肠道微生物对海洋鱼类中砷的生物累积和转化影响机制

Arsenic pollution is one of the most serious environmental problems in the estuaries and coastal waters of China. Arsenic can cause serious damage to ecosystems and human health through food chain. Marine benthic fish generally contain high concentrations of arsenic and exhibit a predominance of arsenobetaine, showing a unique mechanism of arsenic bioaccumulation and biotransformation. Previous studies have found that the intestinal tract of marine fish has high arsenic bioaccumulation and biotransformation ability, but whether this is related to the involvement of intestinal microbes in arsenic metabolism is unclear. Therefore, this project will study the differences in bioaccumulation and biotransformation of inorganic arsenic, intestinal microbial community and the expression of arsenic functional genes, the ability of inorganic arsenic biotransformation by gut contents, and the bioavailability of different arsenic species in control and sterilized (antibiotic-treated) grouper (Epinephelus coioides) by using ecotoxicology, analytical chemistry and molecular biology techniques to elucidate whether and how intestinal microbes affect the bioaccumulation and biotransformation processes of arsenic in marine fish. This project can achieve a more comprehensive understanding of the ecotoxicological mechanism of arsenic, and is of great significance for protecting the marine ecological environment and ensuring the safety of marine food.

砷污染是我国河口与近海最为严重的环境问题之一，砷可以通过食物链传递对生态系统以及人类健康产生严重危害。海洋底栖鱼类普遍含有较高的砷浓度，并以有机的砷甜菜碱形态为主，具有独特的砷累积和转化机制。前期研究发现海洋鱼类的肠道具有高砷累积和生物转化能力，但是这是否与肠道微生物参与砷代谢有关尚不清楚。鉴于此，本项目以海洋底栖鱼类——石斑鱼（Epinephelus coioides）为研究对象，运用生态毒理学、分析化学和分子生物学等技术比较有菌和除菌（抗生素处理）石斑鱼中砷的生物累积和生物转化差异、肠道微生物群落变化和关键砷转化功能基因表达差异、肠道内含物体外转化无机砷的能力以及不同形态砷的生物可利用性，从而揭示肠道微生物对海洋鱼类中砷的生物累积和生物转化过程的影响及机制。本项目的实施可加深我们对砷的生态毒理学机制的认识，对保护海洋生态环境和保障海洋食品安全具有重要的意义。

砷是一种广泛分布在自然环境中的有毒元素，可以通过食物链传递对生态系统以及人类健康产生严重危害，许多生物均存在相应的解毒机制。海洋底栖鱼类普遍含有较高的砷浓度，可以通过一系列的甲基化作用将高毒性的无机砷转化为低毒甚至无毒的有机砷（AsB）储存在体内。相比于其他组织，鱼类肠道具有较强的砷累积和转化能力，这可能与肠道微生物作用有关，但是目前有关肠道微生物介导鱼类砷代谢的研究较少。本项目以海洋底栖鱼类为研究对象，系统研究了无机砷暴露下肠道微生物对海洋鱼类中砷的生物累积和生物转化的影响，并探究了肠道微生物群落变化、关键砷抗性菌株生物转化过程、肠道内含物体外转化无机砷能力以及不同形态砷的生物可利用性，进而揭示肠道微生物影响海洋鱼类中砷的生物累积和生物转化过程的机制。结果显示，经抗生素处理的鱼类肠道组织累积砷的能力降低，不同形态有机砷的合成受到显著抑制，体外实验表明鱼类肠道内含物在相关底物与甲基供体存在的情况下能够在体外对砷进行生物转化，说明肠道微生物能够促进海洋鱼类对砷的生物累积和生物转化。不同处理组的鱼肠道微生物16S rDNA测序结果表明，砷暴露会显著影响鱼类肠道菌的组成。根据不同处理之间的丰度比较，确定了包括Stenotrophomonas在内的10个属（Stenotrophomonas、Bacillus、Pseudomonas、Thalassotalea、Nautella、Cetobacterium、Catenovulum、Sulfitobacter、Alteromonas和Escherichia-Shigella）在砷暴露后相对丰度显著增加。通过筛选、分离纯化与培养关键砷抗性菌株并对其生物转化过程进行研究，发现鱼类肠道中存在着丰度较高的Stenotrophomonas maltophilia，此菌株体内存在arsRBC、arsH和betIBA等与砷转化相关的基因，能够将无机砷（As(V)和As(III)）转化为生物可利用性较高的低毒有机砷（MMA、DMA和AsB），这些有机砷更易被鱼类宿主吸收储存，换而言之，肠道菌能够通过改变砷在鱼类体内的存在形态进而改变其生物可利用性从而影响海洋鱼类对砷的吸收和转化。本项目的顺利实施可填补肠道微生物介导海洋鱼类砷代谢研究的空白，加深我们对砷的生态毒理学机制的认识，对保护海洋生态环境和保障海洋食品安全具有重要的意义。