工业和农业化学品悄悄改变肠道微生物的平衡

工业和农业化学品悄悄改变肠道微生物的平衡

一项大规模实验室研究表明，广泛使用的化学品不仅仅会污染食物和水。它们可以选择性地抑制、促进和重新连接肠道细菌，对微生物组平衡和抗菌素耐药性产生潜在影响。

在最近发表在该杂志上的一项研究中自然微生物学，研究人员观察到，许多农业和工业化学品对人类肠道微生物群表现出抗菌活性，并且可以对肠道细菌施加选择性压力体外。

合成化学品已成为工业和农业不可或缺的一部分。工农业化学品通过农业应用、工业加工或环境污染进入水和食品。化学污染物对食物和水的污染使胃肠道暴露于外源化合物。然而，人们对这些污染物在受控实验室条件下对肠道细菌的影响或它们如何影响微生物的适应性和竞争知之甚少。

筛选对肠道微生物的化学作用

在本研究中，研究人员使用以下方法检查了污染物对肠道细菌的影响：体外评估细菌生长抑制和选择效果的筛选方法。他们使用了包含 1,076 种可能进入水和食物的化合物的庞大库；该库包括针对蜘蛛、啮齿动物、细菌、真菌和线虫等生物体的工业化学品、农药、农药代谢物和化合物。

测试 22 种肠道菌株的生长抑制

研究人员检查了 20 μM 浓度的所有化合物对 22 种肠道细菌菌株生长的影响，这些菌株是根据健康肠道微生物群中的流行率和丰度而选择的。细菌生长并监测24小时；生长测量为生长曲线下的面积。生长抑制命中被定义为使生长减少 20% 以上的细菌-化学相互作用。

具有广泛和狭义抗菌活性的化学品

研究小组发现 168 种化学物质至少能抑制一种菌株。特别是拟杆菌目歧杆菌是最敏感的分类群，而嗜粘液阿克曼氏菌和大肠杆菌是最不敏感的。杀菌剂、工业化学品和杀螨剂是具有主要抗菌活性的化学类别，大约三分之一的杀菌剂和工业化学品表现出抑制作用。虽然大多数化合物可抑制少数菌株，但 24 种化合物表现出广泛的毒性，可抑制超过三分之一的菌株。

Closantel（一种牲畜抗寄生虫药）、双酚 AF（BPAF；用于塑料）、四溴双酚 A（TBBPA；一种阻燃剂）、甲维盐苯甲酸酯（一种杀虫剂）、氟啶胺（一种杀菌剂）和十氯酮（一种杀虫剂）均属于具有广谱抑制活性的化合物。此外，150 种细菌-化学相互作用显示出超过 90% 的生长抑制，表明强大的抗菌活性可能导致肠道微生物之间的竞争优势或损失。

化学敏感性与微生物丰度之间的关系

影响一个物种的化合物数量与其在人类微生物组中的相对丰度呈正相关，但与流行率无关。因此，具有窄或宽活性的化学物质可能会影响微生物组的组成，因为它们通过差异生长抑制和选择对许多类群产生影响。接下来，研究小组研究了物种水平的化学效应如何影响细菌群落。使用 TBBPA 或 BPAF 对由 20 种肠道细菌组成的合成多样化群落进行测试，以评估群落水平的反应。

社区层面对 BPAF 和 TBBPA 的反应

然而，BPAF 引起的成分变化与单一栽培效应一致直肠真杆菌和有核梭杆菌尽管他们在孤立的情况下很脆弱，但在社区中受到保护。与四溴双酚A一起，多形拟杆菌尽管在单一栽培中很脆弱，但仍主导着社区，这表明社区环境如何在化学压力下改变健康结果。接下来，研究人员研究了拟杆菌目物种的相互作用机制，因为它们对污染物高度敏感。

用于鉴定耐受基因的转座子突变体库

转座子 (Tn) 突变体文库梅尔代拟杆菌其中包含 3,000 多个非必需基因中的 Tn 插入突变体，用于识别调节异生物质对细菌适应性影响的基因。针对 10 种化学品进行了竞争测试。氯氰碘灵、甲维盐、氟啶胺、TBBPA、硫酸抑霉利和 BPAF 的测试浓度为 ≤20 μM，而草甘膦、全氟壬酸 (PFNA)、全氟辛酸和丙环唑的测试浓度为 ≥20 μM。

接种突变体文库的培养物生长至早期稳定期，并使用条形码 Tn 测序来量化化学胁迫下 Tn 突变体的选择。在 ≤ 20 μM 的测试物质中，BPAF、氯氰碘灵和 TBBPA 在文库选择中表现出最强的效果。此外，500 μM PFNA 显示总体命中率最高，而 50 μM 草甘膦、20 μM PFNA 和 20 μM 全氟辛酸并未产生显着的命中率。

确定的外流调节和抵抗机制

值得注意的是，closantel 的选择最强，超过 90% 的 Tn 突变体在 NQ542_01170 基因中超过 20 个不同位置进行插入，该基因编码与 acrR（一种外排阻遏蛋白）同源的转录调节因子均匀拟杆菌。失去这种调节剂会增加对多种污染物的耐受性，并导致对抗生素环丙沙星的耐药性增加，这凸显了污染物暴露与抗生素耐药性之间可能通过共同的耐受性和外排途径存在联系。一些转运蛋白 Tn 突变体对污染物表现出广泛的敏感性，表明它们之间存在共同的耐受机制梅尔达虾。

拟杆菌目中保守的污染物耐受途径

对突变体的进一步研究B.thetaiotamicron属于一个远方家庭梅尔达虾揭示了两个物种之间的共同反应，并支持整个目中污染物耐受性的保守机制（例如，流出途径）。此外，梅尔达虾对于大多数影响细菌生长和代谢性能的测试化合物，Tn 插入突变基因命中在各种代谢途径中丰富。

污染物控制的代谢途径选择

20 微摩尔 TBBPA 选择显示支链氨基酸 (BCAA) 降解途径中 Tn 突变体显着富集。分解代谢基因簇 porA（参与 BCAA 降解为短链脂肪酸）在 20 μM TBBPA、20 μM BPAF 和 500 μM PFNA 下也表现出正选择。次级代谢基因 NQ542_07535–55 的功能丧失 Tn 插入突变体在 500 μM PFNA 下表现出阳性选择。

对微生物组的适应性和进化产生深远影响

该研究总共确定了 168 种化学物质与人类肠道细菌之间的 588 种抑制相互作用，其中大多数以前没有抗菌特性。工业化学品和杀菌剂的影响最大。外排泵的调节是它们之间的保守机制B.thetaiotamicron和梅尔达虾这塑造了化学压力下的耐受性和竞争力。

遗传选择在梅尔达虾富含生物合成和分解代谢基因。编码参与次级代谢物的酶的基因的功能丧失突变提供了生长优势，并增加了接触化学污染物可能影响肠道选择景观的可能性，这可能会改变宿主-微生物组相互作用途径。然而，实验进行了体外在规定的浓度下，需要进一步进行体内和流行病学研究，以确定在人类真实暴露条件下是否会发生类似的影响，并确定相关的暴露水平。

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