸道微生物基因組編碼約有330萬個非冗余微生物基因，約為人類基因組的150倍[1-3]。因此，腸道微生物也被稱為人體的“第二基因組”[4]。腸道微生物主要由細菌、真菌、古菌、原生動物和病毒組成，其中，細菌是胃腸道中最重要的菌群，主要包括厚壁菌門、擬桿菌門、放線菌門、變形菌門、梭菌門和疣微菌門[5]，成年人胃腸道微生物中99%以上的基因來自細菌。消化道不同部位的pH、免疫因子和消化酶類不同，其相應的微生物數(shù)量和組成存在較大差異，如細菌數(shù)量由高到低依次為盲腸和結腸(1010～1011CFU·mL-1)、小腸(107～108CFU·mL-1)、空腸(103～105CFU·mL-1)、十二指腸(103～104CFU·mL-1)、胃部(<104CFU·mL-1)[6-7]。研究表明，由于個體基因型、所處地理位置、生活方式和年齡的差異，其腸道微生物群落結構和多樣性存在明顯差異[4-8]。例如城市化程度越高，人體腸道微生物的多樣性和豐富度越低，而偏遠鄉(xiāng)村居民的腸道微生物中普氏菌屬所占的比例更高[9]。

作為人體的重要“代謝器官”[10]，腸道微生物在維持宿主腸內平衡、調節(jié)機體各種生理活動等方面發(fā)揮著重要作用[11]。腸道微生物的主要功能可以歸納為：維護腸道上皮細胞的屏障功能(機械屏障、化學屏障、生物屏障和免疫屏障)；抑制病原體粘附于腸道表面；調節(jié)免疫系統(tǒng)；代謝不易消化的食物，如植物多糖纖維素等；產生益生代謝產物，如短鏈脂肪酸(SCFAs)和維生素等[11-13]。腸道微生物失調可導致促炎癥的腸腔內環(huán)境，引起代謝紊亂和慢性炎癥。研究表明，克羅恩病、肥胖、糖尿病和癌癥等疾病的發(fā)生與腸道菌群的改變密切相關[14]。另外，肝臟是人體最大的消化腺，與腸道具有密切的功能關系，腸道受損使肝臟直接暴露于腸源性內毒素，同樣，肝臟正常的生理功能遭到破壞很大可能導致腸道功能紊亂[15]。腸道菌群與腸道和肝臟互作機制也越來越引起人們的關注。

目前，關于環(huán)境污染物對腸道菌群影響的研究主要集中于腸道菌群的結構和多樣性，對于環(huán)境污染物、腸道微生物和宿主健康之間互作機制研究鮮有報道。環(huán)境污染物主要通過攝食進入人體消化道，其與腸道微生物相互作用，破壞腸道菌群穩(wěn)態(tài)，導致機體代謝異常、營養(yǎng)吸收障礙和免疫系統(tǒng)功能紊亂等[16]。

隨著宏基因組、宏代謝組、宏轉錄組和宏蛋白組技術的出現(xiàn)，讓我們更清晰的認識到環(huán)境污染物與腸道微生物/宿主健康之間的因果關系。本文綜述了不同環(huán)境污染物誘導腸道紊亂的機制，提出了以腸道菌群為靶器官分析污染物對宿主健康影響的關鍵步驟，為腸道微生物毒理學研究提供新的思路。

1 環(huán)境污染物對腸道微生物的影響(Effects of pollutant on gut microbiota)

1.1 重金屬對腸道微生物的影響

由于持久性、生物富集性和微量致毒性，重金屬已經成為全球環(huán)境污染問題[17]。多種重金屬被世界衛(wèi)生組織(WHO)和國際癌癥研究機構(IARC)列為食品污染重點控制對象。近年來，關于重金屬對腸道菌群影響的研究多有報道，以腸道菌群為研究對象，為評價重金屬污染對人體健康威脅提供了一種新的思路。

1.1.1 Cd對腸道微生物的影響

Cd是自然環(huán)境中對人體和動物毒性最強的重金屬之一，被聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署列為全球性危險物質之首，并被WHO確定為優(yōu)先控制食品污染物[18]。Cd暴露會引起宿主腸道菌群失調和代謝異常[19-23]。研究發(fā)現(xiàn)，Cd改變哺乳動物腸道菌群的群落結構，由于Cd的暴露，成年大鼠腸道內的厭氧菌、好氧菌和乳酸菌均顯著減少，小鼠腸道微生物枝菌屬(Alistipes)和內臟臭氣桿菌(Odoribacter)的豐度顯著增加，而柔膜細菌目(Mollicutes)和瘤胃球菌科(Ruminococcaceae)的豐度顯著減少；另外，Cd污染造成腸道真核生物、細菌和病毒的豐度分別降低了0.14%、1.22%和2.52%，而古菌的豐度則增加了99.16%[24]。Cd污染改變了與腸道微生物碳代謝、蛋白質和氨基酸代謝及合成、葡萄糖代謝、氧化磷酸化、谷胱甘肽代謝相關的基因表達[23]，其中，參與短鏈脂肪酸的關鍵基因拷貝數(shù)明顯低于對照組，由于結腸短鏈脂肪酸水平明顯下降，影響腸上皮細胞的能量供應、腸腔pH和電解質平衡、腸道高敏感和腸道動力的調節(jié)、抗炎及抗腫瘤作用等腸道生理功能，可能誘發(fā)腸道相關疾病[20-25]。

腸道微生物具有限制重金屬進入機體內環(huán)境的功能。例如，用Cd灌胃6周的小鼠毒性實驗結果表明，無菌小鼠肝臟、腎、血液和腸道的Cd含量是普通SPF小鼠的5倍～10倍，說明腸道微生物可以顯著減少腸道重金屬的生物利用度[26]。研究發(fā)現(xiàn)，普通SPF小鼠腸道組織內的金屬硫蛋白相關基因Mt1和Mt2相對表達量較低，因此，重金屬不易被運送至外周血液[26]。普通SPF小鼠與無菌小鼠在生理結構上也有不同，無菌小鼠上皮細胞周轉降低[27]，腸道蠕動緩慢，雖然主動吸收不受腸道微生物的影響，但被動吸收在無菌狀態(tài)下會增加[28]，這些因素都促使無菌小鼠比普通SPF小鼠組織器官內所累積的重金屬要多。

1.1.2 As對腸道微生物的影響

人體As暴露的途徑主要是通過攝入被污染的飲用水和食物，腸道菌群最易受到影響。研究發(fā)現(xiàn)，As暴露可以改變兒童腸道菌群豐度，高濃度As暴露的兒童糞便中變形菌門(Proteobacteria)的豐度高于低濃度As暴露相關菌群的豐度[29]。小鼠As暴露(10 mg·L-1)4周后，腸道微生物組成和代謝發(fā)生明顯變化，其中，厚壁菌門(Firmicutes)豐度降低，擬桿菌門(Bacteroidetes)豐度增加，腸道中脂質代謝產物、含吲哚代謝產物、異黃酮代謝產物和膽汁酸代謝產物發(fā)生改變[30]。As和Fe共同暴露導致小鼠腸道菌群中乳桿菌(Lactobacillus)豐度增加，As或Fe單獨暴露后，擬桿菌門(Bacteroidetes)、巴恩斯氏菌屬(Barnesiella)和擬桿菌屬(Bacteroides)菌屬的豐度降低，表明Fe暴露能夠拮抗As對腸道微生物影響[31]。胃腸道和腸道微生物模擬實驗中，同樣發(fā)現(xiàn)Fe對As代謝和毒性具有一定的拮抗作用[32]。Chi等[33]通過宏基因組技術研究了As對小鼠腸道微生物的影響機制，在碳水化合物代謝方面，丙酮酸發(fā)酵、短鏈脂肪酸合成和淀粉利用等方面發(fā)生了顯著的變化。

1.1.3 Cr對腸道微生物的影響

Cr是環(huán)境中常見的重金屬，通常有Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)2種形式[32]。其中，Cr(Ⅵ)被美國環(huán)境保護局(US EPA)列為A類人類致癌物和優(yōu)先控制污染物[32]。與Cr(Ⅵ)不同，Cr(Ⅲ)通常用作動物和人體微量元素和營養(yǎng)元素，而且Cr(Ⅲ)的遷移性差，很難被人體吸收[34]。盡管Cr是人體的必需元素，但過量攝入會導致過敏反應以及腫瘤等。飲用水中Cr(Ⅵ)含量在1～10 mg·L-1時對人體是安全的，因為胃腸道能夠將Cr(Ⅵ)轉化為Cr(Ⅲ)[35]。大鼠經Cr(Ⅵ)(10 mg·L-1)暴露10周后，對其盲腸菌群進行富集培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)Cr(Ⅵ)能夠刺激乳桿菌(Lactobacillus)、假單胞菌屬(Pseudomonasspp.)和大腸桿菌(Escherichiacoli)等菌屬的增長，可能起到Cr益生元的作用[36]。Wu等[37]的研究表明，7周1 mmol·L-1Cr(Ⅵ)處理下，小鼠腸道微生物中變形菌門、擬桿菌門和放線菌門發(fā)生了顯著改變[37]，說明Cr(Ⅵ)對腸道微生物具有一定的影響。

1.1.4 Pb對腸道微生物的影響

Pb能夠中斷機體能量的產生和其他代謝過程[38]，而腸道微生物在機體代謝中起著至關重要的作用。Pb污染暴露導致成年雄性斑馬魚腸道中粘液體積增加，腸道微生物的豐富度和多樣性顯著變化。α-變形菌門(α-Proteobacteria)的豐度顯著降低，厚壁菌門(Firmicutes)的豐度顯著增加。微生物代謝產物分析結果顯示，共有41種代謝產物顯著變化，這些變化主要與果糖和脂類代謝、氨基酸代謝和核苷酸代謝的通路有關[39]。Pb暴露改變了腸道微生物群落結構/多樣性，還對維生素E、膽汁酸、氮代謝、能量代謝、氧化應激和防御/解毒機制等多種代謝途徑均有明顯干擾[40]。Pb不但能對腸道微生物產生顯著的影響，通過腸-肝軸影響肝臟脂質代謝相關的關鍵基因表達，導致肝臟代謝紊亂[39]。

腸道微生物可能通過主動攝入或被動吸收而減少重金屬對機體的傷害。腸道微生物還可以通過多種方式抑制重金屬從腸道向外周血液或組織擴散。腸道微生物對污染物的響應特征和外部環(huán)境中的微生物類似，它們可以通過細胞壁將重金屬結合，如與肽聚糖和磷壁酸的離子交換反應，通過核形成的反應產生沉淀，與氮氧配體絡合等。生物吸附、氧化和生物積累/酶還原是微生物與有毒金屬相互作用的生物化學過程[41]。腸道微生物還可以維持腸道屏障的完整性，并且腸道微生物及其代謝產物可以調節(jié)腸道內環(huán)境，包括pH值、氧化平衡和酶活性等，這些均對腸道抵抗重金屬污染的能力產生影響。以上研究結果顯示，代謝產物是污染物誘導下腸道微生物健康評價的重要生物標記物。據(jù)報道，與機體碳水化合物、脂類和氨基酸代謝有關的代謝產物能夠調控腸道微生物群落結構和豐度變化[31]。重金屬脅迫下，碳水化合物和無機離子的轉運代謝、次生代謝產物的生物合成、轉運和分解代謝以及氨基酸轉運代謝的相關基因表達豐度均發(fā)生顯著變化，說明重金屬脅迫能夠誘導腸道微生物群落結構及豐度變化而引發(fā)疾病。環(huán)境污染物誘導腸道微生物群落結構和功能的改變，從而使代謝產物改變，代謝產物的改變又反過來影響腸道微生物和宿主健康。除了腸道微生物代謝分析外，轉錄組也是表征污染物對腸道微生物影響的重要手段，是研究污染物、腸道微生物及其代謝產物共同作用于腸道細胞的重要表征手段。

1.2 持久性有機污染物對腸道微生物的影響

持久性有機污染物(persistent organic pollutants, POPs)已經成為全球性的問題，引起了各國政府的高度重視，主要包括有機氯農藥、多氯聯(lián)苯、多溴聯(lián)苯醚和多環(huán)芳香烴等。食物和水的攝入被認為是POPs主要的暴露途徑，長期飲食中接觸POPs也可能導致肥胖和2型糖尿病[42]。POPs的化學性質與重金屬截然不同，這就導致其對腸道微生物及宿主健康的作用機制也不同。

1.2.1 多環(huán)芳烴(PAHs)對腸道微生物的影響

PAHs具有較大的致癌作用。肝中的酶可將PAHs轉化為水溶性共軛代謝物，這些代謝物有時比其相應的母體化合物的毒性更大[43]。人體攝入的PAHs進入腸細胞和肝細胞可作為多環(huán)芳烴受體(AhR)配體，腸道微生物可以催化PAHs轉化為環(huán)境激素。這種生物激素可能是PAHs毒性的潛在機制[44]。肝臟代謝物通過膽汁排泄到腸道，其代謝產物在腸道中的歸趨及其對腸道微生物的影響尚不清楚。大西洋鱈魚(Gadusmorhua)暴露于0.0～0.1 mg·L-1原油污染物28 d后，在其膽汁中檢測到了PAHs的代謝產物，較高濃度的原油暴露導致大西洋鱈魚腸道微生物整體多樣性喪失，菌群結構發(fā)生改變，其中，紫單胞菌科(Porphyromonadaceae)、理研菌屬(Rikenella)、瘤胃菌科(Ruminococcaceae)、另枝菌屬(Alistipes)和梭菌目(Clostridiales)等不同菌的相對豐度降低，脫硫桿菌目(Deferribacterales)相對豐度在增加，脫鐵桿菌目(Deferribacterales)可能作為大西洋鱈魚受原油污染后健康狀況的微生物標記[45]。喂食小鼠劑量為50 mg·kg-1的苯并芘(B[a]P)，小鼠回腸黏膜和結腸黏膜均表現(xiàn)出炎癥反應，在其糞便中擬桿菌科(Bacteroidaceae)擬桿菌屬(Bacteroides)、帕拉普氏菌科(Paraprevotellaceae)帕拉普氏菌屬(Paraprevotella)和產堿桿菌科(Alcaligenaceae)等菌的比例在增加，乳酸細菌科(Lactobacillaceae)羅伊氏乳桿菌(Lactobacillus)和瘤胃菌科(Ruminococcaceae)顫螺菌屬(Oscillospira)的比例減少[46]。Defois等[47]運用體外培養(yǎng)方法進一步的分析了B[a]P對人糞便腸道微生物轉錄組和代謝組的影響，B[a]P暴露未引起糞便中微生物結構的顯著變化，但表征微生物生物活性的揮發(fā)性有機物(VOCs)發(fā)生了改變，與維生素和輔助因子代謝、細胞壁復合代謝、DNA修復和復制系統(tǒng)、芳香族化合物代謝等多種代謝途徑相關的轉錄本水平上調，而與糖酵解-糖異生途徑和細菌趨化作用有關的轉錄本水平下調，再次證實了B[a]P會改變人體腸道微生物群的活動[47]。

1.2.2 多氯聯(lián)苯(PCBs)對腸道微生物的影響

Zhang等[48]研究發(fā)現(xiàn)，2,3,7,8-四氯二苯并呋喃(TCDF)改變了小鼠腸道菌群中與膽汁酸代謝有關的厚壁菌門(Firmicutes)和擬桿菌門(Bacteroidetes)的比例，同時發(fā)現(xiàn)丁酸弧菌(Butyrivibriospp.)的豐度增加，示波桿菌(Oscillobacterspp.)豐度降低，并且TCDF還能夠抑制法尼醇X受體信號通路，導致炎癥反應和宿主代謝紊亂，并以AhR依賴的方式改變肝脂肪生成、糖異生和糖原分解。PCBs和高脂飲食互作可以顯著改變細菌厚壁菌門(Firmicutes)和擬桿菌門(Bacteroidetes)的比例和豐度。暴露于PCBs導致了更高的體脂百分比，腹部皮下脂肪細胞更大，促炎細胞因子包括TNF-α、iNOS和IL-6的表達增加[49]。環(huán)境污染物對腸道微生物毒性的常見機制和指示性細菌，通常是通過雌激素受體(ER)和AhR介導的信號傳導[50]。斑馬魚對阿特拉津和PCBs具有化合物依賴和性別依賴的特點，但主成分分析結果顯示，ER和AhR在參與腸道微生物失調方面起的作用較小。通過對腸道活力、上皮滲透性、炎癥和氧化應激的評估可知，其對腸道和肝臟生理功能有不同程度的損害[50]。

1.2.3 多溴聯(lián)苯醚(PBDEs)對腸道微生物的影響

PBDEs具有較低的溴代同源物，會破壞甲狀腺系統(tǒng)的功能并損害中樞神經系統(tǒng)的發(fā)育，其對腸道微生物的影響目前研究的還非常少。將成年斑馬魚持續(xù)暴露于5.0 ng·L-1的五溴代混合物(DE-71)，斑馬魚腸道微生物的改變具有性別依賴特點，支原體(Mycoplasma)、瘤胃梭菌屬(Ruminiclostridium)、厚壁菌屬(Firmicutessensustricto)和梭桿菌屬(Fusobacterium)等微生物種群從腸道菌群中消失。同時，腸道細菌代謝功能也受DE-71的影響，包括能量代謝、毒力、呼吸、細胞分裂、細胞信號和應激反應等。腸道微生物通過促進有利菌屬的繁殖，減少不利菌屬的生存，在DE-71脅迫下，菌群相互作用，建立適者生存群落。同時發(fā)現(xiàn)斑馬魚腸道微生物與生理活動(如氧化應激、解毒、神經傳遞和上皮細胞完整性)的顯著相關性[11]。

1.3 農藥對腸道微生物的影響

農藥可以通過食物鏈傳遞給人和動物，由于一些農藥具有強效的抗菌活性，因此會對腸道微生物產生不利影響。農藥對腸道微生物的組成和代謝有較大影響。研究表明，殺蟲劑二嗪農對小鼠腸道微生物群落結構的影響具有性別特異性，如毛螺菌科(Lachnospiraceae)的微生物在雄性和雌性小鼠腸道中顯著降低，而潛在流行性致病菌如伯克氏菌目(Burkholderiales)只在雄性小鼠中觀察到，毛螺菌科(Lachnospiraceae)、瘤胃菌科(Ruminococcaceae)、梭菌科(Clostridiaceae)和丹毒絲菌科(Erysipelotrichaceae)科的細菌則在對于雌性小鼠腸道菌群中減少；一些參與神經遞質及相關代謝物合成的關鍵基因表達受到干擾，尤其是雄性動物，如色氨酸合成酶β鏈顯著降低，而雌性小鼠中沒有明顯變化；同時還發(fā)現(xiàn)，由腸道中厭氧菌屬(Bacteroides)、梭菌屬(Clostridium)、真桿菌屬(Eubacterium)、乳桿菌(Lactobacillus)和埃希氏菌屬(Escherichia)及好氧菌放線菌門(Actinobacteria)和變形菌門(Proteobacteria)共同調控的膽汁酸豐度也明顯改變[51-52]。Lozano等[53]研究發(fā)現(xiàn)，草甘膦對于腸道微生物的影響具有一定的性別依賴特征[53]。這種性別依賴反應可能顯示出一種內分泌-腸道微生物群關系[54]。二嗪農是具有內分泌干擾作用的化合物，雌性激素誘導腫瘤發(fā)病率的增加可能與腸道微生物性別依賴有關[55-56]，這一機制目前還不清楚。

草甘膦能夠影響昆蟲如蜜蜂的行為和繁殖能力。草甘膦能影響蜜蜂腸道微生物組成，一些蜜蜂腸道微生物和菌株對草甘膦的敏感性不同，與它們是否具有5-烯醇式丙酮酰莽草酸-3-磷酸合成酶(EPSPS)基本一致：Ⅰ類(對草甘膦敏感)或Ⅱ類(對草甘膦不敏感)；腸道菌群的失調會增加致病菌粘質沙雷菌(Serratiamarcescens)入侵幾率，最終影響蜜蜂的發(fā)育、營養(yǎng)和抵御天敵的能力，這些腸道微生物的干擾可能會使蜜蜂更容易受到環(huán)境壓力的影響，包括營養(yǎng)不良和病原體入侵[57]。

一些農藥不僅干擾腸道微生物，而且會破壞機體腸道屏障，導致炎癥反應和胃腸道疾病的發(fā)生。毒死蜱(CPF)也是一種有機磷殺蟲劑。Condette等[58]的研究表明，慢性CPF暴露對上皮屏障有很強的影響，尤其是消化系統(tǒng)還不成熟時。在部分腸段，ZO-1和claudin 4的細胞定位發(fā)生改變。最后觀察到脾臟的細菌移位[58]。因此，CPF誘導下，TJ蛋白表達和定位的改變可能與該模型中的腸屏障功能障礙有關。大分子和腸道病原菌不受控制地通過腸道上皮可能是消化道炎癥疾病的危險因素。

有機氯農藥p,p’-滴滴伊(p,p’-DDE)和β-六六六(β-HCH)對小鼠腸道微生物和膽汁酸代謝的影響顯示，p,p’-DDE和β-HCH能夠增加厚壁菌門(Firmicutes)和變形菌門(Proteobacteria)的豐度，而降低擬桿菌門(Bacteroidetes)、疣微菌門(Verrucomicrobia)、放線菌門(Actinobacteria)和糖化細菌門(Candidatus Saccharibacteria)的豐度。p,p’-DDE和β-HCH改變腸道微生物結構的同時，減少了回腸膽汁酸的再吸收，增強肝膽汁酸的合成。因此，p,p’-DDE和β-HCH暴露可能引起膽汁酸代謝紊亂，可能引起人類相關疾病[59]。對暴露于啶酰菌胺、克菌丹、毒死蜱、噻吩酸酯、噻蟲啉和福美鋅混合物中的小鼠進行研究發(fā)現(xiàn)，這些污染物對小鼠腸道微生物的擾動非常大，該研究發(fā)現(xiàn)即使在日耐受攝入量許可的范圍內，混合農藥仍然會導致小鼠腸道微生物紊亂，從而導致肥胖癥或糖尿病[60]。

1.4 抗生素對腸道微生物的影響

抗生素是指一類用于殺死或抑制存在于人類和動物宿主內細菌的天然、半合成或合成的化合物[61]，主要包括有β-內酰胺類、氨基糖苷類、大環(huán)內酯類、四環(huán)素類、喹諾酮類和磺胺類等?？股氐膹V泛使用導致耐藥菌株以及各種胃腸道、過敏和藥物特異性反應的出現(xiàn)，5%～35%的治療人群出現(xiàn)抗生素相關性腹瀉[62]。抗生素可以直接作用在腸道微生物，即使某些抗生素濃度很低，也會導致腸道微生物群落結構發(fā)生變化。長期暴露于抗生素，腸道就成為培養(yǎng)耐藥菌株的溫床。除了關注藥物劑量的抗生素誘導的腸道微生物失調與人類健康關系外，也應該關注環(huán)境劑量抗生素誘導腸道微生物產生抗性的機制。

在微量濃度的情況下，食品中的抗生素也會干擾小鼠腸道菌群穩(wěn)態(tài)，如氨芐青霉素顯著增加變形菌門(Proteobacteria)的豐度，磺胺嘧啶降低雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)和乳桿菌(Lactobacillus)的豐度[63]。四環(huán)素暴露2周后，小鼠腸道菌群從194個屬降低到89個屬，而厚壁菌門(Firmicutes)豐度從24.9%增加到39.8%，擬桿菌門(Bacteroidetes)豐度從69.8%降低到51.2%[64]。人在短期服用喹諾酮類和β-內酰胺類抗生素后，腸道微生物多樣性降低了25%，這些抗生素增加了擬桿菌門/厚壁菌門(Bacteroidetes/Firmicutes)比例(p=0.0007，F(xiàn)DR=0.002)，這2種抗生素增加了擬桿菌門比例(p=0.0003，F(xiàn)DR=0.016)[65]。早期接受抗生素治療會對豬腸道系統(tǒng)有持續(xù)性影響，主要包括基因表達和微生物組成2個方面[66]。

大鼠喂食林可霉素(300 mg·kg-1)和克林霉素(200 mg·kg-1)28 d后，其腸道微生物多樣性急劇降低，擬桿菌門(Bacteroidetes)和疣微菌門(Verrucomicrobia)的豐度急劇下降，厚壁菌門(Firmicutes)和變形菌門(Proteobacteria)的豐度顯著增加，軟壁菌門(Tenericutes)和脫鐵桿菌門(Deferribacteres)完全消失；血漿和糞便中的代謝產物如復雜脂類、脂肪酸及相關代謝物、氨基酸及相關化合物的代謝物發(fā)生了變化，膽汁酸的代謝受到明顯的影響，表現(xiàn)為一種指示微生物群落破壞的特定代謝模式[67]。萬古霉素和環(huán)丙沙星暴露下，雌性小鼠尿液和糞便的代謝特征都受到了顯著的影響，引起了膽堿代謝、宿主-微生物共代謝物、短鏈脂肪酸的產生和蛋白質/嘌呤降解的變化。大鼠口服3種不同的抗生素(萬古霉素、鏈霉素和羅紅霉素)，代謝產物對腸道微生物有復合特異性作用。

早期大環(huán)內酯類抗生素治療加速了小鼠1型糖尿病(T1D)的發(fā)展，隨著抗生素使用療程的增加，其腸道菌群的多樣性顯著下降，同時發(fā)現(xiàn)盲腸、肝和血清代謝產物發(fā)生改變，對回腸和肝臟的染色質狀態(tài)產生性別特異性影響，并擾亂回腸基因的表達，從而改變正常的成熟模式。在抗生素與兒童超重/肥胖的關聯(lián)性研究中發(fā)現(xiàn)，抗生素暴露與兒童超重/肥胖緊密相關，可能與擬桿菌門/厚壁菌門(Bacteroidetes/Firmicutes)的比例有密切關系[68]。抗生素擾動共生菌群，可增哮喘的風險[69]。1996—2012年，加拿大213 661對母嬰調查研究發(fā)現(xiàn)，36.8%兒童有產前抗生素暴露，10.1%兒童罹患哮喘，母親產前使用抗生素與兒童哮喘風險上升相關，呈劑量效應關系。妊娠各期、孕前9個月和產后9個月母親使用抗生素，與兒童哮喘的關聯(lián)性相似，此關聯(lián)為非直接因果關系或非妊娠特異性[69]。動物實驗也證明，大部分抗生素對過敏性疾病有不良影響，特定細菌可加劇或緩解過敏和哮喘。分別用氨芐青霉素(150 mg·kg-1·d-1)、慶大霉素(4 mg·kg-1·d-1)和甲硝唑(30 mg·kg-1·d-1)的混合抗生素對豬進行回腸灌注，灌注抗生素未影響近端回腸菌群組成，但明顯改變了糞便菌群的組成，降低其多樣性和豐富度，糞便、血液和下丘腦中的芳香族氨基酸顯著減少，伴隨下丘腦中芳香族氨基酸(AAA)衍生物5-羥色胺和多巴胺濃度下降，神經遞質轉運蛋白和合成酶表達上升?？股刈饔糜诖竽c菌群，可能影響AAA代謝，進而改變下丘腦神經遞質表達[70]。不同類型和劑量的抗生素對共生菌群的共有影響包括降低菌群多樣性、增加變形菌門豐度、增加厚壁菌門/擬桿菌門比例。生命早期的抗生素暴露以及相應的菌群變化與宿主代謝、免疫缺陷相關，會提高肥胖、過敏和炎癥性腸炎等病癥的發(fā)病風險[71]。Mitre等[72]通過對792 130名兒童中出生6個月內使用組胺-2受體拮抗劑(H2RA)、質子泵抑制劑(PPI)或抗生素的嬰兒進行4.6年的跟蹤研究，出生6月內使用可改變菌群的抑酸藥物和抗生素可能促發(fā)過敏性疾病，并建議在有明確臨床需要時才在嬰兒期使用。

宿主腸道是一個大型的耐藥基因庫，有研究鑒定了1 093個耐藥基因，發(fā)現(xiàn)中國人的耐藥基因數(shù)量最多，其次是丹麥人和西班牙人[73]。同時，基于宏基因組法和網(wǎng)絡分析方法建立了完整的抗生素耐藥基因目錄，11個不同國家180名健康人的糞便樣本中共檢測到20個抗性基因(ARGs)類型的507個ARG亞型，豐度范圍從7.12×10-7到2.72×10-1個ARG/16S-rRNA基因拷貝。四環(huán)素、大環(huán)內酯-鏈球菌素、桿菌肽、萬古霉素、β-內酰胺、氨基糖苷和多藥耐藥基因是最豐富的7種ARGs類型。180個個體共享ABC轉運體、aadE、bacA、acrB、tetM、tetW、vanR和vanS，它們在人類腸道中很常見。與其他10個國家的人口相比，中國人口的ARGs數(shù)量最多[74]。環(huán)境中的抗生素不僅影響宿主腸道微生物，也增加了腸道中的抗性基因的發(fā)生率。將棉鈴蟲連續(xù)2周暴露于諾氟沙星和土霉素下，明顯改變了其腸道微生物的組成和結構，降低了腸道細菌的多樣性，顯著增加了木棉蟲中ARGs的多樣性和豐度。Mantel檢驗和Procrustes分析均顯示ARGs與腸道微生物存在顯著相關(p<0.05)[75]，四環(huán)素的處理劑量導致變形菌的減少，主要是由于埃希氏菌/志賀氏菌的減少(從72%降至58%)，四環(huán)素對大腸桿菌的抑制是處理組中多種藥物耐藥的基因減少的主要原因，四環(huán)素處理下由雙歧桿菌含有tetW而成為攜帶AGR的腸道微生物。腸埃希氏菌一直是多藥耐藥基因的主要宿主，而四環(huán)素處理導致氨基糖苷類耐藥基因從大腸桿菌轉移到克雷伯氏菌中[76]。在Jakobsson等[77]的研究中，患者接受含克拉霉素的聯(lián)合抗生素治療幽門螺桿菌相關的消化性潰瘍時，其ermB抗性基因增加1 000倍，該基因在其治療過程后立即編碼大環(huán)內酯靶標修飾RNA甲基化酶，雖然受試者在整個研究過程中沒有接受額外的抗生素，但他們的腸道微生物群在4年后仍然具有相當水平的抗性基因。

1.5 微塑料對腸道微生物的影響

環(huán)境微塑料是一種新興污染物，指的是直徑<5 mm的塑料顆粒[78]，最早被發(fā)現(xiàn)是在海洋生態(tài)系統(tǒng)中。近年來陸地生態(tài)系統(tǒng)、河流和湖泊生態(tài)系統(tǒng)中也陸續(xù)被報道。微塑料粒徑小、數(shù)量多且分布廣，容易被生物所吞食而在食物鏈中累積[78-79]。微塑料對生物的潛在危害不容忽視。目前，關于微塑料對生物腸道微生物的影響研究還處于起步階段。暴露在1 000 μg·L-1的微塑料中，斑馬魚腸道菌群中擬桿菌門(Bacteroidetes)和變形菌門(Proteobacteria)的豐度顯著降低，而厚壁菌門(Firmicutes)的豐度顯著增加，與免疫相關的基因IL1α、IL1β、Ifn和IL8的表達明顯改變，且IL1α、IL1β和Ifn的含量也明顯改變[39]。Ped?等[80]研究發(fā)現(xiàn)，微塑料是歐洲鱸魚腸結構和功能惡化的原因之一，在90 d的暴露中，其后腸病理改變從中度到重度逐漸發(fā)展。Cao等[81]研究不同濃度的微塑料(PS，58 μm)對赤子愛勝蚓(E.foetida)的影響發(fā)現(xiàn)，低濃度微塑料對赤子愛勝蚓(E.foetida)豐度的影響很小，而高濃度(1%或2%)顯著抑制其生長并增加其死亡率。事實證明，大量的微塑料存在于土壤環(huán)境系統(tǒng)中[82]，那么微塑料對土壤生態(tài)系統(tǒng)腸道微生物的影響如何？對寡毛綱動物線蚯蚓(Enchytraeuscrypticus)喂食其體重的0、0.025%、0.5%和10%的微塑料顆粒(0.05～0.1 μm)，評估微塑料對寡毛綱動物生長和腸道微生物的影響。結果表明，喂食寡毛綱動物線蚯蚓(Enchytraeuscrypticus)微塑料(10%)顯著降低了其腸道內對氮循環(huán)和有機物分解起關鍵作用的腸道微生物根瘤菌科(Rhizobiaceae)、黃色桿菌科(Xanthobacteraceae)和球藻科(Isosphaeraceae)的相對豐度[83]。微塑料影響生物生長的機制主要包括降低動物食欲、營養(yǎng)不良、消化道磨損或者阻塞及引起一定的炎癥等[83]。以上的實驗證實了微塑料能夠通過改變腸道微生物，而使土壤動物的體重降低。值得一提的是，在分析微塑料對土壤動物腸道微生物的影響時，除了單獨喂食微塑料，也可將微塑料與土壤按照一定比例混勻，來模擬真實的土壤微塑料污染環(huán)境。同時分析是否微塑料能夠影響土壤微生物群落結構和豐度，而間接地影響到土壤動物的腸道微生物的結構和豐度。這將為揭示微塑料在土壤中的毒性機制提供了強有力的證據(jù)。另外，大量的塑料碎片中檢測到了PCBs、PAHs、PBDEs、鹵化阻燃劑、農藥、壬基酚和重金屬等[84-85]，微塑料耦合環(huán)境化合物對腸道微生物的影響又是如何？也是值得關注的問題。

微塑料對哺乳動物腸道微生物和健康的影響是一個熱點研究方向，目前，主要通過小鼠暴露實驗評估微塑料對人體的危害程度。Lu等[86]研究發(fā)現(xiàn)，通過5周灌胃小鼠不同粒徑和不同濃度的微塑料，灌胃1 000 μg·L-1的小鼠腸道黏膜厚度減小，糞便中的厚壁菌門(Firmicutes)和α-變形菌門(α-Proteobacteria)的豐度在減少；肝甘油三酯(TG)和總膽固醇(TCH)水平也在下降[86]。Jin等[87]也發(fā)現(xiàn)，聚苯乙烯球微塑料可以減少小鼠腸道粘液的分泌，破壞腸道屏障功能，微塑料處理組放線菌含量明顯下降，共15種細菌在接觸微塑料后發(fā)生顯著變化，微生物群落中功能基因的主要代謝通路受到微塑料顯著影響，血清中氨基酸代謝和膽汁酸代謝的指標測定結果表明，微塑料引起代謝紊亂[87]。目前，關于微塑料對陸地哺乳動物毒性的評估仍然非常有限，未來還需要更多的研究來評估其對人類健康的影響。

2 污染物對宿主健康的影響及評價模型(Effects of pollutants on hosts’ health and evaluation models)

2.1 環(huán)境污染物對健康的影響

除了關注環(huán)境污染物與腸道微生物的互作或對腸道微生物的影響外，更應該關注環(huán)境污染物對腸道微生物短期或長期毒性效應和毒性機制，從而建立一種環(huán)境污染物對腸道微生物毒性評價方法。腸道微生物相關的環(huán)境毒理學研究尚處于起步階段[88]，而已有的研究表明，劑量-反應關系仍然是評價污染物對腸道微生物風險的重要步驟，需綜合考慮藥物對宿主和腸道細菌的毒理[89]。污染物對腸道微生物的劑量-反應關系理論上應該存在，污染物在短時間內對腸道微生物豐富度和多樣性不足以產生劑量-效應反應，這成為評價的難點。根據(jù)生態(tài)穩(wěn)定性理論[90]和毒理學原理[91]，我們提出了以腸道微生物為靶器官評價污染物致病的關鍵步驟和重要模型，環(huán)境污染物作用對象——腸道微生物是否產生中毒癥狀根據(jù)污染物的暴露劑量、作用模式和疾病形成這3個部分而定。

健康人的腸道系統(tǒng)能夠保持和恢復自身結構與功能的相對穩(wěn)定[92]。不同毒性強度的環(huán)境污染物均會引起多種腸道微生物豐富度降低(圖1(a))，而這種變化具有很大的個體差異性，如何對腸道生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行評估和研究？其背后的生態(tài)學原理是否與自然生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)學穩(wěn)定性原理相似？一個生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性表現(xiàn)在抵抗力穩(wěn)定性和恢復力穩(wěn)定性2個方面；抵抗力穩(wěn)定性與恢復力穩(wěn)定性存在相反關系。腸道生態(tài)系統(tǒng)由于營養(yǎng)級單一，因此抵抗力穩(wěn)定性較弱，但是腸道中的微生物繁殖迅速、變異能力強、生態(tài)系統(tǒng)結構簡單，故恢復力穩(wěn)定性較強，這是符合生態(tài)學穩(wěn)定性原理的。

假設低毒性污染物脅迫下的腸道微生物在一段時間內能夠迅速恢復到初始狀態(tài)，而中毒性或高毒性的污染物脅迫下腸道微生物恢復到初始狀態(tài)需要更長的時間，若毒性過大可能會對腸道微生物和個體帶來摧毀性的打擊(圖1(b))。MacPherson等[93]將70名健康志愿者分為2組，一組補充益生菌(鼠李糖乳桿菌R0011+瑞士乳桿菌R0052)，另一組補充安慰劑，2組均同時使用抗生素(阿莫西林-克拉維酸)，干預1周。使用抗生素后，2組的腸道微生物在科水平上的組成均發(fā)生顯著變化，毛螺菌科和紅蝽菌科比例下降，腸桿菌科、擬桿菌科和紫單胞菌科比例上升，但是在停止使用抗生素后，2組的菌群組成及耐藥菌組成均快速恢復至基線水平[93]。類似地，Xiong等[76]分別用低劑量和治療劑量的四環(huán)素連續(xù)7 d喂食雞，分別在第0天、第5天、第10天和第20天取樣，通過對第10天和第20天雞糞便微生物的研究發(fā)現(xiàn)，低劑量組中優(yōu)勢的變形菌門(Proteobacteria)和厚壁菌門(Firmicutes)的組成變化與對照組相比沒有顯著差異；然而，四環(huán)素導致了分類門組成的顯著變化，其中，變形菌門(Proteobacteria)的相對豐度從第0天的83%降低到第5天的75%。而作為變形菌門(Proteobacteria)的主要屬，埃希氏桿菌屬/志賀氏桿菌屬(Escherichia/Shigella)在處理組中從第0天的70%顯著降低至第20天的58%，相反，對照組中卻沒有明顯變化[76]。因此，在評價腸道微生物穩(wěn)定性時，不僅要從豐富性和多樣性入手，同時應該評價受到污染物沖擊后腸道微生物的恢復時間，以此斷定不同個體腸道微生物抗干擾能力。

圖1 污染物對腸道微生物的影響評價注：黃色表示低毒性污染物，藍色表示中毒性污染物，紅色表示高毒性污染物，毒性可根據(jù)實驗大/小鼠的半數(shù)致死劑量(LD50)區(qū)分；(a)在不同毒性的污染物中連續(xù)暴露后，腸道微生物豐富度和多樣性降低，低毒污染物在停止暴露后，可以快速地恢復到初始水平；中毒性污染物暴露后，可能可以快速恢復到初始水平；高毒性污染物停止暴露后，較難恢復到初始水平或導致腸道紊亂和疾病的發(fā)生；(b)腸道微生物受到污染物影響后的波動，黃色表示波動能夠快速恢復，藍色表示波動可以恢復，紅色表示波動不能恢復或恢復得很慢；(c)污染物對宿主健康影響的決定性步驟和重要事件。Fig. 1 Evaluation of the influence of contaminants on intestinal microorganismsNote: Yellow indicates the low toxic pollutants; blue indicates the middle toxic pollutants; red indicates the high toxic pollutants; toxicity can be distinguished according to the half lethal dose (LD50) of experimental rats/mice; (a) the richness and diversity of gut microbes could be reduced during the exposure in different toxic pollutants, and the richness and diversity of gut microbes can quickly recover to the initial level after stopping the low toxic pollutant exposure; the richness and diversity of gut microbes may quickly recover to their initial levels after stopping the middle toxic pollutant exposure; however, the richness and diversity of gut microbes is very difficult to recover to initial levels or cause intestinal disorders and disease after cessation of exposure to highly toxic pollutants; (b) fluctuations of intestinal microorganisms affected by pollutants: yellow indicates that fluctuations can recover quickly, blue indicates that fluctuations can recover quickly, and red indicates that fluctuations cannot recover or recover slowly; (c) decisive steps and important events in the impact of pollutants on host health.

2.2 評價模型

以腸道微生物為靶器官建立了的環(huán)境污染物致病的關鍵步驟和模型[91]。污染物致病發(fā)生必須經過6個關鍵步驟和5個重要模型，構成暴露劑量、作用模式和疾病形成的三部分內容(圖1(c))。6個決定性步驟包括污染物、外暴露劑量、機體內暴露劑量、靶器官劑量、早期生物學效應、結構功能改變和疾病發(fā)展過程，5個關鍵模型包括暴露模型、基于生理學代謝動力學模型、基于生物學劑量-反應模型、系統(tǒng)模型和疾病模型。

在污染物致病發(fā)生過程中，第1步決定性的步驟所涉及的關鍵模型應該屬于管理模型，可能涉及環(huán)境管理、食品監(jiān)管、政策執(zhí)行和經濟實力等方面，可以說管理模型與其他社會科學有緊密的關系，但管理模型不屬于暴露劑量、作用模式和疾病形成的內容；從污染物暴露劑量到機體內劑量是污染物發(fā)病過程的第2步決定性步驟，需要采用暴露模型，該模型涉及污染物進入腸道的方式(主要是食物攝入)；機體內暴露劑量轉化為以腸道微生物為靶標的劑量是污染物致病發(fā)生的第3步決定性步驟，其為基于生理學代謝動力學模型；靶器官轉化為早期生物學效應是污染物劑量轉變?yōu)槎拘员憩F(xiàn)的決定步驟，用基于靶器官劑量-反應模型來說明這一污染物致病發(fā)生過程，這是第4步決定性步驟所涉及的關鍵模型；如果讓污染物繼續(xù)作用，使靶器官中污染物濃度較高，將導致不可逆的毒性反應，污染物致病發(fā)生過程第5步就進入到機體結構-功能改變的決定步驟，這時即便清除污染物，也不可能恢復到健康水平。污染物發(fā)生過程的第5步決定性步驟將遇到生物系統(tǒng)模型，生物系統(tǒng)模型就是闡明生物體各系統(tǒng)受到污染物作用后的表現(xiàn)和相互聯(lián)系；最后一步決定性步驟為結構-功能的改變致疾病過程，相對應的疾病模型事件也就是出現(xiàn)臨床癥狀的內容。

腸道微生物較其他靶器官更為敏感，是能夠反映污染物毒性的生物標記物。Kim等[94]將蚯蚓腸道微生物作為指示重金屬毒性的生物標記物，發(fā)現(xiàn)腸道微生物群落活性檢測在位點特異性毒性檢測中具有很強的應用潛力，因為該檢測僅需要從污染土壤中獲得的蚯蚓新鮮腸道樣本。不僅蚯蚓腸道微生物可以指示污染物，任何生物的腸道微生物都有希望成為污染物指示指標，但是需要建立模式生物腸道微生物和模式污染物之間的劑量-反應關系。腸道微生物劑量-反應關系是連接口服污染物劑量和疾病形成的關鍵紐帶，但是如何像測量物體質量那樣精確測量污染物的毒性，至今還是一個非常大的挑戰(zhàn)。因此，本文提出了在不出現(xiàn)早期生物學效應的前提下，基于腸道微生物恢復到基線的時間/暴露測試時間來表征污染物對腸道微生物的毒性。這其中有很多工作需要做，包括：如何確定腸道微生物的急性、亞急性、亞慢性和慢性毒性的暴露時間，腸道微生物豐富性和多樣性的變化是否具有濃度依賴的特性，如何用這種依賴特性轉化為評價的數(shù)學模型等?？梢酝ㄟ^模式生物的腸道微生物群落結構來判斷該地區(qū)的特征污染物及污染程度。腸道微生物具有很強的恢復能力，如何利用腸道微生物修復體內微量的污染物，或者怎樣在受到污染物脅迫后，重新塑造腸道微生物同樣是一個全新的研究方向。

本文綜述了重金屬、POPs、農藥、抗生素和微塑料等環(huán)境污染物與腸道微生物雙向交互作用的各種機制，也總結了環(huán)境污染物對腸道和腸道微生物影響的普遍機制。很多污染物是通過與腸道微生物相互作用而導致機體出現(xiàn)代謝異常、免疫系統(tǒng)功能紊亂、營養(yǎng)吸收障礙或產生其他毒性癥狀。根據(jù)生態(tài)穩(wěn)定性理論和毒理學原理，本文提出了評價污染物對腸道微生物穩(wěn)定性的決定性步驟和重要事件，并提出了計算污染物腸道毒性的方法——以腸道微生物恢復到基線的時間/暴露測試時間來表征污染物對腸道微生物的毒性。腸道微生物豐富性和多樣性的變化是否具有濃度依賴的特性？如何將這種依賴特性轉化為評價的數(shù)學模型？是否可以通過模式生物的腸道微生物群落結構來判斷該地區(qū)的特征污染物及污染程度？同時，腸道微生物具有很強的恢復能力，如何利用腸道微生物修復體內微量的污染物？或者怎樣在受到污染物脅迫后，重新塑造腸道微生物？這些都是日后仍須深入研究和亟待解決的問題。

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