重金属镍污染通过改变宿主肠道菌群多样性影响大型溞健康的新机制

《Microbial Ecology》：Heavy-metal Pollution Affects Daphnia Fitness by Altering Diversity of the Gut Microbiota

　　本研究针对重金属污染如何通过肠道菌群影响宿主健康这一关键问题，以模式生物大型溞（Daphnia magna）为对象，通过无菌动物模型、肠道菌群移植和转录组测序（RNA-seq）技术，发现镍（Ni）暴露会降低宿主肠道菌群多样性，进而通过改变与几丁质代谢、氧运输和解毒功能相关的基因表达，影响宿主生存与繁殖。该研究发表于《Microbial Ecology》，为理解环境胁迫-微生物组-宿主互作提供了新视角。

　　

在淡水生态系统中，重金属污染是一个全球性的环境问题。镍（Ni）作为常见的重金属污染物，在严重污染的水体中浓度可高达200 μg/L，对水生生物构成毒理学威胁。大型溞（Daphnia magna）是水生生态系统的关键物种，也是环境毒理学研究的经典模型。已有研究表明，肠道菌群在宿主营养提供、消化促进、解毒以及免疫调节中发挥关键作用。然而，当宿主面临如重金属镍等环境胁迫时，肠道菌群如何被影响，以及这种影响又如何介导宿主健康，仍是未解之谜。

为了回答上述问题，研究人员在《Microbial Ecology》上发表论文，通过构建无菌大型溞模型，结合肠道菌群移植、16S rRNA基因测序和转录组测序（RNA-seq）等技术，系统探究了镍暴露下肠道菌群的变化及其对宿主健康的影响。

研究中主要应用了以下关键技术：通过无菌操作获得无菌大型溞个体；设置不同处理组（包括有无菌群移植及镍暴露组合）；利用16S rRNA扩增子测序分析肠道菌群组成与多样性；通过RNA-seq技术检测宿主基因表达差异；并借助基因本体（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）数据库进行功能富集分析。

生命史参数

研究发现，在持续21天的镍暴露下，未接受菌群移植的无菌大型溞（Bac-Free+Ni）与未暴露镍的对照组（Bac-Free）在生存率上无显著差异。然而，当无菌溞接受来自供体的肠道菌群移植后，镍暴露组（Bac-Suppl+Ni）的生存率显著低于未暴露组（Bac-Suppl）。此外，接受菌群移植的个体无论是否暴露于镍，其首次繁殖时间更早、首窝后代数量更多。这表明镍对宿主健康的不利影响依赖于肠道菌群的存在。

肠道细菌群落

通过对接种供体菌群的无菌大型溞在镍暴露（Bac-Suppl+Ni）与未暴露（Bac-Suppl）条件下的肠道菌群，研究人员发现镍暴露导致菌群多样性显著降低（如Shannon指数从4.38降至2.97）。在门水平上，镍暴露组中变形菌门（Proteobacteria）和拟杆菌门（Bacteroidota）的相对丰度发生变化，且放线菌门（Actinobacteriota）和厚壁菌门（Firmicutes）等类群在镍暴露组中显著减少。线性判别分析（LEfSe）进一步揭示，镍暴露下乳杆菌属（Lactobacillus）等有益菌的丰度下降，而赫巴斯皮尔氏菌（Herbaspirillum huttiense）等菌群增加。

转录组响应

转录组分析显示，与接种未暴露镍供体菌群的个体相比，接种镍暴露供体菌群的宿主有558个基因上调、1180个基因下调。上调基因富集于与解毒相关的GO术语，如糖基转移酶（GT）活性等；下调基因则显著富集于与氧运输（如血红素结合、氧载体活性）和几丁质代谢（如几丁质基角质层结构组成）相关的通路。这些结果提示，镍通过改变菌群组成，进而影响宿主的免疫相关几丁质代谢、氧运输能力以及解毒机制。

综上所述，本研究表明重金属镍污染不仅直接损害宿主，更重要的是会干扰宿主肠道菌群的正常定植，降低菌群多样性。这种菌群结构的改变进一步引发宿主在基因表达层面的适应性调整，尤其是在解毒功能上调的同时，几丁质代谢和氧运输等相关基因受到抑制，最终导致宿主健康受损。该研究从“环境胁迫?微生物组?宿主”互作的角度揭示了重金属毒性的新机制，为水生态风险评估与污染治理提供了重要的理论依据。