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【客户文章发表】抗生素暴露通过破坏小鼠回肠微生物群和代谢谱降低土壤砷口服生物利用度

发布日期:2021-04-29 浏览次数:463


期刊:Environment International

IF: 7.577

研究背景


致癌物质砷(As)普遍存在于环境中,童年的早期接触可能对成年后的健康产生不利影响。虽然As的暴露接触主要来自大米和水的摄入,但是偶然的土壤摄入也是不可忽略的途径,已有研究表明有机砷的吸收率低于无机砷。文章以土壤砷的口服生物利用度为指标,以小鼠为模型研究了抗生素诱导的回肠微生物和代谢物的变化如何改变土壤的代谢和生物利用度。


材料方法


1实验材料

江西省典型的采矿/冶炼污染场地进行了As污染土壤的采集HPLC结合ICP-MS法测土壤砷的形态,几乎所有As(99.8%)均表现为无机AsV实验小鼠为雌性小鼠(BALB/c),体重(bw) ~18 g(4周龄)25◦c50%湿度、12/ 12h/暗循环条件。

2实验设计

(1)小鼠模型评估土壤砷的相对生物利用度

组织与土壤和砷酸钠暴露后的As剂量进行归一化,组织As浓度由于反映了动物摄取土壤后可获得的As的比例被用作生物利用度终点

(2)组织病理学观察及小鼠样品中砷形态鉴定

PC100PC1000处理福尔马林固定切片、染色后拍照。取血液、肝脏、肾脏、尿液、回肠组织及内容物、粪便样本,提取后采用HPLC-ICP- MS对提取物中As成分进行分离鉴定。

316s rRNA测微生物群落

样本类型:回肠样本,饲料对照、PC100PC1000、土壤对照、土壤+ PC100和土壤+ PC1000处理各4

16s rRNA测序:Illumina Hiseq2500 ,V3-V4可变区

4肠道代谢组学分析

分析仪器:GC-TOF-MS

结果分析


1抗生素引起肠道微生物群落的变化

对照组及不同处理下的OTU花瓣图表明抗生素暴露重塑了小鼠肠道微生物群落结构。饮食对照组小鼠中以厚壁菌门(Firmicutes)为优势门,乳酸杆菌(Lactobacillus)为优势属(77%暴露在污染土壤中的小鼠的乳酸菌相对丰度下降致病菌脱硫弧菌上升,反映了小鼠对毒性暴露的反应,同时暴露于土壤和青霉素的小鼠的微生物群组成变化最显著在饮食控制、土壤控制和土壤+ PC处理小鼠之间观察到相对丰度Top5的差异坐标分析显示,不同处理小鼠的细菌群落组成在X轴上有明显的分离。

2抗生素引起肠道代谢物的变化

土壤对照和土壤+ PC1000处理PCA分析显示,青霉素扰乱了肠道菌群的代谢青霉素暴露小鼠中下调的10个代谢物,可能是因为接触抗生素的动物对氨基酸的吸收增强,也有可能是乳酸菌或脱硫弧菌的相对丰度降低。差异代谢物与微生物区系的相关性分析表明,乳酸菌相对丰度的降低与代谢产物的下调显著相关。

3抗生素降低土壤相对生物利用度

在抗生素暴露下,As在小鼠组织特别是肾脏中的积累显著减少,但在粪便、尿液、血液和器官中As的总体质量平衡没有显著改变。以As肝脏和肾脏中的积累为生物利用度目标时,土壤+ PC处理小鼠的土壤As- RBA比土壤对照处理低。


4抗生素降低了肠道中砷的土壤相对生物利用度

青霉素暴露下小鼠回肠中可溶性As含量减少肠道微生物参与了土壤中As的溶解。同时,As在胃肠道中受铁的溶解和沉淀影响。氨基酸通过抑制铁沉淀的作用,从而提高了生物利用度。肠道微生物群落的改变引起的氨基酸浓度降低可能导致肠道铁沉淀增加,进而导致氧化铁与As的螯合增加,降低了肠道中砷的生物可利用性,从而通过与抗生素的共暴露降低土壤As- RBA


5生物可利用无机砷向生物可利用性较差的有机砷转化的提升

回肠组织中主要有剧毒AsIIIMMAIII,在其他组织、排泄物中主要为DMAV。青霉素暴露不影响回肠组织、血液、肝、肾、或尿液中砷的形成模式,对As吸收后的转化几乎没有影响。然而在肠道和粪便中显著影响As转化。As在肠道中由有效AsIIIAsV向低效MMAVDMAV转化的增强可能是土壤暴露条件下对As吸收降低的原因之一。


土壤与抗生素组的小鼠比土壤条件下的小鼠粪便中含有更多的AsIII,表明抗生素培养条件下回肠吸收的AsIII更少,进而导致了土壤中砷的相对生物利用度降低。



结论


作者利用小鼠生物测定法来确定回肠微生物群和代谢谱的变化如何改变土壤As-RBA,在小鼠体内模型的基础上,研究了肠道微生物和肠道代谢产物在土壤增溶和形态转化中的重要作用,进而影响口服生物利用度研究首次在体内提供了肠道微生物群对土壤As-RBA影响的证据小鼠肠道菌群通过调节代谢产物尤其是氨基酸的丰度,影响As- RBA的溶解,并通过影响生物有效无机As和生物低效有机As之间的形态转换,在土壤As- RBA中发挥重要作用。研究结果有助于更好地理解肠道细菌在污染土壤中影响As代谢和健康风险的作用为后续研究提供了新的方向。